Закономірності дії екологічних факторів. Матеріал для учнів 11 класу.

  

Середовище існування, екологічні фактори та загальні закономірності їх дії 

Екологічні фактори та закономірності їх дії. Компоненти природного середовища, що впливають на стан і властивості організму, популяції, природного співтовариства, називають екологічними факторами. Іноді дають більш просте визначення, розуміючи під екологічними факторами елементи середовища, які здатні здійснювати прямий або непрямий вплив на живі організми.

Широта екологічної амплітуди по відношенню до різних факторів буває різною. Наприклад, рослини можуть бути приурочені до вузького діапазону температур, але до широкого діапазону солоності. Вплив екологічних факторів на живий організм дуже різноманітний, проте їхня дія підпорядковується певним закономірностям. Екологічні можливості організмів залежать, насамперед, від спадкових особливостей. Істотне значення у впливі екологічних факторів на організми має і їх інтенсивність. Для кожного екологічного фактора існує сприятлива інтенсивність впливу, називається зоною оптимуму. При такій інтенсивності дії фактора спостерігаються найкращі умови для життєдіяльності організмів. Добре відомі, наприклад, оптимальні температури цвітіння, плодоношення, проростання, ікрометання, розмноження багатьох видів. В залежності від того, який рівень оптимальності найбільш прийнятний для видів, серед них розрізняють тепло — і холодолюбиві, волого — і сухолюбивые, пристосовані до високої або низької солоності. Чим більше доза фактора відхиляється від оптимальної для даного виду величини, тим сильніше пригнічується його життєдіяльність. Інтенсивність екологічного чинника, що дає найгірший ефект, припадає на зону пригнічення (пессимума). В цьому випадку організм ще може існувати. Разом з тим, є крайні межі його існування, дії того чи іншого фактора (мінімум та максимум). Мінімальне та максимальне значення будь-якого фактора — це крайні точки, за межами яких існування організмів неможливо (малюнок 2.5).

Малюнок 2.5 — Схема дії екологічних факторів
Оптимальною температурою розвитку личинок кімнатної мухи є +36° С, зниження і підвищення температури впливає на розвиток, життєдіяльність — при температурі +16° С розвиток практично припиняється, а при температурі понад 43° С личинки і лялечки мухи гинуть. Якщо який-небудь з факторів, що становлять умови існування, має пессимальное (пригнічуючу) значення, то він обмежує дію інших факторів (скільки б сприятливі вони не були) і визначає кінцевий результат дії середовища на організми. Так, поширення багатьох видів на північ обмежує недолік тепла, а на південь — недолік вологи, і ці фактори є обмежуючими. Змінити кінцевий результат можна впливаючи тільки на обмежуючий фактор.
2.. Закон мінімуму, закон толерантності
Існування кожного виду обмежується тим з факторів, який найбільше відхиляється від оптимуму. «Закон обмежуючого фактора» був спочатку сформульований німецьким агрохимиком, одним з основоположників агрохімії Юстусом Лібіхом у 1840 році. Ю. Лібіх вивчав вплив різноманітних факторів на ріст рослин і встановив, що врожай зерна часто лімітується не тими поживними речовинами, котрі вимагаються у великих кількостях, наприклад, як двоокис вуглецю і вода, а тими, які потрібні в малих кількостях (наприклад, бор), але яких і мало в грунті. Ю. Лібіх висунув принцип: «Речовиною, що знаходиться в мінімумі, управляється врожай». Цей принцип отримав широку популярність як закон мінімуму Ю. Лібіха. Згідно з цим законом відносне дію окремого екологічного фактора тим сильніше, чим більше він знаходиться в порівнянні з іншими факторами в мінімумі (малюнок 2.6). Закон Ю. Лібіха показує на один з аспектів залежності організмів від середовища, він застосуємо в умовах стаціонарного стану системи. Якщо умови середовища будуть змінюватися, то той або інший процес також зміниться, і буде залежати від інших факторів.

Малюнок 2.6 — Модель, що ілюструє закон Лібіха («Бочка Лібіха»)
Вивчаючи різне лимитирующее дія екологічних факторів (таких як світло, тепло, вода) американський зоолог Віктор Ернест Шелфорд (1877-1968), прийшов до висновку, що лімітуючим фактором може бути не тільки нестача, але і надлишок факторів. В екологію таке положення увійшло як закон толерантності Ст. Шелфорда. сформульованого ним у 1913 році. Він говорить: «лімітуючим фактором, що обмежує розвиток організму може бути як мінімум, так і максимум екологічного впливу». Під обмежуючим фактором розуміють фактор, рівень якого в якісному і кількісному відношенні (недолік або надлишок) виявляється близьким до меж витривалості даного організму (малюнок 2.7).

Малюнок 2.7 — Вплив температури на швидкість росту рослини
Межами витривалості називають мінімальне і максимальне значення фактора, при якому можлива життєдіяльність. Межі, за межами яких настає загибель організмів, є нижніми і верхніми межами витривалості. Численні приклади дії обмежуючих факторів показують, що це явище має загальне екологічне значення. Одним з прикладів дії обмежуючого фактора у природі є пригнічення трав’янистих рослин, листяних деревних порід під пологом їли, де можливості розвитку обмежені недоліком світла. Здатність організмів виносити відхилення екологічних чинників від оптимальних величин їх інтенсивності називається толерантністю (від латинського — терпіння). Організми можуть мати широкий діапазон толерантності (витривалості) щодо одного фактора і вузький діапазон у відношенні іншого. Якщо умови по одному з екологічних факторів не оптимальні для виду, то може звузитися і діапазон толерантності до інших екологічних факторів. Наприклад, при лимитирующем вмісті азоту знижується посухостійкість злаків; при низькому вмісті азоту для запобігання в’янення рослин потрібно більше води, ніж при високому його вмісті. Багато факторів середовища й часто стають лимитирующими в період розмноження, який зазвичай є критичним для виживання організмів. Межі толерантності для розмножуються особин зазвичай вужчий, ніж для не розмножуються дорослих рослин або тварин. Вони також вже для яєць, ембріонів, личинок, проростків.
Щоб висловити ступінь витривалості, в екології існує ряд термінів, яких використовують приставки стено- (вузький) і еврі — (широкий). Так, є стенотермный — эвритермный (відносно температури), стенофагный — эврифагный (щодо їжі), стенобатный — эврибатный (щодо тиску) організми.
Види, які витримують значні відхилення від оптимальних значень різних факторів, володіють широким діапазоном витривалості і живуть в різних, часом різко відрізняються один від одного умовах середовища, називаються эврибионтными. Такі види є широко поширеними. Наприклад, лисиця належить до эврибионтным організмам, так як вона мешкає від лісотундри до степу, харчуючись і тваринною і рослинною їжею. Але є організми стенобионтные, вузько пристосовані, не переносять різких коливань температури, вологості і т. д. Бегемот і буйвол — тварини тільки районів високої вологості і температури. Такими є майже всі рослини вологих тропічних лісів. Ікра гольця розвивається при температурі 0-12° С з оптимумом близько 4° С, а ікра жаби розвивається при температурі 0-30° С з оптимумом близько 22° С. Отже, в першому випадку можна говорити про стенотермности, а в другому випадку — про эвритермности. Як видно, для кожного організму і в цілому для виду є свій оптимум умов. Він неоднаковий не тільки для різних видів, що знаходяться в різних умовах, але і для окремих стадій розвитку одного організму. Для кожного виду характерна і ступінь витривалості, наприклад, рослини і тварини помірного поясу можуть існувати у досить широкому температурному діапазоні, види же тропічного клімату не витримують значних коливань її. Властивість видів адаптуватися до того чи іншого діапазону факторів середовища позначається поняттям екологічна пластичність (екологічна валентність) виду. Чим ширше діапазон коливань екологічного фактора, в межах якого даний вид може існувати, тим більше його екологічна пластичність, тим ширше діапазон його толерантності (витривалості). Екологічно непластичные, тобто маловыносливые види, є стенобионтными, більш витривалі — эврибионтными. Стенобионтность і эврибионтность характеризують різні типи пристосування організмів до виживання. Види, довгостроково розвивалися у відносно стабільних умовах, втрачають екологічну пластичність і виробляють риси стенобионтности, в той час як види, що існували при значних коливаннях факторів середовища, набувають підвищену екологічну пластичність і стають эврибионтными, тобто видами з широким діапазоном толерантності (малюнок 2.8).

Малюнок 2.8 — Екологічна пластичність видів
(Ю. Одум, 1975)
Оскільки всі фактори середовища взаємопов’язані і серед них немає абсолютно байдужих для будь-якого організму, кожна популяція і вид в цілому реагують на ці фактори, але сприймають їх по-різному. Така вибірковість обумовлює і виборче відношення організмів до заселення тій чи іншій території. Різні види організмів пред’являють неоднакові вимоги до ґрунтових умов, температури, вологості, світла і т. д. Тому на різних ґрунтах у різних кліматичних поясах ростуть різні рослини. У свою чергу у рослинних асоціаціях формуються неоднакові умови для тварин.
Історично пристосовуючись до абіотичних факторів середовища і вступаючи в певні біотичні зв’язки один з одним, рослини, тварини, гриби, мікроорганізми розподіляються по різних середовищ і формують різноманітні екосистеми (біогеоценози), в кінцевому підсумку об’єднуються в біосферу Землі.
2. Взаємодія факторів
Фактори середовища впливають на організми одночасно і спільно, дія кожного з них залежить від кількісного виразу інших факторів. Отже, важливою є взаємодія факторів.
У природному середовищі дію факторів на організм може сумуватися. взаємно посилюватися або компенсуватися. Прикладом простої сумації факторів є одночасні почуття голоду і спраги при нестачі їжі та води. Висока радіоактивність середовища і одночасне вміст нітратного азоту в питній воді, їжі у кілька разів збільшують загрозу здоров’ю людини, ніж кожен з цих чинників окремо.
Діючи спільно, взаємно посилюючись, екологічні фактори можуть викликати явище синергізму. Наслідком цього є зниження життєздатності організму (більш детально дане положення розглядається в розділі з екології атмосфери).
В якості прикладів компенсації дії одного фактора іншим можна привести наступні: качки, які залишилися зимувати в помірних широтах, недолік тепла відшкодовують рясним харчуванням; бідність грунту у вологому екваторіальному лісі компенсується швидким і ефективним кругообігом речовин; у місцях, де багато стронцію, молюски можуть заміняти в своїх раковинах кальцій стронцієм. Однак, незважаючи на часткову замінюваність екологічних факторів, жоден з них не може бути повністю замінений іншим. Кожний з екологічних факторів є незамінним. Так, брак тепла не можна замінити достатком світла, мінеральні елементи, необхідні для живлення рослин, — водою.
Таким чином, для життя організму необхідна сукупність екологічних факторів, кожен з яких має певну інтенсивність. Фактори середовища діють на організми разом і одночасно. Присутність і процвітання організмів в тому чи іншому місцеперебування залежать від цілого комплексу умов. З цими об’єктивно існуючими в природі закономірностями фахівця будь-якого профілю треба рахуватися. Людина, діючи на навколишнє середовище, створює в ній нові екологічні фактори, дія яких може перевищити можливості організмів підтримувати існування. Виявлення лімітуючих (обмежують) факторів і усунення їх обмежує дії або оптимізація середовища для організмів становить важливу практичну задачу у раціональному використанні природних ресурсів.
. Абіотичні фактори
Абіотичні (від грец. — мляві) фактори — це компоненти та явища неживої, неорганічної природи, що безпосередньо чи опосередковано впливають на живі організми. Згідно з наявною класифікацією виділяють такі абіотичні фактори-кліматичні, эдафические (грунтові), орографічні або топографічні, гідрографічні (водне середовище), хімічні (таблиця 1). Одними з найважливіших абіотичних факторів є світло, температура, вологість.
Таблиця 1 — Класифікація екологічних факторів середовища
Короткий опис статті: холодолюбиві рослини назви Для кожного екологічного фактора існує сприятлива інтенсивність впливу називається зоною оптимуму. При такій інтенсивності дії фактора спостерігаються найкращі умови для життєдіяльності організмів. Залежно від того, який рівень оптимальності найбільш прийнятний для видів серед них розрізняють тепло і холодолюбиві волого і сухолюбивые пристосовані до високої або низької солоності. Чим більше доза фактора відхиляється від оптимальної для даного виду величини тим сильніше пригнічується його життєдіяльність.