Несмотря на многообразие экологических факторов и различную природу их происхождения, существуют некоторые общие правила и закономерности их воздействия на живые организмы. Любой экологический фактор может воздействовать на организм следующим образом:
- изменять географическое распространение видов;
- изменять плодовитость и смертность видов;
- вызывать миграцию;
- способствовать появлению у видов приспособительных качеств и адаптаций.
Результат действия экологического фактора зависит от его интенсивности. 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 – пессимума. Максимально и минимально переносимые значения фактора – это критические точки, за пределами которых существование организма или популяции уже невозможно. Диапазон действия фактора между критическими точками называется зоной толерантности (выносливости) организма по отношению к данному фактору. Условия среды, в которых какой-либо фактор (или совокупность факторов) выходит за пределы зоны комфорта и оказывает угнетающее действие, в экологии называют экстремальными.
Рассмотренные закономерности носят название «правило оптимума».
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. Таким образом лимитирующий фактор – это экологический фактор, значение которого выходит за границы выживаемости вида.
В середине XIX века немецкий химик-органик Ю. Либих первым экспериментально доказал, что рост растения зависит от того элемента питания, который присутствует в относительно минимальном количестве. Он назвал это явление законом минимума. Его также называют законом Либиха.
В современной формулировке закон минимума звучит так: выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. Однако позже выяснилось, что лимитирующим может быть не только недостаток, но и избыток фактора, например, гибель урожая из-за дождей, перенасыщение почвы удобрениями. Понятие о том, что наравне с минимумом лимитирующим фактором может быть и максимум, через 70 лет после Либиха ввёл 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.
Экологические факторы среды, влияющие на организмы, делятся на три группы:
1. Абиотические факторы – это свойства неживой природы (температура, свет, влажность, состав воздуха, воды, почвы, естественный радиационный фон Земли, рельеф местности) и др., которые прямо или косвенно влияют на живые организмы.
2. Биотические факторы – это все формы воздействия живых организмов друг на друга. Действие биотических факторов может быть как прямым, так и косвенным, выражаясь в изменении условий окружающей среды, например, изменение состава почвы под влиянием бактерий или изменение микроклимата в лесу.
Взаимные связи между отдельными видами организмов лежат в основе существования популяций, биоценозов и биосферы в целом.
3. Антропогенные факторы – это все формы деятельности человеческого общества, которые приводят к изменению природы как среды обитания и других видов и непосредственно сказываются на их жизни.
Принцип лимитирующих факторов справедлив для всех типов живых организмов - растений, животных, микроорганизмов и относится как к абиотическим, так и к биотическим факторам.
Например, лимитирующим фактором для развития организмов данного вида может стать конкуренция со стороны другого вида. В земледелии лимитирующим фактором часто становятся вредители, сорняки, а для некоторых растений лимитирующим фактором развития становится недостаток (или отсутствие) представителей другого вида. Например, в Калифорнию из средиземноморья завезли новый вид инжира, но он не плодоносил, пока оттуда же не завезли единственный для него вид пчел-опылителей.
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.
Широкую экологическую валентность вида по отношению к абиотическим факторам среды обозначают добавлением к названию фактора приставки «эври», а узкую – «стено». Виды, для существования которых необходимы строго определенные экологические условия, называют стенобионтными, а виды, приспосабливающиеся к экологической обстановке с широким диапазоном изменения параметров, – эврибионтными.
Экологические валентности вида по отношению к разным факторам могут быть весьма разнообразными, что создает многообразие адаптаций в природе. Совокупность экологических валентностей по отношению к разным факторам среды составляет экологический спектр вида.
Предел толерантности организма изменяется при переходе из одной стадии развития в другую. Часто молодые организмы оказываются более уязвимыми и более требовательными к условиям среды, чем взрослые особи.
Наиболее критическим с точки зрения воздействия разных факторов является период размножения: в этот период многие факторы становятся лимитирующими. Экологическая валентность для размножающихся особей, семян, эмбрионов, личинок, яиц обычно уже, чем для взрослых неразмножающихся растений или животных того же вида.
Однако в природе все экологические факторы действуют не одиночно, а совместно.
Оптимальная зона и пределы выносливости организма по отношению к какому-либо фактору среды могут смещаться в зависимости от того, в каком сочетании действуют одновременно другие факторы. Эта закономерность получила название взаимодействия экологических факторов – констелляция.
Например, жару легче переносить при сухом, а не влажном воздухе; угроза замерзания значительно выше при низкой температуре с сильным ветром, чем в безветренную погоду; для растений, растущих в тени, потребность в цинке меньше, чем для находящихся на солнце. Происходит так называемая компенсация действия факторов.
Однако взаимная компенсация имеет определенные пределы и полностью заменить один из факторов другим нельзя. Полное отсутствие воды или хотя бы одного из необходимых элементов минерального питания делает жизнь растений невозможной, несмотря на самые благоприятные сочетания других условий. Отсюда следует вывод, что все условия среды, необходимые для поддержания жизни, играют равную роль и любой фактор может ограничивать возможности существования организмов – это закон равнозначности всех условий жизни.
Среди законов, определяющих взаимодействие индивида или особи с окружающей его средой, существует правило соответствия условий среды генетической предопределенности организма. Оно утверждает, что вид организмов может существовать до тех пор, пока окружающая его природная среда соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к ее колебаниям и изменениям. Каждый вид живого возник в определенной среде, в той или иной степени приспособился к ней и дальнейшее существование вида возможно лишь в данной или близкой к ней среде. Резкое и быстрое изменение среды жизни может привести к тому, что генетические возможности вида окажутся недостаточными для приспособления к новым условиям. На этом, в частности, основана одна из гипотез вымирания крупных пресмыкающихся с резким изменением абиотических условий на планете: крупные организмы менее изменчивы, чем мелкие, поэтому для адаптации им нужно гораздо больше времени. В связи с этим коренные преобразования природы опасны для ныне существующих видов, в том числе и для самого человека.
Таким образом, важнейшим условием существования популяции, или ее экотипа, является её толерантность к факторам среды. Толерантность у разных особей разная, поэтому толерантность популяции значительно шире, чем у отдельных особей. Но из этого правила могут быть исключения, зависящие от того, какую стадию жизненного цикла проходит особь: толерантность наибольшая у покоящейся особи.
IV. Тестовые задания:
1. Организмы, которые не являются продуцентами, – это …
а) фотоавтотрофы;
б) цианобактерии;
в) хемоавтотрофы;
г) детритофаги.
2. На чем основан круговорот веществ и энергии в биосфере?
а) наличие в биосфере растительных и животных организмов;
б) способность растительных организмов к фотосинтезу;
в) наличие в биосфере двух типов питания живых организмов – автотрофного и гетеротрофного;
г) способность гетеротрофов разрушать биомассу до простых минеральных соединений.
3. Согласно учению В.И. Вернадского, верхняя граница биосферы ограничивается…
а) снижением температуры с высотой;
б) действием инфракрасного излучения;
в) концентрацией кислорода в воздухе;
г) действием жесткого ультрафиолетового излучения.
4. В чем заключается опасность загрязнения биосферы радиоактивными веществами?
а) накопление радиоактивных веществ в телах растений и животных;
б) попадание радиоактивных веществ в круговорот веществ, переход по пищевой цепи, концентрация в организмах высших трофических уровней;
в) специфическое действие на все населяющие планету организмы;
г) губительное действие радиоактивных веществ на компоненты атмосферы, гидросферы, литосферы.
5. Сфера разума, высшая стадия развития биосферы, когда разумная человеческая деятельность становится главным, определяющим фактором ее развития, называется…
а) техносферой;
б) антропосферой;
в) ноосферой;
г) биосферой.
6. В трудах какого известного учёного шла речь о космической роли растений?
а) В.И. Вернадский;
б) И.И. Мечников;
в) А.С. Пушкин;
г) К.А. Тимирязев;
д) нет правильного ответа.
7. Концепция устойчивого развития общества подразумевает:
а) определение здоровья, сформулированное в уставе ВОЗ;
б) индивидуальную реакцию отдельных видов на загрязнение атмосферы;
в) обеспечение возможности удовлетворения потребностей людей без угрозы удовлетворения таковых будущими поколениями;
г) специальные мероприятия по защите водных и других ресурсов от чрезмерного использования.
8. Биосфера – оболочка Земли, состав, структура и свойства которой в той или иной степени определяется настоящей или прошлой деятельностью …
а) животных;
б) растений;
в) микроорганизмов;
г) живого вещества.
9. К числу глобальных проблем не относится:
а) угроза ядерной войны;
б) разрушение озонового слоя;
в) дефицит природных ресурсов;
г) атеизм как противопоставление религиозной идеологии.
10. Что из приведенного ниже не является проявлением глобальных проблем?
а) истощение плодородного слоя почвы;
б) истощение запасов пресной воды;
в) задержка зарплат;
г) проблемы войны и мира.
11. Область знаний и практическая деятельность человека по рациональному использованию природных ресурсов в целях удовлетворения материальных и культурных потребностей общества называется …
а) природопользованием;
б) социологией;
в) естествознанием;
г) культурологией.
12. Подготовка экологически образованных профессионалов в разных областях деятельности достигается через …
а) систему экологического образования;
б) самообразование;
в) широкую просветительскую работу по экологии;
г) участие в общественном экологическом движении.
V. Практические задания
