Материалы для подготовки к ЕГЭ. Онлайн-Справочник по биологии.
Раздел 8. Экология и учение о биосфере. Глава 8.1. Экология особей.
8.1. Экология особей
8.1.1. Среды обитания
Среда обитания (жизни) — это часть природы, окружающая живые организмы и оказывающая на них определённое воздействие.
На нашей планете живые организмы освоили четыре среды обитания (табл. 8.1):
- водную;
- наземно-воздушную;
- почвенную;
- организменную.
Первой была освоена водная среда. Затем появились паразиты и симбионты, использующие организменную среду обитания. В дальнейшем, после выхода жизни на сушу, живые организмы населили наземно-воздушную среду, а одновременно с этим создали и заселили почву. Под почвенной средой обитания подразумевают не только собственно почву, но и горные породы поверхностной части литосферы.
Таблица 8.1. Сравнение сред жизни
Примечание: ПБП — первичная биологическая продукция; ЭМП — элементы минерального питания.
8.1.2. Экологические факторы
Каждая из сред жизни отличается особенностями воздействия экологических факторов — отдельных элементов среды, которые воздействуют на организмы. Существуют различные классификации экологических факторов (табл. 8.2).
Таблица 8.2. Классификация экологических факторов
|
Группа |
Характеристика |
Примеры |
|
1. По природе |
||
| Абиотические | Воздействие компонентов неживой природы | Свет, температура, влажность |
| Биотические | Воздействие живых организмов | Конкуренция за пищу, нападение хищника |
|
2. По участию человека |
||
| Природные | Воздействие природных факторов | Свет, температура, влажность |
| Антропогенные | Воздействие человека (в том числе его деятельности) | Вырубка леса, охота, загрязнение, разрушение местообитаний |
|
3. По среде возникновения (для абиотических) |
||
| Климатические | Влияние климатических условий | Ветер, атмосферное давление |
| Геологические | Влияние геологических условий | Землетрясения, извержения вулканов, движение |
| ледников, радиоактивное излучение | ||
| Орографические, или факторы рельефа | Влияние условий рельефа | Высота местности над уровнем моря, крутизна местности, экспозиция местности |
| Эдафические, или почвенно-грунтовые | Влияние почвенных условий | Гранулометрический состав, химический состав, плотность, структура, pH |
| Гидрологические | Влияние гидрологических условий | Течение, солёность, давление |
|
4. По природе (для абиотических) |
||
| Физические | Влияние физических факторов | Температура, давление, плотность |
| Химические | Влияние химических факторов | Химический состав, солёность |
|
5. По виду воздействующего организма (для биотических) |
||
| Внутривидовые | Влияние на организм особей этого же вида | Влияние зайца на зайца, сосны на сосну |
| Межвидовые | Влияние на организм особей других видов | Влияние волка на зайца, сосны на берёзу |
|
6. По принадлежности к определённому царству (для биотических) |
||
| Фитогенные факторы | Влияние на организм растений | Ель и растения нижнего яруса |
| Зоогенные факторы | Влияние животных | Ковыль и травоядные копытные |
| Микогенные факторы | Влияние грибов | Берёза и подберёзовик |
| Микробиогенные факторы | Влияние микроорганизмов (вирусов, бактерий, простейших) | Человек и вирус гриппа |
|
7. По типу взаимодействия (для биотических) |
||
| Нейтрализм | Сожительство двух видов на одной территории, не имеющее для них ни положительных, ни отрицательных последствий | Белки и лоси |
| Протокооперация | Взаимовыгодное, но не обязательное сосуществование организмов, пользу из которого извлекают оба участника | Раки-отшельники и коралловые полипы актинии |
| Мутуализм | Взаимовыгодное сожительство, когда либо один из партнёров, либо оба не могут существовать без сожителя | Травоядные копытные и целлюлозоразрушающие бактерии |
| Комменсализм | Взаимоотношения, при которых один из партнёров полу чает пользу от сожительства, а другому присутствие первого безразлично | Крупные хищники и падальщики |
| Растительноядность | Взаимоотношения, при которых один из участников (фитофаг) использует в качестве пищи другого (растение) | Зайцы и растения |
| Хищничество | Взаимоотношения, при которых один из участников (хищник) использует в качестве пищи другого (жертва) | Волки и зайцы |
| Паразитизм | Взаимоотношения, при которых паразит не убивает своего хозяина, а длительное время использует его как среду обитания и источник пищи | Аскарида человеческая и человек |
| Конкуренция | Взаимоотношения, при которых организмы соперничают друг с другом за одни и те же ресурсы внешней среды при недостатке последних | Щука и судак |
| Аллелопатия | Взаимоотношения, при которых во внешнюю среду выделяются продукты жизнедеятельности одного организма, отравляя её и делая непригодной для жизни другого | Гриб-пеницилл и некоторые сапротрофные бактерии |
| Аменсализм | Взаимоотношения, при которых один организм воздействует на другой и подавляет его жизнедеятельность, а сам не испытывает никаких отрицательных влияний со стороны подавляемого | Ель и растения нижнего яруса |
|
8. По характеру воздействия (для антропогенных) |
||
| Прямое влияние | Оказывают прямое (непосредственное) воздействие на организм | Скашивание травы, вырубка леса, отстрел животных, отлов рыбы |
| Косвенное влияние | Оказывают косвенное (опосредованное через другие экологические факторы) воз действие на организм | Загрязнение окружающей среды, разрушение местообитаний, беспокойство |
|
9. По последствиям (для антропогенных) |
||
| Положительные | Улучшают жизнь организмов и увеличивают их численность | Разведение и охрана животных, посадка и подкормка растений, охрана окружающей среды |
| Отрицательные | Ухудшают жизнь организмов и снижают их численность | Вырубка деревьев, отстрел животных, разрушение местообитаний |
|
10. По изменчивости в пространстве и во времени |
||
| Относительно постоянные | Относительно постоянны в пространстве и во времени | Сила тяготения, солнечная радиация, солёность океана |
| Очень изменчивые | Очень изменчивы в пространстве и во времени | Температура и влажность воздуха, сила ветра |
|
11. По характеру изменения во времени |
||
| Регулярно-периодические | Меняют свою силу в зависимости от времени суток, сезона года, ритма приливов и отливов | Освещённость, температура, длина светового дня |
| Нерегулярные (непериодические) | Не имеют чётко выраженной периодичности | Наводнение, ураган, землетрясение, извержение вулкана, нападение хищника |
| Направленные | Действуют на протяжении длительного промежутка времени в одном направлении | Похолодание или потепление климата, зарастание водоёма, эрозия почвы |
|
12. По характеру ответной реакции организма на воздействие |
||
| Раздражители | Вызывают биохимические и физиологические изменения (адаптации) | Недостаток кислорода в условиях высокогорья приводит к увеличению содержания гемоглобина в крови животных |
| Модификаторы | Вызывают морфологические и анатомические изменения (адаптации) | Недостаток влаги привёл к видоизменению листьев в колючки у кактуса |
| Ограничители | Обусловливают невозможность существования организма в данных условиях и ограничивают ареал его распространения | Недостаток воды ограничивает распространение жизни в пустынях |
| Сигнализаторы | Информируют об изменении других факторов | Длина светового дня для листопадных растений |
|
13. По расходованию |
||
| Ресурсы | Потребляются организма ми, то есть их количество в результате взаимодействия с организмом может уменьшаться | Пища, вода, солнечная энергия, кислород, углекислый газ |
| Условия | Не потребляются организмами, то есть их количество не уменьшается, но они могут оказывать влияние на организм | Температура, влажность, атмосферное давление, гравитационное поле, солёность воды |
Действие экологических факторов на организм может быть прямым и косвенным. Косвенное воздействие осуществляется через другие экологические факторы. Например, высокая температура может вызвать ожог (прямое воздействие), а может привести к обезвоживанию организма (косвенное воздействие).
8.1.3. Адаптации
Адаптации — приспособления организмов к среде обитания. Они вырабатываются в процессе эволюции и индивидуального развития организмов. Адаптации развиваются под действием трёх основных факторов: наследственности, изменчивости и естественного (а также искусственного) отбора. Адаптации подразделяют на типы (табл. 8.3).
Таблица 8.3. Типы адаптаций живых организмов
Существуют три основных пути приспособления организмов к условиям окружающей среды (табл. 8.4). Обычно приспособление вида к среде осуществляется тем или иным сочетанием всех трёх возможных путей адаптации.
Таблица 8.4. Пути адаптаций живых организмов
8.1.4. Закономерности действия экологических факторов
Закон оптимума. Экологические факторы среды имеют количественное выражение. Каждый фактор имеет определённые пределы положительного влияния на организмы (рис. 8.2). Как недостаточное, так и избыточное действие фактора отрицательно сказывается на жизнедеятельности особей.
Рис. 8.2. Зависимость действия экологического фактора от его количества
По отношению к каждому фактору можно выделить зону оптимума (зону нормальной жизнедеятельности), зону пессимума (зону угнетения), верхний и нижний пределы выносливости организма.
Зона оптимума — такое количество экологического фактора, при котором интенсивность жизнедеятельности организмов максимальна.
Зона пессимума — такое количество экологического фактора, при котором интенсивность жизнедеятельности организмов угнетена.
Верхний предел выносливости — максимальное количество экологического фактора, при котором возможно существование организма.
Нижний предел выносливости — минимальное количество экологического фактора, при котором возможно существование организма. За пределами выносливости существование организма невозможно.
Значения экологического фактора между верхним и нижним пределами выносливости называются зоной толерантности.
Виды с широкой зоной толерантности называются эврибионтными, с узкой — стенобионтными (рис. 8.3).
Рис. 8.3. Экологическая валентность (пластичность) видов: 1 — эврибионтные; 2 — стенобионтные
Организмы, переносящие значительные колебания температуры, называются эвритермными, а приспособленные к узкому интервалу температур — стенотермными. Таким же образом по отношению к давлению различают эври- и стенобатные организмы, по отношению к степени засоления среды — эври- и стеногалинные и т. д.
Явление акклиматизации. Положение оптимума и пределов выносливости может в определённых пределах сдвигаться. Например, человек легче переносит пониженную температуру окружающей среды зимой, чем летом, а повышенную — наоборот. Это явление называется акклиматизацией (или акклимацией). Акклиматизация происходит при смене сезонов года или при попадании на территорию с другим климатом.
Неоднозначность действия фактора на разные функции организма. Одно и то же количество фактора неодинаково влияет на разные функции организма. Оптимум для одних процессов может являться пессимумом для других. Например, у растений максимальная интенсивность фотосинтеза наблюдается при температуре воздуха +25… +35°С, а дыхания +55°С (рис. 8.4).
Рис. 8.4. Схема зависимости фотосинтеза и дыхания растения от температуры: tмин, tопт, tмакс — температурный минимум, оптимум и максимум для прироста растений (заштрихованная область)
Соответственно, при более низких температурах будет происходить прирост биомассы растений, а при более высоких — потеря биомассы. У холоднокровных животных повышение температуры до +40 °С и более сильно увеличивает скорость обменных процессов в организме, но тормозит двигательную активность, и животные впадают в тепловое оцепенение. У человека семенники вынесены за пределы таза, так как сперматогенез требует более низких температур. Для многих рыб температура воды, оптимальная для созревания гамет, неблагоприятна для икрометания, которое происходит при другой температуре.
Экологическая валентность вида. Экологические валентности отдельных особей не совпадают. Они зависят от наследственных и онтогенетических особенностей отдельных особей: половых, возрастных, морфологических, физиологических и т.д. Поэтому экологическая валентность вида шире экологической валентности каждой отдельной особи. Например, у бабочки мельничной огнёвки — одного из вредителей муки и зерновых продуктов — критическая минимальная температура для гусениц -7 °С, для взрослых форм -22 °С, а для яиц —27 °С. Мороз в —10 °С губит гусениц, но не опасен для имаго и яиц этого вредителя.
Экологический спектр вида. Набор экологических валентностей вида по отношению к разным факторам среды составляет экологический спектр вида. Экологические спектры разных видов отличаются друг от друга. Это позволяет разным видам занимать разные места обитания. Знание экологического спектра вида позволяет успешно проводить интродукцию растений и животных.
Взаимодействие факторов. В природе экологические факторы действуют совместно, то есть комплексно. Зона оптимума и пределы выносливости организмов по отношению к какому-либо фактору среды могут смещаться в зависимости от того, с какой силой и в каком сочетании действуют одновременно другие факторы. Например, высокую температуру труднее переносить при дефиците воды, сильный ветер усиливает действие холода, жару легче переносить в сухом воздухе и т. д. Таким образом, один и тот же фактор в сочетании с другими оказывает неодинаковое экологическое воздействие (рис. 8.5). Соответственно, один и тот же экологический результат может быть получен разными путями. Например, компенсация недостатка влаги может быть осуществлена поливом или снижением температуры. Создаётся эффект частичного взаимозамещения факторов. Однако взаимная компенсация действия факторов среды имеет определённые пределы, и полностью заменить один из них другим нельзя.
Рис. 8.5. Смертность яиц соснового шелкопряда при разных сочетаниях температуры и влажности
Таким образом, абсолютное отсутствие какого-либо из обязательных условий жизни заменить другими экологическими факторами невозможно, но недостаток или избыток одних экологических факторов может быть возмещён действием других экологических факторов.
Например, полное (абсолютное) отсутствие воды нельзя компенсировать другими экологическими факторами. Однако если другие экологические факторы находятся в оптимуме, то перенести недостаток воды легче, чем когда и другие факторы находятся в недостатке или избытке.
Закон лимитирующего фактора. Возможности существования организмов в первую очередь ограничивают те факторы среды, которые наиболее удаляются от оптимума. Экологический фактор, количественное значение которого выходит за пределы выносливости вида, называется лимитирующим (ограничивающим) фактором. Такой фактор будет ограничивать существование (распространение) вида даже в том случае, если все остальные факторы будут благоприятными (рис. 8.6).
Лимитирующие факторы определяют географический ареал вида. Например, продвижение вида к полюсам может лимитироваться недостатком тепла, в аридные районы — недостатком влаги или слишком высокими температурами.
Рис. 8.6. Зависимость урожая от лимитирующего фактора («Бочка Либиха»)
Условия жизни и условия существования. Комплекс факторов, под действием которых осуществляются все основные жизненные процессы организмов, включая нормальное развитие и размножение, называется условиями жизни. Условия, в которых размножения не происходит, называются условиями существования.
8.1.5. Характеристика основных экологических факторов
Свет. В спектре солнечного света выделяют области, различные по своему биологическому действию. Ультрафиолетовые лучи в небольших дозах необходимы живым организмам (бактерицидное действие, стимуляция роста и развития клеток, синтез витамина D и т. д.), в больших дозах губительны из-за способности вызывать мутации. Значительная часть ультрафиолетовых лучей отражается озоновым слоем. Видимые лучи — основной источник жизни на Земле, дающий энергию для фотосинтеза. Инфракрасные лучи — основной источник тепловой энергии.
Для растений солнечный свет необходим прежде всего как источник энергии для фотосинтеза. По отношению к условиям освещённости растения подразделяют на экологические группы (табл. 8.5).
Таблица 8.5. Классификация растений по отношению к условиям освещённости
Для животных свет — это условие ориентации. Животные могут вести дневной, ночной и сумеречный образ жизни.
По отношению к продолжительности дня организмы (в основном растения) делят на короткодневные (обитатели низких широт) и длиннодневные (обитатели умеренных и высоких широт).
Реакция организмов на продолжительность дня называется фотопериодизмом. Это очень важное приспособление, регулирующее сезонные явления у организмов. Изменение длины дня тесно связано с годовым ходом температуры, но в отличие от последней не подвержено случайным колебаниям. Фотопериодизм обусловливает такие сезонные явления, как листопад, перелёты птиц и т. п.
Температура. От температуры окружающей среды зависит температура организмов, а следовательно, скорость всех химических реакций, составляющих обмен веществ. В основном живые организмы способны жить при температуре от 0 до +50 °С, что обусловлено свойствами цитоплазмы клеток. Верхним температурным пределом жизни является + 120…+140°С (близкие к нему значения температуры выдерживают споры, бактерии), нижним —190…273 °С (переносят споры, семена, сперматозоиды).
По отношению к температуре организмы делят на криофилов (обитающих в условиях низких температур) и термофилов (обитающих в условиях высоких температур).
Организмы могут использовать два источника тепловой энергии: внешний (тепловая энергия Солнца или внутреннее тепло Земли) и внутренний (тепло, выделяемое при обмене веществ). В зависимости от того, какой источник преобладает в тепловом балансе, живые организмы делят на пойкилотермных и гомойотермных (табл. 8.6). Если речь идёт только о животных, то их ещё называют холоднокровными и теплокровными соответственно.
Таблица 8.6. Классификация организмов по преобладанию
источника тепла в их тепловом балансе
У живых организмов различают три механизма терморегуляции (табл. 8.7).
Таблица 8.7. Механизмы терморегуляции
Вода. Вода обеспечивает протекание в организме обмена веществ и нормальное функционирование организма в целом. Одни организмы живут в воде, другие приспособились к постоянному недостатку влаги. Среднее содержание воды в клетках большинства живых организмов составляет около 70 %.
По отношению к воде среди живых организмов выделяют следующие экологические группы: гигрофилы (влаголюбивые), ксерофилы (сухолюбивые) и мезофилы (промежуточная группа).
Из наземных животных к гигрофилам относятся ондатра и бобр, к ксерофилам — суслик и варан, к мезофилам — волк и косуля. Среди растений различают гигрофитов, мезофитов и ксерофитов (табл. 8.8).
Таблица 8.8. Классификация растений по отношению к воде
Водные организмы по типу местообитания и образу жизни объединяются в следующие экологические группы (табл. 8.9).
Таблица 8.9. Классификация водных организмов
по типу местообитания и образу жизни
8.1.6. Биологические ритмы
Биологические ритмы представляют собой периодически повторяющиеся изменения интенсивности и характера биологических процессов и явлений. Они в той или иной форме присущи всем живым организмам и отмечаются на всех уровнях организации: от внутриклеточных процессов до биосферных. Биологические ритмы наследственно закреплены и являются следствием естественного отбора и адаптации организмов. Ритмы бывают внутрисуточные, суточные, сезонные, годичные, многолетние и многовековые. Биологические ритмы делят на эндогенные и экзогенные (табл. 8.10).
Таблица 8.10. Биологические ритмы
Материалы для подготовки к ЕГЭ. Онлайн-Справочник по биологии.
8.1. Экология особей