Факторы среды обитания и адаптация к ним организмов

Факторы среды обитания и адаптация к ним организмов Лекция № 2 Лектор: Тарасова Ольга Сергеевна, к. г. н.

Факторы среды обитания и адаптация к ним организмов Среда обитания -природные тела и явления, с которыми организм (организмы) находятся в прямых или косвенных взаимоотношениях Факторы среды - отдельные элементы среды, на которые организмы реагируют приспособительными реакциями (адаптациями)

Факторы среды обитания и адаптация к ним организмов Экологический фактор - 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 экологических факторов 1. Факторы неживой природы (абиотические, или физико-химические). К ним относятся климатические, атмосферные, почвенные (эдафические), геоморфологические (орографические), гидрологические и другие.

Классификация экологических факторов 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.

Классификация экологических факторов 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. ).

Различают также факторы, действующие строго периодически (смены времени суток, сезонов года, приливно-отливные явления и т. п. ), действующие без строгой периодичности, но повторяющиеся время от времени, например, погодные явления, наводнения, ураганы, землетрясения и т. п. факторы направленного действия, они обычно изменяются в одном направлении (потепление или похолодание климата, зарастание водоемов, заболачивание территорий и т. п. ). факторы неопределенного действия. Как правило к ним относятся антропогенные факторы, наиболее опасные для организмов и их сообществ.

Из перечисленных групп факторов организмы легче всего адаптируются к строго периодическим и направленным. 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.

Факторы среды обитания и адаптация к ним организмов Любой вид организмов обладает четкой избирательностью к различным факторам среды и для нормального развития и жизнедеятельности организм должен иметь весь набор необходимых факторов в оптимальных режимах и достаточных количествах

Закон минимума Либиха Тот факт, что ограничение дозы (или отсутствие) любого из необходимых растению веществ, относящихся как к макро-, так и к микроэлементам, ведет к одинаковому результату — замедлению роста, обнаружен и изучен одним из основоположников агрохимии немецким химиком Юстасом фон Либихом. Сформулированное им в 1840 г. правило называют законом минимума Либиха

Закон минимума Либиха Величина урожая определяется количеством в почве того из элементов питания, потребность растения в котором удовлетворена меньше всего. Любой фактор, присутствующий в слишком малых количествах, может оказаться самым важным

Факторы среды обитания и адаптация к ним организмов Воздействие факторов среды на организм происходит не только при их недостатке, но при их избытке Разные факторы часто взаимодействуют друг с другом и бывает трудно выделить среди них какой-то один лимитирующий. Скажем, пониженная влажность и недостаток питательных веществ снижают устойчивость растений к насекомым-вредителям и сорнякам. Напротив, изобилие корма в городах позволяет многим птицам не улетать зимой на юг, вопреки холодам и короткому световому дню

Понятие толерантности Фактор среды наиболее эффективно действует на организм только при некотором среднем его значении, оптимальном для данного организма. Чем шире пределы колебаний какого-либо фактора, при котором организм может сохранять жизнеспособность, тем выше устойчивость, т. е. толерантность данного организма к соответствующему фактору (от лат. tolerantia — терпение). Таким образом, толерантность — это способность организма выдерживать отклонения экологических факторов от оптимальных для его жизнедеятельности значений

Понятие толерантности Впервые предположение о лимитирующем (ограничивающем) влиянии максимального значения фактора наравне с минимальным значением было высказано в 1913 г. американским зоологом В. Шелфордом, установившим фундаментальный биологический закон толерантности

Закон толерантности Шелфорда Любой живой организм имеет определенные, эволюционно унаследованные верхний и нижний пределы устойчивости (толерантности) к любом у экологическому фактору. Даже единственный фактор за пределами зоны своего оптимума приводит к стрессовому состоянию организма и в пределе — к его гибели.

Закон оптимума Для экосистемы, организма или определенной стадии его развития имеется диапазон наиболее благоприятного (оптимального) значения фактора. За пределами зоны оптимума лежат зоны угнетения, переходящие в критические точки, за которыми существование невозможно

Закон оптимума можно представить и графически

Закон оптимума К зоне оптимума обычно приурочена максимальная плотность популяции. Зоны оптимума для различных организмов неодинаковы

Факторы среды обитания и адаптация к ним организмов эврибионты (греч. эври - широкий; биос жизнь) – организмы с широкой зоной оптимума (широкими пределами толерантности) стенобионты (греч. стенос-узкий) – организмы с узкой зоной оптимума (узкими пределами толерантности)

Примеры экологической пластичности Коала – стенофаг Свинья – эврифаг Неон – стенотерм Ворона - эвритерм

Важно подчеркнуть, что зоны оптимума по отношению к различным факторам различаются, и поэтому организмы полностью проявляют свои потенциальные возможности в том случае, если весь спектр факторов имеет для них оптимальные значения.

Закон толерантности дополняют положения американского эколога Юджина Одума организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного экологического фактора и низкий диапазон в отношении другого; организмы с широким диапазоном толерантности в отношении всех экологических факторов обычно наиболее распространены; диапазон толерантности может сузиться и в отношении других экологических факторов, если условия по одному экологическому фактору не оптимальны для организма.

Правило взаимодействия факторов Одни факторы могут усиливать или смягчать силу действия других факторов. Например, избыток тепла может в какой-то мере смягчаться пониженной влажностью воздуха, недостаток света для фотосинтеза растений компенсироваться повышенным содержанием углекислого газа в воздухе и т. п. Из этого, однако, не следует, что факторы могут взаимозаменяться. Они не взаимозаменяемы.

Человек своей деятельностью часто нарушает практически все из перечисленных закономерностей действия факторов. Особенно это относится к лимитирующим факторам (разрушение местообитаний, нарушение режима водного и минерального питания растений и т. п. ).

Фотопериодизм – это изменение физиологической активности организмов в зависимости от длины светового дня Фотопериод представляет собой как бы пусковой механизм, включающий физиологические процессы, последовательно приводящие к росту, цветению растений весной, плодоношению летом и сбрасыванию ими листьев осенью, а также к линьке и накоплению жира, миграции и размножению у птиц и млекопитающих, наступлению стадии покоя у насекомых. Изменение длины дня воспринимается органами зрения у животных или специальными пигментами в листьях растений.

Например, с продолжительностью дня связано деление растений на: растения длинного дня, цветение которых наступает при продолжительности светлого периода суток 12 ч и более (картофель, рожь, овес, пшеница и др. ) растения короткого дня с фотопериодом 12 ч и менее (большинство тропических цветковых растений, соя, просо, конопля, кукуруза и многие другие растения умеренной зоны). Георгины — растения короткого дня. Искусственно сокращая длину дня, можно регулировать сроки их цветения.

Адаптации к ритмичности природных явлений Наряду с длиной дня организмы эволюционно адаптировались к другим видам периодических явлений в природе. Прежде всего это относится к суточной и сезонной ритмике, приливно-отливным явлениям, ритмам, обусловливаемым солнечной активностью, лунными фазами и другими явлениями, повторяющимися со строгой периодичностью.

Биотические факторы Воздействия живых организмов друг на друга и на окружающую среду играют не менее важную роль в развитии жизни на Земле. Эти взаимодействия проявляются, прежде всего, в формировании пищевых цепей, посредством которых осуществляется обмен веществом, энергией и информацией между живыми организмами

Биотические факторы Цепь питания - цепь взаимосвязанных видов, последовательно извлекающих органическое вещество и энергию из исходного пищевого вещества Каждое предыдущее звено цепи питания является пищей для следующего звена.

Биотические факторы продуценты

Трофическая структура В результате последовательности превращений энергии в пищевых цепях каждое сообщество живых организмов в экосистеме приобретает определенную трофическую структуру. Трофическая структура сообщества отражает соотношение между продуцентами, консументами (отдельно первого, второго и т. д. порядков) и редуцентами, выраженное или количеством особей живых организмов, или их биомассой, или заключенной в них энергией, рассчитанными на единицу площади в единицу времени.

Экологические пирамиды Трофическую структуру обычно изображают в виде экологических пирамид. Эту графическую модель разработал в 1927 г. американский зоолог Чарльз Элтон. Основанием пирамиды служит первый трофический уровень — уровень продуцентов, а следующие этажи пирамиды образованы последующими уровнями — консументами различных порядков. Высота всех блоков одинакова, а длина пропорциональна числу, биомассе или энергии на соответствующем уровне. Различают три способа построения экологических пирамид.

Виды экологических пирамид 1. Пирамида чисел (численностей) отражает численность отдельных организмов на каждом уровне. Например, чтобы прокормить одного волка, необходимо по крайней мере несколько зайцев, на которых он мог бы охотиться; чтобы прокормить этих зайцев, нужно довольно большое количество разнообразных растений. Иногда пирамиды чисел могут быть обращенными, или перевернутыми. Это касается пищевых цепей леса, когда продуцентами служат деревья, а первичными консументами — насекомые. В этом случае уровень первичных консументов численно богаче уровня продуцентов (на одном дереве кормится большое количество насекомых).

Графическое изображение пирамиды численности

Виды экологических пирамид 2. Пирамида биомасс — соотношение масс организмов разных трофических уровней. Обычно в наземных биоценозах общая масса продуцентов больше, чем каждого последующего звена. В свою очередь, общая масса консументов первого порядка больше, нежели консументов второго порядка и т. д. Если организмы не слишком различаются по размерам, то на графике обычно получается ступенчатая пирамида с суживающейся верхушкой. Так, для образования 1 кг говядины необходимо 70— 90 кг свежей травы. В водных экосистемах можно также получить обращенную, или перевернутую, пирамиду биомасс, когда биомасса продуцентов оказывается меньшей, нежели консументов, а иногда и редуцентов. Например, в океане при довольно высокой продуктивности фитопланктона общая масса в данный момент его может быть меньше, нежели у потребителей-консументов (киты, крупные рыбы, моллюски).

Графический вид пирамиды биомасс прямая пирамида биомасс перевернутая пирамида биомасс пример сезонного изменения пирамиды биомасс

Виды экологических пирамид Пирамиды чисел и биомасс отражают статику системы, т. е. характеризуют количество или биомассу организмов в определенный промежуток времени. Они не дают полной информации о трофической структуре экосистемы, хотя позволяют решать ряд практических задач, особенно связанных с сохранением устойчивости экосистем. Пирамида чисел позволяет, например, рассчитывать допустимую величину улова рыбы или отстрела животных в охотничий период без последствий для нормального их воспроизведения

Виды экологических пирамид 3. Пирамида энергии отражает величину потока энергии, скорость прохождения массы пищи через пищевую цепь. На структуру биоценоза в большей степени оказывает влияние не количество фиксированной энергии, а скорость продуцирования пищи. Установлено, что максимальная величина энергии, передающейся на следующий трофический уровень, может в некоторых случаях составлять 30 % от предыдущего, и это в лучшем случае. Во многих биоценозах, пищевых цепях величина передаваемой энергии может составлять всего лишь 1 %.

В 1942 г. американский эколог Р. Линдеман сформулировал закон пирамиды энергий (закон 10 процентов) С одного трофического уровня на другой переходит не более 10% энергии и массы вещества, а 90% рассеивается в виде тепла.

Вот почему цепи питания обычно не могут иметь более 3— 5 (редко 6) звеньев, а экологические пирамиды не могут состоять из большого количества этажей. К конечному звену пищевой цепи так же, как и к верхнему этажу экологической пирамиды, будет поступать так мало энергии, что ее не хватит в случае увеличения числа организмов.

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ!!!