Абиотические факторы и их действие

9. Абиотические  факторы и их действие.

 

К основным абиотическим факторам среды относят свет, тепло, наличие влаги, содержание кислорода  в воздухе и т.п. Живые организмы  настолько физиологически зависимы от них, что не могут существовать в среде, где отсутствует хотя бы один из этих факторов. Например, при недостатке влаги в растении останавливаются процессы транспирации, терморегуляции и обмена веществ. Со временем организм погибает. Попытки заменить недостающий фактор, каким либо другим не дадут положительного результата. Так, бессмысленно удобрять увядающее от засухи растение.

Впервые это положение  было изложено В.Р.Вильямсом и называется в настоящее время законом  незаменимости фундаментальных  факторов. Согласно ему полное отсутствие какого-либо фундаментального фактора среды нельзя заменить другим фактором.

Что же касается иных, нефундаментальных  факторов, то их отсутствие или недостаток может быть в некоторых случаях  компенсировано действием аналогичного или близкого фактора. Например, при  недостатке в продуктах питания ионов Са++ они могут быть замещены ионами Sr++ (в т.ч. радиоактивного). Этот эффект известен как закон Э.Рюбеля или закон компенсации (взаимозаменяемости) факторов.

Все абиотические факторы, как фундаментальные, так и не фундаментальные, в природных условиях всегда действуют на живой организм одновременно и совместно. Их совместное действие нельзя игнорировать и сводить все к закону минимума (или закону толерантности Шелфорда). Дело в том, что при взаимодействии факторов (каждый раз – разном) смещаются зоны оптимума и пессимума каждого из них. Любой организм, стремясь выжить, пытается любым способом снизить негативное действие неблагоприятного фактора и максимально использовать оптимальные условия.

Например, увядание растений, вызванное попаданием в почву избыточных количеств каких-либо веществ – загрязнителей, может быть предотвращено за счет увеличения влагопотребления (смещение зоны оптимума) для снижения концентрации этих веществ в клеточном соке.

Совокупность абиотических факторов в пространственных рамках экосистемы для каждой популяции представлена в виде местообитания или стации.

 Например, луговое  растение бекмания обыкновенная (Beckmannia eruciformis L.) во всех луговых  экосистемах занимает самые сырые  стации, колорадский жук (Leptinotarsa decem-lineata Say) обитает на посадках пасленовых (в первую очередь картофеля) во всех полевых агроэкосистемах и т.д. Это свойство видов занимать «свои» стации называется принципом стациальной верности.

 

Солнечное излучение – основной источник энергии для экосистемы. Оно – великое благо для всего живого и одновременно фактор, устанавливающий жесткие рамки для его существования.

Прямое или рассеянное солнечное излучение не требуется  лишь небольшой группе живых существ  – некоторым видам грибов, глубоководных рыб, почвенных микроорганизмов и т.п.

Основу биоценозов средней  полосы России, как и большинства  наземных экосистем, составляют продуценты. Использование ими солнечного света  ограничивается рядом естественных факторов и, в первую очередь, температурными условиями. В связи с этим выработались особые приспособительные реакции в виде ярусности, мозаичности листьев, фенологических различий и т.п. По требовательности к условиям освещения растения делятся на световые или светолюбивые (подсолнечник, подорожник, томат, акация, дыня), теневые или несветолюбивые (лесные травы, мхи) и теневыносливые (щавель, вереск, ревень, малина, ежевика).

 

Растения формируют  условия существования других видов  живых существ. Именно поэтому так  важна их реакция на условия освещения. Загрязнение окружающей среды приводит к изменению освещенности: снижению уровня солнечной инсоляции, уменьшению количества фотосинтетически активной радиации (ФАР часть солнечной радиации с длиной волны от 380 до 710 нм), изменению спектрального состава света. В итоге это разрушает ценозы, основанные на приходе солнечного излучения в определенных параметрах.

 

Температура.

Для естественных экосистем  нашей зоны температурный фактор наряду со светообеспечением является определяющим для всех жизненных процессов. Активность популяций зависит от времени года и времени суток, т.к. в каждый из этих периодов свои температурные условия.

 

Особи многих видов не способны поддерживать постоянную температуру  тела и в холодное время года или  суток снижают уровень жизненных процессов вплоть до анабиоза. В первую очередь это касается растений, микроорганизмов, грибов и пойкилотермных (холоднокровных) животных. Активность сохраняют только гомойотермные ( теплокровные) виды. Гетеротермные организмы, находясь в неактивном состоянии, имеют температуру тела не на много выше температуры внешней среды; в активном состоянии - достаточно высокую ( медведи, ежи, летучие мыши, суслики).

 

Терморегуляция гомойотермных  животных обеспечивается особым типом  обмена веществ, идущим с выделением в организме животных тепла, наличием теплоизолирующих покровов, размерами, физиологией и т.д.

 

Что же касается растений, то они выработали в процессе эволюции ряд свойств:

1.Холодостойкость –  способность переносить длительное  время низкие положительные температуры (от ОоС до +5оС);

2.Зимостойкость –  способность многолетних видов  переносить комплекс зимних неблагоприятных  условий; 

3.Морозостойкость –  способность переносить длительное  время отрицательные температуры; 

4.Анабиоз – способность переносить период длительного недос-татка экологических факторов в состоянии резкого снижения обмена веществ;

5. Жаростойкость –  способность переносить высокие  ( св. +38о…+40оС) температуры без существенных  нарушений обмена веществ; 

6.Эфемерность – сокращение онтогенеза (до 2-6 мес.) у видов, произрастающих в условиях короткого периода благоприятных тем-пературных условий.

 

Устойчивость  к перепадам температурных условий.

Тепловое загрязнение  окружающей среды приводит к сдвигу фенологических фаз развития живых организмов или к аномальным изменениям на определенных этапах онтогенеза. В итоге ряд популя-ций не успевают или не могут дать полноценное потомство, некото-рые не успевают подготовиться к периоду неблагоприятных условий и погибают. Глобальное потепление климата на + 0,5..1,5оС, по мнению большинства специалистов, приведет к катастрофическим последствиям для биосферы.

 

Влажность.

Условия влагообеспечения в нашей зоне достаточно благоприятны для существования организмов. Большая  часть живых существ на 70-95% состоит из воды. Вода нужна для всех биохимических и физиологических процессов. Поэтому она так важна для биоценозов всех экосистем.

Доступность влаги в  разные периоды года и суток различна. В процессе эволюции живые организмы  приспособились регулировать уровень водопотребления и поддерживать оптимальный состав внутренней среды.

 

Влагопотребление  растений может быть охарактеризовано следующими показателями:

1.Засухоустойчивость- способность  переносить пониженную атмосферную  и (или) почвенную засуху;

2.Влагоустойчивость - способность переносить переувлажнения; 3.

Коэффициент транспирации - количество воды, расходуемое на образование  единицы сухой массы (для капусты  белокачанной 500-550, для тыквы-800);

4.Коэффициент суммарного  водопотребления – количество воды, расходуемое растением и почвой на создание единицы биомассы (для луговых трав – 350-400 м3 воды на одну тонну биомассы);

5.Нарушение водного  режима, загрязнение поверхностных  вод опасно, а в некоторых случаях  губительно для ценозов. Изменение круговорота воды в биосфере может привести к непредсказуемым последствиям для всех живых организмов.

 

Воздушно-газовый  режим

Атмосфера Земли имеет  достаточно устойчивый состав. 21% кислорода  в приземном слое воздуха обеспечивает полноценное дыхание всем организмов в естественных экосистемах. 0,03% диоксида углерода- достаточно для фотосинтетических реакций растений. Горизонтальное и вертикальное перемещение воздушных масс создает необходимый воздухообмен для всех обитателей экосистемы – от почвенных микроорганизмов до насекомых и птиц.

Воздушно-газовый режим  может быть нарушен в естественных условиях очень редко (например, при  извержении вулкана), в антропических  – достаточно часто. Главные загрязнители воздуха в наших условиях –  оксид углерода, диоксид серы, диоксид азота, формальдегид, пыль. Затрудняя фотосинтез, дыхание, многие другие физиологические процессы, а в некоторых случаях видоизменяя их, загрязнение атмосферы приостанавливает или прекращает рост и развитие живых организмов, приводя в отдельных случаях к их гибели.

Абиотические факторы  среды только тогда будут полноценно играть свою экологическую роль, когда  последствия жизнедеятельности  человека будут в пределах способности  биосферы к самоочищению и самовосстановлению.

 

 

 

19. Гомеостаз и  сукцессия экосистем.

 

Сукцессия - последовательное изменение биоценозов, которое возникает на одной и той же территории (биотопе) под влиянием естественных или антропогенных факторов.

 

Экосистемы — открытые термодинамические функционально целостные системы, которые существуют за счет поступления из окружающей среды энергии и частично вещества и которые саморазвиваются и саморегулируются.

 

Гомеостаз — состояние внутреннего динамического равновесия естественной системы, которая поддерживается путем регулярного восстановления основных ее структур, вещественно-энергетического состава т.е. постоянной функциональной саморегуляции ее компонентов. Это состояние характерный для всех природных систем — от атома и организма к Галактике. Слово «гомеостазис» можно перевести как «сила устойчивости»

 

Гомеостаз и  сукцессия экологической системы.

 

Естественные экосистемы существуют сотни и тысячи лет, и  обладают определённой стабильностью во времени и пространстве.

Состояние подвижно-стабильного  равновесия экосистемы называется гомеостазом.

 

Для естественной экосистемы гомеостаз поддерживается тем, что  такие системы открыты, т.е. происходит непрерывный обмен веществом, энергией и информацией с окружающей средой. В отличие от естественных экосистем, антропогенные системы не могут существовать без вмешательства человека. И для того, чтобы они находились в состоянии гомеостаза, необходимо управляющее воздействие человека. Практически во всех экосистемах их биотическая часть медленно изменяется во времени.

Сукцессия - это последовательная смена одного биоценоза другим.

Кроме естественной сукцессии  возможна антропогенная сукцессия.

Энергия в экосистемах.

 

Структуры водной и наземной экосистемы.

 

Экосистемы не являются однородными структурами как  в пространстве, так и во времени. Для наземной экосистемы характерна ярусность, т.е. разделение на разновысокие структурные части. Для каждого яруса чаще всего характерен собственный биоценоз.

 

Виды живых организмов, которые преобладают в экосистемах, называются доминантными.

Виды, которые не только преобладают, но и определяют режимы абиотических факторов, называются эдификаторами.

 

Экологический гомеостаз

 

Экологический гомеостаз  наблюдается в климаксовых сообществах  с максимально возможным биоразнообразием при благоприятных условиях среды.

 

Развитие начинается с пионер сообщества и заканчивается  на климаксовом сообществе. Это климаксовое  сообщество образуется, когда флора  и фауна пришла в баланс с местной  средой.

 

Подобные экосистемы формируют гетерархии, в которых  гомеостаз на одном уровне способствует гомеостатическим процессам на другом комплексном уровне.

К примеру, потеря листьев  у зрелого тропического дерева даёт место для новой поросли и  обогащает почву. В равной степени  тропическое дерево уменьшает доступ света на низшие уровни и помогает предотвратить инвазию других видов. Но и деревья падают на землю и развитие леса зависит от постоянной смены деревьев, круговорота питательных веществ, осуществляемого бактериями, насекомыми, грибами. Схожим образом такие леса способствуют экологическим процессам — таким, как регуляция микроклиматов или гидрологических циклов экосистемы, а несколько разных экосистем могут взаимодействовать для поддержания гомеостаза речного дренажа в рамках биологического региона. Вариативность биорегионов так же играет роль в гомеостатической стабильности биологического региона, или биома.

 

Биологический гомеостаз

 

Гомеостаз выступает  в роли фундаментальной характеристики живых организмов и понимается как  поддержание внутренней среды в  допустимых пределах.

 

Внутренняя среда организма включает в себя организменные жидкости — плазму крови, лимфу, межклеточное вещество и цереброспинальную жидкость. Сохранение стабильности этих жидкостей жизненно важно для организмов, тогда как её отсутствие приводит к повреждению генетического материала.