Антропогенные факторы, их влияние на организмы.

Таблица 3 - Уровни понятия «экологический фактор»

Несмотря на большое разнообразие экологических факторов, в характере их воздействия на организмы и в ответных реакциях живых существ можно выявить ряд общих закономерностей.

Закон оптимума. Каждый фактор имеет лишь определенные пределы положительного влияния на организмы. Благо­приятная сила воздействия называется зоной оптимума экологи­ческого фактора или просто оптимумом для организмов данного вида (рис. 5).

Рисунок 5 – Зависимость результаты действия экологического фактора от его интенсивности

Чем сильнее отклонения от оптимума, тем больше выраже­но угнетающее действие данного фактора на организмы (зона пессимума). Максимально и минимально переносимые значения фактора - это критические точки, за пределами которых сущест­вование уже невозможно, наступает смерть. Пределы выносливо­сти между критическими точками называют экологической валентностью живых существ по от­ношению к конкретному фак­тору среды. Точки, ограничивающие его, т.е. максимальная и минимальная температуры, пригодные для жизни, - это пределы устойчивости. Между зоной оптимума и пределами устойчивости растение испытывает все нарастающий стресс, т.е. речь идет о стрессовых зонах, или зонах угнетения в рамках диапазона устойчивости. По мере удаления от оптимума в конечном итоге по достижении пределов устойчивости организма происходит его гибель.

Виды, для существования которых необходимы строго определенные экологические условия, маловыносливые виды называют стенобионтными (узкая экологическая валентность), а те, которые способны приспосабли­ваться к разной экологической обстановке, выносливые — эврибионтными (широкая экологическая валентность) (рис. 6).

Рисунок 6 – Экологическая пластичность видов (по Ю. Одум, 1975)

Эврибионтность способствует широкому распространению видов. Стенобионтность обычно ограничивает ареалы.

Отношение организмов в колебаниям того или иного определенного фактора выражается прибавлением приставки эври- или стено- к названию фактора. Например, по отношению к температуре различают эври- и стенотермные организмы, к концентрации солей – эври- и стеногалинные, к свету – эври- и стенофотные и т.д.

Закон минимума Ю.Либиха.Немецкий агроном Ю.Либих в 1870 году в первые установил, что урожай (продукция) зависит от фактора, находящегося в среде обитания в минимуме, и сформулировая закон минимума, который гласит: “веществом, находящимся в минимуме, управляется урожай и определяется величина и устойчивость последного во времени”.

Формилируя закон Либих имел в виду, лимитирущие воздействие на растений жизненно важных химических элементов, присутствующих в среде их обитания в небольших и непостоянных количествах. Эти элементы называются микроэлементами. К ним относятся: медь, цинк, железо, бор, кремний, молибден, ванадий, кобальт, хлор, иод, натрий. Микроэлементы, подобно витаминам, действуют как катализаторы, химические элементы фосфор, калий, кальций, магний, сера, требующиеся организмам в сравнительно большом почестве называются макроэлементами. Но, если этих элементов в почве содержится больше, чем необходимо для нормальный жизнедеятельности организмов, то они также являются лимитирующими. Таким образом, микро- и макроэлементов в среде обитания живых организмов должно содержаться столько, сколько небоходимо для их нормального существования и жизнедеятельности. Измение содержания микро- и макроэлементов в сторону уменьшения или увеличения от необходимого количества-лимитирует существование живых организмов.

Ограничивающие факторы среды определяют географический ареал вида. Природа этих факторов может быть различной. Так, продвижение вида на север может лимитироваться недостатком тепла, в пустынные районы - недостатком влаги или слишком вы­сокими температурами. Ограничивающим распространение факто­ром могут служить и биотические отношения, например занятость данной территории более сильным конкурентом, либо недостаток опылите­лей для растений.

Закон толерантности В.Шелфорда.Любой организм в природе способен переносить воздействие периодических факторов как в сторону уменшения, так и в сторону их увеличение до определенного предела в течение определенного времени. На основе этой способности живых организмов американский зоолог В. Шелфорд в 1913 году сформулировал закон толерантности (от лат «tolerantica»-терпение: способность организма переносить вляние факторов среды обитания до определенного предела), который гласит “Отсутствие или невозможность развития экосистемы определяется не только недостатом (количественно или качественно), но и избытком любого из факторов (света, тепла, воды), уровень которых может оказаться близким к пределам переносимого данным организмым”. Эти два предела: экологический минимум и эклогический максимум, воздействие которых выдерживает живой организм, называются пределами толерантности (терпимости), например, если некий организм способен жить при температуре от 30°С до - 30°С, то предел его толерантности лежит в пределах этих температур.

Эвробионты, благодаря широкой толерантности, или широкой экологической амплитуде, широко распространены, более устойчивы к воздействию факторов среды, т е. более жизнестойки. Отклонения воздействия факторов от оптимума угнетает живой организм. Экологичесая валентность у одних организмов узкая (например, снежный барс, грецкий орех, в пределах умеренной зоны), у других-широкая (например, волк, лиса, заяц, тростник, одуванчик и др.).

После открытия этого закона были проведены многочисленные исследования, благодаря которым стали известны пределы существования для многих растений и животных. Таким примером является влияние загрязняющего атмосферный воздух вещества на организм человека. При значениях концентрации С_лет человек погибает, но необратимые изменения в его организме происходят при значительно меньших концентрациях: С_лим. Следовательно, истинный диапазон толерантности определяется именно этими показателями. Значит, их необходимо экспериментально определять для каждого загрязняющего или любого вредного химического соединения, и не допускать превышения его содержания в конкретной среде. В санитарной охране окружающей среды важны не нижние пределы устойчивости к вредным веществам, а верхние пределы, т.к. загрязнение окружающей среды – это и есть превышение устойчивости организма. Ставится задача или условие: фактическая концентрация загрязняющего вещества С_факт не должна превышать С_лим. С_факт< С_лим. С^¢_лим является предельно допустимой концентрации С_ПДК или ПДК.

Взаимодействие факторов.Оптимальная зона и пределы вы­носливости организмов по отно­шению к какому-либо фактору среды могут смещаться в зависи­мости от того, с какой силой и в каком сочетании действуют одно временно другие факторы. Например, жару легче перено­сить в сухом, но не во влажном воздухе. Угроза замерзания зна­чительно выше при морозе с силь­ным ветром, чем в безветренную погоду. Таким образом, один и тот, же фактор в сочетании с дру­гими оказывает неодинаковое экологическое воздействие. Со­здается эффект частичного взаимозамещения факторов. Например, увядание растений можно при­остановить путем как увеличения количества влаги в почве, так и снижения температуры воздуха, уменьшающего испарение.

Однако взаимная компенсация действия факторов среды имеет определенные пределы, и полностью заменить один из них другим нельзя. Крайний дефицит тепла в полярных пустынях нель­зя восполнить ни обилием влаги, ни круглосуточной освещен­ностью.

Группы живых организмов по отношению к факторам среды:

Свет или солнечная радиация. Всем живым организмам для осуществления процессов жизнедеятельности необходима энергия, поступающая извне. Основным источником ее является солнечная радиация, на которую приходится около 99,9% в общем балансе энергии Земли. Альбедо – доля отраженного света.

Важнейшие процессы, протекающие у растений и животных с участием света:

Фотосинтез. В среднем 1-5% падающего на растения света используется для фотосинтеза. Фотосинтез – источник энергии для всей остальной пищевой цепи. Свет необходим для синтеза хлорофилла. С этим связаны все адаптации растений по отношению к свету – листовая мозаика (рис. 7), распределение водорослей в водных сообществах по слоям воды и т.д.

По требованию к условиям освещения принято делить растения на следующие экологические группы:

Светолюбивые или гелиофиты – растения открытых, постоянно хорошо освещаемых местообитаний. Их световые адаптации заключаются в следующем – мелкие листья, часто рассеченные, в полдень могут повернуться ребром к солнцу; листья толще, могут быть покрыты кутикулой или восковым налетом; клетки эпидермиса и мезофилла мельче, палисадная паренхима многослойная; междоузлия короткие и т.д.

Тенелюбивые или сциофиты – растения нижних ярусов тенистых лесов, пещер и глубоководные растения; они плохо переносят сильное освещение прямыми солнечными лучами. Могут фотосинтезировать даже при очень низкой освещенности; листья темно-зеленые, крупные и тонкие; палисадная паренхима однослойная и представлена более крупными клетками; ярко выражена листовая мозаика.

Теневыносливые или факультативные гелиофиты – могут переносить большее или меньшее затенение, но хорошо растут и на свету; они легче других растений перестраиваются под влиянием изменяющихся условий освещения. К этой группе относятся лесные и луговые травы, кустарники. Адаптации формируются в зависимости от условий освещения и могут перестраиваться при изменении светового режима (рис. 8). Примером могут служить хвойные деревья, которые выросли на открытых пространствах и под пологом леса.

Среди животных различают ночные и сумеречные виды. Имеются также виды, живущие в постоянной темноте и не выносящие яркого солнечного света (почвенные организмы, обитатели пещер и больших глубин.Внутренние паразиты животных и растений).

Транспирация - процесс испарения воды листьями растений для снижения температуры. Примерно 75 % падающей на растения солнечной радиации расходуется на испарение воды и таким образом усиливает транспирацию; это важно в связи с проблемой сохранения воды.

Фотопериодизм. Важен для синхронизации жизнедеятельности и поведения растений и животных (особенно их размножения) с временами года. Фототропизм и фотонастии у растений важны для обеспечения растениям достаточной освещенности. Фототаксис у животных и одноклеточных растений, необходим для нахождения подходящего местообитания.

Зрение у животных. Одна из главнейших сенсорных функций. Понятие видимого света для различных животных различно. Гремучие змеи видят инфракрасную часть спектра; пчелы – ближе к ультрафиолетовой области. У животных, обитающих в местах, куда не проникает свет, глаза могут быть полностью или частично редуцированы. Животные, ведущие ночной или сумеречный образ жизни плохо различают цвета и видят все в черно-белом изображении; кроме того, у таких животных размер глаз часто гипертрофирован. Свет, как средство ориентации играет важную роль в жизни животных. Многие птицы во время перелетов ориентируются с помощи зрения по солнцу или звездам. Такой же способностью обладают некоторые насекомые, например, пчелы.

Прочие процессы. Синтез витамина Д у человека. Однако, длительное воздействие ультрафиолетовых лучей может вызывать повреждение тканей, особенно у животных; в связи с этим выработались защитные приспособления – пигментация, поведенческие реакции избегания и т.п. Определенное сигнальное значение у животных играет биолюминесценция, то есть способность светиться. Световые сигналы, испускаемые рыбами, моллюсками, другими водными организмами, служат при привлечения добычи, особей противоположного пола.

Температура. Тепловой режим – важнейшее условие существования живых организмов. Главным источником тепла является солнечное излучение.

Границы существования жизни - это температуры, при которых возможно нормальное строение и функционирование белков, в среднем от 0 до +50^оС. Однако, целый ряд организмов обладает специализированными ферментными системами и приспособлены к активному существованию при температуре тела, выходящей за указанные пределы (табл. 5). Самая низкая при которой найдены живые существа -200°С, а самая высокая до +100 °С.

Таблица 5 - Температурные показатели различных сред жизни (⁰С)

По отношению к температуре все организмы подразделяются на 2 группы: холодолюбивые и теплолюбивые.

Холодолюбивые (криофилы) способны жить в условиях относительно низких температур. При температуре -8°С живут бактерии, грибы, моллюски, черви, членистоногие и др. Из растений: древесные в Якутии выдерживают температуру -70°С. В Антарктиде при такой же температуре обитают лишайники, отдельные виды водорослей, пингвины. В лабораторных условиях семена, споры некоторых растений, нематоды переносят температуру абсолютного нуля -273,16°С. Приостановка всех жизненных процессов называется анабиозом.

Теплолюбивые организмы (термофилы) – обитатели жарких районов Земли. Это – беспозвоночные (насекомые, паукообразные, моллюски, черви), растения. Многие виды организмов способны переносить очень высокие температуры. Например, пресмыкающиеся, жуки, бабочки выдерживают температуру до +45-50°С. На Камчатке живут сине-зеленые водоросли при температуре +75-80°С, верблюжья колючка переносит температуру +70°С.

Беспозвоночные, рыбы, пресмыкающиеся, земноводные лишены способности поддерживать постоянную температуру тела в узких границах. Их называют пойкилотермными или хладнокровными. Они зависят от уровня тепла, поступающего извне.

Птицы и млекопитающие способны поддерживать постоянную температуру тела независимо от окружающей температуры. Это – гомойотермные, или теплокровные организмы. Они не зависят от внешних источников тепла. Благодаря высокой интенсивности обмена веществ у них вырабатывается достаточное количество тепла, которое может сохраняться.

Температурные адаптации организмов: Химическая терморегуляция - активное увеличение теплопродукции в ответ на понижение температуры; физическая терморегуляция- изменение уровня теплоотдачи, способность удерживать тепло или наоборот рассеивать тепло. Волосяной покров, распределение жировых запасов, размер тела, строение органов и т.п.

Поведенческие реакции – перемещение в пространстве позволяет избегать неблагоприятных температур, спячка, оцепенение, сбивание в кучу, миграции, рытье нор и т.д.

Влажность.Вода – важный экологический фактор. Все биохимические реакции протекают в присутствии воды.

Содержание воды в клетках растений и животных в период активной жизнедеятельности довольно высоки (табл. 6).

Таблица 6 –Содержание воды в различных организмах (% от массы тела)