Учебник для общеобразовательных учревдений Под редакцией профессора Н. М. Черновой
 Скачать 8.41 Mb.
|
|
ДЛЯ ДИСКУССИЙ. 1. Почему у растений число зачатков никогда не бывает таким низким, как у некоторых животных, производящих за один раз всего по одному детенышу или яйцу? 2. Если каждый вид обладает способностью к безграничному размножению, как обьяснить наличие в природе большого числа редких видов? 3. Плодовитость сизого голубя и черного грифа одинакова: 2 яйца в кладке. Однако голубей в природе много, а гриф находится под угрозой исчезновения. Как это обьяснить? 4. Сельскохозяйственная наука обладает большой суммой знаний о том, как управлять размножаемостью культурных рас - тений и сельскохозяйственных животных. Почему в таком случае во многих странах мира существует продовольственная проблема? 5. Почему в природе взрывы численности отдельных видов, демонстрирующие их способность к размножению, называют экологическими катастрофами? 6 . Многие быстро размножающиеся насекомые: тараканы, 15 комнатные мухи, комары и другие — вредят человеку. Каково ваше мнение, можно ли использовать потенциал их размножения в хозяйственных целях? Если нет, то почему, а если да, то для каких нужд? 7. На полях, занятых сельскохозяйственными культурами, часто происходят взрывы численности тех видов насекомых, которые никогда не размножались в таком количестве в природе. Каково ваше мнение, почему это происходит? ВСПОМНИТЕ Экологические факторы § 2. Общие законы зависимости организмов от факторов среды Любые свойства или компоненты внешней среды, оказывающие влияние на организмы, называют экологическими факторами. Свет, тепло, концентрация солей в воде или почве, ветер, град, враги и возбудители болезней — все это экологические факторы, перечень которых может быть очень большим. Среди них различают абиотические, относящиеся к неживой природе, и биотические, связанные с влиянием организмов друг на друга. Экологические факторы чрезвычайно разнообразны, и каждый вид, испытывая их влияние, отвечает на него по-разному. Тем не менее есть некоторые общие законы, которым подчиняются ответные реакции ор- ганизмов на любой фактор среды. Главный из них — закон оптимума. Он отражает то, как переносят живые организмы разную силу действия экологических факторов. Сила воздействия каждого из них постоянно меняется. Мы живем в мире с переменными условиями, и лишь в определенных местах планеты значения некоторых факторов более или менее постоянны (в глубине пещер, на дне океанов). Закон оптимума выражается в том, что любой экологический фактор имеет определенные пределы положительного влияния на живые организмы. При отклонении от этих пределов знак воздействия меняется на проти- воположный. Например, животные и растения плохо переносят сильную жару и сильные морозы; оптимальными являются средние температуры. Точно так же и засуха, и постоянные проливные дожди одинаково неблагоприятны для урожая. Закон оптимума свидетельствует о мере каждого фактора для жизнеспособности организмов. На графике он выражается симметричной кривой, показывающей, как изменяется жизнедеятельность вида при постепенном увеличении воздействия фак- тора (рис. 5). Схема действия факторов среды на живые организмы. 1.2 — критические точки 2 Сила воздействия ►ч фактора 16 ,Г ибель Пределы выносливости вида Рис. 5. В центре под кривой — зона оптимума. При оптимальных значениях фактора организмы активно растут, питаются, размножаются. Чем 0° 50° t ° Специализирован - Виды, выносливые Специализированные холодолюби - к широкому колеба - ные теплолюбивые виды нию температуры вые виды Рис. 6. Положение кривых оптимума на температурной шкале для разных видов Рис. 7. Сайка — холодолюбивая рыба Северного Ледовитого океана больше отклоняется значение фактора вправо или влево, т. е. в сторону уменьшения или увеличения силы действия, тем менее благоприятно это для организмов. Кривая, отражающая жизнедеятельность, резко спус- кается вниз по обе стороны от оптимума. Здесь располагаются две зоны пессимума. При пересечении кривой с горизонтальной осью находятся две критические точки. Это такие значения фактора, которые организмы уже не выдерживают, за их пределами наступает смерть. Расстояние между критическими точками показывает степень выносливости организмов к изменению фактора. Условия, близкие к критическим точкам, особенно тяжелы для выживания. Такие условия называют экс тремальными. Если начертить кривые оптимума какого-либо фактора, например температуры, для разных видов, то они не совпадут (рис. 6). Часто то, что является оптимальным для одного вида, для другого представляет пессимум или даже находится за пределами критических точек. Верблюды и тушканчики не могли бы жить в тундре, а северные олени и лемминги — в жарких южных пустынях. Экологическое разнообразие видов проявляется и в положении кри- 17 тических точек: у одних они сближены, у других — широко расставлены. Это значит, что ряд видов может жить только в очень стабильных условиях, при незначительном изменении экологических факторов, а другие выдерживают широкие их колебания. Например, растение недотрога вянет, если воздух не насыщен водяными парами, а ковыль хорошо переносит изменения влажности и не погибает даже в засуху. Таким образом, закон оптимума показывает нам, что для каждого вида есть своя мера влияния каждого фактора. И уменьшение, и усиление воздействия за пределами этой меры ведет к гибели организмов. Для понимания связи видов со средой не менее важен закон ограни чивающего фактора. В природе на организмы одновременно влияет целый комплекс фак- торов среды в разных комбинациях и с разной силой. Вычленить роль каждого из них непросто. Какой из них значит больше, чем другие? То, что мы знаем о законе оптимума, позволяет понять, что нет всецело по- ложительных или отрицательных, важных или второстепенных факторов, а все зависит от силы воздействия каждого. Закон ограничивающего фактора гласит, что наиболее значим тот фактор, который больше всего отклоняется от оптимальных для организма значений. Именно от него и зависит в данный конкретный период выживание осо- бей. В другие отрезки времени ограничивающими могут стать другие факторы, и в течение жизни организмы встречаются с самыми разными ограничениями своей жизнедеятельности (рис. 8). Рис. 8. Глубина снежного покрова — ограничивающий фактор в распространении оленей С законами оптимума и ограничивающего фактора постоянно стал- кивается практика сельского хозяйства. Например, рост и развитие пше- ницы, а следовательно, и получение урожая постоянно ограничиваются то 19 критическими температурами, то недостатком или избытком влаги, то нехваткой минеральных удобрений, а иногда и такими катастрофическими воздействиями, как град и бури. Требуется много сил и средств, чтобы поддерживать оптимальные условия для посевов, и при этом в первую очередь компенсировать или смягчать действие именно ограничивающих факторов. Q Экологические О факторы. Абиотические факторы. Биотические факторы. Закон оптимума. Пессимум. Критические точки. Экстремальные условия. Ограничивающий фактор. Любой фактор, влияющий на живые организмы, может стать либо оптимальным, либо ограничивающим в зависимости от силы своего воздействия. ■ Примеры и дополнительная информация 1. Оптимум и границы выносливости не являются абсолютно постоянными в течение всей жизни организмов. Чаще наоборот, для разных этапов жизненного цикла характерен свой оптимум. Икра лососей может развиваться только в интервале температур от О “С до + 12 "С, а взрослые особи легко переносят колебания от -2’С до +20 ’С. Как оптимум, так и границы устойчивости организмов можно в оп- ределенных пределах сдвинуть направленным влиянием внешних условий. Если, например, на цветковые растения кратковременно действовать высокими температурами, то их устойчивость повышается, возникает так называемая «тепловая закалка». Так и происходит в природе, когда наступлению сильной устойчивой жары предшествуют кратковременные подъемы температур в отдельные дни. Таким же образом аквариумных рыб можно постепенно приучить к жизни в более холодной или теплой воде. 2. Среди факторов среды, от которых зависят организмы, различают ресурсы и условия. Ресурсы организмы используют, потребляют и тем самым уменьшают их количество для других. К ресурсам относят пишу, убежища, удобные места для размножения и т. п. Условия — это такие факторы, к которым организмы вынуждены приспосабливаться, но повлиять на них, обычно, не могут. Один и тот же фактор среды может быть ресурсом для одних и условием для других видов. Например, свет — 20 жизненно необходимый энергетический ресурс для фотосинтезирующих растений, а для обладающих зрением животных — условие, при котором они могут видеть окружающие предметы и ориентироваться в пространстве. Вода для многих организмов может быть и условием жизни, и ресурсом. 3. Чем больше значения факторов удаляются от оптимальных, тем меньше видов может приспособиться к жизни в таких условиях. Например, на дне самых глубоководных океанических впадин, где давление достигает более 1000 атмосфер и мало пищи, обнаружено всего около 20 видов многоклеточных животных, на глубинах в 6 км — 140, а в поверхностных слоях океанов — многие тысячи видов. В ряду соленых озер Западной Европы гидробиологи обнаружили при концентрации солей 30 г/л 64 вида, при 100 г/л — 38 видов, при 160 г/л — 12 видов, а при 200 г/л — всего 1 вид. 4. Некоторые организмы живут при температурах тела ниже 0 'С, но только в том случае, если вода внутри клеток не замерзает, а находится в переохлажденном состоянии. Например, ряд рыб, обитающих у берегов Антарктиды или в морях Северного Ледовитого океана, имеет нормальную температуру тела до -1,7 “С (рис. 7). Обнаружены также бактерии, размножающиеся при температурах выше + 100 С. Это происходит при строго определенных условиях, возле горячих источников на дне океана. Из-за высокого давления вода при такой температуре не кипит. 5. Озимая совка — вредитель зерновых и овощных культур, встречается в таежной, лесостепной и степной зонах. Зимуют в почве взрослые гусеницы, накопившие жировое тело, они могут переносить морозы до - 11 С, а гусеницы младших возрастов не выдерживают охлаждения ниже -5 С. Восточная граница распространения озимой совки совпадает с январской изотермой -20 С, и в Сибири этот вид отсутствует. Зимняя температура — фактор, ограничивающий распространение вида. 6. Правило ограничивающих факторов очень важно в агрономии. Немецкий химик Ю. Либих установил, что растения не могут дать урожай больше того, который позволяет главный ограничивающий фактор. Если все другие условия благоприятны, но среди минеральных солей, необходимых растению, фосфора содержится только 50% от требуемого, а кальция — 20%, значит, урожай будет в 5 раз меньше возможного. Главный ограничитель в этих условиях — кальций. Внесем его в почву до нормы. Урожай поднимется, но все равно будет вдвое ниже ожидаемого. Теперь главный ограничитель — фосфор. Так как Ю. Либих изучал только влия- ние недостаточных доз удобрений, его выводы получили название «правило минимума». Позднее выяснилось, что и избыток минеральных солей тоже тормозит урожай, так как при этом нарушается всасывание растворов корнями. При идеальной агротехнике все элементы питания 21 даются растениям в строго оптимальной дозировке. Q Вопросы. 1. Какие факторы наиболее часто ограничивают рост и развитие таких ценных видов рыб, как осетровые или лососевые? 2. Нагрузка веса тела на опорную поверхность ног свыше 30 г на 1 см 2 сильно затрудняет передвижение животного по рыхлому снегу. У рыси она равна 422 г, а у лося — около 500 г на 1 см 2 . Но для рыси полуметровый слой снега — фактор, ограничивающий активность, а для лося — нет. Как вы думаете, почему? 3. В тропических районах океана, где много тепла и света, жизнь очень бедна. Эти районы называют океаническими пустынями. Как вы думаете, что ограничивает здесь размножение одноклеточных водорослей, от которых, в свою очередь, зависят животные? 4. В теплице, где выращивалась рассада и поддерживались оптимальная температура и влажность, прекратилась подача воды. Ремонт должен занять два дня. Агроном распорядился ограничить подачу тепла в теплицу. Правильно ли он сделал и почему? □ Задания. 1 . Начертите график областей выживания и оптимума бабочки яблонной плодожорки, которая является опасным вредителем садов. На горизонтальной оси отложите значения влажности воздуха в процентах, на вертикальной — температуры в градусах. Используйте приведенные ниже показатели. Полная гибель куколок яблонной плодожорки наступает при сочетаниях: 10 "С и 100%, 4'Си 80%. 15 ‘С и 40%, 28 С и 15%. 36'С и 55%, 37 *С и 100% (первая цифра — температура, вторая — влажность воздуха). Гибель менее 10% при сочетаниях: 20 "С и 85%, 22 *С и 95%, 27 *С и 55%, 26 °С и 55%. 22 ‘С и 70%. Соедините замкнутой кривой точки для каждого уровня выживания. Рассмотрите полученный график. Подумайте, велика ли опасность размножения этого вредителя в районах с летними температурами 18—25'С и влажностью воздуха 70—90%, в районах с летними температурами 20 —35‘С и влажностью воздуха 20— 35%. 2. Микроскопические мучные клещи могут в огромных количествах размножаться в зернохранилищах и приводить зерно в полную негодность. При оптимальной температуре +20—22 "С развитие яйца длится 3—4 дня, при +10'С— растягивается до полутора месяцев. Температур выше +45—50 "С клещи не переносят. Они погибают при влажности зерна 10—12% из - за сухости и выше 70%— из - за развития плесневых грибков. Предложите способ, как избавиться от клещей и сохранить зерно, не прибегая к ядохимикатам. □ Темы ДЛЯ дискуссий. 1. Обсудите, почему чувство меры так ценится у всех народов мира и входит в нормы морали. 2. В каких проявлениях сельскохозяйственной деятельности часто нарушается закон оптимума? 3. Существует русская поговорка «Кашу маслом не испортишь», которую применяют и к некоторым хозяйственным делам. Противоречит ли это закону оптимума? 4. Применим ли закон оптимума к сильно действующим на человека ядам? 5. Благодаря созданию искусственного микроклимата люди могут жить и работать в разных тем - пературных условиях, вплоть до антарктической зимы или космической стужи. Значит ли это, что температура не является фактором, ограничивающим деятельность человека? ВСПОМНИТЕ _______ § 3^ Основные пути Строение клетки приспособления Обмен веществ организмов К Среде Т ерморегуляция Многие организмы в течение жизни периодически испытывают влияние факторов, сильно удаляющихся от оптимума. Им приходится переносить и сильную жару, и сильные морозы, и летние засухи, и пересыхание водоемов, и нехватку пищи. Как приспосабливаются они к таким экстремальным ситуациям, когда нормальная жизнь сильно затруднена? При ухудшении условий среды многие виды способны приостанавливать 22 свою жизнедеятельность и переходить в состояние скрытой жизни. Это явление было обнаружено в начале XVIII столетия Антони ван Левенгуком, который впервые наблюдал в сделанный им микроскоп мир мелких организмов. Он заметил и описал, что некоторые из них могут полностью высыхать на воздухе, а затем «оживать» в воде. В высушенном состоянии они кажутся полностью безжизненными. Позднее такое состояние мнимой смерти было названо анабиозом («ана» — нет, «биос» — жизнь). Глубокий анабиоз — это практически полная остановка обмена веществ. В отличие от смерти организмы могут при этом возвращаться к активной жизни. Переход в состояние анабиоза чрезвычайно расширяет возможности выживания организмов в самых суровых условиях. В опытах высушенные семена и споры растений, некоторые мелкие животные — коловратки (рис. 9), нематоды выдерживают длительное время температуры жидкого воздуха (-190 С) или жидкого водорода (-259,14 С). Рис. 9. Рис. 10. Летучая мышь ушан и суслик в состоянии зимней спячки 23 Коловратка — активно плавающая и в состоянии анабиоза 24 Состояние анабиоза возможно лишь при полном обезвоживании ор- ганизмов. При этом важно, чтобы потеря воды клетками тела не сопро- вождалась нарушением внутриклеточных структур. Большинство видов к этому не способно. Например, в клетках высших растений имеется обычно большая центральная вакуоль с запасом влаги. При высыхании она исчезает, клетка меняет форму, сжимается, и ее внутреннее строение нарушается. Поэтому глубокий анабиоз в природе встречается редко. Однако замедление обмена веществ и понижение жизнедеятельности в неблагоприятных условиях — явление широко распространенное. Клетки тела при этом частично обезвоживаются, происходит также и другая перестройка их состава. Состояние организмов, близкое к анабиозу, называют криптобиозом или скрытой жизнью («криптос» — скрытый). В состоянии пониженного обмена веществ организмы резко повышают свою устойчивость и очень экономно тратят энергию. К явлениям скрытой жизни относятся оцепенение насекомых, зимний покой растений, спячка позвоночных животных, сохранение семян и спор в почве, а мелких обитателей — в пересыхающих водоемах (рис. 10). В неактивном состоянии часто находятся в природе многие виды бактерий, пока не возникнут благоприятные условия для их размножения. Скрытая жизнь — очень важное экологическое приспособление. Это возможность переживать неблагоприятные изменения среды обитания. 25 При восстановлении необходимых условий организмы вновь переходят к активной жизни. Переходя в состояние оцепенения или покоя, растения и животные как бы подчиняются воздействиям среды, экономя при этом затраты на свое существование. Другой, прямо противоположный путь выживания организмов связан с поддержанием постоянства внутренней среды, несмотря на колебания воздействий внешних факторов. Обитая в условиях изменчивой тем- пературы, теплокровные животные — птицы и млекопитающие — поддерживают внутри себя постоянную температуру, оптимальную для биохимических процессов в клетках тела. |