Екологічні фактори
середовища
Чибисова Н.В., Долганов Є.К.
Навколишнє організм Середа - це природні тіла і
явища, з якими вона знаходиться в прямих або непрямих відносинах. Умови
середовища, здатні надавати прямий або опосередкований вплив на живі організми,
називаються екологічними факторами. Існує декілька класифікацій
екологічних факторів середовища. Найбільш простий і стала класичною є класифікація,
по якій екологічні фактори середовища поділяються на дві категорії: абіотичні
фактори (фактори неживої природи) і біотичні фактори (фактори живої
природи).
До абіотичних факторів відносяться кліматичні --
світло, температура, волога, рух повітря, тиск; едафогенние (грунтові) --
механічний склад, вологоємність, повітря, щільність;
орографічні - рельєф, висота над рівнем моря, експозиція схилу; хімічні
- Газовий склад повітря, сольовий склад середовища, концентрація, кислотність і
склад грунтових розчинів.
До біотичних факторів належать фітогенние
(рослинні організми), зоогенние (тварини), мікробіогенние (віруси,
найпростіші, бактерії, рикетсії) і антропогенні (діяльність людини).
Оригінальну класифікацію екологічних факторів
запропонував А.С. Мончадскій (1962), виходячи з того, що пристосувальні реакції
організмів до тих чи інших факторів середовища визначаються ступенем сталості цих
факторів. Це:
- первинні періодичні фактори (температура, світло),
залежні від періодичності обертання Землі і зміни пір року;
- вторинні періодичні чинники (вологість, опади,
динаміка рослинної їжі, вміст розчинених газів у воді, внутрішньовидові
взаємодії) як наслідок первинних періодичних;
- неперіодичні фактори (едафіческіе фактори,
взаємодія між різними видами, антропогенний вплив,
грунтово-грунтові фактори), що не мають правильної періодичності.
Вплив хімічного компонента абіотичним
фактора на живі організми виражається в існуванні деяких верхніх і
нижніх меж допустимих амплітуди коливань окремих факторів (температура,
солоність, рН, газовий склад тощо), то є певний режим існування.
Чим ширше межі будь-якого фактора, тим вище стійкість, або, як її
називають, толерантність, даного організму.
Лімітуючим фактором розвитку рослин є
елемент, концентрація якого лежить в мінімумі. Це визначається законом,
званим законом мінімуму Ю. Лібіха (1840). Лібіх, хімік-органік, один з
основоположників агрохімії, висунув теорію мінерального живлення рослин.
Урожай культур часто лімітується елементами живлення, присутніми не в
надлишку, такими як СО2 та Н2О, а тими, які потрібні в незначних
кількостях. Наприклад: бор - необхідний елемент живлення рослин, але його мало
міститься в грунті. Коли його запаси вичерпуються в результаті обробітку
однієї культури, то ріст рослин припиняється, якщо навіть інші елементи
знаходяться в достатку. Закон Лібіха суворо застосовується лише в умовах
стаціонарного стану. Необхідно враховувати і взаємодія факторів. Так,
висока концентрація або доступність однієї речовини або дію іншого (не
мінімального) фактора може змінювати швидкість споживання елементи живлення,
що міститься в мінімальній кількості. Іноді організм здатний замінювати
(частково) дефіцитний елемент іншим, більш доступним і хімічно близьким йому.
Так, деяким рослинам потрібно менше цинку, якщо вони ростуть на світлі, а
молюски, що живуть у містах, де є багато стронцію, замінюють їм частково
кальцій при побудові раковини.
Екологічні фактори середовища можуть чинити на живі
організми впливу різного роду:
1) подразники, що викликають пристосувальні
зміни фізіологічних і біохімічних функцій (наприклад, підвищення
температури повітря веде до збільшення потовиділення у ссавців і до
охолодженню тіла);
2) обмежувачі, що обумовлюють неможливість
існування в даних умов (наприклад, нестача вологи в посушливих
районах перешкоджає проникненню туди багатьох організмів);
3) модифікатори, що викликають анатомічні та
морфологічні зміни організмів (наприклад, запиленість навколишнього середовища в
індустріальних районах деяких країн привела до утворення чорних метеликів
березових п'ядунів, що зберегли свою світле забарвлення в сільських місцевостях);
4) сигнали, що свідчать про зміну інших
факторів середовища.
У характері впливу екологічних факторів на
організм виявлено ряд загальних закономірностей.
Закон оптимуму - позитивне або негативне
вплив фактора на організми - залежить від сили його впливу. Недостатнє
чи надлишкова дія фактора однаково негативно позначається на
життєдіяльності особин. Сприятлива сила дії екологічного фактора
називається зоною оптимуму. Одні види виносять коливання в широких межах,
інші - у вузьких. Широка пластичність до будь-якого фактору позначається
збільшенням частки «Еврі», вузька - «стіно» (еврітермние, стенотермние - по
відношенню до температури, евріотопние і стенотопние - по відношенню до місць
проживання).
Неоднозначність дії фактора на різні функції.
Кожен фактор неоднозначно впливає на різні функції організму. Оптимум для
одних процесів може бути несприятливим для інших. Наприклад, температура
повітря понад 40 ° С у холоднокровних тварин збільшує інтенсивність обмінних
процесів в організмі, але гальмує рухову активність, що призводить до
тепловому заціпеніння.
Взаємодія факторів. Оптимальна зона і межі
витривалості організмів по відношенню до будь-якого з факторів середовища можуть
зміщуватися в залежності від того, з якою силою і в якому поєднанні діють
одночасно інші фактори. Так, спеку легше переносити в сухому, а не під
вологому повітрі. Загроза замерзання вища при морозі з сильним вітром, ніж в безвітряну
погоду. Разом з тим взаємна компенсація дії факторів середовища має
певні межі і повністю замінити один з них іншим не можна. Дефіцит
тепла в полярних областях не можна компенсувати ні кількістю вологи, ні цілодобової
освітленістю в літній час. Для кожного виду тварини необхідний свій набір
екологічних факторів.
Вплив хімічного компонента абіотичним
фактора на живі організми. Абіотичні фактори створюють умови проживання
рослинних і тваринних організмів та здійснюють прямий або опосередкований вплив на
життєдіяльність останніх. До абіотичних факторів відносять елементи
неорганічної природи: материнська порода грунту, хімічний склад і вологість
останньої, сонячне світло, тепло, вода і її хімічний склад, повітря, його
склад і вологість, барометричний та водне тиск, природний
радіаційний фон і ін Хімічними компонентами абіотичних факторів є
живильні речовини, сліди елементів, концентрація вуглекислого газу і
кисню, отруйні речовини, кислотність (рН) середовища.
Вплив рН на життєздатність організмів-гідробіонтів.
Більшість організмів не виносять коливань величини рН. Обмін речовин у них
функціонує лише в середовищі зі строго певним режимом
кислотності-лужності. Концентрація водневих іонів багато в чому залежить від
карбонатної системи, яка є важливою для всієї гідросфери і описується
складною системою рівноваг, що встановлюються при розчиненні в природних
прісних водах вільного СО2, по реакції:
СО2 + Н2О + Н2СО3 + Н + + НС 
.
Саме ця реакція є причиною того, що рн
прісних природних вод рідко буває теоретично нейтральною, тобто рівний 7.
Найчастіше рн чистої води коливається від 6,9 до 5,6. У природі наведене вище
рівновагу в чистому вигляді не існує, тому що на природні води надає
дію численні чинники: температура, тиск, вміст в атмосфері
кисню, аміаку, діоксиду і триоксид сірки, азоту, склад порід за якими
протікає річка чи розташоване озеро. рН порівняно легко виміряти, тому
його вивчили у багатьох водних місцепроживання. Якщо рН не наближається до крайнього
значенням (від 6,5 до 8,5), то співтовариства здатні компенсувати зміни цього
фактора і толерантність спільноти до діапазону рН, зустрічається в природі,
досить значна. Так як зміна рН пропорційно зміні кількості
СО2, рН може служити індикатором швидкості загального метаболізму співтовариства (фотосинтезу
і дихання). У воді з низьким рН міститься мало біогенних елементів, у зв'язку з
ніж продуктивність тут мала. рН позначається й на розподілі водних
організмів. Рослини ростуть у воді з рН нижче 7,5 (Isoetes і Sparganium), від 7,7
до 8,8 (Potamogeton і Elodea canadensis), від 8,4 до 9,0 (Typha angustifolia).
Розвиток сфагнових мохів стимулюють кислі води торфовищ, у яких дуже
рідкісні молюски, зважаючи на відсутність вапна, зате часто зустрічаються личинки
двокрилих з роду Chaoborus. Риби виносять рН в межах від 5,0 до 9,0, але
деякі види здатні пристосовуватися до значення рН до 3,7. При рН> 10
вода згубна для всіх риб. Максимальна продуктивність вод припадає на рН
між 6,5 і 8,5. У таблиці 1.1 зазначені основні величини рН для прісноводних риб
Європи.
Аеробні і анаеробні організми. Аеробних організмів
називаються такі організми, які здатні жити і розвиватися лише за
наявності в середовищі вільного кисню, що використовується ними в якості окислювача.
До аеробних організмів належать всі рослини, більшість найпростіших і
багатоклітинних тварин, майже всі гриби, тобто переважна більшість
відомих видів живих істот. У тварин життя за відсутності кисню
(анаеробіоз) зустрічається як вторинна пристосування. Аеробні організми
здійснюють біологічне окислення головним чином допомогою клітинного
дихання. У зв'язку з утворенням при окисленні токсичних продуктів неповного
відновлення кисню, аеробні організми мають ряд ферментів
(каталаза, супероксиддисмутаза), що забезпечують їх розкладання і відсутніх
або слабо функціонують у облігатних анаеробів, для яких кисень
виявляється внаслідок цього токсичним. Найбільш різноманітна дихальна ланцюг
у бактерій, що володіють не тільки цитохромоксидази, але й іншими термінальними
оксидаза. Особливе місце серед аеробних організмів займають організми,
здатні до фотосинтезу, - ціанобактерії, водорості, судинні рослини.
Виділяється цими організмами кисень забезпечує розвиток всіх інших
аеробних організмів. Організми, здатні розвиватися при низькій концентрації
кисню (_ 1 мг/л), називаються мікроаерофіламі.
Анаеробні організми можуть жити і розвиватися при
відсутності в середовищі вільного кисню. Термін «анаероби» ввів Луї Пастер,
відкрив в 1861 році бактерії маслянокисле бродіння. Поширені вони
головним чином серед прокаріотів. Метаболізм їх обумовлений необхідністю
Багато анаеробні організми,
що використовують органічні речовини (всі еукаріоти, що одержують енергію в
внаслідок гліколізу), здійснюють різні типи бродіння, при яких
утворюються відновлені сполуки - спирти, жирні кислоти. Інші
анаеробні організми - денітрифікуючі (частина з них відновлює окисне
залізо), сульфатвоссстанавлівающіе, метанообразующіе бактерії - використовують
неорганічні окислювачі: нітрат, сполуки сірки, СО2. Анаеробні бактерії
розділяються на групи маслянокисле і т.д. у відповідності з основним продуктом
обміну. Особливу групу складають анаеробів фототрофні бактерії. По відношенню до
О2 анаеробні бактерії діляться на облігатних, які не здатні використовувати
його в обміні, і факультативних (наприклад, денітрифікуючі), які можуть
переходити від анаеробіоз до зростання у середовищі з О2. На одиницю біомаси анаеробні
організми утворюють багато відновлених сполук, основними продуцентами
яких у біосфері вони і є. Послідовність освіти
відновлених продуктів (N2, Fe2 +, H2S, CH4), яка спостерігається при переході до
анаеробіоз, наприклад у донних відкладеннях, визначається енергетичним виходом
відповідних реакцій. Анаеробні організми розвиваються в умовах, коли О2
повністю використовується аеробними організмами, наприклад в стічних водах, мулах.
Таблиця 1.1
Значення рН для прісноводних риб Європи (за Р. Дажо,
1975)
рН
Характер впливу на прісноводних риб
3,0 - 3,5
згубна для риб; виживають деякі рослини і
безхребетні
3,5 - 4,0
згубна для лососевих риб; плотва, окунь, щука
можуть вижити після акліматизації
4,0 - 4,5
згубна для багатьох риб, розмножується тільки щука
4,5 - 5,0
Небезпечно для ікри лососевих риб
5,0 - 9,0
Область, придатна для життя
9,0 - 9,5
Небезпечно для окуня і лососевих риб у разі
тривалого впливу
9,5 - 10,0
Шкідливо для розвитку деяких видів, згубна для
лососевих при великій тривалості впливу
10,0 - 10,5
Переноситься пліткою протягом дуже короткого
часу
10,5 - 11,5
Смертельно для всіх риб
Вплив кількості розчиненого кисню на видовий
складу та чисельності гідробіонтів. Ступінь насиченості води киснем назад
пропорційна її температурі. Концентрація розчиненого О2 в поверхневих
водах змінюється від 0 до 14 мг/л і піддається значним сезонним і добовим
коливань, які в основному залежать від співвідношення інтенсивності процесів
його продукування і споживання. У разі високої інтенсивності фотосинтезу
вода може бути значно пересичені О2 (20 мг/л і вище). У водному середовищі
кисень є обмежує фактором. О2 становить в атмосфері 21% (за об'ємом)
і близько 35% від всіх газів, розчинених у воді. Розчинність його в морській
воді становить 80% від розчинності в прісній воді. Розподіл кисню в
водоймі залежить від температури, переміщення шарів води, а також від характеру і
кількості що живуть у ньому організмів. Витривалість водних тварин до низького
вмісту кисню у різних видів неоднакова. Серед риб встановлено чотири
групи по їх відношенню до кількості розчиненого кисню:
1) 7 - 11 мг/л - форель, ян, підкаменьщик;
2) 5 - 7 мг/л - харіус, піскар, головень, минь;
3) 4 мг/л - плітка, йорж;
4) 0,5 мг/л - короп, лин.
Деякі види організмів пристосувалися до сезонних
ритмів в споживанні О2, пов'язаними з умовами життя. Так, у рачка Gammarus
Linnaeus виявили, що інтенсивність дихальних процесів зростає разом з
температурою і змінюється протягом року. У тварин, що живуть в місцях, бідних
киснем (прибережний мул, донний мул), виявлені дихальні пігменти,
службовці резервом кисню. Ці види здатні виживати, переходячи до сповільненій
життя, до анаеробіоз або завдяки тому, що в них є d-гемоглобін,
володіє більшою спорідненістю до кисню (дафнії, олігохети, поліхети,
деякі пластінчатожаберних молюски). Інші водні безхребетні
порушуються за повітрям на поверхню. Це імаго жуків-і плавунців водолюбів,
Гладиш, водяні скорпіони і водяні клопи, прудовікі і котушка (брюхоногие
молюски). Деякі жуки оточують себе повітряним бульбашкою, утримуваним
волоском, а комахи можуть використовувати повітря з повітроносних пазух водяних
рослин.
Залежність живих організмів від концентрації
мінеральних солей в середовищі. В природних водах концентрація мінеральних солей
дуже різна. У прісній воді максимальний вміст розчинених речовин
дорівнює 0,5 г/л. У морській воді середній вміст розчинених солей 35 г/л. У
солонуватих водах цей показник дуже мінливий. Солоність зазвичай виражається в
проміле (‰) і є однією з основних характеристик водних мас,
розподілу морських організмів, елементів морських течій і т.д. Особливу роль
вона відіграє у формуванні біологічної продуктивності морів і океанів, тому що
багато організми дуже сприйнятливі до незначних її змін. Багато видів
тварин є цілком морськими (багато видів риб, безхребетних і
ссавців).
У солонуватих водах мешкають види, здатні переносити
підвищену солоність. У еструаріях, де солоність нижче 3 ‰, морська фауна
біднішими. У балійском море, солоність котоякого становить 4 ‰, зустрічаються
балянуси, черви, а також коловертки і гідроїди.
Водні організми підрозділяються на прісноводні і
морські за ступенем солоності води, в якій вони живуть. Порівняно небагато
рослини і тварини можуть витримувати великі коливання солоності. Такі види
зазвичай мешкають в еструаріях річок або в солоних маршах і носять назви
евригалінні. До них відносяться багато мешканців літоралі (солоність близько 35 ‰),
еструаріев річок, солоноватоводних (5 - 35 ‰) і ультрасолених (50 - 250 ‰), а
також прохідні риби, нерестящіеся в прісній воді (<5 ‰). Найбільш
дивовижний приклад - рачок Artemia salina, здатний існувати при
солоності від 20 до 250 ‰ і навіть переносити повне тимчасове опріснення.
Здатність існувати у водах з різною солоністю забезпечується
механізмами осморегуляціі, яку підтримують щодо постійні
концентрації осмотично активних речовин в рідинах внутрішнього середовища.
Стосовно солоності середовища тварини поділяються на
стеногалінних і евригалінні. Стеногалінние тварини - тварини, не
витримують значні зміни солоності середовища. Це переважна кількість
мешканців морських і прісних водойм. Евригалінні тварини здатні жити при
широкому діапазоні коливань солоності. Наприклад, равлик Hydrobia ulvae здатна
виживати при зміні концентрації NaCl від 50 до 1600 ммоль/мл. До них
відносяться також медуза Aurelia aurita, їстівна мідія Mutilus edulis, краб
Carcinus maenas, аппендікулярія Oikopleura dioica.
Стійкість по відношенню до зміни солоності
змінюється з температурою. Наприклад, гідроїди Cordylophora caspia краще переносить
низьку солоність при невисокій температурі; десятиногі раки переходять в
малосолона води, коли температура стає занадто високою. Види, що мешкають
в солонуватих водах, відрізняються від морських форм розмірами. Так, краб Carcinus
maenas в Балтійському морі має маленькі розміри, а в еструаріях і легенях --
великі. Те ж можна сказати й про їстівної мідії Mutilus edulis, яка має в
Балтійському морі середній розмір 4 см, в Білому морі - 10 - 12 см, а в Японському --
14 - 16 см відповідно до збільшення солоності. Крім того, від солоності
середовища залежить і будова евригалінні видів. Рачок артемія при солоності 122
‰ має розмір 10 мм, при 20 ‰ досягає 24 - 32 мм. Одночасно змінюється
форма тіла, придатків і забарвлення.
Список літератури
Для підготовки даної роботи були використані
матеріали з сайту http://www.xumuk.ru/
