ВАЖНЕЙШИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ И АДАПТАЦИЯ К НИМ ОРГАНИЗМОВ

ВАЖНЕЙШИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ И АДАПТАЦИЯ К НИМ ОРГАНИЗМОВ

Среда – это часть природы, окружающая живые организмы и оказывающая на них прямое или косвенное воздействие Типы сред обитания Водная Наземно-воздушная Почвенная Живые организмы как среда обитания

Экологический фактор – любой элемент среды, способный оказать прямое влияние на живые организмы, хотя бы на одной их фаз их индивидуального развития. Условия жизни, или условия существования – это совокупность необходимых для организма элементов среды обитания, с которыми он находится в неразрывном единстве и без которых существовать не может.

Адаптации это приспособления организмов к среде. Способность к адаптациям – одно из основных свойств жизни вообще, обеспечивающая самую возможность ее существования, возможность организмов выживать и размножаться

Иерархия адаптаций Ш Биохимические Ш Физиологические Ш Морфологические Ш Поведенческие Ш Социальные Увеличение специфичности Приспособление к одному фактору может происходить на различных уровнях

Как возникают адаптации? Направленные приспособления Жан Батист Ламарк Ненаправленные изменения, удачные отбираются Чарльз Дарвин

Чернотелки Stenocara в пустыне Намиб В пустыне Намиб полностью отсутствуют дождевые осадки, но ежедневно выпадают туманы. Чернотелки рода Stenocara во время тумана конденсируют воду из влажного воздуха, на поверхности тела и сохраняют ее в специальных вместилищах

Корневая система пустынных кустарников Многие растения пустынь образуют корневую систему, достигающую грунтовых вод

Обратимая дегидратация у мхов рода Tortula Мхи рода Tortula обычны на камнях, и на почве в засушливых условиях. Они могут подвергаться глубокой дегидратации без потери жизнеспособности и длительно сохраняться в высушенном состоянии. При увлажнении жизнедеятельность мха восстанавливается.

Спячка у млекопитающих Спячка у суслика сопровождается глубокими физиологическими перестройками, которые приводят к сильному снижению активности. При выходе из спячки температура тела за два часа поднимается от почти нулевой до нормальной. Начало пробуждения 4ºC 3ºC 14ºC 17ºC 20ºC 35ºC 26ºC Полное пробуждение

Эфемеры в пустыне Во многих континентальных пустынях значительные осадки выпадают лишь в короткие периоды. Эфемеры и эфемероиды успевают закончить в этот период генеративный цикл и сохраняются в виде семян до следующих осадков.

Адаптивные стратегии Активный путь сопротивляемость среде Пассивный путь подчинение среде Избегание (жизненный цикл, при котором самые уязвимые стадии протекают в самые благоприятные периоды )

Экологические факторы биотические антропогенные

Абиотические факторы – это комплекс условий неорганической среды, влияющих на организм Абиотические факторы подразделяются на: Ø климатические (свет, температура, влага, ветер, воздух, давление, течения, долгота дня и др. ) Ø почвенные (эдафические - механический состав почвы, ее проницаемость, влагоемкость, содержание элементов питания) Ø химические (газовый состав, соленость воды и др. ) Ø топографические и др.

Биотические факторы – это совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие Антропогенные факторы выделяют в самостоятельную группу факторов, подчеркивая тем самым чрезвычайное действие антропогенного фактора.

Степень благоприятствия Закон оптимума Зона пессимума Зона оптимума Зона пессимума Градиент фактора Пределы толерантности (экологическая валентность)

Для каждого вида живых организмов существуют оптимум, стрессовые зоны и пределы устойчивости или • Для каждого вида живых организмов выносливости в отношении каждого существуют оптимум, стрессовые средового фактора зоны и пределы устойчивости или выносливости в отношении каждого средового фактора

Пределы выносливости вида в зависимости от интенсивности изучаемого экологического фактора (по Р. Дажо, 1975).

Свойство видов адаптироваться к тому или иному диапазону факторов среды обозначают понятием «экологическая валентность» или экологическая пластичность вида

Экологически выносливые виды называют эврибионтными (eyros – широкий) маловыносливые – стенобионтными (stenos – узкий)

Стенобионты и эврибионты Picea abies – эвритермный вид Эврибионтные виды – широкие пределы толерантности Степень благоприятствия Стенобионтные виды – узкие пределы толерантности Тропические орхидеи стенотермные виды Градиент фактора -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 Температура, °C

Экологическая пластичность видов (по Р. Дажо, 1975).

Правило лимитирующих факторов Лимитирующий фактор – любое условие, приближающееся к пределу толерантности Рост растения зависит от того элемента питания, который присутствует в минимальном количестве. Ю. Либих, 1840 Юстус Либих (1803 — 1873)

Лимитирующий фактор это фактор, уровень которого в качественном или количественном отношении (недостаток или избыток) оказывается близким к пределам выносливости данного организма, Именно он и будет определяющим для развития организма

В. Шелфорд (1913) «закон толерантности» Процветание организма ограничено зонами максимума и минимума определенных экологических факторов. Между ними располагается зона оптимума. Каждый вид характеризуется своей толерантностью – способностью переносить отклонения экологических факторов от оптимальных

Свет как экологический фактор

Пути расходования энергии на поверхности Земли Солнце Отражается облаками, пылью и поверхностью Земли 15 % 42 % 43 % Достигает Земли Поглощается атмосферой

Состав солнечной радиации УФ Видимый <0. 4 -0. 75 Инфракрасный 0. 75 - 300 Интенсивность радиации 35 30 На границе атмосферы 25 20 15 У земной поверхности 10 5 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1. 0 1. 2 1. 4 1. 6 1. 8 2. 0 2. 2 2. 4 Длина волны, мкм 0. 3 Действие на живые организмы 0. 38 0. 71 Физиологическая радиация (ФР) Фотосинтетически активная радиация (ФАР)

Свет С участием света у растений и животных протекают важнейшие процессы: Ø фотосинтез Ø транспирация Ø фотопериодизм (важны для синхронизации жизнедеятельности растений и животных с временами года) Ø движение (фотонастии и фототаксис) Ø зрение у животных

Связывание солнечной энергии - фотосинтез Хлоропласт Вакуоль Свет Клетка АДФ Фотосистемы АТФ Тилакоиды Внутренняя часть тилакоида: низкий p. H H+ Строма хлоропласта: высокий p. H

Эффективность использования света растениями Эффективность фотосинтеза: 4% Максимум: 3 -4. 5% - в культурах водорослей Средняя эффективность в различных биомах Тропические леса 1 -3 % Умеренные леса 0. 6 -1. 2 % Сельскохозяйственные культуры 0. 6 % (!!!)

Ослабление освещенности растительным покровом В наземном ярусе – 2 -7% полной освещенности!

Экологические группы растений по отношению к свету Сциофиты Asarum europeum Paris quadrifolia Oxalis acetosella Гелиофиты Capsella bursa-pastoris Potentilla anserina Matricaria matricarioides

Характеристики сциофитов и гелиофитов Признак Гелиофиты Сциофиты Внешний вид Розеточные Прямостоячие Расположение листьев Диффузное Мозаичное Листья Мелкие, рассеченные Крупные, цельные Устьица Много Мало Жилкование Густое Редкое Механические ткани Хорошо развиты Плохо развиты Хлоропласты Мелкие, много Крупные, мало Фиксация CO 2 Встречаются C-4 -растения C-3 -растения

Роль света в жизнедеятельности животных Действие не физиологические процессы Ориентация в пространстве − Пигментация (меланизация) кожи Органы зрения − Образование некоторых факторов роста (витамин D) − Фотосенсибилизация − Мутагенное действие

Свет как условие ориентации Роль зрительной ориентации – зависит от степени эволюционного развития органов зрения Фототаксис Различают степень освещенности (день-ночь) Восприятие образов Collembola Стигма Простейшие: Euglena Примитивные глазки Примитивные беспозвоночные Сложные глаза Позвоночные и насекомые

Гипертрофия органов зрения Жизнь при сумеречном освещении может приводить к гипертрофированному развитию глаз, способным улавливать ничтожные доли света Лори Совы

Редукция глаз У постоянных обитателей пещер наблюдается полная или частичная редукция глаз

Биолюминисценция характерна для глубоководных животных, осуществляется за счет симбиоза со светящимися бактериями. Выделение светящейся жидкости – защита от хищников Культура Photobacterium Светящаяся приманка Собственное освещение

Пути адаптации к недостатку света Альтернативные стратегии Рудукция органов зрения Гипертрофия органов зрения Собственный свет (биолюминисценция)

Интенсивность, или сила света - количество джоулей, приходящихся на 1 см 2 горизонтальной поверхности в минуту. Интенсивность света, падающего на автотрофный ярус, управляет всей экосистемой, влияя на первичную продукцию Движение Земли вокруг Солнца вызывает закономерные изменения длины дня и ночи по сезонам года.

Биологические ритмы Периодичность – фундаментальное свойство живого! Природные ритмы Эндогенные (внутренние) Физиологические ритмы: - деление клеток - сокращение мышц - биение сердца - дыхание - нервные импульсы Экзогенные Имеют географическую природу и следуют за циклическими изменениями во внешней среде Периодические изменения: - температуры - светового режима - давления - влажности воздуха, - электромагнитного поля - приливы и отливы Адаптивные биологические ритмы

Адаптивные биологические ритмы Абиотические ритмы Изменение биологической активности Закрепление в генотипе Адаптивные ритмы Суточные Приливно-отливные Годичные

Суточные ритмы Циркадные ритмы – суточные эндогенные ритмы (circa – около, dies – сутки) Сон – бодрствование: физиологическая перестройка организма Ночь День Летучие мыши Гомойотермные: t° тела t° среды активный хищник Пойкилотермные: t° тела t° среды оцепенение

Суточные ритмы у растений: фототропизм Фототропизм - реакция на изменяющуюся освещенность у проростков подсолнуха.

Циркадные ритмы у растений Циркадные ритмы – суточные ритмы, перешедшие во эндогенные, генетические свойства вида Суточные движения листьев акации – сохраняются при постоянном освещении

Приливно-отливные ритмы Литораль: Приливно-отливный цикл Суточный цикл + (2 раза в лунные сутки, 24 ч 50 мин) освещенности Лунный месяц (29. 5 солн. сут) Мангровые заросли Воздушные корни Илистые прыгуны (Periophthalmus)

Годичные ритмы Сезонные изменения – один из наиболее универсальных ритмов Животные - запасание жира - спячка - сезонные линьки - миграции Растения - интенсивность фотосинтеза - размножение однолетников - листопад - состав экссудатов Годичные ритмы Экзогенные - прорастаемость семян Эндогенные (цирканные) - размножение животных

Температура как экологический фактор

Температурные границы жизни Стабильность белков: -10ºC 0 ºC 50 ºC 100 ºC Перенесение в неактивном состоянии Эндоспоры бактерий выдерживают кипячение Хранение культур в жидком азоте -173°C Долина смерти, Колорадо + 56°C Станция Восток, Антарктида -80°C Стабильные экосистемы -200 -150 -100 -50 0 Температура, °C 50 100

Температурный фактор характеризуется ярко выраженными как сезонными, так и суточными колебаниями

Зависимость скорости процессов от температуры Opt v Min Химическая реакция ΔH – энергия активации R – газовая постоянная T – температура Закон Вант-Гоффа: Max Ферментативная реакция (кривая Аррениуса) Min Max Скорость роста T организма Кардинальные точки: Opt - скорость процессов максимальна Min - разбалансировка процессов, замерзание воды, холодовые повреждения Max - денатурация белков, разбалансировка процессов, обезвоживание

Значение температуры заключается и в том, что она изменяет скорость протекания физико-химических клеточных процессов и это отражается на жизнедеятельности организма в целом

Поддержание температуры тела Пойкилотермные (от греч. рoikilos – разный) t° тела зависит от t° среды Микроорганизмы, растения, беспозвоночные Гомойотермные (от греч. homoios – подобный) t° тела поддерживается на постоянном уровне Млекопитающие и птицы Гетеротермные Промежуточный вариант: t° варьирует Млекопитающие, впадающие в спячку и регулируется эндогенно

Организмы могут быть: эвритермные – выдерживают широкие колебания температур стенотермные – живут лишь в узких пределах температур Приостановка всех жизненных процессов организма называется анабиозом.

Правило суммы температур Порог развития – температура, при которой у пойкилотермных организмов восстанавливается обмен веществ после холодового угнетения Сумма эффективных температур: для развития пойкилотермного организма ему необходимо получить извне определенное количества тепла суммы эффективных температур Порог развития и сумма эффективных температур различны у разных видов.

Температурные адаптации растений 1. Биохимические – накопление антифризов Расположение листьев 2. Физиологические - Транспирация Морфологические Опушение Отношение поверхность/объем

Температурные группы растений Группа Характеристика Нехолодостойкие Разбалансировка метаболизма при t>0°C, в тропиках Неморозостойкие Гибнут от образования льда, в субтропиках Морозостойкие Надземные органы могут промерзать Нежаростойкие До 30 -40°C, в основном водные Жаростойкие В основном пустынные ксерофиты Пирофиты Семена прорастают только после пожара

Температурные адаптации животных Физиологические Выработка тепла (гомойотермия), антифризы Мех, перья, Морфологические жировые запасы, испарение Этологические (поведенческие) Убежища. Миграции. Кочевки

Температура влияет на анатомоморфологические особенности организмов (правило Аллена, Бергмана), ход физиологических процессов, их рост, развитие, поведение и во многих случаях определяет географическое распространение растений и животных.

Правило Бергмана При продвижении на север средние размеры тела в популяциях эндотермных животных увеличиваются

Правило Аллена (1877) У видов, живущих в более холодном климате, выступающие части тела (хвост, уши и др. ) меньше, чем у родственных видов из более теплых мест.

Правило Глогера Окраска животных в холодном и сухом климате сравнительно светлее, чем в теплом и влажном

Влажность – это параметр, характеризующий содержание водяного пара (газообразной воды) в воздухе. Различают абсолютную и относительную влажности. Абсолютная влажность – количество газообразной воды, содержащейся в воздухе и выраженное через массу воды на единицу массы воздуха (напр. г/кг или г/куб. м). Относительная влажность – это отношение количества имеющегося в воздухе пара к насыщенному количеству пара при данных условиях температуры и давления.

Адаптации растений к недостатку воды Пойкилогидрические Содержание воды в тканях зависит от влажности среды. Высыхают, анабиоз. Гомойогидрические Поддерживают постоянное содержание воды. Низшие водоросли, мхи, лишайники Толстая кутикула Вакуоли Регуляция транспирации устьицами Развитая корневая система

Группы гомойогидрических растений по отношению к воде Водные, целиком погруженные в Гидатофиты воду Ряска Наземно-водные, частично погруженные в воду Кубышка Наземные, растут при избыточной влажности воздуха Кислица Мезофиты В условиях умеренного увлажнения Луговые травы Склерофиты С толстой, препятствующей испарению кутикулой Ковыль Суккуленты Сочные, с водозапасающей паренхимой Кукутусы Агава Гидрофиты Гигрофиты

Адаптации животных к недостатку воды Физиологические Образование метаболической влаги Экономия воды при выделении мочи и кала Потоотделение и испарение воды со слизистых Раковины, роговые Морфологические покровы, эпикутикула насекомых Поведенческие Поиски водопоев, выбор место обитания, рытье нор

три основные экологические группы по отношению к водному режиму: • гигрофильные– организмы, обитающие во влажных местах, не переносящие водного дефицита и обладающие невысокой засухоустойчивостью (калужница болотная, кислица и др. , комары, стрекозы, жужелицы и др. ), • ксерофильные – организмы сухих местообитаний, способные переносить значительный недостаток влаги почвенную и атмосферную засуху (суккуленты, верблюды и др. ) • мезофильные– организмы умеренно влажных местообитаний (многие луговые травы, большинство лесных растений, значительная часть лиственных деревьев и др. ). Эфемеры (однолетние растения и некоторые животные) – организмы, которые успевают в очень короткие сроки пройти весь жизненный цикл, используя благоприятные по увлажнению условия.

Атмосфера Значение: Øисточник воздуха для дыхания и углекислоты для фотосинтеза Øзащита от вредных космических излучений Øсохранение тепла на Земле

Атмосфера связана с экосферой биогеохимическими циклами, включающими газообразные компоненты: круговоротами углерода, азота, кислорода и воды Воздух, как среда обитания, оказывает лишь незначительное сопротивление движению и не может служить опорой для наземных организмов, что непосредственно сказалось на их строении

Топография

С высотой снижаются средние температуры увеличивается их суточный перепад возрастает количество осадков, скорость ветра и интенсивность радиации Ø понижается атмосферное давление и концентрация газов Ø Ø Ø Так, повышение уровня местности на каждые 100 м сопровождается уменьшением температуры воздуха примерно на 0, 6 º С.

Результатом влияния рельефа на живые организмы стала вертикальная зональность Для большинства позвоночных верхняя граница жизни около 6 км Горные цепи могут служить климатическими барьерами (большее количество осадков на наветренных склонах, пустынные условия на подветренных)

Прочие физические факторы Ø огонь Ø атмосферное электричество Ø шум Ø магнитное поле Земли Ø ионизирующие излучения

БИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ • Влияние животных организмов (зоогенные факторы) • Влияние растительных организмов (фитогенные факторы) • Влияние человека (антропогенные факторы).

зоогенные факторы Групповой эффект (1944, Grasse, Chauvin) обозначает изменения, связанные с объединением животных в группы по две и более особей. Важным следствием этого эффекта значительное ускорение роста. является Принцип «минимального размера популяции» объясняет, почему нельзя спасти виды, которые стали слишком редкими.

зоогенные факторы Массовый эффект (Грассе) обозначает эффект, вызванный перенаселением среды. Как правило, массовый эффект влечет за собой вредные для животных последствия, в то время как групповой эффект на них воздействует благоприятно.

Фитогенные факторы Ø Прямые контактные взаимодействия между растениями: механические (схлестывание ветвями, эпифитизм, давление и сцепление стволов и корней) физиологические (симбиоз, паразитизм и полупаразитизм, срастание корней) Ø Косвенные трансбиотические взаимоотношения – через животных и микроорганизмы; Ø Косвенные трансабиотические взаимоотношения – средообразующие влияния, конкуренция, аллелопатия;

Зоохория – распространение семян животными Пассивный способ Активный способ - поедание Плоды Arctium tomentosum – цепляются за животных Семена проходят через кишечный тракт Клетки дрожжей Metschnikowia на теле шмеля Перенос и складирование плодов – часть теряется

Антропогенные факторы Действие человека как экологического фактора в природе огромно и чрезвычайно многообразно В настоящее время ни один из экологических факторов не оказывает столь существенного и всеобщего, т. е. планетарного влияния, как человек, хотя это наиболее молодой фактор из всех действующих на природу. В процессе своей деятельности человек создал большое количество самых разнообразных видов животных и растений, существенным образом преобразовывал естественные природные комплексы

Благодарю за внимание