Лекция 4: ОСНОВНЫЕ СРЕДЫ ЖИЗНИ. 1. Понятие среды

Лекция 4: ОСНОВНЫЕ СРЕДЫ ЖИЗНИ.
1. Понятие среды обитания.
2. Водная среда обитания (гидросфера).
3. Наземно-воздушная среда обитания (атмосфера).
4. Почва как среда обитания (литосфера или педосфера).
5. Организм как среда обитания.
1.
Каждый отдельный организм, являясь самостоятельной биологической
системой, постоянно находится в прямых или косвенных отношениях с
разнообразными компонентами и явлениями окружающей его среды, или
иначе, среды обитания, влияющими на состояние и свойства организма.
Среда – одна из основных экологических понятий, которая означает
весь спектр окружающих организм элементов и условий в той части
пространства, где обитает организм, все то, среди чего он живет и с чем
непосредственно взаимодействует. При этом организмы, приспособившись к
определенному
комплексу
конкретных
условий,
в
процессе
жизнедеятельности сами постепенно изменяют эти условия, т.е. среду своего
существования.
Составные части
среды и свойства многообразны и изменчивы. В
земных условиях существуют четыре основных типа среды обитания живых
организмов: водная, наземная (воздушная), почвенная, а также тело других
организмов. Первой была освоена водная среда. Затем появились паразиты и
симбионты, использующие организменную среду обитания. В дальнейшем
после выхода жизни на сушу, живые организмы населили наземновоздушную среду, а одновременно с этим создали и заселили почву.
1
Сравнительная характеристика сред обитания и адаптаций к ним
живых организмов.
Среда
Водная
Почвенная
Наземновоздушная
Организменная
Характеристика
Самая древняя. Освещенность убывает
с глубиной. При погружении на каждые
10 м давление возрастает на 1
атмосферу.
Дефицит
кислорода.
Степень солености возрастает от
пресных
вод
к
морским
и
океаническим.
Относительно
однородная
(гомогенная)
в
пространстве и стабильная во времени.
Создана
живыми
организмами.
Осваивалась одновременно с наземновоздушной средой. Дефицит или
полное отсутствие света. Высокая
плотность. Четырехфазная (твердая,
жидкая,
газообразная,
живые
организмы).
Неоднородная
(гетерогенная) в пространстве. Во
времени условия более постоянны. Чем
в наземно-воздушной среде обитания.
Но более динамичны. Чем в водной и
организменной.
Разреженная. Обилие света и
кислорода гетерогенная в пространстве.
Очень динамичная во времени.
Адаптация организма к
среде
Обтекаемая форма тела,
плавучесть,
слизистые
покровы,
развитие
воздухоносных
полостей,
осморегуляции
Форма тела вальковатая,
слизистые покровы или
гладкая поверхность, у
некоторых
копательный
аппарат,
развитая
мускулатура. Для многих
групп
характерны
микроскопические
или
мелкие
размеры
как
приспособление к жизни в
пленочной
воде
или
воздухоносных порах.
Выработка
опорного
скелета,
механизмов
регуляции
гидротермического режима.
Освобождение
полового
процесса от жидкой среды.
Адаптация паразита и хозяина,
симбионтов друг к другу,
синхронизация биоритмов, выработка
у паразита защиты от переваривания
хозяином, усиление полового
размножения. Редукция зрения,
пищеварительной системы.
2.
Водную
среду
обитания
образуют
важнейшие
компоненты
гидросферы Земли: Мировой океан, континентальные воды и подземные
воды. К континентальным водам относятся реки, озера, ледники. Постоянные
обитатели гидросферы называются гидробионтами.
2
Состав водной среды. Большая часть поверхности Земли (около 366 из
510 млн. км2, или 72%) покрыто водой. Распространение жизнедеятельность
организмов в водной среде в значительной степени зависит от ее
химического состава. Водные организмы подразделяются на пресноводные и
морские, в зависимости от солености воды, в которой они обитают.
Соленость океанской воды изменяется как по глубине, так и по акватории. В
Северном Ледовитом океане она ниже, в Красном море выше. Содержание
солей в воде Мирового океана достигает 26-27%, тогда как концентрация
солей в пресных водоемах около 0,05%.
Соли
и
другие,
растворенные
в
воде
вещества,
находятся
преимущественно в виде ионов. Состав солей разнообразен, в океанической
воде встречаются практически все химические элементы и их изотопы.
Главный компонент солей морской воды - хлорид натрия, в пресных водах
преобладают карбонаты.
Любые воды в природных водоемах, помимо растворенных веществ,
содержат некоторое количество взвешенных частиц, наличие которых
характеризует мутность воды, или прозрачность, а также световой режим в
глубине водоема.
Один из основных комплексных показателей химического состава
водной
среды
–
кислотность
(рН).
Одни
организмы
эволюционно
приспособлены к жизни в кислой среде (рН˂7), другие в щелочной (рН˃7),
третьи в нейтральной (рН-7).
В составе природной водной среде всегда присутствуют растворенные
газы, из которых первоочередное значение имеют кислород и диоксид
углерода, участвующий в фотосинтезе и дыхании водных организмов. В
целом масса растворенных газов почти в 30 раз меньше массы газов в
атмосфере. Среди прочих растворенных в океане газов наиболее заметны
сероводород, аргон, метан. Благодаря высокой электропроводности воды
делает возможным развитие электрических органов: высоковольтных
(защита, нападение) и низковольтных (получение информации). Красная
3
часть спектра поглощается водой, а синяя часть – рассеивается; иногда
красные лучи доходят лишь до глубины 10 м, а сине-зеленые – до 160 м и
более. По освещенности выделяют зоны:
-эуфотическую – благоприятные условия для фотосинтеза;
- дисфотическую, или сумеречную зона – неблагоприятные условия для
фотосинтеза (здесь обитают, преимущественно, красные водоросли и
цианобактерии);
- афотическую – фотосинтез невозможен.
По содержанию биогенов различают:
- эутрофные воды – высокое содержание биогенов;
- мезотрофные воды – умеренное содержание биогенов;
- олиготрофные воды – низкое содержание биогенов;
- дистрофные воды – высокое содержание биогенов.
3.
Наземно-воздушная среда –
самая сложная по
экологическим
условиям. Постоянные обитатели наземно-воздушной среды обитания
называются аэробионты. Особенностями наземно-воздушной среды обитания
и приспобленности организмов к специфическим экологическим факторам:
1. Недостаток воды часто является лимитирующим фактором для
наземных организмов.
2. Низкая теплоемкость и низкая теплопроводимость воздуха приводят
к
значительным
перепадам
температуры:
при
изменении
прямой
освещенности, суточные перепады, сезонные перепады. В тоже время низкая
теплоемкость и низкая теплопроводимость воздуха делают возможным
развитие теплокровности у птиц и млекопитающих.
3. Низкая вязкость и низкая плотность воздуха позволяют приобретать
разнообразную форму тела у животных. В тоже время лимитирующим
фактором
становится гравитация. Для летающих животных необходимо
формирование обтекаемой формы тела и крыльев. Для крупныхживотных
4
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.
4.
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).
Почвы – слой веществ, лежащих на поверхности земной коры. Она
представляет собой продукт физического, химического и биологического
преобразования горных пород и является трехфазной средой, включая
твердые, жидкие и газообразные компоненты, находящиеся в следующих
соотношениях в (%):
- минеральная основа – обычно 50-60% от общего составы;
- органическое вещество – до 10;
- вода 25-35;
- воздух 15-25.
Структура почвы определяется относительным содержанием в ней
песка, глины т.д.
Вода необходима всем почвенным организмам, она поглощается
корнями
растений и принимает участие в процессах разрушения
5
материнской пород, подстилающей почву. Благодаря воде происходит
миграция и дифференциация химических элементов в почве.
Поры почвы, не
занятые водой, заполняет почвенный воздух. По
сравнению с составом атмосферного воздуха из-за дыхания организмов с
глубиной уменьшается содержание кислорода (10%) и увеличивается
концентрация диоксида углерода (достигая 19%). В результате вытеснения
воздуха водой, происходит заболачивание почвы. Постоянные обитатели
почвы называются эдафобионты.
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;
- стабильный температурный режим;
- низкая освещенность (за исключением самых поверхностных слоев) –
лимитирующий фактор для фотосинтезирующих организмов;
- неоднородность почвы по вертикали и горизонтали создают условия
для формирования множества экологических ниш.
5.
Любой организм (даже самый маленький) 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 зависимости от типа взаимоотношений между
симбионтами возможны симбиотические взаимодействия: комменсализм,
паразитизм, мутуализм.
6
Паразитизм – взаимоотношения организмов, при которых один вид
(паразит) использует другой (хозяина) как среду жизни и как источник
жизни.
Паразитизм возник в процессе тесного контакта разных видов
организмов на основе пищевых и пространственных связей и встречается на
всех уровнях организации живого, начиная с вирусов и бактерии, и кончая
высшими растениями и животными. Наиболее широко он распространен
среди низших и мелких растений и животных – вирусов, бактерий, грибов,
простейших, червей, членистоногих.
Комменсализм – или нахлебничество, форма симбиоза, при которой
один из партнеров системы питается (комменсал) остатками пищи или
продуктами выделения другого (хозяина), не причиняя последнему вреда.
Например, многие птицы (жаворонки, овсянки, воробьи) кормятся на
экскрементах копытных, выбирая оттуда непереваренные зерна растений.
Мутуализм – форма симбиоза, взаимовыгодное сожительство разных
видов. Классический пример мутуализма – сожительство рака-отшельника и
актинии. Широко распространенные лишайники – не что иное, как симбиоз
между водорослями и грибами.
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-соляного
режима. Положительные стороны организма как среды обитания приводят к
дегенерации тела эндосимбионтов. В тоже время организм как среда
обитания имеет отрицательные стороны: ограниченность жизненного
пространства, недостаток кислорода, трудности с распространением от одной
особи хозяев к другой, защитные реакции организма хозяина. Недостаток
света.
Отрицательные стороны организма как среды обитания приводят к
появлению соответствующих черт специализации у эндосимбионтов:
7
- ограниченность жизненного пространства приводит к возрастанию
конкуренции
между
эндопаразитами,
(например,
цепни-солитеры
существуют в кишечнике хозяина в единственном экземпляре);
- недостаток кислорода приводит к переходу на анаэробное дыхпние и
даже утрате дыхательных ферментов (взрослые аскариды);
- трудности с распространении от одной особи хозяев к другой
приводит
к
гипертрофированию
половых
систем
и
повышению
плодовитости, к гермафродитизму (или постоянному контакту разнополых
особей, к появлению различных способов бесполого размножения, к
формированию жизненных циклов со сменой хозяев.
- защитные реакции организма хозяина приводят к формированию
различных прикрепительных органов, мощных защитных покровов и даже к
изменению антигенной структуры (особенно у вирусов).
- недостаток света для фотоавтотрофных организмов приводит к тому,
что фототрофные эндосимбионты могут населять только поверхностные слои
тела хозяина.
8