Закономерности взаимодействия организма со средой. Взаимоотношения организма и среды

На протяжении всей жизни (отногенеза) и эволюции (филогенеза) биосистемы находятся в постоянном взаимодействии со средой обитания , образуя систему "организм - среда".

Среда - это часть природы, окружающая живые организмы и оказывающая на них прямое или косвенное воздействие. Из среды организмы получают все необходимое для жизни и в нее выделяют продукты метаболизма. Среда каждого организма слагается из элементов неорганической и органической природы.

Выделяют:

абиотическую среду,
биотическую,
биогенную,
биологическую,
географическую,
геологическую,
антропогенную,
техногенную,
культурную и др.

Так, биологическая среда - совокупность живых организмов, в системе которых находится рассматриваемый организм; биотическая среда - силы и явления природы, обязанные своим происхождением жизнедеятельности ныне живущих организмов; биогенная среда - совокупность биологической и биотической сред.

Приспособление организмов к среде называется адаптацией . Адаптации возникают в процессе эволюции видов и проявляются на всех уровнях организации. Степень адаптации, или уровень приспособленности организмов к определенным условиям среды, контролируется естественным отбором .

В понятие "среда обитания" входит совокупность абиотических и биотических условий жизни организмов. Отдельные элементы среды, воздействующие на организмы, называются экологическими факторами , среди которых выделяют абиотические, биотические и антропогенные факторы.

Абиотические факторы - это все свойства неживой природы (температура, свет, давление, влажность, радиоактивное излучение, ветер, течения, рельеф местности), которые прямо или косвенно влияют на живые организмы. Выделяют следующие группы абиотических факторов:

климатические (свет, температура, влага, воздух, ветер),
эдафогенные (почва и рельеф),
химические (газовый состав, солевой состав воды).

Биотические факторы - это различные формы воздействия живых организмов друг на друга. Окружающий органический мир - обязательная составляющая часть среды каждого живого организма. Среди биотических факторов выделяют:

фитогенные (растительные),
зоогенные (животные) и др.

Антропогенные факторы - это различные формы деятельности человеческого общества, которые приводят к изменению природы как среды обитания других видов или непосредственно воздействуют на живые организмы. В настоящее время практически не осталось природных систем, не затронутых хозяйственной деятельностью человека. В связи с техническим прогрессом и ростом народонаселения воздействие антропогенного фактора на природу будет в дальнейшем катастрофически усиливаться. Среди видов антропогенного воздействия на биоту можно выделить:

загрязнение,
прямое истребление организмов,
урбанизацию,
рекреацию,
общую трансформацию среды обитания организмов.

Влияние факторов среды определяется прежде всего их воздействием на обмен веществ организмов. Поэтому все экологические факторы по их действию можно разделить на:

прямодействующие,
косвеннодействующие.

Так, химическое воздействие хлорфторуглеродов на озоновый слой приводит к его ослаблению (истощению), что, в свою очередь, ведет к губительному воздействию коротковолнового ультрафиолетового излучения на живые организмы. Другой пример - действие пестицидов на хищников через пищевые цепи.

Растения, с одной стороны, могут использоваться другими организмами (в том числе и человеком в пищу, с другой стороны, в процессе фотосинтеза выделяют кислород и влияют на процесс дыхания других организмов. Организмы могут косвенно влиять на другие организмы через продукты метаболизма, удобряя почву.

Каждый экологический фактор характеризуется определенными количественными показателями , например, силой и диапазоном действия.

Большинство экологических факторов, например, температура или влажность, изменчиво в пространстве и времени, при этом степень изменчивости какого-либо фактора зависит от особенностей среды обитания. Так, температура той или иной местности зависит от господствующих ветров, особенностей топографии, высоты над уровнем моря, близости водоемов, облачного покрова. С течением времени любые условия существования, или экологические факторы, изменяются, но в одних случаях они подвержены более сильным изменениям, в других - менее сильным. Выделяют три основных типа изменений среды обитания:

циклические (регулярно-периодические) - повторяющиеся периодически: при смене времен года, при приливах и отливах, при поочередном наступлении светлого и темного времени суток;
направленные, при которых направление изменения остается стабильным в течение продолжительного периода времени: прогрессирующая эрозия берегов, накопление донных осадков в эстуариях рек, похолодание или потепление климата и др.;
хаотические (нерегулярные) - без определенного направления и периодичности (аритмия): непредсказуемые изменения времени возникновения и траекторий циклонов и ураганов, пожары и др.

В природе наблюдается соответствие между организмами и изменяющейся средой, в том числе. Во взаимоотношениях организмов и среды, включая ответные реакции организмов на воздействие различных экологических факторов, можно выделить ряд общих закономерностей .

Закон Рулье (1845). Животные живут только потому, что находятся во взаимном действии или общении с внешним для них миром (первый генетический закон).

Закон Вернадского, или Закон единства "организм - среда". Жизнь развивается в результате постоянного обмена веществом и информацией на базе потока энергии в совокупном единстве среды и населяющих ее организмов, т. е. отношения организма и его среды системны.

Принцип экологического соответствия . Форма существования организма всегда соответствует условиям его жизни. При этом вид может существовать до тех пор, пока окружающая его среда соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к ее колебаниям и изменениям.

Закон совместного (совокупного) действия факторов . Экологические факторы, составляющие среду обитания организмов, действуют на них совместно. Взаимосвязь экологических факторов и их взаимное усиление и ослабление определяют их воздействие на организм и успешность его жизни.

Закон оптимума . Живые организмы имеют определенный набор потребностей в отношении условий обитания. Для каждого вида существует так называемый экологический преферендум к различным экологическим факторам. Например, термопреферендум - предпочитаемая температура, биотопический преферендум - предпочитаемые биотопы.

Описание.

1. Организм и среда обитания
2. Здоровье человека и экологическая безопасность
3. Качество продуктов питания
4. Экологические аспекты демографической ситуации в России
5. Человек и космос
Выводы и итоги
Список литературы

Выдержка из работы.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Санкт-Петербургский государственный университет

сервиса и экономики

НОВГОРОДСКИЙ ФИЛИАЛ

Кафедра «Математических и естественнонаучных дисциплин»

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Дисциплина «Экология»

Тема «Закономерности взаимоотношений организмов и среды»

Выполнил:

Студент 1 курса 58у группы специальности 080109

Блинова Ольга Ивановна Ф.И.О. студента

№ зачетной книжки:___________

Проверил:

____________________________

Ф.И.О. преподавателя

Великий Новгород

2009

Организм и среда обитания……………………….….3
Здоровье человека и экологическая безопасность….3
Качество продуктов питания…………………………6

4) Экологические аспекты демографической ситуации в России………………………………………………….…6

5) Человек и космос………………………………………8

Выводы и итоги……………………………………….10

Список литературы…………………………………….11

1. Организм и среда обитания

Одним из главных выводов учения В.И. Вернадского о биосфере была мысль о взаимосвязи всех живых организмов между собой и со средой обитания. Элементарная единица эволюции - популяция - находится в динамическом равновесии с другими популяциями и со средой обитания. Такие динамические равновесия называются популяционными волнами. Человеку ни в коем случае нельзя вмешиваться в природные популяционные волны (4-й закон Б. Коммонера - природа знает лучше). Размер популяции - результат динамического равновесия между ее биологическим потенциалом и сопротивлением среды обитания. Когда сопротивление среды ослабевает, численность популяции взрывоопасно возрастает.

Человеческая популяция, как и всякая другая, подчиняется тем же законам. Но, в отличие от других живых организмов, человек резко снизил сопротивление среды, практически нарушив природные балансы, преодолел действие лимитирующих факторов. Как уже было сказано, человек выиграл в конкурентной борьбе с другими видами, научившись в изобилии производить продовольствие, орошать поля и благоустроив свои жилища, а также создав средства борьбы с болезнетворными микробами и, тем самым, отрубив себя от естественного отбора. С помощью техники ради удовлетворения своих потребностей человечество стало эксплуатировать природные ресурсы, доведя их почти до полного истощения, что привело к исчезновению целых экосистем (например, обезлесение планеты), т.е. в значительной степени мы поддерживаем собственное существование за счет исчерпания ресурсов и истребления других популяций.

Однако, чрезмерно развив производство, человек не только выиграл, но и проиграл, поскольку перечисленные выше факторы его «победы» над природой сильно и болезненно ударили и по человеческой популяции. Над человечеством нависла экологическая опасность, угрожающая прежде всего его здоровью.

2. Здоровье человека и экологическая безопасность

Здоровье - это состояние полного физического, психического и социального благополучия, а не только отсутствие болезней (определение ВОЗ - Всемирной организации здравоохранения).

Рассмотрим более подробно, как загрязнение атмосферы, гидросферы и почвы влияют на здоровье каждого человека, наций и всего человечества.

Загрязнение воздуха. Потенциально наиболее опасными для здоровья человека считаются атомные объекты, объекты химической промышленности, нефтепереработки, металлургии, трубопроводы, транспорт. В больших городах, однако, среди основных источников загрязнения воздуха лидирует не промышленность, а автотранспорт. В выбросах автомобилей содержатся токсичные угарный газ и соединения свинца, а также сажа, углеводороды, оксиды азота и т.д. (всего более 200 компонентов). Поскольку все эти выбросы тяжелее воздуха и скапливаются, в основном, у поверхности земли, дети, с которыми гуляют родители вдоль больших автомагистралей, отравляются больше, чем сопровождающие их взрослые. Результатом является резкое увеличение болезней органов дыхания у современных детей (даже по сравнению с предыдущим поколением).

От отравления воздуха вдоль автострад желтеют и осыпаются листья с деревьев. Кусты, листья и травы вдоль дорог накапливают значительные количества тяжелых металлов, поэтому в этих местах недопустим сбор грибов, ягод, лекарственных трав, заготовка сена, поскольку мясо и молоко домашних животных, которых кормят таким сеном, содержат токсины, опасные для здоровья людей. Тяжелые металлы концентрируются в почве и корнеплодах, грибах и ягодах, что не только снижает урожаи, но и несет угрозу здоровью.

Гидросферу отравляет сброс промышленных сточных вод. В настоящее время они загрязняют более трети мирового речного стока. Кроме нефти и нефтепродуктов, тяжелых металлов, токсичных пестицидов, диоксинов и радиоактивных отходов, весьма опасным является тепловое загрязнение вод, в результате которого «умирают» водоемы. Тепло является одним из видов загрязнений. Теплые сточные воды нагревают водоем, уменьшается растворимость в воде кислорода (который и так плохо в ней растворяется), начинается мор рыбы, резко возрастает заиливание водоема, что в конце концов приводит к его заболачиванию.

По данным российских природоохранных органов ежегодно растет число водных объектов с высоким уровнем загрязненности воды, предельно допустимые концентрации (ПДК) ряда вредных веществ в этих водоемах превышены в 10 и более раз (определение ПДК и других критериев качества окружающей среды будут рассмотрены в теме 3). К наиболее загрязненным морским районам РФ относятся Азово-Черноморский бассейн, Северный Каспий, Финский залив Балтийского моря, залив Петра Великого Японского моря, Баренцево море в районе архипелага Новая Земля.

Страдают не только моря, но и большие и малые реки России, во многих из них из-за чрезмерного загрязнения недопустимо купание и рыболовство.

Одним из самых загрязненных мест в России и, как полагают некоторые экологи, на всей планете, оказался городок Карабаш в Челябинской области, где работает медно-серный комбинат, сливающий свои неочищенные сточные воды в местные речку и озеро. В этом поселке зафиксирована самая высокая в стране смертность на тысячу жителей, что является результатом многократного превышения показателей экологических стандартов в этом районе.

Пресноводные объекты - это еще и источники питьевой воды, качество которой в России катастрофически упало за последнее десятилетие. Сырую воду «из-под крана» сейчас нельзя пить ни в одном из населенных пунктов РФ.

Экологическая безопасность - это состояние защищенности жизненно важных интересов личности, общества, природы и государства от реальных и потенциальных угроз, создаваемых антропогенным или природным воздействием на ОС. Экологическая безопасность является важнейшей естественной потребностью человека наряду с его потребностью в пище, воде, одежде, жилище. Вся жизнь человека направлена на удовлетворение физических, духовных и социальных потребностей, включая обеспечение экологической безопасности. Министерство природных ресурсов РФ в 1993 г. разработало программу «Экологическая безопасность России», Совет безопасности РФ в том же году обсудил вопрос состояния здоровья населения России (в том числе и в связи с экологической ситуацией в стране).

Россия, как и вся планета, находится в экологическом кризисе, к которому в конце минувшего столетия в связи с переходным периодом добавились еще экономический и технологический кризисы. О губительном воздействии на здоровье людей техногенных загрязнений ученые неоднократно предупреждали еще в 70-е годы прошлого века. В начале нынешнего столетия предостережения о возможности техногенных катастроф уже стали исходить от политиков. Возможность таких катастроф возникает в связи с износом оборудования, непрерывно работающего на некоторых промышленных объектах более 60 лет (аварии на шахтах, падающие самолеты и вертолеты и т.д.).

Одновременно каждый день происходят «тихие» катастрофы, поскольку сбросы и выбросы загрязнений обладают коварным свойством накапливаться, аккумулироваться в биосфере, и катастрофа надвигается без взрывов и пальбы, незаметно, но неотвратимо. При этом взрослое население страдает болезнями печени, почек, легких, вызванных выбросами свинца; некачественная вода является причиной заболеваний органов пищеварения и выделительной системы. Основными причинами детской инвалидности в зонах экологического неблагополучия являются поражения органов дыхания, центральной нервной системы и мозга.

Все сказанное свидетельствует о том, что в РФ экологическая опасность несет угрозу генофонду страны и мешает выходу России из социально-экономического кризиса.

3. Качество продуктов питания

Одним из видов экологической безопасности является продовольственная безопасность, поскольку она относится к основным факторам, определяющим здоровье населения страны. Положение дел в этой сфере в РФ сильно ухудшилось в начале 90-х годов прошлого века в связи с потоком неконтролируемых поставок некачественного продовольствия из-за рубежа, ослаблением контроля за производством и реализацией продуктов питания. Все это привело к массовым пищевым отравлениям, прежде всего, некачественными спиртными напитками.

Одной из причин такого ухудшения были слабая техническая оснащенность многих отечественных предприятий пищевой промышленности и торговли (большинство производственных мощностей в этой сфере не обновлялось от 30 до 50 лет!), низкий уровень санитарной культуры, использование некачественного сырья, отсутствие производственного контроля в связи с ликвидацией лабораторных служб в этой отрасли.

Ситуация начала постепенно выправляться в начале ХХI в. в связи с введением жесткого контроля за качеством продовольствия, ликвидацией многочисленных «точек», не имеющих лицензий на изготовление и торговлю продуктами питания, техническим обновлением производственных мощностей в пищевой промышленности.

4. Экологические аспекты демографической ситуации в России

С экологической безопасностью тесно связана демографическая ситуация в России. По числу жителей РФ занимает седьмое место в мире после Китая, Индии, США, Индонезии, Бразилии и Пакистана. К началу ХХI в. Россия подошла, имея один из самых высоких темпов убыли населения (депопуляции). Причинами этого являются:

низкая рождаемость, массовое распространение однодетной семьи, не обеспечивающей воспроизводство населения;

высокая смертность, уровень которой является одним из самых высоких в Европе (16,3 чел. на тысячу жителей);

огромные потери трудоспособных мужчин от несчастных случаев, отравлений и травм (около 30% по данным на 2002 г.), что во многом связано с ростом алкоголизма и низким качеством спиртных напитков;

кризис семьи, высокий уровень разводов;

значительные объемы вынужденной (часто нелегальной) миграции, в том числе, обусловленной экологическими причинами (проблема экологических беженцев).

Как видно, причины демографического кризиса в России лежат не только в социальной сфере, но во многом имеют и экологический характер. На начало 2003 г. в России проживало 143,1 млн человек. Прогнозы демографов неутешительны: к 2010 г. численность населения в РФ составит примерно 138-139 млн человек, и Россия переместится с седьмого на девятое место в мире по численности населения. Долгосрочные прогнозы говорят о том, что если современные тенденции сохранятся, то через 5-6 десятилетий, во второй половине ХХI в., население России сократится примерно вдвое.

Для преодоления в России негативных демографических тенденций необходимо:

улучшение состояния здоровья населения, что будет способствовать снижению предотвратимой смертности, прежде всего мужчин в трудоспособном возрасте;

стимулирование рождаемости и укрепление семьи на основе повышения качества уровня жизни и материального поощрения рождения детей;

формирование определенных социальных и духовно-нравственных установок в обществе.

В 2005 г. наметился некоторый демографический перелом: по сравнению с предыдущими годами возросла рождаемость. Вероятно, это связано с некоторой стабилизацией уровня жизни населения и проявлением социального оптимизма. На выправление депопуляционной ситуации в России направлена и принятая в 2006 г. Президентская программа, обеспечивающая как стимуляцию рождаемости в стране (материальная и социальная помощь матерям), так и сокращение смертности (поддержка пенсионеров и инвалидов). Если эта программа будет осуществлена и тенденция на рост рождаемости продолжится и усилится, то мрачные прогнозы отечественных и зарубежных демографов могут и не оправдаться.

5. Человек и Космос

До сих пор речь шла о влиянии (в основном, негативном) человека на природу. Но очевидно, что есть и обратное влияние: природные факторы (а в этой части речь пойдет о космических факторах), несомненно, влияют на физиологию и поведение человека.

Несколько десятилетий назад практически никому не приходило в голову связывать свою работоспособность, самочувствие и эмоциональное состояние с активностью Солнца, фазами Луны, магнитными бурями и другими космическими явлениями. Пионером в этой области был русский ученый Александр Леонидович Чижевский, создавший гелиобиологию - раздел биологии, изучающий влияние Солнца на физиологические и поведенческие механизмы человека. О том, что Солнце во многом определяет функционирование растений и животных, люди знали с древних времен (цветение и плодоношение у растений, брачные периоды у животных и т.д.). Ритмичность, свойственная космическим телам - движению Земли, Солнца, Луны и звезд, является также неотъемлемым свойством живых организмов, универсальным качеством всего живого, общим принципом организации мироздания. Это свойство проявляется на всех биологических уровнях: клеточном, тканевом, организменном, экосистемном и биосферном.

Экология (от греч. «ойкос» - жилище и «логос» - наука) - наука, изучающая закономерности взаимоотношений организмов с окружающей средой, образ жизни животных и растений, их продуктивность, изменение численности, видовой состав.

Экологические факторы

Среда жизни - это часть природы, в которой живут организмы. Существуют три среды жизни - вода, воздух, почва. Вода - это первичная среда для живых существ, поскольку именно в ней зародилась жизнь. Организмы могут обитать в одной среде (рыбы - в воде), в двух (наземные растения в воздухе и почве) и даже в трех средах (прибрежные водные растения - в почве, воде и воздухе). Некоторые организмы периодически переходят из одной среды в другую (насекомые с водными личинками, земноводные). Отдельные элементы среды, взаимодействующие с организмами, называют экологическими факторами .

По своей природе различают две группы факторов:

неорганические, или абиотические, факторы: температура, свет, вода, воздух, ветер, соленость и плотность среды, ионизирующие излучения;
биотические факторы, связанные с совместным обитанием, взаимным влиянием животных и растений друг на друга.
Выделяют еще и антропогенный фактор - воздействия человека на природу. Каждый из экологических факторов незаменим. Так, недостаток тепла нельзя заменить обилием света, минеральные элементы, необходимые для питания растений,- водой.

Интенсивность фактора, наиболее благоприятную для жизнедеятельности, называют оптимальной или оптимумом.

Границы, за которыми существование организма невозможно, называют нижним и верхним пределами выносливости .

Абиотические факторы

Солнечное излучение служит основным источником энергии для всех процессов, происходящих на Земле. Биологическое действие света разнообразно и обусловлено его спектральным составом, интенсивностью, периодичностью освещения.

В спектре солнечного излучения выделяют ультрафиолетовые, видимые и инфракрасные лучи.

Ультрафиолетовые лучи с длиной волны 0,29 мкм губительны для всего живого, они задерживаются озоновым слоем атмосферы. Более длинные ультрафиолетовые лучи (0,3-0,4 мкм) обладают высокой химической активностью. В небольших дозах ультрафиолетовые лучи полезны.

Видимые лучи (длина волны 0,4-0,75 мкм) имеют особенно большое значение для организмов. Зеленые растения синтезируют органическое вещество. Для большинства животных видимый свет является одним из важных факторов внешней среды.

Инфракрасные лучи (длина волны более 0,75 мкм) - важный источник тепловой энергии.

Температура - важный фактор, влияющий на жизненно важные процессы организмов: рост, развитие, размножение, дыхание, синтез органических веществ и т. д. Оптимальная температура зависит от условий обитания вида; для большинства наземных животных и растений она колеблется в довольно узких пределах (15-30°С). Организмы с непостоянной температурой тела называют холоднокровными . У них повышение температуры вызывает ускорение физиологических процессов. Однако эти организмы имеют приспособления от перегрева (наличие устьиц у растений, испарение через кожные покровы у животных).

Наиболее совершенную терморегуляцию в процессе эволюции приобрели птицы и млекопитающие, т. е. теплокровные животные, за счет образования четырехкамерного сердца. Это обеспечило им существование независимо от температурных условий среды и позволило расселиться по всему земному шару.

Вода - непременный компонент живого, важный климатический фактор, так как служит главным средством регуляции температуры на поверхности Земли. Приспособленность к переживанию при недостатке влаги ярко выражена у обитателей засушливых степей и пустынь (видоизмененные листья-колючки, хорошо развитая корневая система, высокое осмотическое давление). Некоторые растения (агава, очиток, молодило) имеют мясистые листья и стебли и способны долго удерживать воду. Другие растения (тюльпаны, маки, гусиный лук и др.) успевают вырасти и отцвести за короткий весенний срок, когда в почве еще достаточно влаги. Большое приспособительное значение имеет способность этих растений погружаться в состояние глубокого физиологического покоя.

Сезонные изменения внешних условий связаны с изменением важнейших факторов жизни - температуры, освещения, влажности. Обитатели умеренных широт характеризуются проявлением сезонных циклов развития.

Весной при повышении температуры и освещения наблюдается активная жизнедеятельность организмов: растут и зацветают растения, прилетают птицы и т. д. Летом созревают семена растений, большинство животных дает потомство. Осенью начинается подготовка организмов к неблагоприятным зимним условиям: у растений откладываются питательные вещества, у животных происходит линька и т. д. Зимой при пониженной температуре наступает глубокий покой. Это явление особенно присуще растениям и некоторым животным.

Каждый организм имеет определенные приспособления к перенесению пониженных температур. Причем морозостойкость растений и насекомых усиливается в течение зимы. Это называют холодным закаливанием . Глубокое охлаждение вызывает временную обратимую остановку жизни. Такое состояние называют анабиозом . У птиц и млекопитающих состояние полного анабиоза не наступает, так как они не приспособлены к переохлаждению. У них выработались другие приспособления к перенесению зимнего времени года (сезонные миграции и др.).

В регуляции сезонных циклов у большинства растений и животных главная роль принадлежит изменениям продолжительности дня и ночи. Реакция на продолжительность светового периода суток получила название фотопериодизма .

Фотопериодизм - это общее, важное приспособление, регулирующее сезонные явления у самых различных организмов. Изменение длины дня всегда тесно связано с годовым ходом температуры и предшествует ее изменению, вслед за укорочением дня понижается и температура. В течение года длина дня изменяется строго закономерно и не подвергается случайным колебаниям. Поэтому длина дня служит точным астрономическим предвестником сезонных изменений. Выяснение роли длины дня и регуляции сезонных явлений открывает большие возможности для научного понимания развития растений и животных.

Лекция №6

1. Биотические факторы

1.1. Понятие, виды биотических факторов.

1.2. Биотические факторы наземной и водной среды, почв

1.3. Биологически активные вещества живых организмов

1.4. Антропогенные факторы

2. Общие закономерности взаимодействия организмов и экологических факторов

2.1. Понятие лимитирующего фактора. Закон минимума Либиха, закон Шелфорда

2.2. Специфика воздействия антропогенных факторов на организм

2.3. Классификация организмов по отношению к экологическим факторам

Биотические факторы

Опосредованные взаимодействия заключаются в том, что одни организмы являются средообразователями по отношению к другим, причем приоритетная значимость здесь принадлежит, безусловно, растениям-фотосинтетикам. Хорошо известна, например, локальная и глобальная средообразующая функция лесов, в том числе их почво- и полезащитная и водоохранная роль. Непосредственно в условиях леса создается своеобразный микроклимат, который зависит от морфологических особенностей деревьев и позволяет обитать именно здесь специфическим лесным животным, травянистым растениям, мхам и др. Условия ковыльных степей представляют совершенно иные режимы абиотических факторов. В водоемах и водотоках растения - основной источник такого важнейшего абиотического компонента среды, как кислород.

Одновременно растения служат непосредственным местом обитания для других организмов. Например, в тканях дерева (в древесине, лубе, коре) развиваются многие грибы, плодовые тела которых (трутовики) можно видеть на поверхности ствола; внутри листьев, плодов, стеблей травянистых и древесных растений живет множество насекомых и других беспозвоночных, а дупла деревьев - обычное место обитания ряда млекопитающих и птиц. Для многих видов скрытноживущих животных место питания совмещено с местом обитания.

Взаимодействия между живыми организмами в наземной и водной среде

Взаимодействия между живимыми организмами (преимущественно животными) классифицируют с точки зрения их взаимных реакции.

Различают гомотипические (от греч. гомос - одинаковый) реакции, т. е. взаимодействия между особями и группами особей одного и того же вида, и гетеротипические (от греч. гетерос - иной, разный) - взаимодействия между представителями разных видов. Среди животных существуют виды, способные питаться только одним видом пищи (монофаги), на более или менее ограниченном круге источников пищи (узкие или широкие олигофаги), или на многих видах, используя в пищу не только растительные, но и животные ткани (полифаги). К числу последних принадлежат, например, многие птицы, способные поедать как насекомых, так и семена растений, или такой известный вид, как медведь - по природе своей хищник, но охотно поедает ягоды, мед.

Наиболее распространенный тип гетеротипических взаимодействий между животными - хищничество, т. е. непосредственное преследование и поедание одних видов другими, например насекомых - птицами, травоядных копытных -плотоядными хищниками, мелких рыб - более крупными и т. п. Хищничество широко распространено между беспозвоночными животными - насекомыми, паукообразными, червями и др.

Из других форм взаимодействий между организмами можно назвать хорошо известное опыление растений животными (насекомыми); форезию, т.е. перенос одними видами других (например, семян растений птицами и млекопитающими); комменсализм (сотрапезничество), когда одни организмы питаются остатками пищи или выделениями других, примером чего являются гиены и грифы, пожирающие остатки пищи львов; синойкию (сожительство), например использование одними животными мест обитания (нор, гнезд) других животных; нейтрализм, т. е. взаимонезависимость разных видов, обитающих на общей территории.

Одним из важных типов взаимодействия между организмами считается конкуренция, которую определяют как стремление двух видов (или индивидуумов одного вида) обладать одним и тем же ресурсом. Таким образом, выделяют внутривидовую и межвидовую конкуренцию. Конкуренцию межвидовую рассматривают, кроме того, как стремление одного вида вытеснить другой вид (конкурента) из данного места обитания.

Однако реальные доказательства конкуренции в природных (а не в экспериментальных) условиях найти трудно. Конечно, две разные особи одного вида могут пытаться отнять друг у друга куски мяса или иной пищи, но подобные явления объясняются разнокачественностью самих особей, их разной приспособленностью к одним и тем же экологическим факторам. Любой вид организма приспособлен не к одному какому-либо фактору, а к их комплексу, причем требования двух разных (пусть даже близких) видов не совпадают. Поэтому один из двух окажется вытесненным в природной среде не в силу конкурентных стремлений" другого, а просто потому, что он хуже адаптирован к другим факторам. Характерный пример - "конкуренция" за свет между хвойными и лиственными древесными породами в молодняках.

Лиственные (осина, береза) опережают в росте сосну или ель, но это нельзя считать конкуренцией между ними: просто первые лучше адаптированы к условиям вырубок и гарей, чем вторые. Многолетние работы по уничтожению лиственных "сорняков" при помощи гербицидов и арборицидов (химических препаратов для уничтожения травянистых и кустарниковых растений), как правило, не приводили к "победе" хвойных, поскольку далеко не только световое довольствие, но и многие другие факторы (как биотические, так и абиотические) не отвечали их требованиям.

Все эти обстоятельства человек должен учитывать при управлении живой природой, при эксплуатации животных и растений, т. е. при промысле или проведении таких хозяйственных мероприятий, как защита растений в сельском хозяйстве.

Биотические факторы почвы

Как уже упоминалось выше, почва - биокосное тело. В процессах ее образования и функционирования важнейшую роль играют живые организмы. К ним относятся, в первую очередь, зеленые растения, извлекающие из почвы питательные химические вещества и возвращающие их обратно вместе с отмирающими тканями.

Но в процессах почвообразования решающую роль играют населяющие почву живые организмы (педобионты): микробы, беспозвоночные и др. Микроорганизмам принадлежит ведущая роль в трансформации химических соединений, миграции химических элементов, питании растений.

Первичное разрушение мертвой органики осуществляют беспозвоночные животные (черви, моллюски, насекомые и др.) в процессе питания и выделения в почву продуктов пищеварения. Фотосинтетическое связывание углерода в почве осуществляют в некоторых типах почв микроскопические зеленые и синезеленые водоросли.

Почвенные микроорганизмы осуществляют основное разрушение минералов и приводят к образованию органических и минеральных кислот, щелочей, выделяют синтезированные ими ферменты, полисахариды, фенольные соединения.

Важнейшим звеном в биогеохимическом цикле азота является азотфиксация, которую осуществляют азотфиксирующие бактерии. Известно, что общая продукция фиксации азота микробами составляет 160-170 млн. т/год. Необходимо также упомянуть что фиксация азота, как правило, является симбиотической (совместной с растениями), осуществляемой клубеньковыми бактериями, располагающимися на корнях растений.

Биологически активные вещества живых организмов

К числу экологических факторов биотической природы относятся химические соединения, активные продуцируемые живыми организмами. Таковы в частности, фитонциды – образуемые организмов растениями преимущественно летучие вещества, убивающие микроорганизмы или подавляющие их рост. К ним относятся гликозиды, терпеноиды, фенолы, дубильные и многие другие вещества. Например, 1 га лиственного леса выделяет около 2 кг летучих веществ в сутки, хвойного - до 5 кг, можжевелового - около 30 кг. Поэтому воздух лесных экосистем имеет важнейшее санитарно-гигиеническое значение, убивая микроорганизмы, вызывающие опасные заболевания человека. Для растения фитонциды выполняют функцию защиты от бактериальных, грибных инфекций, от простейших. Растения способны вырабатывать защитные вещества в ответ на заражение их патогенными грибами.

Летучие вещества одних растений могут служить средством вытеснения других растений. Взаимное влияние растений путем выделения в окружающую среду физиологически активных веществ называют аллелопатией (от греч. аллелон - взаимно, патос - страдание).

Органические вещества, образуемые микроорганизмами и обладающие способностью убивать микробов (или препятствовать их росту), называются антибиотиками; характерным примером является пенициллин. К антибиотикам относятся также антибактериальные вещества, содержащиеся в растительных и животных клетках.

Опасные алкалоиды, оказывающие отравляющее и психотропное действие, содержатся во многих грибах, высших растениях. Сильнейшая головная боль, тошнота вплоть до потери сознания может возникнуть в результате долгого пребывания человека на багульниковом болоте.

Свойствами вырабатывать и выделять отпугивающие, привлекающие, сигнальные, убивающие вещества обладают позвоночные и беспозвоночные животные. В их числе можно назвать многих паукообразных (скорпион, каракурт, тарантул и др.), пресмыкающихся. Человек широко использует яды животных и растений в лечебных целях.

Совместная эволюция животных и растений выработала у них сложнейшие информационно-химические взаимоотношения. Приведем лишь один пример: многие насекомые по запаху различают свои кормовые породы, жуки-короеды, в частности, прилетают только к умирающему дереву, распознавая его по составу летучих терпенов живицы.

Антропогенные экологические факторы

Вся история научно-технического прогресса, представляет собой совокупность преобразования человеком в своих целях природных экологических факторов и создания новых, ранее в природе не существовавших.

Выплавка металлов из руд и производство оборудования невозможны без создания высоких температур, давлений, мощных электромагнитных полей. Получение и сохранение высоких урожаев сельскохозяйственных культур требует производства удобрений и средств химической защиты растений от вредителей и возбудителей заболеваний. Современное здравоохранение немыслимо без средств хемо- и физиотерапии. Эти примеры можно умножить.

Достижения научно-технического прогресса стали использоваться в политических и экономических целях, что крайним образом проявилось в создании специальных поражающих человека и его имущество экологических факторов: от огнестрельного оружия до средств массового физического, химического и биологического воздействия. В данном случае можно прямо говорить о совокупности антропотропных (т. е. направленных на человеческий организм) и, в частности, антропоцидных экологических факторов, вызывающих загрязнение окружающей среды.

С другой стороны, кроме таких факторов целенаправленного назначения, в процессе эксплуатации и переработки природных ресурсов неизбежно образуются побочные химические соединения и зоны высоких уровней физических факторов. В ряде случаев эти процессы могут носить скачкообразный характер (в условиях аварий и катастроф) с тяжелыми экологическими и материальными последствиями. Отсюда и потребовалось создавать способы и средства защиты человека от опасных и вредных факторов, что реализовалось в настоящее время в упомянутую выше систему - безопасность жизнедеятельности.

В упрощенной форме ориентировочная классификация антропогенных экологических факторов представлена на рис. 1.

Рис. 1. Классификация антропогенных экологических факторов

Общие закономерности взаимодействия организмов и экологических факторов

Любой экологический фактор динамичен, изменчив во времени и пространстве.

Теплое время года с правильной периодичностью сменяется холодным; в течение суток наблюдаются более или менее широкие колебания температуры, освещенности, влажности, силы ветра и т. п. Все это - природные, колебания экологических факторов, однако воздействовать на них способен и человек. Влияние антропогенной деятельности на окружающую среду проявляется в общем случае в изменении режимов (абсолютных значений и динамики) экологических факторов, а также - состава факторов, например при внесении ксенобиотиков в природные системы в процессе производства или специальных мероприятий - таких, как защита растений при помощи ядохимикатов или внесение органических и минеральных удобрений в почву.

Однако каждому живому организму требуются строго определенные уровни, количества (дозы) экологических факторов, а также определенные пределы их колебаний. Если режимы всех экологических факторов соответствуют наследственно закрепленным требованиям организма (т. е. его генотипу), то он способен выживать и давать жизнеспособное потомство. Требования и устойчивость того или иного вида организма к экологическим факторам определяют границы географической зоны, в пределах которой он может обитать, т. е. его ареал. Факторы окружающей среды определяют также амплитуду колебаний численности того или иного вида во времени и пространстве, которая никогда не остается постоянной, а изменяется в более или менее широких пределах.

Закон лимитирующего фактора

Живой организм в природных условиях одновременно подвергается воздействию со стороны не одного, а многих экологических, факторов - как биотических, так и абиотических, причем каждый фактор требуется организму в определенных количествах или дозах. Растения нуждаются в значительных количествах влаги, питательных веществ (азот, фосфор, калий), но другие вещества, например бор или молибден, требуются в ничтожных количествах. Тем не менее недостаток или отсутствие любого вещества (как макро-, так и микроэлемента) отрицательно сказывается на состоянии организма, даже если все остальные присутствуют в требуемых количествах. Один из основоположников агрохимии - немецкий ученый Юстус Либих (1803-1873) сформулировал теорию минерального питания растений. Он установил, что развитие растения или его состояние зависят не от тех химических элементов (или веществ), то есть факторов, которые присутствуют в почве в достаточных количествах, а от тех, которых не хватает. Например, достаточное для растения содержание азота или фосфора в почве не может компенсировать недостаток железа, бора или калия. Если любого (хотя бы одного) из элементов питания в почве меньше, чем требуется данному растению, то оно будет развиваться ненормально, замедленно или иметь патологические отклонения. Результаты своих исследований Ю. Либих сформулировал в виде фундаментального закона минимума.

Звучит банально, но самая главная и важная закономерность в системе "среда-организм" - это неразрывная связь и взаимное влияние среды и организма. Как организм испытывает воздействие среды (действие комплекса экологических факторов), так и среда претерпевает изменения в результате воздействия живых организмов. Мы уже обсуждали, что облик Земли был бы совсем иным, если бы на планете не было жизни (в атмосфере не было бы кислорода, не было бы такого явления как почва и так далее). Подробнее эти вопросы мы будем рассматривать на уроках по глобальной (биосферной) экологии.

Указанная выше основная закономерность системы "среда-организм" была сформулирована еще В. И. Вернадским и получила название закона единства организма и среды его обитания:

Жизнь развивается в результате постоянного обмена веществом и информацией на базе потока энергии в совокупном единстве среды и населяющих ее организмов. А.А. Горелов. «Структура и функции экосистем». Экология. 1998г с - 117.

Не смотря на некоторую сложность языка Вернадского, смысл этой закономерности очевиден: в совокупном единстве среды и населяющих ее организмов (в глобальном масштабе - в биосфере) происходит постоянный обмен веществом и информацией, что и делает возможным существование жизни.

Из этого следует простой эволюционно-экологический принцип: вид организмов может существовать до тех пор и постольку, поскольку окружающая его среда соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к ее колебаниям и изменениям. Мы неоднократно говорили о проявлении этой закономерности, когда указывали на комплекс специфических адаптаций к тем или иным условиям среды (см. два предыдущих урока).

Воздействие вида на среду является важной экологической закономерностью. Вернадский отмечал, что такое воздействие эволюционно возрастает. Эта закономерность была сформулирована в виде закона максимума биогенной энергии (энтропии) Вернадского-Бауэра:

Любая биологическая система, находясь в подвижном равновесии с окружающей ее природной средой и эволюционно развиваясь, увеличивает свое воздействие на среду. Давление на среду растет до тех пор, пока не будет строго ограничено внешними факторами: надсистемами или другими конкурентными системами.

В действии экологических факторов на организм мы отмечали как главную закономерность возможность выделения оптимальных и пессимальных (критических) доз действия фактора. Однако к такому понятию как "оптимум фактора" нельзя подходить с механистических позиций, в природе все намного сложнее. Это нашло выражение в законе неоднозначности действия фактора на организм: любой экологический фактор неодинаково влияет на функции организма; оптимум фактора для одних физиологических процессов может отличаться от такового для других процессов. Так, любой специалист по физиологии растений скажет, что температурный оптимум для фотосинтеза и дыхания во многих случаях различен.

То, что мы говорили на предыдущих урока о взаимодействии экологических факторов, необходимо дополнить представлением об относительной компенсации (взаимозаменяемости) факторов. Недостаток некоторых экологических факторов может быть компенсирован другим фактором. Например, некоторый недостаток света может быть компенсирован для растений обилием углекислого газа. Однако такая компенсация возможна лишь в определенных пределах. Сколько бы углекислого газа ни было, но в полной темноте фотосинтез все равно не пойдет.

Существование лимитирующих факторов, описанное Либихом, нашло свое отражение в законе ограничивающих факторов Блэкмана и законе толерантности Шелфорда. Факторы среды, имеющие в конкретных условиях пессимальное значение, особенно затрудняют (ограничивают) возможность существования вида в данных условиях, вопреки и несмотря на оптимальное сочетание других отдельных факторов. Главное отличие законов Блэкмана и Шелфорда от Либиховских правил состоит в том, что этими учеными было показано: не только недостаток (минимум) фактора, но и его избыток (максимум) могут затруднять (ограничивать) развитие организма.

И в заключении хочется указать на еще одну закономерность действия экологических факторов на организм, имеющую важное прикладное значение. Как мы отмечали в одном из предыдущих уроков, теоретическим основанием для расчета ПДК является представление о лимитирующих факторах. Важной проблемой является не только необходимость учета взаимодействия факторов, их синергетического (взаимно усиливающего) действия. Необходимо определиться с понятием порога вредного действия, то есть начиная с каких доз фактора можно говорить о его вредном воздействии на здоровье.

В этой связи необходимо иметь в виду следующие закономерности. Правило фазовых реакций ("польза-вред") гласит, что малые концентрации токсиканта действуют на организм в направлении усиления его функций (стимулирования). Это дало основание для утверждений о полезности некоторых факторов в малых дозах (например, радиации). Однако это довольно спорное утверждение. Так, Николай Федорович Реймерс указывает, что вывод биологических систем из состояния равновесия с помощью слабых доз токсикантов не может идти им на пользу. Например, этологи знают, что увеличение плодовитости может быть сигналом биологического неблагополучия. У физиологов есть понятие о "цене адаптации"; если рассматривать стимулирование функций организма малыми дозами токсикантов как адаптацию к токсическому воздействию, то необходимо учитывать и цену такой адаптации: изнашивание адаптационных механизмов, ускорение старения и так далее Горелов А.А. «Природопользование», М. 1999 г. С- 76.

В то же время правило фазовых реакций находит свое применение в медицине, собственно, на стимулирующем действии различных веществ и агентов основаны многие медикаментозные методы лечения. Поэтому закон фазовых реакций следует учитывать и применять для лечения, когда иного более оптимального выхода нет.

Необходимо также иметь в виду, что правило фазовых реакций справедливо для многих, но не для всех ядовитых веществ. Например, в действии цианида, блокирующего дыхательные цепи и приводящего к практически мгновенной смерти, вряд ли такие фазы можно выделить. Особенно спорно благоприятное действие малых доз радиации, а соответственно, и вытекающие из его признания/непризнания пороговая и беспороговая концепции. Радиобиологи до сих пор бьются на смерть, отстаивая ту или иную концепцию.

Так, одни ученые утверждают о благоприятности воздействия малых доз радиации на те или иные функции (например, наблюдалось увеличение плодовитости мышей при облучении 0,1-1,5 Гр). Соответственно, эти ученые являются сторонниками пороговой концепции: можно выявить порог вредного действия радиации. Другие ученые занимают противоположную точку зрения и указывают на то, что любое, даже незначительное, дполнительное к фону облучение приводит к дополнительным мутациям и канцерогенезам. Из этого ими выводится беспороговая концепция: нельзя установить какой-то порог и любое дополнительное (к фону) облучение следует признавать вредным. Определенную сложность представляет и тот факт, что люди генетически разнокачественны, и те дозы, которые для подавляющего большинства могут оказаться допороговыми, для отдельных индивидуумов могут вызвать различные эффекты Стадницкий Г. В., Родионов А. И. Экология. С - 76.

Реймерс пишет, что споры сторонников концепции пороговости и беспороговости бессмысленны, так как все зависит от начальных условий и индивидуальных реакций. Успокоительная статистика для пораженного болезнью и его близких мало утешительна. С этим трудно не согласиться, хотя трудно и отрицать наличие определенного (в том числе, политического) смысла в споре пороговой и беспороговой концепций. Подробнее мы поговорим об этой сложной социальной и биологической проблеме в одной из спецвыпусков по социальной экологии.