Биосфера как среда жизни

Размещено на http://www.allbest.ru/

Биосфера как среда жизни

Три особенности биосферы

При общем знакомстве с биосферой надо, по-видимому, отметить некоторые наиболее важные ее особенности. Выделим три особенности.

Первая особенность биосферы ~ ее стабильность. Конечно, биосфера эволюционирует, однако при этом она на каждом значительном по своей длительности этапе работает как бы в стационарном режиме. Что значит «в стационарном режиме»? - Это значит, что происходит весьма тонкая саморегуляция всех частей, составляющих биосферу. Саморегуляция происходит благодаря разнообразным круговым процессам (циклам); именно благодаря им «все возвращается на круги свои». Заметь: на протяжении геологически длительного времени сохраняется постоянным химический состав атмосферы, а также солевой состав вод Мирового океана. Есть основания считать, что масса живого вещества остается в целом приблизительно постоянной со времен карбона. Недаром биосферу нередко называют саморегулируемой кибернетической системой с высокой помехоустойчивостью. Другими словами, жизнь на Земле сама достаточно надежно стабилизирует условия своего существования. Однако важно иметь в виду, что стабильность биосферы имеет определенные пределы и нарушение ее возможности к саморегуляции чревато серьезными последствиями. Сегодня человечество накопило достаточно сил и может сделать невозможной саморегуляцию биосферы. И тогда произойдет экологическая катастрофа.

Вторая особенность биосферы - мозаичностъ ее строения. Рассматриваемая в планетарном масштабе жизнь представляется функционирующей в пределах отдельных «квантов» биосферы. Английский ботаник Артур Тенсли (1871-1955) ввел для «квантов» биосферы понятие экосистемы и разработал в 1935 году учение об экосистемах. Российский ботаник Владимир Николаевич Сукачев (1880-1967) в 1940 году ввел термин «биогеоценоз» для обозначения элементарной единицы биосферы. Это, по

сути дела, синоним понятия «экосистема»; просто последнее понятие более многозначно. Экосистемы могут иметь произвольные границы (от капли воды до биосферы в целом), тогда как биогеоценозы всегда занимают определенные территории на планете.

Третья особенность биосферы - чувствительность к космосу. Подчеркнем: речь не идет о лженауке, именуемой астрологией (мы с тобой говорили о ней в п. 9.3 во второй части книги «Микромир и Вселенная»). Речь идет о современном научном направлении - гелиобиологии (разделе биологии, изучающем связи солнечной активности с различными явлениями в биосфере Земли).Основоположником гелиобиологии является видный российский биофизик Александр Леонидович Чижевский (1897-1964).

Экологические факторы среды обитания

живой организм биосфера обитание

Наверное, нет особой необходимости объяснять, что такое среда обитания живого организма. Ясно, что это та самая природа (точнее, часть природы), в которой данный организм обитает и с которой он взаимодействует. Он к ней приспосабливается (адаптируется), он ее использует для своей жизнедеятельности, он ее в какой-то мере изменяет в процессе своей жизнедеятельности. Живые организмы освоили четыре основных среды обитания: 1) водную; 2) наземно-воздушную; 3) почву; 4) самих живых организмов. Да, организм может быть средой обитания другого организма. Организмы, обитающие в других организмах, - это паразиты в организме-хозяине, или симбионты.

А что такое экологические факторы, среды? Это различные свойства или элементы среды, которые так или иначе воздействуют на обитающие в среде организмы. Они могут быть полезны организму и, более того, жизненно необходимы для него, но они могут быть вредны для организма, могут препятствовать его размножению и даже просто выживанию. Экологические факторы среды подразделяются на абиотические, биотические и антропогенные.

Абиотические экологические факторы определяются совокупностью воздействий на организм, не связанных с воздействием на него со стороны других организмов. А с чем же они связаны, эти воздействия? Во-первых, с физическими характеристиками среды: температурой, влажностью, поступлением солнечного света, давлением, плотностью, наличием радиоактивных излучений. Все это - физические абиотические факторы. Во-вторых, абиотические факторы связаны с химическим составом среды (атмосферы,

морских и пресных вод, почвы, желудочного сока и крови организма-хозяина). Это - химические абиотические факторы. В-третьих, абиотические факторы связаны с климатическими условиями, характером рельефа местности обитания, характером подводных течений. Это географические абиотические факторы.

Биотические экологические факторы определяются совокупностью воздействий на данный организм со стороны других организмов - непосредственно самих организмов или результатов их жизнедеятельности.

Антропогенные экологические факторы, определяются, как это видно уже из названия, деятельностью людей. На первый взгляд, антропогенные факторы можно отнести к факторам биотическим. Однако их нельзя рассматривать в рамках только биотических факторов, поскольку в ходе производственной деятельности людей изменяются физические, химические и географические характеристики среды, т.е. изменяются абиотические экологические факторы. В наше время значение антропогенных воздействий на весь живой мир планеты стремительно возрастает и все больше и больше превращается в решающий экологический фактор.

Разумеется, любой конкретный организм испытывает на себе воздействие всей совокупности экологических факторов и должен реагировать на эту совокупность, т.е должен либо приспосабливаться к ней, либо как-то противостоять ей, либо стараться избежать, уйти или укрыться от каких-то элементов этой совокупности факторов. Да, у организма есть три основных стратегии: приспособление к факторам среды, противоборство и избегание. В процессе эволюции любой вид отрабатывает все эти стратегии: как-то и в чем-то приспосабливается, как-то и в чем-то противоборствует, как-то и в чем-то избегает. Если тот или иной вид в ходе эволюции перестает справляться с этим, то он, естественно, вымирает. Вполне понятно, что самая большая опасность для любого вида - это быстрая смена среды обитания, переход от привычной для него среды обитания к новой среде, где ему предстоит встретиться с новой совокупностью экологических факторов. Именно такое и происходит в результате деятельности человека, в самом процессе этой деятельности. В одних случаях деятельность людей приводит к вымиранию видов, в других случаях существование видов начинает требовать постоянной поддержки со стороны человека (все виды культурных растений и одомашненных животных), в третьих случаях происходят существенные изменения в географии распространения видов. Мы вернемся

Воздействие абиотических факторов среды обитания на живые организмы

Один из наиболее важных абиотических факторов - температура среды обитания. Любой вид способен жить лишь в пределах некоторого интервала температур; за пределами этого интервала вид гибнет либо от холода, либо от жары. Указанный интервал температур называют зоной выживания вида, или зоной толерантности. Внутри зоны толерантности есть более узкий интервал температур, внутри которого особи данного вида сохраняют способность к росту (зона нормальной жизнедеятельности вида). Внутри этой зоны находится интервал температур, в пределах которого возможно также и размножение особей вида, - зона длительного существования вида.

Для наглядности все это удобно представить графически, выбрав в качестве оси абсцисс ось температур (смотри рисунок). Здесь через Т₁ и Т₂ обозначены границы зоны толерантности, через Т₃ и Т₄ - границы зоны нормальной жизнедеятельности, через Т и Т_д - границы зоны длительного существования вида; Т - оптимальное значение температуры среды

(оптимум). Ось ординат условно характеризует «успешность» жизнедеятельности организмов данного типа (нуль на этой оси соответствует стопроцентной смертности, точка А - уровень, выше которого возможен рост особей, точка В - уровень, выше которого возможно размножение). Изображенную на рисунке кривую можно назвать кривой устойчивости вида (по отношению к изменениям температуры). Немного позднее у нас появится возможность уточнить смысл оси ординат на рисунке и заменить довольно туманное понятие «успешность жизнедеятельности» более точным, измеряемым численно понятием.

В данном случае мы говорили о таком абиотическом факторе среды обитания, как температура. Аналогичным образом можно рассмотреть и другие абиотические факторы: влажность среды, интенсивность освещения солнечными лучами, давление, оказываемое средой на организмы, степень насыщения среды кислородом, концентрацию тех или иных солей в среде и т.д. В принципе можно распространить такой подход также на биотические факторы, если только определиться с тем, как их измерять.

Но вернемся к температуре среды. Понятно, что характер кривой устойчивости вида зависит в первую очередь от того, какой вид рассматривается. Вообще-то характерная для живых организмов зона толерантности лежит в пределах от 0 'С до 60 С. Но это, конечно, некие усредненные границы, которые к тому же не принимают во внимание теплокровных животных, т.е. птиц и млекопитающих (о них разговор особый, поскольку температура их тела может существенно отличаться от температуры среды). Виды могут различаться по положению оптимума, а также по тому, насколько узка (или широка) зона нормальной жизнедеятельности. Если эта зона достаточно узка, такой вид относят к категории стенотермных видов (буквально: узкотемпературных видов); если же она широка - к категории эвритермных видов (широкотемпературных видов). В целом наземные организмы более эвритермны, чем водные. А у наземных более эвритермны животные, чем растения. Хорошо известны такие стенотермные растения, как теплолюбивые тропические растения, например, орхидеи. В Европе они могут расти лишь в теплицах. Существуют стенотермные виды и у животных (например, кораллы и медузы).

Какова бы ни была зона толерантности вида, существует общее для всех правило: быстрота реакции организма возрастает с ростом температуры его тела (а значит, с повышением температуры среды, коль скоро у подавляющего большинства видов температура тела мало отличается от температуры среды). Организм функционирует быстрее, он усваивает больше пищи, процесс его роста ускоряется, взрослое состояние достигается раньше. Не удивительно, что температура среды оказывается важнейшим экологическим фактором, определяющим географическое распространение вида.

Как уже отмечалось, особняком стоят теплокровные животные (птицы и млекопитающие). Благодаря активному обмену веществ, а также хорошей теплоизоляции (с помощью меха или подкожного жира) они способны поддерживать температуру тела постоянной, несмотря на сильные изменения температуры среды. Эта способность к саморегуляции температуры тела делает теплокровных в высшей степени эвритермными организмами. Для них зона толерантности по отношению к температуре среды обитания существенно расширяется (особенно в области низких температур). Отметим, что многие теплокровные освоили специфические приемы защиты от холода - одни зимой впадают в спячку, другие с холодами перелетают в теплые регионы.

Теперь поговорим о другом важном абиотическом факторе - влажности среды. Уместно напомнить, что на протяжении большей части истории живой природы мир организмов был представлен исключительно водными видами. Завоевав сушу, организмы не утратили зависимости от воды. Пусть организм обитает в наземно-воздушной среде - все равно он нуждается в воде, а потому влажность воздуха становится важным абиотическим фактором. Что такое влажность воздуха? Это величина, которую выражают через массу водяного пара в единице объема воздуха. Обычно рассматривают так называемую относительную влажность; это есть отношение наблюдаемого в данной ситуации давления водяных паров к тому давлению паров, которое при данной температуре соответствовало бы насыщенному пару. Выражают это отношение в процентах.

Все сухопутные растения и животные характеризуются какой-то зоной толерантности по отношению к относительной влажности воздушной среды. Особенно чувствительны они к нижней границе зоны; при переходе за эту границу вид может погибнуть от недостатка воды, если, конечно, он не освоил дополнительные способы добывания воды. Впрочем, такие способы достаточно широко распространены: растения извлекают воду из почвы при помощи корней, животные пьют воду, получают ее с пищей или в процессе окисления жиров (как это, например, делают верблюды).

Различные экологические факторы взаимосвязаны в том смысле, что характер воздействия на организм того или иного фактора зависит от интенсивности другого фактора. В качестве примера на рисунке (с. 432) показана для куколки яблоневой плодожорки кривая зависимости относительной влажности / от температуры Т среды, отграничивающая область, в пределах которой куколка стопроцентно погибает. Эта область на рисунке заштрихована. Рисунок наглядно показывает, что зона толерантности куколки яблоневой плодожорки по отношению к температуре среды различна при разной относительной влажности среды. Так, при влажности 80% она находится в пределах от 10 °С до 37 °С, а при влажности 20% она заметно сокращается (от 22 °С до 36 °С). При влажности же ниже 15% зона толерантности по отношению к температуре вообще исчезает.

Заметим, что устойчивость вида по отношению к температуре среды зависит не только от влажности среды, но и других факторов. Так, например, мороз переносится легче в отсутствие ветра.

Свет как экологический фактор среды особенно важен для растений, коль скоро они обладают способностью превращать часть энергии солнечного излучения в энергию химических связей органических молекул. Различают солнцелюбивые растения (способные нормально развиваться только под солнечными лучами и хиреющие в затененных местах) и тенелюбивые растения (способные расти лишь под пологом леса и погибающие в случае его сплошной вырубки). Известно, что, когда интенсивность света падает до определенного порогового значения, фотосинтез резко замедляется. У разных растений этот порог неодинаков - отсюда различие между солнцелюбивыми и тенелюбивыми растениями. Животные тоже реагируют на свет, но для них проблемы оптимальной потребности в свете пока еще недостаточно изучены.

Наличие зависимости жизнедеятельности растений и животных от света хорошо демонстрируют явления фотопериодизма, т.е. проявления влияния на организмы смены дня и ночи, а также смены сезонов, приводящей к изменению длительности дня. Как известно, цветы у многих растений с наступлением темноты закрываются. Многие животные ведут исключительно дневной образ жизни, а некоторые, напротив, исключительно ночной (например, совы и летучие мыши). Большая часть планктонных организмов ночью держится вблизи поверхности воды, а днем опускается в глубину до 100 м, избегая тем самым яркого света. Изменение длительности дня (в связи с сезонными изменениями) влияет на различные процессы в организмах. У растений это выражается, например, в том, что их цветение приурочено к периоду наиболее активного фотосинтеза, у животных - в совпадении времени размножения с периодом обилия пищи. Отметим также приобретение зимнего мехового наряда млекопитающими, смену оперения и перелет многих птиц, определенные периоды нереста у рыб.

Мы не сможем здесь уделить достаточно внимания многим абиотическим факторам. Поэтому будет полезна таблица, где в самых общих чертах указано значение тех или иных абиотических факторов среды для организмов, обитающих в наземно-воздушных средах, и организмов, обитающих в водных средах.

В 1840 году немецкий агрохимик Юстус Либих (1803-1873), изучая, как влияет на рост растений то или иное содержание в почве различных химических элементов, сформулировал свое знаменитое «правило минимума»: «Именно веществом, находящимся в минимуме, управляется урожай, определяется величина урожая, его устойчивость во времени». Пусть в почве есть все компоненты минерального питания, нужные для данного вида растений, кроме одного, например бора. Рост растений на такой почве будет сильно угнетен. Нехватка бора является в данном случае лимитирующим фактором. Пока он не появится в почве, бесполезно вносить в нее другие нужные растению вещества и добиваться содержания их в почве в оптимальных количествах. Правило минимума родилось при рассмотрении химических факторов почвенной среды. Но оно применимо и в общем случае - в отношении самых разных экологических факторов различных сред обитания. В общем виде его можно сформулировать следующим образом: для жизнедеятельности видов нужна всякий раз определенная совокупность положительных экологических факторов; если в наличии все эти факторы, за исключением одного, проявленного недостаточно, то именно этот фактор, называемый лимитирующим (ограничивающим) фактором, приобретает решающее значение. Коротко говоря, наиболее важно то, что в дефиците.

Как показано в таблице на с. 433, у организмов водной среды часто в дефиците оказывается содержание кислорода в воде, а у организмов на-земно-воздушной среды лимитирующим фактором часто оказывается температура среды. Но это - общий момент. Если же рассматривать конкретно те или иные виды, то выявятся различные лимитирующие факторы. Так, например, у березы лимитирующим фактором является наличие солнечного излучения. Для березы свет всегда в дефиците.

Живые организмы в популяции (внутривидовые взаимодействия)

Переходя к рассмотрению биотических экологических факторов, мы тем самым начинаем рассматривать уже не отдельные организмы, а природные сообщества. Природные сообщества состоят из популяций организмов.

Справка. Популяция - любая способная к самовоспроизведению совокупность организмов одного и того же вида, занимающая определенную территорию. Можно говорить, например, о популяции карасей в данном пруду, популяции голубей в данном городе, популяции бактерий, выросших на некоторой культуре в данной чашке. Популяция характеризуется общей

Следствием размножения организмов является рост численности и плотности популяции. С появлением новых особей в популяции в результате размножения связано понятие «рождаемость» (независимо от того, «рождаются» организмы или они «вылупляются», «отпочковываются», «возникают путем деления»). Различают абсолютную (максимальную) рождаемость и реализуемую (экологическую) рождаемость. Максимальная - это рождаемость в идеальных условиях, когда особь не подвергается каким-либо негативным факторам; она определяется исключительно физиологическими особенностями данного вида. Однако в реальных ситуациях рождаемость популяции в значительной мере зависит не только от физиологии вида, но и от свойств данной популяции - ее плотности и возрастной структуры. Даже если нет недостатка в пище, рождаемость в популяции животных может снижаться, когда плотность популяции сильно возрастает. По-видимому, увеличение плотности популяции влияет на гормоны, регулирующие половое поведение животных; чаще встречается неспособность к спариванию, бесплодие. Доказано, что количество яиц, откладываемых плодовой мушкой дрозофилой за день, уменьшается с ростом популяции этой мушки. У растений количество семян тоже может уменьшаться при возрастании плотности популяции.

Впрочем, существуют популяции, которые, напротив, способны размножаться и жить только тогда, когда плотность популяции достаточно велика. Это относится ко многим морским птицам (пингвинам, бакланам), к ластоногим млекопитающим (моржам, тюленям, морским котикам), к общественным насекомым (термитам, муравьям, медоносным пчелам).

Понятно, что сама по себе рождаемость еще не определяет динамики популяции. Необходимо учитывать степень выживаемости организмов в рассматриваемой популяции с увеличением их возраста. На рисунке на с. 436 показаны три разных типа кривых выживания. По оси абсцисс отложен относительный возраст (в процентах), рассматриваемый по отношению к средней длительности жизни одного поколения в данном виде, а по оси ординат - численность особей (эта численность представлена в неравномерном масштабе, называемом логарифмическим). В случае, представляемом кривой 1, смертность практически до самого конца жизненного цикла остается низкой; это случай высокой выживаемости. Он характерен для крупных млекопитающих, в частности, для человека, и вообще для всех животных, в популяциях которых относительно высока степень родительской заботы о потомстве и существуют разные способы защиты потомства (пингвины, ластоногие, общественные насекомые). Кривая 3 описывает противоположный случай. Здесь смертность весьма высока в самом раннем возрасте. Такое наблюдается, например, у моллюсков, многих рыб, земноводных, многих растений. Массовая гибель особей на ранних стадиях развития в известной мере компенсируется здесь за счет откладывания большего количества яиц или разбрасывания большего количества семян. Кривая 2 - идеализированная кривая; нетрудно понять, глядя на нее, что в этом случае смертность одинакова в течение всего периода жизни. Приближенно сюда можно отнести гидру.

Размещено на Allbest.ru