ФАКТОРЫ СРЕДЫ Отдельные свойства или элементы среды, воздействующие на организмы, называются экологическими факторами. Факторы среды многообразны. Они могут быть необходимы или, наоборот, вредны для живых существ, способствовать или препятствовать выживанию и размножению. Они имеют разную природу и специфику действия. Один и тот же фактор среды имеет различное значение в жизни совместно обитающих организмов разных видов. Например, сильный ветер зимой неблагоприятен для крупных, обитающих открыто животных, но не действует на более мелких, которые укрываются в норах или под снегом. Солевой состав почвы важен для питания растений, но безразличен для большинства наземных животных и т. п. Некоторые свойства среды остаются относительно постоянными на протяжении длительных периодов времени в эволюции видов. Таковы сила тяготения, солнечная постоянная, солевой состав океана. Большинство экологических факторов – температура, влажность и т. д. – очень изменчивы в пространстве и времени. Классификация факторов среды Классификация факторов среды (Пивоварова, 1996) Классифика ция I. Абиотические: 1. Климатические: а) свет; б) температура; в) влажность; 2. Почвенные. 3. Орографические (влияние рельефа) Определе ние Значение для организма Воздействие факторов неживой природы на организмы Осуществление всех жизненно важных процессов выживания, расселения и размножения. Выра ботка биоритмов и явления фотопериодизма, основных закономерностей географического распространения по планете. II. Биотические: 1. Воздействие растений. 2. Воздействие животных. Воздействие живых организмов на окружающую среду Например: смягчающее воздействие растительности и отдельных экземпляров растений (куст саксаула в пустыне) на окружающую среду, обогащение воздуха фитонцидами, смягчение дей ствия ветров, усиление выпадения осадков над лесными массивами косвенно благоприятно воздействует на организмы, обитающие там. Животные участвуют, в разложении органического вещества, создании гумуса, оструктуривании почвы и косвенно создают благоприятные условия для размножения и поддерживания численности своей популяции и микроорганизмов в почве. III. Антропогенные: 1. Положительные. 2. Отрицательные. Воздействие деятельности че ловека на Положительное воздействие человека, безусловно, связано с работами по увеличению площади лесных массивов, сохранению естественных ландшафтов окружающую среду как лона жизни всех видов растений и животных, в том числе и человека, а отсюда и косвенное облагораживающее и оздоравливающее обратное воздействие природы на человека. Отрицательное воздействие, к сожалению, куда как больше и связано с экологически неграмотным отношением человека к при роде. Встречаются различные интерпритации классификаций факторов среды: По происхождению (Горышина, 1979) Фактор абиотический – все свойства неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на живые организмы (температура, свет, влажность, плотность, солевой состав и др.). Фактор климатический – совокупность факторов, определяющих климат окружающей среды (свет, тепло, состав и движение воздуха, влажность почвы). Фактор эдафический – механический и химический состав почв, их физические свойства и т. д. Фактор топографический – условия рельефа. Фактор биотический – формы воздействия живых существ друг на друга (симбиоз, паразитизм, конкуренция и т. д.). Фактор зоогенный – влияние животных на другие организмы (поедание, вытаптывание, опыление, распространение семян). Фактор косвеннодейстствующий – фактор, влияющий на организм через изменение других факторов (действие тепла на влажность почвы, а через нее – на водный режим растения). Фактор прямодействующий – фактор непосредственно действующий на обмен веществ, формообразовательные процессы, развитие организма (действие тепла на рост растения). Фактор фитогенный – влияние растений-сообитателей как прямое (механические контакты, симбиоз, паразитизм, поселение эпифитов), так и косвенное (фитогенные изменения среды обитания для растений). Фактор косвеннодейстствующий – фактор, влияющий на организм через изменение других факторов (действие тепла на влажность почвы, а через нее – на водный режим растения). Фактор прямодействующий – фактор непосредственно действующий на обмен веществ, формообразовательные процессы, развитие организма (действие тепла на рост растения). Фактор антропогенный – формы деятельности человеческого общества, которые приводят к изменению природы как среды обитания других видов или непосредственно сказываются на их жизни По направлению действия (Реймерс, 1991) Факторы лимитирующие – факторы, воздействующие на организм в размере предельной нормы (для большинства крестоцветных лимитирующим фактором является количество медного удобрения от 0 до 0,6 кг/га и от 4,5 до 5 кг/га). Факторы модифицирующие – факторы, под действием которых идет ненаследственное изменение признаков организма (На одуванчик, произрастающий у проселочной дороги, действуют такие факторы, как плотная почва, вытаптывание, прямое воздействие солнечных лучей; одуванчик будет мелколистным, не высоким, с мелкими цветками, но эти признаки не будут передаваться потомству). Факторы средообразующие – факторы, находящиеся в таком большом количестве, что образуют среду жизни (гидрологический фактор в водной среде, эдафический фактор в почвенной среде). По продолжительности действия (Реймерс, 1991) Факторы стабильные – факторы, которые находятся в неизменном виде очень долгое время (таким фактом можно считать только силу земного притяжения). Факторы динамичные – факторы, которые изменяются на всем протяжении времени (температура, свет, влажность и т. д.). По характеру воздействия на организм (Реймерс, 1991) Фактор косвеннодейстствующий – фактор, влияющий на организм через изменение других факторов (действие тепла на влажность почвы, а через нее – на водный режим растения). Фактор прямодействующий – фактор непосредственно действующий на обмен веществ, формообразовательные процессы, развитие организма (действие тепла на рост растения). По силе воздействия (Реймерс, 1991) Летальные факторы – факторы, приводящие к гибели организма (водоросль Oscillatoria, живущая на о. Ява в воде с температурой +64 о С, погибает при +68 о С – эта температура для нее является летальным фактором). Сублетальные факторы – факторы, при воздействии которых организм находится в предгибельном состоянии (степень радиации 600–5000 р для хвойных растений, до 10000 р для лиственных). Экстремальные факторы – крайние, предельные факторы, при воздействии которых организм находится в стрессовой ситуации (действие сильного шума 100дБ с частотой звука от 31,5 до 90 тыс. Гц). Лимитирующие факторы – факторы, воздействующие на организм в размере предельной нормы (для большинства крестоцветных лимитирующим фактором является количество медного удобрения от 0 до 0,6 кг/га и от 4,5 до 5 кг/га). Характеристика факторов среды Свет Солнечная радиация представляет собой электромагнитное излучение в широком диапазоне волн, составляющих непрерывный спектр от инфракрасных лучей с длинной волны около 3–4 тыс. нм до ультрафиолетовых с длиной волны 290–380 нм. Лучи короче 290 нм, гибельные для живых организмов, поглощаются слоем озона и до земли не доходят. Видимый свет ограничен областью от 380 (сине-фиолетовые) до 750нм (красные). Длинноволновые ультрафиолетовые лучи, обладающие большой энергией фотонов, имеют высокую химическую активность. Большие их дозы вредны для организмов, а небольшие необходимы многим видам. В диапазоне 250–300 нм УФЛ оказывают мощное бактерицидное действие и у животных вызывают образование витамина D; при длине волны 200-400 нм вызывает у человека загар. Инфракрасные лучи с длиной волны более 750 нм оказывают тепловое действие. Выделяют ультрафиолетовые (менее 400 нм), сине-фиолетовые (400–500 нм), желто-зеленые (500–600 нм), оранжево-красные (600–700 нм) и дальние красные лучи (более 700 нм). Только 43% солнечной радиации поступает на поверхность Земли. Рис. 79. Баланс солнечной радиации на земной поверхности в дневное время (по Walter H., 1951). Энергетической количественной характеристикой солнечного излучения служит поток лучистой энергии, который приходит на перпендикулярную лучам поверхность в единицу времени – это интенсивность радиации (облученность). Освещенность – световой поток, приходящийся на единицу площади поверхности. Единицей освещенности служит люкс (лк) – световой поток в один люмен, приходящийся на 1м 2. Качественный состав света принято выражать по содержанию в них тех лучей, которые оказывают наибольшее физиологическое воздействие на живой организм. В спектре солнечных лучей выделяют область фотосинтетически активной радиации (ФАР), используемой растениями в процессе фотосинтеза (380-710 нм). Прямая радиация 28–43% ФАР. Рассеянная радиация 50–60% ФАР (при облачной погоде). Рассеянная радиация 90% ФАР (при ясной погоде). Количество радиации и ее качественный состав подвержены широтным изменениям. Об этом свидетельствует различное содержание ФАР в солнечной радиации в разных географических зонах. Отношение отраженной радиации к падающей, и способность субстрата к отражению света называется альбедо. У различных субстратов оно различное. Свежий снег 85% Чернозем сухой 8% Желтые листья (осенью) 33-38% Вода при высоте солнца 2 o 78% Вода при высоте солнца 90 o 2% Свет необходим растениям для образования хлорофилла, регулирует работу устьичного аппарата, влияет на газообмен и транспирацию, активизирует ряд ферментов, стимулирует биосинтез белков и нуклеиновых кислот. Влияет на деление и растяжение клеток, ростовые процессы, развитие растений, определяет сроки цветения и плодоношения, главная роль – фотосинтез. Для животных свет не такой важный фактор, но разные виды животных нуждаются в свете определенного состава, интенсивности и длительности освещения. Влажность Основной источник воды для наземных организмов – атмосферные осадки. Обеспеченность растительного покрова влагой в первую очередь зависит от общеклиматической характеристики местности. Есть районы, где в год выпадает несколько тысяч миллиметров осадков, а есть и такие, где 100 мм в год, причем дожди выпадают не каждый год. Большую роль играет соотношение осадков и испаряемость (сумма годового испарения со свободной водной поверхностью). Рис. 80. Круговорот воды. По данным одной промышленной страны в Западной Европе (Горышина, 1979). Области, в которых эта величина превышает годовую сумму осадков, относят к аридным (сухим, засушливым). Области, где не превышает – гумидными (влажными). Иногда выделяют переходные – семиаридные местообитания. В случае крайне засушливых районах говорят об экстрааридных условиях. Наряду с количеством осадков существенно распределение их во времени и соотношение осадков с годовым ходом температур. При количественной характеристике среды обитания по водному фактору используют показатели, отражающие содержание, распределение и динамику влаги в воздухе и почве. Вода в почве находится в раздробленном состоянии: она вкраплена в поры разных размеров и форм и имеет огромную поверхность раздела с почвой, содержит ряд катионов и анионов. Поэтому почвенная влага весьма неоднородна по физическим и химическим свойствам. Различают три основные категории почвенной воды, отличающиеся по механизму удержания ее почвой: гравитационную, капиллярную и пленочную. Рис. 81. Вода в почве (по Качинскому Н.А., 1957, без соблюдения маштаба). Гравитационная – подвижная, заполняет широкие участки между частицами почвы и просачивается вниз под действием силы тяжести. Капиллярная – заполняет тончайшие промежутки между частицами и удерживается капиллярными силами сцепления. Выделяют подвешенную капиллярную влагу, которая удерживается этими силами; и восходящую, которая поднимается верхние слои почвы при испарении. Пленочная – удерживается на поверхности почвенных частиц адсорбционными силами. Различают прочносвязанную влагу, находящуюся непосредственно на поверхности почвенных частиц, и рыхлосвязанную, находящуюся на более удаленном расстоянии от частиц. Кроме перечисленных форм воды в почве всегда содержится парообразная влага, занимающая все свободные от воды поры. Температура Температура отражает среднюю кинетическую скорость атомов и молекул в системе. От температуры окружающей среды зависит температура организмов и, следовательно, скорость всех химических реакций, составляющих обмен веществ. Границы существования жизни- это температуры, при которых возможно нормальное строение и функционирование белков (в среднем от 0 o C до +50 o C). Главным источником тепла является солнечное излучение; им могут также быть геотермальные источники, но они играют важную роль только в немногих местообитаниях, например в горячих ключах, где развиваются бактерии и сине-зеленые водоросли. Данный организм может выживать только в определенных температурных пределах, к которым приспособлены его метаболизм и структура. Если температура живой клетки падает ниже точки замерзания, клетка обычно физически повреждается и гибнет в результате образования кристаллов льда. Если же температура слишком высока, происходит денатурация ферментов. Между этими крайними точками скорость реакций, контролируемых ферментами, а значит, и интенсивность метаболизма удваиваются с повышением температуры на каждые 10 oC. Большинство организмов способно в той или иной степени контролировать температуру своего тела с помощью различных ответных реакций и адаптаций, которые могут смягчать воздействие экстремальных условий и внезапных изменений среды. В водной среде из-за высокой теплоемкости воды не происходит резких изменений температуры, так в этом отношении условия здесь более стабильны, чем на суше. Температура, так же как интенсивность света, в большей мере зависит от географической широты, сезона, времени суток и экспозиции склона. Однако часто встречаются и узколокальные различия в температуре; это в особенности касается микроместообитаний, обладающих собственным микроклиматом. Растительность тоже оказывает некоторое влияние на температуру. Например, иная температура бывает под пологом леса или в меньшей степени внутри отдельных групп растений, а также под листьями отдельного растения. Самый теплый месяц – июль, самый холодный – январь. На основании этих данных выделяют термические пояса: Тропический. Температура за год не бывает ниже 0 o C, температура в январе 15 o C-200 o C. Субтропики. Температура иногда опускается ниже 0, но далеко не каждый год. Средняя температура января >40 o C. Умеренный. Резко выражен летний и зимний периоды. Возможны заморозки. Холодный, превалирует холод. Период 60-80 дней без мороза. Температура колеблется от низко «-», до «+». Плотность Низкая плотность воздуха определяет его малую подъемную силу и незначительную опорность. Малая плотность воздуха обуславливает низкую сопротивляемость. Поэтому многие наземные животные способны летать. Могут с помощью мускульных усилий, но и за счет воздушных масс планировать. Благодаря подвижному передвижению воздушных масс возможен пассивный перелет. Плотность воды- фактор, определяющий условия передвижения водных организмов и давление на разных глубинах. Давление возрастает на каждые 10 метров на 1*105 Па (1 атм) некоторые виды переносят давление от нескольких до сотен атм. Плотность воды обеспечивает возможность опираться на нее, что особенно важно для бесскелетных форм. Химический состав Элементы: Основные (N, P, S, K, Ca, Mg). Микроэлементы (Fe, Mn, Zn, Cu, Mo, B, Cl). Почти 98% элементов содержится в почве в органических остатках, гумусе и трудно растворимых неорганических соединениях или входят в состав минералов. Это резерв питательных веществ, которые очень медленно мобилизируются в результате минерального гумуса и процессов выветривания. Остальные 2% адсорбируются на почвенных коллоидах. Газовый состав воздуха довольно однороден в отношении содержания главных компонентов (Азот – 78,1%; Кислород – 21,0%; Аргон – 0,9%; CO2 – 0,03%). Высокое содержание кислорода способствует повышению обмена веществ. Именно благодаря этому возникла гомейотермия. Кислород не является лимитирующим фактором из-за высокого содержания в воздухе. Углекислый газ изменяется в отдельных участках приземного слоя воздуха в значительных пределах (при отсутствии ветра в центре больших городов его концентрация возрастает в десятки раз). Азот для большинства обитателей наземной среды представляет инертный газ, но ряд микроорганизмов (клубеньковые бактерии, азот. бактерии обладают способностью к его связыванию и вовлечению в круговорот веществ).