ЧТО ИЗУЧАЕТ ЭКОЛОГИЯ?

Экологические факторы. Адаптация организмов к экосистемам тундры и пустыни

Экосистема – это жизненное пространство живого сообщества, которое включает в себя:

неживую природу

• рельеф местности с учетом географических координат (рис.1)
• климат (свет, осадки, температура)
• почву, образованную жизнедеятельностью живых организмов и составом материнской породы

Рис. 1. Горы, равнина, саванна.

живую природу

• растения
• животные
• грибы
• простейшие
• бактерии
• вирусы (рис. 2).

Рис. 2. Представители разных групп живых организмов.

Каждая экосистема существует в пределах влияния факторов окружающего мира (экологических факторов), которые создают жизненные условия для развития экосистемы. Эти факторы действуют на организмы или активирующим, или тормозящим образом. Существуют 3 группы факторов окружающей среды.

I. ФАКТОРЫ НЕЖИВОЙ ПРИРОДЫ (абиотические факторы)

Абиотические факторы обусловлены свойствами неорганического окружения – это:

• компоненты климата (свет, температура, влажность, давление, ветер, смена времен года, суточный и сезонный фотопериодизм)
• химический состав воздуха, воды и почвы
• питательные вещества почвы
  

Последствия землетрясения	Вулкан	Цунами
Торнадо и молния	Наводнение	Ледяной дождь

Рис. 3. Разрушительные явления природы.

II. ФАКТОРЫ ЖИВОЙ ПРИРОДЫ (биотические факторы)

Биотические факторы включают отношения между особями

• внутри вида (внутривидовая конкуренция за пищу, территорию, образование пары; забота о потомстве)
  
• между видами (взаимовыгодные, конкурентные, нейтральные отношения)
  

Симбиоз (лишайники)	Конкуренция внутри вида	Конкуренция между видами
Хищник-жертва	Паразитизм у растений	Паразитизм у животных

 

Рис. 4. Взаимовыгодные (симбиоз), конкурентные (хищничество, паразитизм) отношения между организмами.

III. ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ЧЕЛОВЕКА (антропогенный фактор)

В современном мире наблюдается всё более усиливающееся влияние деятельности человека на природные экосистемы – это изменение климата, различные загрязнения окружающей среды, вырубка лесов. Вследствие этого круговорот химических элементов в природе увеличился более чем в 3 раза (рис. 5).

Рис. 5. Результаты деятельности человека.

Факторы, снижающие жизнеспособность организмов, носят название ограничивающих. Это может быть любой экологический фактор. В середине XIX века немецкий химик Ю.Либих открыл закон минимума – фактор, наиболее удаляющийся от оптимума, очень затрудняет существование вида. Есть предел, ниже которого любой фактор уменьшаться не может – иначе погибнет вид.

Для любого экологического фактора можно выделить три зоны действия – зона оптимума, зона угнетения и зона гибели. Например, пальмы в Сирии очень хорошо растут и плодоносят, и для этих деревьев жаркий климат пустыни – это оптимальная зона, (рис. 6, зеленый цвет).

Рис.6. Финиковые пальмы в Сирии.

В России пальмы растут на южном побережье Чёрного моря, здесь влажные субтропики. В этом климате пальмам не хватает жарких солнечных дней, и они не дают жизнеспособных плодов, т.е. размножение пальм невозможно – это зона угнетения (рис.7, красный цвет).

Рис. 7. Пальмы в городе Сочи.

В Москве, где климат более суровый, пальмы в природе не могут расти, т.е. это зона гибели для пальм. Только в закрытых оранжереях с определенной температурой, искусственным освещением и влажностью возможно выращивание пальм (рис. 8, чёрный цвет).

Рис. 8. Пальмы в оранжерее ботанического сада МГУ имени М.В.Ломоносова

Действие экологических факторов всегда взаимно. Но положительное взаимодействие факторов не безгранично. Например, плохую освещенность для растения нельзя заменить ни избытком тепла, ни изобилием влаги.

При распространении видов животных и растений к северу ограничивающим фактором кроме низкой зимней температуры является сумма эффективных летних температур и суммарная долгота дня (суточный и сезонный фотопериодизм). Так например, на юге России, на побережье Черного моря садовая земляника созревает в мае, в районе Москвы созревает в конце июня, а в тундре на грядках созревает в конце августа (рис. 9)! Это пример адаптации к конкретным условиям обитания – чем дальше на север, тем дольше период созревания плодов у садовой земляники.

Рис. 9. Садовая земляника в Крыму, Подмосковье и за Полярным кругом.

Есть виды, которые не способны переносить значительные колебания экологических факторов, они приспособлены только к узкому пределу интенсивности фактора и встречаются только на определённой территории. Например, коала, сумчатый медведь, в природе питается только эвкалиптовыми листьями и поэтому может жить только в эвкалиптовых рощах Австралии. Такие животные имеют узкий, строго очерченный ареал – это эндемики (рис. 10).

Рис. 10. Австралийские коала

Есть такие виды, которые способны выносить значительные колебания факторов внешней среды без существенных воздействий на собственный организм, например городские воробьи. Эти птицы способны переносить значительные колебания температуры и влажности, пищевой рацион у них разнообразен, они, как правило, имеют широкий ареал (рис. 11).

Рис. 11. Воробьи в Париже, Москве, Дамаске.

АДАПТАЦИЯ ОРГАНИЗМОВ К ЭКОСИСТЕМАМ ТУНДРЫ И ПУСТЫНИ

КЛИМАТ – это главный компонент внешней среды, к нему вынуждены приспосабливаться все организмы. Приспособления имеют зональный (от юга к северу, широтные изменения) и сезонный характер, сходны у растений и животных. Наибольшее значение имеют такие климатические факторы, как

• свет (спектральный состав и продолжительность дня и ночи)
  
• влажность воздуха и почвы
  
• температура дневная и ночная, суммарно-эффективная (за вегетационный период)
  

Тундра расположена в районах вечной мерзлоты между 60^о и 70^о северной широты. Основными факторами, ограничивающими жизнедеятельность организмов в тундре, являются темнота и холод, вода не является ограничивающим экологическим фактором, её здесь достаточно.

Пустыни расположены на всех континентах, кроме Европы, они могут быть холодными (например, Гоби) и жаркими (Сахара, Колорадо). Основными факторами, ограничивающими жизнедеятельность организмов в пустыне, являются недостаток воды (до 25 см осадков в год) и резкие перепады дневных и ночных температур. Солнечного света в пустынях достаточно.

СВЕТ. Солнечное излучение – основной источник энергии для большинства организмов планеты. В хлоропластах растений преобразуются энергия света в энергию химических связей АТФ. Эта энергия используется для синтеза органических соединений из неорганических (воды и углекислого газа). В дальнейшем солнечная энергия, усвоенная зелёными растениями, передаётся другим организмам в соответствии с пищевыми отношениями (рис. 12).

Рис.12. Виды экологических пирамид в полярной тундре и пустыне.

Для организмов важна не только длина волны и интенсивность света, но и продолжительность его воздействия. Суточный фотопериодизм – активность организмов в течение дня. Сезонный фотопериодизм – активность организмов в зависимости от времени года. В пустыне на протяжении всего года наблюдаются солнечные дни (до 360 в год), день длится 8-12 часов в зависимости от сезона. В тундре летом солнце не заходит за горизонт, и длинный летний день длится около 3 месяца. Зимой без света организмы должны существовать более 6 месяцев.

Некоторые организмы способны к анабиозу – практически полной остановке обмена веществ, т.к. поддержание нормальной жизнедеятельности в неблагоприятных условиях требует от организма больших затрат энергии. Поэтому наблюдается зимняя спячка у животных тундры и тайги (рис.13) и летняя спячка у пустынных животных (рис.14). В состоянии анабиоза энергия расходуется предельно экономно.

Рис.13. Зимняя спячка у животных в тундре и тайге.

Рис.14. Летняя спячка у животных пустыни.

Фотопериодизм у людей выражается в большой оптимальной продолжительности сна зимой (на 1-2 часа). Эта разница увеличивается при перемещении к полюсу (т.е. с увеличением ночи) и практически не зависит от климата.

ВОДА. От наличия воды в экосистемах зависит характер её флоры и фауны. В соответствующих погодно-климатических условиях при избытке воды развивается болотная растительность (тундра), а при недостатке воды формируется пустыня. При оптимальной влажности живым организмам легче переносить температуру, близкую к пределам выносливости, поэтому животный и растительный мир тундры гораздо богаче животного и растительного мира пустыни, где представлено очень бедное биоразнообразие (рис. 15).

Тундра

Пустыня

Рис.15. Растительность тундры и пустыни

В засушливых условиях организмы имеют специальные приспособления. У растений имеется развитая корневая система (корень верблюжьей колючки до 20 м), густое опушение, восковой слой, препятствующий испарению (рис.16). Саксаул в жаркий период утрачивают листья, осуществляет фотосинтез в зеленых стеблях, а влаголюбивые растения в подобных ситуациях увядают и гибнут.

Рис.16. Верблюжья колючка.

Пустынные и степные животные в качестве источника воды запасают жир, при окислении которого образуется большое количество эндогенной воды (рис.17).

Рис.17. Верблюды.

ТЕМПЕРАТУРА – климатический фактор, определяет скорость биохимических реакций в клетках. Слишком высокие и слишком низкие температуры губительны для живых организмов. Если влажность слишком высока (тундра) или низка (пустыня), температура оказывает особенно сильное влияние. Сезонные перемены климата приводят у животных организмов к акклиматизации (возможность изменять пределы выносливости - у животных меняется шерстяной или перьевой покров, запасается жир). В тундре зимой все животные становятся белого цвета, а весной изменяют свою окраску, адаптируясь под цвет окружающей среды (рис. 18).

Рис.18. Окраска животных меняется в зависимости от сезона.

Рис. 19. Животные разных видов пустыни зачастую имеют желтоватую окраску.

В пустынях у растений в период засухи организм полностью обезвоживается, клетки высыхают, меняют форму, но их внутреннее строение не нарушается. При восстановлении благоприятных условий, т.е. после начала дождей в пустыне, жизнедеятельность растений восстанавливается (рис. 20).

Рис.20 Растения оживают после начала дождей.

Каждую экосистему определяет, прежде всего, растительность, т.к. только растения могут аккумулировать солнечную энергию с помощью фотосинтеза и по характеру питания являются автотрофами или продуцентами, т.е. из неорганических веществ синтезируют органические с помощью хлорофилла. Кроме растений продуцентами являются хемотрофы, которые преобразуют энергию химических реакций для синтеза органических веществ из неорганических. Продуценты являются источником органических веществ и энергии для потребителей (консументов). Консументы по пищевой цепи получают органику и после прохождения жизненного цикла отмирают, уходят в почву, где их уже разлагают редуценты (бактерии, грибы, простейшие, мелкие подземные животные). Цепи питания переплетены в сложные сети питания (рис. 21), поэтому выпадение одного звена не нарушает равновесия. Чем больше биоразнообразие, тем устойчивей экосистема. В тундре, несмотря на среднегодовые низкие температуры и длительный период зимней ночи без света, разнообразие животного и растительного мира велико по сравнению с пустыней, где главным ограничивающим фактором является большой недостаток воды в течение практически всего года.

Рис.21. Пищевые (трофические) сети

В заключении выражаю самую искреннюю признательность доценту Михаилу В. Орлову за помощь в построении графиков.

ЛИТЕРАТУРА

Биология. Научно-популярная энциклопедия. Под ред. А.П. Горкина. Авт. Белякова Г.А., Богатырёва М.Ф., Кондратьева И.А. и др. 2007 / Москва: «Росмен» ISBN 987-5-353-02413-2, 560 c.

Мир живой природы. Популярная энциклопедия, пер. с англ. 1984 /Москва: «Мир», ББК 20+28 М 63, 263 с.

Biology. Campbell N.A., Reece J.B., 7th ed. 2005 / New York: “Bejamin Cummings”, PIE ISBN 0-321-27045-2, 987 pp.

Ресурсы Интернета

---