 |
НАУЧНАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Экологические факторы среды
Экологические факторы среды
Экологические факторы
среды
Чибисова Н.В., Долгань Е.К.
Окружающая организм среда - это природные тела и
явления, с которыми она находится в прямых или косвенных отношениях. Условия
среды, способные оказывать прямое или косвенное влияние на живые организмы,
называются экологическими факторами. Существует несколько классификаций
экологических факторов среды. Наиболее простой и ставшей классической является классификация,
по которой экологические факторы среды делятся на две категории: абиотические
факторы (факторы неживой природы) и биотические факторы (факторы живой
природы).
К абиотическим факторам относятся климатические -
свет, температура, влага, движение воздуха, давление; эдафогенные (почвенные) -
механический состав, влагоемкость, воздухопроницаемость, плотность;
орографические - рельеф, высота над уровнем моря, экспозиция склона; химические
- газовый состав воздуха, солевой состав среды, концентрация, кислотность и
состав почвенных растворов.
К биотическим факторам относятся фитогенные
(растительные организмы), зоогенные (животные), микробиогенные (вирусы,
простейшие, бактерии, риккетсии) и антропогенные (деятельность человека).
Оригинальную классификацию экологических факторов
предложил А.С. Мончадский (1962), исходя из того, что приспособительные реакции
организмов к тем или иным факторам среды определяются степенью постоянства этих
факторов. Это:
- первичные периодические факторы (температура, свет),
зависящие от периодичности вращения Земли и смены времен года;
- вторичные периодические факторы (влажность, осадки,
динамика растительной пищи, содержание растворенных газов в воде, внутривидовые
взаимодействия) как следствие первичных периодических;
- непериодические факторы (эдафические факторы,
взаимодействие между разными видами, антропогенные воздействия,
почвенно-грунтовые факторы), не имеющие правильной периодичности.
Воздействие химического компонента абиотического
фактора на живые организмы выражается в существовании некоторых верхних и
нижних границ амплитуды допустимых колебаний отдельных факторов (температура,
соленость, рН, газовый состав и др.), то есть определенный режим существования.
Чем шире пределы какого-либо фактора, тем выше устойчивость, или, как ее
называют, толерантность, данного организма.
Лимитирующим фактором развития растений является
элемент, концентрация которого лежит в минимуме. Это определяется законом,
называемым законом минимума Ю.Либиха (1840). Либих, химик-органик, один из
основоположников агрохимии, выдвинул теорию минерального питания растений.
Урожай культур часто лимитируется элементами питания, присутствующими не в
избытке, такими как СО2 и Н2О, а теми, которые требуются в ничтожных
количествах. Например: бор - необходимый элемент питания растений, но его мало
содержится в почве. Когда его запасы исчерпываются в результате возделывания
одной культуры, то рост растений прекращается, если даже другие элементы
находятся в изобилии. Закон Либиха строго применим только в условиях
стационарного состояния. Необходимо учитывать и взаимодействие факторов. Так,
высокая концентрация или доступность одного вещества или действие другого (не
минимального) фактора может изменять скорость потребления элемента питания,
содержащегося в минимальном количестве. Иногда организм способен заменять
(частично) дефицитный элемент другим, более доступным и химически близким ему.
Так, некоторым растениям нужно меньше цинка, если они растут на свету, а
моллюски, обитающие в местах, где есть много стронция, заменяют им частично
кальций при построении раковины.
Экологические факторы среды могут оказывать на живые
организмы воздействия разного рода:
1) раздражители, вызывающие приспособительные
изменения физиологических и биохимических функций (например, повышение
температуры воздуха ведет к увеличению потоотделения у млекопитающих и к
охлаждению тела);
2) ограничители, обусловливающие невозможность
существования в данных условиях (например, недостаток влаги в засушливых
районах препятствует проникновению туда многих организмов);
3) модификаторы, вызывающие анатомические и
морфологические изменения организмов (например, запыленность окружающей среды в
индустриальных районах некоторых стран привела к образованию черных бабочек
березовых пядениц, сохранивших свою светлую окраску в сельских местностях);
4) сигналы, свидетельствующие об изменении других
факторов среды.
В характере воздействия экологических факторов на
организм выявлен ряд общих закономерностей.
Закон оптимума - положительное или отрицательное
влияние фактора на организмы - зависит от силы его воздействия. Недостаточное
или избыточное действие фактора одинаково отрицательно сказывается на
жизнедеятельности особей. Благоприятная сила воздействия экологического фактора
называется зоной оптимума. Одни виды выносят колебания в широких пределах,
другие - в узких. Широкая пластичность к какому-либо фактору обозначается
прибавлением частицы «эври», узкая - «стено» (эвритермные, стенотермные - по
отношению к температуре, эвриотопные и стенотопные - по отношению к местам
обитания).
Неоднозначность действия фактора на разные функции.
Каждый фактор неоднозначно влияет на разные функции организма. Оптимум для
одних процессов может быть неблагоприятным для других. Например, температура
воздуха более 40°С у холоднокровных животных увеличивает интенсивность обменных
процессов в организме, но тормозит двигательную активность, что приводит к
тепловому оцепенению.
Взаимодействие факторов. Оптимальная зона и пределы
выносливости организмов по отношению к какому-либо из факторов среды могут
смещаться в зависимости от того, с какой силой и в каком сочетании действуют
одновременно другие факторы. Так, жару легче переносить в сухом, а не во
влажном воздухе. Угроза замерзания выше при морозе с сильным ветром, нежели в безветренную
погоду. Вместе с тем взаимная компенсация действия факторов среды имеет
определенные пределы и полностью заменить один из них другим нельзя. Дефицит
тепла в полярных областях нельзя восполнить ни обилием влаги, ни круглосуточной
освещенностью в летнее время. Для каждого вида животных необходим свой набор
экологических факторов.
Воздействие химического компонента абиотического
фактора на живые организмы. Абиотические факторы создают условия обитания
растительных и животных организмов и оказывают прямое или косвенное влияние на
жизнедеятельность последних. К абиотическим факторам относят элементы
неорганической природы: материнская порода почвы, химический состав и влажность
последней, солнечный свет, теплота, вода и ее химический состав, воздух, его
состав и влажность, барометрическое и водное давление, естественный
радиационный фон и др. Химическими компонентами абиотических факторов являются
питательные вещества, следы элементов, концентрация углекислого газа и
кислорода, ядовитые вещества, кислотность (рН) среды.
Влияние рН на выживаемость организмов-гидробионтов.
Большинство организмов не выносят колебаний величины рН. Обмен веществ у них
функционирует лишь в среде со строго определенным режимом
кислотности-щелочности. Концентрация водородных ионов во многом зависит от
карбонатной системы, которая является важной для всей гидросферы и описывается
сложной системой равновесий, устанавливающихся при растворении в природных
пресных водах свободного СО2, по реакции:
СО2 + Н2О + Н2СО3+ Н+ + НС .
Именно эта реакция является причиной того, что рН
пресных природных вод редко бывает теоретически нейтральной, то есть равной 7.
Чаще всего рН чистой воды колеблется от 6,9 до 5,6. В природе приведенное выше
равновесие в чистом виде не существует, так как на природные воды оказывает
действие многочисленные факторы: температура, давление, содержание в атмосфере
кислорода, аммиака, диоксида и триоксида серы, азота, состав пород по которым
протекает река или расположено озеро. рН сравнительно легко измерить, поэтому
его изучили во многих водных местообитаниях. Если рН не приближается к крайнему
значению (от 6,5 до 8,5), то сообщества способны компенсировать изменения этого
фактора и толерантность сообщества к диапазону рН, встречающемуся в природе,
весьма значительна. Так как изменение рН пропорционально изменению количества
СО2, рН может служить индикатором скорости общего метаболизма сообщества (фотосинтеза
и дыхания). В воде с низким рН содержится мало биогенных элементов, в связи с
чем продуктивность здесь мала. рН сказывается и на распределении водных
организмов. Растения растут в воде с рН ниже 7,5 (Isoetes и Sparganium), от 7,7
до 8,8 (Potamogeton и Elodea canadensis), от 8,4 до 9,0 (Typha angustifolia).
Развитие сфагновых мхов стимулируют кислые воды торфяников, в которых очень
редки моллюски, ввиду отсутствия извести, зато часто встречаются личинки
двукрылых из рода Chaoborus. Рыбы выносят рН в пределах от 5,0 до 9,0, но
некоторые виды способны приспосабливаться к значению рН до 3,7. При рН > 10
вода гибельна для всех рыб. Максимальная продуктивность вод приходится на рН
между 6,5 и 8,5. В таблице 1.1 указаны основные величины рН для пресноводных рыб
Европы.
Аэробные и анаэробные организмы. Аэробными организмами
называются такие организмы, которые способны жить и развиваться только при
наличии в среде свободного кислорода, используемого ими в качестве окислителя.
К аэробным организмам принадлежат все растения, большинство простейших и
многоклеточных животных, почти все грибы, то есть подавляющее большинство
известных видов живых существ. У животных жизнь в отсутствие кислорода
(анаэробиоз) встречается как вторичное приспособление. Аэробные организмы
осуществляют биологическое окисление главным образом посредством клеточного
дыхания. В связи с образованием при окислении токсичных продуктов неполного
восстановления кислорода, аэробные организмы обладают рядом ферментов
(каталаза, супероксиддисмутаза), обеспечивающих их разложение и отсутствующих
или слабо функционирующих у облигатных анаэробов, для которых кислород
оказывается вследствие этого токсичным. Наиболее разнообразна дыхательная цепь
у бактерий, обладающих не только цитохромоксидазой, но и другими терминальными
оксидазами. Особое место среди аэробных организмов занимают организмы,
способные к фотосинтезу, - цианобактерии, водоросли, сосудистые растения.
Выделяемый этими организмами кислород обеспечивает развитие всех остальных
аэробных организмов. Организмы, способные развиваться при низкой концентрации
кислорода (_ 1 мг/л), называются микроаэрофилами.
Анаэробные организмы способны жить и развиваться при
отсутствии в среде свободного кислорода. Термин «анаэробы» ввел Луи Пастер,
открывший в 1861 году бактерии маслянокислого брожения. Распространены они
главным образом среди прокариот. Метаболизм их обусловлен необходимостью
использовать иные окислители, чем кислород. Многие анаэробные организмы,
использующие органические вещества (все эукариоты, получающие энергию в
результате гликолиза), осуществляют различные типы брожения, при которых
образуются восстановленные соединения - спирты, жирные кислоты. Другие
анаэробные организмы - денитрифицирующие (часть из них восстанавливает окисное
железо), сульфатвоссстанавливающие, метанообразующие бактерии - используют
неорганические окислители: нитрат, соединения серы, СО2. Анаэробные бактерии
разделяются на группы маслянокислых и т.д. в соответствии с основным продуктом
обмена. Особую группу анаэробов составляют фототрофные бактерии. По отношению к
О2 анаэробные бактерии делятся на облигатных, которые неспособны использовать
его в обмене, и факультативных (например, денитрифицирующие), которые могут
переходить от анаэробиоза к росту в среде с О2. На единицу биомассы анаэробные
организмы образуют много восстановленных соединений, основными продуцентами
которых в биосфере они и являются. Последовательность образования
восстановленных продуктов (N2, Fe2+, H2S, CH4), наблюдаемая при переходе к
анаэробиозу, например в донных отложениях, определяется энергетическим выходом
соответствующих реакций. Анаэробные организмы развиваются в условиях, когда О2
полностью используется аэробными организмами, например в сточных водах, илах.
Таблица 1.1
Значения рН для пресноводных рыб Европы (по Р.Дажо,
1975)
|
рН
| | |
|
