Основные абиотические факторы и их влияние на организмы
Существует ряд экологических факторов абиотической природы, влияние которых на живые организмы почти везде практически одинаково. К ним, например, относится сила тяготения (гравитация), являющаяся константой среды жизни, одним из важнейших ее условий. Она определяет форму тел организмов, особенно многоклеточных. Диоксид углерода в атмосфере и гидросфере определяет явление фотосинтеза - основу всей жизни. В каждой среде обитания на организмы действует своя совокупность абиотических факторов. Некоторые из них играют важную роль во всех трех основных средах (в воде, почве и на суше) или в двух.
Солнечный свет.Условия жизни организмов определяются общим потоком излучения в окружающей их среде. Организмы, которые живут на поверхности планеты или вблизи нее, воспринимают поток энергии, состоящий из солнечного излучения и длинноволнового теплового излучения от соседних тел. Именно эти два фактора обусловливают климатические условия среды - температуру, скорость испарения воды, движения воздуха и воды.
Характеристика солнечной радиации.Солнечная радиация, поступающая на поверхность Земли, составляет около 99,8% в общем балансе энергии планеты. Она поддерживает тепловой баланс Земли, обеспечивает водный обмен организмов, создание и превращение органического вещества автотрофным звеном биосферы. Все это в конечном итоге делает возможным формирование среды, которая способна удовлетворить жизненные потребности организмов.
Излучение Солнца, приходящее к верхней границе биосферы, равно 8,3 Дж/см2 в 1 мин. Эта величина носит название солнечной постоянной.Примерно 19% солнечной энергии поглощается при прохождении через атмосферу (облаками, аэрозолями, диоксидом углерода, водяными парами, озоном и кислородом), 34% отражается обратно в космическое пространство. Следовательно, лишь 47% ее достигает земной поверхности в виде прямой и рассеянной радиации.
Излучение, которое достигает почву или растительный покров, подразделяется на коротковолновое (300-4000 нм) и длинноволновое (более 4000 нм). Ультрафиолетовые лучи короче 290 нм, губительные для живых организмов, поглощаются озоновым слоем и до поверхности планеты практически не доходят.
Наибольшее значение для жизнедеятельности организмов имеет коротковолновая радиация; она в свою очередь условно разделяется на ультрафиолетовую (менее 400 нм), видимую (400-760 нм) и близкую инфракрасную (760—4000 нм) радиацию.
Длинноволновые УФ-лучи, которые обладают большой энергией фотонов, характеризуются высокой химической активностью. В больших дозах они вредны для организмов, в малых - необходимы многим из них. УФ-лучи в диапазоне 250-300 нм оказывают мощное бактерицидное действие, а при длине волны 200-400 нм вызывают у человека загар, который является защитной реакцией кожи.
В пределах видимого участка спектра выделяют фотосинтетически активнуюрадиацию (длина волн 380-710 нм), ее энергия поглощается пигментами листа и имеет решающее значение в жизни растений, обеспечивая фотосинтез.
Адаптационные ритмы жизни.Из-за осевого вращения Земли и движения вокруг Солнца развитие жизни на планете происходило в условиях регулярной смены дня и ночи, а также чередования времен года. Подобная ритмичность создает в свою очередь периодичность,т.е. повторяемость условий в жизни большинства видов. При этом вполне закономерно изменяется и действие большого числа экологических факторов: освещенности, температуры, влажности, давления атмосферного воздуха, всех компонентов погоды. Проявляется регулярность в повторении как критических для выживания периодов, так и благоприятных.
К указанным ритмам организмы приспособлены таким образом, что их физиологическое состояние и поведение изменяются в полном соответствии с циклическими изменениями внешней среды. Для жизнедеятельности разных видов организмов выделяют суточные, годовыеи приливно-отливныеритмы.
Суточные ритмыприспосабливают организмы к смене дня и ночи. При этом суточный ритм может влиять на многие процессы в организме. Так, у человека около ста физиологических характеристик подчиняются суточному циклу: кровяное давление, температура тела, частота сокращения сердца, ритм дыхания, выделение гормонов и многие другие.
Годовые ритмыприспосабливают организмы к сезонной смене условий. Благодаря этому, например, самые уязвимые для многих видов процессы размножения и выращивания молодняка приходятся на наиболее благоприятный сезон.
Имеющие место кратковременные изменения погоды (зимние оттепели, летние заморозки) не нарушают, как правило, годовых ритмов растений и животных. Поэтому следует подчеркнуть, что основным экологическим периодом, на который реагируют организмы в своих годовых циклах, является не случайное изменение погоды, а фотопериод,т.е. изменение в соотношении дня и ночи.
Общеизвестно, что длина светового дня закономерно изменяется в течение года, и именно это служит весьма точным сигналом приближения весны, лета, осени и зимы. Способность организмов реагировать на изменение длины дня называется фотопериодизмом.
В процессе эволюции выработались характерные временные циклы с определенной последовательностью и длительностью периодов размножения, роста, подготовки к зиме, т.е. биологические ритмыжизнедеятельности организмов в определенных условиях среды.
Интенсивность светавлияет на первичное продуцирование органического вещества фотоавтотрофами. При этом фотосинтетическая деятельность как у наземных, так и у водных фотоавтотрофов связана с интенсивностью света линейной зависимостью вплоть до оптимального уровня светового насыщения.
Ультрафиолетовые лучиимеют самую высокую энергию квантов и соответственно наибольшую фотохимическую активность. У растений и животных УФ-лучи способствуют синтезу некоторых биологически активных соединений, например, витаминов.
Видимый светдля фототрофных и гетеротрофных организмов имеет разное экологическое значение. У зеленых растений сформировался светопоглотительный пигментный комплекс, способствующий осуществлению процесса фотосинтеза, возникновению яркой окраски цветков, которая привлекает опылителей. Свет влияет на деление и растяжение клеток, ростовые процессы и на развитие растений, определяет сроки цветения и плодоношения. Для животных чрезвычайно важна роль видимого света, его спектральных участков и плоскости поляризации в целях пространственной ориентации, в регуляции многих физиолого-биохимических процессов.
Температура.Из всего комплекса факторов температура занимает по своей значимости второе место после света почти во всех средах обитания. Экологическое значение тепла состоит, прежде всего, в том, что температура окружающей среды определяет температуру организмов, она также оказывает непосредственное влияние на скорость и характер протекания всех химических реакций, определяющих обмен веществ. Для многих из них может быть применим закон Вант-Гоффа,согласно которому при повышении температуры на 10 градусов они ускоряются в 2-3 раза.
Любой организм способен существовать лишь в определенном диапазоне температуры, ограниченном нижней летальной (смертельной) и верхней летальной температурой. Оптимальнойбудет та температура, которая наиболее благоприятна для жизнедеятельности и роста.
Адаптации организмов к температуре.Живые организмы в ходе длительной эволюции выработали разнообразные приспособления, которые позволяют регулировать обмен веществ при изменениях температуры окружающей среды. Это достигается: 1) различными биохимическими и физиологическими перестройками в организме, к которым относятся изменение концентрации и активности ферментов, обезвоживание, понижение точки замерзания растворов тела и т.д.; 2) поддержанием температуры тела на более стабильном температурном уровне, чем температура среды обитания, что позволяет сохранить сложившийся для данного вида ход биохимических реакций.
Биохимические адаптации к температуре.Многие растения и животные при постепенной подготовке успешно переносят в состоянии глубокого покоя или анабиоза предельно низкие температуры: некоторые насекомые переносят понижение температуры до — 45°С, лиственница в районе Верхоянска выдерживает от —50 до —70°С. Эта холодостойкость обусловлена способностью клеток накапливать вещества с криопротекторными (холоднозащитными) свойствами: глицерина, сахарозы и др. Такие изменения пределов выносливости под влиянием предшествующих условий называют акклимацией.
Морфологические адаптации.Температура среды оказывает влияние на форму и строение растительных и животных организмов, т.е. их морфологию. Согласно правилу Бергмана, если два близких вида теплокровных животных отличаются размерами, то более крупный обитает в более холодном, а мелкий — в теплом климате. Это обусловлено тем, что с увеличением размера тел животных при продвижении на север уменьшается относительная поверхность тела, а значит, и теплоотдача. Отметим также, что у теплокровных животных выступающие части тела (например, уши у зайца, лисы) в холодном климате короче, чем в теплом, поэтому в первом случае они отдают в окружающую среду меньше тепла (правило Д. Аллена).
Физиологические адаптации.Вырабатываемое живыми организмами тепло как побочный продукт биохимических реакций может служить источником повышения температуры их тела. Поэтому многие организмы, используя физиологические процессы, могут в определенных пределах менять температуру своего тела. Эту способность называют терморегуляцией.
Имеются организмы с непостоянной температурой тела - пойкилотермные(холоднокровные) и организмы с постоянной температурой - гомойотермные(теплокровные). Пойкилотермия свойственна всем микроорганизмам, растениям и беспозвоночным животным. Гомойотермия характерна только для представителей двух высших классов позвоночных - птиц и млекопитающих (в т.ч. человека). Частный случай гомойотермии - гетеротермия - характерен для животных, которые впадают в оцепенение или спячку при наступлении неблагоприятного периода года (сурки, суслики, ежи, летучие мыши и др.). В активном состоянии они способны поддерживать высокую температуру тел, а в неактивном - пониженную, что сопровождается замедлением обмена веществ. Отметим также, что в жаркое время года включаются физиологические механизмы, препятствующие перегреву. Так, у растений усиливается транспирация (испарение) воды с поверхности листьев.
Влажность.Протекание всех биохимических процессов в клетках и нормальное функционирование организма в целом возможны только при достаточном обеспечении его водой. Она является одновременно и климатическим, и эдафическим (средообразующим) фактором, поскольку многим организмам, особенно растениям, вода требуется в определенном состоянии и в атмосфере, и в почве. В растениях вода присутствует в двух формах: свободной и связанной (в последнем случае ее водород химически связан в тканях растений).
Об исключительно важном биологическом значении воды свидетельствует тот факт, что тела живых организмов в основном состоят из воды. В растениях ее от 40 до 90%. В стволах деревьев содержится 50-55%, их листьях – 79-82%, листьях трав – 83-86%, плодах томатов и огурцов – 94-95%, в водорослях – 96-98%. Растения погибают при потере около 50% воды.
Организм новорожденного состоит из воды приблизительно на 75%. В теле взрослого человека ее содержание достигает 63%. Для человека необходимо постоянно поддерживать и обновлять запасы воды в своем организме, потребляя в сутки не менее 2-3 л воды. Обезвоживание организма на 10% уже опасно, а на 25 - смертельно для человека.
Режим температуры и осадков на некоторой территории в течение достаточно долгого периода времени называют климатом.
Известно, что климат в разных районах планеты неодинаков. Годовая сумма осадков меняется от практически 0 до 2500 мм и более. Среднегодовая температура также варьирует от отрицательных величин до почти 38°С.
Действие многих абиотических факторов, включая рельеф, ветер, тип почв и т.д., проявляется опосредовано - через температуру и (или) влажность. Вследствие этого на небольшом участке земной поверхности климатические условия могут существенно отличаться от средних для данного региона в целом. Такие локальные (местные) условия называются микроклиматом. Он формируется, например, на опушке леса, склоне холма, берегу озера, в норе и т.п.
Физические свойства воды - плотность, удельная теплоемкость, растворенные в ней соли и газы, водородный показатель рН, а также ее движение являются для обитателей водной среды экологическими факторами их приспособления и выживания.
Классификация организмов по отношению к влажности (а, следовательно, и распределение по различным местообитаниям) включает следующие группы: 1) организмы водные или гидрофильные (гидрофиты) - живут постоянно в воде; 2) организмы гигрофильные (гигрофиты) - могут жить только в очень влажных местообитаниях с воздухом, насыщенным или близким к насыщению (нижние ярусы серых лесов, заболоченные участки). К этой группе относятся и большинство взрослых особей амфибий (например, лягушки), кровососущие комары, дождевые черви и многие другие представители почвенной фауны; 3) организмы мезофильные (мезофиты), отличающиеся умеренной потребностью в воде или во влажности атмосферы и могущие переносить смену сухого и влажного сезонов. К ним относится большое количество животных умеренного пояса и большинство культурных растений; 4) виды ксерофильные (ксерофиты), живущие в сухих местообитаниях с недостатком воды как в воздухе, так и в почве (пустыни и прибрежные дюны). Среди животных эта группа представлена многочисленными насекомыми, они отличаются особенной адаптацией к сухости. Отдельный вид улиток может оставаться жизнеспособным более четырех лет, впадая в летнюю спячку, когда становится слишком сухо.
Атмосферный воздух.Представляя собой физическую смесь газов различной природы, воздух имеет для всего живущего исключительное значение. Он является той материальной средой, с которой тесно связана жизнедеятельность практически всех организмов. С позиции экологии воздух это не только газовая оболочка планеты, но и газовая компонента почвы, растворенные газы природных вод и тканевых жидкостей организмов. Подобно другим экологическим факторам, воздух, воздействуя физически и химически на земную кору, обусловливает важнейшие геологические процессы, которые протекают на поверхности планеты.
Состав чистого сухого воздуха практически одинаков во всех местностях земного шара: (в объемных процентах): азот - 78,01; кислород - 20,95; аргон - 0,93; диоксид углерода - 0,032% об. Помимо аргона, воздух содержит малые количества других благородных газов (неона, гелия, криптона, ксенона), а также водорода, озона, диоксида серы, и др. В воздухе имеются также водяной пар (до 4%), количество которого определяется температурой, эфирные масла и другие выделения растений.
Кислород является жизненно необходимым для абсолютного большинства живых организмов. Только анаэробные бактерии могут развиваться в бескислородной среде. Благодаря кислороду протекают экзотермические реакции, в результате которых освобождается необходимая для жизнедеятельности организмов энергия. В химически связанном состоянии кислород входит в состав многих важных органических и минеральных соединений живых организмов. Первостепенна роль кислорода в процессах дыхания животных и растительных организмов: при содержании его в воздухе на уровне 14% многие млекопитающие гибнут.
Диоксид углерода С02 является одной из важнейших и преобладающих форм первостепенного биогенного элемента углерода в природе. Обладая особыми физическими и химическими свойствами, он является циркулирующей формой неорганического углерода. Вследствие относительно небольшого количества этого газа в воздухе даже небольшие колебания в его содержании заметно отражаются на процессе фотосинтеза.
В природе основным источником диоксида углерода служит так называемое почвенное дыхание. Особенно мощным антропогенным загрязнителем атмосферы диоксидом углерода служит теплоэнергетика.
Азот воздуха является нейтральным газом для большинства организмов, особенно животных. Однако для значительной группы микроорганизмов (клубеньковых бактерий, сине-зеленых водорослей и др.) азот является фактором жизнедеятельности. Названные микроорганизмы, усваивая молекулярный азот, после отмирания и минерализации снабжают корни высших растений доступными формами этого элемента. Тем самым азот включается в азотсодержащие вещества растений (аминокислоты, белки, пигменты и др.). В дальнейшем биомасса этих растений потребляется травоядными животными и т.д. по пищевой цепи.
Озон является одним из важнейших компонентов воздуха. Он имеет существенное эколого-биологическое значение, несмотря на крайне низкое количественное содержание в атмосфере (6% х10 -5% по массе). Это связано с тем, что молекула озона 03 весьма активно поглощает коротковолновое УФ-излучение Солнца и таким образом является защитным экраном от жесткого, короче 280 нм, УФ-излучения, крайне опасного для всего живого на Земле.
Аргон, неон, гелий и другие благородные газы атмосферы в экологическом плане считаются нейтральными (на данном уровне знания).
Загрязнения антропогенного происхождения, поступающие в воздух, весьма существенно влияют на живые организмы. Особенно это присуще ядовитым газообразным веществам — диоксиду серы, метану, оксиду углерода (II), диоксиду азота, сероводороду, соединениям хлора, а также частицам пыли, свинца и т.п. Например, лишайники погибают даже при следах диоксида серы в воздухе среды их обитания.
Геомагнитное поле. Магнитное поле планеты удерживает электроны и ядра водорода, которые образуют вокруг Земли радиационный пояс.
Изменения в геомагнитном поле (ГМП) в основном связаны с солнечной активностью. Циклические возмущения ГМП достигают минимума одновременно с минимумом солнечной деятельности или на год позже. Вспышки на Солнце вызывают более мощные корпускулярные потоки, которые возмущают магнитное поле Земли. При этом быстро и сильно меняются характеристики магнитного поля, возникает т.н. «магнитная буря».
Аналогично гравитационному полю, ГМП является всепроникающим и всеохватывающим физическим фактором, который неизбежно оказывает влияние на процессы, происходящие на Земле и в окружающем ее пространстве, воздействует на все живое, в том числе и на человека. Это влияние носит весьма сложный характер, по-видимому, оно проявляется на клеточном уровне и затрагивает генетический аппарат. Поэтому изучение характера магнитного поля и воздействия на живые организмы представляет одно из новых и перспективных направлений в биологии и медицине. Достоверно установлено, что в периоды магнитных бурь возрастает количество сердечно-сосудистых заболеваний, ухудшается состояние больных, страдающих гипертонией.
Ионизирующее излучение - это любой вид излучения, прохождение которого через вещество, живую клетку, ткани, организм вызывает ионизацию и возбуждение составляющих их молекул и атомов. При этом различают квантовое(электромагнитное) ионизирующее излучение, к которому относят ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и гамма лучи,а также корпускулярноеионизирующее излучение, к которому относятся альфа-лучи (ядра атомов гелия), бета-лучи (электроны или позитроны), потоки протонов и других частиц.
В природе ионизирующими излучениями являются космические лучи и излучения радиоактивных веществ. Космические лучи - поток атомных ядер (в основном протонов) высокой энергии, приходящих на Землю из мирового пространства (первичное излучение), а также образуемое ими в атмосфере планеты (вторичное излучение), в котором встречаются практически все известные элементарные частицы.
Радиационный фон Землискладывается из разных источников. Около 30% естественного фона ионизирующих излучений составляют космические лучи, до 70 % - излучения рассеянных в земной коре, почве, атмосфере, воде радиоактивных элементов — тория, урана, радия. Продукты их распада образуют альфа-, бетта- и гамма-излучения.
Природные лучевые нагрузки организмов формируются за счет внешнего и внутреннего их облучения от естественных источников ионизирующего излучения. Внешнее облучение бионтов,т.е. живых организмов, формируется тремя составляющими: 1) космическим излучением; 2) излучением радионуклидов, рассеянных в биосфере; 3) излучением материалов и сооружений, созданных человеком.
Чувствительность организмов к ионизирующим излучениям. Впроцессе исторического развития все живые существа приобрели способность благополучно переносить естественный фон ионизирующего излучения; превышение этого фона представляет опасность для каждого организма. Только ионосфера защищает жизнь на Земле от губительного коротковолнового жесткого космического излучения. Важно подчеркнуть, что в воздействиях последнего на организмы не существует низшей пороговойдозы.
Ионизирующее излучение значительно превосходит все известные виды излучений по глубине исиле воздействия на организм. Различные биологические объекты обладают неодинаковой устойчивостью к его действию. Даже одни и те же клетки в зависимости от стадии клеточного цикла имеют разную чувствительность. Наиболее устойчивы к действию ионизирующих излучений микроорганизмы, наименее — млекопитающие.
При поглощении энергии ионизирующего излучения в организме млекопитающих наблюдаются разнообразные морфологические и функциональные нарушения, приводящие к развитию острой или хронической форм лучевой болезни.
Наиболее чувствительны к облучению костный мозг, некоторые отделы кишечника, селезенка.
Огонь как экологический фактор. В сочетании с определенными климатическими условиями (сушь, ветер) он может привести к полному или частичному выгоранию растительности в большинстве наземных местообитаний, гибели животных и микроорганизмов. Основной причиной возгораний в естественных условиях являются молнии, однако ныне все большее значение приобретают пожары, вызванные человеком: по некоторым данным ежегодно в мире огонь уничтожает растительность на площадях в десятки млн. га. Как следствие, в атмосферу поступают огромные количества диоксида углерода и других веществ, что приводит к заметным экологическим последствиям. Кроме прямого воздействия огня на живые организмы, экологически значимым является его косвенное воздействие. Это проявляется, например, прежде всего в ликвидации конкурентов для оставшихся в живых видов.
В местностях, для которых характерны сухой климат и хорошо развитый растительный покров, многие растения в процессе эволюции приспособились к огневому воздействию и постепенно сформировали пирофитную(дословно: огнелюбивую) флору.Растения-пирофиты (дуб, белый ракитник и др.) обладают уникальными особенностями: быстрый рост и раннее плодоношение; твердая и прочная кожура семян; высокая огнестойкость коры стволов; высоко поднятая крона; высокая регенерационная способность корневых систем и т.п.
Питание как экологический фактор. Питаниемназывается процесс потребления энергии ивещества. Известны два способа питания: голофитный - без захвата пищи (посредством всасывания растворенных пищевых веществ через поверхностные структуры организма) и голозойный— посредством захвата частиц пищи внутрь тела. Пищевые вещества, попавшие в организм, вовлекаются в процессы метаболизма. Метаболизмпредставляет собой совокупность взаимосвязанных и сбалансированных процессов, включающих разнообразные химические превращения веществ в организме. Реакции синтеза сложных веществ, осуществляющиеся с потреблением энергии, составляют основу анаболизма,или ассимиляции.
Пища - важнейший экологический фактор. Ее качество и количество способны изменять плодовитость, продолжительность жизни, развитие и смертность живых существ. Помимо этого, разнообразие пищевых рационов лежит в основе многочисленных морфологических, физиологических и экологических адаптаций. Действительно, большинство жизненных приспособлений и функций любых видов организмов так или иначе связаны с питанием. Ими являются приспособления растений к почвам, растительноядных животных к поискам корма, хищников - к захвату добычи. Большинство пищевых отношений носит взаимоприспособительный характер. Весьма тонки взаимные приспособления цветов и их опылителей, плодов и распространителей семян, паразитов иих хозяев, хищников и их жертв.
Изучение качества пищи является, как известно, задачей физиологов. Экологи исследуют влияние пищи на численность, продолжительность жизни, скорость роста и плодовитость живых организмов.
Биотические факторы среды
В природной обстановке на каждый организм или группу организмов действуют не только абиотические факторы, но и остальные живые существа. Последние являются неотъемлемой частью среды обитания и относятся к категории биотических факторов. К ним обычно относят совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие.
Взаимоотношения между животными, растениями, микроорганизмами чрезвычайно многообразны. Различают гомотипические реакции, т.е. взаимодействие особей одного и того же вида, и гетеротипические – отношения представителей разных видов.
Представители разных видов способны существовать в таком биотическом окружении, где связи с другими организмами обеспечивают им нормальные условия жизни. Главной формой проявления этих связей служат пищевые взаимоотношения организмов различных категорий, составляющие основу пищевых (трофических) цепей, сетей и трофической структуры биоты.
Кроме пищевых связей, между растительными и животными организмами возникают также пространственные взаимоотношения. В результате действия многих факторов разнообразные виды объединяются не в произвольном сочетании, а только при условии приспособленности к совместному обитанию.