Экосистемы в экологии

Создав  биогеохимические "свалки", природа, возможно, хотела предостеречь человека от непродуманной, безнравственной деятельности, показать ему на наглядном примере, к чему приводит нарушение распределения химических элементов в земной коре и на её поверхности.

Возможность нашей жизни, ее условия находятся в зависимости от природных ресурсов. Биологические и особенно пищевые ресурсы служат материальной основой жизни. Минеральные и энергетические ресурсы, включаясь в производство, служат основой стабильного уровня жизни.

Интенсивно потребляя природные ресурсы, человеку необходимо соблюдать природное равновесие. Сбалансированность ресурсов в круговороте веществ определяет устойчивость биосферы.

2 Экологические  фактора и их описание.

2.1. Среда  обитания и классификация экологических факторов.

Под средой обитания понимают совокупность внешних природных условий и явлений, в которые погружены живые организмы, и с которыми эти организмы находятся в постоянном взаимодействии.

В биоэкологии  речь обычно идет о природной среде, не измененной человеком. В прикладной (социальной) экологии говорят об окружающей среде, так или иначе опосредованной человеком.

Отдельные элементы среды обитания, на которые  организмы реагируют приспособительными реакциями (адаптациями), называются экологическими факторами или факторами среды. Среди факторов среды выделяют обычно три группы факторов: абиотические, биотические и антропогенные.

1. Абиотическими факторами среды называются условия, напрямую не связанные с жизнедеятельностью организмов. К числу наиболее важных абиотических факторов можно отнести температуру, свет, воду, состав атмосферных газов, структуру почвы, состав биогенных элементов в ней, рельеф местности и т.п. Эти факторы могут воздействовать на организмы как непосредственно, например свет или тепло, так и косвенно, например рельеф местности, обусловливающий действие прямых факторов, света , ветра, влаги и пр. Возможно, среди абиотических факторов присутствуют и такие , о которых мы пока даже не догадываемся. Так, например, мы совсем недавно открыли влияние изменений солнечной активности на процессы в биосфере.

2. Биотическими факторами среды называется совокупность влияний одних организмов на другие. Живые существа могут служить источником пищи для других организмов, являться средой их обитания, способствовать их размножению и т.п. Действие биотических факторов может быть не только непосредственным, но и косвенным, выражаясь в корректировке абиотических факторов, например, изменение состава почвы, микроклимата под пологом леса и т.п.

АБИОТИЧЕСКИЕ	БИОТИЧЕСКИЕ
Физические климатические - влага, свет, температура, ветер, давление, течения, продолжительность суток	Влияние растений друг на друга и на другие организмы  в биоценозе (прямо или опосредованно)
Физические  эдафические - влагоемкость, теплообеспеченность механический состав и проницаемость почвы	Влияние животных друг на друга и на другие организмы  в биоценозе
Химические - состав воздуха, содержание в почве или воде элементов питания, соленость воздуха и воды, реакция рН	Антропические факторы - все виды человеческой деятельности

3. Антропогенными факторами среды называется совокупность влияний человека на живые организмы. Это влияние также может быть прямым, например, когда человек вырубает лес или отстреливает животных, или косвенным, проявляющимся в воздействии человека на абиотические и биотические факторы среды, например, изменение состава атмосферы, почвы, гидросферы, или изменение структуры экосистем.

3. Экологическая  роль основных абиотических факторов 

3.1. Солнечное  излучение 

Солнечное излучение - основной источник энергии для экоси-стемы. Оно - великое благо для всего живого и одновременно фак-тор, устанавливающий жесткие рамки для его существования.

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

К наиболее важным физиологическим и биохимическим  процес-сам, осуществляемым в живом  организме, благодаря наличию света, можно отнести следующие ( по Н.Грину  и др.,1990):

1. Фотосинтез (1-2% падающей на Землю солнечной  энергии ис-пользуется для фотосинтеза);

2. Транспирация (около 75 % - для транспирации, обеспечиваю-щей  охлаждение растений и движение  по ним водных растворов ми-неральных  веществ);

3. Фотопериодизм (обеспечивает синхронность жизненных про-цессов в живых организмах периодически меняющимся условиям среды);

4. Движение (фототропизм  у растений и фототаксис у  животных и микроорганизмов);

5. Зрение (одна  из главных анализирующих функций  живот-ных);

6. Прочие процессы (синтез витамина Д у человека на свету, пигментация 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 вырабо-тались особые приспособительные реакции в виде ярусности, моза-ичности листьев, фенологических различий и т.п. По требовательно-сти к условиям освещения растения делятся на световые или свето-любивые (подсолнечник, подорожник, томат, акация, дыня), теневые или несветолюбивые (лесные травы, мхи) и теневыносливые (щавель, вереск, ревень, малина, ежевика).

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

3.2. Температура. 

Для естественных экосистем нашей зоны температурный  фактор наряду со светообеспечением является определяющим для всех жиз-ненных 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 уро-вень жизненных процессов вплоть до анабиоза. В первую очередь это касается растений, микроорганизмов, грибов и пойкилотермных (холоднокровных) животных. Активность сохраняют только гомойо-термные ( теплокровные) виды. Гетеротермные организмы, нахо-дясь в неактивном состоянии, имеют температуру тела не на много выше температуры внешней среды; в активном состоянии - достаточ-но высокую ( медведи, ежи, летучие мыши, суслики).

Терморегуляция  гомойотермных животных обеспечивается осо-бым типом обмена веществ, идущим с выделением в организме жи-вотных тепла, наличием теплоизолирующих покровов, размерами, физиологией и т.д.

Что же касается растений, то они выработали в процессе эволю-ции 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. 

7. 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 мне-нию большинства специалистов, приведет к катастрофическим по-следствиям для биосферы.

3.3.Влажность.

Условия влагообеспечения в нашей зоне достаточно благопри-ятны 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 внут-ренней среды.

По отношению  к водному режиму выделяют следующие  экологические группы живых существ:

1. Гидробионты  - обитатели экосистем, весь жизненный цикл которых проходит в воде;

2. Гигрофиты  - растения влажных мест обитания (калуженица болотная, купальница  европейская, рогоз широколистный);

3. Гигрофилы  - животные, обитающие в очень  сырых частях экосистем (моллюски, амфибии, комары, мокрицы);

4. Мезофиты - растения  умеренно увлажненных мест обитания;

5. Ксерофиты  - растения сухих мест обитания (ковыли, полыни, астрогалы);

6. Ксерофилы  - обитатели засушливых территорий, не перено-сящие повышенную увлажненность  (некоторые виды пресмыкающихся, насекомых, пустынные грызуны и млекопитающие).

7. Суккуленты - растения  наиболее засушливых местообитаний,  способные накапливать значительные  запасы влаги внутри стебля  или листьев (кактусы, алоэ, агава);

8. Склерофиты - растения очень засушливых территорий, способные выдерживать сильную обезвоженность (верблюжья колючка обыкновенная, саксаул, саксагыз);

9. Эфемеры и  эфемероиды - однолетние и многолетние  травя-нистые виды, имеющие укороченный  цикл, совпадающий с периодом  достаточного увлажнения.

Влагопотребление  растений может быть охарактеризовано сле-дующими 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  во-ды, расходуемое растением и  почвой на создание единицы биомассы (для луговых трав - 350-400 м3 воды на одну тонну биомассы);

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

3.4. 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.

Общие закономерности совместного действия факторов на организмы

4. Основные законы действия абиотических факторов.

4.1. Понятие  об оптимуме

Каждый  организм, каждая экосистема развивается  при определенном сочетании факторов: влаги, света, тепла, наличия и состава  питательных ресурсов. Все факторы  действуют на организм одновременно. Для каждого организма, популяции, экосистемы существует диапазон условий среды - диапазон устойчивости, в рамках которого происходит жизнедеятельность объектов.

В процессе эволюции у организмов сформировались определенные требования к условиям среды. Дозы факторов, при которых организм, популяция или биоценоз достигают наилучшего развития и максимальной продуктивности, соответствует оптимуму условий. С изменением этой дозы в сторону уменьшения или увеличения происходит угнетение организма и чем сильнее отклонение значения факторов от оптимума, тем снижение жизнеспособности больше, вплоть до гибели организма или разрушения биоценоза. Условия, при которых жизнедеятельность максимально угнетена, но организм и биоценоз еще существуют, называются пессимальными.

ПРИМЕР. На севере лимитирующий фактор - тепло, на юге - влагообеспеченность. На Крайнем  Севере самые производительные леса из лиственницы Каяндера разнотравные растут в поймах рек - здесь складывается благоприятный гидротермический режим  и почвы во время паводков регулярно пополняются элементами питания. Самые низкопроизводительные леса - из той же лиственницы, но с покровом из сфагновых мхов, формируются на северных склонах гор в условиях постоянного переувлажнения и холодности почв. Уровень многолетней мерзлоты под моховым покровом не опускается ниже 30 см. В Южном Приморье оптимальные лесорастительные условия свойственны северным склонам в их средней части, а пессимальные - сухим южным склонам с выпуклой поверхностью.

Можно привести много примеров оптимумов и пессимумов у растений, животных и их сообществ по отношению к свету, влаге, теплообеспеченности, засоленности почв и др. факторам.