Законы воздействия экологических факторов на живые организмы

Несмотря на многообразие экологических факторов и различную природу их происхождения, существуют некоторые общие правила и закономерности их воздействия на живые организмы. Для жизни организмов необходимо определенное сочетание условий. Если все условия среды обитания благоприятны, за исключением одного, то именно это условие становится решающим для жизни рассматриваемого организма. Оно ограничивает (лимитирует) развитие организма, поэтому называется лимитирующим фактором. Первоначально было установлено, что развитие живых организмов ограничивает недостаток какого-либо компонента, например, минеральных солей, влаги, света и т.п. В середине XIX века немецкий химикорганик Юстас Либих первым экспериментально доказал, что рост растения зависит от того элемента питания, который присутствует в относительно минимальном количестве. Он назвал это явление законом минимума; в честь автора его еще называют законом Либиха. В современной формулировке закон минимума звучит так: выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. Однако, как выяснилось позже, лимитирующим может быть не только недостаток, но и избыток фактора, например, гибель урожая из-за дождей, перенасыщение почвы удобрениями и т.п. Понятие о том, что наравне с минимумом лимитирующим фактором может быть и максимум, ввел спустя 70 лет после Либиха американский зоолог В.Шелфорд, сформулировавший закон толерантности. Согласно закону толерантности лимитирующим фактором процветания популяции (организма) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, а диапазон между ними определяет величину выносливости (предел толерантности) или экологическую валентность организма к данному фактору. Благоприятный диапазон действия экологического фактора называется зоной оптимума (нормальной жизнедеятельности). Чем значительнее отклонение действия фактора от оптимума, тем больше данный фактор угнетает жизнедеятельность популяции. Этот диапазон называется зоной угнетения. Максимально и минимально переносимые значения фактора - это критические точки, за пределами которых существование организма или популяции уже невозможно. В соответствии с законом толерантности любой избыток вещества или энергии оказывается загрязняющим среду началом. Так, избыток воды даже в засушливых районах вреден и вода может рассматриваться как обычный загрязнитель, хотя в оптимальных количествах она просто необходима. В частности, избыток воды препятствует нормальному почвообразованию в черноземной зоне. Виды, для существования которых необходимы строго определенные экологические условия, называют стенобиотными, а виды, приспосабливающиеся к экологической обстановке с широким диапазоном изменения параметров, - эврибиотными. Среди законов, определяющих взаимодействие индивида или особи с окружающей его средой, выделим правило соответствия условий среды генетической предопределенности организма. Оно утверждает, что вид организмов может существовать до тех пор и постольку, поскольку окружающая его природная среда соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к ее колебаниям и изменениям.

 

Общая хар-ка биосферы.

На высшей ступени иерархии биосистем находится глобальная экосистема – биосфера – совокупность всех живых организмов и их экологической среды в пределах планеты.

Термин «биосфера» впервые применил австрийский геолог Э. Зюсс (1873), определяя им пространство органической жизни на Земле.

Биосфера – это часть земного шара, в пределах которой существует жизнь. Она представляет собой оболочку Земли, состоящую из атмосферы, гидросферы и верхней части литосферы, которые взаимно связаны сложными биохимическими циклами миграции вещества и энергии.

Выдающийся русский учёный В.И. Вернадский (1868-1945), один из создателей современного взгляда на биосферу, определил её как наружную оболочку Земли, область распространения жизни, основа которой - взаимодействие живого и косного вещества.

Основные компоненты:

живое вещество – это совокупность тел живых организмов, населяющих Землю вне зависимости от их систематической принадлежности. Общий вес живого вещества оценивается в 2400 млрд. т (в сухом виде). По определению В.И Вернадского, живое вещество является одной из самых могущественных геохимических сил нашей планеты;

биогенное вещество – это химические соединения, возникшие в результате жизнедеятельности организмов. При этом образующиеся химические соединения могут и не входить в состав тел организмов (каменный уголь, торф, гумус, мел, известняк, нефть и т. д.);

косное вещество – это вещество, которое образуется без участия живого вещества (горные породы земной коры неорганического происхождения, вода, компоненты воздуха);

биокосное вещество – это продукты переработки горных и осадочных пород организмами;

вещество космического происхождения.

Биосфера в главных своих чертах может быть охарактеризована по отдельным оболочкам, которые она охватывает: нижняя часть атмосферы, гидросфера и верхняя часть литосферы.

Атмосфера – это газовая оболочка, окружающая Землю. Атмосферой принято считать ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землёй как единое целое. Через атмосферу осуществляется обмен вещества Земли с космосом. Земля получает космическую пыль и метеоритный материал, теряет самые легкие газы: водород и гелий. Атмосфера Земли насквозь пронизывается мощной радиацией Солнца, которая определяет тепловой режим поверхности планеты, вызывает диссоциацию молекул атмосферных газов и ионизацию атомов.

Атмосфера имеет слоистую структуру, которая в первую очередь определяется особенностями вертикального распределения температуры: тропосфера (до 10 км), стратосфера (10-47 км), мезосфера (47-80 км), термосфера (80-1000 км). На высотах свыше 1000 км находится экзосфера, откуда атмосферные газы рассеиваются в мировое пространство.

Все структурные параметры атмосферы (температура, давление и плотность) обладают значительной пространственно-временной изменчивостью: широтной, годовой, сезонной и суточной.

В состав атмосферы входят: азот (78,08 % по объёму), кислород (20,95 %), аргон (0,93 %), углекислый газ (0,03 %), неон, гелий, метан, криптон, водород, ксенон, водяной пар, озон и др.

Важная переменная составляющая часть атмосферы – водяной пар. Среднее содержание водяного пара в вертикальном столбе атмосферы в умеренных широтах составляет около 15-17 мм «слоя осаждённой воды», то есть такую толщину будет иметь слой сконденсированного водяного пара.

Одним из важнейших компонентов атмосферы является озон О₃. Озон в основном сосредоточен в стратосфере, где его образование и разложение связано с поглощением губительной для живых организмов ультрафиолетовой радиации Солнца: О + О₂ = О₃. Озоновый слой – «экран» имеет исключительно важное значение для сохранения жизни на Земле.

Гидросфера – водная оболочка Земли. Вследствие высокой подвижности, воды проникают повсеместно в различные природные образования. Они находятся в виде паров и облаков в земной атмосфере, формируют океаны и моря, существуют в замороженном состоянии в высокогорных районах континентов и в виде мощных ледяных панцирей покрывают полярные участки суши. Атмосферные осадки проникают в толщи осадочных пород, образуя подземные воды. Вода способна растворять в себе многие вещества, поэтому любые воды гидросферы можно рассматривать в качестве естественных растворов различной степени концентрации. Гидросфера находится в тесной взаимосвязи с литосферой (подземные воды), атмосферой (парообразная влага) и живым веществом биосферы, в которое она входит в качестве обязательного компонента (человек на 70 % состоит из воды

Подавляющая часть природных вод слагает Мировой океан (94 %), который представляет собой уникальную природную систему биосферы. В ней происходит грандиозный процесс обмена и трансформации энергии и вещества нашей планеты.

Следует отметить одну особенность океанической воды – главные ионы характеризуются постоянным соотношением во всем объёме Мирового океана. Это указывает на устойчивость динамического равновесия между количеством растворённых веществ, поступающих с поверхности континентов в океан, и их осаждением.

Вода является самым мощным поглотителем солнечного тепла на поверхности Земли (теплоёмкость воды в 3300 раз больше теплоёмкости воздуха). Поэтому решающая роль в поглощении солнечной энергии на нашей планете принадлежит Мировому океану. Способность Мирового океана поглощать солнечную энергию в 2-3 раза больше, чем у поверхности суши. \

Наименьшее количество воды на поверхности Земли находится в такой важной для человека составляющей гидросферы, как реки. Но реки, в отличие от других составляющих гидросферы, являются быстрыми транспортёрами воды. Вода в реках возобновляется намного быстрее, чем в любой другой составляющей гидросферы.

Занимая большую часть поверхности планеты, гидросфера обладает очень большим разнообразием природных условий. Значительное разнообразие создаётся одновременным существованием воды в трёх фазах, резко различающихся составляющими, большим набором растворённых в ней веществ и газов, формированием разнообразных статических и динамических структур. Даже на первый взгляд однородный океан на самом деле представляет анизотропную среду, в которой неоднородности в масштабах от микрометров до сотен километров создаются физико-химическими процессами, деятельностью живых организмов и под воздействием деятельности человека.

Гидросфера Земли как компонент экосистемы представляет собой глобальную термодинамически открытую систему со своим «входом» и «выходом». Вход – это поток солнечной энергии, который приводит в движение гидросферу, а выход – вещества, накапливающиеся в результате потоков энергии и вещества в сообществах. На вход этой системы поступает также энергия из недр нашей планеты и энергия гравитационного притяжения Луны и Солнца, но эти величины намного меньше потока солнечной радиации.

Литосфера – это верхняя твёрдая оболочка Земли. В состав биосферы входят верхние горизонты литосферы (литобиосфера), подвергающиеся ныне или подвергавшиеся в прошлом воздействию живых организмов. К биосфере, например, относятся некоторые полезные ископаемые, в частности, каменный уголь – продукт фотосинтеза растений в прошлые геологические эпохи.

Общий химический состав литобиосферы определяют немногие элементы (О, Si, Al, Fe, Са, Mg, Na, К), которые слагают основную её массу. При этом наиболее распространённым элементом является кислород, который прочно связан хиически с другими элементами.

В литосферу живые организмы проникают на ничтожную глубину. Основная их масса сосредоточена в верхнем слое - почве мощностью в несколько десятков сантиметров, и редко кто проникает на несколько метров или десятки метров вглубь (корни растений, дождевые черви). По трещинам земной коры, колодцам, шахтам и буровым скважинам животные и бактерии могут опускаться на глубину до 3 км. Проникновение зеленых растений в глубь литосферы невозможно из-за отсутствия света, а животные не находят там питания. Механические свойства горных пород, слагающих литосферу, также препятствуют распространению в них жизни. Наконец, с продвижением в недра Земли температура возрастает и на глубине 3 км достигает 100 ^оС.

Почва – это особое природное образование, обладающее рядом свойств, присущих живой и неживой природе, которыми она отличается от материнской (почвообразующей) породы. Почва – это трёхфазная среда, включающая твёрдые, жидкие и газообразные компоненты. Она является продуктом физико-химического и биологического преобразования (выветривания) горных пород, то есть представляет собой продукт сложного взаимодействия неживой природы, климата, растений, микроорганизмов и животных. В состав твёрдой части почвы входит органическое вещество, состоящее из соединений растительного, животного и микробного происхождения и промежуточные продукты их разложения. Жидкая часть – почвенный раствор является активным компонентом почвы, который осуществляет перенос веществ внутри неё, вынос из почвы и снабжение растений водой и растворёнными элементами питания. Обычно он содержит ионы, молекулы, коллоиды и более крупные частицы, превращаясь иногда в суспензию. Газообразная часть или почвенный воздух заполняет поры, не занятые водой. Количество и состав почвенного воздуха, в который входят N2, O2, CO2, летучие органические соединения и прочие, не постоянны и определяются характером множества протекающих в почвах химических, биохимических, биологических процессов.

Под влиянием факторов почвообразования (климат, материнская порода, растительный и животный мир, рельеф и геологический возраст территории, хозяйственная деятельность человека) в почве протекают разнообразные процессы, которые объединяют в три основные группы:

обмен веществами и энергией между почвой и другими природными телами;

процессы превращения веществ и энергии, происходящие в самом почвенном теле без перемещения веществ;

процессы передвижения веществ и энергии в почве.

Почвенные процессы протекают в тесной взаимосвязи и взаимозависимости, охватывая всю почвенную толщину или сосредотачиваясь в отдельных частях.

Соотношение твердой, жидкой, газообразной и живой частей в почвах весьма разнообразно. Но для всех почв характерно уменьшение содержания органических веществ и живых организмов от верхних горизонтов к нижним.

Почва служит естественной средой обитания для различных групп микроорганизмов - почвенных микроорганизмов. Эти микроорганизмы играют важную роль в почвообразовании, формировании плодородия почвы и в круговороте веществ в природе.

Исключительная роль почвы заключается в том, что почва представляет собой основной источник продовольствия, обеспечивающий 95 – 97 % продовольственных ресурсов планеты.