Зоны воздействия экологического фактора на организм

ОБЩАЯ ЭКОЛОГИЯ

Экология – наука о взаимоотношениях и закономерностях взаимосвязей организмов и их систем между собой и средой их обитания (окружающей их средой), о круговороте веществ и потоках энергии, делающих возможной жизнь на Земле. Предметом экологии является изучение совокупности и структуры связей между организмами и средой.

Сегодня экология превращается из раздела биологии в своеобразную гипернауку, в комплекс фундаментальных и прикладных дисциплин, в так называемую мегаэкологию, т.е. «большую экологию» или «макроэкологию».

До середины 19 века развитие экологии неотделимо от развития естествознания, поскольку накопление эмпирических знаний происходило на протяжении всей истории человечества. Огромный вклад в развитие естественных наук и накопление экологических знаний внесли лучшие умы античности (Анаксимандр, Демокрит, Фалес, Гиппократ, Пифагор, Евклид, Архимед, Платон, Аристотель, Лукреций, Птолемей) и средневекового Ближнего Востока (Ибн Сина, Ибн Рушд, Ибн Юнас). Эпоха Возрождения изменила фундаментальные воззрения в естествознании благодаря трудам Н. Коперника, Дж. Бруно, Г. Галиллея, Л. да Винчи, И. Кеплера, Р. Декарта, дав новый мощный толчок развитию наук о природе, а в 18 веке работы К. Линнея, И. Канта, П. Лапласа, Ж. Кювье, Ж. Ламарка, Ч. Дарвина позволили систематизировать накопленные естественнонаучные знания, используя диалектический метод познания.

Вторая половина 19 века была ознаменована новыми открытиями во всех разделах естествознания: клеточная теория М. Шлейдена и Т. Шванна; теория эволюции Ч. Дарвина; геологическая эволюция Ч. Лайеля; явление электромагнитной индукции М. Фарадея и Д. Максвелла; закон сохранения энергии Г. Гельмгольца, синтез первых органических соединений Ф. Веллером; периодический закон Д. И. Менделеева; законы наследования Г. Менделя и др.

Именно в этот период в 1866 г. немецкий зоолог Эрнст Геккель, изучавший адаптации организмов к факторам среды и сформулировавший закон рекапитуляции (онтогенез организма повторяет филогенез вида), выдвинул специальный термин «экология». В своем труде «Всеобщая морфология организмов» он писал: «под экологией мы понимаем сумму знаний, относящихся к экономике природы: изучение всей совокупности взаимоотношений всего живого с окружающей его средой, как органической, так и неорганической, и прежде всего – его дружественных или враждебных отношений с теми животными и растениями, с которыми он прямо или косвенно вступает в контакт». Полный спектр экологических проблем еще за 10 лет до этого определил знаменитый русский зоолог Карл Рулье, не нашедший, однако, подходящего выразительного термина для обозначения этой науки, но четко определивший принцип взаимоотношений организма и среды: «Ни одно органическое существо не живет само по себе, каждое вызывается к жизни и живет постольку, поскольку находится во взаимодействии с относительно внешним для него миром».

К началу 20 века, когда экология уже вполне сформировалась как новое научное направление в биологии, началось изучение надорганизменных биологических систем, и благодаря работам К. Мебиуса, С. Форбса, Ф. Клементса, А. Тинеманна появилась концепция биоценозов. В 1927 году американский биолог Ч. Элтон опубликовал первый учебник-монографию по экологии, в котором он не только четко охарактеризовал своеобразие биоценотических процессов, определил понятие трофической ниши и сформулировал правило экологических пирамид, но и выделил особое направление - популяционную экологию. В 1926 г. вышел в свет труд В.И. Вернадского «Биосфера», где впервые была показана планетарная роль совокупности живых организмов – «живого вещества», определены его роль и функции и рассмотрена его роль в эволюции биосферы. В 1934 году микробиолог Г.Ф. Гаузе в книге «Борьба за существование» подробно исследовал межвидовые взаимоотношения типа «хищник-жертва» и сформулировал принцип конкурентного исключения. В 1935 году английский геоботаник А.Тенсли предложил понятие «экосистема» для любой совокупности организмов и неорганических компонентов, в которой может поддерживаться круговорот веществ, а в отечественной литературе представления об экосистемах были развиты в 1942 г. в работах В.Н. Сукачева, обобщившего их в учении о биогеоценозе. Примерно с этого времени утвердилось деление экологии на аутэкологию – экологию отдельных организмов, демэкологию – экологию популяций, и синэкологию – экологию межвидовых сообществ.

В начале 1970-х годов взгляд на экологию как на сугубо биологическую науку изменился: по-прежнему уходя корнями в биологию, экология вышла за ее рамки, став сложной и многогранной, интегрированной дисциплиной, связывающей естественные, общественные и технические науки.

Термин «экология», впервые использованный немецким биологом Эрнстом Геккелем в работе «Всеобщая морфология организмов» в 1866 г., который образовал его от греческих слов oikos, что означает дом, жилище, и logos – наука, в буквальном смысле означает «наука о местообитании».

Следует отметить, что в западной литературе и в ряде наших специальных изданий по биологии термин «экология» часто употребляют для традиционного круга объектов и методов, а все, что связано с экологией человека, окружающей средой и охраной природы называют наукой об окружающей среде (environmental science). В отечественной литературе оба эти понятия часто используют или как синонимы, или включают последнее в экологию.

Мегаэкология – межпредметная область знаний; комплекс фундаментальных и прикладных дисциплин.

Фактор – движущая сила совершающихся процессов или влияющее на эти процессы условие.

Все, что окружает организмы (живые системы), прямо или косвенно влияя на их состояние и функционирование, носит название окружающей среды, которая включает как природную, так и техногенную, созданную человеком, составляющие. Компоненты среды, способные оказывать прямое или косвенное влияние на живые организмы, называются экологическими факторами, которые по природе их происхождения традиционно делят на три группы: абиотические, биотические и антропогенные.

Компоненты (части) природной среды, которые влияют на состояние и свойства организма, называют экологическими факторами.

 

 

Абиотические экологические факторы – все компоненты неживой природы. К этим факторам относятся: свет, температура, давление, влажность, ветер, состав воздуха, воды и почвы, долгота дня и т.д.

Биотические экологические факторы – факторы, которые связаны с живыми организмами, они характеризуют влияние одних организмов на другие. К этим факторам относятся: конкуренция, хищничество, паразитизм, сотрудничество и т.д.

Антропогенные экологические факторы – факторы, которые связаны с влиянием деятельности человека на природную среду. Человек загрязняет и тем самым разрушает природную среду. К этим факторам относятся: загрязнение атмосферы и водной среды, вырубка леса, осушение болот, уничтожение животных и т.д.

Экологические факторы подразделяют в зависимости от:

природы – абиотические и биотические;

происхождения – естественные и искусственные;

периодичности – периодические и непериодические;

времени образования и начала действия – первичные и вторичные;

среды – водные (гидросферные),

возникновения воздушные (атмосферные),

почвенные (литосферные);

степени воздействия – лимитирующие,

экстремальные,

летальные;

спектра воздействия – общего, избирательного действия;

характера и состава – химические,

воздействия физические,

биологические, механические,

информационные и т.д.

Экологические факторы могут оказывать на организм положительное или отрицательное влияние. Недостаток или избыток экологического фактора отрицательно влияет на жизнь организма. Для каждого организма существует определенный диапазон действия экологического фактора.

Благоприятные для нормальной жизнедеятельности организма значения экологического фактора называются зоной оптимума. Чем значительнее отклонение действия фактора от оптимума, тем больше данный фактор в диапазоне, называемом стрессовой зоной, угнетает жизнедеятельность живой системы. Максимально и минимально переносимые значения экологического фактора - это критические точки, отмечающие начало зоны гибели, где существование организма или популяции уже невозможно. Диапазон между минимумом и максимумом экологического фактора называется диапазоном толерантности (от лат. tolerantia – терпение) и определяет величину выносливости или экологическую валентность организма к данному фактору (см. рис.).

Зоны воздействия экологического фактора на организм

 

Способность организма приспосабливаться к действию экологических факторов и выживать в изменяющихся условиях среды за счет эволюционно возникших морфологических, физиолого-биохимических и поведенческих приспособлений называется адаптацией (от лат. adaptatio – приспособление).

Разные организмы характеризуются разной экологической валентностью, но диапазон толерантности организма может меняться даже при переходе из одной стадии развития в другую – например, молодые организмы часто оказываются более уязвимыми и более требовательными к условиям среды, чем взрослые особи.

Любой организм одновременно испытывает воздействие целого комплекса экологических факторов, связанных между собой и влияющих друг на друга, в связи с чем границы диапазона толерантности организма по отношению к какому-либо фактору среды могут смещаться в зависимости от того, в каком сочетании действуют другие факторы (например, жару и холод легче переносить при сухом, а не влажном воздухе). В результате взаимодействия экологических факторов может происходить их частичная компенсация, однако полностью заменить один из факторов другим нельзя, несмотря на самые благоприятные сочетания других условий.

Если все условия среды обитания благоприятны, за исключением какого-то одного экологического фактора, то именно он становится решающим для жизни конкретных организмов (популяций), ограничивая (лимитируя) их развитие, в связи с чем его называют лимитирующим фактором. Еще в середине XIX века немецкий химик-органик Ю. Либих экспериментально доказал, что развитие живых организмов ограничивает недостаток какого-либо компонента (например, минеральных солей, влаги, света и т.п.) и назвал это явление законом минимума. Однако, как позже выяснил американский зоолог В.Шелфорд, сформулировавший закон толерантности, лимитирующим может быть не только недостаток (минимум), но и избыток (максимум) экологического фактора, диапазон между которыми определяет величину выносливости (предел толерантности) или экологическую валентность организма к данному фактору.

Каждый вид организмов возник в определенной среде, в той или иной степени приспособился к ее колебаниям и изменениям и дальнейшее существование вида возможно лишь в данной или близкой к ней среде, соответствующей его генетическим возможностям адаптации. Резкое и быстрое изменение экологических факторов может привести к тому, что генетические возможности вида окажутся недостаточными для приспособления к новым условиям, из-за чего коренные преобразования природы человеком могут быть опасны для многих видов живых организмов, в том числе и для него самого.

Разные организмы характеризуются разной величиной толерантности.

Экологические, факторы связаны между собой и влияют друг на друга.

Вывод: существует экологическое равновесие между живыми организмами и средой их обитания:

 

Система – совокупность элементов (веществ, тел, объектов живой и неживой природы) со связями между ними, мысленно или реально выделенных из окружающего пространства.

Биологическая система – это упорядоченная совокупность взаимозависимых живых компонентов, динамически взаимодействующих с неживой средой. Выделяют следующие основные уровни организации биологических систем: молекулярный (генный), клеточный, органный, организменный, популяционно-видовой и экосистемный.

Иерархическая организация биосистем, более простые из которых входят в состав более сложно организованных, проявляется в эмерджентности (от англ. emergent – внезапно возникающий), когда по мере объединения в более крупные системы следующего уровня, у них возникают качественно новые свойства, отсутствовавшие на предыдущем.

Экологическая система (экосистема) – система, в которой организмы и среда их обитания объединены в единое функциональное целое через обмен веществ и энергии; любая совокупность организмов и окружающей их среды. Экосистема – основная функциональная единица в экологии.

Более конкретно, экосистема – это сообщество живых организмов - биоценоз (от греч. bios – жизнь и koinos – общий) и его среда обитания – биотоп (от греч. topos - место), объединенные в единое функциональное целое. Обмен веществом, энергией и информацией связывает биотические и абиотические компоненты экосистемы таким образом, что она сохраняет устойчивость в течение продолжительного времени.

К термину «экосистема», предложенному в 1935 г. английским биологом А. Тенсли для определения основной функциональной единицы живой природы, очень близок термин «биогеоценоз», который предложил в 1940 г. В.Н.Сукачев, и который в большей степени отражает структурные характеристики географического пространства, на котором развивается биоценоз.

Общая экология изучает биологические системы начиная с организменного уровня и в зависимости от размерности этих систем в ней выделяют следующие разделы: аутэкология (уровень отдельных организмов), демэкология (уровень популяций) и синэкология (уровень экосистем).

Популяция - это совокупность организмов одного вида, обменивающихся генетической информацией и населяющих определенное ограниченное пространство в течение многих поколений. Популяция характеризуется рядом признаков, присущих группе в целом, а не отдельным ее особям: численностью, плотностью, рождаемостью, смертностью, возрастной структурой, распределением в пространстве, биотическим потенциалом и т.д.

Эволюционно в популяциях сложился комплекс свойств, направленных на повышение выживаемости – экологические стратегии выживания, разнообразие которых заключено между двумя типами стратегий:

r–стратегия – особи в популяции размножаются быстро (высокая плодовитость, быстрая смена поколений), они менее конкурентоспособны, скорость размножения не зависит от плотности популяции (J–образная кривая), расселяются широко и быстро, малые размеры особей, малая продолжительность жизни (бактерии, тли, однолетние растения).

К–стратегия – популяция состоит из медленно размножающихся, но более конкурентоспособных особей, скорость роста популяции зависит от ее плотности (S–образная кривая), расселяются медленно, населяют стабильные местообитания, имеют крупные размеры и большую продолжительность жизни (человекообразные приматы, деревья).

Между этими крайними стратегиями существует множество переходных форм. Популяции, как и другие живые системы, способны к гомеостазу – т.е. поддержанию динамического постоянства численности под воздействием ряда факторов среды и за счет саморегуляции своей численности.

Гомеостаз – это способность популяции или экосистемы поддерживать устойчивое динамическое равновесие в изменяющихся условиях среды. В его основе лежит принцип обратной связи, обусловливающей поддержание гомеостаза за счет механизмов саморегуляции. Эту закономерность можно сформулировать следующим образом: в конкретных условиях для каждого вида животных существует оптимальный размер группы и оптимальная плотность популяции (так называемый принцип Олли).

По своему происхождению экосистемы могут быть естественными (природными) – например, лес, озеро, луг и т.д., - и искусственными (антропогенными) – например, пашня, водохранилище, сад и др. Экосистемы могут быть наземными и водными. Крупные наземные экосистемы, приуроченные к однородным природно-климатическим зонам, называются биомами (тундра, тайга, степь, пустыня). Водные экосистемы подразделяются на морские и пресноводные, а последние еще и на стоячие (озерные) и проточные (речные) экосистемы.

 

 

Для любой естественной экосистемы характерны три признака:

1) она представляет собой совокупность функционально связанных живых и неживых компонентов;

2) она сохраняет устойчивость в течение некоторого времени, что обеспечивается определенной структурой ее биотических и абиотических компонентов

3) в ее рамках осуществляется круговорот веществ, начиная с создания органического вещества и заканчивая его разложением на неорганические составляющие.

Антропогенные природно-технические системы (ПТС) должны представлять собой образования, в которых устойчивое и экологически безопасное взаимодействие между природной средой и «погруженным в нее» техническим объектом происходит за счет обмена веществом, энергией и информацией в некотором диапазоне допустимых воздействий, регулируемых человеком.

Любая естественная экосистема способна к саморегулированию: в экосистеме во времени и в пространстве поддерживаются основные параметры. При этом она находится в состоянии динамического равновесия.

Способность экосистемы сохранять свою структуру и функции при воздействии внешних и внутренних факторов, называют стабильностью экосистемы.