Закономерности действия экологических факторов на живые организмы и адаптации организмов к факторам среды

Какими бы разными по природе ни были экологические факторы, результаты их действия экологически сравнимы, поскольку они всегда выражаются в изменении жизнедеятельности организмов, что в конечном счете приводит к изменению численности популяции (рис. 4.16).

Зависимость биологической активности от интенсивности фактора среды

Рис. 4.16. Зависимость биологической активности от интенсивности фактора среды

Рассмотрение этой зависимости позволяет отметить следующие ее закономерности:

— при определенных значениях фактора создаются условия, наиболее благоприятные для жизнедеятельности организмов; эти условия называются оптимальными, а соответствующая им область на шкале значений фактора — оптимумом;

  • — чем больше отклоняются значения фактора от оптимальных, тем сильнее угнетается жизнедеятельность особей; в связи с этим выделяется зона их нормальной жизнедеятельности;
  • — диапазон значений фактора, за границами которого нормальная жизнедеятельность особей становится невозможной, называется пределами выносливости; различают нижний и верхний пределы выносливости.

Если действие одного фактора описывается соответствующей функцией, то одновременное действие двух факторов можно изобразить в виде графика (рис. 4.17).

Схематическое изображение реакции вида на одновременное действие (толстая стрелка) факторов х и х,(по А. К. Бродскому, 2007)

Рис. 4.17. Схематическое изображение реакции вида на одновременное действие (толстая стрелка) факторов х( и х,(по А. К. Бродскому, 2007)

Для того чтобы определить выносливость вида по отношению к одновременному действию нескольких факторов, надо иметь экспериментальные данные о выносливости к каждому фактору. Организмы приспосабливаются к комплексу факторов, однако если хотя бы один из них лежит за пределами зоны существования вида, то, несмотря на оптимальное сочетание остальных условий, этим организмам грозит гибель. Подобные сильно уклоняющиеся от оптимума факторы имеют первостепенное значение для организмов и называются ограничивающими. Если ограничивающий фактор лежит в области недостаточного значения, он называется лимитирующим, если в области избыточного значения — вредным. Правило ограничивающего фактора впервые было сформулировано немецким агрохимиком Ю. Либихом в 1840 г. и позднее получило название «закон минимума Либиха».

Для большей наглядности при демонстрации действия открытого им закона Либих использовал бочку, в которой каждая составляющая ее дошечка соответствовала одному экологическому фактору (рис. 4.18). Естественно, если хотя бы одна дошечка (фактор) будет ниже других, то вода наполнит бочку только до высоты этой дощечки-фактора, и никак не полную бочку.

Бочка Либиха

Рис. 4.18. Бочка Либиха

Либих установил, что урожаи зависит от фактора, находящегося в минимуме. Если все другие условия благоприятны, но среди минеральных солей, необходимых растению, фосфора содержится только 50% требуемого, а кальция — 20%, значит, урожай будет в 5 раз меньше возможного. Главный ограничитель в этих условиях — кальций. Внесем его в почву до нормы. Урожай поднимется, но все равно будет вдвое ниже ожидаемого. Теперь главный ограничитель — фосфор. Избыток минеральных солей тоже тормозит урожай, так как нарушается всасывание растворов корнями. При идеальной агротехнике все элементы питания даются растениям в строго оптимальной дозировке.

Каждому виду или сорту растений свойственен определенный критический фотопериод. По типу фотопериодической реакции выделяют следующие основные группы растений:

  • 1. Растения короткого дня. Зацветание и плодоношение наступает при 8—12-часовом освещении (например, просо, конопля, табак, перилла).
  • 2. Растения длинного дня. Для цветения им нужна продолжительность дня 12 часов и более (картофель, пшеница, шпинат).

3. Нейтральные к продолжительности дня растения. Для них длина фотопериода безразлична, цветение наступает при любой длительности дня (кроме очень короткой, означающей для растений световое голодание). Таковы одуванчик, томат и др.

Растения обладают способностью «измерять» продолжительность светового периода с довольно большой точностью. Например, для длиннодневной хризантемы критическая длина дня, обеспечивающая цветение, составляет 14 ч 40 мин, а уже при 13 ч 50 мин бутоны не образуются.

Оптимум и границы выносливости не являются абсолютно постоянными в течение всей жизни организмов. Чаще наоборот, для разных этапов жизненного цикла характерен свой оптимум, например, икра лососей может развиваться только в интервале температур от 0 до + 12°С, а взрослые особи легко переносят колебания от —2 до +20°С.

Позднее было установлено, что лимитировать жизнь может не только фактор, находящийся в недостатке, но и находящийся в избытке (Шелфорд, 1910). Правило Шелфорда: факторы среды, имеющие в конкретных условиях неблагоприятное (минимальное или максимальное) значение, ограничивают возможность существования организма, популяции, вида в данных условиях, несмотря на оптимальное сочетание других отдельных условий.

Любой фактор, влияющий на живые организмы, может стать либо оптимальным, либо ограничивающим, в зависимости от силы своего воздействия. Например, кислотность в пресных водоемах испытывает значительные колебания. Морская вода более щелочная, и pH ее меньше изменяется, чем пресной. Большинство пресноводных рыб выдерживают pH от 5 до 9. Если он меньше 5, наблюдается массовая гибель рыб, а выше 10 — погибают все рыбы и другие животные (нейтральная среда — 7,0). Антропогенные изменения кислотности среды обитания нашли свое отражение в проблеме «кислотных осадков» (рис. 4.19).

Организмы, предпочитающие определенные области значений фактора, часто обозначают окончанием -фил или -фит (для растений). Например, термофилы — организмы, нормально существующие и размножающиеся при температуре выше 45°С (гибельной для большинства живых существ); ксерофиты — растения сухих местообитаний, способные благодаря ряду приспособительных признаков и свойств переносить перегрев и обезвоживание.

Эврибионтами называют организмы, способные существовать при широких изменениях факторов окружающей среды.

Ориентировочная кислотность дождевой воды и различных веществ, выраженная в единицах pH (по Н. И. Николайкин, Н. Е. Николайкина, О. П. Мелехова, 2005)

Рис. 4.19. Ориентировочная кислотность дождевой воды и различных веществ, выраженная в единицах pH (по Н. И. Николайкин, Н. Е. Николайкина, О. П. Мелехова, 2005)

Стенобионты — организмы, способные обитать только в условиях устойчивого постоянства какого-либо фактора или групп взаимодействующих факторов окружающей среды.

Толерантностью называют способность организмов выносить отклонения факторов среды от оптимальных для них или способность организма переносить неблагоприятное влияние того или иного фактора среды.

По отношению к тому или иному фактору среды живые организмы могут быть объединены в экологические группы.

По степени связи с почвой как средой обитания животных объединяют в три экологические группы: геобионты, геофилы и геоксены.

Геобионты — животные, постоянно обитающие в почве. Весь цикл их развития протекает в почвенной среде (дождевые черви).

Геофилы — животные, часть цикла которых обязательно протекает в почве (большинство насекомых: саранчовые, ряд жуков, комаров и др.).

Геоксены — животные, иногда посещающие почву для временного укрытия или убежища (тараканы, грызуны и др.).

Растения по отношению к освещенности подразделяются на светолюбивые (гел иофиты), тенелюбивые (сциофиты) и теневыносливые. Первые две группы обладают разными диапазонами толерантности в пределах экологического спектра освещенности. Яркий солнечный свет — оптимум гелиофитов (луговые травы, хлебные злаки, сорняки и др.), слабая освещенность — оптимум тенелюбивых (растения таежных ельников, лесостепных дубрав, тропических лесов). Первые не выносят тени, вторые — яркого солнечного света.

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

  • гидратофиты —постоянно живущие в воде;
  • гидрофиты —лишь частично погружаемые в воду;
  • гелофиты — болотные растения;
  • гигрофиты — наземные растения, обитающие в чрезмерно увлажненных местах;
  • мезофиты — предпочитающие умеренное увлажнение;
  • ксерофиты —приспособленные к постоянному недостатку влаги; среди ксерофитов различают:
  • суккуленты — накапливающие воду в тканях своего тела (сочные);
  • склерофиты — теряющие значительное количество 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.).

По зависимости от кислорода живые организмы делят на две большие группы:

  • аэробы, аэробные организмы — организмы, обитающие только в среде, содержащей молекулярный кислород;
  • анаэробы — организмы, живущие при отсутствии свободного кислорода.

Главные способы выживания организмов при ухудшении условий — либо временный переход в неактивное состояние, либо сохранение активности при дополнительных затратах энергии, либо избегание неблагоприятного фактора и перемена мест обитания. Птицы и млекопитающие могут активно перемещаться в поисках благоприятных условий существования. В сильную жару многие животные прячутся в тень. Например, львы и леопарды в саваннах, когда жарко, забираются на деревья. Здесь на 10— 15°С прохладнее, чем на земле под деревом, и на 20-25°С, чем на незащищенном от солнца открытом пространстве.

Процесс выработки приспособлений организмов к условиям их существования называют адаптацией (от лат. adaption — приспособление). Различают видовую адаптацию (генотипическую), происходящую в ряде поколений, и индивидуальную (фенотипическую) адаптацию, происходящую в пределах индивидуального развития организма и не затрагивающую его генотип. Также адаптацией называют совокупность признаков строения и жизнедеятельности, поведения, характерных для того или иного вида живых организмов и обеспечивающих возможность выживания в определенных условиях внешней среды. Адаптации могут быть морфологическими (внешние признаки: окраска, форма тела); физиологическими (например, интенсификация кровообращения и усиление вентиляции легких при кислородном голодании клеток); поведенческими (спячка, ночной образ жизни). Рассмотрим несколько примеров адаптаций растений к высокогорным условиям.

Характерная морфологическая черта многих высокогорных приземистых растений, например кустарников и кустарничков, — значительное преобладание подземной массы по сравнению с надземной.

Низкорослость высокогорных растений связывают с адаптацией к низким температурам и формообразующим действием радиации, богатой коротковолновой частью спектра, тормозящей ростовые процессы. В анатомическом строении высокогорных растений есть ряд черт, которые способствуют защите от избыточной радиации, связаны с характером водного режима и обмена веществ в высокогорьях: утолщение покровных тканей, придающих устойчивость к сильным ветрам и т.д. У растений, живущих на скалах, наблюдаются изменения в сторону ксероморфоза: уменьшаются размеры клеток и возрастает плотность тканей, увеличивается число устьиц на единицу поверхности листа, уменьшаются их размеры. У видов же, обитающих вблизи талых вод или других источников увлажнения, листья крупнее и ксероморфные черты выражены слабее.

Низкие температуры и сильная освещенность способствуют образованию большого количества антоциана (окрашенного растительного гликозида, относится к флавоноидам), отсюда глубокие тона, насыщенная окраска цветов. Сочетание небольших листьев при малом росте и крупных яркоокрашенных цветков свойственно многим альпийским растениям.

Характерная черта физиологии и биохимии высокогорных растений — повышение интенсивности окислительно-восстановительных процессов, увеличение активности участвующих в них ферментов (каталазы, пероксидазы и др.), более низкие, чем у равнинных растений, температурные оптимумы их работы.

По мере продвижения в горы меняется и сезонное развитие растений. Весной, поднимаясь в горы, можно видеть развитие одного и того же вида в такой последовательности: в низкогорном поясе — цветение, в среднем — бутонизацию, еще выше — начало вегетации и, наконец, только появление после таяния снега. Осенью же при подъеме в горы наблюдаем ускоренное наступление осенних фенофаз: расцвечивание листвы, листопад, отмирание надземных частей. Четко прослеживается сокращение у растений вегетационного периода.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >