Законы и правила действия экологических факторов

Законы и правила действия экологических факторов.

Несмотря на большое разнообразие экологических факторов, в характере их воздействия на организмы и в ответных реакциях живых существ можно выявить ряд общих закономерностей.

Закон минимума Ю.Либиха (1873).

величина  урожая определяется количеством в  почве того из элементов питания, потребность растения в котором удовлетворена меньше всего.

Современная трактовка закона:

а) выносливость организма определяется слабым звеном в цепи его экологических потребностей;

б) все условия среды, необходимые  для поддержания жизни, имеют равную роль (закон равнозначности всех условий жизни), любой фактор может ограничивать возможности существования организма.

Закон толерантности В.Шелфорда (1913).

Фактор среды ощущается организмом не только при его недостатке. Проблемы возникают также и при избытке  любого из экологических факторов. Из опыта известно, что при недостатке воды в почве ассимиляция растением элементов минерального питания затруднена, но и избыток воды ведет к аналогичным последствиям: возможна гибель корней, возникновение анаэробных процессов, закисание почвы и т. п. Жизненная активность организма также заметно угнетается при малых значениях и при чрезмерном воздействии такого абиотического фактора, как температура.

Фактор среды наиболее эффективно действует на организм только при некотором среднем его значении, оптимальном для данного организма. Чем шире пределы колебаний какого-либо фактора, при котором организм может сохранять жизнеспособность, тем выше устойчивость, т. е. толерантность данного организма к соответствующему фактору (от лат. tolerantia — терпение). Таким образом, толерантность — это способность организма выдерживать отклонения экологических факторов от оптимальных для его жизнедеятельности значений.

Впервые предположение о лимитирующем (ограничивающем) влиянии максимального значения фактора наравне с минимальным значением было высказано в 1913 г. американским зоологом В. Шелфордом, установившим фундаментальный биологический закон толерантности:

Любой живой организм имеет определенные, эволюционно унаследованные верхний и нижний пределы устойчивости (толерантности) к любому экологическому фактору, то есть : ограничивающим фактором жизни организма могут быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет величину выносливости организма к этому фактору.

Чем сильнее отклонения от оптимума, тем больше выражено угнетающее действие данного фактора на организм. Как недостаточное, так и избыточное действие фактора отрицательно сказывается на жизнедеятельности особей. Благоприятная сила воздействия называется зоной оптимума экологического фактора или просто оптимумом для организмов данного вида. Чем сильнее отклонения от оптимума, тем больше выражено угнетающее действие данного фактора на организмы (зона пессимума). Максимально и минимально переносимые значения фактора — это критические точки, за пределами которых существование уже невозможно, наступает смерть. Пределы выносливости между критическими точками называют экологической валентностью живых существ по отношению к конкретному фактору среды.

Представители разных видов значительно  отличаются друг от друга, как по положению  оптимума, так и по экологической валентности.

Экологически выносливые виды называют эврибионтными, а маловыносливые – стенобионтными. Виды, длительное время развивающиеся в относительно стабильных условиях утрачивают экологическую пластичность и вырабатывают черты стенобионтности, а виды, существовавшие при значительных колебаниях факторов среды, приобретают повышенную экологическую пластичность и становятся эврибионтными. Эврибионтность способствует широкому распространению вида.

Правило взаимодействия факторов.

отсутствие или недостаток некоторых  экологических факторов может быть компенсировано другим близким (аналогичным) фактором.

Например, недостаток света может  быть компенсирован для растения обилием диоксида углерода, а при  построении раковин моллюсками недостающий кальций может заменяться на стронций.

Однако подобные возможности чрезвычайно  ограничены и в 1949 г. В. Р. Вильяме сформулировал закон незаменимости фундаментальных факторов:

полное отсутствие в среде фундаментальных  экологических факторов (света, воды, биогенов и т. д.) не может быть заменено другими факторами.

Закон максимизации энергии: выживание одной системы в соперничестве с другими определяется наилучшей организацией поступления в нее энергии и использования ее максимального количества наиболее эффективным способом. Этот закон справедлив и в отношении информации. Таким образом, наилучшими шансами на самосохранение обладает система, которая в наибольшей степени способствует поступлению, выработке и эффективному использованию энергии и информации. Любая природная система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды. Абсолютно изолированное развитие невозможно.

Этот закон имеет важное практическое значение выражение: любая развитая биотическая система, используя  и видоизменяя среду жизни, представляет потенциальную угрозу менее организованным (более примитивным) системам. Поэтому в биосфере невозможно повторное зарождение жизни — она будет уничтожена существующими организмами. Следовательно, воздействуя на среду обитания, человек должен нейтрализовать эти воздействия, поскольку они могут оказаться разрушительными для природы и самого человека.

Закон ограниченности природных  ресурсов. Правило одного процента. Поскольку планета Земля представляет собой естественное ограниченное целое, то на ней не могут существовать бесконечные части, поэтому все природные ресурсы Земли являются конечными. К неисчерпаемым ресурсам можно отнести энергетические, полагая, что энергия Солнца дает практически вечный источник получения полезной энергии. При таких рассуждениях не учитываются ограничения, накладываемые самой энергетикой биосферы. Согласно правилу одного процента изменение энергетики природной системы в пределах 1% не выводит ее из равновесного состояния. Все крупномасштабные явления на поверхности Земли (мощные циклоны, извержения вулканов, процесс глобального фотосинтеза) имеют суммарную энергию, не превышающую 1 % от энергии солнечного излучения, падающего на поверхность Земли. Искусственное же привнесение энергии в биосферу в наше время достигло значений, близких к предельным (отличающихся от них не более чем на один математический порядок — в 10 раз).

Адаптации. Принцип экологического соответствия. Основные пути и виды адаптаций.

Так как различные организмы  освоили разные среды обитания, они  подвержены действию разнообразных  факторов окружающей их среды. Различна и ответная реакция организмов на действие разных по силе, длительности и природе факторов. Но во всех случаях реакция организма носит приспособительный характер. Такие приспособительные реакции организма называются адаптацией.

Организмы распределены по различным  местообитаниям не беспорядочно — между ними и средой имеется соответствие, то есть внутри биосистем действует принцип экологического соответствия: форма существования организма всегда соответствует условиям его жизни. С биологической точки зрения формируется правило соответствия условий среды генетической предопределенности организма: вид может существовать до тех пор, пока окружающая его среда соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к ее колебаниям и изменениям.

Вслед за изменившимися условиями  среды происходят внутренние, а затем  и внешние изменения, обеспечивающие организмам наиболее благоприятные возможности роста, развития и размножения. Этот путь приспособительных изменений отметил и обобщил Ч. Дарвин, построив на основании огромного фактического материала свою эволюционную теорию, опубликованную в 1859 году. Суть ее можно свести к четырем основным положениям:

1) индивидуумы, составляющие видовую  популяцию, не тождественны, они изменчивы и индивидуальны. Современная наука утверждает, что в основе такой индивидуальности лежит индивидуальный набор генов;

2) возникшие изменения хотя бы  частично передаются по наследству;

3) потенциально любая популяция  в состоянии заполнить землю,  но этого не происходит, так  как существует естественный  отбор наиболее приспособленных форм и выживание сильнейших;

4) распространенность и численность  вида зависят от количества  оставляемого потомства.

Процесс эволюции не прекратился - стремительно меняются условия окружающей среды, к которым организмы вынуждены  все быстрее приспосабливаться. В настоящее время в зонах активной хозяйственной деятельности человека мы имеем возможность наблюдать эволюцию в действии. Особенно наглядно это можно проследить на растительных организмах. Подвижные формы могут избежать неблагоприятных условий, просто переместившись в другую точку пространства. Прикрепленные же вынуждены либо умереть, либо приспособиться.

Во всем разнообразии приспособлений живых  организмов к неблагоприятным условиям среды можно выделить три основных пути.

Активный путь — это усиление сопротивляемости, развитие регуляторных процессов, позволяющих осуществить все жизненные функции организмов несмотря на отклонения фактора от оптимума.

Пассивный путь — подчинение жизненных функций организма изменению факторов среды. Например, при недостатке тепла это приводит к угнетению жизнедеятельности и понижению уровня метаболизма, что способствует экономному использованию энергетических запасов. Пассивный путь адаптации к влиянию неблагоприятных температур свойствен всем растениям. Среди млекопитающих и птиц преимущества пассивного приспособления в неблагоприятные периоды года используют виды, впадающие в оцепенение или спячку.

Избегание неблагоприятных  воздействий — третий возможный путь приспособления к среде. Общий способ для всех групп организмов— выработка таких жизненных циклов, при которых наиболее уязвимые стадии развития завершаются в самые благоприятные по температурным и другим условиям периоды года. Для животных основным способом избегания неблагоприятных температур являются разнообразные формы поведения. Изменения в ростовых процессах растений —в известной мере экологический аналог поведения животных.

Все три  пути приспособления характерны и по отношению к другим экологическим факторам среды. Чаще всего приспособление вида к среде осуществляется тем или иным сочетанием всех трех возможных путей адаптации.

Можно выделить следующие виды адаптаций:

1. Морфологические адаптации. Наличие  таких особенностей внешнего строения, которые способствуют выживанию и успешной жизнедеятельности организмов в обычных для них условиях. Например, строение организмов, обитающих в воде.

2. Физиологические адаптации. Изменение  внутренних физиологических процессов вслед за меняющимися факторами окружающей среды. Например, верблюд способен обеспечивать потребность во влаге путем окисления собственного жира.

3. Поведенческие адаптации. Проявляются  в изменении поведения организмов и их жизненных циклов. Например, у хищников вырабатываются определенные стереотипы поведения при охоте на определенный тип жертвы.

При перемене условий существования (отклонении значения одного или нескольких экологических факторов за пределы обычных колебаний) одни виды адаптируются и преобразуются, а другие виды вымирают. Если изменения условий малозаметны или происходят постепенно, то большинство видов может приспособиться и выжить.

Закон относительной независимости адаптации: - высокая адаптированность к одному из экологических факторов не дает такой же степени приспособления к другим условиям жизни.