Биология. Учебник для 11 классов средних общеобразовательных
 Скачать 5.71 Mb.
|
|
§ 9. ТЕМПЕРАТУРА – АБИОТИЧЕСКИЙ ФАКТОР СРЕДЫ Вспомните, из курса ботаники и зоологии, какое влияние оказывает температура на прорастание семян растений, зависит ли актив- ность животных от температуры? Температура как экологический фактор оказывает огромное воздейст- вие на организмы. Она влияет на скорость и характер протекания в ор- ганизме обменных процессов. Температура может влиять на характер поведения и географическое распределение организмов на Земле. Для температурного фактора характерны широкие географические, сезонные и суточные колебания. Пределами толерантности для любого живого организма являются температура, при которой наступает денатурация белков, которая приводит к нарушению деятельности жизненно важных ферментов. Заметное снижение температуры ниже 0°С может вызвать ги- бель вследствие образования из молекул воды кристаллов льда и разру- 52 шения клеточных мембран. Диапазон переносимых температур у разных видов в среднем находится в пределах от 0 до +50 °C. Однако темпе- ратурный диапазон активной жизни на планете значительно шире. На суше минимальная температура составляет -70°С, а максимальная +55°С, в море минимальная температура составляет +3°С, а максимальная +35°С, в пресных водоемах температура зимой колеблется от +5°С до +7 °С, в летнее время от +20 °С до +35°С, в геотермальных (греч. geo – земля и terme – тепло, жар) источниках от +25 °С до + 93°С. Некоторые организмы, способны существовать при очень высоких температурах, например, бактерии и некоторые сине-зеленые водоросли, которые могут жить в горячих источниках, накипные лишайники, семе- на и вегетативные органы пустынных растений, находящиеся в верх- нем слое раскаленной почвы. Существует виды животных и растений, которые выдерживают минусовые температуры. Жизненный цикл многих микро скопических водорослей, червей, моллюсков, рачков, рыб, ластоно- гих млекопитающих происходит в температурных условиях от 0 до +2 °С. В зависимости от способа терморегуляции выделяют две группы организмов: пойкилотермные и гомойотермные. Пойкилотермные организмы (от греч. poikilos – изменчивый, меняю- щийся, therme – тепло) – организмы, температура тела которых непостоян- на и изменяется вместе с температурой окружающей среды. К ним отно- сятся беспозвоночные животные, рыбы, земноводные и пресмыкающиеся. Они не могут поддерживать постоянную температуру тела. Повышение температуры окружающей среды в этих организмах приводит к усилению физиологических процессов: к увеличению скорости метаболизма, дыха- ния, кровообращения, увеличения темпа роста и размножения. Снижение температуры приводит к снижению скорости метаболизма в организме, не- которые виды впадают в спячку, в некоторых случаях приводит к смерти. Гомойотермные организмы (от греч. homoios – одинаковый, сход- ный, therme – тепло) – организмы, способные поддерживать отно- сительно постоянную температуру тела при изменении температуры окружающей среды. К ним относятся птицы и млекопитающие. Адаптации растений к различным температурным условиям. Жизнедеятельность растений в значительной степени зависит от тем- пературы окружающей среды. По потребности к количеству тепла их разделяют на экологические группы: теплолюбивые и холодостойкие. Теплолюбивые растения произрастают в тропическом, субтропичес- ком поясах и хорошо прогреваемых местообитаниях умеренного пояса. 53 Холодостойкие растения, населяющие умеренные и холодные пояса, вынуждены адаптироваться к низким температурам. В процессе эволю- ции у растений выработались биохимические, физиологические и мор- фологические адаптации к температуре. Биохимические адаптации. При высокой температуре в цитоплазме клеток теплолюбивых растений увеличивается содержание защитных веществ (органических кислот, солей). Они препятствуют свертыванию цитоплазмы и нейтрализуют токсичные вещества. У холодостойких растений при низких температурах увеличивается концентрация сахара в клеточном соке, что препятствует замерзанию. Физиологические адаптации. Эффективной защитой растений от перегрева служит усиленная транспирация (испарение воды) благода- ря большому количеству устьиц. Растения пустынь и степей имеют короткий цикл развития, позволяющий избегать действия высоких тем- ператур. Весь вегетативный период у них происходит ранней весной, а лето они переживают в состоянии покоя. Однолетние растения, у которых состояние покоя проходит в виде семян, называют эфемерами (пастушья сумка). Многолетние травы, проводящие неблагоприятный период в виде луковиц, клубней или корневищ, называют эфемероидами. Некоторые растения (мхи) и лишайники в борьбе с холодом или жарой переходят в состояние анабиоза (обратимая приостановка жиз- ненных процессов) вследствие обезвоживания. Морфологические адаптации. Растения субтропических и тропичес- ких поясов имеют приспособления, которые снижают действие высоких температур: светлая окраска листьев, покрытая воском, блестящая или опушенная поверхность. Благодаря видоизменению листовых плас тинок уменьшается поглощение света: колючки (кактусы) или мелкие чешуй- чатые (саксаул, можжевельник), рассеченные (пальмы), свернутые (ковыль), игольчатые (сосна, ель) листья. При повороте листовой пластинки происходит изменение угла их наклона и листовые пластинки располагаются вертикально по отноше- нию к солнечным лучам, это противодействует перегреву растений. Растения холодного климата имеют карликовую форму (березы, ивы), встречаются стелющиеся (можжевельник туркестанский) и подушковидные (акантолимон красноватый и копеечник) формы. Эти растения меньше подвержены воздействию ветра, лучше укрыты сне- гом зимой, используют тепло почвы летом. Адаптации животных к различным температурным условиям. У пойкилотермных и гомойотермных организмов в процессе эволюции 54 выработаны разные адаптации или способы терморегуляции к неблаго- приятным температурным условиям. Адаптации животных разделяют на биохимические, физиологические, морфологические и поведенческие. Биохимические адаптации. У хладнокровных животных при низ- кой температуре накапливаются специфические вещества, понижающие точку замерзания воды в жидкостях тела. Например, рыбы, обитаю- щие при низких температурах, содержат в тканевой жидкости глико- протеиды, препятствующие образованию кристаллов льда в организ- ме, насекомые накапливают для этих целей глицерин. У теплокровных животных повышается интенсивность обмена веществ. Физиологические адаптации обеспечивают изменение уровня тепло- отдачи организма, рефлекторно контролируются центральной нервной системой и зависят от интенсивности окислительно-восстановительных реакций. При высоких температурах, у пойкилотермных, и у гомойо- термных животных теплоотдача усиливается за счет испарения влаги с поверхности тела. У млекопитающих важную роль в терморегуляции игра- ют сосудистые реакции: расширение или сужение сосудов кожи усиливает или снижает теплоотдачу. При низких температурах у животных может возникнуть мышечная дрожь. Они могут также впадать в спячку (суслики, сурки, ежи, летучие мыши). Сохранению тепла способствует подкожный жир, особенно выраженный у обитателей холодного климата (пингвины, ластоногие, китообразные). Поддержание постоянной температуры тела тесно связано с развитием четырехкамерного сердца, с усложнением дыхательной системы, с нормальным снабжением организма кислородом. Морфологические адаптации. Уменьшению потерь тепла у орга- низмов способствуют теплоизолирующие покровы: у пресмыкающихся роговые чешуйки, у птиц – перья, у млекопитающих – шерстяной покров. Этологические (поведенческие) адаптации. Животные активно вы- бирают места с наиболее благоприятным температурным режимом, то есть избегают условия с неблагоприятной температурой. Поведенческие способы регуляции теплообмена очень разнообразны – поиск укрытий, сооружение нор и гнезд, миграции и др. Пустынная агама, спасаясь от нагретого песка, залезает на ветви кустарников. Многие насекомые, рептилии и амфибии выбирают места на солнце для обогрева или меняют различные позы для увеличения поверхности обогрева. Одним из механизмов приспособления животных к изменениям температуры внешней среды является миграция, то есть переселение их в районы с более благоприятной температурой. Из курса зоологии вам известны 55 перелетные, кочующие и оседлые птицы. Также, в течение года мигри- руют киты, рыбы, насекомые и другие животные. Ключевые слова: температура;анабиоз; пойкилотермные, гомойотермные, теплолюбивые, холодостойкие; эфемеры, эфемероиды, терморегуляция. Вопросы и задания. 1. Какова роль температуры в жизни организмов? 2. В чем проявляется лимитирующее действие температуры на организмы? 3. Приведите примеры морфологических адаптаций растений разных экологи- ческих групп к температуре. 4. Охарактеризуйте температурные адаптации пойкилотермных и гомойотерм- ных животных. 5. Почему теплокровные животные могут обитать в разных климатических зонах? Приведите аргументированные доказательства. 6. Опишите действие высоких и низких температур на организмы. Каков температурный диапазон активной жизни на Земле? Чем обусловлены его пределы? Задания для самостоятельной работы. 1. Установите соответствие между типами и примерами адаптаций рас- тений к разным температурным условиям среды. Типы адаптаций: 1. Биохимические. 2. Физиологические. Примеры адаптаций: а) на- копление углеводов в цитоплазме клеток холодостойких растений; б) наличие короткого цикла развития у растений пустынь и степей; в) переход в состояние анабиоза; г) усиленная транспирация за счет увеличения числа устьиц; д) увеличение содержания органических кис- лот, солей в цитоплазме клеток. 2. Выскажите свое мнение. В чем проявляются приспособления растений умеренного и холодного поясов к действию низких температур в зим- нее время года? Приведите примеры. 3. Заполните таблицу. Напишите адаптации теплолюбивых и холодостой- ких растений. Адаптаций Экологические группы растений Теплолюбивые растения Холодостойкие растения Биохимические адаптации Физиологические адаптации Морфологические адаптации Примеры растений 56 § 10. ВЛАЖНОСТЬ КАК ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКТОР Почему вода является необходимым условием существования орга- низмов. В каких процессах жизнедеятельности она участвует? Влажность. Влажность является необходимым условием существо- вания организмов, так как их тела в среднем на 2/3 состоят из воды. Вода является универсальным растворителем, средой для биохимических реакций в клетке, для многих организмов вода служит средой обита- ния, однако и наземные организмы не могут существовать без нее: вода необходима для протекания реакций обмена веществ, поэтому при ее недостатке жизнедеятельность организмов замедляется. Молекулы воды могут непосредственно участвовать в реакциях гидролиза, фотосинтеза. Для некоторых животных, например, для круг- лых и кольчатых червей вода является гидростатическим скелетом, вода выполняет транспортную функцию – участвует в передвижении веществ по организму. Благодаря высокой удельной теплоемкости, теплопровод- ности вода обеспечивает поддержание теплового баланса в организме и предотвращает его перегрев. Для растений вода является обязательным компонентом процесса фотосинтеза. Вода необходима для прорастания спор и семян, оплодотворения споровых растений. Увлажненность наземных местообитаний зависит от годового количест- ва осадков, поэтому в разных географических зонах она сильно разли- чается. Недостаточная или избыточная увлажненность среды – является лимитирующим фактором для наземных организмов. Экологические группы растений по отношению к влаге. По отно- шению к влаге принято делить все наземные растения на три экологи- ческие группы: ксерофиты, мезофиты, гигрофиты. У каждой группы в процессе эволюции выработаны специфические приспособления к водно- му режиму среды. Ксерофиты (от греч. xerox – сухой, phyton – растение) – растения, приспособленные к жизни в засушливых средах. К ним относятся расте- ния степей, пустынь, полупустынь, саванн, высокогорья. Ксерофиты выдер- живают длительную недостаточность влаги. У ксерофитов сформированы различные приспособления к сухим местообитаниям: ограничение затрат воды на транспирацию; активное добывание воды при ее недостатке в почве; способность запасать воду в тканях и органах на время засухи. В зависимости от типа адаптаций выделяют две формы ксерофитов – суккуленты и склерофиты. 57 Суккуленты (от лат. succulentus – сочный) – многолетние растения, способные запасать воду в своих тканях и органах, а затем экономно ее расходовать. Такие растения, как агава, алоэ, молодило (листовые сукку- ленты), накапливают воду в мясистых листьях, а кактусы, молочаи (стеб- левые суккуленты) имеют водозапасающие ткани в коре и сердцевине стебля. Эпидермис у суккулентов покрыт толстым восковым слоем или волосками. Устьиц мало и они днем чаще всего закрыты. У стеблевых суккулентов листья редуцированы и имеют вид колючек (кактусы). Функ- цию фотосинтеза выполняют зеленые стебли (рис.15). Склерофиты(от греч. scleros – твердый) – способны активно добывать воду из почвы, даже при ее недостатке. Они не способны запасать вла- гу, но клетки склерофитов способны удерживать воду благодаря высокой вязкости цитоплазмы. Это создает высокое осмотическое давление кле- точного сока, благодаря которому склерофиты усиленно всасывают воду из почвы, поэтому их называют «растения-насосы». Корни склерофитов уходят глубоко в землю (саксаул, верблюжья колючка и др.). У склерофи- тов выработан ряд морфологических адаптаций, способствующих эконом- но расходовать воду за счет уменьшения транспирации: жесткие листья с маленькой поверхностью (верблюжья колючка); сильно рассеченные Агава Молодило Молочай Рис.15. Суккуленты. Кактус 58 листья (полынь); листья, в виде чешуек (саксаул, можжевельник) или колючек; восковой налет или волоски; устьица погруженного типа. Гигрофиты (от греч. hygros – влажный, phyton – растение) – расте- ния, живущие на сильно увлажненных почвах и при высокой влажности воздуха. Представителями гигрофитов являются: рис, тростник и др. Гигрофиты не способны переносить даже небольшой недостаток вла- ги в почве и быстро увядают. У некоторых видов в корнях и стеблях возможно наличие аэренхимы (от греч. – воздух, enchyma – ткань) – ткани, запасающие воздух (болотные гигрофиты). Корневая система развита слабо, корни тонкие, часто без корневых волосков. Гигрофиты приспособлены к интенсивной транспирации. Листовые пластинки тонкие, устьица постоянно открыты. Мезофиты (от греч. mesos – средний, phyton – растение) – растения, обитающие в условиях умеренного увлажнения. Они способны перено- сить кратковременный недостаток влаги. У них умеренно развита корневая система. На корнях имеются корневые волоски, в листьях – небольшое количество устьиц. В зависимости от обеспеченности влагой, устьица могут в любое время открываться или закрываться. Это наиболее распространен ная экологическая группа растений. Мезофитами являются растения адыров, лугов, почти все культурные растения умеренной зоны. Экологические группы животных по отношению к влаге. Для животных влажность также является важным экологическим фактором. По отношению к степени влажности животных можно разделить на следующие экологические группы: водные (кораллы, медузы, рыбы и др.), полуводно-наземные (лягушки, крокодилы, пингвины и др.), на- земные (большинство членистоногих, пресмыкающихся, птиц и млеко- питающих). Наземные животные нуждаются в периодическом потреблении воды для ее восполнения вследствие выделения и испарения. У животных выработались разные типы адаптаций в зависимости от водного режима: физиологические, морфологические и поведенческие. Физиологические адаптации – особенности процессов жизнедея- тельности, восполняющие дефицит влаги в организме. Птицы, млеко- питающие пьют воду, земноводные поглощают ее кожными покровами, животные пустынь довольствуются водой, которая поступает с пищей. Встречаются животные, которые живут за счет метаболической воды, образуемой в процессе окисления запасов жира. Мочевая кислота в качестве конечного продукта обмена веществ характерна для животных 59 засушливых мест обитания. Мочевая кислота плохо растворима в воде и для ее выведения вода почти не нужна. Морфологические адаптации – приспособления, обеспечивающие задержание воды в организме животных. У птиц тело покрыто перьями, а у млекопитающих – шерстью. У пресмыкающихся есть роговой покров тела (роговые чешуи и пластинки). Насекомые и паукообразные имеют многослойный хитиновый покров. У наземных моллюсков – раковины. Этологические адаптации – приспособления, направленные на активный поиск воды животными. Многие животные периодически посещают места водопоя. В сухой период сезона они мигрируют в районы с большей влажностью. Далекие миграции к водопою совершают антилопы, сайгаки. Некоторые животные в сухой период переходят на ночной образ жизни или впадают в летнюю спячку (таблица 1). Таблица 1 Механизмы приспособления растений и животных к недостатку воды Адаптации Примеры Уменьшение потери воды Листья превращены в иглы или колючки У хвойных (сосна, ель, пихта) листья превращены в комочки, у саксаула в чешуйки Погруженные устьица Хвойные деревья Толстая восковая кутикула Хвойные деревья Опущенные листья Растения джайлау – альпийские растения Сбрасывание листьев при засухе Полынь Устьица открыты ночью и закрыты днем Суккуленты Уменьшение или транспирации потоотделения Многие пустынные растения, верблюд Животные прячутся в норах Мелкие пустынные млекопитающие, например пустынная крыса Дыхательные отверстия прикрыты клапанами Многие насекомые Максимально обезвоженные продукты выделения (моча и экскременты) Многие насекомые 60 Увеличение поглощения воды Обширная поверхностная корневая система Джузгун (Кандым) Глубоко проникающие корни Янтак (Верблюжья колючка) Прокладывание путей к подземным водам Термиты Запасание воды В специализированном мочевом пузыре Пустынная лягушка В виде жира (вода – продукт окисления) Пустынная крыса, верблюд Физиологическая устойчивость к потере воды При видимом обезвоживании сохраняется жизнеспособность Папоротники, плауны, мохообразные и лишайники Потеря значительной части массы тела и ее восстановление при наличии доступной воды Дождевой червь, верблюд Переход в состояние анабиоза Переживают неблагоприятный период в виде семян Эфемеры Переживают неблагоприятный период в виде луковиц и клубней Эфемероиды Этологические приспособления Cпячка Черепахи, клещи, дождевые черви Ночной образ жизни Ежи, лемуры Ключевые слова: влажность, гигрофиты, ксерофиты, мезофиты, сукку- ленты, склерофиты, физиологические адаптации, морфологические адап- тации, этологические адаптации. Вопросы и задания. 1. Какие экологические группы растений выделяют по отношению к влаге? 2. Охарактеризуйте адаптации гигрофитов. Назовите их представителей. 3. Какие общие и отличительные черты строения имеют суккуленты и склерофиты? 4. Какие типы адаптаций к различному водному режиму выработались у животных? 5. Какие приспособления к изменению водного режима развились у животных в процессе эволюции? Приведите примеры животных, приспособленных к существованию в условиях дефицита влаги. 6. Установите соответствие между экологическими группами растений по отношению к влаге и их представителями. Экологические группы. 61 1. Гигрофиты. 2. Ксерофиты. 3. Мезофиты. Представители: а) тростник; б) полынь; в) псоралея; г) эремурус; д) кактус; е) рис; ж) лютик едкий; з) одуванчик; и) кузиния; к) галохарис. Выскажите свое мнение. 1. Почему у сосны обыкновенной, растущей на песчаной почве, корень уходит глубоко в почву, а у растущей на болоте – корневая система поверхностная? 2. Почему в пустынях и в степях массовое цветение растений начинается очень рано (февраль – март) и быстро прекращается? Дайте аргумен- тированные ответы. 3. Объясните, почему вода является необходимым условием существова- ния всех организмов на Земле. Задания для самостоятельной работы. 1. Заполните таблицу. Напишите примеры растений и их механизмы адаптации. Экологические группы Растения Механизмы адаптаций Ксерофиты Гигрофиты Мезофиты 2. Заполните таблицу. Напишите примеры животных и их механизмы адап тации. Адаптации Животные Механизмы адаптаций Физиологические адаптации Морфологические адаптации Этологические адаптации § 11. ПОЧВЕННЫЕ И ТОПОГРАФИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ Вспомните, какое значение для жизнедеятельности организмов имеют минеральные вещества? Как происходит минеральное пи- тание растений и животных? Почвенные – эдафические факторы (от греч. edaphos – земля, почва), почвенные условия, которые влияют на жизнь и распространение живых организмов. К эдафическим факторам относят водный, газовый и температурный режимы почвы, ее химический состав и структуру, кото- рая обусловлена преимущественно органическими веществами. 62 Почва – это поверхностный слой земной коры, который образу- ется и развивается в результате взаимодействия растений, животных, микро организмов, горных пород. Почвоведение − это наука о почве, ее строении, составе, свойствах и географическом распространении; закономерностях ее происхождения, развития, функционирования и роли в природе; путях и методах ее мелиорации, охраны и рационального использования. Основоположником почвоведения является русский ученый-естествоиспытатель В. В. Докучаев. В.В. Докучаев выделял пять факторов почвообразования: почво - об разующая (материнская) порода; климат; живые организмы; рельеф и время (геологический возраст). В настоящее время они пополнились хозяйственной деятель ностью человека. Почвообразующие породы – это горные породы, из которых форми- руется почва. Перерабатывая минералы горных пород, в формировании почвы принимают участие осадки, атмосфера, температура, раститель- ность, животные и микроорганизмы. Главным фактором перераспределе- ния солнечной радиации и осадков является рельеф, который оказывает влияние на водный, тепловой и солевой режимы почв. Почва возник- ла после появления живых организмов. Почвообразование происходит благодаря глубокому и сложному взаимодействию между растительны- ми и животными организмами. Зеленые растения являются основным поставщиком свежих органических веществ для почвы. В результате происходит значительное преобразование материнской породы. Непре- рывность процесса почвообразования, обеспечивает приток солнечной энергии, достигающий поверхности Земли. Почву населяют различные почвенные микроорганизмы (бакте- рии, водоросли, грибы), представители многих групп беспозвоночных (простейшие, черви, моллюски, насекомые и их личинки), роющие позвоночные (суслики, землеройки, кроты). Организмы, живущие в почве, играют важную роль в формировании плодородия почв и таким образом служат одним из существенных факторов почвообразования. Одним из факторов почвообразования выступает хозяйствен- ная деятельность человека. В настоящее время в зоне деятельности человека почти не осталось нетронутых почв. Механическая обработка (вспашка), удобрение, осушение, орошение, сенокошение, выпас скота, вырубка лесов и другие приемы изменяют направление и скорость естествен ного почвообразования, и качество почвы. С развитием научно- технического прогресса и общественных отношений усиливается 63 использование почв и их преобразование. Человек может сознательно управлять естественными процессами почвообразования, улучшая поч- венное плодородие. Неправильное использование почвы, несоблюдение правил выращивания сельскохозяйственных культур может привести к разрушению почвы, ее засолению и заболачиванию. По обеспечению правильного состояния почвы и по предупреждению загрязнения почвы проработаны комплекс мероприятий. Такие свойства почв как, структура и состав, кислотность pH, на- личие определенных химических элементов и другие влияют на состав и разнообразие растений. Рельеф, уровень грунтовых вод, экспозиция склона и ряд других факторов отражаются на видах растительности. Хотя на наземных животных эдафические факторы оказывают меньшее влияние, но тем не менее, животные тесно связаны с растительно- стью, которая играет решающую роль в распределении животных. Для животных большое значение имеет характер почвы, влияющий на их передвижение. Например, копытным животным, которые живут на от- крытых пространствах и спасаются от врагов бегством, для увеличения силы отталкивания необходима плотная почва. Топографические факторы.Влияние абиотических факторов в зна- чительной мере зависит от топографических характеристик местности, которые сильно изменяют климат и особенности почвы. К основным то- пографическим факторам относят: высота над уровнем моря, экспозиция (освещенность) склона, крутизна склона. Одним из основных топографических факторов является высота над уровнем моря. С высотой снижается температура, возрастает количество осадков, скорость ветра и интенсивность радиации, понижается атмосферное давление. По мере подъема в горной местности наблюдается вертикальная зональность распределения растительности, соответствующая последовательности смены широтных зон от экватора к полюсам. Горы играют роль изолирующего фак- тора в процессах географического видо- образования, так как служат барьером для миграции организмов. Рис.16. Экспозиция склона 6 o C 19 o C 32 o C S (Юг) N (Север) 0 м 1800 м 2300 м 3000 м 26,5 o C 64 Еще один важный топографический фактор – экспозиция склона – положение местности относительно сторон света (рис.16). В северном полушарии склоны, обращенные на юг, получают больше солнечного света, поэтому интенсивность света и температура здесь выше, чем на дне долин и на склонах северной экспозиции. В южном полушарии имеет место обратная ситуация. Это оказывает большое влияние на состояние растений и животных. Также топографическим фактором является крутизна склонов. Чем круче склон, тем меньше растений на нем растет, так как вода стекает со склонов, смывая почву, уменьшая ее слой. На крутых склонах встре- чаются в основном ксерофитные растения. Ключевые слова: эдафические факторы, топографические факторы, экс- позиция и крутизна склонов. Вопросы и задания. 1. Что называется эдафическим фактором? 2. Какое значение имеют эдафические факторы для живых организмов? 3. Приведите примеры групп почвенных организмов. 4. Перечислите пять факторов почвообразования. 5. Какие факторы относятся к топографическим? Выскажите свое мнение. 1. В чем проявляется экологическое влияние почвы и рельефа земной поверхности на жизнедеятельность растений и животных? 2. Охарактеризуйте погодные и климатические условия вашей местности с точки зрения их экологического влияния на растения, животных и другие организмы. 3. В чем проявляется хозяйственная деятельность человека – как один из факторов почвообразования? Задания для самостоятельной работы. 1. Заполните таблицу. Топографические факторы Значение для животных Значение для растений Высота над уровнем моря Экспозиция склона Крутизна склона 2. Почему В.И. Вернадский назвал почву биокосным веществом? 3. Охарактеризуйте роль в процессе почвообразования следующих факто- ров: 1) климат (температура, ветер, количество влаги); 2) рельеф, 3) обилие 65 органических остатков, 4) разнообразие и количество живых организмов, обитающих в почве (эдафобионтов); 5) свойства материнской породы; 6) время; 7) агротехнические мероприятия (вспашка, внесение пести- цидов и т. д.). 4. Обсудите в группе вопрос о том, как организмы влияют на состав и плодородие почв. Опишите ситуацию, при которой среди факторов почвообразования будут исключены организмы. Как это повлияет на плодородие почв? § 12. БИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ СРЕДЫ. ФОРМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ОРГАНИЗМОВ Вспомните, какие взаимоотношения существуют между организ- мами? Как паразиты, хищники влияют на состояние вида? В природных условиях каждый живой организм существует во взаи- модействии с другими представителями живой природы. Взаимодействия между организмами, а также влияние их на условия жизни представляют собой совокупность биотических факторов среды. Все формы взаимодейст- вий между организмами составляют биотические факторы среды обитания. Биотические факторы разделяют на две подгруппы. Внутриви довые – взаимоотношения между особями одного и того же вида. Это важный фактор саморегулирования популяций. Meжвидовые – взаимоотношения между особями разных видов. Типы взаимоотношений, при которых численность взаимодействую- щих популяций остается неизменной, называются нейтральными. Если же при взаимодействии численность хотя бы в одной популяции повы- шается без снижения в другой, то такие взаимоотношения называются положительными, или симбиотическими. Взаимоотношения, которые приводят к снижению численности хотя бы в одной из популяций, не- зависимо от характера численности в другой популяции, называются отрицательными, или антагонистическими (антибиоз). Любой тип взаимоотношений можно описать с помощью симво- лов, отражающих изменение численности взаимодействующих попу- ляций: отсутствие изменения численности обоз начать символом «0», увеличение численности – символом «+», а снижение численности – символом «-». Используя эти обозначения, наиболее распространенные типы межвидовых взаимоотношений представим в виде таблицы. 3 – Биология 11 66 Таблица 2 Символы Типы экологических взаимодействий (0 0) Взаимно нейтральные – организмы не оказывают влияния друг на друга (+ +) Взаимно выгодные связи – между организмами существуют взаимовыгодные полезные связи (+ –) Полезно вредные – один из организмов получает выгоду, другой испытывает угнетение (+ 0) Полезно нейтральные – один вид получает пользу, другой не испытывает вреда (– 0) Вредно нейтральные – один вид угнетается, другой не извлекает пользы (– –) Взаимно вредные связи – отношения, вредные для обоих организмов Нейтрализм – это отсутствие взаимного влияния организмов, живущих в одном природном сообществе. Если виды питаются разной пищей, то зачастую они не зависят друг от друга, даже если обитают в одной экосистеме. В природе истинный нейтрализм встречается очень редко, поскольку между всеми видами возможны косвенные или опосредственные взаимодействия. Например, дятлы и лоси, живущие в лесу, не имеют непосредственного контакта друг с другом. При нейтрализме виды не связаны друг с другом непосредственно, но зависят от общего состояния среды обитания. Симбиоз – (от греч. син – вместе, биос – жизнь) представляет такую форму взаимоотношений, при которой оба партнера или один из них извлекает пользу от другого. К симбиотическим можно отнести следую- щие формы отношений: мутуализм, протокооперация, комменсализм. Мутуализм – это двусторонне выгодный и обязательный для жиз- ни обоих популяций тип взаимоотношений. При нарушении данно- го взаимоотношения жизнь одной или обеих популяций становится невозможной. Типичные примеры мутуализма: гриб и водоросль в лишайнике. Симбиотические взаимоотношения между компонентами лишайников сводятся к тому, что водоросли снабжают гриб созданными ими в про- цессе фотосинтеза органическими веществами, а получает от него воду с растворенными минеральными солями. Азотфиксирующие бактерии и бобовые: азотфиксирующие бактерии живут в корневых волосках бобовых растений, где они превращают свободный азот, усвоенный из атмосферы в аммиак, из него синтези- 67 руют аминокислоты. Растения использует аммиак для роста и развития, в то время как бактерии получают питательные вещества и подходящее место для роста. Шляпочные грибы часто вступают в симбиотические отношения с корнями высших растений, особенно древесных, образуя микоризу – грибокорень. Грибница при этом оплетает корни деревьев, грибы по- лучают от растений органические вещества, растения – воду и мине- ральные соли. Типичным примером мутуализма является отношения термитов и жгутиковых простейших, обитающих в их кишечнике. Термиты питают- ся древесиной, однако у них нет ферментов для переваривания целлюло- зы. Жгутиконосцы вырабатывают такие ферменты и переводят клетчатку в сахара. Без простейших – симбионтов – термиты погибают от голода. Сами же жгутиконосцы помимо благоприятного микроклимата получают в кишечнике пищу и условия для размножения. Протокооперация – это двусторонне выгодный, но не обязательный для жизни тип взаимоотношений, когда взаимодействие благоприятно сказывается на жизнедеятельности обеих популяций, но каждая из них может существовать отдельно. В природе встречаются так называе- мые рыбы-чистильщики, освобождающие крупных рыб от наружных паразитов, находящихся на коже, в жаберной и ротовой полостях. Медоносные пчелы, взаимодействуя с цветами, способствуют их опылению, а сами получают пищу (рис.17, а). 68 Комменсализм – тип взаимоотношений, при котором один вид из- влекает пользу, не принося ни вреда, ни пользы другому виду. Коммен- сализм, в свою очередь, подразделяется на квартиранство, сотрапезни- чество, нахлебничество (рис.17, б, в). Использование одного вида другим только как жилище, не принося своему «живому дому» ни пользы, ни вреда, называется синойкия – квартиранство. Примером могут служить лишайники и эпифиты – растения, поселяющиеся непосредственно на стволах и ветвях деревьев (орхидеи, мхи). В гнездах птиц и в норах грызунов обитает множество видов паукообразных и насекомых. Некоторые рыбы прячутся среди щупалец медуз и актиний. Рыба горчак откладывает икру в мантию двустворчатого моллюска, не принося ему вреда. Развивающиеся икринки надежно защищены раковиной моллюска, но они безразличны для хозяина и не питаются за его счет. Млекопитающие разносят плоды и семена с зацепками, не получая от этого ни вреда, ни пользы. Сотрапезничество – потребление разных частей или веществ из одного и того же ресурса. Примером являются взаимоотношения между различными видами почвенных бактерий-сапрофитов, пере- рабатывающих разные органические вещества из перегнивших рас- тительных остатков, и высшими растениями, которые потребляют образовавшиеся при этом минеральные соли. Форма комменсализма, возникающая на основе пищевых связей, называется нахлебничеством. Нахлебничество – форма взаимоотношений, при которой один вид потребляет остатки пищи другого. Например, пти- цы питаются остатками пищи крокодилов, гиены и стервятники доедают остатки пищи львов. В желудочно-кишечном тракте человека обитают большое количество бактерий, питающихся остатками пищи и не причиня- ющих вреда хозяину. Рыба-прилипала при помощи присосок при крепляется к телу акулы и передвигается с ней, питаясь остатками ее пищи. Антибиоз. К антибиотическим отношениям можно отнести следующие формы отношений: конкуренцию; паразитизм; хищничество; аменсализм. Конкуренция – это взаимоотношения между особями одного (внутри- видовая конкуренция) или разных (межвидовая конкуренция) видов, которые выражаются в соперничестве организмов за право обладания одинаковыми ресурсами среды. Эти отношения отрицательно сказыва- ются на обеих вступивших во взаимодействие сторонах (рис17, г). Конкуренция возникает между растениями в борьбе за свет, влагу и использование почвенных ресурсов; между копытными, грызу- нами, саранчой – за одни и те же источники питания (растения); между 69 а) Протокооперация:актиния защищает рака от хищных рыб, а рак- отшельник, перемещаясь, способствует распространению актиний и увеличению их кормового пространства. б) Квартиранство: рыба горчак откладывает икринки в мантийную полость двустворчатого моллюска. в ) Нахлебничество: передний спинной плавник рыбы – прилипалы преобразо вался в присоску, с помощью которой рыба прочно удерживается на поверхности тела акулы. г) Конкуренция: самцы млекопитающих в период размножения вступают друг с другом в борьбу за возможность обзавестись семьей. Рис.17. Взаимоотношения между организмами. разными видами крупных хищных рыб, обитающими в одном водоеме и питающимися одними и теми же рыбами; волком и лисицей, охотящимися на зайцев; хищными птицами леса, кормящимися грызунами. Внутривидовая конкуренция носит более острый характер, чем меж- видовая, так как у особей, принадлежащих к одному виду, экологические потребности всегда одинаковы. В результате такой конкуренции особи в по- пуляции ослабляют друг друга, что ведет к гибели менее при способленных особей, то есть к естественному отбору. Межвидовая конкуренция за пространство, пищу, свет, убежище, то есть любое взаимодействие между двумя или более популяциями, которое вред- 70 но сказывается на их росте и выживании. Как правило, из двух видов с одинаковыми экологическими потребностями один обязательно вытес- няет другой. Классическим примером межвидовой конкуренции являются описанные русским биологом Г.Ф. Гаузе опыты (1932 г.). В этих опытах культуры двух видов инфузорий со сходным характером питания поме- щали по отдельности и совмест но в сосуды с сенным настоем. Каждый вид, помещенный отдельно, успешно размножался, достигая оптимальной численности. При помещении же обеих культур в один сосуд численность одного из видов постепенно уменьшалась, и он исчезал из настоя. В ходе эксперимента ни один из видов организмов не нападал на другой и не выделял вредных веществ. Просто один вид отличался от второго большей скорос тью роста. Выведенное из этих опытов правило, так называемый «принцип конкурентного исключения» фор мулируется следующим обра- зом: два вида, обладающих одинаковыми экологическими потребностями, совместно существовать не могут, один вид (более конкурентоспособный) вытесняет другой (менее конкурентоспособный). Конкуренция между видами не всегда может приводить к вытесне- нию одного из них, два вида могут существовать, если их экологические требования различны. В процессе эволюции они приспосабливаются к совместному существованию. Например, зимой оседлые виды птиц из- бегают конкуренции друг с другом благодаря разной стратегии поиска пищи. Некоторые из них собирают корм на деревьях, другие на земле. Таким образом, конкуренция, возникающая между близкими видами, может иметь два следствия – либо вытеснение одного из них из сооб- щества, либо расхождение обоих видов по их экологической специали- зации, дающее им возможность для совместного существования. Аменсализм – это форма биотических взаимодействий, при которой деятельность одного организма приводит к угнетению другого, причем уг- нетающий организм не получает от этого ни пользы, ни вреда. Например, светолюбивые травы, растущие под деревьями, из-за сильного затенения кронами деревьев испытывают значительное угнетение, тогда как на дере- вья такое соседство не влияет. К аменсализму можно отнести также вза- имоотношения между плесневым грибом – пенициллом, выделяющим во внешнюю среду антибиотики, и колониями бактерий, жизнедеятельность которых при этом существенно ограничивается или подавляется. Хищничество (хищник – жертва) – это тип взаимоотношения по- пуляций, при котором представители одного вида поедают представи- телей другого, то есть организмы одной популяции служат пищей для 71 организмов другой. Хищниками обычно называют животных поедающих других животных. Взаимоотношения между травоядными животными и растениями по характеру схожи с данным видом взаимоотношений. Каннибализм – поедание животными особей своего вида, является раз- новидностью хищничества. Например, самки паука каракурта поедают самцов после спаривания, балхашский окунь поедает свою молодь и т.д. Устраняя из популяции наиболее слабых и больных животных, хищники способствуют повышению жизнеспособности вида. Появление насекомоядных растений в процессе эволюции связано с тем, что они приспособились к ловле и перевариванию насекомых. Они дополняют свое нормальное автотрофное питание (фотосинтез) одной из форм гетеротрофного питания. В результате насекомоядные растения менее зависят от почвенного неорганического азота, необхо- димого для синтеза их собственных белков. Паразитизм (паразит-хозяин) – форма антагонистических взаимо- отношений двух организмов разных видов, при которой организмы од- ного вида (паразита) используют другого (хозяина) в качестве среды обитания и источника пищи. Паразиты есть в каждом царстве: среди бактерий, растений, грибов и животных. Они живут за счет питатель- ных веществ или тканей хозяина в течение определенного времени. Паразит использует живого хозяина не только как источник пищи, но и как место постоянного или временного проживания. Временные паразиты используют тело хозяина только на время питания. Паразит живет свободно в открытой природе и нападает на хозяев только для питания. Блохи, комары, слепни, постельные клопы могут быть примером временных паразитов. Питаясь кровью животных и человека, вызывают развитие различных инфекционных заболеваний. Постоянные паразиты более или менее длительное время взаи- модействуют с хозяином. Постоянные паразиты встречаются среди простейших (малярийный плазмодий, дизентерийная амеба), плоских червей (печеночный сосальщик, бычий цепень), круглых червей (аска- рида, острица, ришта), членистоногих (клещи, вши). Постоянными паразитами растений являются некоторые бактерии (гоммоз), грибы (головня, вертицилл), и даже сами растения (повилика). Так как жизнь хозяина обеспечивает существование паразита, он осла- бляет, но не уничтожает хозяина, иначе погибнет сам. Хозяин испытывает угнетение в течение длительного времени. Примерами паразитизма 72 могут служить следующие взаимоотношения: острица – человек, печеночный сосальщик – крупный рогатый скот, головневый гриб – злаки. В ходе эволюции формируются взаимные приспособления паразита и хозяина. Паразитизм, хищничество и конкуренция играют важную роль в регуляции численности популяций в природе. Неразумным вмешательст- вом в эти взаимоотношения человек наносит вред природе. Необходимо помнить, что тип взаимодействия конкретной пары ви- дов может изменяться в различных условиях и в зависимости от стадий их жизненных циклов. Кроме того, один и тот же вид в сообществе может находиться в разных отношениях с окружающими его видами. Таким образом, биотические связи в природе бесконечно много- образны, а изучение и познание их – важнейшая задача для экологии. Ключевые слова: нейтрализм, симбиоз, мутуализм, протокооперация, комменсализм, нахлебничество, синойкия, сотрапезничество, антибиоз, конкуренция; паразитизм, хищничество, аменсализм. Вопросы и задания. 1. Какие типы взаимоотношений могут возникать между популяциями разных видов? 2. Охарактеризуйте нейтральные отношения между организмами? Ответ проиллюстрируйте примерами. Какова их роль в природе? 3. Какие взаимоотношения называют мутуализмом? На основе каких предшествующих связей между организмами возникает мутуализм? 4. Между какими группами организмов возможен симбиоз? Приведите примеры симбиоза. Какую пользу получают обе стороны от симбиоза? 5. Что такое комменсализм? Чем нахлебничество отличается от кварти- ранства? Приведите примеры организмов-комменсалов. 6. Какие биотические взаимодействия называют аменсализмом? Приведите примеры таких взаимоотношений. Каково их значение для организмов? 7. В чем сущность конкуренции? Каким образом организмы со сходными экологическими потребностями избегают конкуренции? 8. Какие взаимоотношения между организмами называют хищничеством? Задания для самостоятельной работы. 1. Установите соответствие между типами взаимоотношений и их примера- ми. Типы взаимоотношений: 1. Паразитизм. 2. Комменсализм. 3. Мутуа- лизм. 4. Конкуренция. 5. Хищничество. Примеры: а) шляпочные грибы – деревья; б) северная лисица – белый медведь; в) рыбы-прили палы – акула; г) хлебная ржавчина – злаки; д) пауки – мухи; е) клубенько- вые бакте рии – бобовые растения; ж) печеночный сосальщик – круп- ный рогатый скот; з) серая крыса – черная крыса; и) удав – кролик; к) культурные растения – сорняки. 73 2. Отметьте примеры соответствующих типов экологических взаимо - от ношений, используя символы (0 0), (+ +), (+ –), (+ 0), (– –), (– 0). Примеры взаимоотношений организмов Символы Распространение муравьями семян некоторых растений Поселение растений – эпифитов на коре деревьев Акулы и рыбы прилипалы Белки и лоси в одном лесу не контактируют друг с другом Термиты и живущие в их кишечнике одноклеточные жгутиковые Мелкие рыбешки, прячутся под зонтиками медуз Опыление пчелами разных луговых растений Взаимоотношения львов и гиен Рак-отшельник и актиния Взамоотношения между аскаридой и человеком Микориза – взаимоотношение гриба и корней деревьев Рыбка горчак, откладывает икру в мантию двустворчатого моллюска Лишайник – взаимоотношение водорослей и гифов гриба Деревья подавляют рост светолюбивой травы под собой, сами не испытывают отрицательного воздействия Взаимоотношения волка и лисицы Взаимоотношения бобовых растений с азотофиксирующими клу бень ковыми бактериями Взаимоотношения повилики и других растений Взаимоотношения муравьев и тлей Выскажите свое мнение. 1. При массовом отстреле хищных птиц численность других птиц (ку- ропаток и тетеревов) уменьшается; при уничтожении волков снижается численность оленей; в результате уничтожения воробьев падает уро- жай зерновых культур. Чем объяснить приведенные факты? 2. В чем состоит экологическая роль отношений типа «паразит – хоз яин»? Каково значение такой формы биотических взаимодействий для эволюции? 3. Хищные млекопитающие имеют много особенностей, которые помога- ют им на охоте. Однако численность самих хищников и их жертв в при роде остается относительно на одном уровне. Почему? 4. Существует мнение о том, что одни виды организмов приносят вред, а другие пользу. Правильно ли это? Дайте аргументированный ответ и подтвердите его примерами. 74 § 13. АНТРОПОГЕННЫЕ ФАКТОРЫ Почему антропогенные факторы выделяют в особую группу? Наиболее значимая в настоящее время группа факторов, интенсивно изменяющая окружающую среду, связана непосредственно с разносто- ронней деятельностью человека. Развитие человека на планете всегда было связано с воздействием на окружающую среду, но сегодня этот процесс значительно ускорился. Изменения природной среды, произошедшие в результате хозяй- ственной и другой деятельности человека, обусловлены антропоген ными факторами. К антропогенным факторам относятся группа факторов, связанных с любым воздействием человека на растения, животные и на другие ком- поненты природы. Пытаясь переделать природу с целью приспособить ее к своим нуждам, человек трансформирует естественную среду обитания живых организмов, оказывая влияние и на их жизнь. Под воздействием антропогенных факторов терпят изменения климат, атмосфера, структура почвы, состояние водоемов. К антропогенным факторам относятся такие виды: химические, физические, биологические, социальные. Химические антропогенные факторы включают применение мине- ральных удобрений и ядовитых химических веществ против вредителей, а также загрязнение всех земных оболочек транспортными и промышлен- ными отходами. К физическим антропогенным факторам можно отне- сти использование ядерной энергии, повышение уровня шума в результа- те деятельности человека, в частности при использовании разнообразных средств передвижения. Биологические факторы – это продукты питания, бактерии и другие паразиты, для которых человек может быть средой обитания или источником питания. Социальные факторы определяются совместным существованием людей в обществе и их взаимоотношениями. К антропогенным факторам относится любое воздействие (как непосредственное, так и косвенное) человека на окружающую среду – организмы, биогеоценозы, ландшафты, биосферу. Антропогенные фак- торы являются результатом деятельности человека. Переделывая природу и приспосабливая ее к своим потребностям, человек изменяет среду обитания животных и растений, влияя тем са- мым на их жизнь. Воздействие может быть прямым или косвенным. Прямое воздействие направлено непосредственно на живые организ- мы. Примером прямого воздействия является добыча каменного угля, 75 вырубка лесов. Нерациональные рыболовство и охота резко сокращают численность ряда видов. Нарастающая сила и ускоренные темпы изме- нения природы человеком вызывают необходимость ее охраны. Косвенное (опосредственное) воздействие осуществляется путем из- менения ландшафтов, климата, физического и химического состояния атмосферы, водоемов, строения поверхности земли, почв, растительно- сти и животного мира. Косвенные воздействия происходят через цепоч- ки взаимосвязанных влияний. Например, вырубка лесов по отношению к деревьям является прямым воздействием, в результате вырубки деревьев, сильное изменение состояния других растений, животных и структуры почвы рассматривается как косвенное. Использование химических препа- ратов против насекомых-вредителей приводит к гибели и других почвен- ных животных. Широкое применение пестицидов, гербицидов и других ядовитых веществ в сельском хозяйстве может оказать вредное воздей- ствие на здоровье населения через пищевые продукты. Человек может косвенно влиять на живые организмы, изменив их естественную среду. Человек сознательно и бессознательно истребляет или вытесняет одни виды растений и животных, распространяет другие, либо создает для них благоприятные условия. Для культурных растений и домашних животных человек создал в значительной степени новую среду, много- кратно увеличив продуктивность освоенных земель. Но это исключило возможность существования многих диких видов. Многие виды живот- ных и растений исчезали с лица Земли и без вмешательства челове- ка. Но в природе это происходит медленно, и обычно уходящие виды успевают смениться новыми, более приспособленными к условиям оби- тания. Человек же ускорил процесс вымирания до таких темпов, что эволюция уступила место необратимым преобразованиям экосистем. Действие человека как экологического фактора в природе чрезвы- чайно разнообразно. Человек создал большое количество самых разно- образных культурных видов растений и домашних животных, создавая искусственные экосистемы, существенно преобразовал естественные природные комплексы. Эти изменения для одних видов оказывают- ся благоприятными для размножения и развития, а для других – неблагоприятными и даже губительными. В итоге между видами воз- никают новые численные отношения, перестраиваются пищевые цепи, появляются приспособления, необходимые для существования организ- мов в измененной среде. 76 Ключевые слова: антропогенные факторы: химические, физические, био- логические, социальные; воздействие человека: прямое, косвенное. Вопросы и задания. 1. Почему у организмов редко вырабатывается приспособленность на действие антропогенных факторов? 2. Какие антропогенные экологические факторы характерны для вашей местности? 3. К каким последствиям приводят применение минеральных удобрений и ядовитых химических веществ для обработки полей? 4. Приведите примеры прямого и косвенного воздействия человека на природу. Выскажите свое мнение. 1. Земледелие и скотоводство сыграли весьма прогрессивную роль в раз- витии человечества. Почему сейчас они рассматриваются как факторы нарушения устойчивости природы? 2. В современном мире экологи настаивают на рациональном природо- поль зовании, а не только на охране природы. В чем отличие понятий «рациональное природопользование» и «охрана природы»? Лабораторная работа №1. |