Исследование влияния факторов среды на жизнедеятельность организмов

Экологический фактор – это любое условие среды, способное оказывать прямое или косвенное влияние на живой организм хотя бы на протяжении одной из фаз его индивидуального развития.

Экологические факторы весьма разнообразны, имеют разную природу и специфику действия, они могут быть необходимы для организмов или, наоборот, вредны для них, способствовать или препятствовать выживанию и размножению. Их подразделяют на абиотические, биотические и антропические (антропогенные).

Простейшая классификация факторов приводится Г.А. Новиковым в следующем виде:

А Физико-химические (абиотические) факторы:

1 Климатические, или атмосферные:

а) свет и лучистая энергия;

б) температура;

в) влажность воздуха, осадки;

г) снежный покров;

д) атмосферное давление, газовый состав и движение воздуха;

е) атмосферное электричество.

2 Почвенно-грунтовые (эдафические).

3 Орографические (геоморфологические).

4 Гидрологические.

Б Биотические факторы:

1 Микроорганизмы.

2 Растения и растительные группировки.

3 Животные.

В Антропогенные факторы:

1 Прямое влияние на организмы и их группировки.

2 Косвенное влияние посредством изменения среды обитания.

Существуют и другие подходы к классификации экологических факторов:

1) по очередности (первичный и вторичный);

2) по времени (эволюционный и исторический);

3) по происхождению (космический, абиотический, биогенный, биотический, биологический, природно-антропогенный, антропический);

4) по среде возникновения (геоморфологический, атмосферный, водный, эдафогенный, физиологический, генетический, популяционный, биоценотический, экосистемный, биосферный);

5) по степени воздействия (летальный, приводящий живой организм к гибели; экстремальный; лимитирующий; беспокоящий; мутагенный; тератогенный, приводящий к уродствам в ходе индивидуального развития).

Один и тот же фактор среды имеет различное значение в жизни совместно обитающих организмов разных видов. Так, крупным животным, особенно обитающим открыто (лоси), сложно найти укрытие от сильного зимнего ветра, тогда как мелкие животные могут укрыться от сильного ветра в норах или под снегом.

Некоторые свойства среды остаются относительно постоянными на протяжении длительных периодов времени: сила тяготения, солнечная постоянная, солевой состав океана, свойства атмосферы. Другие экологические факторы (температура, влажность, ветер, хищники, паразиты и т. д.) изменчивы во времени и пространстве. При этом особенности среды обитания определяют, как уже указывалось, степень и характер изменчивости каждого из факторов. Так, например, на дне океана или в глубине пещер температура среды практически постоянна, а на поверхности суши существенно меняется.

Можно выделять первичные и вторичные периодические факторы, а также непериодические факторы.

К первичным периодическим факторам относят явления, связанные в основном с вращением Земли: суточная смена освещенности, смена времен года. Эти факторы, которым свойственна правильная периодичность, действовали задолго до появления жизни на Земле, и возникающие организмы должны были адаптироваться к ним.

Вторичные периодические факторы – следствие первичных периодических: например, влажность, температура, осадки, динамика растительной пищи (для животных), содержание растворенных газов в воде.

К непериодическим факторам относятся факторы, не имеющие правильной периодичности, цикличности. Таковы почвенно-грунтовые факторы, разного рода стихийные явления.

Несмотря на многообразие влияния экологических факторов, можно выявить общий характер их воздействия на организм. При небольших значениях или при чрезмерном воздействии фактора жизненная активность организма заметно угнетается. Наиболее эффективно действие фактора не при его минимаксных значениях, а при некотором его значении, оптимальном для данного организма. Диапазон действия, или зона толерантности (выносливости) экологического фактора, ограничен соответствующими крайними пороговыми значениями (точки минимума и максимума) данного фактора, при которых возможно существование организма.

Онтогенез включает рост организма, т. е. увеличение массы и размеров тела, и дифференциацию, т.е. возникновение различий между однородными клетками и тканями, приводящее их к специализации по выполнению различных функций в организме. У организмов с половым размножением онтогенез начинается с оплодотворенной клетки (зиготы). При бесполом размножении – с образованием нового организма путем деления материнского тела или специализированной клетки, путем почкования, а также от корневища, клубня, луковицы и т. п.

Каждый организм в онтогенезе проходит ряд стадий развития. Для организмов, размножающихся половым путем, различают зародышевую (эмбриональную) стадию, послезародышевую (постэмбриональную) и период развития взрослого организма. Зародышевый период заканчивается выходом зародыша из яйцевых оболочек, а у живородящих – рождением. Важное экологическое значение для животных имеет первоначальный этап послезародышевого развития – протекающий по типу прямого развития или по типу метаморфоза. В первом случае идет постепенное развитие во взрослую форму (цыпленок – курица, и т. д.), во втором – развитие происходит вначале в виде личинки, которая существует и питается самостоятельно, прежде чем превратится во взрослую особь (головастик – лягушка). У ряда насекомых личиночная стадия позволяет пережить неблагоприятное время года (низкие температуры, засуху и т. д.).

В онтогенезе растений различают рост, развитие (формируется взрослый организм) и старение (ослабление биосинтеза всех физиологических функций и смерть). Основной особенностью онтогенеза высших растений и большинства водорослей является чередование бесполого (спорофит) и полового (гаметофит) поколений.

Процессы и явления, проходящие на онтогенетическом уровне, т. е. на уровне индивида (особи), – это необходимое и весьма существенное звено функционирования всего живого. Процессы онтогенеза могут быть нарушены на любой стадии действием химического, светового и теплового загрязнения среды и привести к появлению уродов или даже к гибели индивидов на послеродовой стадии онтогенеза.

Современный онтогенез организмов сложился в течение длительной эволюции, в результате их исторического развития – филогенеза. Не случайно в 1866 г. этот термин ввел Э. Геккель: для целей экологии необходима реконструкция эволюционных преобразований животных, растений и микроорганизмов. Этим занимается наука филогенетика, которая базируется на данных трех наук – морфологии, эмбриологии и палеонтологии.

Взаимосвязь между развитием живого в историко-эволюционном плане и индивидуальным развитием организма сформулирована Э. Геккелем в виде биогенетического закона: онтогенез всякого организма есть краткое и сжатое повторение филогенеза данного вида.

Рост и развитие обычно употребляются как понятия тождественные, неразрывно связанные между собой. Между тем, биологическая природа этих процессов различна, различны их механизмы и последствия.

Рост – это количественное увеличение биомассы организма, за счёт увеличения геометрических размеров и массы отдельных его клеток или увеличение числа клеток благодаря их делению.

Развитие– это направленные, необратимые изменения организма или другой биологической системы, качественные преобразования в многоклеточном организме, которые протекают за счёт дифференцировочных процессов (увеличение разнообразия клеточных структур) и приводят к качественным и количественным изменениям функций организма.

Взаимосвязь роста и развития проявляются, в частности, в том, что определённые стадии развития могут наступать только при достижении определённых размеров тела.

На процессы роста и развития существенное воздействие оказывают факторы окружающей среды, которые могут стимулировать либо тормозить эти процессы, поэтому необходимо изучать основные закономерности взаимодействия системы «организм – среда». Изучение таких закономерностей и является целью данного курса.

6Методы изучения взаимоотношений между организмами в многовидовых сообществах.

	2.3.1. Основные термины и понятия
	Популяции разных видов в природных условиях объединяются в системы более высокого ранга - сообщества (биоценозы) и экосистемы. Термин «экосистема» был предложен английским экологом А.Тенсли в 1935 г. Используют и термин биогеоценоз, предложенный русским учёным В.Н.Сукачёвым, включающий экосистему и ландшафт, место её обитания. Экосистемы могут существенно различаться по размеру. Существуют микроэкосистемы – болотная кочка, дерево, покрытое мхом, горшок с цветком; мезоэкосистемы – озеро, болото, луг, песчаная дюна; макроэкосистемы – тайга, пустыня Сахара, дождевые леса Амазонки. Системой жизнеобеспечения Земли является глобальная экосистема – биосфера, включающая все живые организмы, взаимосвязанные с физической средой и энергией Космоса. Экосистема – это надорганизменная система, в которой биотический компонент представлен биоценозом, а абиотический – биотопом. С функциональной точки зрения экосистемы целесообразно анализировать в следующих направлениях: 1) потоки энергии; 2) пищевые цепи; 3) структура пространственно-временного разнообразия; 4) круговороты питательных элементов (биогеохимические круговороты);5) развитие и эволюция и 6) управление (кибернетика). Термин "биоценоз"был предложен немецким зоологом К. Мёбиусом и обозначает организованную группу популяций растений, животных и микроорганизмов, приспособленных к совместному обитанию в пределах определённого объема пространства. Любой биоценоз занимает определённый участок абиотической среды –биотоп. Биотоп - пространство с более или менее однородными условиями, заселённое тем или иным сообществом организмов. Важными, с научной точки зрения, критериями оценки состояния биоценозов являются его структура - видовой и численный состав, трофическая (пищевая) цепь, продуктивность, биомасса и т.д. Биоценоз - не просто сумма образующих его видов, но и совокупность взаимодействий между ними. Все многообразные взаимодействия между видами принято делить на три основных группы: пищевые взаимоотношения, пространственные и средообразующие. Важнейший вид взаимоотношений между организмами в биоценозе, фактически формирующими его структуру - это пищевые связи хищника и жертвы: одни - поедающие, другие - поедаемые. При этом все организмы, живые и мертвые, являются пищей для других организмов: заяц ест траву, лиса и волк охотятся на зайцев, хищные птицы способны утащить и съесть как лисёнка, так и волчонка. Погибшие растения, зайцы, лисы, волки, птицы становятся пищей для детритофагов (редуцентов). Пищевая (трофическая) цепь - это последовательность организмов, в которой каждый из них поедает или разлагает другой. Она представляет собой путь движущегося через живые организмы однонаправленного потока поглощенной при фотосинтезе малой части высокоэффективной солнечной энергии, поступившей на Землю. В конечном итоге эта цепь возвращается в окружающую природную среду в виде низкоэффективной тепловой энергии. По ней также движутся питательные вещества от продуцентов к консументам и далее к редуцентам, а затем обратно к продуцентам. Каждое звено пищевой цепи называют трофическим уровнем. Первый трофический уровень занимают автотрофы, иначе именуемые первичными продуцентами, организмы второго трофического уровня называют первичными консументами (гетеротрофами, то есть «питающиеся другими), третьего - вторичными консументами и т.д. Обычно бывают четыре или пять трофических уровней и редко более шести (рис.27): Рис. 27. Трофическая сеть луга по Р.Риклефсу, 1979 г. (цифрами обозначены трофические уровни) Выделяют два главных типа пищевых цепей - пастбищные и детритные. Концепция пищевых цепей позволяет проследить круговорот химических элементов в природе, хотя реальные пищевые цепи намного сложнее, чем соответствующее их схематичное изображение (рис. 28). Рис. 28. Схема превращения азота в биотическом круговороте: потребление азота; поступление азота. Живое органическое вещество преобразуется в пастбищных пищевых цепях, а мёртвое – в детритных. Пастбищные цепи иногда называют «цепями выедания». В большинстве случаев первым звеном такой цепи являются живые зелёные растения (фототрофы). Второе звено (консументы 1-го порядка) представлено травоядными животными или паразитами растений. Третье звено (консументы 2-го порядка) – хищники или паразиты консументов 1-го порядка. Четвёртое звено - – хищники или паразиты консументов 2-го порядка и так дальше. Примером такой цепи может служить схема: сосна тля божья коровка паук насекомоядная птица хищная птица. В детритных цепях, или «цепях разложения», первым звеном является отмершее органическое вещество – детрит (от лат.detritus - истёртый). консументами 1-го порядка в детритных цепях являются организмы, питающиеся трупами, экскрементами, опавшей листвой. Второе и иногда третье звено детритной пищевой цепи представлено настоящими редуцентами – организмами (грибы и бактерии), разрушающими органические вещества до неорганических. Например: опад клёна дождевой червь почвенные грибы бактерии. В наземных экосистемах преобладают именно дендритные пищевые цепи, в них перерабатывается почти 90% всего органического вещества, ежегодно производимого экосистемой. Большинство животных может питаться организмами разных типов, входящих в одну и ту же пищевую цепь или в различные пищевые цепи. Это особенно характерно для высших трофических уровней. Всеядные животные питаются и консументами, и продуцентами. Таким образом, в природе пищевые цепи переплетаются, образуя пищевые (трофические) сети. В водных экосистемах чаще доминируют пастбищные цепи. Детритные цепи преобладают в придонных и глубинных слоях воды. Для наглядности представления взаимоотношений между организмами различных видов в биоценозе принято использовать экологические пирамиды: пирамиды численности, биомассы и энергии (рис.18 [14]). Для построения пирамид численности подсчитывают число организмов на некоторой территории, группируя их по трофическим уровням. Каждый уровень изображается условно в виде прямоугольника, площадь которого соответствует численному значению количества особей в определённом масштабе. Расположив эти прямоугольники в соподчиненной последовательности получают экологическую пирамиду численности, основной принцип построения которой впервые сформулировал американский ученый Ч.Элтон. Данные для пирамид численности получают достаточно легко путем прямого сбора образцов, однако сами по себе пирамиды численности не всегда достоверно отражают направление потока веществ и энергии в биоценозе: продуценты сильно различаются по размерам, хотя один экземпляр дерева или злака имеют в пирамиде численности одинаковый статус. Это обстоятельство нарушает правильную пирамидальную форму, давая перевёрнутые пирамиды. <="" p=""> Рис. 29. Пирамиды численности, биомассы и энергии по Ю.Одуму (1975 г.) Чтобы избежать неудобств, характерных для пирамид численности используют пирамиды биомассы. В этом случае размер прямоугольников пропорционален биомассе живого вещества соответствующего уровня, отнесенной к единице площади или объема. Однако сама по себе биомасса каждого трофического уровня, выраженная в единицах массы в каждый конкретный момент времени не содержит в себе информации о скорости её прироста. В тоже время продуцентам небольшого размера, например водорослям, свойственна высокая скорость роста и размножения. Их продуктивность – то есть скорость прироста биомассы, может быть не меньше, а то и больше продуктивности крупных деревьев, и, хотя в каждый данный момент времени биомасса на корню мала, фитопланктон (микроводоросли) может поддерживать жизнь крупных животных, например китов. Поэтому, в случае наземных экосистем пирамиды массы практически всегда имеют широкое основание и узкую вершину, а для водной среды характерны перевёрнутые пирамиды массы. Самым фундаментальным способом описания связей между организмами разных трофических уровней является пирамида энергий, в которой размер прямоугольников пропорционален количеству энергии на единицу площади или объема, прошедший через трофический уровень за определённый период времени. На форму такой пирамиды не влияют изменения размеров и интенсивности метаболизма особей. Если учтены все источники энергии, то пирамида всегда будет иметь типичный вид согласно второму закону термодинамики. Пирамиды энергий позволяют не только сравнивать различные биоценозы, но и выявлять относительную значимость популяций в пределах одного сообщества. Первичными поставщиками энергии для всех других организмов в цепях питания являются растения. При дальнейших переходах энергии и вещества с одного трофического уровня на другой существуют определённые закономерности, сформулированные в виде правила Р.Линдемана (1942): -с одного трофического уровня на другой, более высокий уровень переходит, в среднем, около 10 % энергии, поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды. При этом действует принцип биотического усиления (накопления): вредные вещества накапливаются в трофических сетях, увеличивая свою концентрацию с уровня на уровень примерно на порядок. Принцип биотического усиления должен быть принят во внимание при любых решениях, связанных с поступлением соответствующих загрязнений в природную среду.

Симбиоз (++) – сожительство (от греческого "син" – вместе, "биос" – жизнь) – форма взаимоотношений, при которых оба партнера или один из них извлекает пользу от другого.

Положительные симбиотические взаимоотношения представлены в природе самыми разнообразными формами.

Протокооперация – совместное существование выгодно обоим видам, но не обязательно для них.

Широко известен пример симбиоза между раками-отшельниками и актиниями. Последние поселяются на раковине, в которую прячет своё брюшко рак-отшельник. Стрекательные клетки щупалец актиний — надёжная защита обоих симбионтов. Питается актиния за счёт остатков пищи, активно добываемой раком.

Другой пример необязательной, но взаимовыгодной связи дают взаимоотношения мелких рыбок семейства Губановых и крупных хищных мурен. Рыбы-чистильщики, освобождающие крупных рыб от наружных паразитов, находящихся на коже, в жаберной и ротовой полости. Обитают губаны-чистильщики всегда в одном и том же месте. Крупные хищники, в том числе мурены, страдающие от паразитов, приплывают в места обитания губанов и дают им возможность уничтожать паразитов даже у себя во рту, хотя могли бы с легкостью их проглотить. Многие птицы кормятся на копытных, собирая с их тел паразитов – клещей. Столь же часто птицы выщипывают зимнюю шерсть у оленей, лосей, коров, во время линьки, используя ее при постройке гнезд.

(Слайд 8) Мутуализм – оба вида извлекают выгоду из совместного существования и не могут жить самостоятельно. Это наиболее сильная взаимосвязь между организмами. Типичный симбиоз – отношения термитов и жгутиковых простейших, обитающих у них в кишечнике. Термиты питаются древесиной, однако у них нет ферментов, переваривающих целлюлозу. Жгутиконосцы вырабатывают такие ферменты и переводят клетчатку в сахара. Без простейших – симбионтов – термиты погибают от голода. Сами же жгутиковые, помимо благоприятного микроклимата в кишечнике термитов получают пищу и условия для размножения.

Яркий пример мутуализма среди растений представляет сожительство мицелия гриба с корнями высшего растения – микориза (гифы оплетают корни и способствуют поступлению в них воды и минеральных веществ из почвы).

Примером взаимовыгодных отношений служит сожительство так называемых клубеньковых бактерий и бобовых растений (гороха, фасоли, сои, клевера, люцерны, вики, белой акации, земляного ореха). Эти бактерии, способные усваивать азот воздуха и превращать его в аммиак, а затем в аминокислоты, поселяются в корнях растений.

Лишайники – группа симбиотических организмов, в теле которых сочетаются два компонента: водоросль и гриб. Вместе они образуют единый организм. Симбиотические взаимоотношения гриба и водорослей проявляются в том, что нити гриба в теле лишайника как бы выполняют функцию корней, а клетки водорослей играют роль листьев зелёных растений – в них происходит фотосинтез и накопление органических веществ. Гриб обеспечивает водоросль водой и растворёнными в ней минеральными солями, а сам получает от водоросли органические вещества.

(Слайд 9) Комменсализм (+0) – тип взаимоотношений, при котором один из двух обитающих совместно видов извлекает пользу из совместного существования, не причиняя вреда другому виду.

Существует несколько разновидностей комменсализма:

Сотрапезничество – потребление разных веществ или частей одного и того же ресурса. Такие взаимодействия существуют между различными видами почвенных бактерий – сапротрофов перерабатывающих разные органические вещества из перегнивших растительных остатков, и высшими растениями, которые потребляют образовавшиеся при этом соли; взаимоотношения копытных и сурков.

Нахлебничество – один организм получает питательные вещества от другого без нанесения тому вреда (кольчатые черви, живущие в раковине своего хозяина, рака-отшельника, поедают остатки его пищи, схватывая их непосредственно с ротовых частей хозяина; гиены подбирают остатки недоеденной львами добычи; акулы и рыбы прилипалы).

(Слайд 10) Квартиранство – использование одними видами других (их тел, жилищ) в качестве жилища или укрытия (моллюск жемчужница откладывает икру в жабры рыбы семги – зависят друг от друга; рыба-горчак икру в раковины беззубок; орхидеи растут на ветках деревьев; поселение многих животных в норах грызунов, в ходах кротов)

(Слайд 11,12) Полезно-вредные(+-) – форма взаимоотношений, при которой один из взаимодействующих организмов испытывает отрицательное влияние, а второй положительное. Существует два вида таких взаимоотношений.

Хищничество – способ добывания пищи и питания животных, при котором они ловят, умерщвляют и поедают других животных. Убивая и поедая жертв, хищники сокращают численность популяций видов-жертв. Для хищников характерно охотничье поведение. Большей частью хищникам удаётся поймать ослабленных (больных), очень молодых или старых животных, уже не принимающих участия в размножении. Тем самым хищники являются наиболее действенными «механизмами» естественного отбора. Хищничество широко распространено в природе как среди животных, так и среди растений. Примеры: насекомоядные растения; лев, поедающий антилопу и т.д. Частным случаем хищничества служит каннибализм – поедание особей своего вида, чаще всего молоди. Каннибализм часто встречается у пауков (самки нередко поедают самцов), у рыб (поедание мальков). Самки некоторых млекопитающих также иногда съедают своих детенышей.

(Слайд 13,14,15) Паразитизм – отношения, при которых представители одного вида используют представителей другого вида не только как место обитания, но и как источник питания.

Переход к паразитизму резко увеличивает возможность вида выжить в борьбе за существование. Организм – хозяин служит для паразита источником питания, очень часто – местом обитания, защитой от врагов.

В отличие от хищничества при нападении паразита хозяин не погибает сразу, но испытывает угнетение (в течение длительного времени). Другими словами паразит изнуряет, но не губит хозяина, поскольку это обеспечивает его существование. Таким образом, паразитизм можно рассматривать как ослабленную форму хищничества. Например: ленточные черви, вши, клещи, печёночная двуустка – это паразиты, которые поражают животных. Паразиты, которые вредят растениям – повилика, заразиха, фитофтора, головневые и ржавчинные грибы, гриб-трутовик.

Поиск по сайту: