Экология как наука. Задачи экологии

В процессе эволюции, по мере похолодания  климата, деревья и кустарники приспособились к новым условиям и стали сбрасывать на зиму листья, но сохранили способность проходить период покоя при относительно  высокой температуре.

Значительно дольше — до января —  продолжается период покоя у березы бородавчатой, боярышника, тополя белого. А самый длительный период покоя— у липы мелколистной, клена татарского, ели сибирской, сосны обыкновенной. Зимующие почки липы, например, неспособны прорастать на  протяжении почти полугода. У дуба, бука и ясеня почки находятся в покоящемся состоянии всю зиму, вплоть до конца апреля.

На переход растений в состояние покоя оказывает влияние и  температура: для некоторых видов  (преимущественно южного происхождения —  ясеня, конского каштана, сирени, вишни) понижение ночных температур  является главным сигналом к покою. В естественной обстановке  понижение температуры обычно происходит как раз в то время, когда заметно укорачивается световой день. 

Неудивительно, что жизненный ритм  растений регулируется совместным  действием этих двух факторов. Изменение  освещенности, воспринимаемое  растениями через посредство системы фитогормонов, служит первым  стимулом к перестройке физиологических процессов, которая затем завершается под  действием температурных  сдвигов.

В феврале, когда нередки еще  сильные морозы, можно, раскопав снег в широколиственном лесу, обнаружить пробившиеся сквозь опавшую листву бледно-желтые ростки со свернутыми листьями, а иногда и бутонами. Осенью этих ростков здесь не было... Дело в том, что в широколиственном лесу почва зимой не промерзает. Это объясняется наличием в ней большого количества перегноя и глубоким  снежным покровом, создающими  прекрасную теплоизоляцию. Благодаря этому температура почвы здесь всю зиму остается около 0°С. В такой почве остается незамерзшая влага, доступная для растений.

Что же касается питательных веществ, столь же необходимых для роста, то подснежное развитие растений  происходит за счет готовых, отложенных ранее запасов. Например, у медуницы и ветреницы эти запасы находятся в корневищах, у пролески и гусиного лука— в луковицах, у чистяка — в клубнях. Интенсивное использование этих  отложенных про запас питательных  веществ в процессе дыхания способствует повышению температуры самого  растения.

Часто вокруг него даже  протаивает снег. Например, в феврале  начинают расти под снегом побеги мать-и- мачехи, заложенные еще осенью. Если в это время откопать растение, то можно увидеть, что вокруг него в снежном покрове протаяла крошечная пещерка.

 

Среда обитания.

Среда обитания — это часть природы, окружающая живые организмы и оказывающая на них прямое или косвенное воздействие.

Из среды организмы получают всё необходимое для жизни  и в неё же выделяют продукты обмена веществ. Среда каждого организма  слагается из множества элементов  неорганической и органической природы  и элементов, привносимых человеком и его производственной деятельностью. При этом одни элементы могут быть частично или полностью безразличны организму, другие необходимы, а третьи оказывают отрицательное воздействие.

Основные среды жизни: водная, наземно-воздушная, почва и живые организмы как среда обитания.

Водная среда обитания (гидросфера)

Водную среду обитания образуют важнейшие компоненты гидросферы Земли  входят: Мировой океан, континентальные  воды и подземные воды. К континентальным  водам относятся реки, озера и  ледники. Водная среда обитания является исходной для всех земных форм жизни. Подавляющее большинство организмов – первично-водные, то есть сформировавшиеся именно в водной среде обитания. Постоянные обитатели гидросферы называются гидробионты.

Рассмотрим особенности водной среды обитания на примере Мирового океана. В Мировом океане различают две экологические области: бенталь – дно океана и пелагиаль – толщу воды.

В соленых водах (гипертоническая  среда) возникает проблема сохранения воды в пределах организма. У Одноклеточных животных реже сокращаются сократительные вакуоли, у Многоклеточных – развиваются дистальные (всасывающие) части почечных канальцев, нефридиев и других органов выделения. У костистых рыб избыток солей выделяется через жабры.

В пресных водах (гипотоническая среда) возникает проблема удаления воды из организма. У Одноклеточных животных чаще сокращаются сократительные вакуоли, у Многоклеточных – развиваются почечные (мальпигиевы) клубочки, проксимальные части почечных канальцев, нефридиев и других органов выделения, обеспечивающие интенсивное образование разбавленной мочи.

Наземно-воздушная среда  обитания (атмосфера).

Наземно-воздушная обитания – самая  сложная по экологическим условиям. Выход в наземно-воздушную среду  обитания у разных групп организмов оказался возможным благодаря появлению специфических адаптаций, в том числе, и ароморфного характера. Постоянные обитатели наземно-воздушной среды обитания называются аэробионты.

Особенности наземно-воздушной среды  обитания и приспособленность организмов к специфическим экологическим факторам

1. Недостаток воды часто является  лимитирующим фактором для наземных  организмов.

2. Низкая теплоемкость и низкая  теплопроводность воздуха приводит  к значительным перепадам температуры:  при изменении прямой освещенности, суточные перепады, сезонные перепады (сезонность характерна для умеренных и высоких широт). В то же время, низкая теплоемкость и теплопроводность воздуха делают возможным развитие теплокровности  у птиц и млекопитающих.

3. Низкая вязкость и низкая  плотность воздуха позволяет приобретать разнообразную форму тела у животных. В то же время лимитирующим фактором становится гравитация. Для летающих животных необходимо формирование обтекаемой формы тела и крыльев. Для крупных животных необходимо формирование скелета. Для растений необходимо наличие механических тканей и определенной формы кроны.

4. Поглощение света происходит  за счет топических межвидовых  взаимодействий, что приводит к  появлению ярусности. 

5. Высокое содержание кислорода  при низкой влажности воздуха приводит к появлению у животных разнообразных органов дыхания (трахеи, легкие).

6. Неравномерное распределение  элементов минерального питания  сказывается, в первую очередь,  на растениях, что приводит  к мозаицизму.

Почва как среда обитания (литосфера, или педосфера)

Почва, или педосфера – это  рыхлый поверхностный слой суши, обладающий плодородием. Почва представляет собой  трехфазную систему, в которой твердые  частицы окружены воздухом и водой. В состав почвы входят разнообразные  типы вещества: живое вещество (живые организмы), биогенное вещество (органические и неорганические вещества, происхождение которых связано с деятельностью живых организмов), косное вещество (горные породы) и другие. Поэтому почва представляет собой особый тип вещества в биосфере – биокосное вещество.

Особенности действия экологических  факторов в почве:

– достаточно высокое и стабильное содержание воды и разнообразных  газов (промежуточное между водной и наземно-воздушной средой);

– высокая концентрация органических и неорганических веществ;

– стабильный температурный режим;

– низкая освещенность (за исключением  самых поверхностных слоев) –  лимитирующий фактор для фотосинтезирующих  организмов;

– неоднородность почвы по вертикали  и горизонтали создает условия  для формирования множества экологических ниш.

Экологические группы животных. Экологические  группы животных выделяют по размерам тела. В состав почвенной фауны  входят: микрофауна, мезофауна, макрофауна и мегафауна.

Микрофауна включает мельчайших животных, населяющих водную фазу почвы. В сущности, это водные организмы. Представители микрофауны способны переносить промерзание зимой и высыхание летом в состоянии анабиоза.

Мезофауна включает более крупных  беспозвоночных. Лимитирующим фактором для этих организмов является содержание влаги: при недостатке влаги им угрожает пересыхание, а при избытке влаги – гибель от недостатка воздуха.

Организм как среда  обитания

Любой организм (даже самый мелкий) представляет собой сложную систему, которая обеспечивает разнообразные  условия обитания для других организмов. Если организмы одного вида используют организм другого вида как среду обитания, то между ними возникают разнообразные биотические взаимодействия.

Совместное существование двух и более разноименных видов называется симбиоз (в широком смысле этого слова). В простейшем случае формируется двухкомпонентная система из двух организмов разных видов. В зависимости от типа взаимоотношений между симбионтами возможны частные типы симбиотических взаимодействий: комменсализм, паразитизм, мутуализм .

Организм как среда обитания имеет ряд преимуществ перед  другими средами обитания: большое  количество доступных пищевых ресурсов для гетеротрофных организмов, защищенность обитателей организмов, стабильность водного режима, температурного режима, водно-солевого режима (сходство с водной средой обитания). Положительные стороны организма как среды обитания приводят к дегенерации тела эндосимбионтов (яркий пример – постепенная редукция систем органов у сосальщиков и ленточных червей); как правило, наблюдается гигантизм – эндосимбионтные формы значительно крупнее, чем родственные им свободноживущие формы.

В то же время организм как среда  обитания имеет и отрицательные  стороны: ограниченность жизненного пространства, недостаток кислорода, трудности с  распространением от одной особи хозяев к другой, защитные реакции организма хозяина, недостаток света для фотоавтотрофных организмов.

Сходство организма как среды  обитания с водной средой обитания позволяет многим видам совершить  переход из водной среды обитания в организм как среду обитания без существенных морфологических и физиологических изменений.

Сходство условий жизни  как следствие приспособительных  признаков животных одной среды  обитания.

Жизнь развивается в тесном взаимодействии и единстве среды и населяющих ее организмов. Это один из важнейших законов эволюции, сформулированный В.И.Вернадским. Это значит, что в природе действует принцип экологического соответствия: форма существования организма всегда соответствует условиям его жизни. И это соответствие закрепляется генетическими механизмами, поэтому каждый вид организмов может существовать только до тех пор, пока окружающая его среда соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к ее колебаниям и изменениям. Если эта среда изменяется, то организмы вынуждены либо мигрировать в поисках подходящей среды обитания, либо адаптироваться к новой среде, дав, возможно, начало новому виду, либо погибнуть. Это является основным механизмом действия закона давления среды на жизнь, или закона ограниченного роста, сформулированного Ч. Дарвином, более известного как закон естественного отбора: несмотря на то, что потомство одной пары особей, размножаясь в геометрической прогрессии, стремится заполнить весь земной шар, имеются ограничения, не допускающие этого явления. Суть этих ограничений как раз и состоит в действии на организмы факторов среды. Вовсе не сильнейший выживает в естественном отборе, а тот, который наиболее адаптирован к факторам среды, то есть кто наиболее гармонично вписан в нее, в ком наиболее полно выражено подобие с системой более высокого иерархического уровня, то есть с экосистемой, с биосферой, с планетой, со Вселенной в целом, тот, кто, подчиняясь требованиям метасистемы, смог правильно изменить себя и своих потомков.

Так, например, тела акулы, пингвина и дельфина, которые являются представителями совершенно разных систематических групп (рыба, птица, млекопитающее), обитая в водной среде вынуждены были принять аналогичные формы. Это прямое следствие принципа оптимальности: путем многократных проб и ошибок ввиду наличия разного рода обратных связей эволюционный процесс рано или поздно обязательно нащупает наиболее оптимальные формы жизни в данных конкретных условиях. То есть, несмотря на всю приблизительность и неточность действий факторов среды, благодаря действию принципа оптимальности, результат воздействия среды обитания на организмы оказывается настолько же точен и предсказуем, как и обратное действие организмов на среду.

 

Основные пути приспособления живых организмов к  условиям среды (активный, пассивный, избегание неблагоприятных воздействий).

Во всем разнообразии приспособлений живых организмов к неблагоприятным  условиям среды можно выделить три  основных пути.

Активный путь – это усиление сопротивляемости, развитие регуляторных процессов, позволяющих осуществить все жизненные функции организмов, несмотря на отклонения фактора от оптимума. По отношению к температуре, например, этот путь в зачаточной форме проявляется у некоторых высших растений, несколько сильнее развит у пойкилотермных животных, но особенно ярко выражен при гомойотермии. Активное противостояние иссушению особенно характерно для склерофитов среди растений, ксерофильных насекомых (например, пустынных чернотелок), крупных гомойотермных животных аридных районов.

Пассивный путь – подчинение жизненных функций организма изменению факторов среды. При недостатке тепла это приводит к угнетению жизнедеятельности и понижению уровня метаболизма, что способствует экономному использованию энергетических запасов. Компенсаторно повышается устойчивость клеток и тканей организма. Пассивный путь адаптации к влиянию неблагоприятных температур свойствен всем растениям и пойкилотермным животным. Среди млекопитающих и птиц преимущества пассивного приспособления в неблагоприятные периоды года используют гетеротермные виды, впадающие в оцепенение или спячку. Элементы пассивной адаптации присущи и типичным гомойотермным животным, обитающим в условиях крайне низких температур. Это выражается в некотором снижении уровня обмена, замедлении темпов роста и развития, что позволяет экономнее тратить ресурсы по сравнению с быстро развивающимися видами.

Пассивное подчинение водному режиму среды свойственно пойкилогидрическим растениям и животным, способным  выносить высыхание: напочвенным водорослям, лишайникам, нематодам, коловраткам и т. п.