Экологический фактор, закон толерантности, закон лимитирующего фактора
Экологи́ческие фа́кторы — свойства среды обитания, оказывающие какое-либо воздействие на организм.
Экологические факторы отличаются значительной изменчивостью во времени и пространстве. Например, температура сильно варьирует на поверхности суши, но почти постоянна на дне океана или в глубине пещер.
Один и тот же фактор среды имеет разное значение в жизни совместно обитающих организмов. Например, солевой режим почвы играет первостепенную роль при минеральном питании растений, но безразличен для большинства наземных животных. Интенсивность освещения и спектральный состав света исключительно важны в жизни автотрофных организмов (большинство растений и фотосинтезирующие бактерии), а в жизни гетеротрофных организмов (грибы, животные, значительная часть микроорганизмов) свет не оказывает заметного влияния на жизнедеятельность.
Экологические факторы могут выступать как раздражители, вызывающие приспособительные изменения физиологических функций; как ограничители, обусловливающие невозможность существования тех или иных организмов в данных условиях; как модификаторы, определяющие морфо-анатомические и физиологические изменения организмов.
Виды экологических факторов:
ПО ВРЕМЕНИ: эволюционный, исторический, действующий.
ПО ПЕРИОДИЧНОСТИ: периодический, непериодический.
ПО ОЧЕРЕДНОСТИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ: первичный, вторичный.
ПО ПРОИСХОЖДЕНИЮ: космический, абиотический, биогенный, биологический, биотический, природно-антропогенный, антропогенный, антропический.
ПО СРЕДЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ: атмосферный, водный (он же влажности), гео-морфологический, эдафический, физиологиче-ский, генетический, популяционный, биоценотический, экосистемный, биосферный.
ПО ХАРАКТЕРУ: вещественно-энергетический, физический, биотический, информационный, химический, экологический, эволюции, системообразующий, географический, климатический.
ПО ОБЪЕКТУ: индивидуальный, групповой.
ПО УСЛОВИЯМ СРЕДЫ: зависящий от плотности, не зависящий от плотности.
ПО СТЕПЕНИ ВОЗДЕЙСТВИЯ: летальный, экстремальный, лимитирующий, беспокоящий, мутагенный, тератогенный; канцерогенный.
ПО СПЕКТРУ ВОЗДЕЙСТВИЯ: избирательный, общего действия.
Закон толерантности.
В 1913 году американский эколог В. Шелфорд обобщил закон минимума Либиха, открыв, что кроме нижнего предела интенсивности существует также и верхний предел интенсивности факторов внешней среды, определяющий верхнюю границу диапазона интенсивностей, соответствующего условиям нормальной жизнедеятельности организмов. В этой формулировке закон, названный экологическим законом толерантности, стал иметь более общий универсальный характер.
Закон толерантности (лат. tolerantia — терпение): ” Каждый организм характеризуется экологическим минимумом и экологическим максимумом интенсивности каждого фактора внешней среды, в пределах которых возможна жизнедеятельность“.
Диапазон экологического фактора между минимумом и максимумом называется диапазоном или областью толерантности.
Несмотря на большое разнообразие экологических факторов, в характере их воздействия и в ответных реакциях живых организмов можно выявить ряд общих закономерностей.
Количественный диапазон фактора, наиболее благоприятный для жизнедеятельности, называется экологическим оптимумом (лат. оptimus — наилучший).
Значения фактора, лежащие в зоне угнетения, называются экологическим пессимумом (лат. pessimum — наихудший).
Минимальные и максимальные значения фактора, при которых наступает гибель, называются соответственноэкологическим минимумом и экологическим максимумом.
Закон лимитирующего фактора.
В 1840 году немецкий химик Юстус Либих, выращивая растения на синтетических средах, обнаружил, что для нормального роста растения необходимо определенное число и количество химических элементов и соединений. Одни из них должны находится в среде в очень больших количествах, другие в малых, а третьи вообще в виде следов. И, что особенно важно: одни элементы не могут быть заменены другими. Среда, содержащая все элементы в изобилии, кроме одного, обеспечивает рост растения лишь до того момента, пока количество последнего не будет исчерпано. Рост ограничивается, таким образом, нехваткой единственного элемента, количество которого было ниже необходимого минимума. Этот закон, сформулированный Ю. Либихом применительно к роли химических эдафических факторов в жизни растений и названный им законом минимума, имеет, как выяснилось позже, универсальный экологический характер и играет важную роль в экологии.
Закон минимума: “Если все условия окружающей среды оказываются благоприятными для рассматриваемого организма за исключением одного, проявленного недостаточно (значение которого приближается к экологическому минимуму), то в этом случае это последнее условие, называемое лимитирующим фактором, приобретает решающее значение для жизни или смерти рассматриваемого организма, а следовательно, его присутствия или отсутствия в данной экосистеме”.
17. Лимитирующие факторы развития индустриальной цивилизации – загрязнение ксенобиотиками и биогенными веществами.
Чужеродные вещества, поступающие в человеческий организм с пищевыми продуктами и имеющие высокую токсичность, называют ксенобиотиками, или загрязнителями.
"Под токсичностью веществ понимается их способность наносить вред живому организму. Любое химическое соединение может быть токсичным. По мнению токсикологов, следует говорить о безвредности химических веществ при предлагаемом способе их применения. Решающую роль при этом играют: доза (количество вещества, поступающего в организм в сутки); длительность потребления; режим поступления; пути поступления химических веществ в организм человека".
Наиболее распространённая в современной науке классификация загрязнителей продовольственного сырья и продуктов питания сводится к следующим группам:
1) химические элементы (ртуть, свинец, кадмий, др.);
2) радионуклиды;
3) пестициды;
4) нитраты, нитриты и нитрозосоединения;
5) вещества, применяемые в животноводстве;
6) полициклические ароматические и хлорсодержащие углеводороды;
7) диоксины и диоксинподобные вещества;
8) метаболиты микроорганизмов.
Выделяясь в кровоток, ксенобиотики серьезно нарушают здоровье, а также:
· снижают иммунитет, вызывают синдром хронической усталости, повышают риск возникновения онкологии;
· вызывают слабость, нервозность, раздражительность;
· нарушают сон, способствуют возникновению головных болей;
· ведут к функциональным расстройствам систем организма (запоры, кожные заболевания, ранний климакс, импотенция и др);
· приводят к нарушению памяти и мышления.
БИОГЕННОЕ ВЕЩЕСТВО
вещество, возникшее в результате жизнедеятельности организмов, например, уголь, нефть, битумы, известняки и пр.
Биогенное загрязнение – распространение определенных, как правило, нежелательных, с точки зрения людей, биогенных веществ (выделения мертвых тел и т.п.) на территории и/или акватории, где они ранее не наблюдались.
Человек потребляет на свои нужды огромное количество пресной воды. Основными ее потребителями являются промышленность и сельское хозяйство. Значительное количество таких опасных загрязняющих веществ, как пестициды, аммонийный и нитратный азот, фосфор, калий и др., смывается с сельскохозяйственных территорий. В основном они попадают в водоемы и водостоки без какой-либо очистки, а поэтому содержат высокую концентрацию органических веществ, биогенных элементов и других загрязнителей.
Главный же потребитель пресной воды — сельское хозяйство: на его нужды уходит 60-80 % всей пресной воды.
Расширенное производство (без очистных сооружений) и применение ядохимикатов на полях приводят к сильному загрязнению водоемов вредными соединениями. Загрязнение водной среды происходит в результате прямого внесения ядохимикатов при обработке водоемов для борьбы с вредителями, поступления в водоемы воды, стекающей с поверхности обработанных сельскохозяйственных угодий, при сбросе в водоемы отходов предприятий — производителей, а также в результате потерь при транспортировке, хранении и частично с атмосферными осадками.
Наряду с ядохимикатами сельскохозяйственные стоки содержат значительное количество остатков удобрений (азота, фосфора, калия), вносимых на поля. Кроме того, большие количества органических соединений азота и фосфора попадают со стоками от животноводческих ферм, а также с канализационными стоками. Повышение концентрации питательных веществ в почве приводит к нарушению биологического равновесия в водоеме.
18. Гомеостаз и сукцессия экосистем.
Гомеостаз (гр. homos — тот же, одинаковый, stasis — состояние) — это способность экосистемы поддерживать устойчивое динамическое равновесие в изменяющихся условиях среды. Стремление системы воспроизводить себя, восстанавливать утраченное равновесие, преодолевать сопротивление внешней среды. В основе гомеостаза лежит принцип обратной связи.
Устойчивость экосистем в экологии означает свойство системы возвращаться в исходное состояние после того, как она была выведена из состояния равновесия. Различают два типа устойчивости:
Резистентную и упругую.
Резистентная устойчивость (лат. resistentia — сопротивляемость) — способность экосистемы сопротивляться нарушениям, поддерживая неизменными свою структуру и функции.
Упругая устойчивость — способность системы быстро восстанавливаться после нарушения структуры и (или) функции.
Гомеостатические системы обладают следующими свойствами:
§ Нестабильность системы: тестирует, каким образом ей лучше приспособиться.
§ Стремление к равновесию: вся внутренняя, структурная и функциональная организация систем способствует сохранению баланса.
§ Непредсказуемость: результирующий эффект от определённого действия зачастую может отличаться от того, который ожидался.
Развитие экосистемы, называемое экологической сукцессией (succesio — преемственность, последовательность), можно определить по следующим трем характерным признакам:
1) это упорядоченный процесс развития биоценоза, связанный с изменениями во времени видовой структуры и протекающих в обществе процессов; он определенным образом направлен и, следовательно, предсказуем;
2) сукцессия происходит в результате изменения физической среды под действием биоценоза, т.е. сукцессия контролируется биоценозом, несмотря на то, что физическая среда определяет характер сукцессии, скорость изменения, а часто и устанавливает пределы, до которых может дойти развитие;
3) кульминацией развития является стабилизированная экосистема, в которой на единицу имеющегося потока вещества, энергии и информации приходится максимальная биомасса, максимальный генофонд и максимальное количество симбиотических связей между организмами для данного биотопа.
Смена стадий в сукцессиях вызывается тем, что популяции, стремясь модифицировать окружающую среду, создают условия, благоприятные для других популяций; это продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие между биотическим и абиотическим компанентами. Если сукцессионные изменения определяются в основном внутренними взаимодействиями, то говорят об самопорождающейся сукцессии. Если изменения вызываются внешними по отношению к экосистеме силами (шторм, пожар, антропогенные воздействия), то такую сукцессию называют порожденной извне. Например, вырубка в лесу быстро заселяется окружающими деревьями, луг может смениться на скальных склонах, голых песчаниках, на улицах покинутых поселков и т.п. Процессы сукцессии непрерывно идут по всей планете.
19. Популяция, отношения живых организмов в популяции.
Популя́ция (от лат. populatio — население) — это совокупность организмов одного вида, длительное время обитающих на одной территории.
Популяция — группа особей, способная к более-менее устойчивому самовоспроизводству относительно обособленная от других групп, с представителями которых (при половой репродукции) потенциально возможен генетический обмен. С точки зрения популяционной генетики, популяция — это группа особей, в пределах которой вероятность скрещивания во много раз превосходит вероятность скрещивания с представителями других подобных групп. Обычно говорят о популяциях как о группах в составе вида или подвида.
Отношения могут быть как внутри-, так и межвидовые.
Возможны следующие виды влияний одних организмов на другие:
§ Положительное (+) — один организм получает пользу за счёт другого.
§ Отрицательное (−) — организму причиняется вред из-за другого.
§ Нейтральное (0) — другой никак не влияет на организм.
Таким образом, возможны следующие варианты отношений между двумя организмами по типу влияния их друг на друга:
1) Симбиоз - такое сожительство особей двух видов, при котором оба партнёра вступают в непосредственное взаимодействие с внешней средой; регуляция отношений с последней осуществляется совместно усилиями, сочетанной деятельностью обоих организмов. В широком смысле С. охватывает все формы тесного сожительства организмов разных видов, включая и паразитизм, который в этом случае называется антагонистическим С.
2) Хищничество - трофические отношения между организмами, при которых один из них (хищник) атакует другого (жертву) и питается частями его тела, то есть обычно присутствует акт умерщвления жертвы. Иногда в широком смысле под этим термином понимают всякое выедание одних организмов другими.
3) Нейтрализм - межвидовое взаимодействие биотических факторов. Оба вида не оказывают никакого воздействия друг на друга. В природе истинный нейтрализм крайне редок или даже невозможен, поскольку между всеми видами возможны косвенные взаимоотношения. В связи с этим понятие нейтрализма часто распространяют на случаи, когда взаимодействие между видами слабое или несущественно.
4) Антибиоз - антагонистические отношения видов, когда один организм ограничивает возможности другого, невозможность сосуществования организмов, например из-за интоксикации одними организмами среды обитания других организмов. Случай, когда негативное воздействие направлено лишь в одну сторону называется аменсализм, обоюдное негативное влияние организмов описывается термином конкуренция.
20. Регулирование численности популяции.
Согласно Мальтусу, рост популяции подчиняется закону геометрической прогрессии, пищевые же ресурсы увеличиваются по закону арифметической прогрессии. Мальтус оправдывал «моральные» меры по ограничению рождаемости, например более поздние браки, которые должны привести к неизбежному уменьшению численности семей. Некоторые теоретики в своем анализе динамики популяции в примитивных сообществах целиком остаются на мальтузианских позициях.
Местные особенности физической и биотической среды — весьма неустойчивый фактор для групп, сохраняющих низкую и неизменную технику хозяйства. Размер популяции автоматически приспосабливается к изменениям природных ресурсов чаще всего за счет изменения смертности. В неблагоприятные годы смертность резко возрастает, а в периоды изобилия падает.
Концепция, к которой многие демографы пришли на основании наблюдений над жизнью простых сообществ и популяций животных, состоит в том, что популяция фактически стремится сохранить постоянную численность, и эта цель всегда более или менее достигается. Ле Гро Кларк писал: «Имеется достаточно данных, свидетельствующих о том, что за долгие годы существования первобытнообщинного строя люди приобрели смутное, но в основных чертах правильное представление о связи между занимаемой ими территорией, обычным прожиточным минимумом и численностью популяции.
Они не могли, конечно, предвидеть время наступления засухи или наводнения, но всегда по возможности принимали в расчет неизбежность «голодного сезона». Они стремились ограничить рост численности либо такими грубыми, но эффективными мерами, как аборт, детоубийство или пожизненное вдовство, либо посредством различных табу, запрещавших половые сношения в определенное время года. Стихийные бедствия, вредители и болезни брали у людей свою дань, но в целом узаконенное детоубийство, аборты и табу всегда давали древнему человеку способ регулировать рост популяции».