Занятие 1. Среда и факторы среды, их классификация. Адаптации организмов

Занятие 1. Среда и факторы среды, их классификация.
Адаптации организмов
Под средой обитания обычно понимают природные тела и явления, с
которыми организм (организмы) находятся в прямых или косвенных
взаимоотношениях. Отдельные элементы среды, на которые организмы
реагируют приспособительными реакциями (адаптациями), носят название
факторов.
Наряду с термином «среда обитания» используются также понятия
«экологическая среда», «местообитание», «окружающая среда», «окружающая
природная среда», «окружающая природа» и др. Четких различий между этими
терминами нет, но на некоторых из них следует остановиться. В частности, под
популярным в последнее время термином «окружающая среда» понимается, как
правило, среда, в той или иной (в большинстве случаев в значительной) мере
измененная человеком. К ней близки по смыслу «техногенная среда»,
«антропогенная среда», «промышленная среда».
Природная среда, окружающая природа - это среда, не измененная
человеком или измененная в малой степени. С термином «местообитание»
обычно связывается та среда жизни организма или вида, в которой
осуществляется весь цикл его развития.
Все то, что окружает живое существо в природе, называют средой обитания.
На Земле существуют четыре основные среды обитания, освоенные и заселенные
организмами. Это водная среда, наземно-воздушная, почвенная и, наконец, среда,
образуемая самими живыми организмами (рис. 1) Понятно, что каждая из этих
сред имеет свои специфические условия жизни.
Водная среда. Водная среда обитания, так называемая гидросфера, занимает
до 71% площади всей планеты. Объем воды составляет почти 1,46 млрд. куб. км.
Из них 95% - это Мировой океан. Пресная вода состоит из ледниковой (85%) и
подземной (14%). Озера, пруды, водохранилища, болота, речки и ручьи занимают
немногим более 0,6% от общего количества пресной воды, 0,35% заключено в
почвенной влаге и атмосферных парах. Водная среда обитания населена 150
тысячами видов животных (а это 7% от всех живых существ Земли) и 10
тысячами видов растений (8%). В районе экватора и тропических зон мир
животных и растений наиболее разнообразен. При удалении от этих поясов в
северном и южном направлении качественный состав водных организмов
становится
беднее.
Организмы
Мирового
океана
сосредоточены
преимущественно у берегов.
1
Рис. 1. Среды обитания живых организмов.
Жизнь практически отсутствует в открытых водах, расположенных вдали от
берегов. Физические свойства воды определяют жизнедеятельность в ней живых
организмов. Среди них, прежде всего, важны термические свойства. К ним можно
отнести большую теплоемкость, низкую теплопроводность, высокую скрытую
теплоту испарения и плавления, свойство расширения перед замерзанием. Вода превосходный растворитель. В растворенном состоянии все потребители
поглощают неорганические и органические вещества. Водная среда обитания
способствует транспортировке веществ внутри организмов, продукты распада
также выделяются с водой. Высокое поверхностное натяжение воды удерживает
на поверхности живые и неживые объекты и наполняет капилляры, за счет чего
наземные растения питаются. Прозрачность воды способствует фотосинтезу на
больших глубинах.
Экологические группы организмов водной среды.
Бентос - это такие организмы, которые прикреплены к грунту, лежат на нем
или живут в толще осадков (фитобентос, бактериобентос и зообентос).
Перифитон – животные и растения, которые прикреплены либо удерживаются за
стебли и листья растений или за любые поверхности, возвышающиеся над дном и
2
плавающие по течению воды. Планктон – свободно плавающие растительные
или
животные
организмы.
Нектон – активно плавающие
организмы
с
обтекаемыми
формами тела, не связанные с
дном (кальмары, рыбы, киты,
ластоногие и т.д.). Нейстон микроорганизмы, растения и
животные,
обитающие
у
поверхности воды между водной
и воздушной средами. Это
бактерии,
простейшие,
водоросли, личинки. Плейстон гидробионты, частично находящиеся в воде, а частично над ее поверхностью. Это
парусники, сифонофоры, ряска и членистоногие. Обитателей рек называют
потамобионтами.
Водная среда обитания характеризуется своеобразными условиями жизни. На
распределение организмов большое влияние оказывают температура, свет,
водные течения, давление, растворенные газы и соли. Условия жизни в морских и
континентальных водах резко отличаются. Морская вода является более
благоприятной средой, близкой к физиологическому раствору. Континентальные
воды для их обитателей менее благоприятны.
Наземно-воздушная обитания – самая сложная по экологическим условиям.
Выход в наземно-воздушную
среду обитания у разных групп
организмов оказался возможным
благодаря
появлению
специфических адаптаций, в том
числе, и ароморфного характера.
Постоянные обитатели наземновоздушной
среды
обитания
называются аэробионты.
Особенности наземно-воздушной среды обитания и приспособленность
организмов к специфическим экологическим факторам:
1. Недостаток воды часто является лимитирующим фактором для наземных
организмов.
3
2. Низкая теплоемкость и низкая теплопроводность воздуха приводит к
значительным перепадам температуры: при изменении прямой освещенности,
суточные перепады, сезонные перепады (сезонность характерна для умеренных и
высоких широт). В то же время, низкая теплоемкость и теплопроводность воздуха
делают возможным развитие теплокровности у птиц и млекопитающих.
3. Низкая вязкость и низкая плотность воздуха позволяет приобретать
разнообразную форму тела у животных. В то же время лимитирующим фактором
становитсягравитация. Для летающих животных необходимо формирование
обтекаемой формы тела и крыльев. Для крупных животных 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.
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), косное вещество (горные породы) и
другие. Поэтому почва представляет собой особый тип вещества в биосфере –
биокосное вещество.
Почва является экологическим фактором наземно-воздушной среды
обитания и, в то же время, представляет собой самостоятельную среду обитания.
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 веществ;
– стабильный температурный режим;
– низкая освещенность (за исключением самых поверхностных слоев) –
лимитирующий фактор для фотосинтезирующих организмов;
– неоднородность почвы по вертикали и горизонтали создает условия для
формирования множества экологических ниш.
Почва является средой обитания, промежуточной между водной и наземновоздушной. С водной средой почву сближает: неоднородность по вертикали,
4
насыщенность почвенного воздуха водяными парами и наличие других форм
воды, присутствие минеральных и органических веществ в почвенных растворах,
возможность передвигаться в трех измерениях. С наземно-воздушной средой
почву сближает: наличие почвенного воздуха, возможность пересыхания верхних
горизонтов, резкие изменения температуры в верхних слоях.
Рис. 3. Обитатели почвы:
1 — простейшие; 2 — дождевые черви; 3 — проволочники; 4 — мелкие
членистоногие (клещи, коллемболы, лжескорпионы); 5 — грибы; 6 — нематоды; 7
— личинки насекомых
Влияние среды на организмы обычно оценивают через отдельные факторы
(лат. делающий, производящий). Под экологическими факторами понимается
любой элемент или условие среды, на которые организмы реагируют
приспособительными
реакциями,
или
адаптациями.
За
пределами
приспособительных реакций лежат летальные (гибельные для организмов)
значения факторов.
Классификация факторов.
Чаще всего факторы делят на три группы:
1. Факторы неживой природы (абиотические, или физико-химические). К
ним относятся климатические, атмосферные, почвенные (эдафические),
геоморфологические (орографические), гидрологические и другие.
5
2. Факторы живой природы (биотические) - влияние одних организмов или
их сообществ на другие. Эти влияния могут быть со стороны растений
(фитогенные), животных (зоогенные), микроорганизмов, грибов и т. п.
3. Факторы человеческой деятельности (антропогенные). В их числе
различают прямое влияние на организмы (например, промысел) и косвенное влияние на местообитание (например, загрязнение среды, уничтожение кормовых
угодий, строительство плотин на реках и т. п.).
Интересна классификация факторов по периодичности и направленности
действия, степени адаптации к ним организмов. В этом отношении выделяют
факторы, действующие строго периодически (смены времени суток, сезонов года,
приливно-отливные явления и т. п.), действующие без строгой периодичности, но
повторяющиеся время от времени. Сюда относятся погодные явления,
наводнения, ураганы, землетрясения и т. п. Следующая группа - факторы
направленного действия, они обычно изменяются в одном направлении
(потепление или похолодание климата, зарастание водоемов, заболачивание
территорий и т. п.). И последняя группа - факторы неопределенного действия.
Сюда относятся антропогенные факторы, наиболее опасные для организмов и их
сообществ.
Адаптации организмов
Адаптация – это приспособление организма к условиям среды за счет
комплекса морфологических, физиологических, и поведенческих признаков (рис.
9). Разные организмы приспосабливаются к различным условиям среды, и в
6
результате появляются влаголюбы - гидрофиты и «сухотерпцы» - ксерофиты;
растения засоленных почв – галофиты; растения, устойчивые к затенению
(сциофиты), и требующие для нормального развития полного солнечного света
(гелиофиты); животные, которые обитают в пустынях, степях, лесах или на
болотах, ведут ночной или дневной образ жизни. Способности адаптироваться к
неблагоприятным условиям у растений и животных различаются. В силу того, что
животные подвижны, их адаптации более разнообразны, чем у растений.
Животные могут: избегать неблагоприятных условий (птицы от зимней
бескормицы и холода улетают в теплые края, олени и другие копытные кочуют в
поисках корма и т.д.); впадать в анабиоз – временное состояние, при котором
жизненные процессы настолько замедлены, что почти полностью отсутствуют их
видимые проявления (оцепенение насекомых, спячка позвоночных животных и
др.); приспосабливаться к жизни в неблагоприятных условиях (от мороза их
спасают шерстный покров и подкожный жир, у пустынных животных есть
приспособления для экономного расходования воды и охлаждения и т.д.)
Рис.9 Адаптация к засушливому климату. Адаптация к способу питания
Из перечисленных выше групп факторов организмы легче всего
адаптируются или адаптированы к тем, которые четко изменяются (строго
периодические, направленные). Адаптационность к ним такова, что часто
становится наследственно обусловленной. И если фактор меняет периодичность,
то организм продолжает в течение некоторого времени сохранять адаптации к
нему, т. е. действовать в ритме так называемых «биологических часов». Такое
явление, в частности, имеет место при смене часовых поясов.
Некоторые трудности характерны для адаптации к нерегулярнопериодическим факторам, но организмы нередко имеют механизмы предчувствия
7
их возможности (землетрясения, ураганы, наводнения и т. п.) и в какой-то мере
могут смягчать их отрицательные последствия.
Наибольшие трудности для адаптации представляют факторы, природа
которых неопределенна, к ним организм, как правило, не готов, вид не встречался
с такими явлениями и в процессе эволюции. Сюда, как отмечалось, относится
группа антропогенных факторов. В этом их основная специфика и
антиэкологичность. Многие из этих факторов, кроме того, выступают как
вредные. Их относят к группе ксенобиотиков (греч. ксенокс - чужой). К
последним относятся практически все загрязняющие вещества. В числе
быстроизменяющихся факторов большое беспокойство в настоящее время
вызывают изменение климата, обусловливаемое так называемым «тепличным,
или парниковым, эффектом», изменение водных экосистем в результате
преобразования рек, мелиорации и т. п. Только в отдельных случаях по
отношению к таким факторам организмы могут использовать механизмы так
называемых преадаптаций, т. е. те адаптации, которые выработались по
отношению к другим факторам. Так, например, устойчивости растений к
загрязнениям воздуха в какой-то мере способствуют те структуры, которые
благоприятны для повышения засухоустойчивости: плотные покровные ткани
листьев, наличие на них воскового налета, опушенности, меньшее количество
устьиц и другие структуры, замедляющие процессы поглощения веществ, а
следовательно, и отравление организма. Это необходимо учитывать, в частности,
при подборе ассортимента видов для выращивания в районах с высокой
промышленной нагрузкой, для озеленения городов, промплощадок и т.п.
8