Законы воздействия экологических факторов на живые организмы

У ряда холоднокровных животных температура  тела может меняться в зависимости  от физиологического состояния: к примеру, у летающих насекомых внутренняя температура тела может подниматься  на 10-12 oС и более вследствие усиленной  работы мышц. У общественных насекомых, особенно у пчел, развился эффективный  способ поддержания температуры  путем коллективной терморегуляции (в улье может поддерживаться температура 34-35 oС, необходимая для развития личинок).

Пойкилотермные  животные способны приспосабливаться  и к высоким температурам. Это  происходит также разными способами: теплоотдача может происходить  за счет испарения влаги с поверхности  тела или со слизистой верхних  дыхательных путей, а также   за счет подкожной сосудистой регуляции (например, у ящериц скорость тока крови  по сосудам кожи увеличивается при  повышении температуры).

Наиболее  совершенная терморегуляция наблюдается  у птиц и млекопитающих - гомойтермных животных. В процессе эволюции они  приобрели способность поддерживать постоянную температуру тела благодаря  наличию четырехкамерного сердца и  одной дуги аорты, что обеспечило полное разделение артериального и  венозного кровотока; высокого обмена веществ; перьевого или волосяного покрова; регуляции теплоотдачи; хорошо развитой нервной системы приобрели  способность к активной жизни  при разной температуре. У большинства  птиц температура тела несколько  выше 40 oС, а у млекопитающих - несколько  ниже. Весьма важное значение для животных имеет не только способность к  терморегуляции, но и адаптивное поведение, постройка специальных убежищ и  гнезд, выбор места с более  благоприятной температурой и т.п. Они также способны приспосабливаться  к низким температурам несколькими  путями: кроме перьевого или волосяного покрова, теплокровные животные с помощью  дрожи (микросокращения внешне неподвижных  мышц) уменьшают теплопотери; при  окислении бурой жировой ткани  у млекопитающих образуется дополнительная энергия, поддерживающая обмен веществ.

Приспособление  теплокровных к высоким температурам во многом сходно с аналогичными приспособлениями холоднокровных - потоотделение и  испарение воды со слизистой рта  и верхних дыхательных путей, у птиц - только последний способ, так как у них нет потовых  желез; расширение кровеносных сосудов, расположенных близко к поверхности  кожи, что усиливает теплоотдачу (у птиц этот процесс протекает  в неоперенных участках тела, например через гребень). Температура, как  и световой режим, от которого она  зависит, закономерно меняется в  течение года и в связи с  географической широтой. Поэтому все  приспособления более важны для  обитания при отрицательных температурах.  

Вода  как экологический фактор

Вода  играет исключительную роль в жизни  любого организма, поскольку она  является структурным компонентом  клетки (на долю воды приходится 60-80% массы  клетки). Значение воды в жизни клетки определяется ее физико-химическими  свойствами. Вследствие полярности молекула воды способна притягиваться к любым  другим молекулам, образуя гидраты, т.е. является растворителем. Многие химические реакции могут протекать происходить  только в присутствии воды.  Вода является в живых системах “тепловым  буфером”, поглощая тепло при переходе из жидкого состояния в газообразное, тем самым предохраняя неустойчивые структуры клетки от повреждения  при кратковременном освобождении тепловой энергии. В связи с этим она производит охлаждающий эффект при испарении с поверхности  и регулирует температуру тела.  Теплопроводные свойства воды определяют ее ведущую роль терморегулятора  климата в природе. Вода медленно нагревается и медленно охлаждается: летом и днем вода морей океанов  и озер нагревается, а ночью и  зимой также медленно охлаждается. Между водой и воздухом происходит постоянный обмен углекислым газом.  Кроме того, вода выполняет транспортную функцию, перемещая вещества почвы  сверху вниз и обратно. Роль влажности  для наземных организмов обусловлена  тем, что осадки распределяются на земной поверхности в течение года неравномерно. В засушливых районах (степи, пустыни) растения добывают себе воду с помощью сильно развитой корневой системы, иногда очень длинных корней (у верблюжьей колючки - до 16 м), достигающих влажного слоя. Высокое осмотическое давление клеточного сока (до 60-80 атм), увеличивающее сосущую силу корней, способствует удержанию воды в тканях. В сухую погоду растения снижают испарение воды: у пустынных растений утолщаются покровные ткани листа, либо на поверхности листьев развивается восковой слой или густое опушение. Ряд растений достигает снижения влаги уменьшением листовой пластинки (листья превращаются в колючки, часто растения полностью теряют листья - саксаул, тамариск и др.).  

В зависимости  от требований, предъявляемых к водному  режиму, среди растений различают  следующие экологические группы:

Гидратофиты – растения постоянно живущие  в воде;

Гидрофиты- растения лишь частично погружаемые  в воду;

Гелофиты- болотные растения;

 Гигрофиты-  наземные растения, обитающие в чрезмерно увлажненых местах;

Мезофиты- предпочитают умеренное увлажнение;

Ксерофиты-  растения, приспособленные к постоянном недостатку влаги; среди ксерофитов различают:

Cуккуленты- накапливающие воду в тканях своего тела (сочные);

Cклерофиты- теряющие значительное количество воды.

Многие  животные пустынь способны обходиться без питьевой воды; некоторые быстро и долго могут бегать, совершая длинные миграции на водопой (сайгаки, антилопы, верблюды и др.); часть животных добывает воду из пищи (насекомые, пресмыкающиеся, грызуны).  Жировые отложения пустынных  животных могут служить своеобразным резервом воды в организме: при окислении  жиров образуется вода (отложения  жира в горбе верблюдов или  подкожные отложения жира у грызунов).  Малопроницаемые покровы кожи (например, у пресмыкающихся,) защищают животных от потери влаги. Многие животные перешли  к ночному образу жизни или  скрываются в норах, избегая иссушающего  действия низкой влажности и перегрева. В условиях периодической сухости  ряд растений и животных переходят  в состояние физиологического покоя - растения приостанавливают рост и  сбрасывают листья, животные впадают  в спячку. Эти процессы сопровождаются пониженным обменом веществ в  период сухости. 

Биотические факторы

Биотические факторы — совокупность влияний  жизнедеятельности одних организмов на жизнедеятельность других (внутривидовые  и межвидовые взаимодействия), а  также на неживую среду обитания.

Функциональная  система, включающая в себя сообщество живых существ и их среду обитания, называется экологической системой (или экосистемой). В такой системе  связи между ее компонентами возникают  прежде всего на пищевой основе и  основе способов получения энергии. По способу питания, получения и  использования энергии все организмы  делятся на автотрофные и гетеротрофные. В некоторые экосистемы (к примеру, почвенные) входят часто анаэробные микроорганизмы. В процессе питания  аэробные гетеротрофы разлагают  органическое вещество до углекислоты, воды и минеральных солей, которые  в свою очередь могут быть использованы повторно автотрофами. В природе  формируется непрерывный круговорот биогенных веществ: автотрофы извлекают  необходимые для жизни химические вещества из окружающей среды и через  ряд гетеротрофов вновь в нее  возвращаются. Все процессы осуществляются за счет притока энергии извне - лучистая энергия Солнца является источником этой энергии.  Поэтому системы, получающие энергию от Солнца, называются открытыми. Круговорот веществ возник в процессе эволюции, что является непременным  условием существования жизни.  Световая энергия Солнца трансформируется организмами  в другие формы: в химическую, механическую и, наконец, в тепловую. В соответствии с законами термодинамики такие  превращения всегда сопровождаются рассеиванием части энергии в  форме тепла.

Пищевые цепи и трофические уровни

   В экологических системах в  процессе эволюции сложились  цепи взаимосвязанных видов, последовательно  извлекающих материалы и энергию  из исходного пищевого вещества. Такая последовательность называется  пищевой цепью, а каждое ее  звено- трофическим уровнем. Первый  трофический уровень занимают  организмы автотрофы, или так  называемые первичные продуценты. Организмы второго трофического  уровня называются первичными  консументами,третьего- вторичными  консументами и т. д.  Последний  уровень обычно занимают редуценты  или детритофаги. Редуцентами  называют сапрофитные организмы,  разлагающие сложные органические  соединения до относительно простых   неорганических веществ. Кусочки  частично разложившегося материала  называют детритом, а мелких животных  питающихся им- детритофагами (например: дождевой червь, мокрица, личинка  падальной мухи и др.).  Ниже  приводится характеристика каждого  звена пищевой цепи, а их последовательность показана на рисунке. 

   В пищевой цепи зеленые растения - это те организмы, которые  создают начальное органическое  вещество, используя энергию Солнца. Лишь только около 1% энергии,  падающей на растения, превращается  в потенциальную энергию химических  связей синтезированных органических  веществ и может быть использовано  в дальнейшем при питании гетеротрофными  организмами. При потреблении  этой пищи животными организмами  только 5-20% энергии пищи переходит  во вновь построенное тело  животного, остальная часть энергии,  содержащейся в зеленом растении, расходуется на различные процессы  жизнедеятельности животного, превращаясь  в тепло и рассеиваясь.  При поедании травоядного животного хищником часть накопленной энергии также расходуется.  Вследствие потери полезной энергии цепи питания не могут быть очень длинными, чаще такая цепь состоит из 3-5 звеньев (трофических уровней).  Поэтому на каждом последующем трофическом уровне количество образующегося органического вещества резко уменьшается из-за потери энергии. В типичных пищевых цепях хищников плотоядные животные оказываются крупнее на каждом следующем трофическом уровне.  

Растительный  материал (например, нектар) ¨ муха ¨ паук ¨ землеройка ¨ сова

   Существуют два типа пищевых  цепей- пастбищные и детритные.  Выше мы привели примеры пастбищных  пищевых цепей. Пищеавя цепь  другого типа – цепь, начинающаяся  с детрита: 

Детрит  ¨ детритофаг ¨ хищник

Листовая  подстилка ¨ Дождевой червь ¨  Черый дрозд ¨ Ястреб- перепелятник

Экологические пирамиды

    Можно привести простой расчет: если принять за основу (округленно), что в вещество тела животного  переходит в среднем 10% энергии  съеденной пищи, то за счет 1 т  растительной массы может образоваться 100 кг массы хищника. В действительности  эти цифры могут быть и иными,  поскольку коэффициент использования  энергии неодинаков у разных  видов. Выявляется четкая закономерность, называемая правилом экологической  пирамиды: количество растительного  вещества в несколько раз больше, чем общая масса растительноядных  животных, а масса каждого последующего  звена пищевой цепи также прогрессивно  уменьшается. 

Различают несколько категорий “экологических пирамид”:

1. Пирамида чисел отражает число особей на каждом уровне пищевой цепи;
2. Пирамида биомассы - количество органического вещества (биомассу) на каждом уровне;
3. Пирамида энергии - количество энергии в пище.

   Все эти категории, различаясь  по абсолютным значениям, имеют  одинаковую направленность.  Пищевые  связи в экосистеме не являются  прямолинейными, так как компоненты  экосистемы находятся между собой  в сложных взаимодействиях. 

Антропогенные факторы

Антропогенные факторы — совокупность факторов окружающей среды, обусловленных случайной  или преднамеренной деятельностью  человека за период его существования.

Антропогенные факторы среды, внесённые в природу  человеческой деятельностью изменения, воздействующие на органический мир (см. Экология). Переделывая природу и  приспосабливая её к своим потребностям, человек изменяет среду обитания животных и растений, влияя тем самым на их жизнь. Воздействие может быть косвенным и прямым. Косвенное воздействие осуществляется путём изменения ландшафтов — климата, физического состояния и химизма атмосферы и водоёмов, строения поверхности земли, почв, растительности и животного населения. Большое значение приобретает увеличение радиоактивности в результате развития атомной промышленности и особенно испытаний атомного оружия. Человек сознательно и бессознательно истребляет или вытесняет одни виды растений и животных, распространяет другие или создаёт для них благоприятные условия. Для культурных растений и домашних животных человек создал в значительной степени новую среду, многократно увеличив продуктивность освоенных земель. Но это исключило возможность существования многих диких видов. Увеличение народонаселения Земли и развитие науки и техники привели к тому, что в современных условиях очень трудно найти участки, не затронутые деятельностью человека (девственные леса, луга, степи и т. д.). Неправильная распашка земель и неумеренный выпас скота не только привели к гибели естественных сообществ, но и усилили водную и ветровую эрозию почв и обмеление рек. Вместе с тем возникновение селений и городов создало благоприятные условия для существования многих видов животных и растений (см. Синантропные организмы). Развитие промышленности не обязательно приводило к обеднению живой природы, но часто способствовало появлению новых форм животных и растений. Развитие транспорта и других средств сообщения способствовало распространению как полезных, так и многих вредных видов растений и животных (см. Антропохория). Прямое воздействие направлено непосредственно на живые организмы. Например, нерациональные рыболовство и охота резко сократили численность ряда видов. Нарастающая сила и убыстряющиеся темпы изменения природы человеком вызывают необходимость её охраны (см. Охрана природы). Целенаправленное, сознательное преобразование природы человеком с проникновением в микромир и космос знаменует собой, по В. И. Вернадскому (1944), формирование «ноосферы» — оболочки Земли, измененной человеком. [1]