Лекция № 4. Тема: экологические факторы
ТЕМА: экологическИЕ факторЫ
1. Понятие экологических факторов и их классификация.
2.1. Экологическая роль основных абиотических факторов.
2.2. Топографические факторы.
1. Понятие экологических факторов и их классификация
Экологический фактор — любой элемент окружающей среды, способный прямо или косвенно влиять на живой организм, хотя бы на одном из этапов его индивидуального развития.
Экологические факторы многообразны, при этом каждый фактор является совокупностью соответствующего условия среды и его ресурса (запаса в среде).
Экологические факторы среды принято делить на две группы: факторы косной (неживой) природы — абиотические или абиогенные; факторы живой природы — биотические или биогенные.
Наряду с приведенной классификацией экологических факторов существует много других (менее распространенных), в которых используют иные отличительные признаки. Так, выделяют факторы, зависящие и не зависящие от численности и плотности организмов. Например, на действие макроклима-тических факторов не сказывается количество животных или растений, а эпидемии (массовые заболевания), вызываемые патогенными микроорганизмами, зависят от их количества на данной территории. Известны классификации, в которых все антропогенные факторы относят к биотическим.
В абиотической части среды обитания (в неживой природе) все факторы, прежде всего, можно разделить на физические и химические. Однако для понимания сути рассматриваемых явлений и процессов абиотические факторы удобно представить совокупностью климатических, топографических, космических факторов, а также характеристик состава среды (водной, наземной или почвенной) и др.
Физические факторы — это те, источником которых служит физическое состояние или явление (механическое, волновое и др.). Например, температура, если она высокая — будет ожог, если очень низкая — обмораживание. На действие температуры могут повлиять и другие факторы: в воде — течение, на суше — ветер и влажность, и т. п.
Химические факторы — это те, которые происходят от химического состава среды. Например, соленость воды, если она высокая, жизнь в водоеме может вовсе отсутствовать (Мертвое море), но в то же время в пресной воде не могут жить большинство морских организмов. От достаточности содержания кислорода зависит жизнь животных на суше и в воде, и т. п.
Эдафические факторы (почвенные) — это совокупность химических, физических и механических свойств почв и горных пород, оказывающих воздействие как на организмы, живущие в них, т. е. для которых они являются средой обитания, так и на корневую систему растений. Хорошо известны влияния химических компонентов (биогенных элементов), температуры, влажности, структуры почв на рост и развитие растений.
2.1. Экологическая роль основных абиотических факторов
Солнечное излучение. Солнечное излучение – основной источник энергии для экосистемы. Энергия Солнца распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Для организмов важны длина волны воспринимаемого излучения, его интенсивность и продолжительность воздействия.
Около 99% всей энергии солнечной радиации составляют лучи с длиной волны к = нм, в том числе 48% приходится на видимую часть спектра (к = нм), 45% — на близкую инфракрасную (к = нм) и около 7% — на ультрафиолетовую (к 4000 нм) незначительно влияет на процессы жизнедеятельности организмов. Ультрафиолетовые лучи с к > 320 нм в малых дозах необходимы животным и человеку, так как под их действием в организме образуется витамин D. Излучение с к
Источник
Свет как экологический фактор
Как известно, свет — источник энергии для фотосинтеза и тепла для организмов.
Однако этим его значение не исчерпывается, поэтому рассмотрим свет более подробно.
В экологии под термином «свет» принято понимать весь диапазон излучения (в первую очередь солнечного) в пределах длин волн от 0,05 до 3000 нм (1 нанометр = 10-6 мм).
Этот поток радиации распадается на несколько областей, отличающихся физическими свойствами и экологическим значением для живых организмов:
— менее 150 нм — зона ионизирующей радиации;
— 150—400 нм — ультрафиолетовая (УФ) радиация;
— 400—800 нм — видимый свет (для разных организмов границы различаются);
— 800—1000 нм — инфракрасная (ИК) радиация;
— 1000—3000 нм — дальняя инфракрасная радиация.
Две последние области радиации несут в основном тепловую энергию, и их биологическое действие рассмотрено при обсуждении влияния температуры.
Не вся солнечная радиация достигает поверхности Земли. При прохождении через атмосферу часть ее рассеивается в воздухе и отражается, что влечет и качественные изменения исходного состава излучения. В частности, часть спектра с длинной волны до 300 нм отражается озоновым экраном.
Ионизирующая радиация. Она включает как космическое излучение, так и естественную и искусственную радиоактивность. В совокупности это главным образом естественный и техногенный радиоактивный фон. Ионизирующая радиация оказывает биологическое действие главным образом на субклеточном уровне (на ядро, митохондрии): в малых дозах — часто стимулирующее, в больших — повреждающее. «Порог»
действия зависит от вида организма, ткани, клеток, а также длительности воздействия, его прерывистости и др. Известен и мутагенный эффект. В целом, влияние этого излучения на организмы не достаточно изучено и составляет предмет радиобиологии.
Ультрафиолетовые лучи (УФЛ). По длине волны подразделяются на УФ-С (150—280 нм), УФ-В (280—320 нм) и УФ-А (320—400 нм). УФ-С весьма опасены, так как интенсивно адсорбируются кожей. Однако они практически полностью поглощаются озоновым экраном. УФ-В обладают канцерогенным действием неизученного до конца механизма. Существует основание утверждать, что они связаны с нарушением структуры молекул ДНК. Кроме того, известно, что эти лучи инактивируют в коже клетки Лангерганса, отвечающие за ее иммунитет. УФ-В также большей частью по-
глощаются озоновым экраном.
До поверхности земли доходят большей частью лучи с длинной волны от 300 нм.
Они обладают довольно большой энергией и оказывают на организмы главным обра зом химическое действие, в частности стимулируя процессы клеточного синтеза. Облучение ультрафиолетом 320—350 нм повышает продуктивность молодняка свиней и успешно используется в интенсивном животноводстве.
Под действием УФЛ в организме синтезируется витамин D, регулирующий обмен Са и Р, а соответственно, рост и развитие скелета. Особенно велико значение этого витамина для растущего молодняка. Поэтому, например, лисицы и барсуки, выводящие детенышей в норах, солнечным утром выносят их на освещенные места у норы.
Слишком сильное облучение УФЛ вредно для организма, так как повреждает активно делящиеся клетки. Как приспособление к экранированию организма от передозировки УФ у животных формируются темные пигменты, поглощающие эти лучи.
Такова природа загара у человека, пигментации верхнего полюса икринок у лягушек, верхних оболочек головного мозга и мошонки у пустынных сусликов (защищены нервные и половые клетки).
Видимый свет. Составляет 40—50 % солнечной энергии, достигающей Земли. Его важнейшее экологическое значение определяется тем, что свет является фактором фотосинтеза, выступая здесь в роли источника энергии. Но в фотосинтезе участвует лишь часть спектра с длиной волны в пределах от 380 до 760 нм, которую называют областью физиологически активной радиации (ФАР). Внутри нее для фотосинтеза наибольшее значение имеют красно-оранжевые (600—700 нм) и фиолетово-голубые
(400—500 нм), наименьшее — желто-зеленые (500—600 нм) лучи. Последние отражаются, что и придает хлорофиллоносным растениям зеленую окраску.
Способность воспринимать лучистую энергию у хлорофилла и зрительных пигментов животных очень близка, поэтому область фотосинтетически активной радиации практически совпадает с диапазоном видимой части спектра (400—700 нм). Лишь бактериохлорофилл способен поглощать свет с длиной волны до 900 нм.
Зеленые растения поглощают
75 % падающей на них лучистой энергии доступного спектра, но на фотосинтез используется только 1—10 % ее. Остальная энергия затрачивается на транспирацию и другие процессы.
Разнообразие световых условий на нашей планете чрезвычайно велико: от таких сильно освещенных территорий, как высокогорья, пустыни, степи, до сумеречного освещения в водных глубинах и пещерах. В разных местообитаниях различаются не только интенсивность света, но и его спектральный состав, продолжительность освещения, пространственное и временное распределение света разной интенсивности и т. д. Соответственно разнообразны и механизмы приспособления растений к жизни при том или ином световом режиме.
Растения по отношению к освещенности подразделяются на светолюбивые (гелиофиты), теневые (сциофиты) и теневыносливые.
Первые две группы обладают разными диапазонами толерантности в пределах экологического спектра освещенности. Яркий солнечный свет — оптимум гелиофитов (луговые травы, хлебные злаки, сорняки и др.), слабая освещенность — оптимум теневых (растения таежных ельников, лесостепных дубрав, тропических лесов). Первые не выносят тени, вторые — яркого солнечного света.
Теневыносливые растения имеют широкий диапазон толерантности к свету и могут развиваться как при яркой освещенности, так и в тени.
У животных световой фактор прежде всего играет огромную роль в зрительной ориентации в пространстве. Практически у всех групп животных, начиная с подвижных форм кишечнополосных — медуз, развиваются светочувствительные органы — глаза, способные различать спектральный состав света. Особенно велика их роль для животных, обитающих в наземно-воздушной среде. Именно у них орган зрения достигает наибольшего совершенства. Ориентация животных на свет осуществляется в результате фототаксисов: положительного (движение в сторону большей освещенности) или отрицательного (движение в сторону наименьшей освещенности).
Свет и биологические ритмы. Жизнь на планете всегда происходила в условиях ритмически меняющейся среды. Постоянная смена дня и ночи, регулярные сезонные изменения фотопериода (т. е. соотношение светлого и темного времени суток) и климата стали причиной того, что живые организмы выработали определенные связи ритмов своей биологической активности с суточной и сезонной цикличностью условий среды.
У большинства организмов биологические ритмы активности так или иначе синхронизированы с закономерными изменениями светового режима — фотопериодическая регуляция биоритмов. Исключением являются обитатели морских глубин и пещер, а также экваториальных регионов, где фотопериод не меняется по сезонам.
Наиболее выражены суточные и сезонные ритмы биологической активности. Суточные ритмы свойственны большинству растений и животных. У растений они проявляются в изменении интенсивности и стадийности фотосинтеза; изменении испарения и всасывания воды; в открывании и закрывании цветков; в погружении в воду (у водяных лилий и др.). У животных — в дневной, ночной или сумеречной активности; в изменениях в терморегуляции и других физиологических процессах.
Циркадианные ритмы. У некоторых видов мимоз листья к ночи опускаются и складываются, а утром поднимаются и расправляются. В одной из книг XVIII в. содержалось описание эксперимента, в котором такое растение, помещенное в полную темноту, сохраняло суточный ритм движения листьев.
В первой половине XIX в. известный ботаник А. Декандоль решил повторить этот эксперимент. Результаты в известной мере подтвердились, но с одной разницей: оказалось, что полный цикл складывания и распрямления листьев в длительном опыте в условиях постоянного освещения составлял не сутки, а 22 ч 30 мин.
Этим, а впоследствии и рядом других экспериментов с растениями и животными, было показано, что в основе суточных ритмов жизнедеятельности лежат наследственно закрепленные эндогенные циклы физиологических процессов, получившие название циркадианных (циркадных) ритмов (от лат. circa — около, dies — день). В природе они корректируются в соответствии с суточными изменениями освещенности, температуры и др., а в условиях, когда эти изменения исключаются (в эксперименте), всегда несколько не совпадают с суточным периодом.
Вместе с тем животные, помещенные в условия эксперимента, где они могут сами выбирать освещенные и затемненные участки вольера, демонстрируют ритм, равный 24 ч, либо отклонение от него не более чем на 0,5 ч в ту или иную сторону.
В связи с этим существует две точки зрения объяснения причин несовпадения эндогенного ритма с астрономическими сутками.
1. Несовпадение открывает возможность сдвига ритмов активности для их синхронизации с окружающей средой в условиях сезонных изменений.
2. Несовпадение — лишь артефакт, вызванный неестественными условиями эксперимента.
Однако механизмы циркадианных ритмов — «биологических часов» — пока изучены недостаточно. Еще в 60-е гг. XX в. была предложена концепция хронона. Согласно ей материальным носителем отсчета времени служит какая-то длинная молекула ДНК, на разошедшейся нити которой полный синтез матричных РНК занимает 24 ч. Этот процесс не зависит от температуры. В подтверждение данной концепции приводят результаты экспериментов, в которых повреждение спиралей ДНК ультрафиолетом либо подавление синтеза ДНК актиномицином Д (антибиотик) нарушало циркадианный ритм у одноклеточной водоросли Gonyaulax polyegra.
В опытах на дрозофиле удалось локализовать ген, мутации которого изменяют длительность эндогенного ритма либо приводят к его отсутствию. Аналогичный ген в конце 80-х гг. XX в. обнаружен у домовых мышей.
Другая гипотеза отводит значительную роль в механизме биологических часов клеточным мембранам. Предложена трансляционно-мембранная модель молекулярного механизма биологических часов, включающая два этапа: 1) трансляцию специфических белков на рибосомах; 2) встраивания этих белков в клеточные мембраны. Для позвоночных животных эта модель увязывается с деятельностью гипоталамуса и эпифиза.
Сезонные ритмы. Организмы, обитающие в условиях сезонной смены климата, характеризуются наличием сезонных экологических и физиологических изменений.
У растений это сезонный характер цветения, образования семян, а также клубней и луковиц; вегетации (в том числе сбрасывания листьев), у животных — сезонные явления размножения, линьки, миграций, спячки и диапаузы.
Как и в случае с суточными ритмами, в основе сезонных ритмов лежат врожденные эндогенные сезонные циклы, которые настраиваются и регулируются во взаимодействии с внешними условиями. Такие циклы с периодичностью около года называют цирканнуальными или цирканными (от лат. circa — около, annus — год).
Главным внешним фактором, синхронизирующим цирканные ритмы, вне зоны тропиков является фотопериод.
В искусственных условиях, полностью исключающих изменение фотопериода и температуры, период цирканного ритма обычно меньше астрономического года.
Так, при содержании славок (род певчих птиц Sylvia) в вольере с постоянными в течение всего года режимом освещенности (10 ч света, 14 ч темноты) и температурой периодичность ежегодной смены оперения уменьшилась до 9,6 месяца.
Многочисленные исследования этого явления во второй половине XX в. показали, что механизм автономного отсчета времени у животных сконцентрирован в гипоталамусе. Здесь же размещены группы нейросекреторных клеток, функционирование которых зависит от изменений фотопериода. Вырабатываемые этими клетками гормоны попадают в гипофиз, стимулируя там секрецию и выделение гипофизарных гормонов (половые гонадотропины), контролирующих функцию надпочечников (адре-
Названные группы гормонов и ряд других контролируют такие циклически повторяющиеся сезонные явления, как размножение (гонадотропины и пролактин); линька (тироксин); миграции (гонадотропины и адренокортикотропин) и др.
Развитие живой природы по сезонам года происходит в соответствии с биоклиматическим законом Хопкинса (1918): сроки наступления различных сезонных явлений (фенодат) зависят от широты, долготы местности и ее высоты над уровнем моря. Значит, чем севернее, восточнее и выше местность, тем позже приходит весна и раньше — осень. Для Европы на каждом градусе широты сроки сезонных событий наступают через три дня, в Северной Америке — в среднем через четыре дня на каждый градус широты, на пять градусов долготы и 120 м высоты над уровнем моря.
Значения фенодат очень важны для планирования различных сельхозработ и других хозяйственных мероприятий.
Источник
