Правила оформления контрольной  работы

     Титульный лист

 
Санкт-Петербургская  государственная  академия сервиса  и экономики

Кафедра «Экология» 

«Роль экологических факторов в динамике численности  организмов»

Работа  выполнена студентом 1 курса 

                    специальность ______, _____ группы

Галкиным  Алексеем Юрьевичем

Работу  проверил____________________ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2011 

     Роль  экологических факторов в динамике численности организмов

     Оглавление 

Введение (стр. 2)

1. Теоретические основы действия экологических факторов  (стр. 4)

1.1 Понятие экологических факторов, их классификация  (стр. 4)

1.2 Понятие об оптимуме и толерантности   (стр. 5)

1.3 Лимитирующие факторы и закон Либиха  (стр. 8)

2. Воздействие экологических факторов на динамику численности  (стр. 9)

2.1 Понятие динамики численности  (стр. 9)

2.2 Взаимосвязь организма и его среды обитания  (стр. 11)

2.3 Приспособленность организмов к влиянию экологических факторов  (стр. 13)

Заключение  (стр. 18)

Список использованной литературы  (стр. 20)

Введение

     Свойства  среды, оказывающие на организмы  разностороннее воздействие, называются экологическими факторами.

     Актуальность  данной темы состоит в том, что  в природе эти факторы действуют  не изолированно друг от друга, а в  виде сложного комплекса. Комплекс экологических факторов, без которых организм существовать не может, и представляет собой условия существования данного организма. Условия существования и организмы неотделимы друг от друга.

     В зависимости от требований к условиям среды и реакции на определенные экологические факторы, организмы формируются в экологические группы.

     Елью  данной работы было рассмотреть роль экологических факторов в динамике численности организмов.

     Задачи  работы следующие:

1. Определить понятие экологических факторов, их классификацию;
2. Рассмотреть понятие оптимума и толерантности;
3. Исследовать лимитирующие факторы и закон Либиха;
4. Рассмотреть понятие динамики численности;
5. Проанализировать взаимосвязь организма и его среды обитания;
6. Оценить приспособленность организмов к влиянию экологических факторов.

1. Теоретические  основы действия  экологических факторов

     1.1 Понятие экологических  факторов, их классификация

     Абиотические  факторы представляют собой условия неорганической среды, которые влияют на организмы. Большое разнообразие абиотических факторов обусловлено большим числом комбинаций различных видов рельефа и климата.

     Биотические факторы – это вся сумма влияний организмов друг на друга в процессе их жизнедеятельности (опыление, затенение, поедание). В широком смысле биотические факторы представлены внутри- и межвидовыми отношениями организмов. К биотическим факторам следует отнести и антропические, роль которых возрастает с каждым годом. Антропические факторы обычно называют антропогенными. Их особенность заключается в том, что антропогенные факторы управляют процессами формирования человека и не имеют отношения к влиянию на другие организмы или среду. 

     Таблица 1 Классификация факторов

     По  действию факторы среды можно классифицировать на прямо- и косвенно-действующие (иначе говоря, опосредованные или модифицирующие). Прямодействующие: свет, тепло, плодородие почв, влага (на растения), косвеннодействующие – они же, но через цепи питания – на животных.

     Однако, то же тепло может быть и косвеннодействующим фактором. Приведем пример: на почвах с многолетней мерзлотой в муссонном климате летом происходит интенсивное таяние мерзлоты, однако из-за недостаточной обеспеченности теплом, корнеобитаемому слою свойственны переувлажнение и анаэробиозис, обусловливающие физиологическую недоступность для растений элементов питания. В континентальном сухом климате мерзлота в почвенном профиле, наоборот, в жаркую сухую погоду служит источником влаги и способствует оптимизации водного режима почв. Другие косвеннодействующие факторы: ветер (суровость погоды), течения (насыщ. кислородом), снежный покров.

     Все экологические факторы имеют  единицы измерения и определенный диапазон действия. В рамках этого  диапазона и осуществляется жизнедеятельность биосистем и отдельных организмов.

     Можно сгруппировать экологические факторы  по времени (эволюционный, исторический), периодичности (периодический, непериодический), очередности (первичный, вторичный), происхождению (космический, абиотический, биотический, биологический, техногенный, фактор беспокойства, послепожарный и др.), среде возникновения (атмосферный, водный, геоморфологический, эдафический, физиологический, биоценотический, популяционный и др.).

     1.2 Понятие об оптимуме  и толерантности

     а) Понятие об оптимуме

     Каждый  организм и экосистема развиваются  при действии определенного сочетания  факторов: влаги, света, тепла, наличия  и состава питательных веществ. Эти факторы действуют на организм одновременно. Для каждого организма, популяции, экосистемы можно определить диапазон условий среды, иначе говоря, диапазон устойчивости (рис. 1), в рамках которого происходит жизнедеятельность объектов.

     В процессе исторического развития у  организмов и биосистем сформировались определенные требования к условиям среды. Дозы факторов, при которых организм, популяция или биоценоз достигают наилучшего развития и максимальной продуктивности, соответствует оптимуму условий. С изменением этой дозы в сторону уменьшения или увеличения происходит угнетение организма и чем сильнее отклонение значения факторов от оптимума, тем снижение жизнеспособности больше, вплоть до гибели организма или разрушения биоценоза. Условия, при которых жизнедеятельность максимально угнетена, но организм и биоценоз еще существуют, называются пессимальными. 

     ПРИМЕР. На севере лимитирующим фактором является тепло, на юге этот фактор - влагообеспеченность. На Крайнем Севере самые производительные леса из лиственницы Каяндера разнотравные растут в поймах рек – здесь  складывается благоприятный гидротермический режим и почвы во время паводков регулярно пополняются элементами питания. Самые низкопроизводительные леса – из той же лиственницы, но с покровом из сфагновых мхов, формируются на северных склонах гор в условиях постоянного переувлажнения и холодности почв. Уровень многолетней мерзлоты под моховым покровом не опускается ниже 30 см. В Южном Приморье оптимальные лесорастительные условия свойственны северным склонам в их средней части, а пессимальные – сухим южным склонам с выпуклой поверхностью.

     Можно привести много примеров оптимумов и пессимумов у растений, животных и их сообществ по отношению к свету, влаге, теплообеспеченности, засоленности почв и др. факторам.

     б) Понятие о толерантности

     Для разных видов растений и животных пределы условий, в которых они себя хорошо чувствуют неодинаковы. Например, одни растения предпочитают очень высокую влажность, другие предпочитают засушливые местообитания. Одни виды птиц улетают в теплые края, другие – клесты, кедровки и птенцов выводят зимой. Чем шире количественные пределы условий среды обитания, при которых тот или иной организм, вид и экосистема могут существовать, тем выше степень их выносливости, или толерантности. Свойство видов адаптироваться к условиям среды называется экологической пластичностью (рис.2), а по амплитуде переносимых популяциями естественных колебаний фактора судят об экологической валентности вида. 

     Виды  с узкой экологической пластичностью, т.е. способные существовать в условиях небольшого отклонения от своего оптимума, узкоспециализированные, называются стенобионтными (stenos – узкий), виды широко приспособленные, способные существовать при значительных колебаниях факторов – эврибионтные (eurys – широкий) Границы, за которыми существование невозможно, называются нижним и верхним пределами выносливости, или экологической валентности.

     ПРИМЕР. Рыбы соленых и пресных водоемов – стенобионты. Трехиглая колюшка  и лосось – эврибионты. Стенобионты-растения: чозения, тополь корейский – растения пойм, гигрофитные растения (калужница  болотная, рогоз,), ксерофиты Приморья – сосна густоцветковая, абрикос маньчжурский, леспедеца и др. К стенобионтам можно отнести почти всех млекопитающих, в том числе и человека. Достаточно небольшого отклонения температуры воздуха (22-26°C) и воды (28-38°C) от "нормального" значения, пониженного содержания кислорода и повышенного содержания вредных веществ (хлора, паров ртути, аммиака и др.) в воздухе, чтобы вызвать резкое ухудшение его состояния.

     По  отношению к одному фактору вид  может быть стенобионтом, по отношению  к другому – эврибионтом. В зависимости от этого выделяют прямо противоположные пары видов: стенотермный – эвритермный (по отношению к теплу), стеногидрический – эвригидрический (к влаге), стеногаленный – эвригаленный (к засоленности), стено- – эврифотный (к свету), и др.

     Существуют  и другие термины, характеризующие  отношение видов к факторам окружающей среды. Добавление окончания "фил" (phyleo (греч.) – люблю) означает, что  вид приспособился к высоким  дозам фактора (термофил, гигрофил, оксифил, галлофил, хионофил), а добавление "фоб", наоборот, к низким (галлофоб, хионофоб). Вместо "термофоба" обычно употребляется "криофил", вместо "гигрофоба" – "ксерофил".

     Типичные  эврибионты - простейшие организмы, грибы. Из высших растений к эврибионтам  можно отнести виды умеренных широт: сосну обыкновенную, лиственницу даурскую, дуб монгольский, иву Шверина, бруснику и большинство видов вересковых.

     Стенобионтность вырабатывается у видов, длительное время развивающихся в относительно стабильных условиях. Чем сильнее  она выражена, тем меньшим ареалом обладает вид, или его сообщество. Наиболее распространенные виды, имеют широкий диапазон толерантности ко всем факторам. Они называются космополитами. Но таких видов мало.

     1.3 Лимитирующие факторы  и закон Либиха

     Закон ограничивающего (лимитирующего) фактора или закон минимума Либиха — один из фундаментальных законов в экологии, гласящий, что наиболее значим для организма тот фактор, который более всего отклоняется от оптимального его значения. Поэтому во время прогнозирования экологических условий или выполнение экспертиз очень важно определить слабое звено в жизни организмов.

     Именно  от этого, минимально (или максимально) представленного в данный конкретный момент экологического фактора зависит  выживание организма. В другие отрезки времени ограничивающим могут быть другие факторы. В течение жизни особи видов встречаются с самыми разными ограничениями своей жизнедеятельности. Так, фактором, ограничивающим распространение оленей, является глубина снежного покрова; бабочки озимой совки (вредителя овощных и зерновых культур) — зимняя температура и т. д.

     Это закон учитывается в практике сельского хозяйства. Немецкий химик  Юстус Либих установил, что продуктивность культурных растений, в первую очередь, зависит от того питательного вещества (минерального элемента), который представлен в почве наиболее слабо. Например, если фосфора в почве лишь 20 % от необходимой нормы, а кальция — 50 % от нормы, то ограничивающим фактором будет недостаток фосфора; необходимо в первую очередь внести в почву именно фосфорсодержащие удобрения.

     По  имени учёного названо образное представление этого закона —  так называемая "бочка Либиха". Суть модели состоит в том, что  вода при наполнении бочки начинает переливаться через наименьшую доску  в бочке и длина остальных досок уже не имеет значения.

     Иначе говоря, закон лимитирующего фактора  состоит в том, что избыток  или недостаток любого абиотического  фактора может повлечь за собой  ограничение или остановку роста  популяции видов в экосистеме, даже если все остальные факторы находятся в диапазоне толерантности для этих видов. Ограничивающий рост популяции видов абиотический фактор называется лимитирующим. Как правило, лимитирующими факторами наземных экосистем являются вода, температура, питательные вещества. Лимитирующими факторами водных экосистем являются соленость, освещенность, температура и наличие кислорода.

2. Воздействие экологических  факторов на динамику  численности

     2.1 Понятие динамики  численности

     В природе не отмечено ни одной популяции, которая оставалась бы стабильной даже на протяжении короткого отрезка времени. В зависимости от внешних и внутренних факторов численность постоянно колеблется – по годам, сезонам, от поколения к поколению. "Волны жизни", так назвал такие колебания основатель популяционной генетики С.С. Четвериков.

     Принято различать непериодические и  периодические колебания численности  естественных популяций.

     Известно, что численность популяции зависит  от многих факторов. Нередко изменения  в численности популяции связаны  с деятельностью человека. Но основными причинами являются изменения условий существования, порождаемые действиями абиотических и биотических факторов. Влияния этих факторов направлены на интенсивность роста, размножения, на скорость развития и смертность.

     Так, при улучшении кормовой базы, снижении числа хищников, ослаблении конкурентных отношений численность популяции увеличивается за счет повышения рождаемости и снижения смертности. И, наоборот, при сокращении питания, усилении давления паразитов и хищников, обострении конкурентных отношений численность сокращается за счет снижения рождаемости и повышения смертности.

     Динамика  численности выводит популяцию  из равновесного состояния, что может  привести к изменениям в экосистеме. Стабильность экосистемы означает, что  популяции каждого входящего в нее вида находятся в равновесии. Равновесие же в популяции определяется соотношением факторов, ограничивающих численность, увеличивающих или снижающих ее. При этом рождаемость в популяции уравновешена смертностью. Поэтому проблема сохранения равновесия сводится к поддержанию равновесия между смертностью и рождаемостью.

     При рассмотрении причин, вызывающих изменения  численности в популяции, очень  важно выделить зависимые и независимые  от плотности факторы. Именно последние  способны оказывать регулирующее действие и способствовать установлению равновесного состояния популяции.

     Необходимо  остановиться и на способности популяции  к саморегуляции. Механизмы внутрипопуляционной  регуляции позволяют восстановить оптимальные численность и плотность  популяции и не дают популяции исчезнуть.

     Численность и плотность популяции зависят  от величин рождаемости (плодовитости) и смертности.

     Рождаемость – это способность популяции  к увеличению.

     Смертность  популяции – это количество особей, погибших за определенный период.

     Смертность, как и рождаемость, изменяется в  зависимости от условий среды, возраста и состояния популяции и выражается в процентах к начальной или  чаще к средней величине ее. У  большинства видов смертность в  раннем возрасте всегда выше, чем у  взрослых особей. 

     Уравнение экспоненциального роста популяции (используют для выяснения потенциальных  возможностей популяций к росту):

     где Nt – численность популяции в  момент времени t,

     N₀ – численность популяции в начальный момент времени t₀,

     е – основание натуральных логарифмов (2,7182),

     r – показатель темпов размножения.

     Данное  уравнение выражает биотический  потенциал популяции – скорость увеличения ее численности при наличии  благоприятных условий и полном отсутствии факторов, препятствующих росту и размножению.

     Биотический потенциал представляет собой адаптацию, которая эволюционирует под действием  естественного отбора.

     У всех видов биотический потенциал  достаточно высок и при благоприятных  условиях может вызвать стремительное  увеличение численности популяции – популяционный взрыв.

     Взрыв численности популяции возможен, если организмы оказываются в  таких идеальных условиях, которые  не препятствуют их росту и размножению. Благоприятными факторами считаются  неограниченное пространство, обилие пищевых ресурсов, отсутствие естественных врагов и конкурентов. При стечении таких условий численность растет экспоненциально, или в геометрической прогрессии, т.е. в каждую единицу времени к популяции добавляются все новые и новые особи. В природе экспоненциальный рост либо не происходит вообще, либо в течение очень непродолжительного времени.

     2.2 Взаимосвязь организма  и его среды  обитания

     Среда обитания — это часть природы, окружающая живые организмы и  оказывающая на них прямое или  косвенное воздействие.

     Понятие окружающая среда было введено в экологию биологом Я. Юкскюлем (1864-1944) для "внешнего мира, окружающего живые существа в той мере, в какой он воспринимается органами чувств и органами передвижения животных и побуждает их к определенному поведению".

     "Каждый  субъект, словно нити невидимой паутины, прядет свои отношения к тем или иным свойствам вещей, свивая эти нити в прочную сеть, которая и поддерживает его существование", - написал однажды Я. Юкскюль.

     Из  среды организмы получают всё  необходимое для жизни и в  неё же выделяют продукты обмена веществ. Среда каждого организма слагается из множества элементов неорганической и органической природы и элементов, приносимых человеком и его производственной деятельностью. При этом одни элементы могут быть частично или полностью безразличны организму, другие необходимы, а третьи оказывают отрицательное воздействие.

     Различают естественную и искусственную (созданную  человеком) среду обитания.

     Отдельные свойства и элементы среды, воздействующие на организмы, называют экологическими факторами.

     На  нашей планете организмы освоили  четыре основные среды обитания: водную, наземную (воздушную), почвенную и  тело другого организма, используемое паразитами и полу паразитами.

     От  понятия "среда обитания" следует  отличать понятие "условия существования" — совокупность жизненно необходимых факторов среды, без которых живые организмы не могут существовать (свет, тепло, влага, воздух, почва). В отличие от них другие факторы среды хотя и оказывают существенное влияние на организмы, но не являются для них жизненно необходимыми (например, ветер, естественное и искусственное ионизирующее излучение, атмосферное электричество и др.).

     Благоприятные или неблагоприятные природные  факторы (климат, пища, враги, конкуренты) образуют среду, к которой должна приспособиться не только единичная особь в ее борьбе за жизнь, но и весь вид в целом, так как именно весь вид подвергается под воздействием среды естественному отбору. Приспособление организмов к изменившимся внешним условиям путем изменения внутривидовой информации (через соответствующие мутации) признается, таким образом, главным событием эволюции - изменения видов. Вместе с тем приспособленность вида к какой-либо постоянной среде является предпосылкой его длительного стабильного существования. Изменчивость и отбор – это, по выражению Конрада Лоренца, "два великих конструктора видообразования". С позиций экологии можно считать, что многообразие организмов, их изменчивость и их сохранение в природе, их становление и само их существование являются результатом воздействия окружающей среды и адаптации.

     Концепция "окружающей среды" Я. Юкскюля  положила начало экспериментальным  исследованиям взаимоотношений  животных того или иного вида со средой их обитания. Вместе с тем  он проводил различие между "миром  ощущений" и "миром действий".

     Существует множество  живых существ, в достаточной  мере приспособленных к присущей им как виду окружающей среде, ибо  сам факт их существования уже  доказывает, что функциональный круг мира их ощущений и мира их действий, выполняя свою задачу, пока по крайней мере, препятствует вымиранию вида.

     Функциональное  единство адаптации организма и  окружающей его среды связывает  в одно целое внешний облик  животных данного вида и образ  их жизни. Некоторые экологи выражают то же самое другими словами, говоря о том, что каждый вид животных заселяет свою собственную "экологическую нишу", то есть что существует ровно столько экологических ниш, сколько различных видов животных. При этом выражение "ниша" следует понимать не как убежище, укрытие или место пребывания, а как синоним понятия "присущая ему окружающая среда". Такое выделение в функциональном круге вида двух явлений - окружающей среды и адаптации - весьма полезно в ходе научного исследования. Ведь окружающую среду можно постигать путем измерения характеристик внешнего мира и таким образом устанавливать сферу действия факторов, из которых каждый вид со свойственной ему адаптацией "вырезает" свою собственную среду обитания. Но саму эту адаптацию нужно изучать, исходя из животного, учитывая его анатомию, физиологию и поведение, для чего необходимо использовать как основание другие разделы биологической науки.

     Для выявления и объяснения адаптации, выработанных теми или иными животными, населяющими различные местообитания, лучше всего исходить из факторов окружающей среды. Вопрос о присущей виду адаптации является самым подходящим ключом, открывающим дверь в экологию.

     Эрнст Геккель, пропагандист учения Чарлза Дарвина, официально признанный основателем этой новой "науки  о связях организма с окружающим внешним миром", в 1866 году дал определение экологии (от греческих слов oicos - дом и logos - наука), как "учения о балансе между организмом и средой", предметом которого являются связи живых существ как с неорганической, так и с органической природой. Это определение новой ветви науки о жизни так хорошо продумано, что и более чем столетие спустя оно все еще полностью сохраняет свое значение.

     Однако  при этом мы сразу же ощущаем, что  выражение "баланс" имеет не только чисто биологический, но и более  широкий смысл. Ведь энергетический баланс организмов включает также физические и химические факторы. Наконец, нельзя забывать о космических силах, и прежде всего о солнечной энергии. Поэтому экологи многих стран и в первую очередь немецкие ученые Август Пинеман и Карл Фридрихе, понимали эту науку в целом, как учение о "балансе природы".

     Действительно, сегодня экологи знают, что лишь всеобъемлющее рассмотрение природных  явлений и, кроме того, всех явлений, связанных с человеческой цивилизацией, может дать правильное представление об условиях существования живых существ в окружающей их среде.

     экологический оптимум адаптация абиотический

     2.3 Приспособленность  организмов к влиянию  экологических факторов

     Существует 2 основных способа адаптации особи  к изменениям абиотических факторов:

     1) поведенческие реакции;

     2) физиологическая настройка организма.

     Адаптивный  комплекс (оптимальная композиция) - совокупность физиологических, поведенческих  и экологических особенностей организма, способствующих его выживанию и  размножению.

     Существование адаптивного комплекса обусловлено  экологической индивидуальностью  особи - совокупностью ее специфических  черт, заключающихся в сочетании  наследственных и приобретенных  свойств. Она складывается в процессе развития организма (онтогенез) и выражается в особенностях генотипа и фенотипа каждой особи.

     Генотип - это совокупность наследственных признаков организма; фенотип - совокупность всех признаков и свойств особи, которые формируются в процессе взаимодействия ее генотипа с внешней средой.

     Приспособление  популяции к изменениям абиотических факторов происходит двумя путями:

     1) изменение характера ее пространственного  распределения;

     2) путем адаптивной эволюции.

     Виды  и слагающие их популяции избирательно относятся к факторам среды, и  поэтому они заселяют строго определенные места обитания с соответствующими экологическими условиями. Участок территории, занятый популяцией вида, и характеризующийся определенными экологическими условиями - стация. Каждый вид имеет свой набор стаций.