Экология как наука. Задачи экологии

 3. Разнообразие индивидуальных реакций на факторы среды. Степень выносливости, критические точки, оптимальная и пессимальные зоны отдельных индивидуумов не совпадают. Эта изменчивость определяется как наследственными качествами особей, так и половыми, возрастными и физиологическими различиями.

Например, у бабочки мельничной огневки – одного из вредителей муки и зерновых продуктов – критическая  минимальная температура для  гусениц -7 °C, для взрослых форм -22 °C, а для яиц -27 °C. Мороз в -10 °C губит гусениц, но не опасен для имаго и яиц этого вредителя. Следовательно, экологическая валентность вида всегда шире экологической валентности каждой отдельной особи.

  4. Относительная независимость приспособления организмов к разным факторам. Степень выносливости к какому-нибудь фактору не означает соответствующей экологической валентности вида по отношению к остальным факторам. Например, виды, переносящие широкие изменения температуры, совсем не обязательно должны также быть приспособленными к широким колебаниям влажности или солевого режима. Эвритермные виды могут быть стеногалинными, стенобатными или наоборот. Экологические валентности вида по отношению к разным факторам могут быть очень разнообразными. Это создает чрезвычайное многообразие адаптации в природе. Набор экологических валентностей по отношению к разным факторам среды составляет экологический спектр вида.

 5. Несовпадение экологических спектров отдельных видов.

Каждый вид специфичен по своим  экологическим возможностям. Даже у  близких по способам адаптации к среде видов существуют различия в отношении к каким-либо отдельным факторам.

6. Взаимодействие факторов.

Оптимальная зона 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, увядание растений можно  приостановить путем как увеличения количества влаги в почве, так  и снижения температуры воздуха, уменьшающего испарение. Создается  эффект частичного взаимозамещения факторов.

Вместе с тем взаимная компенсация  действия факторов среды имеет определенные пределы, и полностью заменить один из них другим нельзя. Полное отсутствие воды или хотя бы одного из основных элементов минерального питания  делает жизнь растения невозможной, несмотря на самые благоприятные сочетания других условий. Крайний дефицит тепла в полярных пустынях нельзя восполнить ни обилием влаги, ни круглосуточной освещенностью.

   Учитывая в сельскохозяйственной  практике закономерности взаимодействия экологических факторов, можно умело поддерживать оптимальные условия жизнедеятельности культурных растений и домашних животных.

  7. Правило ограничивающих факторов.

Возможности существования организмов в первую очередь ограничивают те факторы среды, которые наиболее удаляются от оптимума. Если хотя бы один из экологических факторов приближается или выходит за пределы критических величин, то, несмотря на оптимальное сочетание остальных условий, особям грозит гибель. Любые сильно уклоняющиеся от оптимума факторы приобретают первостепенное значение в жизни вида или отдельных его представителей в конкретные отрезки времени.

Например, распространение бобовых  в Арктике ограничивается распределением опыляющих их шмелей. На острове  Диксон, где нет шмелей, не встречаются и бобовые, хотя по температурным условиям существование там этих растений еще допустимо.

 

Абиотические  факторы (свет, вода, тепло, воздух, почва).

Тепло.

  В процессе эволюции у  живых организмов выработались  разнообразные приспособления, позволяющие регулировать обмен веществ при изменениях температуры окружающей среды. Это достигается двумя путями:

1) различными биохимическими и  физиологическими перестройками  (изменение набора, концентрации  и активности ферментов, обезвоживание,  понижение точки замерзания растворов тела и т. д.);

2) поддержанием температуры тела  на более стабильном уровне, чем  температура окружающей среды,  что позволяет не слишком нарушать  сложившийся ход биохимических  реакций.

Температурные границы  существования видов.

В среднем активная жизнедеятельность  организмов требует довольно узкого диапазона температур, ограниченного  критическими порогами замерзания воды и тепловой денатурации белков, примерно в пределах от 0 до +50 °C.Границы оптимальных  температур соответственно должны быть еще более узкими. Однако реально эти границы преодолеваются в природе у многих видов за счет специфических адаптаций. Существуют экологические группы организмов, оптимум которых сдвинут в сторону низких или высоких температур.

Например:

-Мелкая тресковая рыба сайка  в Северном Ледовитом океане  плавает в водах с температурой  не выше +5 °C, а нерестится зимой  в переохлажденных водах у  побережья. Глубоководные рыбы  в приполярных районах все  время находятся в переохлажденном  состоянии.

- Среди эукариотных организмов – грибов, простейших, растений и животных – также существуют термофилы, но уровень их толерантности к высокой температуре ниже, чем у бактерий.

По степени адаптации растений к условиям крайнего дефицита тепла  можно выделить три группы:

1. нехолодостойкие растения;
2. неморозостойкие растения (некоторые вечнозеленые субтропические растения – лавры, лимоны и др.);
3. льдоустойчивые .

 По степени адаптации к  высоким температурам можно выделить  следующие группы растений:

- нежаростойкие растения повреждаются уже при +(30–40) °С (эукариотические водоросли, водные цветковые, наземные мезофиты);

- жаровыносливые растения переносят  получасовое нагревание до +(50–60) °С (растения сухих местообитаний  с сильной инсоляцией – степей, пустынь, саванн, сухих субтропиков и т. п.).

- растений-пирофитов, устойчивых к пожарам.

Основные способы регуляции  температуры тела у пойкилотермных животных – поведенческие: перемена позы, активный поиск благоприятных  мест обитания, целый ряд специализированных форм поведения, направленных на создание микроклимата (рытье нор, сооружение гнезд и др.).

Температура тела и тепловой баланс организмов.

Температура тела живых существ  по-разному зависит от температуры  окружающей среды. Баланс тепла в  организме складывается из его прихода и расхода. Источники поступления тепловой энергии делятся на внешние и внутренние. Внешнее, или экзогенное, тепло организм получает от более нагретых воды, воздуха, окружающих предметов, прямой солнечной радиации. При этом большую роль играют площадь покровов и их теплопроводность. Внутреннее, или эндогенное, тепло вырабатывается как обязательный атрибут обмена веществ. Любой организм выделяет в окружающую среду тепло в результате своей жизнедеятельности.

Например: некотор. виды в активном состоянии поддерживают постоянную температуру тела на высоком уровне, а в неактивном – пониженную, что сопровождается замедлением обмена веществ. Таковы сурки, суслики, летучие мыши, сони, ежи, колибри, стрижи и др.

Температурные адаптации  пойкилотермных организмов.

Температура пойкилотермных изменяется вслед за температурой окружающей среды. Они преимущественно эктотермны, выработки и сохранения собственного тепла у них недостаточно для  противостояния тепловому режиму местообитаний. В связи с этим реализуется  два основных пути адаптации: специализация и толерантность.

 Например,  специализированные  виды стенотермны, они приспособлены  к жизни в таких участках  биосферы, где колебания температур  происходят лишь в узких пределах. Выход за эти пределы для  них губителен. Например, некоторые одноклеточные водоросли, развивающиеся в горных ледниках на поверхности тающего льда, погибают при температурах, превышающих +(3–5) °С. Растения дождевых тропических лесов не способны переносить снижение температуры до +(5–8) °С.

Другой путь адаптации пойкилотермных видов – развитие устойчивости клеток и тканей к широкому колебанию температур, характерному для большей части биосферы.

Температурная компенсация. Ряд пойкилотермных видов, обитающих в условиях переменных температур, развивает возможность поддерживать более или менее постоянный уровень обмена веществ в довольно широких пределах изменения температуры тела. Это явление называется температурной компенсацией и происходит в основном за счет биохимических адаптаций. Например, у моллюсков на побережье Баренцева моря, таких, как брюхоногие литторины (Littorina littorea) и двустворчатые мидии (Mytilus edulis), интенсивность обмена, оцениваемая по потреблению кислорода, почти не зависит от температуры в тех пределах, с которыми моллюски встречаются ежедневно во время приливов и отливов.

Температурные адаптации  гомойотермных организмов.

Гомойотермия – принципиально  иной путь температурных адаптаций, возникший на основе резкого повышения  уровня окислительных процессов  у птиц и млекопитающих в результате эволюционного совершенствования кровеносной, дыхательной и других систем органов. Потребление кислорода на 1 г массы тела у теплокровных животных в десятки и сотни раз больше, чем у пойкилотермных.

Экологические выгоды пойкилотермии  и гомойотермии.

 Пойкилотермия и гомойотермия  – это, по сути дела, две  альтернативные природные стратегии  выживания организмов в условиях  колеблющихся температур. Каждая  из них имеет свои преимущества  и недостатки.

Пойкилотермность – это подчинение организмов ходу внешних температур. Производя сравнительно мало эндогенного тепла и обладая лишь отдельными терморегуляторными реакциями, пойкилотермные организмы не могут обеспечить постоянства теплообмена, поэтому при колебаниях температуры среды их активность прерывиста. Переход в неактивное состояние связан с развитием механизмов толерантности к изменениям температуры тела.

Гомойотермность – это стратегия  сопротивления влиянию факторов среды. Организм гомойотермного животного  всегда функционирует только в узких  температурных границах.

Сочетание элементов  разных стратегий

Ряд животных способны к сочетанию  преимуществ обеих стратегий  теплообмена. У некоторых видов  гомойотермных, осваивающих экстремальные  условия на пределе возможности  поддержания теплового баланса, проявляются элементы пойкилотермии, позволяющие им экономить энергию.

Например, у верблюдов в жаркое летнее время дневные колебания  температуры тела достигают 6–7 °C. Утром  животные имеют температуру 34–35 °C, а затем постепенно нагреваются  под палящими лучами солнца, т. е. ведут себя как пойкилотермные организмы. Испарительная терморегуляция через потовые железы и слизистые начинается у верблюда лишь при достижении температуры тела в 40,7 °C, что близко к пределу тепловой выносливости. Вечером, когда температура воздуха падает ниже этой величины, верблюд освобождается от накопившегося избыточного тепла путем прямого излучения. Эти адаптации позволяют животному экономить до 5 л воды, которые потребовались бы для поддержания его средней температуры в пределах 37–38 °C.

 

Свет.

  Световой режим любого местообитания  определяется интенсивностью прямого  и рассеянного света, количеством  света (годовой суммарной радиацией), его спектральным составом, а  также альбедо – отражательной  способностью поверхности, на  которую падает свет.

   Перечисленные элементы  светового режима очень переменчивы  и зависят от географического  положения, высоты над уровнем  моря, от рельефа, состояния атмосферы,  характера земной поверхности,  растительности, от времени суток,  сезона года, солнечной активности и глобальных изменений в атмосфере.

   У растений возникают различные морфологические и физиологические адаптации к световому режиму местообитаний.

   По требованию к условиям  освещения принято делить растения  на следующие экологические группы:

   1) светолюбивые (световые), или гелиофиты, – растения открытых, постоянно хорошо освещаемых местообитаний;

   2) тенелюбивые (теневые), или  сциофиты, – растения нижних ярусов  тенистых лесов, пещер и глубоководные  растения; они плохо переносят  сильное освещение прямыми солнечными лучами;

   3) теневыносливые, или факультативные  гелиофиты, – могут переносить  большее или меньшее затенение,  но хорошо растут и на свету;  они легче других растений  перестраиваются под влиянием  изменяющихся условий освещения.

   Можно отметить некоторые общие приспособительные особенности, свойственные растениям каждой экологической группы.

Так например, у степного растения софоры листочки непарноперистосложного листа в жаркий день подняты вверх  и сложены, у василька русского так  же ведут себя сегменты перисторассеченного листа.

  У деревьев и кустарников  теневая или световая структура  листа часто определяется условиями  освещения предыдущего года, когда  закладываются почки: если закладка  почек идет на свету, то формируется  световая структура, и наоборот.

   Если в одном и том  же местообитании закономерно  периодически изменяется световой  режим, растения в разные сезоны  могут проявлять себя то как  светолюбивые, то как теневыносливые.

  Для животных солнечный свет не является таким необходимым фактором, как для зеленых растений, поскольку все гете-ротрофы в конечном счете существуют за счет энергии, накопленной растениями. Тем не менее и в жизни животных световая часть спектра солнечного излучения играет важную роль. Разные виды животных нуждаются в свете определенного спектрального состава, интенсивности и длительности освещения.

Влажность.