Взаимоотношения организма и среды

Существуют два понятия - среда и условия существования организмов.

Среда —часть природной среды, непосредственно окружающая данные живые организмы.

Среда каждого организма слагается из множества элементов органической и неорганической природы и элементов, привносимых человеком, его производственной деятельностью. При этом одни элементы могут быть необходимы организму, другие почти или полностью безразличны для него, а третьи оказывают вредное воздействие. Земными организмами освоены четыре основные среды обитания: водная, наземно-воздушная, почвенная и сами живые организмы.

Фактор, уровень которого в качественном или количественном отношении оказывается близким к пределам выносливости организма, называется ограничивающим (лимитирующим).

Различные виды организмов предъявляют неодинаковые требования к почвенным условиям, температуре, влажности, освещенности и т.д. Поэтому на разных почвах, в разных климатических условиях произрастают различные растения. В свою очередь, в растительных ассоциациях формируются разные условия для животных. Приспосабливаясь к абиотическим факторам среды и вступая в определенные биотические связи, животные, растения и микроорганизмы закономерно распределяются по различным средам и формируют многообразные экосистемы. Каждый вид обладает специфическим экологическим спектром, т.е. суммой экологических валентностей по отношению к факторам среды.

Кроме традиционной классификации экологических факторов (абиотические, биотические и антропогенные) существует еще классификация, основанная на оценке адаптивности реакций организмов на воздействие факторов среды (по А.С. Мончадскому). Эта классификация подразделяет все экологические факторы на три группы: первичные периодические, вторичные периодические, непериодические.

В первую очередь возникает адаптация к тем факторам среды, которым свойственнапериодичность -дневная, лунная, сезонная или годовая, как прямое следствие вращения земного шара вокруг своей оси или его движения вокруг Солнца, или смены лунных фаз.

Регулярные циклы этих факторов существовали задолго до появления жизни на Земле, и поэтому адаптации организмов к первичным периодическим факторам столь древняя, что прочно укрепилась в наследственной основе.

Температура, освещенность, приливы и отливы - примеры первичных периодических факторов, которые играют преобладающую роль во многих местообитаниях.

Изменениявторичных периодических факторовесть следствия изменений первичных. Так, влажность воздуха - это вторичный фактор, являющийся функцией от температуры. Для водной среды содержание кислорода, количество растворенных солей, мутность, скорость течения и другие являются вторичными периодическими факторами. Организмы приспособились к вторичным периодическим факторам не так давно, и их адаптация выражена не столь четко. Как правило, вторичные периодические факторы сказываются на численности видов в пределах их ареалов, но мало влияют на размер самих ареалов.

Непериодические факторыв местообитаниях организма в нормальных условиях не существуют. Они проявляются внезапно, поэтому организмы обычно не успевают выработать к ним приспособления. В эту группу входят некоторые климатические факторы, например, ураганы, грозы, а также пожары, хозяйственная деятельность человека.

Рассмотрим более подробно некоторые абиотические факторы.

Среди абиотических факторов одним из важнейших является лучистая энергия Солнца (свет). Из всего спектра солнечного излучения, достигающего земной поверхности, только около 40% составляет фотосинтетически активная радиация (ФАР), имеющая длину волны 380... 710 нм. Только эта часть электромагнитного излучения может быть преобразована растениями в энергию химических связей органического вещества в процессе фотосинтеза. Да и то растительность планеты в среднем усваивает не более 0,8-1,0 % ФАР.

В целом свет влияет на скорость роста и развитие растений, на интенсивность фотосинтеза, на активность животных, вызывает изменение влажности и температуры среды, является важным сигнальным фактором, обеспечивающим суточные и сезонные биоциклы.

Не меньшее значение для организмов имеют такие факторы, как температура, вода и воздух, свойство и количество которых определяет видовое и количественное разнообразие живых организмов на конкретной территории.

Температура главным образом связана с солнечным излучением.

При температуре ниже точки замерзания воды живая клетка физически повреждается образующимися кристаллами льда и гибнет, а при высоких температурах происходит денатурация ферментов. Абсолютное большинство растений и животных не выдерживает отрицательных температур тела. Верхний температурный предел жизни редко поднимается выше 40...45 ^ОС.

В диапазоне между крайними границами скорость ферментативных реакций (следовательно, и интенсивность обмена веществ) удваивается с повышением температуры на каждые 10 ^ОС. Значительная часть организмов способна контролировать (поддерживать) температуру своего тела, причем, в первую очередь, наиболее жизненно важных органов. Такие организмы носят название гомойотермных (теплокровных) в отличие от пойкилотермных (холоднокровных), имеющих непостоянную температуру, зависящую от температуры окружающей среды. Кроме того, есть небольшая группа животных (гетеротермные) у которых в активных период жизни температура постоянная, но во время спячки она значительно снижается.

Что касается воды, то по отношению к этому экологическому фактору проблемы возникают лишь у наземных организмов, поскольку наземные организмы постоянно теряют воду и нуждаются в регулярном ее пополнении. В процессе эволюции у этих организмов выработались многочисленные сложные приспособления, регулирующие водный обмен и обеспечивающие экономное расходование влаги. Эти приспособления носят анатомо-морфологический, физиологический и поведенческий характер.

По отношению к водному режиму наземные организмы подразделяются на три основные экологические группы: гигрофильные (влаголюбивые), ксерофильные (сухолюбивые) и мезофильные, предпочитающие умеренную влажность. Однако это деление относительно и в значительной степени условно, поскольку между указанными группами имеется множество переходных форм.

Наиболее четко особенности приспособления к тому или иному водному режиму выражены у растений, так как они не могут передвигаться и активно отыскивать необходимую среду.По отношению к воде все растения делят на три большие группы.

Гигрофиты – растения, обитающие во влажных местах, не переносящие водного дефицита и обладающие невысокой засухоустойчивостью.

Мезофиты – это растения умеренно увлажненных местообитаний.

Ксерофиты –растения сухих местообитаний. По характеру анатомо-морфологических и физиологических адаптаций, обеспечивающих активную жизнь этих растений при дефиците влаги, ксерофиты разделяются на две основные группы: Суккуленты,способные накапливать в тканях большое количество воды иСклерофиты– сухие, жесткие кустарники или травы, обладающие мощно развитой корневой системой.

Среди наземных животных по отношению к водному режиму также можно выделить три экологические группы, но они выражены менее четко, чем у растений. Это Гигрофилы– влаголюбивые животные, нуждающиеся в высокой влажности среды (мокрицы, комары, дождевые черви). Мезофилы– животные, обитающие в условиях умеренной влажности. Ксерофилы– это сухолюбивые животные, не переносящие высокой влажности. Например, такие обитатели пустынь, как верблюды, пустынные грызуны и пресмыкающиеся, легко переносят сухость воздуха в сочетании с высокой температурой. У всех ксерофилов хорошо развиты механизмы регуляции водного обмена и приспособления к удержанию воды в теле.

Что касается обитателей воды (их называют гидробионтами), то их принято делить на три экологические группы.

Нектон– это совокупность пелагических активно передвигающихся животных, не имеющих непосредственной связи с дном. В основном это крупные животные, способные преодолевать большие расстояния и сильные водные течения. Для них характерна обтекаемая форма тела и хорошо развитые органы движения. Это рыбы, кальмары, киты, ластоногие. В пресных водах к нектону относятся земноводные и активно перемещающиеся насекомые.

Планктон– это совокупность организмов, не обладающих способностью к быстрым активным передвижениям. Эти организмы не могут противостоять течениям. В основном это мелкие животные – зоопланктон и растения – фитопланктон. Однако среди зоопланктона встречаются настоящие гиганты. Например, плавающий гребневик венерин пояс достигает в длину 1,5 м, а медуза цианея имеет колокол диаметром до 2 м и щупальца длиною в 30 м.

Бентос – совокупность организмов, обитающих на дне (на грунте и в грунте) водоемов. Бентос подразделяется на фитобентос и зообентос. В основном он представлен прикрепленными или медленно передвигающимися, а также роющимися в грунте животными. Только на мелководье он состоит из организмов, синтезирующих органическое вещество (продуценты), потребляющих (консументы) и разрушающих (редуценты) его. На больших глубинах, куда не проникает свет, фитобентос отсутствует.

Водная среда поддерживает находящиеся в ней организмы, однако в большинстве случаев плотность живых тканей выше, чем плотность соленой или пресной воды. У водных животных и растений в процессе эволюции выработалось множество разнообразных структур, препятствующих или замедляющих погружение. У рыб имеются плавательные пузыри – небольшие наполненные газом мешки, находящиеся в полости тела и приближающие его удельный вес к удельному весу воды. У многих крупных бурых водорослей, растущих обычно в мелких прибрежных водах, имеются воздушные пузыри, выполняющие аналогичную функцию. Благодаря этим пузырям листовидный таллом этих водорослей, прочно прикрепленный к субстрату, поднимается со дна к поверхностным водам, освещенным солнцем и богатым кислородом. Быстро передвигающиеся водные организмы (нектон), как правило, имеют обтекаемую форму тела, позволяющую им уменьшать сопротивление такой вязкой среды как вода (вязкость воды более чем в 50 раз выше вязкости воздуха). Пропорции многих рыб с точки зрения физики приближаются к идеальным.

Способность воды к поглощению и рассеиванию света достаточно велика и это сильно ограничивает глубину освещаемой Солнцем зоны океана. Поскольку для фотосинтеза необходим свет, глубина, на которой в океане одно встретить растения, тоже ограничена; они обитают только в относительно узкой зоне, куда проникает свет и где интенсивность фотосинтеза превосходит интенсивность дыхания растений.

Между некоторыми организмами и факторами среды существует столь тесная связь, что по состоянию этих организмов можно судить о типе физической среды и ее состоянии, например, о ее загрязнении. Такие организмы называют индикаторами среды. Например, исчезновение лишайников на стволах деревьев свидетельствует об увеличении содержания сернистого газа в воздухе.

Среди биотических факторов наибольшее значение имеют пищевые взаимоотношения, рассмотренные в предыдущем разделе. Однако кроме пищевых отношений между организмами существуют и другие взаимодействия.

Ю.Одум (1975) выделил 9 типов взаимодействий:

1) нейтрализм, при котором ассоциации двух популяций не сказывается ни на одной из них;

2) взаимное конкурентное подавление, при котором обе популяции активно подавляют друг друга;

3) конкуренция из-за ресурсов, при которой каждая популяция неблагоприятно действует на другую при борьбе за пищевые ресурсы в условиях их недостатка;

4) аменсализм, при котором одна популяция подавляет другую, но сама при этом не испытывает отрицательного влияния;

5) паразитизм, антагонистическое сожительство разноимённых организмов (растений, животных), при котором один (паразит) использует другого (хозяина) в качестве среды обитания и источника питания, причиняя ему определённый вред.

6) хищничество, при котором одна популяция неблагоприятно воздействует на другую в результате прямого нападения, но, тем не менее, зависит от другой;

7) комменсализм, при котором одна популяция извлекает пользу из объединения, а для другой это объединение безразлично;

8) протокооперация, при которой обе популяции получают преимущество от объединения, но их связь не облигатна;

9) мутуализм, при котором связь популяций благоприятна для роста и выживания обеих, причем в естественных условиях ни одна из них не может существовать без другой.

Приведем примеры разных форм взаимоотношений между видами. Примерами мутуализма являются ассоциации между растениями и азотфиксирующими бактериями в корневых клубеньках бобовых или между деревьями и грибами, образующими микоризу. Один из видов предоставляет другому какой-либо материал или «услугу», получая от своего партнера что-нибудь взамен: азотфиксирующие бактерии снабжают растения органическим азотом, получая от них сахара; микоризные грибы в обмен на сахара снабжают деревья минеральными веществами, которые они добывают из почвы. Примером мутуализма являются лишайники – ассоциация гриба с зеленым растением. Зеленое растение (водоросль) снабжает гриб сахарами, которые оно создает в процессе фотосинтеза, получая от гриба минеральные вещества, извлекаемые им иногда буквально из голых камней. Эта своеобразная ассоциация между организмами, обладающими совершено различными свойствами, дает лишайникам возможность заселять местообитания, не пригодные ни для каких других форм жизни. Взаимоотношения между насекомыми-опылителями и опыляемыми ими растениями также представляют собою пример мутуализма.

Мутуализм – это облигатное (обязательное) взаимодействие организмов, полезное для обеих популяций. Существует похожая форма симбиотических отношений, когда взаимодействие партнеров обоюдно выгодно, но не обязательно для их существования и носит временный характер. Такая форма взаимоотношений носит название протокооперации. Примеры ее можно найти, например, среди обитателей коралловых рифов. Различные виды кишечнополостных, поселяясь на панцирных ракообразных, маскируют последних, а сами поглощают остатки трапезы раков и перемещаются с их помощью. Одним из примеров мутуализма высших растений и грибов – это микориза – «грибокорень» - тесное взаимодействие грибов корневой ткани у большинства высших растений. Грибы помогают растениям получать минеральное питание, а сами берут у них часть необходимого им органического углерода. Лишь представители очень немногих семейств (например, крестоцветные) не образуют такой ассоциации. Все доминанты основных типов растительности на Земле – лесные деревья, травы и кустарники – имеют хорошо выраженную микоризу. Комменсализм как форма сожительства организмов, широко распространена в природе. Комменсализм трактуется как тип взаимоотношений, когда одна популяция извлекает выгоду из взаимодействия с другой, а другая не подвергается влиянию первой, или же при котором один из сожителей использует особенности образа жизни и строения другого партнера и, будучи для него безвредным, извлекает для себя одностороннюю пользу, или же как форма симбиоза, при которой один симбионт живет за счет избытка пищи другого организма, но вреда ему не приносит. Комменсальные отношения основываются на использовании пространства, пищи, субстрата, морфологических особенностей партнеров. Ракообразные – морские уточки используют в качестве субстрата губок, кораллы, мшанок, морских лилий и морских ежей. Некоторые полихеты – многощетинковые черви, используют рака-отшельника как убежище и поедают остатки его пищи. На основе пищевого и оборонительного поведения осуществляются комменсальные отношения у рыб с кораллами и актиниями. Например, рыба Amphiprion использует щупальца актиний для защиты от врагов.

Организмы, которые потенциально могут использовать одни и те же ресурсы, называются конкурентами. Конкуренцию можно определить как использование некоего ресурса (пищи, воды, света, пространства) каким-либо организмом, который тем самым уменьшает доступность этого ресурса для других организмов. Если конкурирующие организмы принадлежат к одному виду, то взаимоотношения между ними называют внутривидовой конкуренцией; если же они относятся к разным видам – межвидовой. В обоих случаях некий ресурс, потребляемый одной особью, уже не может быть использован другой особью. Когда лисица поймает кролика, то для других лисиц в популяции жертвы становится одним кроликом меньше, причем не только для лисиц, но и для рысей, ястребов и других хищников, которые тоже охотятся на кроликов.

Существует конкуренция и в популяциях растений. Например, если посеять на небольшую площадь много семян какого-либо растения, то сначала они дружно взойдут, но по мере роста проростков многие из них гибнут из-за интенсивной конкуренции. Плотность выживших растений уменьшается. В то же время рост биомассы выживших растений превышает потери популяции из-за гибели проростков, и общий вес насаждения возрастает. Этот процесс носит название самоизреживания растений.

Хищничество как форма биологических взаимоотношений между организмами, не имеет единого определения. Э.Пианка (1981) называет хищничеством «… такое взаимодействие между популяциями, при котором одна из популяций, неблагоприятно влияя на другую, сама получает выгоду от этого взаимодействия…». Кроме того, под хищничеством подразумевают отношения организмов, при которых представители одного вида ловят и поедают представителей другого (Вилли, Детье, 1974). Хищничество определяется как односторонне облигатное сожительство разных видов, при котором один из сожителей – хищник извлекает для себя пользу, а другой – жертва убивается им, т.е. терпит вред. При этом лишь жертва может существовать самостоятельно вне сожительства, тогда как хищник лишен такой возможности.

Хищничество в широком смысле слова, т.е. поглощение пищи, представляет собой главную силу, обеспечивающую передвижение энергии и материалов в экосистеме. Поскольку причиной гибели является хищничество, эффективность, с которой хищники находят и схватывают свою добычу, определяет скорость потока энергии от одного трофического уровня к другому.

Хищничество отличается от конкуренции в том, что конкуренты оказывают друг на друга взаимное влияние, тогда как хищничество – процесс односторонний. Правда, хищник и жертва воздействуют друг на друга, но изменения во взаимоотношениях, благоприятные для одного из них, наносят вред другому. Следует различать два типа хищников. Хищники одного типа питаются главным образом «бесполезными» для популяции особями, вылавливая больных и старых, более уязвимых молодых, но не трогают особей, способных к размножению, которые составляют источник пополнения популяции жертвы. Хищники другого типа питаются так эффективно особями всех групп, что могут серьезно нарушить потенциал роста популяции жертв. Сами жертвы и их местообитания часто определяют тип хищничества, которому они подвергаются. Популяции организмов с небольшой продолжительностью жизни и высокой скоростью размножения часто регулируются хищниками. Стратегия таких видов жертвы состоит в максимизации продукции потомков с риском повысить свою уязвимость для хищников. Примером такого типа является тля. Животных, у которых ввиду ограниченности запасов их собственной пищи скорость размножения низкая, должны затрачивать гораздо больше усилий на то, чтобы избежать хищников, только при этом они смогут сдвинуть равновесие между хищником и жертвой в свою пользу. В достижении этой цели жертвам помогает наличие в их местообитаниях подходящих укрытий.

Паразитизмом (по К.И.Скрябину, 1923) называется такой тип биологических взаимоотношений между организмами, когда один из них – «паразит» обитает временно или постоянно, на поверхности тела или в глубине органов и тканей другого – «хозяина», питаясь за счет последнего и не оказывая ему взамен никакой услуги». В отличие от хищничества, при котором хищник, настигнув жертву, либо умерщвляет ее целиком, либо повреждает ее органы и ткани, при паразитизме происходит непосредственное взаимодействие партнеров на биохимическом уровне при обязательном сохранении ими организменной целостности и жизнеспособности, причем биоэнергетические потребности одного из них (паразита) облигатно удовлетворяются за счет продуктов метаболизма другого (хозяина). Паразиты являются крайне важной группой организмов. Каждый год миллионы людей гибнут от различных инфекций, становятся инвалидами. Если добавить сюда болезни домашних животных и культурных растений, то урон становится неисчислимым. Свободноживущие организмы, не пораженные хотя бы немногими особями нескольких паразитических видов, - большая редкость. Многие паразиты и патогенны специфичны для определенных хозяев или по меньшей мере для ограниченного их круга. Учитывая это, можно сказать, что более половины видов и гораздо больше половины общего числа всех особей на Земле – паразиты или возбудители болезней.

В любом биогеоценозе любой фактор среды имеется в определенном количестве, формируя ресурс данного фактора. Ресурсы могут быть незаменимыми или взаимозаменяемыми.

Незаменимые ресурсы — это когда один не в состоянии заменить другой, взаимозаменяемые — это когда любой из двух ресурсов можно заменить другим, при этом они могут быть и различного качества (заяц и мыши в питании лисы).

При недостатке незаменимые ресурсы могут выступать в качестве лимитирующего фактора. Например, элементы питания растения (азот, фосфор и т.д.) не заменяют друг друга, и недостаток любого из них ограничивает рост растения. При высокой ресурсной обеспеченности незаменимыми ресурсами возникает явление ингибирования — они становятся токсичными, превращаясь в лимитирующие факторы, выходящие за верхний предел выносливости. Например, калий необходимый элемент питания растений, но в случае его избытка в почве (при загрязнении) рост растений угнетается.

Ресурсы могут быть пищевыми и пространственными.

Пищевые ресурсы являются определяющими в любом биоценозе. Для растений пищевыми ресурсами является вода, свет, минеральные соединения, углекислый газ — т.е. незаменимые ресурсы. Для животных пищевыми ресурсами являются другие организмы и кислород и вода. В данном случае автотрофные организмы становятся ресурсами для гетеротрофов, принимая участие в пищевой цепи, где каждый предшествующий потребитель превращается в пищевой ресурс для последующего потребителя.

Пространство выступает в качестве ресурса чаще всего лишь как место, где организмы конкурируют друг с другом за все остальные ресурсы, а не как за место, где они могут размножаться, хотя и это существует в природе (моржи на лежбище). Пространство может стать и лимитирующим фактором, если при избытке пищи оно не сможет вместить в свои геометрические размеры все организмы, которые могли бы успешно жить в этом пространстве за счет избытка прочих ресурсов (например, мидии могут своими телами полностью покрыть подводную скалу). Некоторые животные, в т.ч. и человек, стремятся к захвату определенной территории, где они могут обеспечить себя пищей, и таким образом она становится ресурсом.

Из-за недостаточного объема этого пособия, а главным образом, из-за специфичности читательской аудитории, мы не имеем возможности более подробно рассматривать теоретические вопросы экологии. В дополнении к ранее сказанному приведем лишь “законы экологии”, сформулированные американским экологом Б. Коммонером, о которых нужно помнить, рассматривая взаимодействие человека с окружающей средой. Их всего четыре. Три первые из них звучат совершенно тривиально и как будто не несут никакой экологической специфики. Последний заставляет задуматься, и оставляет ощущение спорности.

Итак, первый закон “Все связано со всем” отражает по сути своей всеобщую связь процессов и явлений в природе.

Второй закон базируется на положении сохранения энергии и вещества: “Все должно куда-то деваться”. Какой бы ни была высокой труба завода, она не может выбрасывать отходы производства за пределы биосферы. В такой же мере загрязнители, попадающие в реки, в конечном счете оказываются в морях и океанах и с их продуктами возвращаются к человеку в виде своего рода “экологического бумеранга”.

Третий закон ориентирует на действия, согласующиеся с природными процессами, сотрудничество с природой вместо покорения человеком природы, подчинения ее своим целям: “Природа знает лучше”.

Сущность четвертого закона заключается в ориентации человека на то, что любое его действие в природе не остается бесследным, мнимая выгода часто оборачивается ущербом, а охрана природы и рациональное использование природных ресурсов немыслимы без определенных экономических затрат. Звучит этот закон так: “Ничто не дается даром”. Дешевому природопользованию не должно быть места. Если не заплатим за него мы, то в многократном размере это должны будут сделать пришедшие нам на смену поколения.

Перечисленные законы экологии показывают, насколько сложны задачи познания экосистем и управления ими, как трудно получить достаточно полные данные о взаимоотношениях организмов и среды. Всякая деятельность человека, если она превышает определенные пределы, ведет к уменьшению способности экосистемы поддерживать себя в устойчивом состоянии вплоть до перехода к полной неупорядоченности и гибели. А поскольку очень трудно определить этот предел, то лучше всего в отношении экологии принять к исполнению.

Контрольные вопросы по теме:

1. Что такое факторы среды и какие виды факторов среды вы знаете?

2. Приведите примеры эври- и стенобионтных видов растений и животных.

3. Назовите четыре основные среды обитания.

4. Как формулируется закон Либиха, приведите пример его действия?

5. Назовите основные виды положительных и отрицательных взаимодействий живых организмов, приведите примеры.