Учебно-методический комплекс дисциплины «экология и устойчивое развитие» для всех специальностей учебно-методические материалы

Экологический фактор, количественное значение которого выходит за пределы выносливости вида, называется лимитирующий (ограничивающий) фактор. Такой фактор будет ограничивать распространение вида даже в том случае, если все остальные факторы будут благоприятными. Лимитирующие факторы определяют географический ареал вида. Знание человеком лимитирующих факторов для того или иного вида организмов позволяет, изменяя условия среды обитания, либо подавлять, либо стимулировать его развитие.

Такие графики полезны для определения пригодности комбинации температуры и влажности в районах предполагаемой интродукции растений или промысловых животных, а также при использовании климатических камер, которые позволяют поддерживать любую желаемую комбинацию температуры, влажности и освещения.

Взаимодействие и компенсация факторов были подтверждены опытным путем: при добавлении в воду токсичного кадмия экологический оптимум ракообразных смещается как в отношении температуры, так и солености, а также изменяются пределы толерантности. Иногда организм способен заменить, хотя бы частично, дефицитный элемент другим, химически близким. Так, в местах, где много стронция, моллюски способны заменять до некоторой степени кальций на стронций. Замечено также, что растениям нужно меньше цинка, если они растут на ярком солнечном свету. Компенсация экологических факторов — это стремление организма ослабить лимитирующее действие физических, биотических и антропогенных влияний. Так, при разных температурах один и тот же вид, имеющий широкое географическое распространение, может приобретать физиологические и морфологические особенности, адаптированные к местным условиям. Здесь уместно привести правило Д. Аллена (1878г): у животных выступающие части тела — уши, хвосты, лапы тем короче, (правило Бергмана -1848г) а тело — тем массивнее, чем холоднее климат. Примером также может быть выработка определенных жизненных циклов и внутренних ритмов в ответ на изменение факторов среды.
Современная экология располагает обширной аксиоматикой, относящейся ко всем уровням организации природных систем. Некоторые, достаточно общие постулаты, теоремы, правила заимствованы из смежных дисциплин и опираются на фундаментальные законы естествознания. Таковы начала термодинамики, законы сохранения вещества и энергии, закон минимума диссипации (рассеивания) энергии Л. Онсагера - И. Пригожина и др. Среди них есть несколько принципов, важных для понимания поведения экологических систем, их способности к самоподцержанию и авторегуляции.

Закон больших чисел: совокупное действие большого числа случайных факторов приводит, при некоторых общих условиях, к результату, почти не зависящему от случая, т.е. имеющему системный характер.

Принцип Ле Шателье - Брауна - при, внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в направлении, при котором эффект внешнего воздействия уменьшается.

В мире действует закон всеобщей связи вещей и явлений в природе ив обществе. Он связан с законом физико-химического единства живого вещества, законом развития системы за счет окружающей ее среды и законом постоянства количества живого вещества, сформулированных В.И.Вернадским: любая система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды; изолированное саморазвитие невозможно.

Существуют и другие, более частные системные обобщения в экологии. Во многих руководствах часто цитируют аксиомы-поговорки известного американского ученого

По отношению к условиям освещенности растения делят на следующие экологические группы. Гелиофиты (светолюбивые) - растения, обитающие в условиях хорошего освещения. Они имеют мелкие листья, сильно ветвящиеся побеги, значительное количество пигментов в листьях и др. Сциофиты (тенелюбивые) — растения, плохо переносящие прямые солнечные лучи. Для них характерны крупные, тонкие листья, расположенные горизонтально, с меньшим количеством устьиц. Факультативные гелиофиты (теневыносливые) — растения, способные обитать как в условиях хорошего освещения, так и в условиях затенения. Имеют переходные черты. Гелофиты - растения болот.

Для животных свет — это условие ориентации. Животные бывают с дневным, ночным и сумеречным образом жизни.

По отношению к условиям освещенности животных делят:

фотофилы – светолюбивые, фотофобы–тенелюбивые (стенофотные и эврифотные).

Свет имеет большое сигнальное значение и вызывает регуляторные адаптации организмов

Одним из самых надежных сигналов является длина дня .

Суточная цикличность- это врожденные свойства вида, они являются внутренними (эндогенными) ритмами.

Способность организма чувствовать внутренние ритмы называют –биологическими часами.

Наследственная реакция организма на сезонные изменения длины дня –фотопериодизм.

Развитие живой природы по сезонам происходит в соответствии с биоклиматическим законом ХОПКИНСА. «Сроки наступления различных сезонных явлений (фенодат) зависит от широты, долготы местности и ее высоты над уровнем моря.

Изучением закономерностей сезонного развития природы занимается прикладная отрасль экологии – фенология (наука о явлениях)

Согласно закона Хопкинса, применительно к северной Америки, сроки наступления сезонных явлений различаются в среднем на 4 дня на каждый градус широты, на каждые 5 градусов долготы и на 120 метров высоты над уровнем моря.

Чем севернее, восточнее и выше местность, тем позже наступление весны и раньше - осени.На территории Европы сезонные явления различаются на - 3дня.
Температура как абиатический фактор

Как повышение так и понижение температуры в организме приводит к прекращению жизненных функций организма. Критическим моментом является замерзание воды в клетках, или денатурация белков. Границы оптимальных температур активной жизнедеятельности организмов находится в пределах 0-50 °C.

Виды, предпочитающие холод – криофилы.

• 
  и антарктические пустыни, тундры, высокогорья. Обитающие здесь виды обладают повышенной холодостойкостью. Основные механизмы этих адаптаций биохимические - накопление в клетках макромолекулярных веществ -антифризов, которые понижают точку замерзания жидкостей тела.
  
• 
  Другой путь холодостойкости – выносливость к замерзанию – связан с временным прекращением активного состояния (гипобиозом или криптобиозом). Так, жуки-жужелицы в тундрах выдерживают переохлаждение до -35 °C, накапливая к зиме до 25 % глицерина и снижая содержание воды в теле с 65 до 54 %. Летом глицерин в их теле не обнаруживается.
  

• 
  Термофилы – это экологическая группа видов, оптимум жизнедеятельности которых находится в области высоких температур.
  
• 
  Наиболее устойчивы бактерии. Некоторые архебактерии способны к росту и делению клеток при температурах, превышающих +110 °C.
  
• 
  Бактерии, окисляющие серу размножаются при +(85–90)°С.
  
• 
  Обнаружена даже способность ряда видов расти в практически в кипящей воде.
  
• 
  Внешнее тепло –экзогенное.
  
• 
  Внутреннее тепло – эндогенное.
  

• 
  Живые организмы с постоянной температурой тела –гомойотермные (эндотермы-теплокровные). Гомойотермные животные впадающие в спячку или временное оцепенениесоставляют группу гетеротермных. Таковы сурки, суслики, летучие мыши, ежи, колибри, стрижи и др.
  

• 
  Способы регуляции температурного баланса у животных -поведенческие, морфологические и физиологические.
  
• 
  – поведенческие: перемена позы, активный поиск благоприятных мест обитания, целый ряд специализированных форм поведения, направленных на создание микроклимата (рытье нор, сооружение гнезд и др.).Рисунок 1. В ряде случаев гомойотермные животные используют в целях терморегуляции групповое поведение.
  

• 
  Физическая терморегуляция к холоду осуществляется за счет сохранения его в теле животного, а защита от перегрева путем усиления теплоотдачи во внешнюю среду. Рис 2. (Анабиоз –зимняя спячка, летняя - эстивация)
  
• 
  Немаловажное значение для поддержания температурного баланса имеет отношение поверхности тела к его объему.
  
• 
  Согласно правила Бергмана (1848г) у теплокровных животных размер тела особей у Северных популяций вида по сравнению с южными.
  
• 
  Правило Д.Аллена (1878г.)-увеличение выступающих частей тела ( конечностей, хвоста, ушей) наблюдается у южных популяций вида по сравнению с северными.
  

Вода обеспечивает протекание в организме обмена веществ и нормальное функционирование организма в целом.

• 
  Интенсивность общей транспирации повышается с увеличением освещенности, температуры, сухости воздуха и при ветре.
  
• 
  По приспособлениям наземных растений к кратковременным колебаниям условий водоснабжения и испарения различают пойкилогидрические и гомойогидрические виды.
  
• 
  Гомойогидрические растения способны поддерживать относительное постоянство обводненности тканей. К ним относят большинство высших наземных растений. Для них характерна крупная центральная вакуоль в клетках. Благодаря этому клетка всегда имеет запас воды и не так сильно зависит от изменчивых внешних условий.
  
• 
  У пойкилогидрических растений содержание воды в тканях непостоянно и сильно зависит от степени увлажнения окружающей среды. Они не могут регулировать транспирацию и легко и быстро теряют и поглощают воду, используя влагу росы, туманов, кратковременных дождей, в сухом состоянии находятся в анабиозе.
  

• 
  Гидатофиты – это водные растения, целиком или почти целиком погруженные в воду ( водяные лютики, валлиснерия, уруть). Вынутые из воды, эти растения быстро высыхают и погибают. Транспирация у таких растений отсутствует, а вода выделяется через особые клетки – гидатоды.
  
• 
  Гидрофиты – это растения наземно-водные, частично погруженные в воду, растущие по берегам водоемов, на мелководьях, на болотах. К ним относятся- тростник, кувшинки, лилии и др.
  
• 
  Гигрофиты – наземные растения, живущие в условиях повышенной влажности воздуха и часто на влажных почвах (рис, папирус ,росянка и др.)
  
• 
  Мезофиты - могут переносить непродолжительную и не очень сильную засуху (вечнозеленые деревья верхних ярусов тропических лесов, листопадные деревья саванн, пустынные эфемеры и эфемероиды, многие сорные и большинство культурных растений).
  

• 
  Ксерофиты подразделяются на два основных типа: суккуленты и склерофиты.
  
• 
  Суккуленты– сочные растения с сильно развитой водозапасающей паренхимой в разных органах. Стеблевые суккуленты – кактусы, кактусовидные молочаи;
  
• 
  листовые суккуленты – алоэ, агавы;
  
• 
  корневые суккуленты – аспарагус.
  
• 
  Склерофиты– это растения, наоборот, сухие на вид, часто с узкими и мелкими листьями, иногда свернутыми в трубочку (полынь холодная, эдельвейс, ковыли, тонконоги, типчак и др.).
  

• 
  Животные получают воду тремя основными путями: через питье, вместе с сочной пищей и в результате метаболизма.
  

• 
  Среди животных можно выделить:
  
• 
  гигрофилы- влаголюбивые виды (комары); ксерофилы - сухолюбивые виды (жуки-скакуны, пустынная саранча и др.) ;
  
• 
  Мезофилы -промежуточная группа .
  
• 
  Способы регуляции водного баланса у животных : поведенческие ( поиск водопоев), морфологические (раковины наземных улиток, ороговевшие покровы рептилий и т.д), физиологические (использование метаболической влаги, снижение потоотделения, выделение воды через слизистые поверхности, с мочей и т.д.).
  

• 
  Содержание кислорода в воде не превышает 10мл в 1 л, это в 21 раз ниже, чем в атмосфере. В мировом океане богатые жизнью глубины от 50 до 1000 м характеризуются резким ухудшением аэрации – она в 7-10 раз ниже, чем в поверхностных водах, населенных фитопланктоном. Среди водных обитателей можно выделить-эвриоксибионты и стеноксибионтны.
  

• 
  Многие пойкилосмотические виды переходят в солевой анабиоз. Позвоночные животные, высшие раки, насекомые и их личинки, относятся к гомойосмотическим видам, сохраняя постоянное осмотическое давление в теле независимо от концентрации солей в воде.
  

Нехватка кислорода в воде приводит иногда к катастрофическим явлениям – заморам, сопровождающимся гибелью множества гидробионтов.

Лучи с разной длиной волны поглощаются неодинаково: красные исчезают уже недалеко от поверхности, затем зеленый, затем голубой, синий и сине-фиолетовый цвет, сменяясь наконец постоянным мраком. Соответственно сменяют друг друга с глубиной зеленые, бурые и красные водоросли. Окраска животных меняется с глубиной так же закономерно.

Граница зоны фотосинтеза поэтому сильно варьирует в разных водоемах. В самых чистых водах эуфотическая зона, или зона фотосинтеза, простирается до глубин не свыше 200м, сумеречная или дисфотическая зона занимает глубины до 1000–1500 м, а глубже, в афотическую зону, солнечный свет не проникает совсем. В темных глубинах океана в качестве источника зрительной информации организмы используют свет испускаемый живыми существами – явление биолюминесценции. Живые организмы испускают свет импульсами, обычно в ответ на раздражения, поступающие из внешней среды.
Эдафические факторы среды (от греч. «эдафос» – основание, почва)- это её физическая структура, механический и химический её состав, РН, содержание органических веществ, аэрация, влагоёмкость и др.

Можно выделить целый ряд экологических групп растений по отношению к разным свойствам почв.

• 
  По реакции на кислотность почвы растения подразделяются на:
  

• 
  По отношению к валовому составу почвы растения различают:
  

• 
  Решающую роль в образовании почвы играют растения и комплекс почвенных организмов –эдафон ( бактерии,грибы, личинки, черви и др.).
  
• 
  Эдафон составляет 4-7% всей органики почвы и принимает участие в образовании мёртвого органического вещества, который под действием детритофагов превращается в гуминовые вещества- гумус.
  
• 
  Содержание гумуса в почве определяет плодородие почв.
  

Первые классификации основывались на внешнем виде растений, определяющем ландшафт местности. Ниже приводится одна из таких классификаций.

1. 
   Деревья - многолетние растения с деревенеющими надземными частями, ярко выраженным одним стволом, не ниже 2 м высоты.
   
2. 
   Кустарники — многолетние растения с деревенеющими надземными частями. В отличие от деревьев, не имеют ясно выраженного одного ствола; ветвление начинается от самой земли, поэтому образуется несколько равноценных стволов.
   

2. 
   Кустарнички сходны с кустарниками, но низкорослы, не выше 50 см.
   
3. 
   Полукустарники отличаются от кустарничков тем, что у них одревесневают только нижние части побегов, верхние часто отмирают.
   
4. 
   Лианы — растения с лазающими, цепляющимися и вьющимися стеблями.
   
5. 
   Суккуленты — многолетние растения с сочными стеблями и листьями, содержащими запас воды.
   
6. 
   Травяные растения — многолетние и однолетние растения, у которых отмирают на зиму надземные части (многолетники, двулетники) или отмирает все растение (однолетники).
   

1. 
   Фанерофиты (Ph) — растения, почки возобновления которых находятся высоко над поверхностью земли (выше 30 см). К ним относятся деревья и кустарники.
   
2. 
   Хамефиты (Ch) — растения, почки возобновления которых расположены у поверхности почвы или не высоко (не выше 20—30 см), зимой могут оказаться под снегом. Это полукустарники и мелкие кустарнички.
   

IV.Криптофиты (К) — растения, почки возобновления которых скрыты в почве (геофиты) или под водой (гелофиты и гидрофиты). К этим растениям относят луковичные, клубневые и корневищные растения.

V.Терофиты (Тh) — однолетние растения, не, имеющие почек возобновления; размножаются только семенами.