Экология как наука. Задачи экологии

Протекание всех биохимических  процессов в клетках и нормальное функционирование организма в целом  возможны только при достаточном  обеспечении его водой – необходимым условием жизни. Поддержание водного баланса имеет огромное значение для всех живых организмов.

Низшие наземные растения из влажного субстрата поглощают воду погруженными в него частями таллома, а влагу  дождя, росы и тумана – всей поверхностью. В максимально набухшем состоянии лишайники содержат в 20–30 раз больше воды, чем сухого вещества.

 Среди высших наземных растений  мохообразные поглощают воду  из почвы ризоидами, а большинство  других – корнями, специализированными  органами, всасывающими воду. В клетках корня развивается сосущая сила чаще всего в несколько атмосфер, но этого достаточно для извлечения из почвы большей части связанной воды. Лесные деревья умеренной зоны развивают сосущую силу корней около 3 · 106 Па (30 атм), некоторые травянистые растения (земляника лесная, медуница неясная) – до 2 · 106 (20 атм) и даже свыше 4 · 106 Па (40 атм) (смолка обыкновенная); растения сухих областей – до 60 атм. Когда в непосредственной близости от корней запасы воды в почве истощаются, корни растут в направлении большей влажности, так что корневая система растений постоянно находится в движении.

У высших растений есть и дополнительные пути поступления воды в тело. Мхи  могут поглощать воду всей поверхностью, как и лишайники. Особенно много  воды впитывают такие мхи, как кукушкин лен, виды сфагнума, чему способствует строение их листьев и побегов.

Животные получают воду тремя основными  путями: через питье, вместе с сочной пищей и в результате метаболизма, т. е. за счет окисления и расщепления  органических веществ – жиров, белков и углеводов.

 Некоторые животные могут  впитывать воду через покровы  из влажного субстрата или  воздуха, например личинки некоторых  насекомых – мучного хрущака,  жуков-щелкунов и др.

 Потери воды у животных  происходят через испарение покровами или со слизистых оболочек дыхательных путей, путем выведения из тела мочи и непереваренных остатков пищи.

 Хотя животные могут выдерживать  кратковременные потери воды, но  в целом расход ее должен  возмещаться приходом. Потери воды  приводят к гибели скорее, чем голодание.

Виды, получающие воду в основном через  питье, сильно зависят от наличия  водопоев. Это особенно характерно для крупных млекопитающих. В  сухих, аридных районах такие  животные совершают иногда значительные миграции к водоемам и не могут существовать слишком далеко от них. В африканских саваннах слоны, антилопы, львы, гиены регулярно посещают водопои.

 В эффективности поведенческих  приспособлений для обеспечения  водного баланса можно убедиться  на примере пустынных мокриц. Мокрицы – типичные ракообразные, не отличающиеся особыми анатомо-морфологическими приспособлениями к наземному образу жизни. Тем не менее представители рода Hemilepistus освоили самые сухие и жаркие места на Земле – глинистые пустыни. Там они роют глубокие вертикальные норки, где всегда влажно, и покидают их, выходя на поверхность лишь в те часы суток, когда высока влажность приземного слоя воздуха. Когда почва иссушается особенно сильно и возникает угроза снижения влажности воздуха в норке, самки закрывают отверстие сильно склеротизованными передними сегментами тела, создавая замкнутое, насыщенное парами пространство и оберегая молодь от высыхания.

Мелкие млекопитающие, спасающиеся  от жары в прохладных норах, могут  покрывать значительную часть своих  расходов воды в результате окислительных процессов, так как им не требуется дополнительно вода на терморегуляцию. Почти исключительно на сухом корме живут такие пустынные виды, как многие тушканчики, американская кенгуровая крыса, африканская песчанка и др.

Пойкилотермные животные, однако, не могут полностью избежать потерь воды на испарение. Даже у рептилий с их ороговевшим эпидермисом потери воды через кожу значительны. У мелких ящериц они могут достигать 20 % и более от массы тела за сутки. Поэтому и для пойкилотермных основной путь сохранения водного баланса при жизни в пустыне – это избегание излишних тепловых нагрузок.

Воздух.

Низкая плотность воздуха определяет его малую подъемную силу и  незначительную спорность. Обитатели  воздушной среды должны обладать собственной опорной системой, поддерживающей тело: растения – разнообразными механическими тканями, животные – твердым или, значительно реже, гидростатическим скелетом. Кроме того, все обитатели воздушной среды тесно связаны с поверхностью земли, которая служит им для прикрепления и опоры. Жизнь во взвешенном состоянии в воздухе невозможна.

Правда, множество микроорганизмов  и животных, споры, семена, плоды  и пыльца растений регулярно присутствуют в воздухе и разносятся воздушными течениями, многие животные способны к  активному полету, однако у всех этих видов основная функция их жизненного цикла – размножение – осуществляется на поверхности земли. Для большинства из них пребывание в воздухе связано только с расселением или поиском добычи.

Малая плотность воздуха обусловливает низкую сопротивляемость передвижению. Поэтому многие наземные животные использовали в ходе эволюции экологические выгоды этого свойства воздушной среды, приобретя способность к полету. К активному полету способны 75 % видов всех наземных животных, преимущественно насекомые и птицы, но встречаются летуны и среди млекопитающих и рептилий. Летают наземные животные в основном с помощью мускульных усилий, но некоторые могут и планировать за счет воздушных течений.

Благодаря подвижности воздуха, существующим в нижних слоях атмосферы вертикальным и горизонтальным передвижениям воздушных масс возможен пассивный полет ряда организмов.

 Анемофилия – древнейший  способ опыления растений. Ветром  опыляются все голосеменные, а  среди покрытосеменных анемофильные  растения составляют примерно 10 % всех видов.

 Анемофилия наблюдается в  семействах буковых, березовых,  ореховых, вязовых, коноплевых, крапивных,  казуариновых, маревых, осоковых, злаков, пальм и во многих других. Ветроопыляемые  растения имеют целый ряд приспособлений, улучшающих аэродинамические свойства их пыльцы, а также морфологические и биологические особенности, обеспечивающие эффективность опыления.

Жизнь многих растений полностью зависит  от ветра, и расселение совершается  с его помощью. Такая двойная  зависимость наблюдается у елей, сосен, тополей, берез, вязов, ясеней, пушиц, рогозов, саксаулов, джузгунов и др.

 У многих видов развита  анемохория– расселение с помощью  воздушных потоков. Анемохория  характерна для спор, семян и  плодов растений, цист простейших, мелких насекомых, пауков и т. п. Пассивно переносимые потоками воздуха организмы получили в совокупности название аэропланктона по аналогии с планктонными обитателями водной среды.

Почва.

Эдафические факторы среды. Свойства грунта и рельеф местности также влияют на условия жизни наземных организмов, в первую очередь растений. Свойства земной поверхности, оказывающие экологическое воздействие на ее обитателей, объединяют названием эдафические факторы среды (от греч. “эдафос” – основание, почва).

Характер корневой системы растений зависит от гидротермического режима, аэрации, сложения, состава и структуры почвы. Например, корневые системы древесных пород (березы, лиственницы) в районах с многолетней мерзлотой располагаются на небольшой глубине и распростерты вширь.

Можно выделить целый ряд экологических  групп растений по отношению к  разным свойствам почв.

Так, по реакции на кислотность  почвы различают: 1) ацидофильные виды – растут на кислых почвах с рН менее 6,7 (растения сфагновых болот, белоус); 2) нейтрофильные – тяготеют к почвам с рН 6,7–7,0 (большинство культурных растений); 3) базифильные– растут при рН более 7,0 (мордовник, лесная ветреница); 4) индифферентные – могут произрастать на почвах с разным значением рН (ландыш, овсяница овечья).

 По отношению к валовому составу почвы различают: 1) олиготрофные растения, довольствующиеся малым количеством зольных элементов (сосна обыкновенная); 2) эвтрофные, нуждающиеся в большом количестве зольных элементов (дуб, сныть обыкновенная, пролесник многолетний); 3) мезотрофные, требующие умеренного количества зольных элементов (ель обыкновенная).

Рельеф местности и характер грунта влияют на специфику передвижения животных. Например, копытные, страусы, дрофы, живущие на открытых пространствах, нуждаются в твердом грунте для усиления отталкивания при быстром беге. У ящериц, обитающих на сыпучих песках, пальцы окаймлены бахромкой из роговых чешуй, которая увеличивает поверхность опоры.

Для наземных обитателей, роющих норы, плотные грунты неблагоприятны. Характер почвы в ряде случаев влияет на распределение наземных животных, роющих норы, зарывающихся в грунт для спасения от жары или хищников либо откладывающих в почву яйца и т. д.

Дифференцированная  потребность растений в различных  факторах внешней среды, приспособленность их строения к недостатку одних и к избытку других факторов: влаголюбивые, засухоустойчивые, светолюбивые и теневыносливые растения.

Влаголюбивые растения (гигрофиты).

Гигрофиты (калужницы, болотные осоки, злаки, папоротник оноклея чувствительная, белозор, росянка, недотрога обыкновенная, все бальзамины, аир, белокрыльник, рдесты, рогоз, сфагны, рис, кислица) обитают в очень влажных местах и обладают низкой засухоустойчивостью. У них всегда открыты устьица и процесс транспирации регулируется слабо. Устьца располагаются с обеих сторон, немногочисленны. Листья крупные тонкие. Потеря 15-20% запаса воды для них невосполнима. Они растут или в глубокой тени по пологом влажного леса (теневые гигрофиты) или на открытом месте на переувлажненных или покрытых водой почвах (световые гигрофиты). Для них характерны толстые слаборазветвленные корни с минимальным количеством сосущих корней. В органах обилие воздушных полостей (аэренхима) для аэрации тканей.

Например, на поверхности пресных  стоячих водоемов часто можно  видеть крошечное растение — ряску. Сверху у рясок зеленые пластинки, похожие на листики, а внизу корешки. У водяной лилии, или белой кувшинки, мощные корневища разрастаются в илистом дне, а широкие листья распластались на поверхности воды.

Сухолюбивые растения (ксерофиты).

Ксерофиты – растения сухого и  жаркого климата и местообитаний  – пустынь, степей, саванн, в лесной зоне – растения сухих сосняков и широколиственных лесов на крутых южных склонах. Они не выносят  переувлажнения, но хорошо приспособились к длительным засухам. Для них характерны два способа преодоления засухи: активное регулирование водного баланса и способность выносить сильное иссушение тканей.

У ксерофитов очень мощные корневые системы – по массе в 9-10 раз  превышают надземные органы. Они  или экстенсивного типа (кустарники) – длинные (10-15 м), но мало разветвленные; достигают уровня грунтовых, или интенсивного (злаки) – охватывают небольшой объем почвы (до 1,5 м глубины) и густо ветвятся, максимально усваивая влагу. Анатомические особенности - хорошо развита водопроводящая система, сеть жилок на листовых пластинках очень густая, позволяет быстро пополнять запасы воды, израсходованной на транспирацию. Основные черты ксерофитности, некоторые из них присущи также гелиофитам и термофилам и описаны выше:

1. Мелкие, узкие, сильно редуцированные  листовые пластинки – способствуют  снижению транспирации (в Приморье  – селагинелла, плауны).

2. Уменьшение (сбрасывание) листовой  поверхности в наиболее сухие  периоды вегетации (летний листопад).

3. Защита листьев от больших потерь влаги на транспирацию благодаря развитию мощных покровных тканей, наличие разных выростов, волосков, железок на эпидермисе («войлочное опушение» – у эдельвейсов).

4. Усиленное развитие мех. тканей  листа, предотвращающих обвисание  листьев при потере тургора.

 Виды с наиболее выраженными  перечисленными свойствами представлены  склерофитами (от греч. «склеро»  – твердый, жесткий; саксаул,  чертополоъх, полыни, статице, ковыли, молочаи и др.). Устьиц много,  но они при недостатке воды  закрываются. Растения могут полностью терять все листья и до 15% воды. В клетках склерофитов преобладает связанная вода.

Другая большая группа ксерофитов – суккуленты (от лат. «суккулентус» - сочный, жирный), растут в жарком сухом  климате там, где проходят кратковременные, но сильные обильные ливни. Во время дождей накапливают в листьях (алоэ, агавы, молодило) или стеблях (молочаи, кактус опунция) большие запасы воды, а потом медленно ее расходуют. Устьиц мало, они мелкие, в углублениях, и открываются только ночью.

В северных широтах и высоко в  горах аналоги ксерофитам – психрофиты (влажные и холодные места –  мхи, в некотором роде багульник  болотный, андромеда) и криофиты (сухие  и холодные места – лишайники, вересковые кустарнички, в т.ч. кассиопа четырехгранная, арктоус альпийский, и даже брусника). Они испытывают недостаток влаги из-за физиологической недоступности почвенной влаги, обусловленной низкими температурами почв.

Тропофиты – в жарких районах  с чередованием засушливого и  влажного сезонов (баобабы в Африке), растения сбрасывают листву и пребывают в состоянии глубокого покоя летом.

Эуксерофиты – растения степей с  розеточной и полурозеточной ЖФ (Saxifraga omolojensis, S. nivalis, Arenaria sp. – кошачья лапка) и сильным опушением листьев. В сухих дубняках в верхней части южных склонов такая экобиоморфа характерна для полыни побегоносной (Artemisia stolonifera). Стипоксерофиты – тоже растения степных экосистем («стипо» – степь), узколистные, дерновинные злаки (вейники, типчаки, тонконог, мискантус), из с/х культур – кукуруза. Они слабо транспирируют, в сухую погоду листья сворачиваются в трубочку.

Эфемеры (весенние и осенние) –  однолетние растения (незабудка песчаная, вероника весенняя, маки альпийские, в  Приморье на горе Ольховая – офелия), и эфемероиды – многолетние растения (крокусы, тюльпаны, прострелы), тоже обитатели засушливых местообитаний. Они избегают летних засух в связи с особенностями жизненных циклов. В короткие сроки – за 15-30 дней, растения успевают пройти весь жизненный цикл и уйти на покой до следующей весны.