Жизнь и среда обитания
Вертьянов С. Ю.
Основы экологии
Жизнь каждого организма протекает в сообществе с особями своего вида и с другими видами. Благополучие существ неразрывно связано и с природными условиями. К одной среде организмы в состоянии приспособиться, другая для их существования оказывается невозможной. Окружающая нас жизнь — это упорядоченная и устойчивая система взаимоотношений, соответствующая плану Творца о создаваемом мире, претерпевшему ряд перемен по причине грехопадения человека, совокупность организмов, чутко реагирующих на внешние условия изменениями в популяциях.
В этой главе вы узнаете о закономерностях жизнедеятельности различных сообществ живых существ в разнообразных условиях внешней среды, о факторах, определяющих устойчивость, развитие и смену биологических систем.
Экология как наука. Экологические факторы среды
Предмет и задачи экологии. В общественно-политической и научно-популярной литературе под экологией обычно понимается чрезвычайно узкий аспект этой науки — наличие или отсутствие загрязнений в окружающей среде. Спектр вопросов, изучаемых экологами, значительно шире. Экология (греч. oikos дом, жилище) — наука о взаимоотношениях живых организмов между собой и взаимодействии их со средой обитания. Термин вошел в науку в середине XIX века, получил широкое распространение через публикации трудов немецкого исследователя Э. Геккеля.
Изучением взаимоотношений организма и среды занимаются и другие науки. Физиология исследует реакции организма на внешние воздействия, этология (наука о поведении) тоже рассматривает взаимодействие существ и среды, а генетика — особенности реакции организма на внешние условия в зависимости от генотипа.
|
|
Экология рассматривает природные явления в характерном для нее аспекте. В задачу экологии входит изучение закономерностей расселения популяций на различных территориях, изменения их численности и круговорота веществ, происходящего при их участии, а также исследование цепей получения энергии различными сообществами организмов.
Группу популяций, обитающих на определенной территории и объединенных сетью взаимоотношений, называют сообществом, или биоценозом. Биоценоз составляют, например, организмы леса или пруда. Термин был предложен в 1877 г. немецким зоологом К. Мебиусом. Вместе с неживыми компонентами среды (почвой, водой и пр.) сообщества образуют биогеоценозы, чаще называемые просто экологическими системами. Экология, таким образом, изучает природные объекты на четырех последовательных уровнях: организменном, популяционно-видовом, биоценотическом и экосистемном.
На организменном уровне экологов интересуют характеристики особей, определяющие их численность и распределение в регионах, участие в круговороте веществ, возможность адаптации к различным факторам среды: температуре, влажности, солености воды, освещенности мест обитания. Предметом исследований является состав и количество необходимой пищи, интенсивность фотосинтеза, особенности обмена веществ, а также плодовитость, скорость роста и продолжительность жизни. Этот раздел экологии называют аутоэкологией (греч. autos сам), или "экологией особей".
Популяционная экология изучает возрастной состав популяций, генотипы и фенотипы особей, степень их родства, динамику численности и пространственное расселение популяций. Выяснено, например, что для выживания африканских слонов необходимо стадо не менее чем из 15 особей, для северных оленей нужно стадо в 300-400 голов, а жизнеспособную стаю бакланов составляют 10 тыс. птиц. Численность популяций определяется и другими факторами. Лошади и бизоны только в стаде могут обороняться от хищников, а волки только стаей могут охотиться на крупную добычу. В то же время чрезмерная численность популяции приводит к обострению конкуренции и недостатку пищевых ресурсов.
|
|
На биоценотическом уровне экологов интересует видовой состав сообществ, населяющих экосистему. Обычно это сотни и тысячи различных видов. В составе сообществ обитают в тесном взаимодействии животные и растения, грибы, бактерии и вирусы. С течением времени по различным причинам изменяются условия внешней среды, видовой состав сообществ, их пространственное размещение. Исследованием всего комплекса этих явлений занимается экосистемная экология. Подчеркивая тесную связь процессов внутри каждой популяции со всей экосистемой, популяционную и экосистемную экологию иногда объединяют одним термином — синэкология (греч. syn вместе).
Наряду со сложившимися разделами экологии растений и экологии животных бурно развивается новая область — экология микроорганизмов. Гидроэкология изучает водные экосистемы, лесоведение — лесные экосистемы, палеоэкология реконструирует сообщества древних организмов.
|
|
Экологические знания позволяют правильно вести промысел ценных животных и рыб, развивать сельское хозяйство и промышленность, не истощая ресурсы и не разрушая природу. Важность таких научных исследований особенно велика в наши дни, когда интенсивное техническое развитие цивилизации стало заметно нарушать сбалансированность природных процессов. Для сохранения окружающей среды свойственный современному человеку однобокий технократический подход в отношениях с природой должен быть заменен на экологическое мышление.
Экологические факторы. Учение об экологических факторах является одним из ключевых биологических разделов экологии. Влияние природной среды на сообщества, популяции, виды и отдельные особи определяется ее компонентами, которые и называют экологическими факторами. Любая группа организмов окружена природной средой, под которой экологи подразумевают все факторы живой и неживой природы. Различают три группы факторов природной среды.
Абиотические факторы обусловлены свойствами неорганического окружения. Сюда относятся компоненты климата: свет, температура, влажность, давление, подводные течения и ветра, долгота дня, смена времен года; химический состав воздуха, воды и почвы, наличие в почве питательных веществ, ее водопроницаемость и влагоемкость; радиационный фон.
Биотические факторы включают отношения между особями внутри вида, а также с особями других видов. Насекомые собирают нектар и переносят пыльцу растений, хищники поедают жертв, бактерии вырабатывают яды, разрушающие клетки живых организмов. Опадающие листья служат пищей и местом обитания насекомым и микроорганизмам.
Важным фактором является количество и качество пищи, ее влияние на плодовитость и продолжительность жизни особей. Выяснено, например, что мелким животным необходимо больше пищи на единицу массы, чем крупным, а теплокровным — больше, чем организмам с непостоянной температурой. Синица лазоревка (11 г) ежедневно потребляет пищу в количестве 30% собственной массы, певчий дрозд (90 г) — 10%, а сарыч (900 г) — всего 4,5%.
Антропогенные факторы включают непосредственное вмешательство человека (охота, рыбная ловля, вырубка лесов и пр.) и загрязнение природы вследствие неразумной хозяйственной деятельности. На обширных территориях человек уничтожает природные сообщества (выжигает и вырубает леса, осушает болота) с целью создания искусственных сельскохозяйственных сообществ — агроценозов. Среди необходимых ему растений и животных человек производит искусственный отбор, резко отличающийся от естественного своими последствиями.
Многие абиотические факторы среды оказывают влияние на скорость протекания биоэнергетических процессов в организмах, воздействие биотических факторов несколько сложнее. Однако для любого экологического фактора можно выделить три зоны действия: оптимальную, зону угнетения и гибели. Так, по фактору среднегодовой температуры северо-запад европейской части России является оптимальной зоной для хвойных деревьев, образующих там основные массивы. Эта же температура является зоной угнетения для лиственных деревьев. Даже мелколиственное растение береза на северо-западе России значительно мельче, чем в средней полосе. Для эвкалиптов и пальм эта зона температур гибельна.
Многие пальмовые растения вырастают до нормальных размеров на черноморском побережье южного берега Крыма, но не приносят в этих условиях жизнеспособных семян. Размножение их в этом регионе возможно только в специальных питомниках с последующей высадкой. Природные условия Причерноморья являются для пальмовых зоной угнетения, их распространение в этом регионе определяется антропогенным фактором.
Действие экологических факторов всегда взаимное. Малое количество азота в почве снижает засухоустойчивость злаков. Обилие пищевых ресурсов повышает устойчивость организмов к климатическим воздействиям. Оптимальная температура позволяет существам расширить диапазон приспособливаемости к недостатку пищи и неблагоприятной влажности. Положительное взаимодействие факторов небезгранично. Плохую освещенность, например, нельзя заменить ни избытком тепла, ни изобилием влаги.
В природе любой фактор может оказаться критическим для распространения вида. Так, если в почве отсутствует малозначимый, на первый взгляд, элемент бор, рост растений будет сильно угнетен или даже невозможен независимо от количества питательных веществ и климатических условий. Если кислотность почвы превышает оптимальную для ржи или пшеницы, то никакие агротехнические мероприятия, кроме раскисливания почвы (например, известкованием), не приведут к повышению урожайности.
Факторы, снижающие жизнеспособность организмов, носят название ограничивающих. Значение ограничивающих факторов впервые было установлено в 1840 г. немецким химиком Ю. Либихом, основателем почвоведения. Изучая влияние на рост растений химических веществ почвы, ученый сформулировал принцип, согласно которому величина и устойчивость урожая определяется веществом, содержащимся в критически малом количестве.
Растение недотрога вянет, если воздух не насыщен водяными парами, а ковыль хорошо переносит засуху. Ручьевая форель благополучно обитает в воде с содержанием кислорода не менее 2 мг/л, но если эта величина падает ниже 1,6 мг/л, форель гибнет. Недостаток кислорода — ограничивающий фактор для форели. Озерные рыбы — карп, сом — приспособлены к жизни в застойных водах с низким содержанием кислорода. Мелкие водоемы в летнюю жару интенсивно прогреваются; с повышением температуры содержание кислорода в воде падает, и никакие рыбы там неспособны обитать. В особенно жаркие годы в водоемах происходят заморы, аналогичные зимним. Летние заморы бывают в Балтийском и Азовском морях. Высокая температура, как и плотный ледяной покров, лишает водных обитателей кислорода.
При распространении видов животных и растений к северу ограничивающим фактором кроме низкой зимней температуры является и сумма эффективных летних температур. Развитие икры форели происходит при температуре не ниже 0°С — это значение служит порогом развития. При температуре 2°С мальки покидают оболочку через 205 дней, при 5°С — через 82 дня, а при 10°С — через 41 день. Произведение температуры на дни развития (сумма эффективных температур) остается у мальков примерно постоянной величиной, равной 410. Для зацветания мать-и-мачехи требуется сумма температур 77, для кислицы — 453, а для земляники — 500. Эти значения ограничивают географическое распространение видов. Для риса и хлопчатника требуется величина 2000-4000, эти культуры не могут расти в средней полосе. Для ячменя достаточно всего 1600-1900, и он благополучно растет в умеренных широтах. Распространение древесной растительности ограничено июльской изотермой 10-12°С, далее лесная зона сменяется тундрой.
В период роста и развития организмы более чувствительны к действию различных факторов. Пределы выносливости для мальков, личинок и яиц обычно уже, чем для взрослых организмов. Лососи благополучно переносят изменения температуры воды от -2°С до +20°С, а их икра развивается только в диапазоне от 0°С до +12°С. Многие виды крабов способны продвигаться по рекам далеко вверх, но их личинки в пресной воде развиваться не могут. Ареал птиц определяется приемлемым для яиц и птенцов климатом. Взрослые гусеницы озимой совки — вредителя зерновых и овощных культур таежной и степной зон — переносят морозы до -11°С, а гусеницы помладше — лишь до -5°С. Очень низкая или очень высокая влажность почвы — ограничивающий фактор для личинок сельскохозяйственного вредителя жука-щелкуна. Для борьбы с этим насекомым проводят осушение или сильное увлажнение почвы, вызывающие гибель личинок.
Ограничивающими для распространения вида могут быть и биотические факторы, например, наличие более сильных конкурентов у хищных животных или недостаток опылителей у растений.
Способность к изменениям в популяциях позволяет организмам несколько сглаживать действие ограничивающих факторов. Приспособляемость организмов всегда носит интегральный характер, существа адаптируются ко всему комплексу экологических факторов, а не к какому-либо одному. Комплекс факторов, необходимых для существования определенного вида, включая его связи с другими видами в экосистеме, называется экологической нишей.