Основы Экологии

Основы Экологии

• 8.    Диапазон действия экологических факторов.

Экологический фактор это любой элемент окружающей среды, способный прямо или косвенно влиять на живой организм, хотя бы на одном из этапов его индивидуального развития.

Экологические факторы многообразны, но их принято делить на две группы:

• факторы косной (неживой) природы — абиотические

                                                                                или абиогенные;

• факторы живой природы — биотические

                                                            или биогенные.

             По своему происхождению, и  те и другие бывают как природными, так и антропогенными, т. е. прямо или косвенно связанными с деятельностью человека, который не только меняет режимы природных экологических факторов, но и создает новые, синтезируя ядохимикаты, удобрения, строительные материалы, лекарства и т. п.

• АБИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

В абиотической части среды  обитания (в неживой природе) все факторы прежде всего можно разделить на физические и химические. Однако для понимания сути рассматриваемых явлений и процессов абиотические факторы удобно представить совокупностью климатических,

топографических,

космических факторов,

а также характеристик  состава среды (водной, наземной или  почвенной) и др.

• Основные климатические факторы:

Энергия Солнца.

Энергия солнца распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Для организмов важны длина  волны воспринимаемого излучения, его интенсивность и продолжительность воздействия.

Около 99% всей энергии солнечной  радиации составляют лучи с длиной волны X = 170 ... 4000 нм.

Преимущественное значение для фотосинтеза имеют лучи с X = 380 ... 710 нм. Длинноволновая (дальняя инфракрасная) солнечная радиация (X > 4000 нм) незначительно влияет на процессы жизнедеятельности организмов.

Ультрафиолетовые лучи с X > 320 нм в малых дозах необходимы животным и человеку, так как под их действием в организме образуется витамин D. Излучение с X < 290 нм губительно для живого, но до поверхности Земли оно не доходит, поглощаясь озоновым слоем атмосферы.

При прохождении через  атмосферный воздух солнечный свет  отражается, рассеивается и поглощается. Чистый и загрязненный снег, черноземная почва, сухая светлая почва, хвойные леса, по-разному отражают солнечный свет.  Однако освещенность земной поверхности существенно колеблется в зависимости от времени года и суток, географической широты, экспозиции склона, состояния атмосферы и т. п.

Вследствие вращения Земли  периодически чередуются светлое и  темное время суток. Цветение, прорастание  семян у растений, миграция, зимняя спячка, размножение животных и многое другое в природе связаны с длительностью фотопериода (длиной дня). Необходимость в свете для растений обусловливает быстрый их рост в высоту, ярусную структуру леса.

Водные растения распространяются преимущественно в поверхностных слоях водоемов.

Температура.

Температура связана с  солнечным излучением, но в ряде случаев определяется энергией и геотермальных источников.

При температуре ниже точки  замерзания живая клетка физически  повреждается образующимися кристаллами  льда и гибнет, а при высоких  температурах происходит денатурация ферментов. Абсолютное большинство растений и животных не выдерживает отрицательных температур тела.

Значительная часть организмов способна контролировать (поддерживать) температуру тела, причем в первую очередь наиболее жизненно важных органов.

Такие организмы называют теплокровными (от греч. homoios - подобный, therme - теплота), в отличие от холоднокровных (от греч. poikilos - различный, переменчивый, разнообразный), имеющих непостоянную температуру, зависящую от температуры окружающей среды.

Известно, что в регионах, где температура в течение  суток, а также в разные сезоны сильно меняется, разнообразие видов меньше, чем в регионах с более постоянными суточными и годовыми температурами.

В водной среде благодаря  высокой теплоемкости воды изменения температуры менее резкие и условия более стабильные, чем на суше.

Температура, как и интенсивность  света, зависит от географической широты, сезона, времени суток и экспозиции склона.

Изменение температуры по мере подъема в воздушной среде или погружения в водную среду называют температурной стратификацией, влияющей на размещение в воде живых организмов, а также на перенос и рассеивание поступающих примесей.

Подобное явление встречается  и в атмосфере, когда охлажденные слои воздуха смещаются вниз и располагаются под теплыми слоями, т. е. имеет место температурная инверсия, способствующая накоплению загрязняющих веществ в приземном слое воздуха.

Инверсии способствуют некоторые  особенности рельефа, например, котлованы  и долины.

В почвенной среде суточные и сезонные колебания температуры зависят от глубины. Значительный градиент температур (а также влажности) позволяет обитателям почвы обеспечивать себе благоприятную среду путем незначительных перемещений.

Наличие и численность  живых организмов могут влиять на температуру. Например, под пологом  леса или под листьями отдельного растения имеет место иная температура.

Осадки, влажность.

В приземном слое воздуха  образуются росы, туманы, а при низких температурах наблюдается кристаллизация влаги - выпадает иней или снег.

Одна из основных физиологических  функций любого организма - поддержание на достаточном уровне количества воды в теле. В процессе эволюции у организмов сформировались разнообразные приспособления к добыванию и экономному расходованию воды, а также к переживанию засушливого периода. Одни животные пустыни получают воду из пищи, другие за счет окисления своевременно запасенных жиров и при этом у них минимальна водопроницаемость наружных покровов тела, и преимущественно ночной образ жизни. 

Малое количество осадков, быстрый  дренаж, интенсивное испарение либо сочетания этих факторов ведут к  иссушению, а избыток влаги - к  переувлажнению и заболачиванию  почв.

Баланс влаги зависит  от разницы между количеством  выпавших осадков и количеством воды, испарившейся с поверхностей почвы и растений (путем транспирации).

Так же, влажность воздуха  как экологический фактор при своих крайних значениях, усиливает воздействие температуры на организм.

Насыщение воздуха парами воды редко достигает максимального значения. Дефицит влажности это разность между максимально возможным и фактически существующим насыщением при данной температуре. Это один из важнейших экологических параметров, поскольку характеризует сразу две величины: температуру и влажность. Чем выше дефицит влажности, тем суше и теплее, и наоборот.

Режим осадков - важнейший  фактор, определяющий миграцию загрязняющих веществ в природной среде и вымывание их из атмосферы.

Подвижность среды.

Причинами возникновения  движения воздушных масс (ветра) являются в первую очередь перепады давления, вызванные неодинаковым нагревом земной поверхности, а также вращение Земли. 

Ветер - важнейший фактор распространения на большие расстояния влаги, семян, спор и химических примесей, направлен в сторону более  прогретого воздуха. Он способствует как  снижению околоземной концентрации пыле- и газообразных веществ вблизи места их поступления в атмосферу, так и повышению фоновых концентраций в воздушной среде вследствие выбросов далеких источников, включая трансграничный перенос.

Ветер ускоряет транспирацию, что особенно ухудшает условия существования при низкой влажности. Кроме того, он косвенно влияет на все живые организмы суши, участвуя в процессах выветривания и эрозии.

Подвижность в пространстве и перемешивание водных масс способствуют поддержанию относительной гомогенности (однородности) физических и химических характеристик водных объектов.

Давление.

Нормальным атмосферным  давлением считается абсолютное давление на уровне поверхности Мирового океана 101,3 кПа, соответствующее 1 атм. В пределах земного шара существуют постоянные области высокого и низкого атмосферного давления, причем в одних и тех же точках наблюдаются сезонные и суточные его колебания. По мере увеличения высоты относительно уровня океана давление уменьшается, снижается парциальное давление кислорода, усиливается транспирация у растений.

Периодически в атмосфере  образуются области пониженного давления (циклоны). Для них характерно большое количество осадков и неустойчивая погода. Противоположные природные явления называют антициклонами. Они характеризуются устойчивой погодой, слабыми ветрами и в ряде случаев температурной инверсией. При антициклонах порой возникают неблагоприятные метеорологические условия, способствующие накоплению в приземном слое атмосферы загрязняющих веществ.

Различают также морское  и континентальное атмосферное давление. Давление в водной среде возрастает по мере погружения.

Ионизирующие излучения.

Ионизирующим называют излучение, образующее пары ионов при прохождении через вещество;

фоновым - излучение, создаваемое природными источниками. Оно имеет два основных источника: космическое излучение и радиоактивные изотопы и элементы в минералах земной коры. Главнейшие из них калий, торий и уран. Под воздействием космического излучения в атмосфере постоянно образуются все новые ядра радиоактивных атомов, главные из которых - углерод и тритий.

Радиационный фон ландшафта - одна из непременных составляющих его климата. В формировании фона принимают участие все известные источники ионизирующего излучения, в различной степени, зависит это от конкретной географической точки.

Все живое на Земле подвергается излучению из Космоса на протяжении всей истории существования и  адаптировалось к этому.

Горные ландшафты благодаря  значительной высоте над уровнем  моря характеризуются повышенным вкладом  космического излучения. Ледники, выполняя функцию поглощающего экрана, задерживают в своей массе излучение подстилающих коренных пород. Обнаружены различия в содержании радиоактивных аэрозолей над морем и сушей. Суммарная радиоактивность морского воздуха в сотни и тысячи раз меньше, чем континентального.

 В целом ионизирующее  излучение более губительно воздействует  на высокоразвитые и сложные  организмы, причем человек отличается особой чувствительностью. Некоторые вещества распределяются в организме равномерно, например углерод или тритий, а другие накапливаются в определенных органах. Так, радий, свинец, полоний аккумулируются в костных тканях. Сильное воздействие на легкие оказывает инертный газ радон, порой выделяющийся не только из залежей в литосфере, но и из минералов, добытых человеком и применяемых в качестве строительных материалов.

Радиоактивные вещества могут  накапливаться в воде, почве, осадках или в воздухе, если скорость их поступления превышает скорость радиоактивного распада. В живых организмах накопление радиоактивных веществ происходит при их попадании с пищей.

• Топографические факторы

Влияние абиотических факторов в значительной мере зависит от топографических характеристик местности, которые могут сильно изменять и климат, и особенности развития почв.

Основной топографический фактор - высота над уровнем моря. С высотой снижаются средние температуры, увеличивается суточный перепад температур, возрастает количество осадков, скорость ветра и интенсивность радиации, понижается давление. В результате в горной местности по мере подъема наблюдается вертикальная зональность распределения растительности.

Горные цепи могут служить  климатическими барьерами. Вызывая осадки и снижая абсолютное влагосодержание воздуха, и в тоже время, попадая на другую сторону горной гряды, осушенный воздух способствует снижению интенсивности дождей или снегопада.

Горы могут играть роль изолирующего фактора в процессах видообразования, так как служат барьером для миграции организмов.

Важный топографический  фактор - экспозиция (освещенность) склона. В Северном полушарии теплее на южных склонах, а в Южном полушарии - на северных склонах.

Другой важный фактор - крутизна склона, влияющая на дренаж. Вода стекает со склонов, смывая почву, уменьшая ее слой. Кроме того, под действием силы тяжести почва медленно сползает вниз, что ведет к ее скоплению у основания склонов. Наличие растительности немного сдерживает эти процессы. При отсутствии  растительности обычно создаются осыпи из рыхлого материала.

Рельеф местности - один из главных факторов, влияющих на перенос, рассеивание или накопление примесей в атмосферном воздухе.

• Космические факторы

            Наукой накоплено множество фактов, подтверждающих влияние Космоса на жизнь Земли.

Наша  планета не изолирована от процессов, протекающих в космическом пространстве. Земля периодически сталкивается с астероидами, сближается с кометами, на нее попадают космическая пыль, метеоритные вещества, разнообразные виды излучений Солнца и звезд.

К числу  важных природных абиотических факторов относят пожары, которые при определенном сочетании климатических условий приводят к полному или частичному выгоранию наземной растительности.

Основной  причиной возгораний в естественных условиях являются молнии. По мере развития цивилизации увеличивалось число пожаров, связанных с деятельностью человека: выжигание участков леса для земледелия, небрежное обращение с огнем, аварии, мусор и др.

Растительность в процессе эволюции приспособилась к воздействию огня (пожаров), сформировалась даже специфическая флора, отличающаяся твердой и прочной кожурой семян, быстрым ростом и ранним плодоношением, огнестойкостью коры и т. п.

Косвенное экологически значимое воздействие  огня проявляется, прежде всего, в устранении конкуренции для видов, переживших пожар.

После сгорания растительного покрова изменяются и условия среды: освещенность, разница между дневной и ночной температурами, влажность, облегчаются ветровая и дождевая эрозия почвы, ускоряется минерализация гумуса.

При пожарах в атмосферу поступает значительное количество продуктов горения растительной массы и ее обитателей, что существенно сказывается на загазованности среды обитания в соседних районах.

Однако  почва после пожаров обогащается  питательными элементами, такими, как  фосфор, калий, кальций, магний. Животные, получают более полноценное питание. Искусственное предотвращение пожаров нежелательно необходимы периодические выгорания растительности для поддержания естественной среды.

• БИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Биотические факторы - это совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие. Все живое, окружающее организм в среде обитания, составляет биотическую среду или биоту.

Взаимоотношения между животными, растениями, микроорганизмами чрезвычайно многообразны.

Различают гомотипические взаимодействие особей одного и того же вида, и гетеротипические - отношения представителей разных видов.

Представители каждого вида способны существовать в таком биотическом окружении, где связи с другими организмами обеспечивают им нормальные условия жизни. Главной формой проявления этих связей служат пищевые взаимоотношения организмов различных категорий. Так же, между растительными и животными организмами возникают также пространственные взаимоотношения.

В результате действия многих факторов разнообразные виды объединяются не в произвольном сочетании, но только при условии приспособленности к совместному обитанию.

• Форма взаимоотношений, при которой оба партнера или один из них извлекают пользу от другого называется - симбиоз (сожительство).

             Длительное, неразделимое взаимовыгодное сожительство двух и более видов организмов - кооперация

Такая форма связи  как, межвидовая взаимопомощь, заключается, например, в том, что птицы уничтожают личинок-паразитов под кожей буйволов или сороки предупреждают об опасности крупных копытных.

Комменсализм - это взаимодействие между организмами, когда жизнедеятельность одного предоставляет пищу или убежище другому, (гиены, подбирающие остатки недоеденной львами добычи, мальки рыб, прячущиеся под зонтиками крупных медуз, а также некоторые грибы, растущие у корней деревьев).

Взаимополезное сожительство, когда присутствие партнера становится обязательным условием существования каждого из них,например сожительство клубеньковых бактерий и бобовых растений, которые могут совместно жить на почвах, бедных азотом, и обогащать им почву, называется мутуализм, а когда оба партнера или один из них испытывают отрицательное влияние, называется антибиозом.

Конкуренция, проявляется наиболее отчетливо на популяционном уровне.

Это - отрицательное воздействие организмов друг на друга в борьбе за пищу, местообитание и другие, необходимые для жизни условия.

Хищничество одновременно полезно для одного и вредно для другого организма.

Отношение между хищником и жертвой, заключающееся в поедании одного организма другим. Так, например, львы поедают растительноядных копытных, птицы - насекомых, крупные рыбы - более мелких. В процессе взаимодействия «хищник - жертва» происходят естественный отбор и важнейшие эволюционные процессы. В естественных условиях ни один вид не стремится привести к уничтожению другого, а исчезновение какого-либо естественного «врага» (хищника) из среды обитания может способствовать вымиранию его жертвы.

            Взаимодействие организмов, при  котором один из них живет за счет другого является паразитизмом. Форма связи паразитизм, с общебиологических позиций также необходима и одному и другому. Исчезновение (или уничтожение) такого «естественного врага» наносит ущерб хозяину, так как слабые, отставшие в развитии или имеющие иные недостатки особи не будут уничтожаться, что способствует постепенной деградации и вымиранию. Паразит использует в пищу тело своего хозяина постепенно, сохраняя ему жизнь до окончания своего жизненного цикла.

            Вид, не имеющий «врагов», обречен на вырождение. Отмеченное обстоятельство имеет особо важное значение в таких случаях, как разработка и применение средств защиты растений в сельском хозяйстве.

  Взаимонезависимость разных видов, обитающих на одной территории, называют нейтрализмом. К примеру, белки и лоси не конкурируют друг с другом, но засуха в лесу сказывается на тех и на других, хотя в разной степени.

• Биотические факторы, воздействуют и на растения. Как первичные продуценты органического вещества, они подразделяют на зоогенные и фитогенные.

• К зоогенным биотическим факторам воздействия животных на растительность прежде всего относится поедание растения целиком или отдельных его органов (частей). Объедание животными ветвей и побегов изменяет форму кроны деревьев. Значительное количество семян идет на питание птиц и грызунов. Растения, повреждаемые животными-фитофагами, приобретают защитные приспособления (колючки, шипы и т. п.), образуют избыточную фитомассу, усиленно наращивают оставшиеся листья и т. п.

            Экологически значимым фактором является и механическое воздействие животных на растения, заключающееся в повреждении всего растения при поедании его частей, а также вытаптывание. Имеется и положительное влияние животных на жизненные процессы растений, например, опыление насекомыми и птицами.

• Фитогенные биотические факторы растение, испытывает на себе от многообразного влияния соседних растений. Повсеместно существует переплетение и срастание корней, охлестывание ветвями соседних крон, использование одним растением другого для прикрепления и многие другие формы взаимоотношений между растениями.

Любое растительное сообщество в свою очередь  влияет на совокупность абиотических характеристик среды своего обитания.

• В процессах образования и функционирования почвы важнейшую роль играют живые организмы.

            В первую очередь к ним относятся зеленые растения, извлекающие из почвы питательные химические вещества и возвращающие их обратно с отмирающими тканями. В лесах основным материалом подстилки и гумуса служат листва и хвоя деревьев, определяющие кислотность почвы. Растительность создает непрерывный поток зольных элементов из более глубоких слоев почвы к ее поверхности, т. е. их биологическую миграцию.

В почве  постоянно обитает множество  микроорганизмов, червей, мелких членистоногих. В ней живут грызуны, ящерицы, роют норы кролики. Часть жизненного цикла многих беспозвоночных также проходит в почве. Ходы и норы способствуют перемешиванию и аэрации почвы, облегчают рост корней. Проходя через пищеварительный тракт червя, почва измельчается, минеральные и органические компоненты перемешиваются, структура почвы улучшается.

Протекающие в почве процессы синтеза, биосинтеза, разнообразные химические реакции преобразования веществ связаны с жизнедеятельностью бактерий. Некоторые бактерии участвуют только в цикле превращения одного элемента, например серы, другие в циклах превращения нескольких элементов, например, углерода, азота, фосфора и кальция. При отсутствии в почве специализированных групп бактерий эту роль выполняют почвенные животные, которые переводят крупные растительные остатки в микроскопические частицы, таким образом делая органические вещества доступными для микроорганизмов.

Среди почвенных бактерий особую функцию  выполняют азотфиксирующие. Они играют важнейшую роль в круговороте азота в природе.

• СОСТАВ СРЕДЫ

• Большая часть поверхности Земли, около72% покрыто водой. Распространение и жизнедеятельность организмов в водной среде в значительной степени зависят от ее химического состава. Все водные организмы подразделяют на пресноводные и морские в зависимости от солености воды, в которой они обитают. Содержание солей и воде Мертвого моря достигает 26-27%, тогда как концентрация солей в пресных водоемах около 0,05%.

Состав  солей разнообразен, в океанической воде встречаются практически все химические элементы и их изотопы. Главный компонент солей морской воды - хлорид натрия, в пресных водах преобладают карбонаты.

Повышение солености воды в среде обитания ведет к потере воды организмом (путем осмоса¹).

Редкие  организмы допускают большие  колебания солености. Обычно они обитают в эстуариях (место впадения пресно водной реки в соленое море или длинный и узкий залив океана) или в маршах (низменная лугово-болотная полоса вдоль морского побережья и у устья рек, заливаемая морской водой лишь при очень высоких приливах).

Соленость воды влияет и на наземные растения. При чрезмерно интенсивном испарении  воды либо ограниченности осадков почва  может засоляться. Такая проблема существует при искусственном орошении.

Любые воды в природных водоемах, помимо растворенных веществ, содержат некоторое  количество взвешенных частиц, наличие  которых характеризует мутность или прозрачность воды, а также световой режим в глубине водоема.

Один  из основных комплексных показателей  химического состава водной среды - кислотность (рН). Одни организмы эволюционно приспособлены к жизни в кислой среде, другие  в щелочной, третьи в нейтральной.

В составе  природной водной среды всегда присутствуют растворенные газы, из которых первоочередное значение имеют кислород и диоксид углерода, участвующие в фотосинтезе и дыхании водных организмов.

• Один из главных абиотических факторов наземной (воздушной) среды обитания - состав воздуха.

Воздух, лишенный влаги и взвешенных частиц, имеет на высоте уровня моря практически  одинаковый состав во всех местностях земного шара.

Азот, присутствующий в атмосферном воздухе  в наибольшем количестве, в газообразном состоянии для абсолютного большинства организмов, особенно для животных, является нейтральным. Только для ряда микроорганизмов азот воздуха служит фактором жизнедеятельности. Эти микроорганизмы усваивают молекулярный азот, а после отмирания и минерализации снабжают высшие растения доступными формами этого химического элемента.

Присутствие в воздухе иных газообразных веществ  или аэрозолей  в каких-либо заметных количествах изменяет привычные условия среды обитания, влияет на живые организмы.

• Важнейшим звеном, связывающим абиотические и биотические факторы среды обитания, является почва - слой веществ, лежащих на поверхности земной коры. Она представляет собой продукт физического, химического и биологического преобразования горных пород и является трехфазной средой, включающей твердые, жидкие и газообразные компоненты, (минеральная основа обычно 50—60% ,органическое вещество, вода, воздух.)

Горная  порода под действием химических и физических факторов природной  среды постепенно разрушается. Образующиеся части различны по размеру - от валунов и камней до крупных песчинок и мельчайших частиц глины. Механические и химические свойства почвы в основном зависят от мелкого грунта (частицы менее 2 мм), который принято подразделять в зависимости от размера на следующие системы: песок, алеврит (иногда называемый «пылью») и глину.

  «Идеальной» почвой считается состав, содержащий равные количества глины и песка в сочетании с частицами промежуточных размеров. Соответствующие почвы называют суглинками.

Большая часть минеральных компонентов  представлена в почве кристаллическими структурами. Песок и алеврит состоят в основном из инертного минерала - кварца (Si0₂), называемого кремнеземом.

Глинистые минералы в большинстве встречаются  в виде мельчайших плоских кристаллов, состоящих из слоев гидроокиси алюминия или глинозема (А1₂0₃) и слоев силикатов. Удельная поверхность кристаллов очень велика, что способствует удержанию воды и питательных веществ в почве.

В целом  считается, что свыше 50% минерального состава почвы составляет кремнезем (Si0₂), и далее глинозем (А1₂0₃), оксиды железа (Fe₃0₄), оксиды магния, калия, фосфора, кальция (MgO, К₂0, Р₂0₃, СаО).

В сельском хозяйстве почвы делят на тяжелые (глины) и легкие (пески), чем отражают величину усилий, необходимых для  обработки почвы сельскохозяйственными  орудиями.

• Необходимый химический элемент вода, требуется всем почвенным организмам, она поглощается корнями растений и принимает участие в процессах разрушения материнской породы, подстилающей почву. Благодаря воде происходит миграция и дифференциация химических элементов в почве.

Общее количество воды, которое может быть удержано почвой, складывается из:

• Гравитационная, такая вода может свободно просачиваться вниз через почву, достигая уровня грунтовых вод, что ведет к вымыванию различных питательных веществ.
• Физически связанная, (гигроскопическая) вода адсорбируется на частицах почвы в виде тонкой прочно связанной пленки. Ее количество зависит от содержания твердых частиц. В глинистых почвах такой воды значительно больше (около 15% веса почвы), чем в песчаных (около 0,5%). Гигроскопическая вода наименее доступна растениям.
• Капиллярная вода удерживается вокруг почвенных частиц за счет сил поверхностного натяжения. При наличии узких пор или канальцев капиллярная вода может подниматься от уровня грунтовых вод вверх, играя центральную роль в регулярном снабжении растений влагой. Глины удерживают больше капиллярной воды, чем пески.
• Химически связанная вода и парообразная практически недоступны корневой системе растений.