Общая харктеристика живых организмов в сферах Земли

Э. изучает взаимодействие сельскохозяйственных и природных  экосистем, сочетания окультуренных  и естественных ландшафтов. Одна из важнейших практических задач Э. — изучение евтрофирования внутренних водоёмов, возникающего в результате нарушения их биологического и гидрохимического режима, приводящего к неблагоприятным для человека последствиям: массовому развитию планктонных синезелёных водорослей ("цветению воды"), исчезновению ценных пород рыб, ухудшению качества воды. Разработка мер по охране и рациональному использованию дикой природы, создание сети заповедников, заказников и национальных парков, планирование ландшафта также производятся по рекомендациям, разрабатываемым экологами.

Абиотические  факторы водной среды. Температура, свет, солёность воды, содержание кислорода, углекислого газа, ионов водорода. Адаптация гидробионтов.

Вода занимает преобладающую  часть биосферы земли (более 71% земной поверхности) и формирует гидросферу, включающую океан, внутренние моря, пресные  воды (горные льды, реки, болота, озера, грунтовые воды). Водные условия создают своеобразную среду обитания. Плотность воды в 800 раз, вязкость в 55 раз выше аналогичных показателей воздуха. Вода характеризуется низкой растворимостью в ней кислорода, который может быстро расходоваться на окисление попадающих в воду органических соединений, поступающих в водную среду со сточными водами предприятий, от населения, от животноводческих комплексов. Это легко приводит к гибели аэробных видов организмов (в воде остаются анаэробные, гнилостные виды бактерий). К другим основным свойствам водной среды относятся ее подвижность (течения, перемешивание), соленость и кислотность. Обитатели водной среды приспособлены к соответствующим водно-солевым режимам, и их изменение в результате промышленного загрязнения тоже ведет к гибели гидробионтов. Другими факторами загрязнения, помимо упомянутых выше нарушений кислородного и солевого баланса, являются изменения температурного режима и токсичность сточных вод. Распределение основных солей в различных водоемах показывает разнообразие условий среды по фактору солености и предполагает соответствующее разнообразие жизненных форм организмов:    

Прозрачность воды определяет толщину эуфотической (в достаточной мере освещенной) зоны, в которой происходит развитие фотосинтезирующих бактерий и растений, образуется и накапливается органическое вещество. Важной естественной особенностью температурного режима воды является температурная стратификация, т. е. изменение температуры по глубине водного объекта. Высокая удельная теплоемкость, расширение воды при замерзании и наибольшая плотность воды при +4оС создают температурные и конвекционные режимы, особенные для различных по площади и глубине типов водоемов. Водоемы подразделяют на две большие группы: стоячие (лентическая среда) – это озера, пруды, болота и проточные (лотические) – реки и ручьи. В любом лентическом водоеме выделяется три зоны: литоральная – мелководные участки; лимническая – толща воды, глубины которой достигает солнечный свет; компенсационный горизонт – с процессами, обратными биопродуцированию. Как и в любых других экосистемах, в водных трофических цепях различают автотрофные организмы (продуценты), а также разрушителей органического вещества (декомпозеров) – это фаготрофы (макроконсументы), сапрофиты (микроконсументы). В реках и ручьях выделяют две зоны: мелководные перекаты и глубоководные плесы. Каждой из этих зон свойственны свои биоценозы. Движение воды, связанное с ее скоростью, турбулентностью, обусловливает передвижение и локализацию сбрасываемых производственными сточными водами загрязняющих веществ, специфику их осаждения и разложения – т. е. особенности процессов «самоочищения» водоемов.

Физические свойства:

1. Плотность. Плотность  как экологический фактор определяет  условия передвижения организмов, причем некоторые из них (головоногие  моллюски, ракообразные и т.д.), обитающие  на больших глубинах, могут переносить  давление до 400 - 500 атмосфер. Плотность  воды также обеспечивает возможность  опираться на нее, что особенно  важно для бесскелетных форм (планктон).

2. Температура. Изменение  t° в зависимости от глубины и колебания (суточные и сезонные). Температурный режим водоемов более устойчив, чем на суше, что связано с высокой теплоемкостью воды. Например, колебания t° верхних слоев океана -10-15°С, более глубокие слой 3 -4°С.

3. Световой режим. Играет  важную роль в распределении  водных организмов. Водоросли в  океане обитают в освещаемой  зоне, чаще всего на глубине  до 40 м, если прозрачность воды  велика, то и до 200 м. У Багамских  островов обнаружены водоросли  на глубине 265 м, а туда доходит  всего 5*10-6 солнечной радиации. С глубиной меняется и окраска животных. Наиболее ярко и разнообразно окрашены обитатели мелководной части океана. В глубоководной зоне распространена красная окраска, здесь она воспринимается, как черный цвет, что позволяет животным скрываться от врагов. В наиболее глубоководных районах Мирового океана в качестве источника света организмы используют свет, испускаемый живыми существами (биолюминесценция).

4. Подвижность  - постоянное  перемещение водных масс в пространстве.

5. Прозрачность. Зависит  от содержания взвешенных частиц. Самое чистое - море Уэддела в Антарктиде, видимость 80м (прозрачность дистиллированной воды).

Химические свойства:

1. Соленость воды  - содержание  растворенных сульфатов, хлоридов, карбонатов. В океане 35 г/л солей.  Черное море - 19 г/л. Пресноводные виды не могут обитать в морях, а морские - в реках. Однако, такие рыбы, как лосось, сельдь всю жизнь проводят в море, а для нереста поднимаются в реки.

2. Количество растворенного О и СО. О - для дыхания.

3. Кислая, нейтральная, щелочная  среда.

Все обитатели приспособились к определенным кислотно-щелочным условиям. Их изменение в результате загрязнения  может привести к гибели организмов.

Величина популяции: численность, плотность. Минимальный  размер численности. Эффективная величина.

На основании оценки потока энергии нельзя, однако, определить размеры отдельных популяций, входящих в сообщество. К тому же величина популяции обычно не бывает постоянной. Некоторые ее колебания носят  плавный и упорядоченный характер и в ряде случаев бывают циклическими; другие могут быть резкими и нерегулярными. Эти изменения обусловлены различными причинами, например колебаниями рождаемости  и смертности, иммиграцией и эмиграцией особей. В некоторых случаях изменение  величины популяции определяется одной  лишь рождаемостью. Такова, например, причина  весеннего и осеннего «цветения» диатомовых водорослей и динофлагеллят. Каждая клетка делится, затем каждая из дочерних клеток снова делится и т. д., т. е. численность растет в геометрической прогрессии (1, 2, 4, 8, 16...). В этом случае график увеличения числа особей в ряде поколений представляет собой логарифмическую, или экспоненциальную, кривую. Другим примером такого почти экспоненциального роста популяции служит размножение атлантического морского окуня в бухте Сан-Франциско, где в 1879 и 1881 годах было выпущено 435 особей. В 1899 году улов этой рыбы составил здесь около 600 т. Очевидно, что в природных условиях экспоненциальный рост не может продолжаться безгранично. Раньше или позже, причем довольно внезапно, вступает в действие тот или иной лимитирующий фактор. В случае цветения фитопланктона таким фактором служит количество питательных веществ. Скорость размножения падает, на численности популяции начинает сказываться смертность, и она резко сокращается.

Другая форма роста  популяции характеризуется S-образной кривой. В этом случае прирост постепенно замедляется и наступает равновесие. Этот верхний уровень, к которому, как говорят, асимптотически приближается величина популяции, иногда называют емкостью данного местообитания или области. Около 1800 года на Тасманию были завезены овцы, и в последующие годы велся  тщательный учет их численности. Примерно к 1850 году популяция быстро выросла  до 1 700 000 голов и с тех пор (до 1934 года) оставалась более или менее  постоянной, с небольшими нерегулярными  отклонениями, обусловленными, вероятно, климатическими факторами, которые  ограничивают величину рентабельного  поголовья. У многих насекомых, которые выводятся один раз в год и живут не более года, последовательные поколения не перекрываются. У большинства других видов, живущих дольше или размножающихся несколько раз в год, поколения перекрываются и, следовательно, популяция имеет определенную возрастную структуру. Для каждой возрастной группы характерна своя скорость размножения и вымирания, которые при неизменных внешних условиях довольно постоянны. Численные соотношения между различными группами влияют на величины рождаемости и смертности для популяции в целом и определяют скорость ее обновления. Это связано с тем, что смертность изменяется с возрастом, а в размножении обычно принимают участие определенные возрастные группы. При любом возрастном распределении этих процессов (смертности и размножения), если оно постоянно, создается определенная возрастная структура популяции; поэтому при постоянных внешних условиях для каждой популяции характерен некоторый стабильный возрастной состав и рост ее протекает плавно. Эта стабильная возрастная структура может временно изменяться в результате необычного повышения рождаемости или смертности, но в конце концов она возвращается к норме. При идеальных условиях, когда ресурсы среды ничем не ограничены, относительная скорость роста популяции (т. е. величина ее прироста за единицу времени в расчете на 1 особь) максимальна и постоянна. Эту скорость часто называют биотическим потенциалом; она характеризует внутреннюю потенциальную способность данной популяции к росту. Рост некоторых лабораторных популяций насекомых и грызунов приближается к этому максимуму. Приведем некоторые сравнительные цифры прироста популяции за 1 год в расчете на 1 особь женского пола: человек — 0,0055; серая крыса в лаборатории — 5,4; большой мучной хрущак — 36,8. Если бы экспоненциальный рост продолжался в течение года, то популяция человека увеличилась бы в 1,0055 раза, популяция крыс — в 221 раз, а популяция мучного хрущака — в 1,06 • 1015 раз. В действительности условия среды ограничивают скорость роста; разность между теоретической и действительной скоростями служит мерой «сопротивления среды».

В действительности к рождаемости  и смертности добавляются еще  эмиграция, иммиграция и общая миграция. В большинстве случаев эмиграция  и иммиграция уравновешивают друг друга; однако массовые перемещения особей в том и другом направлении  сильно влияют на структуру популяции. Эффект перемещения зависит в  свою очередь от состояния популяции: если популяция находится на грани  вымирания, массовая иммиграция может  предотвратить ее гибель; если же численность  популяции чрезмерно велика, массовая эмиграция может привести к ее катастрофическому сокращению (например, в тех случаях, когда белые  совы или лемминги покидают перенаселенную область).

Миграция — это особый случай перемещения особей, когда  почти вся популяция на время  уходит из определенного района. Сезонные или суточные миграции позволяют  организмам использовать оптимальные  условия среды в таких местах, где они не могли бы жить постоянно. Перебираясь с места на место  вслед за перемещением оптимальных  условий, такие виды могут сохранять  высокую активность и поддерживать большую плотность популяции  и в те периоды, когда немигрирующие  виды переходят в неактивное состояние (в состояние диапаузы или зимней спячки). Во всех случаях на миграцию особей большое влияние оказывают  естественные преграды — вода (для  нелетающих наземных видов), суша и  различия в солености воды (для  водных организмов), крайние температуры, горные хребты и т. п. Весьма вероятно, однако, что внутрипопуляционные  факторы оказывают более сильное  влияние на размеры популяции, чем  перемещение особей.

Какие же факторы ограничивают рост популяций? Почему одни виды встречаются  в изобилии, а другие редки? Для  некоторых видов решающее значение имеют физические факторы. В особенности  это относится, видимо, к мелким организмам с коротким жизненным циклом и  высокой интенсивностью обмена (на единицу массы тела). Вообще говоря, численность особей могут лимитировать такие факторы, как нехватка природных ресурсов (например, пищи или мест, пригодных для размножения), недоступность этих ресурсов при данной способности животного к передвижению и поискам (если, например, подходящие кормовые растения слишком рассредоточены в пространстве) и недостаток времени для размножения (чересчур короткий влажный сезон, короткий день, например в Арктике, и т. п.). Численность популяций растительноядных насекомых в пустыне ограничивается количеством пищи, доступной в течение короткого вегетационного периода; с наступлением засухи кормовые растения исчезают. Численность данного вида насекомых зависит от свойственной ему скорости размножения и от длительности благоприятного сезона.

У более крупных организмов жизненные циклы более продолжительны, их численность и биомасса более  четко отражают величину потока энергии. Размеры их популяций определяются не столько физической средой, сколько  взаимодействием между отдельными особями или взаимоотношениями  их с конкурентами, хищниками и  паразитами. Это не значит, что подобные факторы совсем не влияют на мелкие организмы — они просто не играют столь решающей роли, если говорить о природных, а не лабораторных условиях. Из внутренних факторов на величину популяции могут оказывать влияние различные физиологические или поведенческие факторы, а иногда те и другие одновременно. К физиологическим факторам относится, в частности, стресс. Если, например, плотность популяции какого-нибудь грызуна чрезмерно возрастает, то животные чаще встречаются между собой. Возникают драки, условия жизни в целом становятся более напряженными («стрессовыми»), и это ведет к увеличению надпочечников; связанное с этим нарушение гормонального баланса отрицательно сказывается на спаривании и размножении; кроме того, при скученности возрастает смертность. Один из очевидных факторов, регулирующих численность популяций, — это хищники. Отрицательное влияние хищников (а также паразитов) обычно невелико, если оба вида — хищник и его жертва — существуют совместно уже на протяжении длительного времени. Серьезные последствия возникают лишь в том случае, если хищник и жертва (или паразит и хозяин) встречаются друг с другом впервые. Точно так же, если экосистема, в которую они входят, будет выведена из равновесия (например, в результате вмешательства человека), хищники и паразиты могут вызвать резкие изменения численности популяций. Ярким примером служат события на плато Кайбаб в Аризоне, происходившие в период с 1907 по по 1925 год. В 1907 году в этой области было около 4000 оленей и большое число пум и волков. К 1923 году большинство этих хищников было истреблено человеком. В 1925 году численность оленей достигла 1 000 000. Данный район не мог прокормить эту огромную популяцию, олени объели почти все, до чего могли добраться, и за две зимы около 40% стада вымерло. Кормовые ресурсы леса еще и сейчас истощены. Очевидно, что хищники поддерживали равновесие между оленями и растительностью и вместе с тем между оленями и своей собственной популяцией.

Мы уже упоминали о  циклических колебаниях численности  популяций. Некоторые из этих колебаний  связаны с регулярными сезонными  изменениями среды; другие обусловлены  внутренними факторами и взаимодействиями между различными популяциями. Популяции  рыси достигали максимальной численности  примерно каждые 9,6 лет, а в периоды  между этими пиками численности  хищник становился очень редким. Сходный  цикл наблюдался и у зайца, но пики появлялись здесь приблизительно за 1 год до максимумов для рыси. Соответствие между обоими циклами указывает  на то, что они, вероятно, обусловлены  взаимодействием между хищником и его жертвой. Еще один классический пример — циклы усиленного размножения леммингов, мышей и полевок, а также песцов и полярных сов, которые питаются этими грызунами. Каждые 3—4 года происходит чрезвычайно резкое увеличение численности леммингов во всей зоне тундры; иногда грызуны мигрируют из перенаселенных районов, массами направляясь к морю, где и тонут. Вместе с леммингами усиленно размножаются песцы и совы. Внезапно, часто за один сезон, численность леммингов резко падает; тогда песцы погибают от голода, а совы мигрируют к югу. Подобно леммингам, совы мигрируют лишь в одном направлении и уже не возвращаются. Нужно отметить, что эти примеры относятся к обитателям тундры — одной из сравнительно простых экосистем. В более сложных экосистемах выраженных колебаний описанного типа не наблюдается, а если они и происходят, то не столь заметны. По-видимому, сложность экосистемы обеспечивает стабильные отношения между хищниками и их жертвами. Следует подчеркнуть, что колебания численности природных популяций обусловлены сложным взаимодействием всех рассмотренных выше факторов — естественного темпа размножения того или иного вида, «сопротивления» среды, физиологической и поведенческой реакции на перенаселенность, отношений между хищником и жертвой, паразитом и хозяином. Ясно, что в разных районах мира может жить разное число видов. Как правило, в тропических районах мы находим больше видов растений и животных, чем в каком-либо другом месте; число видов быстро уменьшается по направлению к полюсам. Кроме того, острова беднее видами, чем материки; чем меньше остров и чем дальше от материка он расположен, тем меньше на нем различных видов. Любое однородное местообитание небольших размеров имеет ограниченную «емкость» в отношении числа видов. Первый вид, попавший в данное местообитание, находит себе подходящую нишу и размножается, пока не заполнит ее до предела. Теперь уже не остается места для новых видов, если, конечно, один из них не сможет вытеснить прежний вид. Короче говоря, виды конкурируют за определенную нишу в данном местообитании. Это может быть конкуренция за пространство, пищу или свет, взаимное уничтожение и т. п. Рост популяции прекращается, когда при данном количестве жизненно важных ресурсов смертность начинает уравновешивать размножение. Если те же ресурсы начнет использовать какой-то другой вид, то численность обоих видов уменьшится, так как они будут конкурировать между собой. Вообще два вида не могут занимать совершенно одинаковые ниши и оставаться двумя различными видами; рано или поздно они либо сольются в одну скрещивающуюся популяцию (если это возможно), либо один из них вытеснит другой.