Широкий диапазон толерантности вида по отношению к экологическим факторам обозначают добавлением к названию фактора приставки «эври-» (от греч. eurys – широкий), а низкая экологическая валентность вида характеризуется приставкой «стено-» (от греч. stenos – узкий). Так, например, животные, способные выносить значительные колебания температуры, называются эвритермными , а в случае их неспособности к этому они называются стенотермными . Небольшие изменения температуры мало сказываются на эвритермных организмах, но могут оказаться гибельными для стенотермных. Экологически непластичные, т.е. маловыносливые виды, для существования которых необходимы строго определенные экологические условия, называют стенобиотными , а более выносливые виды, приспосабливающиеся к экологической обстановке с широким диапазоном изменения параметров, - эврибиотными .
Способность организма приспосабливаться к действию экологических факторов и выживать в изменяющихся условиях среды за счет эволюционно возникших морфологических, физиолого-биохимических и поведенческих приспособлений называется адаптацией (от лат. adaptatio – приспособление).
Разные организмы характеризуются разной экологической валентностью, но диапазон толерантности организма может меняться даже при переходе из одной стадии развития в другую – например, молодые организмы часто оказываются более уязвимыми и более требовательными к условиям среды, чем взрослые особи.
Любой организм одновременно испытывает воздействие целого комплекса экологических факторов, связанных между собой и влияющих друг на друга, в связи с чем границы диапазона толерантности организма по отношению к какому-либо фактору среды могут смещаться в зависимости от того, в каком сочетании действуют другие факторы (например, жару и холод легче переносить при сухом, а не влажном воздухе). В результате взаимодействия экологических факторов может происходить их частичная компенсация, однако полностью заменить один из факторов другим нельзя, несмотря на самые благоприятные сочетания других условий.
Если все условия среды обитания благоприятны, за исключением какого-то одного экологического фактора, то именно он становится решающим для жизни конкретных организмов (популяций), ограничивая (лимитируя) их развитие, в связи с чем его называют лимитирующим фактором . Еще в середине XIX века немецкий химик-органик Ю. Либих экспериментально доказал, что развитие живых организмов ограничивает недостаток какого-либо компонента (например, минеральных солей, влаги, света и т.п.) и назвал это явление законом минимума . Однако, как позже выяснил американский зоолог В.Шелфорд, сформулировавший закон толерантности , лимитирующим может быть не только недостаток (минимум), но и избыток (максимум) экологического фактора, диапазон между которыми определяет величину выносливости (предел толерантности) или экологическую валентность организма к данному фактору.
Каждый вид организмов возник в определенной среде, в той или иной степени приспособился к ее колебаниям и изменениям и дальнейшее существование вида возможно лишь в данной или близкой к ней среде, соответствующей его генетическим возможностям адаптации. Резкое и быстрое изменение экологических факторов может привести к тому, что генетические возможности вида окажутся недостаточными для приспособления к новым условиям, из-за чего коренные преобразования природы человеком могут быть опасны для многих видов живых организмов, в том числе и для него самого.
Разные организмы характеризуются разной величиной толерантности.
Экологические, факторы связаны между собой и влияют друг на друга.
Вывод: существует экологическое равновесие между живыми организмами и средой их обитания:
Один из основных факторов в экологии – химический фактор .
Экологическая химия – новый раздел химии, в котором рассматриваются химический состав и взаимодействия между основными компонентами и загрязнителями неорганического и органического происхождения в атмосфере, гидросфере, литосфере и их влияние на среду обитания и биосферу в целом.
Система – совокупность элементов (веществ, тел, объектов живой и неживой природы) со связями между ними, мысленно или реально выделенных из окружающего пространства.
Различают химические системы, физические системы, биологические (живые) системы, экологические системы и другие.
Биологическая система – это упорядоченная совокупность взаимозависимых живых компонентов, динамически взаимодействующих с неживой средой. Выделяют следующие основные уровни организации биологических систем: молекулярный (генный), клеточный, органный, организменный, популяционно-видовой и экосистемный.
Иерархическая организация биосистем, более простые из которых входят в состав более сложно организованных, проявляется в эмерджентности (от англ. emergent – внезапно возникающий), когда по мере объединения в более крупные системы следующего уровня, у них возникают качественно новые свойства, отсутствовавшие на предыдущем.
Экологическая система (экосистема) – система, в которой организмы и среда их обитания объединены в единое функциональное целое через обмен веществ и энергии; любая совокупность организмов и окружающей их среды. Экосистема – основная функциональная единица в экологии.
Более конкретно,экосистема – это сообщество живых организмов - биоценоз (от греч. bios – жизнь и koinos – общий) и его среда обитания – биотоп (от греч.topos - место), объединенные в единое функциональное целое. Обмен веществом, энергией и информацией связывает биотические и абиотические компоненты экосистемы таким образом, что она сохраняет устойчивость в течение продолжительного времени.
К термину «экосистема », предложенному в 1935 г. английским биологом А. Тенсли для определения основной функциональной единицы живой природы, очень близок термин «биогеоценоз », который предложил в 1940 г. В.Н.Сукачев, и который в большей степени отражает структурные характеристики географического пространства, на котором развивается биоценоз.
Химическая система – совокупность веществ, между которыми происходят химические реакции с образованием новых веществ – продуктов реакции.
Физическая система – совокупность тел (веществ), между которыми не происходит химических взаимодействий; система, характеризуемая отсутствием химических реакций.
Кибернетическая система – система, способная воспринимать, хранить и перерабатывать информацию, а также обмениваться ею с другими системами.
Общая экология изучает биологические системы начиная с организменного уровня и в зависимости от размерности этих систем в ней выделяют следующие разделы: аутэкология (уровень отдельных организмов), демэкология (уровень популяций) и синэкология (уровень экосистем).
Популяция - это совокупность организмов одного вида, обменивающихся генетической информацией и населяющих определенное ограниченное пространство в течение многих поколений. Популяция характеризуется рядом признаков, присущих группе в целом, а не отдельным ее особям: численностью, плотностью, рождаемостью, смертностью, возрастной структурой, распределением в пространстве, биотическим потенциалом и т.д.
Численность – число особей в популяции, которое зависит от биологического потенциала вида и внешних условий и может значительно изменяться во времени.
Плотность – число особей, приходящееся на единицу площади или объема. Оптимальная плотность – это такой уровень плотности, при котором совмещается рациональное использование территории и осуществление внутрипопуляционных функций. Поддержание оптимальной плотности - сложный процесс биологического регулирования, основанный на принципе обратной связи.
Половая структура популяции – соотношение особей женского и мужского пола в популяции, тесно связанное с ее генетической и возрастной структурой.
Возрастная структура популяции – соотношение в популяции особей разных возрастных групп. Темпы роста популяции определяются долей половозрелых особей в ней. Если процент неполовозрелых высок – это говорит о потенциальном увеличении численности популяции.
Генетическая структура популяции – соотношение в популяциях различных генов. Она отражает богатство генофонда популяции (совокупность генов всех особей популяции), который определяет общие видовые свойства, а так же особенности, возникшие в порядке приспособления популяции к определенным условиям среды.
Пространственная структура популяции – это распределение особей в пределах ареала, зависящее от особенностей организмов и среды их обитания. Оно может быть равномерным (характеризуется равным удалением особей друг от друга), диффузным (особи распределяются по территории случайно) или мозаичным (особи распределяются группировками, на определенном расстоянии друг от друга).
Рождаемость – число новых особей, появившихся в популяции за единицу времени в результате размножения.
Смертность – число особей, погибших в популяции за единицу времени от всех причин.
Скорость роста популяции – изменение численности популяции в единицу времени. При отсутствии лимитирующих факторов среды удельная скорость роста (отношение скорости роста популяции к исходной численности) называется биотическим потенциалом . В природе под действием лимитирующих факторов, представляющих собой так называемое сопротивление среды , биотический потенциал никогда не реализуется полностью, составляя разницу между рождаемостью и смертностью в популяции.
Конец работы -
Эта тема принадлежит разделу:
Экология
Санкт петербургский государственный политехнический университет.. л н блинов н н ролле..
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
| Твитнуть |
Все темы данного раздела:
Экология
Опорный конспект лекций
Основные понятия, термины, законы, схемы
Для студентов заочной и дистанционной
форм обучения
Санкт-Петербург
Кривые выживания
Кривая 1 свойственна организмам, смертность которых в течении жизни мала, но резк
Схемы различных по открытости систем
Пример: Химическая система
1. Открытая
2. Замкнутая
3. Изолированная
Биоценоз, биотоп, биогеоценоз, окружающая среда
Живые организмы делят на три группы: растения, животные и микроорганизмы.
Все растения, животные и микроорганизмы связаны между собой и не могут существовать друг без друга.
Совок
Структура биогеоценоза
Несмотря на многообразие экосистем, все они обладают структурнымсходством. В кажд
Атомные и молекулярные частицы
Атомные частицы – частицы, состоящие из одного атома. Каждая атомная частица представляет собой систему взаимодействующих элементарных и фундаментальных частиц, состоящую из ядра и
Атмосфера
Атмосфера – газообразная (газовая) оболочка планет. Атмосфера Земли состоит из смеси газов, водяных паров и мелких частиц твердых веществ. Основа атмосферы – воздух
Особенности химических процессов в атмосфере
1. Большинство химических реакций инициируются не термически, а фотохимически, т.е. при воздействии квантов света, полученных в результате излучения Солнца.
2. Атмосфера Земли – окислитель
Гидросфера
Гидросфера– водная оболочка Земли, совокупность океанов, морей, водных объектов суши (реки, озера, болота водохранилища), подземных вод, включая запасы воды в твердой фазе (ледники
Природная вода
Природная вода– это раствор многих веществ, в том числе солей, газов, а также веществ органического происхождения, некоторые из них находятся во взвешенном состоянии. В большинстве
Качество природной воды
Показатели качества природной воды обычно подразделяют на физические (температура, цветность, взвешенные вещества, запах, вкус и др.), химические (жесткость, активная реакция, окисляе
Особенности химических процессов в гидросфере
К особенностям химических процессов в гидросфере можно отнести:
1. Многообразие форм химических соединений: присутствуют все классы органических и неорганических веществ;
Основной элементный состав земной коры
Элемент
Содержание, мас.%
Кислород
49,13
Кремний
26,00
Алюми
Некоторые особенности биосферы
1. Биосфера – закономерный продут эволюции планеты Земля.
2. Биосфера Земли – большая (глобальная) открытая система, у которой на входе – поток солнечного излучения, а на выходе – минералы
Средний элементный химический состав живого вещества суши
Элемент
Содержание,
% от живой массы
Элемент
Содержание,
% от живой массы
O
M
Накопление живым веществом
Элемент
Концентрируется при фотосинтезе, т
Мировые запасы
сырья, т
Элемент
Концентрируется при фотосинтезе, т
Основные функции живого вещества в биосфере
Функции
Краткая характеристика процессов
Энергетическая
Поглощение солнечной энергии при фотосинтезе, химической энергии
Взаимодействие веществ в оболочках планеты
Рассмотрим взаимодействие между оболочками планеты на примере атмосферы.
Природные ресурсы
Природные (естественные) ресурсы – важнейшие компоненты окружающей среды, которые используют для создания материальных и культурных потребностей общества.
К природным ресу
Виды минерального сырья и их запасы
Виды сырья
Запасы минерального сырья
начало 1981 г.
начало 2000г.
Уголь, млн. т
Загрязнение и загрязнители окружающей среды
Загрязнение – превышение в окружающей среде многолетнего уровня физических, химических, биологических агентов или привнесение в окружающую среду (или возникновение в ней) не характ
За год на планете: ~ 100 тысяч гроз, 10 тысяч наводнений, около 100 тысяч пожаров, землетрясений, ураганов, оползней, несколько сотен извержений вулканов.
За 1 сильное землетрясение из нед
Некоторых соединений
SO2 – сжигание угля, нефтепродуктов
H2S – химические производства, очистка сточных вод
CO – автотранспорт
CO2 – различные процессы сжиган
Токсичность
Токсичность – свойство веществ вызывать отравление организма. Характеризуется дозой (концентрацией) вещества, вызывающей ту или иную степень отравления. Различают токсическую
Пищевые добавки
Большинство экологических проблем порождается людьми, их образом жизни в локальной среде обитания, которая в большинстве случаев является городской. В течение двух последних столетий произошли глоб
Органические соединения и пищевые добавки
Состояние пищевых добавок в продуктах:
– полностью в неизменном вид
Экономические аспекты природопользования
Человечество развивало экономику преимущественно за счет хищнического использования природных ресурсов, игнорируя законы биосферы. В настоящее время осознание необходимости адаптации экономического
Экология и кибернетика
Сейчас все чаще для анализа ситуаций и процессов в одной области знаний привлекают модели и методы из других областей знаний, в частности из кибернетики.
Причины:
1. Во многих нау
Различного уровня
Химическая система (Al + раствор Na2S)
Изменением начального состояния м
Полезные мысли и высказывания
Ни один вид не может существовать в созданных им отходах.
В.И.Вернадский
У природы есть предел терпения. Когда людские злодеяния превышают меру, она начи
Основные документы экологического законодательства РФ
Конституция Российской Федерации;
Федеральный закон «Об охране окружающей среды»;
Земельный кодекс РСФСР;
Лесной кодекс РФ;
Водный кодекс РФ;
Федеральны
Некоторых тяжелых металлов в воздухе
Элемент
Вещество
ПДК рз, мг/м3
ПДК сс, мг/м3
Свинец
Данные по ПДК некоторых веществ в водоемах
для общественного и бытового использования в странах СНГ, мг/л
Вещество
ПДК
Вещество
ПДК
По ПДК для некоторых металлов в питьевой воде
Металлы
Рекомендации ВОЗ по безвредной для человека концентрации веществ
в питьевой воде
Допустимые поступления химических веществ в организм ч
Снабжения в различных странах
Вещества-загрязнители
Норма
РФ
Рекомендации
ВОЗ
ФРГ
Польша
Чехия и Словакия
Некоторых химических веществ в почве
Вещество
ПДК, мг/кг, почвы с учетом фона (кларка)
Лимитирующий показатель
Подвижные формы
Кобальт
Адаптация – это приспособление организма к условиям среды за счет комплекса морфологических, физиологических, и поведенческих признаков.
Разные организмы приспосабливаются к различным условиям среды, и в результате появляются влаголюбы-гидрофиты и «сухотерпцы»-ксерофиты (рис. 6); растения засоленных почв – галофиты ; растения, устойчивые к затенению (сциофиты ), и требующие для нормального развития полного солнечного света (гелиофиты ); животные, которые обитают в пустынях, степях, лесах или на болотах, ведут ночной или дневной образ жизни. Группы видов со сходным отношением к условиям среды (то есть живущих в одних и тех же экотопах) называются экологическими группами.
Способности адаптироваться к неблагоприятным условиям у растений и животных различаются. В силу того, что животные подвижны, их адаптации более разнообразны, чем у растений. Животные могут:
– избегать неблагоприятных условий (птицы от зимней бескормицы и холода улетают в теплые края, олени и другие копытные кочуют в поисках корма и т.д.);
– впадать в анабиоз – временное состояние, при котором жизненные процессы настолько замедлены, что почти полностью отсутствуют их видимые проявления (оцепенение насекомых, спячка позвоночных животных и др.);
– приспосабливаться к жизни в неблагоприятных условиях (от мороза их спасают шерстный покров и подкожный жир, у пустынных животных есть приспособления для экономного расходования воды и охлаждения и т.д.). (Рис. 7).
Растения малоподвижны и ведут прикрепленный образ жизни. Поэтому у них возможны лишь два последних варианта адаптаций. Так, для растений характерно снижение интенсивности процессов жизнедеятельности в неблагоприятные периоды: они сбрасывают листья, зимуют в виде погребенных в почву покоящихся органов – луковиц, корневищ, клубней, сохраняются в состоянии семян и спор в почве. У моховидных способностью к анабиозу обладает все растение, которое в сухом состоянии может сохраняться несколько лет.
Устойчивость растений к неблагоприятным факторам повышается за счет специальных физиологических механизмов: изменение осмотического давления в клетках, регулирование интенсивности испарения с помощью устьиц, использование мембран-«фильтров» для избирательного поглощения веществ и др.
Адаптации у разных организмов вырабатываются с разной скоростью. Наиболее быстро они возникают у насекомых, которые за 10–20 поколений могут приспособиться к действию нового инсектицида, чем объясняются неудачи химического контроля плотностипопуляций насекомых-вредителей. Процесс выработки адаптаций у растений или птиц происходит медленно, в течение столетий.
Наблюдаемые изменения в поведении организмов обычно связаны со скрытыми признаками, которые были у них как бы «про запас», но под действием новых факторов проявились и повысили устойчивость видов. Такими скрытыми признаками объясняется устойчивость некоторых видов деревьев к действию промышленного загрязнения (тополь, лиственница, ива) и некоторых сорных видов к действию гербицидов.
В состав одной экологической группы часто входят организмы, которые не похожи друг на друга. Это связано с тем, что к одному и тому же фактору среды разные виды организмов могут адаптироваться по-разному.
Например, по-разному переживают холод теплокровные (их называют эндотермными , от греческих слов эндон – внутри и терме – тепло) и холоднокровные (эктотермные , от греческого эктос – снаружи) организмы. (Рис. 8.)
Температура тела эндотермных организмов не зависит от температуры окружающей среды и всегда более или менее постоянна, ее колебания не превышают 2–4 о даже при самых сильных морозах и самой сильной жаре. Эти животные (птицы и млекопитающие) поддерживают температуру тела внутренним теплообразованием на основе интенсивного обмена веществ. Тепло своего тела они сохраняют за счет теплых «шуб» из перьев, шерсти и др.
Физиологические и морфологические адаптации дополняются приспособительным поведением (выбор защищенных от ветра мест для ночлега, строительство нор и гнезд, групповые ночевки у грызунов, тесные группы пингвинов, согревающих друг друга, и т.д.). Если температура окружающей среды очень высокая, то эндотермные организмы охлаждаются за счет специальных приспособлений, например испарением влаги с поверхности слизистых оболочек ротовой полости и верхних дыхательных путей. (По этой причине в жару у собаки учащается дыхание и она высовывает язык.)
Температура тела и подвижность эктотермных животных зависит от температуры окружающей среды. Насекомые и ящерицы при прохладной погоде становятся вялыми, малоподвижными. Многие виды животных при этом обладают способностью к выбору места с благоприятными условиями температуры, влажности и освещения солнечным светом (ящерицы греются на освещенных плитах горных пород).
Впрочем, абсолютная эктотермность наблюдается только у очень маленьких организмов. Большинство холоднокровных организмов все-таки способно к слабой регуляции температуры тела. Например у активно летающих насекомых – бабочек, шмелей температура тела поддерживается на уровне 36–40 о С даже при температуре воздуха ниже 10 о С.
Аналогично различаются по своему облику виды одной экологической группы у растений. Они также могут приспосабливаться к одним и тем же условиям среды разными способами. Так, разные виды ксерофитов по-разному экономят воду: у одних – имеются толстые оболочки клеток, у других – опушение или восковой налет на листьях. Некоторые ксерофиты (например, из семейства губоцветные) выделяют пары эфирных масел, которые окутывают их как «одеялом», что снижает испарение. Корневая система у одни ксерофитов мощная, уходит в почву на глубину нескольких метров и достигает уровня грунтовых вод (верблюжья колючка), у других – поверхностная, но сильно разветвленная, что позволяет собирать воду осадков.
Среди ксерофитов есть кустарники с очень небольшими жесткими листьями, которые могут сбрасываться в самое сухое время года (карагана кустарниковая в степи, пустынные кустарники), дерновинные злаки с узкими листьями (ковыли, типчак), суккуленты (от латинского суккулентус – сочный). Суккуленты имеют сочные листья или стебли в которых накапливается запас воды, и легко переносят высокие температуры воздуха. К суккулентам относятся американские кактусы и растущий в среднеазиатских пустынях саксаул. Они обладают особым типом фотосинтеза: устьица открываются ненадолго и только в ночное время, в эти прохладные часы растения запасают углекислый газ, а днем используют его для фотосинтеза при закрытых устьицах. (Рис. 9.)
Разнообразие приспособлений к переживанию неблагоприятных условий на засоленных почвах наблюдается и у галофитов. Среди них есть растения, которые способны накапливать соли в своем теле (солерос, шведка, сарсазан), выделять избыток солей на поверхность листьев специальными железками (кермек, тамариксы), «не пускать» соли в свои ткани за счет непроницаемого для солей «корневого барьера» (полыни). В последнем случае растениям приходится довольствоваться малым количеством воды и они имеют облик ксерофитов.
По этой причине не следует удивляться тому, что в одних и тех же условиях встречаются непохожие друг на друга растения и животные, которые приспособились к этим условиям разыми способами.
Контрольные вопросы
1. Что такое адаптация?
2. За счет чего животные и растения могут приспосабливаться к неблагоприятным условиям среды?
2. Приведите примеры экологических групп растений и животных.
3. Расскажите о разных приспособлениях организмов к переживанию одних и тех же неблагоприятных условий среды.
4. В чем различие приспособлений к низким температурам у эндотермных и эктотермных животных?
Среда обитания ─ это часть природы, которая окружает живой организм и с которой он взаимодействует. Любой живой организм живет в сложном и изменяющемся мире, постоянно приспосабливаясь к нему и регулируя свою жизнедеятельность в соответствии с этими изменениями. Элементы и свойства среды обитания организма динамичны и многообразны. Например , одни вещества организму крайне необходимы для жизнедеятельности, к другим он безразличен , а третьи могут оказывать на него даже вредное воздействие.
Способность живых организмов приспосабливаться к окружающей среде обитания называется адаптацией. Адаптация организма к окружающей среде ─ одна из основных свойств жизни, так как этим обеспечивается возможность существования, выживания и размножения организмов.
Наряду с питанием, движением и размножением обязательным свойством любых организмов является их способность к защите от воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды, независимо от их природы (абиотической или биотической).
Экологические факторы окружающей среды могут выступать как:
1) раздражители (которые обеспечивают в организме приспособительные изменения физиологических и биохимических функций);
2) ограничители (вызывают невозможность существования организма в данных условиях);
3) модификаторы (способствуют анатомическим и морфологическим изменениям организма);
4) сигналы (свидетельствующие об изменениях других факторов среды).
В процессе приспособления к неблагоприятным условиям окружающей среды организмы сумели выработать следующие пути их избегания.
Активный путь – путь, способствующий усилению сопротивляемости и развитию регуляторных процессов, которые позволяют осуществить все жизненные функции организма, несмотря на неблагоприятные внешние факторы. Так, например, теплокровные – млекопитающиеся и птицы, обитая в условиях изменчивой температуры, поддерживают внутри себя постоянную температуру, которая оптимальна для прохождения в клетках организма биохимических процессов. Такое активное сопротивление влиянию окружающей внешней среды требует больших энергетических затрат, которые необходимо постоянно восполнять, а также специальных приспособлений во внешнем и внутреннем строении организма.
Пассивный путьтесно связан с подчинением жизненных функций организма к изменению факторов внешней среды. Так, например, недостаток тепла в организме приводит к угнетению жизнедеятельности и понижению уровня метаболизма, это позволяет обеспечивать экономное расходование энергетических запасов. При резком ухудшении условий среды организмы разных видов могут приостанавливать свою жизнедеятельность и переходить в состояние так называемой скрытой жизни. Некоторые мелкие организмы могут полностью высыхать на воздухе, а затем возвращаться к активной жизни после пребывания в воде. Такое состояние мнимой смерти называется анабиозом. Переход в состояние глубокого анабиоза, при котором практически полностью останавливается обмен веществ, существенно расширяет возможности выживания организмов в самых экстремальных условиях. Например, высушенные семена и споры многих растений после увлажнении дают всходы даже через несколько лет. Это относится и к мелким животным. Например, коловратки и нематоды способны в состоянии анабиоза переносить температуры до минус 2000С. Примерами скрытой жизни являются оцепенение насекомых, зимний покой многолетних растений, спячка позвоночных животных, сохранение семян, и спор в почве, и мелких организмов в пересыхающих водоёмах. Некоторые бактерии и вирусы, в том числе болезнетворные, могут находиться в неактивном состоянии сколь угодно долго, пока не возникнут благоприятные условия для их «пробуждения» и последующего активного размножения. Такое явление, при котором имеет место временный физиологический покой в индивидуальном развитии некоторых животных, растений, вызванный неблагоприятными факторами внешней среды, называется диапаузой.
Избегание неблагоприятных воздействий – это выработка организмом таких жизненных циклов, при которых наиболее уязвимые стадии его развития завершаются в самые благоприятные по температурным и другим условиям периода года. Общий для животных путь приспособления к неблагоприятным периодам – это миграция . Так, например, в Казахстане степные сайгаки уходят ежегодно на зиму в малоснежные южные полупустыни, где зимние травы в связи с сухостью климата более питательные и доступные. Летом травостой полупустынь быстро высыхает из-за сухости климата, в связи с этим сайгаки на время размножения мигрируют в более влажные северные местности. Наиболее часто адаптация вида к среде осуществляется определённым сочетанием всех трёх возможных путей их приспособления.
Живые организмы в ходе длительной эволюции выработали разнообразные приспособления (адаптации), которые позволяют регулировать обмен веществ при изменениях температуры окружающей среды. Это достигается: а) различными биохимическими и физиологическими перестройками в организме, к которым относятся изменение концентрации и активности ферментов, обезвоживание, понижение точки замерзания, имеющихся в теле растворов и т.п.; б) поддержание температуры тела на более стабильном температурном уровне, чем температура окружающей среды обитания, что позволяет сохранить сложившийся для данного вида ход биохимических реакций.
Морфологическая адаптация – это наличие таких особенностей внешнего строения, которые способствуют выживанию и успешной жизнедеятельности организмов в обычных для них условиях. Примером подобных адаптаций является выработанное в процессе длительной эволюции внешнее строение организмов, которые обитают в водной среде. В частности, приспособления к скоростному плаванию у многих рыб, кальмаров и парению в воде у планктоновых организмов. Растения, обитающие в пустыне, лишены листьев (вместо широких традиционных листьев у них сформировались колючие иглы), и их строение наилучшим образом приспособлено к максимальному накоплению и минимальным потерям влаги при высоких температурах (кактусы). Морфологический тип приспособления животного или растения, при котором они имеют внешнюю форму, отражающую способ взаимодействия со средой обитания, называют жизненной формой вида . При этом разные виды могут иметь сходную жизненную форму, если ведут близкий образ жизни. Примерами в данном случае могут служить кит (млекопитающее), пингвин (птица), акула (рыба).
Если у отдельного индивидуума адаптация к окружающей среде достигается за счёт его физиологических механизмов, то она именуетсяфизиологической адаптацией.
Физиологическое регулирование может оказаться недостаточным для противостояния к неблагоприятным условиям среды. Иногда длительное напряжение физиологических функций (стресс) приводит к истощению ресурсов организма и может привести к отрицательным последствиям. Поэтому во многих случаях при стойком отклонении условий среды от биологического оптимума происходят такие изменения физиологической регуляции, которые повышают её эффективность и вместе с этим уменьшают общее функциональное напряжение организма. Подобные изменения называют ещё акклимацией . Акклимация растений, животных и человека имеют большое экологическое значение. Физиологические адаптации проявляются в особенностях ферментативного набора в пищеварительном тракте животных, определяемого составом пищи. В качестве примера можно привести верблюда, который способен обеспечивать потребности организма в необходимом количестве влаги путём биохимического окисления собственного жира. Или изменения в организме животных и человека при недостатке кислорода. Низкое парциальное давление кислорода в условиях высокогорья вызывает состояние гипоксии – кислородного голодания клеток. Срочная реакция организма на гипоксию – это усиление вентиляции лёгких и интенсификация кровообращения, но это не может продолжаться длительное время, так как требует затрат энергии и дополнительного кислородного обеспечения. В связи с этим в разных системах организма происходят перестройки, направленные на ослабление гипоксического стресса и достаточного снабжения тканей кислородом при пониженном его содержании в окружающей среде. В первую очередь, стимулируется кроветворение: в крови повышается количество эритроцитов и в них возрастает относительное содержание особой формы гемоглобина, обладающего повышенным сродством к кислороду. В связи с этим кислородная ёмкость и кислородно-транспортная функция крови значительно возрастают. Затем наступают морфологические изменения в кровеносной системе: расширяются артерии сердца и мозга, в тканях сгущается капиллярная сеть – это всё облегчает доставку кислорода к клеткам. В самих же клетках за счёт увеличения активности окислительных ферментов также повышается сродство к кислороду, одновременно возрастает относительный уровень временного бескислородного обеспечения энергией – анаэробного гликолиза. Все эти процессы акклимации к гипоксии, происходящие на протяжении нескольких часов или дней, способствуют снятию функционального напряжения с дыхательной и кровеносной систем.
В природных условиях значение физиологической адаптации связано с естественными изменениями условий существования, в основном это связано с сезонными перепадами температуры, влажности, наличия в местах обитания корма и т.д. Хорошо всем известно осеннее увеличение теплоизоляции у многих млекопитающих и птиц за счёт линьки, появления зимнего оперения покровов тела (пуха, пера, меха) и накопления подкожного жира. В бескормное время изменяется режим и качество питания, физиологические функции направлены на экономное расходование энергии. Сезонные миграции птиц и рыб подготавливаются комплексом физиологических и морфологических сдвигов, изменениями поведения. Все эти изменения обеспечены специфическими видовыми программами физиологической адаптации. Однако новые физиологические качества организма, приобретаемые во время акклимации, не обладают высокой устойчивостью; при смене сезона и при возвращении в оптимальные условия они утрачиваются и не передаются по наследству. Этим отличается акклимация от видовой генетической адаптации.
В том случае, если у популяции организмов (видов) адаптация достигается благодаря механизму генетической изменчивости и наследственности, то её называют генетической адаптацией . Генетическая адаптация происходит на протяжении ряда поколений и связана с процессом видообразования и возникновения новых жизненных форм организмов.
Адаптационные ритмы жизни. Из-за осевого вращения Земли и движения её вокруг Солнца развитие жизни на планете происходило и происходит в условиях регулярной смены дня и ночи, а также чередования времён года. Подобная ритмичность создаёт, в свою очередь, периодичность, то есть повторяемость условий в жизни большинства видов. При этом вполне закономерно изменяется и действие большого числа экологических факторов: освещённости, температуры, влажности, давления атмосферного воздуха, всех компонентов погоды. Проявляется регулярность в повторении как критических для выживания периодов, так и благоприятных. Суточные ритмы приспосабливают организмы к смене дня и ночи. Так, например, у человека около ста физиологических характеристик подчиняются суточному циклу: кровяное давление, температура тела, частота сокращения сердца, ритм дыхания, выделение гормонов и многие другие.
Годовые ритмы приспосабливают организмы к сезонной смене условий. Благодаря этому самые уязвимые для многих видов процессы размножения и выращивания молодняка приходятся на наиболее благоприятный сезон. Следует особо подчеркнуть, что основным экологическим периодом, на который реагируют организмы в своих годовых циклах, является не случайное изменение погоды, а фотопериод , то есть изменения в соотношении дня и ночи.
Известно, что длина светового дня закономерно изменяется в течение года, и именно это служит весьма точным сигналом приближения весны, лета, осени и зимы. Способность организмов реагировать на изменение длины дня называется фотопериодизмом. Фотопериодизм растений, реакция на соотношение светлого (длина дня) и тёмного (длина ночи) периодов суток, выражающаяся в изменении процессов роста и развития, связана с приспособлением онтогенеза к сезонным изменениям внешних условий. Длина дня служит растениям указателем времени года и внешним сигналом для перехода к цветению или подготовки к неблагоприятному сезону. Одно из основных проявлений фотопериодизма – фотопериодичная реакция зацветания. Органом восприятия фотопериода служит лист, в котором в результате световых и темновых реакций образуется гормональный комплекс, стимулирующий зацветание. По фотопериоду, вызывающему цветение, растения делятся на длиннодневные (зерновые колосовые и др.), короткодневные (рис, просо, конопля, соя и др.) и нейтральные (гречиха, горох и др.). Длиннодневные растения распространены в основном в умеренных и приполярных широтах, короткодневные – ближе к субтропикам. Фотопериодизм существенно влияет на формообразование (клубней, луковиц, кочанов капусты, стеблей) и физиологические (интенсивность и форма роста, наступление периода покоя, листопад и др.) процессы. Виды растений различаются по принадлежности к той или иной фотопериодичной группе, а сорта и линии – по степени выраженности фотопериодичной реакции. Это учитывают при районировании сортов, а также в светокультуре и при выращивании растений в закрытом грунте.
У животных фотопериодизм контролирует сроки брачного периода, плодовитость, осенние и весенние линьки, яйценоскость и т.д., генетически связан с биологическими ритмами. Используя фотопериодичную реакцию, можно управлять развитием сельскохозяйственных животных и их плодовитостью.
Фототропизм (от греч. слова tropos – поворот, направление) это ростовые движения органов растений в ответ на одностороннее направленное действие какого-либо фактора внешней среды. Тропизм – явление раздражимости, вызывающее перераспределение в тканях растения фитогормонов. В результате этого клетки на одной стороне стебля, листа или корня растут быстрее, чем на другой, происходит изгиб органа от раздражителя (положительный тропизм) или от него (отрицательный) . Так, проросток изгибается в сторону источника света (фототропизм ), корень под действием земного притяжения растёт вертикально вниз (геотропизм) , корни растений растут по направлению к более влажной среде (гидротропизм) . Под действием прикосновения, трения усики вьющихся растений обвивают опору (гаптотропизм ), на плохо аэруемой почве корни некоторых мангровых деревьев растут вверх к источнику кислорода (аэротропизм ), пыльцевые трубки растут к семяпочке, выделяющей определённые химические вещества (хемотропизм) . Тропизм является приспособительными реакциями, позволяющему растению наиболее полно использовать факторы внешней среды или защищаться от их неблагоприятного влияния.
В процессе эволюции выработались характерные временные циклы с определённой последовательностью и длительностью периодов размножения, роста, подготовки к зиме, то есть биологические ритмы жизнедеятельности организмов в определённых условиях среды. Приливно-отливные ритмы. Виды организмов, обитающие в прибрежной или донной части мелководья (на литорали), в которую свет проникает до дна, находятся в условиях очень сложной периодичности внешней среды. На 24-часовой цикл колебания освещённости и других факторов накладывается ещё чередование приливов и отливов. В течение лунных суток (24 ч 50 мин) наблюдаются 2 прилива и два отлива. Дважды в месяц (новолуние и полнолуние) сила приливов и отливов достигает максимальной величины. Этой сложной ритмике подчинена жизнь организмов прибрежной зоны. Так, например, самки рыбы атерина в самый высокий прилив откладывают икру у кромки воды, закатывая её в песок. При отливе икра остаётся созревать в нём. Выход мальков происходит через полмесяца, совпадает со временем следующего высокого прилива.
Кроме адаптации у растений и животных выработались ответные защитные реакции на определённые изменения окружающей среды и воздействия на них. Например, у растений защита от неблагоприятных факторов среды может обеспечиваться:
- особенностями анатомического строения (образованием кутикулы, корки, утолщением воскового налета или механической ткани и т.д.);
- специальными органами защиты (формирование жгучих волосков, колючек);
- двигательными и физиологическими реакциями;
- выработкой защитных веществ (синтезом смол, фитонцидов, фитоалексинов, токсинов, защитных белков и.т.п.).
Известно, что каждый организм выживает и размножается только в конкретной среде, характеризующейся относительно узким диапазоном температур, количеством осадков, почвенных условий и т.д. Географический ареал любого вида соответствует географическому распределению подходящих для данного организма условий внешней среды (температуры, влажности, освещенности, атмосферного и водного давления).
Поэтому важно располагать информацией о сущности вызываемых явлений, связей и зависимостей, сложившихся между организмами, популяциями, биоценозами и факторами среды их обитания. Их теоретическую основу составляет закон единства организма и среды, согласно которому, по мнению
В.И. Вернадского, жизнь развивается в результате постоянного обмена веществом и информацией на базе потоков энергии в совокупном единстве среды и населяющих её организмов.
В процессе сопряжённой эволюции у различных видов растений и животных выработались взаимные приспособления друг другу, то есть коадаптация
: они подчас бывают столь прочными, что раздельно жить в современных условиях уже не могут. Именно в этом проявляется единство органического мира. Коадаптация опыляемых насекомыми растений и
насекомых-опылителей есть пример исторически возникших взаимных приспособлений. В частности, следствием совместной эволюции является привязанность различных групп животных к определённым группам растений и местам их произрастания.
При рассмотрении вопросов связи организмов со средой экология должна, прежде всего, учитывать критерии выживания и размножения. Они в основном определяют экологические шансы устойчивости отдельных видов в данной среде или в конкретной экосистеме. В настоящее время сложились следующие определения (понятия) среды (рис.3.1).
Окружающая среда – это пространство, вещество и энергия, окружающие организмы и воздействующие на них как положительно, так и отрицательно.
Рис.3.1. Классификация понятия «среда» (Н.Ф. Реймерс, 1990 г.)
Природной средой называется совокупность природных абиотических (неживой природы) и биотических (живой природы) факторов по отношению к растительным и животным организмам вне зависимости от контактов с человеком.
Антропогенная среда это природная среда, видоизмененная человеческой деятельностью. Она включает «квазиприродную» среду (окультуренные ландшафты, агроценозы и другие объекты, не способные к самоподдержанию); «артеприродную» среду (искусственные сооружения, здания, асфальтированные дороги в сочетании с природными элементами – почвой, растительностью, воздухом и др.); окружающую человека среду – совокупность абиотических, биотических и социальных факторов в сочетании с «квазиприродной» и «артеприродной» средами. В факториальной экологии выделяют среду обитания и условия существования организмов.
Имеет место и конкретное пространственное понимание среды как непосредственного окружения организма – среда обитания. К ней относят только те элементы среды, с которыми данный организм вступает в прямые и непрямые отношения, то есть это всё то, что его окружает.
Каждый организм реагирует на окружающую среду в соответствии со своей генетической конституцией. Правило соответствия условий среды генетической предопределённости организма гласит: «До тех пор, пока среда, окружающая определённый вид организмов, соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к её колебаниям и изменениям, этот вид может существовать». Согласно этому правилу тот или иной вид живого возник в определённой среде и в той или иной степени смог приспособиться к ней. Дальнейшее его существование возможно лишь в ней или в близкой среде. Резкое и быстрое изменение условий среды обитания может привести к тому, что генетический аппарат вида не сможет приспособиться к новым условиям жизни. Это в полной мере можно отнести и к человеку. Каждый организм реагирует на окружающую среду в соответствии со своей генетической конституцией.
Биологический регресс - это эволюционное движение, при котором происходит сокращение ареала обитания; уменьшение численности особей из-за неприспособленности к среде обитания; снижение числа видов групп из-за давления других видов, исчезновение вида. Наука палеонтология доказала, что многие виды в прошлом полностью исчезли. Если при биологическом прогрессе некоторые виды развиваются и широко распространяются по всему земному шару, то при биологическом регрессе виды исчезают, не сумев приспособиться к условиям окружающей среды.
Причины биологического регресса: исчезновение способности организмов приспосабливаться к изменениям условий окружающей среды.
Биологическому регрессу подвержены:
2. Животные, ведущие неподвижный образ жизни.
3. Животные, живущие под землей или в пещерах.
2. Примеры дегенерации у организмов, ведущих неподвижный образ жизни.
У животных, ведущих неподвижный образ жизни, орган движения действует только в период личиночной стадии, хорда редуцирована. Например, единственный представитель отдельного типа брахиата - погонофора - обитает на дне моря, ведет неподвижный образ жизни. В 1949 г. ученый-зоолог А. В. Иванов впервые нашел ее в Охотском море на глубине 4 км, она попала в сети вместе с рыбами. Удлиненное червеобразное тело животного покрывает трубка цилиндрической формы. В передней части тела имеются щупальца, которые периодически выходят из трубки наружу для дыхания. Тело состоит из трех отделов, в переднем отделе имеются щупальца (у некоторых видов их до 200-250), мозг, сердце, органы выделения. Второй отдел более крупный, третий - очень длинный. Во внутренней части отделов находятся органы дыхания, во внешней части - выросты, прикрепленные к трубке (рис. 34).
Рис. 34. Погонофора: 1-шупальца; 2- голова; 3-первый отдел тела; 4-второй отдел тела; 5-третий отдел тела; 6-чувствительные волоски; 7-задняя часть тела
У погонофоры имеются мозг и сердце, но рот и желудок редуцированы, органами дыхания являются щупальца. Из-за неподвижного образа жизни они не похожи на животных. Во внутренней части щупалец имеются длинные тонкие волоски, которые снабжены кровеносными сосудами. В воде волоски выходят из трубки, и к ним прикрепляются микроорганизмы. Когда их становится много, погонофоры затягивают волоски внутрь. Под влиянием ферментов мелкие организмы перевариваются и впитываются внутренними выростами.
Зачаточный кишечник у зародыша погонофоры доказывает наличие органов пищеварения у предков. Из-за прохождения процесса пищеварения вне организма органы пищеварения погонофор редуцировались.
Строение асцидии также упрощено в процессе эволюции из-за неподвижного образа жизни. Асцидия относится к одной из ветвей типа хордовых - оболочникам, обитающим в море (рис. 35).
Рис. 35. Асцидии
Мешковидное тело асцидии покрыто оболочкой, подошвой она прикреплена ко дну моря и ведет неподвижный образ жизни. В верхней части тела имеютсю два отверстия, через первое отверстие вода проходит в желудок, a из второго - выходит наружу. Органы дыхания - жаберные щели. Размножается откладыванием яиц. Из яйца развиваются подвижные похожие на головастиков, личинки с признаками хорды. Во взрослом состоянии асцидия прикрепляется ко дну моря, тело упрощается. Считается, что асцидия - сильно деградированное хордовое животное.
3. Примеры дегенерации животных, живущих под землей или в пещерах.
В пещерах бывшей Югославии и Южной Австрии обитает протей из класса
земноводных, похожий на тритона (рис. 36).
Рис. 36. Протей
Кроме легких по обе стороны головы у него имеются внешние жабры. В воде протеи дышат жабрами, на суше - легкими. Обитатели вод и глубоких пещер, они имеют змеевидную форму, прозрачны, бесцветны, без пигментов. У взрослых особей глаза прикрывает кожа, а у личинок имеются зачаточные глаза. Таким образом, у предков асцидии были глаза, и они вели наземный образ жизни. У пещерных организмов исчезли органы зрения, пигменты, снизилась активность.
У цветковых растений, перешедших в водную среду, листовые пластинки стали узкими, нитевидными, проводящие ткани перестали развиваться. Исчезли устьица, не изменились только цветы (лютик водяной, ряска, роголистник).
Генетической основой эволюционных изменений, ведущих к упрощению уровня организации, является мутация. Например, если сохранившиеся недоразвитые органы - рудименты, альбинизм (отсутствие пигментов) и другие мутации - не исчезают в процессе эволюции, то встречаются они у всех членов данной популяции.
Таким образом, выделяют три направления в эволюции органического мира. Ароморфоз - повышение уровня организации живых организмов; идиоадаптация - приспособление живых организмов к условиям окружающей среды без принципиальной перестройки их биологической организации; дегенерация - упрощение уровня организации живых организмов, ведущее к биологическому регрессу.
Взаимосвязь между направлениями биологической эволюции. Связь между ароморфозом, идиоадаптацией и дегенерацией в эволюции органического мира неодинакова. Ароморфоз по сравнению с идиоадаптацией происходит реже, но именно он знаменует новый этап в развитии органического мира. Ароморфоз приводит к возникновению новых высокоорганизованных систематических групп, которые занимают другую среду обитания и приспосабливаются к условиям существования. Даже эволюция идет по пути идиоадаптации, иногда и дегенерации, которые обеспечивают организмам обживание новой для них среды обитания.
Биологический регресс
Биологический регресс - уменьшение численности вида, сужение ареала, снижение уровня приспособленности к условиям среды.
1.Чем отличается биологический регресс от биологического прогресса?
2. Сколько путей имеет дегенерация?
3. Приведите примеры дегенерации у животных.
4. Каковы примеры дегенерации у растений?
Как вы объясните причины исчезновения корня и листьев у повилики?
Чем и как питается повилика? Образует ли она органическое вещество?
1. Объясните причины превращения листьев заразихи в чешую.
2. Разберите примеры дегенерации погонофор, ведущих неподвижной образ жизни.
3. Как переваривается пища у погонофор, если у них нет органа пищеварения?
4. Какие вы знаете организмы, ведущие неподвижный образ жизни? Опишите их.
Где обитает протей? Объясните на примерах дегенерации. Приведите примеры дегенерации у растений, живущих в водной среде. Напишите краткий реферат об ароморфозе, идиоадаптации, дегенерации.