Экологическая ниша

17

Экологическая ниша - это комплекс всех физических, химических и биологических факторов среды, которые необходимы тому или иному биологическому виду для жизни, роста и размножения в данной экосистеме. Понятие ниши включает в себя и роль организма в экосистеме.

Известная аналогия утверждает, что местообитания организма - это его «адрес» в экосистеме, тогда как его экологическая ниша - его «род занятий» и «стиль жизни». Например, местообитание дрозда включает в себя леса, парки, луга, сады, огороды и дворы. Его же экологическая ниша включает такие факторы, как гнездование и высиживание птенцов на деревьях, питание насекомыми, земляными червями и плодами, перенос плодово-ягодных семян со своими экскрементами.

Каждый биологический вид играет определенную роль в своей экосистеме. Экологи доказали, что некоторые виды, называемые ключевыми видами, кардинально влияют на многие другие организмы в экосистеме. Исчезновение ключевого вида из экосистемы может спровоцировать целый каскад резких падений численности популяции и даже вымирание тех видов, которые зависели от него в той или иной форме.

Примером ключевого вида можно считать земляную черепаху. Земляная черепаха обитает на песчаных возвышенностях во Флориде и других южных районах США. Это медлительное, размером с обеденную тарелку, животное вырывает себе нору глубиной до 9 метров. В жарких, негостеприимных экосистемах юга США такие норы становятся убежищами от жары для почти 40 других видов животных, таких, как серая лиса, опоссум, змея индиго и многих насекомых. В тех местах, где земляная черепаха была истреблена или доведена до грани вымирания многочисленными охотниками за ее изысканным мясом, многие зависящие от черепахи виды перестали существовать.

Специализированные и общие ниши

Экологические ниши всех организмов можно разделить на специализированные и общие - в зависимости от их основных источников питания, размеров местообитания и чувствительности к температуре и другим физико-химическим факторам среды.

Специализированные ниши: большинство видов растений и животных

Общие ниши: мухи, тараканы, мыши, крысы и люди.

Чем более узко специализирована экологическая ниша, тем уязвимее вид.

Два вида не могут продолжительное время занимать одну экологическую нишу.

Взаимодействие видов

К основным способам взаимодействия видов относятся межвидовая конкуренция, хищничество, паразитизм, мутуализм и комменсализм.

Межвидовая конкуренция

Пока экосистема обладает достаточным количеством ресурсов общего пользования, разные виды потребляют их сообща. Однако если два или более видов в одной экосистеме начнут потреблять один и тот же дефицитный ресурс, они окажутся в отношениях межвидовой конкуренции.

Вид получает преимущество в межвидовой конкуренции, если для него характерны

- более интенсивное размножение;

- адаптация к более широкому диапазону температуры, освещенности, солености воды или

концентрации определенных вредных веществ;

- лишение конкурента доступа к ресурсу.

Способы снижения межвидовой конкуренции:

- переселение в другой район;

- переход на более труднодоступную или трудно усваиваемую пищу;

- смена времени и места добычи корма.

Хищничество

Наиболее характерной формой взаимодействия видов в пищевых цепях и сетях является хищничество, при котором отдельная особь одного вида (хищник) питается организмами (или частями организмов) другого вида (жертвы), причем хищник живет отдельно от жертвы. Эти два вида организмов вовлечены в отношения типа хищник - жертва.

Виды-жерты пользуются целым рядом защитных механизмов, чтобы не стать легкой добычей для хищников:

- умение быстро бегать или летать;

- обладание толстой кожей или панцирем;

- обладание защитной окраской или способом изменять цвет;

- умение выделять химические вещества с запахом или вкусом, отпугивающим хищника или даже

отравляющим его.

У хищников тоже есть несколько способов добычи жертвы:

- умение быстро бегать (например, гепард);

- охота стаями (например, пятнистые гиены, львы, волки);

- отлов в качестве жертв преимущественно больных, раненых и прочих неполноценных особей;

Четвертый путь обеспечения себя животной пищей - это путь, по которому пошел человек разумный, путь изобретения орудий охоты и ловушек, а также одомашнивания животных.

Еще один тип взаимодействия видов - паразитизм.

Паразиты питаются за счет другого организма, называемого хозяином, однако в отличие от хищников они живут на хозяине или внутри его организма на протяжении значительной части их жизненного цикла. Паразит использует для своей жизнедеятельности питательные вещества хозяина, тем самым постепенно ослабляя и нередко даже убивая его.

Например, ленточные черви, болезнетворные бактерии и другие паразиты живут внутри своих хозяев. Вши, клещи и такие растения-паразиты, как омела белая, прикрепляются к своим хозяевам снаружи. Собачьи блохи, например, способны перемещаться от хозяина к хозяину.

Мутуализм

Нередко случается, что два различных вида организмов непосредственно взаимодействуют таким образом, что приносят друг другу взаимную пользу. Такие взаимовыгодные межвидовые взаимодействия называются мутуализмом. Например, цветы и насекомые-опылители.

Комменсализм

Комменсализм характеризуется тем, что один из двух видов извлекает из межвидового взаимодействия пользу, тогда как на другом это практически никак не отражается (ни положительно, ни отрицательно). Например, рачки в челюстях кита.

Диапазоны толерантности и лимитирующие факторы

Диапазон толерантности - амплитуда колебаний различных факторов (температура, влажность, свет) при которой существует полноценный рост популяций.



Рис. 11

Закон толерантности - существование, распространенность и распределение видов живых организмов в экосистеме определяется тем, может ли уровень одного или нескольких физических или химических факторов быть выше или ниже уровней толерантности этих видов.

Уровень толерантности отдельного организма зависит от его возраста, здоровья, физиологического состояния, генотипа (например, толерантность к спиртному). К постепенно изменяющимся условиям можно адаптироваться (привыкнуть).

Гомеостаз - способность биологического объекта к саморегуляции при изменении условий окружающей среды; для организма сохранение постоянства внутренней среды организма и устойчивость основных физиологических функций при изменении внешних условий.



Х1 и Х2 - пороговые значения

Рис. 12

Пороговый эффект - малое изменение или воздействие может оказаться критическим и вызвать негативные последствия (если система находится в предпороговой области).

Например, массовая гибель деревьев после длительного воздействия загрязненного воздуха.

Принцип лимитирующего фактора - избыток или недостаток одного абиотического фактора может повлечь за собой ограничение или остановку роста численности популяции в экосистеме, даже если значения других факторов оптимальны.

Лимитирующий фактор - любой фактор, тормозящий рост популяции в экосистеме.

Лимитирующие факторы для наземных экосистем:

- температура;

- вода;

- свет;

- питательные вещества в почве.

Лимитирующие факторы для водных экосистем:

- температура;

- солнечный свет;

- содержание растворенного кислорода;

- соленость.

Климат. Краткая характеристика

Мы живем на дне океана невидимых газов, составляющих земную атмосферу. Каждый момент и каждый день в нижней части атмосферы - тропосфере - изменяются температура, давление воздуха, влажность, количество выпавших осадков, солнечный свет (солнечная радиация), облачность, скорость и направление ветра, и другие параметры. Эти краткосрочные изменения состояния тропосферы мы называем погодой.

Климатом называется общий тип атмосферных или погодных условий с учетом сезонных изменений и экстремальных параметров погоды в данном регионе за длительный период - как правило, не менее 30 лет. Климат - это погода, которую можно ожидать в данном месте и в данное время, основываясь на предшествующем опыте.

Погода - это те атмосферные условия, которые вы наблюдаете в данный момент.

Пять основных факторов, которые определяют неравномерное распределение средней температуры и среднего количества осадков и соответствующих им типов климата:

1. Неодинаковое количество поступающей солнечной радиации в различных районах Земли;

2. Годовое вращение Земли вокруг Солнца и суточное вращение вокруг своей оси;

3. Химический состав атмосферы;

4. Распределение суши и моря;

5. Особенности рельефа, например горный массив.

Силы, возникающие при вращении Земли вокруг своей оси, видоизменяют общую модель циркуляции воздуха между экватором и полюсами. В результате к северу и к югу от экватора образуются три отдельных пояса движения воздуха или, другими словами, преобладающих приземных ветров.

Рис. 13

Климат и химический состав атмосферы

Химический состав тропосферы и стратосферы - следующий фактор, определяющий среднюю температуру на поверхности Земли и, следовательно, тип климата конкретной местности. В процессах регуляции температуры в тропосфере ключевую роль играют диоксид углерода, водяной пар, а также содержащиеся в незначительных количествах озон, метан, оксид азота и хлорфторуглероды.

Эти газы, известные как парниковые, действуют аналогично оконному стеклу в теплице. Они пропускают видимую часть спектра солнечного излучения, но препятствуют утечке некоторой части образовавшейся инфракрасной радиации, или тепла, в космическое пространство. Эта радиация излучается обратно к земной поверхности. В результате накопления тепла происходит повышение температуры воздуха в тропосфере; такой процесс получил название парниковый эффект.

Содержание озона в стратосфере также воздействует на климат. Поглощение озоном ультрафиолетовой радиации приводит к нагреванию определенных слоев воздуха высоко в стратосфере (стратосфера - часть атмосферы, располагающаяся выше тропосферы). Эти слои не позволяют газообразным примесям проникать в толщу стратосферы. Тепловая «шапка» - важный фактор формирования средней температуры тропосферного воздуха, а, следовательно, и климата Земли. Поэтому любые виды человеческой деятельности, приводящие к уменьшению среднего содержания озона в стратосфере, могут иметь весьма серьезные отдаленные последствия для климата, здоровья людей, состояния всей живой природы.

Климат и океанические течения

Вращение Земли, наклон земной оси к поверхности эклиптики, преобладающие ветры и различная плотность вод приводят к возникновению океанических, а также поверхностных дрейфовых течений, которые направлены, как правило, параллельно экватору.

Пассаты, почти непрерывно дующие к экватору и имеющие восточную составляющую, увлекают поверхностные воды Атлантического, Индийского и Тихого океанов в западном направлении; они перемещаются так до тех пор, пока не натолкнутся на ближайший материк и не отклонятся в стороны. В результате образуются две огромные циркуляционные системы кольцевыми, в которых воды движутся по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой стрелки - в Южном. В этих кольцах происходит перемещение теплых вод к северу и к югу от экватора.

Климат и рельеф

Горы, долины и другие элементы земной поверхности тоже оказывают влияние на климат различных районов. Для высокогорий характерны более сильные ветры, низкие температуры и более высокая влажность по сравнению с прилегающими долинами.

Горы создают преграду на пути ветров и ураганов. Когда господствующие ветры, дующие с океана на сушу, достигают горной цепи, теплый влажный воздух по мере подъема охлаждается. В результате он теряет большую часть содержащейся в нем влаги на наветренных (обращенных к ветру) склонах в виде дождя и снега. Когда же эта более сухая воздушная масса опускается вниз по подветренным склонам, она сжимается и нагревается, после чего проходит над внутренними пустынными и полупустынными районами.

Резкое падение влажности воздуха, обусловливающее формирование пустынных и полупустынных условий на подветренной стороне высоких гор и прилегающих к ним районах, называется эффектом дождевой тени.

Наглядным примером является пустыня Мохаве, расположенная к востоку от гор Сьерра-Невада параллельно побережью Калифорнии. Дождевая тень служит причиной формирования пустынных условий в районах, прилегающих к горной цепи Гималаев в Азии и к Андам в Южной Америке.

Основные типы экосистем суши

Лимитирующим фактором, определяющим характер растительности на большей части суши Земли, является количество осадков.

Так, пустыня - это территория, где испарение превышает количество осадков, которое в свою очередь составляет менее 250 мм в год. На таких территориях произрастает скудная, разреженная, обычно низкорослая растительность. Для пустынь характерны значительные контрасты между дневными и ночными температурами.

Рис. 14 Среднегодовое количество осадков и средне годовые температуры - лимитирующие факторы, совместное действие которых на протяжении 30 и более лет определяет тип пустынных, травянистых и лесных экосистем на конкретной территории.

Травянистые экосистемы приурочены к регионам, где среднегодовое количество осадков достаточно для произрастания трав; однако выпадают они все еще настолько неравномерно, что периодические засухи и пожары препятствуют развитию древесной растительности на сколько-нибудь значительных площадях.

Главными факторами, определяющими характерные особенности пустынь, лесов или травянистых сообществ на конкретной территории, являются среднегодовое количество осадков, средняя температура, а также тип почв. Совместное действие этих факторов приводит к образованию тропических, умеренных и полярных вариантов пустынных, травянистых или лесных экосистем (рис. 14).

Основные типы пустынь

Пустынные экосистемы занимают около 16% поверхности суши и расположены главным образом в тропических и субтропических районах. Существует три основных типа пустынь: тропические, умеренные и холодные.

1. Тропические пустыни, такие как южная Сахара, занимают около 1/5 общей площади пустынь. Для них характерны малое количество осадков и твердая, «выметенная» ветром поверхность, на которой встречаются отдельные камни и небольшое количество песка. Песчаные дюны покрывают около 10% поверхности этих пустынь. Температуры здесь круглый год высоки.

2. В пустынях умеренных широт, таких, как пустыня Мохаве в Южной Калифорнии, дневные температуры высоки летом и низки в зимнее время.

3. В холодных пустынях, таких, как Гоби, расположенная к югу от Сибири, очень холодно зимой, а летом тепло или даже жарко.

Растения и животные пустынь приспособлены улавливать и сохранять дефицитную влагу. Большинство животных, обитающих в пустынях, спасаются от дневной жары, оставаясь в это время в норах; наиболее активны они ночью. Кроме того, животные пустынь специально приспособлены к тому, чтобы сохранять воду. Например, кенгуровая крыса, относящаяся к ночным животным, вообще не пьет воду. Она получает необходимую влагу из пищи и за счет клеточного дыхания.

Замедленный рост растений, малое видовое разнообразие и недостаток влаги делают экосистемы пустынь весьма уязвимыми. Например, после уничтожения растительного покрова в результате таких воздействий, как выпас скота или езда вне дорог, для его восстановления могут потребоваться целые десятилетия. Кроме того, при движении автомобилей разрушаются норы, являющиеся основным местом обитания для многих пустынных животных.

Основные типы травянистых сообществ

Тропические травянистые сообщества, или саванны, расположены в районах, для которых характерны высокие средние температуры, два продолжительных сухих сезона (зимний и летний) и обильные осадки в остальное время года.

Травоядные животные саванн весьма специализированны по особенностям питания. Жирафы поедают листья и побеги на верхних ветках редко растущих деревьев. Слоны питаются побегами и листьями ниже расположенных ветвей; газели, антилопы и зебры кормятся травами различной высоты и жесткости. Количество и разнообразие копытных в саваннах больше, чем в любых других экосистемах.

Травянистые сообщества умеренных широт приурочены к обширным внутренним районам материков, главным образом Северной Америки, Южной Америки, Европы и Азии. Основные типы травянистых сообществ умеренного пояса - это высокотравные и низкотравные прерии Среднего Запада и Запада США и Канады, пампы Южной Америки, вельды Южной Африки и степи, простирающиеся от Центральной Европы до Сибири.

Почвы травянистых сообществ умеренных широт высоко плодородны и обеспечивают жизнедеятельность многочисленных организмов - редуцентов. В таких сообществах обитает огромное количество разнообразных жуков, пауков, кузнечиков и других насекомых, а также мелкие травоядные, грызуны и птицы.

Полярные травянистые сообщества или арктические тундры, расположены в районах, прилегающих к арктическим ледяным пустыням. Большую часть года экосистемы тундры испытывают воздействие штормовых холодных ветров и покрыты снегом и льдом. Зимы здесь холодные и очень темные. Среднегодовое количество осадков невелико, выпадают они преимущественно в виде снега.

Арктические тундры покрывают 1/5 поверхности суши. Они представлюет собой толстый мягкий ковер низкорослых растений, таких, как лишайники (симбиоз водоросли и гриба), осоки, мхи, травы и невысокие кустарники.

Одним из проявлений крайне суровых условий в этих экосистемах является вечная мерзлота - мощная толща замерзшей воды, постоянно присутствующая в подпочвенных слоях грунта.

Большинство животных, постоянно обитающих в тундре, - мелкие травоядные (лемминги, полярные зайцы, полевки и длиннохвостые суслики), спасаются от холода в подземных норах. Из крупных травоядных в тундре постоянно обитают только овцебыки.

Основные типы лесов

Влажные тропические леса, располагающиеся в ряде приэкваториальных районов, характеризуются умеренно высокими среднегодовыми температурами, мало изменяющимися в течение суток и по сезонам, значительной влажностью и почти ежедневно выпадающими осадками.

В экосистемах доминируют вечнозеленые деревья, круглый год сохраняющие большую часть листьев или хвои; следовательно. Процессы фотосинтеза, в результате которых продуцируются органические вещества, протекают непрерывно в течение всего года.

Во влажных тропических лесах обитает большое количество разных видов животных. Большая часть питательных веществ в этой экосистеме сосредоточена в растительном покрове, а не в верхнем горизонте почв, как в большинстве других экосистем.

Листопадные леса умеренных широт произрастают в районах с невысокими средними температурами, значительно меняющимися по сезонам. Здесь продолжителен летний период, зимы не очень суровы, осадки выпадают довольно равномерно в течение всего года.

В этих экосистемах доминирует несколько видов широколиственных листопадных деревьев - дуб, гикори, клен, тополь, платан и бук. Ярусность растительности обеспечивает многообразие экологических ниш для животных. Благодаря ежегодному листопаду почвы лесов умеренного пояса богаты питательными элементами. В отличие от тропических лесов, большинство лесов умеренного пояса устойчивы к нарушениям и очень быстро восстанавливаются после вырубки.

Северные хвойные леса, называемые также бореальными лесами или тайгой, распространены в районах субарктического климата. Зимы здесь продолжительные и засушливые, с коротким световым днем и небольшими снегопадами. Термические условия меняются от прохладных до исключительно холодных. Летний период короткий, со средними и достаточно высокими температурами, солнце в это время года светит по 19 часов в сутки.

Эти хвойные леса почти непрерывной полосой протягиваются через Северную Америку, Азию и Европу непосредственно к югу от арктической тундры. В них доминирует несколько видов хвойных деревьев - ель, пихта, кедр и сосна. Для лесов характерны многочисленные сфагновые болота.

В течение всего года или большую часть в тайге обитают различные травоядные животные, крупные (олени, лоси) и мелкие (дикобраз, заяц-беляк, белка, бурундук). В тайге встречаются также небольшие и крупные хищники - медведь, росомаха, лисица, рысь, куница, волк. В теплые летние месяцы бурно размножаются насекомые (гнус). Они служат пищей птицам, прилетающим сюда в период гнездования.

Водные экосистемы

Лимитирующие факторы водных экосистем:

1. Соленость - содержание растворимых солей, главным образом хлорида натрия, в водной массе;

2. Глубина проникновения солнечных лучей;

3. Количество кислорода;

4. Доступность питательных элементов;

5. Температура воды.

По степени солености вод водные экосистемы подразделяются на два больших класса.

Солоноводные (морские) Пресноводные

- океаны - озера, водохранилища

- устья рек (эстуарии) - пруды

- прибрежные болота - болота

- коралловые рифы - реки и ручьи (водотоки)

Основные зоны океана

В любом из океанов земного шара можно выделить две основные зоны: прибрежную и открытый океан.



Рис. 15

Прибрежная зона - это относительно теплые, богатые питательными веществами мелководья, протягивающиеся от линии прилива на суше до края подводного продолжения континента, которое именуется континентальным шельфом. В прибрежной зоне, занимающей менее 10% общей площади океана, сосредоточено 90% биомассы и животных.

От открытого океана прибрежную зону отделяет область резкого увеличения глубин у края континентального шельфа. Открытый океан занимает около 90% общей площади океана, но на него приходится лишь около 10% биомассы океанических растений и животных.

В пределах открытого океана выделяются три зоны, основным различием которых является глубина проникновения солнечных лучей.

Прибрежная зона.

Прибрежная зона включает несколько различных местообитаний.

Эстуарии - это прибрежные области, где пресные воды рек, ручьев и поверхностного стока смешиваются с солеными морскими водами.

Заболоченные территории - участки суши, затопляемые пресными или солеными водами в течение всего года или большую его часть. Если они простираются от эстуария в глубь суши и круглый год или большую его часть затоплены солеными водами, то это прибрежные заболоченные территории.

В прибрежных зонах океана в тропических и субтропических широтах, где температура воды превышает 20С, часто встречаются коралловые рифы.

Пресноводные озера и водохранилища.

Озера - это обширные пресноводные естественные водоемы, образующиеся при заполнении впадин земной поверхности водами осадков, поверхностного или подземного стока.

По содержанию питательных веществ озера подразделяются на три группы.

- олиготрофные - озера с небольшим содержанием питательных веществ, главным образом нитратов и фосфатов;

- эвтрофные - озера с высоким и избыточно высоким содержанием питательных веществ;

- мезотрофные - озера, занимающие промежуточное положение по содержанию питательных веществ.

Эвтрофикация - это изменение физических, химических и биологических свойств озера при долговременном поступлении питательных веществ с прилегающих территорий за счет процессов естественной эрозии и стока.

Водохранилища - обычно обширные и глубокие искусственные пресноводные водоемы.

Водохранилища сооружаются, прежде всего, для регулирования стока.

Пресноводные водотоки и реки

Та часть осадков, которая не просачивается в почву и не испаряется, остается на поверхности земли, образуя поверхностные воды. Территория, с которой вода, насосы и растворенные вещества выносятся с водотоками в главную реку и затем в море, называется водоразделом, или водосборным бассейном.