Десятиклассники! Прямо сегодня начинайте готовиться к ЕГЭ-2018!
Проверьте свою готовность к ЕГЭ здесь: ОНЛАЙН ТЕСТЫ к ЕГЭ по биологии

7.1. Среды обитания организмов. Факторы среды. Законы оптимума и минимума. Биологические ритмы. Фотопериодизм

Экология — наука, изучающая закономерности взаимоотношений организмов друг с другом и окружающей средой, образ жизни животных и растений, их продуктивность, изменение численности, видовой состав. Изначально термин «экология» был предложен Э. Геккелем в 1866 г., позже — Ю. Одумом в 1975 г.

Структура классической биоэкологии включает:

  •  аутэкологию (экологию отдельных организмов),

  •  демэкологию (экологию популяций и видов),

  •  синэкологию (экологию сообществ организмов).

В экологии выделяют также:

  •  экологию различных систематических групп (экология грибов, растений, млекопитающих и т. д.),
  •  сред жизни (суши, почвы, моря и т. п.),
  •  эволюционную экологию (связь эволюции видов и сопутствующих экологических условий),
  •  ряд прикладных направлений (медицинская, сельскохозяйственная экология, эколого-экономические науки).

Среда жизни — это часть природы, в которой живут организмы:

  •  вода,
  •  воздух,
  •  почва,
  •  организм.

 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). При паразитическом образе жизни среда жизни паразита — другой организм.

 Водная среда жизни.

Вода — первичная среда для живых существ, поскольку именно в ней зародилась жизнь. Большинство организмов не способны к активной жизнедеятельности без поступления воды в организм или по крайней мере без сохранения определенного содержания жидкости внутри организма. Внутренняя среда организма, в которой происходят основные физиологические процессы, очевидно, по-прежнему сохраняет черты той среды, в которой происходила эволюция первых организмов. Так, содержание солей в крови человека (поддерживаемое на относительно постоянном уровне) близко к таковому в океанической воде. Свойства водной океанической среды во многом определили химико-физическую эволюцию всех форм жизни. Главной отличительной особенностью водной среды является ее относительная стабильность (амплитуда сезонных или суточных колебаний температуры в водной среде намного меньше, чем в наземно-воздушной). Рельеф дна, различие условий на разных глубинах, наличие коралловых рифов и прочее создают разнообразие условий в водной среде.

Особенности водной среды проистекают из физико-химических свойств воды. Так, большое экологическое значение имеют высокая плотность и вязкость воды. Удельная масса воды соизмерима с таковой у тела живых организмов. Плотность воды примерно в 1000 раз выше плотности воздуха. Поэтому водные организмы (особенно активно движущиеся) сталкиваются с большой силой гидродинамического сопротивления. Эволюция многих групп водных животных по этой причине шла в направлении формирования формы тела и типов движения, снижающих лобовое сопротивление, что приводило к снижению энергозатрат на плавание. Так, обтекаемая форма тела встречается у представителей различных групп организмов, обитающих в воде, — дельфинов (млекопитающих), костистых и хрящевых рыб.

Высокая плотность воды является также причиной того, что механические колебания (вибрации) хорошо распространяются в водной среде. Это имело важное значение в эволюции органов чувств, ориентации в пространстве и коммуникации между водными обитателями. Вчетверо большая, чем в воздухе, скорость звука в водной среде определяет более высокую частоту эхолокационных сигналов.

В связи с высокой плотностью водной среды ее обитатели лишены обязательной связи с субстратом, которая характерна для наземных форм и связана с силами гравитации. Поэтому есть целая группа водных организмов (как растений, так и животных), существующих без обязательной связи с дном или другим субстратом, «парящих» в водной толще. Электропроводность открыла возможность эволюционного формирования электрических органов чувств, обороны и нападения.

Наземно-воздушная среда жизни характеризуется огромным разнообразием условий существования, экологических ниш и заселяющих их организмов. Важно отметить, что организмы играют первостепенную роль в формировании условий наземно-воздушной среды жизни, и прежде всего газового состава атмосферы. Практически весь кислород земной атмосферы имеет биогенное происхождение.

Основными особенностями наземно-воздушной среды являются большая амплитуда изменения экологических факторов, неоднородность среды, действие сил земного тяготения, низкая плотность воздуха. Комплекс физико-географических и климатических факторов, свойственных определенной природной зоне, приводит к эволюционному становлению морфофизиологических адаптации организмов к жизни в этих условиях, многообразию форм жизни.

Высокое содержание кислорода в атмосфере (около 21 %) определяет возможность формирования высокого (энергетического) уровня обмена веществ.

Атмосферный воздух отличается низкой и изменчивой влажностью. Это обстоятельство во многом лимитировало (ограничивало) возможности освоения наземно-воздушной среды, а также направляло эволюцию водно-солевого обмена и структуры органов дыхания.

Почва как среда жизни является результатом деятельности живых организмов. Заселявшие наземно-воздушную среду организмы приводили к возникновению почвы как уникальной среды обитания. Почва представляет собой сложную систему, включающую твердую фазу (минеральные частицы), жидкую (почвенная влага) и газообразную. Соотношение этих трех фаз и определяет особенности почвы как среды жизни. Важной особенностью почвы является также наличие определенного количества органического вещества. Оно образуется в результате отмирания организмов и входит в состав их экскретов (выделений).

Условия почвенной среды обитания определяют такие свойства почвы, как аэрация (т. е. насыщенность воздухом), влажность (присутствие влаги), теплоемкость и термический режим (суточный, сезонный, разногодичный ход температур). Термический режим по сравнению с наземно-воздушной средой более консервативный, особенно на большой глубине. В целом почва отличается довольно устойчивыми условиями жизни. Вертикальные различия характерны и для  других свойств почвы, например, проникновение света зависит от глубины.

Почвенная среда занимает промежуточное положение между водной и наземно-воздушной средами. В почве возможно обитание организмов, обладающих как водным, так и воздушным типом дыхания. Вертикальный градиент проникновения света в почве еще более выражен, чем в воде. Микроорганизмы встречаются по всей толще почвы, а растения (в первую очередь корневые системы) связаны с наружными горизонтами. Для почвенных организмов характерны специфические органы и типы движения (роющие конечности у млекопитающих; способность к изменению толщины тела; наличие специализированных головных капсул у некоторых видов); формы тела; прочные и гибкие покровы; редукция глаз и исчезновение пигментов. Среди почвенных обитателей широко развита сапрофагия — поедание трупов других животных, гниющих остатков и т. д.

 Организм как среда обитанияЖивой организм может также служить средой обитания для паразитов и симбионтов.

Организм как среда обитания характеризуется определенным постоянством (гомеостазом). В то же время некоторые виды паразитов вынуждены противостоять агрессивной среде организма (например, агрессивной среде желудочно-кишечного тракта) и иммунной системе. Организм, как правило, обеспечивает паразитов и симбионтов питательными веществами, находящимися в доступной форме и не требующими дальнейшего пищеварения и переработки. Поэтому у большинства паразитов наблюдается упрощенное строение (редукция) органов пищеварения. Стратегия их выживания направлена на оставление как можно большего числа потомков, формирование защитных механизмов и приспособлений к распространению.

Экологические факторы — элементы среды, оказывающие влияние на организмы, в ответ на которые организмы реагируют приспособительными реакциями.

По природе различают:

-   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;

-   антропогенные факторы — воздействия человека, человеческой деятельности на природу; по размаху и глобальности своего воздействия они приближаются к геологическим силам.

Каждый из экологических факторов незаменим. Так, недостаток тепла нельзя заменить обилием света, минеральные элементы, необходимые для питания растений, — водой.

К абиотическим факторам  – или факторам неживой природы, относятся климатические, температурные условия, влажность, освещенность, химический состав атмосферы, почвы, воды, особенности рельефа.

К биотическим факторам  относятся все организмы и непосредственные продукты их жизнедеятельности. Организмы одного вида вступают в различные по характеру отношения, как друг с другом, так и с представителями других видов. Эти отношения, соответственно подразделяются на внутривидовые и межвидовые.

Внутривидовые отношения  проявляются во внутривидовой конкуренции за пищу, кров, самку. Так же они проявляются в особенностях поведения, иерархии отношений между членами популяции.

Межвидовые отношения  могут быть симбиотическими, хищническими, паразитическими.

Антропогенные  факторы связаны с деятельностью человека, под влиянием которой среда изменяется и формируется. Деятельность человека распространяется, практически, на всю биосферу: добыча полезных ископаемых, освоение водных ресурсов, развитие авиации и космонавтики сказываются на состоянии биосферы. В результате возникают разрушительные процессы в биосфере, к которым относятся загрязнение вод, «парниковый эффект», связанный с увеличением концентрации диоксида углерода в атмосфере, нарушения озонового слоя, «кислотные дожди» и т.д.

Организмы адаптируются  (приспосабливаются) к влиянию определенных факторов в процессе естественного отбора. Их адаптационные возможности определяются нормой реакции  по отношению к каждому из факторов, как постоянно действующих, так и колеблющихся в своих значениях. Например, длина светового дня в конкретном регионе постоянна, а температура и влажность могут колебаться в достаточно широких пределах.

Экологические факторы характеризуются интенсивностью действия, оптимальностью значения (оптимумом), максимальным и минимальным значениями, в пределах которых возможна жизнь конкретного организма. Эти параметры для представителей разных видов различны.

Отклонение от оптимума какого-либо фактора, например, снижение количества пищи, может сузить пределы выносливости  птиц или млекопитающих по отношению к понижению температуры воздуха.

Фактор, значение которого в данный момент находится на пределах выносливости, или выходит за них называется ограничивающим.

Организмы, способны существовать как в широких пределах колебания фактора, так и в узких. Например, организмы, обитающие в условиях континентального климата, переносят широкие колебания температур. Такие организмы обычно имеют широкие ареалы распространения. В узких пределах колебания фактора, т.е. в относительно постоянных условиях, существуют паразитические или симбиотические формы. Ареал таких организмов ограничен.

Интенсивность воздействия различных экологических факторов на популяцию в целом называется правилом оптимума и описывается графически. По оси ординат откладывается численность популяции в зависимости от дозы того или иного фактора (ось абсцисс). Выделяют оптимальные дозы фактора и дозы действия фактора, при которых происходит угнетение жизнедеятельности данного организма. На графике это соответствует пяти зонам: зона оптимума, справа и слева от нее зоны пессимума (от границы зоны оптимума до max или min) и летальные зоны (находящиеся за пределами max и min), в которых численность популяции равна 0. Интенсивность фактора, наиболее благоприятную для жизнедеятельности, называют оптимальной, или оптимумом. Границы, за которыми существование организма невозможно, называют нижним и верхним пределами выносливости.

Эврибионты

организмы, проживающие в различных условиях среды (выносят широкий диапазон колебаний фактора).

Стенобионты

организмы, требующие строго определенных условий существования (узкий диапазон колебаний фактора).

При комплексном воздействии различных факторов на организмы лимитирующим (ограничивающим развитие организмов) фактором является фактор, находящийся в недостатке или избытке. Образно это положение помогает представить так называемая «бочка Либиха». Представьте себе бочку, в которой деревянные рейки по бокам имеют разную высоту. Понятно, какой бы высоты ни были остальные рейки, но налить воды в бочку можно ровно столько, какова длина самой короткой рейки.

Закон оптимума, минимума и максимума.

 Этот закон говорит о том, что наивысший урожай можно получить только при среднем, то есть оптимальном, наличии фактора жизни растений.

Действие этого закона наглядно проявляется при выращивании растений на фонах разного обеспечения каким-либо одним фактором жизни, например водой, теплом, углекислым газом или любым другим. Во всех случаях по мере увеличения количества фактора от минимального к оптимальному условия произрастания растений будут улучшаться, а урожай увеличиваться. При дальнейшем же увеличении, количества фактора урожай начнет уменьшаться, пока не достигнет близкого к нулевому при максимальном количестве фактора жизни растений.

На произрастание культурных растений оказывает влияние не единичный фактор жизни, а совокупность факторов жизни и условий среды. Было установлено, что, изменяя только один фактор жизни, без прямого воздействия на остальные, прибавки урожая постепенно затухают, а потом и совсем прекращаются от одинаковых дополнительных доз фактора. Причина тому — ограничивающее влияние других факторов жизни, так как вступает в действие закон минимума, или ограничивающих факторов, — урожайность сельскохозяйственных культур зависит от фактора жизни, находящегося в относительном минимуме. 

Закон минимума, или ограничивающих факторов, имеет отношение и к физиологии растений, где его трактовали так; находящийся в относительном минимуме фактор ограничивает воздействие всех остальных факторов жизни. Предполагалось, что факторы жизни действуют на растения изолированно один от другого. Однако этого в природе нет. Многочисленными опытами и практикой установлено, что жизнедеятельность культурных растений действительно зависит от факторов жизни, находящихся в относительном минимуме, но в отдельных случаях недостаток одних факторов жизни можно несколько сгладить хорошим обеспечением другими факторами жизни. Например, если в процессе фотосинтеза ограничивающим фактором будет углекислый газ, то это ограничение можно снять несколькими способами: во-первых, увеличением концентрации углекислого газа в окружающем растения атмосферном воздухе; во-вторых, путем создания оптимальной температуры окружающего воздуха. Последнее приведет к усилению диффузии молекул углекислого газа из окружающей среды в межклеточные пространства листа, то есть к лучшему обеспечению хлоропластов углекислым газом.
Сложность взаимоотношений факторов жизни между собой, а также между ними и растениями не позволяет упрощенно понимать действие закона минимума, или ограничивающих факторов.

В производственных условиях необходимо знать факторы жизни, находящиеся в первом, втором и последующих минимумах, и агротехническими, а также другими приемами снимать их ограничивающее влияние.

Ограничивать урожай могут не только факторы жизни, но и неблагоприятные условия среды: почвенные, фитологические и агротехнические, например кислотность почвы, ее засоренность. Следует применять меры к ограничению их отрицательного влияния на культурные растения.

 

Биологические ритмы.  

Многие биологические процессы в природе протекают ритмично, т.е. разные состояния организма чередуются с достаточно четкой периодичностью. К внешним факторам относятся – изменение освещенности (фотопериодизм), температуры (термопериодизм), магнитного поля, интенсивности космических излучений. Рост и цветение растений зависят от взаимодействия между их биологическими ритмами и изменениями средовых факторов. Эти же факторы определяют время наступления перелетов птиц, линьку животных и т.д.

 

Фотопериодизм 

 – фактор, определяющий длину светового дня и в свою очередь влияющий на проявление других факторов среды. Длина светового дня для многих организмов является сигналом смены сезонов. Очень часто на организм оказывает влияние сочетание факторов, и если какой либо из них является ограничивающим, то влияние фотопериода снижается или не проявляется вовсе. При низких температурах, например растения не зацветают.

 

Тематические задания

 

А1. Организмы, как правило, приспосабливаются

1) к нескольким, наиболее существенным экологическим факторам

2) к одному, важнейшему для организма фактору

3) ко всему комплексу экологических факторов

4) в основном, к биотическим факторам

 

А2. Ограничивающим называется фактор

1) снижающий выживаемость вида

2) наиболее приближенный к оптимальному

3) с широким диапазоном значений

4) любой антропогенный

 

А3. Ограничивающим фактором для ручьевой форели может стать

1) скорость течения воды 

2) повышение температуры воды

3) пороги в ручье             

4) длительные дожди

 

А4. Актиния и рак-отшельник находятся в отношениях

1) хищнических

2) паразитических

3) нейтральных

4) симбиотических

 

А5. Биологическим оптимумом называется положительное действие

1) биотических факторов    

2) абиотических факторов

3) всех видов факторов       

4) антропогенных факторов

 

А6. Наиболее важным приспособлением млекопитающих к жизни в непостоянных условиях среды можно считать способность к

1) саморегуляции

2) анабиозу

3) охране потомства

4) высокой плодовитости

 

А7. Фактор, вызывающий сезонные изменения в живой  природе, – это

1) атмосферное давление

2) долгота дня

3) влажность воздуха 

4) t воздуха

 

А8. К антропогенному фактору относится

1) конкуренция двух видов за территорию 

2) ураган

3) содержание кислорода в атмосфере        

4) сбор ягод

 

А9. Воздействию факторов с относительно постоянными значениями подвергается

1) домашняя лошадь 

2) майский жук 

3) бычий цепень 

4) человек

 

А10. Более широкой нормой реакции по отношению к сезонным колебаниям температуры обладает

1) прудовая лягушка

2) ручейник

3) песец 

4) пшеница

 

В1. К биотическим факторам относят

1) органические остатки растений и животных в почве

2) количество кислорода в атмосфере

3) симбиоз, квартиранство, хищничество

4) фотопериодизм

5) смена времен года

6) численность популяции

Ольга Владимировна. Репетитор. Дистанционная подготовка к ЕГЭ

Орлова Ольга Владимировна.
Опытный репетитор
 

Платное на сайте




Сайт оказался полезен? Поделись с друзьями!
Жми на кнопку своей социальной сети!