Организм. Среда обитания. Взаимодействие со средой. Экологические факторы

Размещено на http://www.allbest.ru

Лекция 3. Организм. Среда обитания. Взаимодействие со средой. Экологические факторы

Среда обитания - это часть природы, которая окружает живой организм и с которой он непосредственно взаимодействует.

Специфичность взаимоотношений со средой заключается в том, что каждый организм живет в условиях определенной среды, из которой он получает все необходимое для жизни, т.е. имеет свою экологическую нишу.

На планете живые организмы освоили четыре основных вида сред обитания:

- водная (эта среда была первой, в которой возникла и распространилась жизнь);

- наземно-воздушная;

- почвенная;

- живые организмы(специфическая среда обитания, заселенная симбиотами и паразитами ).

Любое живое существо живет в сложном меняющемся мире, постоянно приспосабливаясь к нему и регулируя свою жизнедеятельность в соответствии с его изменениями.

Каждому организму для существования необходимы определенные условия. Любое условие среды, способное оказывать прямое или косвенное влияние на живой организм, хотя бы на протяжении одной из фаз индивидуального развития называется экологическим фактором. Живой организм реагирует на экологические факторы специфичными приспособительными реакциями. Экологический фактор- причина, движущая сила, определяющая жизнедеятельность живых организмов, оказывают влияние на численность и географическое распространение животных, растений и других видов живого.

Экологические факторы очень многообразны, как по своей природе, так и по воздействию на организм. Условно все факторы среды подразделяют на три основные группы- абиотические, биотические и антропогенные.

Абиотические факторы- факторы неживой природы, т.е. совокупность условий неорганического мира, к ним относятся:

-космические(космическая пыль, метеоритное вещество, циклические изменения солнечной активности и др.);

-климатические(лучистая энергия света, солнечный свет, температура, влажность воздуха, поглощение и отражение солнечного света, атмосферные осадки, прозрачность атмосферы, движение воздушных масс и др. );

-химические факторы (химический состав воздуха, воды, активная реакция воды и т.д. );

-эдафические («эдафос» - почва) факторы (физические, химические и механические свойства почвы);

-орографические (рельеф местности, высота над уровнем моря, экспозиция склона, крутизна склона и т.д.).

Биотические факторы- это всевозможные формы влияния живых организмов друг на друга. Это могут быть внутри видовые и межвидовые взаимодействия. К внутривидовым взаимодействиям относятся внутри видовая конкуренция и групповой или массовый эффект.

Межвидовые взаимодействия бывают :

-взаимовыгодными, когда организмы получают обоюдную пользу от этих отношений. К этой группе взаимополезных биологических связей относятся многообразные симбиотические отношения (протокооперация, мутуализм). Протокооперация- совместное, хотя и необязательное существование, выгодно для обоих видов. Мутуализм - присутствие каждого из двух видов становится обязательным.

-нейтральными (нейтрализм), если два вида не влияют друг на друга.

- комменсальными, одностороннее использование одного вида другим без нанесения ему ущерба, т.е. один вид(комменсал) извлекает пользу из сожительства, а другой вид(хозяин) не имеет ни какой выгоды.Виды комменсализма: «нахлебничество», «сотрапезничество», «квартиранство».

- аменсальными, когда для одного из совместно обитающих видов влияние другого отрицательно, в то время как угнетающий вид не получает ни вреда, ни пользы;

-паразитическими, при котором организмы одного вида(паразиты) живут за счет питательных веществ или тканей организма другого вида (хозяина);

- взаимовредными - конкуренция, борьба за одни и те же ресурсы;

-хищническими, тип взаимодействия организмов, при котором представители одного вида убивают и поедают представителей другого вида.

Антропогенные факторы - формы деятельности человеческого общества, которые приводят к изменению природы как среды обитания других видов или непосредственно сказываются на их жизни. Хотя человек влияет на живую природу через изменение абиотических факторов и биотических связей, деятельность людей на планете следует выделять в особую силу, не укладывающуюся в рамки классификации. В настоящее время практически вся судьба живого покрова Земли и всех видов организмов находится в руках человеческого общества, зависит от антропогенного влияния на природу.

Существуют и другие классификации экологических факторов (табл.1).

Таблица 1.

Классификация экологических факторов(по Реймесу Н.Ф.)

Любому организму необходимы не вообще температура, влажность, минеральные и органические вещества, а определенный режим существования, т. е. верхние и нижние пределы допустимых колебаний этих факторов. Чем ниже пределы какого - либо фактора, тем выше устойчивость (толерантность) данного организма.

В результате антропогенного фактора живые организмы оказываются под влиянием факторов, уровни и режимы которых находятся за пределами приспособительных возможностей. Для того, чтобы любая адаптация к новым измененным экологическим факторам могла закрепиться, требуется достаточно длительное время, смена десятков и сотней поколений разнокачественных индивидумов. Воздействие человека на окружающую среду и проявляется прежде всего в изменении множества абиотических и биотических факторов за пределы, которые отвечают экологическим требованиям организмов.

Минимально и максимально переносимые значения факторов - критические точки. Пределы выносливости между критическими точками называется экологической валентностью организма (вида ) по отношению к конкретному фактору среды .

Правило экологической индивидуальности (Раменского) : каждый вид индивидуален по своим экологическим возможностям.

Набор экологических валентностей по отношению к разным факторам- составляет экологический спектр вида.

Устойчивость вида(организма) - способность вида(организма ) сохранять функционирование в пределах колебания всех параметров.

Область устойчивого существования вида (организма ) по отношению к конкретному фактору или к сочетанию называется - толерантностью вида (организма ). Чем шире пределы, тем выше толерантность.

Общий закон биологической стойкости.

Оптимальная зона и пределы выносливости организмов по отношению к какому -либо фактору среды могут смещаться в зависимости от того с какой силой и в каком сочетании действуют другие факторы. Эта закономерность получила название - взаимодействие факторов. Создается эффект частичного взаимного замещения факторов, но взаимная компенсация факторов имеет свои пределы.

Если хотя бы один из экологических факторов приближается или выходит за пределы критических величин, то несмотря на оптимальное сочетание других условий, особям грозит гибель. Закон независимости факторов (закон Вильямса) :условия жизни равнозначны, ни один из факторов не может быть заменен другим.

Лимитирующий фактор - те или тот, который ограничивает развитие организма из-за недостатка или избытка по сравнению с потребностью. Закон Либиха - Шелфорда: для жизни и процветания организма необходима определенная совокупность условий. Если все условия, кроме одного, оказываются благоприятными, то последнее неблагоприятное условие является лимитирующим.

Следствие закона: вещество, находящееся в минимуме, управляет развитием организма.

Таким образом, организму нужна совокупность необходимых условий для существования (экологическая ниша).

С точки зрения математики, экологическую нишу , можно определить, как многомерное, многофакторное пространство, образованное совмещением диаграмм выживания организма, для экологическое факторов среды.

Экологическая ниша - место вида в природе, включающее не только положение вида в пространстве, но и функциональную роль его в сообществе (трофический статус) и его положение относительно абиотических условий существования (температура, влажность и т.д.). Если место обитания - это как бы «адрес» организма, - то экологическая ниша - это его «профессия». Выражение «свободная экологическая ниша» означает, что в экосистеме слаба конкуренция за какой-то вид корма и другие неиспользуемые условия для обитания вида, входящего в аналогичные экосистемы, но отсутствуют в рассматриваемой.

Любое живое вещество живет в сложном меняющемся мире , постоянно приспосабливается к нему, регулируя свою жизнедеятельность в соответствии с его изменениями . Живой организм реагирует на условия среды специфическими приспособительными реакциями.

Адаптация (приспособление ) организмов к среде- есть мера соответствия между организмом и средой.

Приспособление организмов к среде охватывает строение, функции организмов и органов.

Основные адаптации организмов к факторам внешней среды наследственно обусловлены. Они формировались на историко-эволюционном пути развития биоты и изменялись вместе с изменением экологических факторов среды.

Организмы адаптированы к постоянно действующим периодическим факторам (факторы, изменение которых во времени повторяются регулярно, например, сезонные изменения, суточные изменения и т.д.). Среди них различают первичные (факторы, которые существовали еще до возникновения жизни, температура, освещение, приливы и отливы и т.д.) и вторичные (факторы, которые являются следствием первичных, например, влажность, виды пищи и т. д.) периодические факторы. Непериодические, факторы наступающие неожиданно(извержение вулканов, применение гербицидов и т.д.)

Адаптация организмов к периодическим первичным факторам наиболее древняя и совершенная

Хотя в индивидуальном развитии эти закономерности почти абсолютны. Если системы живого не погибают, они обладают свойством конечной эквивалентности. Это сформулировано в законе (правило) эквивалентности в развитии биосистем: биосистемы способны достигнуть конечного (финального) состояния (фазы) развития вне зависимости от степени нарушения начальных условий своего развития. Следует подчеркнуть, что это происходит лишь при сохранении минимума внешних и внутренних условий существования биосистем.

Внешние условия ограничивают многие процессы, в том числе интенсивность размножения организмов. В противном случае осуществлялось без ограничений правило максимального «давления жизни»: организмы размножаются с интенсивностью обеспечивающей максимально возможное их число. Однако «давление жизни» лимитируется многими закономерностями системного мира: закон ограничения роста, соответствия среды генетической предраспределенности организма и др.

Всем этим лимитирующим механизмам организма противопоставляют возможности предадаптации.

Принцип предадаптации заключается в том, что организмы занимают все новые экологические ниши, благодаря наличию у них свойства генетической предадаптации. Это свойство состоит в том, что способность к приспособлению у организмов заложена «изначально» и не связана непосредственно с их взаимодействием со средой обитания. Обусловлена такая способность практической исчерпаемостью генетического кода. При минимуме числа направлений количество вариантов генов достигает 1050. В этом многообразии всегда находятся варианты, необходимые для адаптации. Если они бывают исчерпаны для одного вида - он вымирает, но находится вид - дублер, и экологическая ниша вновь заполняется. Время формирования экологических ниш может быть различным. Иногда это происходит почти мгновенно (за отдельные годы), иногда замедленно.

Облегчается и ускоряется процесс формирования экологических ниш почти необозримым генетическим многообразием организмов. Закон генетического разнообразия заключается в том, что все живое генетически различно и имеет тенденцию к увеличению биологической разнородности. Варианты предадаптаций неисчислимы. В природе, за исключением однояйцовых близнецов, не существует двух генетически идентичных особей. Столь же множественны и экологические особенности каждого из индивидов в составе любого вида. Естественно, что любое генетическое разнообразие все же не обеспечивает освоение любых экологических ниш. Например, наземным организмам - условий водной среды или глубинных слоев литосферы. Эволюционные изменения идут под контролем определенных правил.

Одним из таких правил является закон эволюции А.Н.Северцова. О чередовании арогенезов, принципиально меняющих возможности вида к адаптации и расширению сферы обитания и периодов изменений частного порядка. Аналогичный закон о прерывистости равновесия, согласно которого эволюция представляет собой прерывистый, скачкообразный процесс. Смена ускорений и замедлений в процессе эволюции подчеркнуто в правиле чередования главных направлений эволюции: арогенная эволюция чередуется с периодами аллогенной эволюции во всех группах организмов.

Существует закон внезапного усиления патогенности: живое болезнетворное начало действует тем сильнее и разрушительнее, чем выше разница между его полноценностью и сопротивляемостью к ней, особенно если дисбаланс возникает случайно. Усиление патогенности возникает в следующих случаях:

а) при мутации болезнетворного организма,

б) при выработке болезнетворным организмом новой экологической ниши,

в) при внедрении нового болезнетворного организма в экосистему, где нет механизмов регуляции его численности,

г) при неблагоприятном изменении половозрастной структуры поражаемого вида, приводящего к снижению иммунитета.

Этот случай в жизни природы указывает на неравномерность развития биосистем, но в целом развитие биосистем подчиняется закону эколого - системной направленности эволюции: любые эволюционные изменения в конечном итоге направлены экологическими факторами и системными особенностями развития эволюционирующей совокупности, то есть прогресс направляется как внешними, так и внутренними факторами.

Внешние факторы - все воздействия надсистем, которые выступают ограничения развития и как механизмы, к которым развивающаяся система вынуждена адаптироваться. Развитие каждой из надсистем ведет к изменению условий существования, ужесточающих естественный отбор и приводящих к мутации. Изменению качества видов в экосистемах существует перемена в видовом составе биоценозов, которые тоже адаптируются к переменам в окружающей их среде. Это в свою очередь создает новые условия в надсистеме по отношению к видам, видоизменяет и ужесточает естественный отбор. Процесс самоусиливается.

Внутренние факторы - термодинамические, физико - химические и т.д. Единичные, как бы случайные мутации на самом деле направлены внешними воздействиями и внутренними механизмами. Все это объясняет значительную скорость эволюции, математически неукладывающуюся в представление о полной случайности и ненаправленности механизмов прогресса.

Массовые разновекторные изменения вынужденно вливаются в поток, определяемый эволюцией иерархически высших надсистем.

Число степеней свободы для развития зависит от глубины специализации: чем уже специализирован вид, тем более специфичные условия жизни ему нужны, поэтому есть правило происхождения новых видов: новые крупные группы организмов берут начало не от специализированных представителей предков, а от их сравнительно неспециализированных групп. Это правило дополняет закон адаптивной радиации: филогенез любой группы сопровождается разделением ее на рад отдельных филогенетических стволов, которые расходятся в разных адаптивных направлениях, от среднего исходного состояния.

Новые группы либо остаются неспециализированными, либо подчиняются правилу прогрессирующей специализации. Чем глубже такая специализация, тем возможнее расхождение темпов адаптации и скорости изменения среды его обитания. Согласно правила более высоких шансов вымирания глубоко специализированных форм: быстрее вымирают более специализированные формы, генетические резервы которых для дальнейшей адаптации снижены.

«Вымирание - столь же обычный процесс, как и возникновение новых видов». Оно всегда происходило неодновременно, шло с заменой экологически адекватных ярких видов другими, согласно алгоритмам геологического времени. При этом ниже организованные виды сменялись более высокоорганизованными.

Взаимосвязь вещественно - энергетических и информационных закономерностей приводит в действие закон увеличения размеров (роста) и веса (массы) организмов в филогенетической ветви: Вернадский так сформулировал этот закон: «По мере хода геологического времени выживающие формы увеличивают свои размеры и затем вымирают». Происходит это от того, что чем мельче особи, тем труднее им противостоять процессам энтропии, ведущему к равномерному распределению энергии. Эволюционно размер особей по этому увеличивается, но крупные организмы с большей массой, требуют больше пищи. Возрастающая потребность в пище увеличивает давление крупных особей на среду.

В целом укрупнение входит в противоречие с законом оптимальности, что приводит к вымиранию слишком крупных организмов, при минимальных изменениях среды: «Эффект динозавра» выражается не только и не столько в величине особи, а в несоответствии формы управления ее размером. Хотя могут вымирать и не гиганты, а лишь организмы вышедшие за рамки закона оптимальности.

Закон увеличения размеров организмов может быть и со знаком «минус». В ряде случаев с ходом биологического времени организмы отдельных филогенетических ветвей мельчают, что дает им больше возможности для приспособления к среде обитания, в том числе в процессах добывания пищи. При определенном ее обилии на единицу площади мелкие размеры и высокая активность особей уравновешивает потери энергии при усиленном метаболизме (обмен веществ). Однако, если количество пищи сокращается, то измельчение по причине высокого метаболизма требует усиления активности. Баланс энергии может оказаться отрицательным, и в этом случае возможно вымирание, или может привести к новому укрупнению до достижения «средних» (энергетически оптимальных) размеров.

Этот закон Э. Кона и Ш. Депере был установлен для биологических систем, но он справедлив и для иных системных совокупностей: размера индивидуальных сельскохозяйственных полей, предприятий, территорий государств и т.д.

Закономерности адаптации биосистем.

Практически все закономерности, характерные для живого имеют адаптивное значение, т.е. биосистемы вынуждены приспосабливаться к непрерывно изменяющимся условиям жизни.

В вечно меняющейся среде жизни каждый вид организма по - своему адаптирован. Это выражается законом (правилом) экологической индивидуальности: каждый вид специфичен по экологическим возможностям адаптации, двух идентичных видов не существует. Каждая особь эколого - генетически специфична и индивидуальна.

Экологическая специфичность видов подчеркивается так называемой аксиомой адаптированности (экологическая аксиома или аксиома Дарвина): «Каждый вид адаптирован к строго определенной, специфичной для него совокупности условий существования - экологической ниши».

Очевидно, раз виды экологически индивидуальны, то они имеют специфичные экологические ниши. Приспособленность к одному фактору среды, например, к повышенной температуре, не дает организму такой - же адаптированности к другим условиям среды, (например, к влажности). Это очевидная закономерность сформулирована как закон относительной независимости адаптации: высокая адаптированность к одному из экологических факторов не дает такой же степени приспособления к другим условиям жизни (наоборот, она может ограничивать эти возможности в силу физиологических особенностей организмов).

Поскольку организмы, живущие в близких условиях существования, вынуждены сталкиваться со сходными ограничениями и вырабатывать близкие функциональные реакции. Например, виды организмов водной среды вынуждены поддерживать определенное осмотическое давление, к определенному температурному режиму и т.д.

Энергетическое правило поверхностей: отношение продуцируемого особью гомойптерного животного тепла к единице площади поверхности ее тела приблизительно одинаково. Оно примерно составляет 1000 ккал/м2/сутки. Относительная теплоотдача у всех организмов растет с их измельчением. Измельчение размеров тела теплокровных животных при движении с севера на юг подчиняются этому закону и называется правило Бергмана: у теплокровных животных, подверженных географической изменчивости, размеры тела особей (в среднем) больше у популяций живущих в более холодных областях ареала вида (50 % млекопитающих и 90 % птиц). Механизм действия этого правила очевиден - укрупнение размеров особей термодинамически позитивно меняет отношение объема и площади тела, снижает уровень основного обмена. Существуют и другие законы определяемые позитивной термодинамикой:

закон Гессе - особи популяций в северных районах обладают относительно большей массой сердца (при ее сравнении с массой тела), чем особи популяций живущих в южных широтах или в более теплых местообитаниях. Большая интенсивность обмена и необходимость поддерживать относительно постоянную температуру требует лучшего кровоснабжения.

закон покрова или правило густоты мехового покрова: у млекопитающих и других организмов покров тела достигает максимума в холодных и засушливых областях.

правило числа позвонков, согласно которому у рыб в водоемах с повышенной соленостью и более низкой температурой в хвостовой части возрастает число позвонков. Это связано с приспособлением к движению в более илистой среде.

правило Глогера: виды животных северных и влажных географических зон имеют более интенсивную окраску, чем обитатели южных сухих регионов. Темная окраска отражает меньше тепла, улучшает его аккумуляцию телом животного. Учитывается и защитная окраска.

Принцип основателя: единичные особи - основатели новой (изолированной) колонии или популяции несут в себе лишь часть генетической информации, присущей виду. Нехватка потенциала наследственной изменчивости может лежать в основе правила островного измельчения: популяции видов животных, обитающих на островах, образуются, как правило, более мелкими особями, чем материковые, живущие в аналогичных условиях. среда обитание экологический фактор

Для живых организмов существует закон необратимости эволюции: организм (популяция, вид) не может вернуться к прежнему состоянию уже осуществленному в ряду предков. Эта закономерность универсальна.

Размещено на Allbest.ru