Абиотические факторы оказывают существенное влияние на плотность популяций животных и растений. Понижение температуры часто катастрофически сказывается на популяциях животных: в районах, прилегающих к северным границам ареала, вид может стать редким и даже полностью исчезнуть. Кроме того, морозы в ряде случаев влияют и косвенно, поскольку пища, скрытая под толстым слоем льда или снега, становится совершенно недоступной для животных. В местах, подверженных сильным ветрам, рост растений задерживается, а фауна может быть частично или полностью уничтожена.
Абиотические факторы - это совокупность важных для организмов свойств неживой природы, каким-либо образом воздействующих на организм и их сообщества. В экологии они рассматриваются как непременные и важные факторы, обеспечивающие жизнь и развитие растений, животных и микроорганизмов, они могут влиять на организмы каждый в отдельности, одновременно или взаимодействуя друг с другом. Разнообразие рельефа, геологических и климатических условий порождает и огромное разнообразие абиотических факторов.
Эти факторы, в свою очередь, можно разделить:
- на химические (состав атмосферы, воды, почвы и др.) и
- физические (температура, давление, влажность, течения и т. п.).
Первостепенное значение из них имеют
- климатические - солнечный свет, температура, влажность;
- географические - продолжительность дня и ночи, рельеф местности;
- гидрологические (гр. hydor - вода) - течение, волнение, состав и свойства вод;
- эдафические (гр. еdaphos - почва) - состав, структура и свойства почв и др.
- топографические (topos -место ) - географическая широта и особенности местообитания.
Все факторы могут влиять на организмы непосредственно или косвенно. Например, рельеф местности влияет на освещенность, влажность и микроклимат. Рассмотрим некоторые основные (абиотические) экологические факторы.
Из климатических факторов основное экологическое значение имеют температура, влажность и свет, при этом наиболее важным является температурный фактор. От его значения зависит интенсивность обмена веществ организмов и их географическое распространение. Любой организм способен жить в пределах определенного интервала температур. При этом интервал оптимальных температур, при которых жизненные функции протекают наиболее активно, сравнительно невелик. Температурные пределы, в которых жизненные процессы протекают нормально, носят название биокинетических температур.
Уровень их обусловлен многими факторами и, прежде всего, зависит от таксономического положения данного вида растения или животного, которое, в свою очередь, связано с географическим местом происхождения вида, определенными условиями его эволюционного развития.
Из климатических факторов также большое значение имеет лучистая энергия Солнца - основной источник жизни на планете. Солнце непрерывно излучает огромное количество лучистой энергии, мощность которой на верхнем пределе атмосферы составляет от 8,4 до 84 Дж/см2 мин (солнечная постоянная). По мере приближения к поверхности Земли значительная часть солнечной энергии задерживается атмосферой и растительностью.
Экологическая эффективность лучистой энергии зависит от длины волны. В зависимости от длины волны в пределах всего светового спектра различают видимый свет - ультрафиолетовую и инфракрасную его части.
Ультрафиолетовые лучи оказывают химическое действие на живые организмы, инфракрасные - тепловое. Основную экологическую значимость имеют:
- фотопериодизм - закономерная смена светлого и темного времени суток;
- освещенность (в люксах);
- интенсивность прямой и рассеянной радиации (в джоулях на единицу поверхности и в единицу времени);
- химическое действие световой энергии.
Значение света - видимой части (0,4 - 0,7 мкм) спектра лучистой энергии как экологического фактора связано с возможностью фотосинтеза зеленых растений и в конечном счете с созданием органического вещества, растительной биомассы, с суточным ритмом организмов и др.
Такие экологические факторы, как ветер, атмосферное давление, смог и др., оказывают также большое влияние на биосферу в совокупности и при совместном воздействии температуры и лучистой энергии.
К эдафическим факторам относится вся совокупность физических и химических свойств почв (структура, химический состав, циркулирующие в почве вещества - газ, воды, органические и минеральные элементы и др.). Эдафическими факторами определяется жизнедеятельность организмов, обитающих в почве постоянно или частично.
Как уже упоминалось выше, почва является биокосным телом. В процессах её образования и функционирования важнейшую роль играют живые организмы. Это, в первую очередь, зелёные растения, извлекающие из почвы питательные химические вещества и возвращающие их обратно вместе с отмирающими тканями.
К гидрохимическим и гидрофизическим факторам относятся все факторы, связанные с водой. Роль воды как экологического фактора определяется ее физическими и химическими свойствами и подвижностью. Вода - среда обитания огромного количества разнообразных живых организмов. Тела живых организмов в основном состоят из воды. Так, содержание воды в растениях колеблется от 40 до 98 %, в теле животных - от 35 до 83 %. Без воды не могут осуществляться процессы обмена веществ. Поддержание водного баланса имеет огромное значение для всех живых организмов. Вода существует в трех состояниях: парообразном, жидком и твердом, и это имеет огромное значение в жизни растений и животных.
Все живые организмы в зависимости от их потребности в воде, а следовательно, и по местообитаниям подразделяются на ряд экологических групп:
- водные или гидрофильные (живут постоянно в воде), гигрофильные (живут в очень влажных местообитаниях),
- мезофильные (отличаются умеренными потребностями в воде) и
- ксерофильные (живут в сухих местообитаниях).
Каждая из перечисленных групп - хороший индикатор господствующих в данной местности экологических условий.
Солнечный свет оказывает на организм двоякое действие. С одной стороны, прямое воздействие света на протоплазму смертельно для организма, с другой - солнечный свет - первичный источник энергии, без которого жизнь невозможна. Следовательно, свет - это не только жизненно необходимый, но на некотором минимальном и максимальном уровне смертельно опасный фактор. Видимая, т. е. воспринимаемая человеческим глазом область спектра, лежит в диапазоне от 400 до 700 нм. Животные и растения реагируют на различные длины волн света. Количественные параметры света - это длина волны, интенсивность и продолжительность воздействия. Цветовое зрение развито у некоторых видов членистоногих, рыб, птиц и др. У млекопитающих оно хорошо развито в основном у приматов.
Отдельные организмы приспосабливаются к разной интенсивности света, т. е. могут быть адаптированы к тени или к прямому солнечному свету. Например, морской фитопланктон адаптирован к низкой интенсивности, прямой солнечный свет его подавляет. Максимум первичной продукции в океане приходится не на поверхностный слой воды, а на лежащий на глубине 0,5 - 1,0 м.
Температура во Вселенной колеблется в пределах тысяч градусов. По сравнению с этим диапазоном колебаний температурные пределы существования жизни очень узки. Отдельные виды бактерий некоторое время в стадии покоя могут существовать и при очень низких температурах - до 250 °С. Другие виды бактерий и водорослей способны жить в горячих источниках - около +90 °С.
В табл. 5.1 представлен температурный диапазон активной жизни на суше и в воде. Колебания температур в воде меньше, чем на суше, поэтому выносливость водных организмов к ее колебаниям меньше, чем наземных.
Таблица 5.1. Температурный диапазон жизни на Земле, °С
(по В. А. Радкевичу, 1977)
| Среда обитания | Минимум | Максимум | Амплитуда колебаний |
| Суша Моря Пресные воды | 70,0 3,5 0,0 | + 55,0 + 36,0 + 93,0 | 125,0 39,5 93,0 |
Верхним пределом жизни, вероятно, являются температуры, при которых разрушаются ферменты и свертываются белки (50 - 60 °С). Однако отдельные организмы могут существовать при более высоких температурах. В горячих источниках Камчатки и Америки, например, были обнаружены водоросли при температуре более 82 °С.
Нижний предел температуры, при котором возможна жизнь, в среднем около -70°С, хотя отдельные кустарники в Якутии не вымерзают даже при более низкой температуре. В анабиозе (гр. aпabiosis - выживание), т. е. в неактивном состоянии, некоторые организмы сохраняются при абсолютном нуле (-273 °С).
Изменчивость температур - важный экологический фактор. Температура, которая колеблется от 10 до 20°С (в среднем 15 ° С), воздействует на организмы иначе, чем постоянная температура 15°С. Жизнедеятельность организмов, которые в природе подвергаются воздействию переменных температур (в умеренном климате), подавляется при воздействии постоянной температуры. Это необходимо учитывать при проведении лабораторных экспериментов, которые ведутся при постоянной температуре.
Влажность - это параметр, характеризующий содержание водяного пара в воздухе. В природе существует суточный режим влажности: она повышается ночью и снижается днем.
Наряду со светом и температурой влажность играет важную роль в жизнедеятельности и распространении организмов. Кроме того, влажность влияет на эффект воздействия температуры. Низкая влажность обусловливает иссушающее действие воздуха, особенно на наземные растения. Животные стараются избегать иссушения: переходят в защищенные места или ведут активный образ жизни в ночное время.
Количество осадков, влажность, иссушающие свойства воздуха и доступные запасы поверхностных вод - основные величины, характеризующие этот экологический фактор. Количество осадков зависит от характера перемещения воздушных масс и рельефа местности. Влажные ветры, дующие с океана, большую часть влаги оставляют на склонах гор, обращенных к океану, и за горами создается «дождевая тень», способствующая образованию пустынь.
Важно распределение осадков по временам года. Если общее годовое количество осадков (около 900 мм) выпадает за один сезон, растениям и животным приходится переносить длительные периоды засухи. Такое неравномерное распределение осадков встречается в тропиках и субтропиках. В тропиках этот сезонный ритм влажности регулирует сезонную активность организмов (размножение и др.) так же, как сезонный ритм температуры регулирует активность организмов умеренной зоны.
Формирование типа экосистем в значительной степени зависит от количества осадков: до 250 мм - пустыни, от 250 до 750 мм - лесостепи, от 750 до 1 250 мм - сухие леса, свыше 1 250 мм - влажные леса.
Тип экосистем зависит не только от количества осадков, но и от транспирации, т. е. потери воды через ее испарение организмами (в основном,растениями), и в конечном счете определяется равновесием этих процессов.
Течения - важный экологический фактор в водных экосистемах. Течения непосредственно влияют на живые организмы: от них зависит концентрация в воде растворенных газов (О2, СО2) и биогенных элементов (N, P и др.); течения несут энергетические субсидии, и от них зависят структура и продуктивность экосистем. Так, различия в составе биоценоза ручья и небольшого пруда определяются в основном различиями в факторе течения.
Растения и животные текучих вод морфологически и физиологически приспособлены к сохранению своего положения в потоке. В болотных экосистемах течения играют роль одного из важных источников энергии и в значительной степени определяют их продуктивность. Так, продуктивность заболоченных лесов со стоячей водой около 0,2 кг/м2год, с медленно текучей водой - около 0,7 кг/м2год, а с сезонными наводнениями - свыше 1,0 кг/м2год.
Географическая (природная) оболочка Земли последовательно подразделяется на физико-географические пояса, географические зоны, внутризональные, горные и равнинные области и подобласти и т. д.
Физико-географические пояса в зависимости от состояния теплового баланса и влажности климата входящих в эти пояса географических зон подразделяются на арктический, антарктический, субарктический и субантарктический, северные и южные умеренные и субтропические, субэкваториальный и экваториальный.
Зона характерна своими особенными типами климата, растительности, почв, животного и растительного мира. Например, в пределах северного полушария выделяют следующие зоны:
- ледяную,
- тундру,
- лесотундру,
- тайгу,
- смешанные леса Русской равнины,
- муссонные леса Дальнего Востока,
- лесостепную,
- степную,
- пустынные умеренного и субтропического поясов,
- средиземноморскую и т. п.
Закономерное изменение физико-географических процессов, компонентов и комплексов от экватора к полюсам (или наоборот) есть широтная географическая зональность. Сама зональность в основном характеризуется качеством распределения солнечной энергии по широтам. Кроме широтной, ещё существует вертикальная (высотная) зональность, т. е. изменение всех этих компонентов происходит по мере подъёма над уровнем моря.
Географическая зональность присуща не только материкам, но и Мировому океану, в пределах которого разные зоны различаются количеством поступающей солнечной радиации, балансами испарения и осадков, температурой воды, особенностями поверхностных и глубинных течений и, конечно - миром живых организмов.
Космические факторы. Биосфера, как среда обитания живых организмов, не изолирована от сложных процессов, протекающих в космическом пространстве. На Землю попадает космическая пыль, метеориты. Земля периодически сталкивается с астероидами, сближается с кометами.
Наиболее тесно наша планета связана с процессами, происходящими на Солнце - солнечной активностью. Солнечная активность влияет на ряд жизненных процессов на Земле - от возникновения эпидемий и всплесков рождаемости до крупных климатических преобразований. Воздействие изменений активности Солнца на биосферу Земли изучает гелиобиология (наука основана русским учёным А. Л. Чижевским). Под действием ультрафиолетового излучения в атмосфере Земли молекулярный кислород реагирует с атомарным, в результате получается озон, который, накапливаясь, способствует образованию озоносферы. Из других космических факторов следует отметить корпускулярное излучение Солнца (солнечный ветер), изменение ионосферы в полярных областях Земли и т. п.
Приход энергии солнечного излучения в разные районы земного шара и ее перераспределение определяют климатические условия этих районов, однако этот приход зависит от множества условий таких, как высота Солнца над горизонтом, широта, состояние атмосферы и т. д. Общий приход теплоты к поверхности Земли зависит от суммы прямого и рассеянного излучения, которая увеличивается от полюсов к экватору. Энергия эта не только поглощается поверхностью Земли, но и отражается ею в виде длинноволнового излучения (отношение отражаемого поверхностью потока солнечного излучения к поступившему называется альбедо).
Атмосферные осадки - это вода в жидком или твёрдом состоянии, выпадающая на земную поверхность из облаков или осаждающаяся непосредственно из воздуха вследствие сгущения водяного пара. Из облаков могут выпадать дождь, снег, морось, ледяной дождь, снежные зёрна, ледяная крупа, град. Количество выпавших осадков измеряется толщиной слоя выпавшей воды в миллиметрах. Осадки тесно связаны с влажностью воздуха и представляют собой результат конденсации водяных паров, они являются важнейшим звеном в круговороте воды на Земле (выделяют влажные и сухие зоны земного шара - от 0,18 мм/год в пустынях до 2 000 мм/год в зоне тропических лесов). Атмосферные осадки являются также важнейшим фактором, оказывающим влияние на процессы загрязнения природной среды (кислотные дожди).
Движение воздушных масс (ветер). Причиной образования ветровых потоков и перемещения воздушных масс является неравномерный нагрев разных участков земной поверхности, связанный с перепадами давления. Поток ветра направлен в сторону меньшего давления. На циркуляцию воздушных масс в глобальном масштабе сильное влияние оказывает вращение Земли. Движение воздушных масс оказывает влияние (в той или иной степени) на все метеорологические факторы в приземном слое воздуха: климат, включая режимы температуры, влажности, испарения с поверхности суши и моря, а также на транспирацию растений.
Ветровые потоки - важнейший фактор переноса, рассеивания и выпадения загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу от промышленных предприятий, теплоэнергетики, транспорта. Режимы загрязнённости окружающей среды определяются в первую очередь силой и направлением ветра. Специфика метеорологических факторов того или иного региона учитывается при строительстве предприятий и установлении им разрешённых величин выбросов в атмосферу.
Давление атмосферы. Нормальным давлением принято считать 101,3 кПа (760 мм рт. ст.). В пределах поверхности земного шара существуют области высокого и низкого давления, причём наблюдаются сезонные и суточные минимумы и максимумы давления в одних и тех же точках.
Различаются также морской и континентальный типы динамики атмосферного давления. Периодически возникающие области низкого давления носят название циклонов и характеризуются мощными потоками воздуха, движущегося по спирали и перемещающегося в пространстве к центру. Циклоны связаны с неустойчивой погодой и большим количеством осадков. В противоположность им антициклоны характеризуются устойчивой погодой, низкими скоростями ветра.
Абиотические факторы почвенного покрова (педосферы). Педосфера - поверхностный слой литосферы (верхней твёрдой оболочки Земли - 50 - 200 км). Природные химические соединения элементов земной коры называются минералами, из которых состоят многочисленные типы горных пород (магматические, осадочные и метаморфические). В литосфере постоянно происходят длительные (многовековые перемещения материков) и кратковременные (землетрясения) физические процессы, вулканические извержения. Следствием антропогенной деятельности является сильная трансформация верхних слоев земной коры в результате эксплуатации месторождений полезных ископаемых, а также захоронения твёрдых и жидких промышленных отходов и подземные ядерные испытания.
Рыхлый поверхностный слой суши, способный производить урожай растений, называется почвой, её важнейшим свойством является плодородие (способность обеспечивать органическое и минеральное питание растений). Плодородие зависит от физических и химических свойств почвы, которые в совокупности представляют собой эдафические факторы.
Почва содержит твёрдые, жидкие и газообразные компоненты, она формируется в результате сложных взаимодействий климата, растений, животных, микроорганизмов и рассматривается как биокосное тело, содержащее живые и неживые компоненты.
В мире существует множество типов почв, связанных с различными климатическими условиями и спецификой процессов их образования. Среди главнейших типов почв России можно назвать:
- тундровые,
- подзолистые почвы таёжно-лесной зоны (самые распространённые),
- чернозёмы,
- серые лесные почвы,
- каштановые почвы,
- бурые,
- краснозёмы,
- солончаки и др.
Важнейшими характеристиками почвы, превращающими её в уникальный реактор, являются концентрация солей в почвенном растворе, кислотность, оказывающая решающее влияние на активность микроорганизмов и усвоение растениями азота, а также обменная или поглотительная способность почвы. Содержание воды в почве колеблется в зависимости от ряда факторов, в том числе от температуры и осадков. Чем выше концентрация солей в почвенном растворе, тем менее они доступны для растений.
Растительность создаёт непрерывный поток зольных элементов (соли калия, кальция и т. п.) из более глубоких слоев почвы к её поверхности, т. е. их биологическую миграцию. В процессах почвообразования решающую роль играют населяющие почву живые организмы (педобионты): микробы, беспозвоночные и др. Микроорганизмам принадлежит ведущая роль в трансформации химических соединений, миграции химических элементов, питании растений. Совокупность биохимических процессов в почве называют биологической активностью почвы. Оценивается этот биологический фактор различными количественными показателями, например интенсивностью «дыхания», образования тепловой энергии и т. п.
Орографические (геоморфологические) факторы. Геоморфология - наука о рельефе. От высоты, от степени крутизны склона горы или холма, ориентации склона относительно стран света, общей структуры рельефа зависит весь комплекс микроклиматических и почвенных факторов. Кроме того, крутизна склона и особенности его поверхности могут сказываться на развитии корневых систем растений, их внешнем строении. Рельеф оказывает влияние на процессы почвообразования: уничтожение растительности (вырубка лесов), усиленная пастьба скота вызывают разрушение почв (эрозию).
Рельеф местности является одним из важнейших факторов, от которых зависит перенос, рассеивание и накопление вредных примесей в атмосферном воздухе. Расположенные в низинах населённые пункты в зонах рассеивания промышленных выбросов подвергаются сильному застойному загрязнению, а растительность - угнетению, вплоть до гибели.
Абиотические факторы водной среды. Океан занимает более 70 % поверхности Земли. Вода находится в непрерывном круговороте (различают малый и большой круговороты). Испаряясь с поверхности суши и океана, вода поступает в атмосферу и переносится с воздушными массами. Водяной пар конденсируется и даёт атмосферные осадки, выпадающие в виде дождя, снега, тумана.
Дождевые и снеговые воды частично впитываются в почву и образуют грунтовой сток, а частично - стекают по поверхности со склонов, накапливаясь в естественных углублениях (оврагах, впадинах и т. п.), и в дальнейшем оказываются в мелких водотоках, откуда попадают в реки. Кроме этого, воды водоёмов и океана в целом пополняются из двух источников: атмосферных осадков и речного стока. Круговорот, в котором участвуют преимущественно поверхностные воды суши, рассматривают в качестве малого круговорота, а обмен воды в океане - в качестве большого. Малый круговорот совершается быстро (от десятков дней в речных водах, до нескольких лет), тогда как большой круговорот океана оценивается в 3 000 лет (5 000 лет в подземных водах). При этом существует тесная связь активности водообмена с минерализацией воды: чем медленнее водообмен, тем выше минерализация, а вода, находящаяся в быстром водообмене, практически пресная.
Одной из движущих сил круговорота воды является солнечная энергия (примерно четверть всей поступающей от Солнца энергии требуется на испарение воды). Поскольку круговорот воды - фактически глобальный её опреснитель, в биосфере существуют как стабильные солёные океанические, так и весьма подвижные пресноводные экологические системы.
Океан - главный акцептор и аккумулятор солнечной энергии (вода обладает высокой теплоёмкостью).
К экологическим факторам водной среды относятся:
- подвижность - постоянное перемещение и перемешивание водных масс в пространстве, способствует поддержанию относительного однообразия их физических и химических характеристик;
- температурная стратификация - изменение температуры воды по вертикали толщи воды (более тёплая вода имеет меньшую плотность и меньшую вязкость - её циркуляция происходит в поверхностном, нагретом слое, и с более плотной и более вязкой холодной водой она не смешивается).
- прозрачность воды. От прозрачности зависит фотосинтез фитопланктона, высших водных растений, а следовательно, и накопление биомассы (в освещённой толще воды процессы фотосинтеза преобладают над процессами дыхания). Мутность же связана с содержанием в воде взвешенных веществ, в том числе поступающих в водные объекты с промышленными и иными стоками.
- соленость является важнейшим фактором для обитающих в воде организмов. Солёность связана с содержанием в воде растворённых карбонатов, сульфатов, хлоридов.
- растворенные газы также являются важной характеристикой воды. В первую очередь имеют огромное значение кислород и углекислый газ, от которых зависят фотосинтез и дыхание организмов, обитающих в воде.
Распространение и жизнедеятельность организмов в воде зависят от кислотности среды.
