ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ УРОКА
Факт 1. Одно из важнейших условий жизни большинства организмов - наличие кислорода.
Факт 2. На суше кислород почти никогда не бывает в дефиците.
• Действительно ли концентрация кислорода оказывает существенное влияние на численность организмов?
• Сформулируйте основной вопрос экологии. Сравните свой вариант с вариантом авторов на с. 397.
НЕОБХОДИМЫЕ БАЗОВЫЕ ЗНАНИЯ
• Что такое экология, факторы среды, экологическая ниша? (9 класс)
• Как Дарвин определял борьбу за существование? (§ 40)
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ
Наука об условиях жизни
• Что такое экология? Какие задачи решают её отдельные отрасли?
Экология — наука о взаимоотношениях организмов со средой обитания. Эрнст Геккель — автор термина «экология» — называл эту науку учением о борьбе за существование.
Одна из важнейших задач экологии — изучить закономерности изменения численности организмов во времени и пространстве. Знание закономерностей подразумевает выявление причин изменений, т.е. зависимости их от факторов среды. Знание численности организмов даёт возможность контролировать потоки энергии и вещества через экосистему, оценивать состояние среды, в том числе среды обитания человека, и предвидеть будущие изменения биосферы.
Экосистемная роль каждой особи зависит от того, как среда влияет на её физиологическое состояние. Механизмы адаптации организма к различным внешним воздействиям — температуре, освещению, тесноте, качеству питания - рассматривает физиологическая экология.
Приспособления формируются естественным отбором на уровне популяции, в зависимости от её структуры и динамики. Этими вопросами занимается экология популяций. Она изучает размещение особей в пространстве, частоту их контактов, состав особей по полу, возрасту, фенотипу, изменения выживаемости и плодовитости в зависимости от качества среды обитания.
Существование популяции невозможно вне сообщества популяций различных видов, объединённых общим местом обитания. Взаимоотношения видов — пищевые, конкурентные, враждебные и взаимовыгодные — и структуру сообщества в различных условиях изучает экология сообществ.
Сообщество организмов вместе с абиотическим окружением образует экосистему. Из экосистем складывается биосфера. Главная функция каждого сообщества — обеспечение замыкания круговорота веществ. Закономерностями передачи вещества и энергии между живыми и неживыми компонентами экосистемы занимается экология экосистем.
Экология базируется на эволюционной теории. Более того, она, в сущности, занимается изучением эволюционного процесса и его последствий. Методы и результаты работы экологов зависят от объектов исследования. Это отражено в выделении экологии растений, животных, микроорганизмов, а также гидробиологии, лесной экологии. Экология тесно переплетается со всеми естественными науками. В связи с этим развиваются такие самостоятельные области, как палеоэкология, математическая экология, социоэкология.
• Попробуйте определить, чем занимаются разделы экологии, возникшие на стыке с другими науками.
Экологические факторы
• Какие факторы действуют на живой организм и как они взаимодействуют?
Среда обитания организма - это сочетание всех воздействующих на него факторов. Экологическим фактором может быть любой компонент среды, оказывающий влияние на состояние и численность организмов.
Абиотические факторы представляют собой влияние неживой природы: ветра и волн, солёности и содержания микроэлементов, температуры, влажности, смены сезонов, дня и ночи и т.д. Биотические факторы объединяют воздействие организмов, входящих в сообщество: хищников, конкурентов, кормовых объектов, паразитов, опылителей. Иногда в особую группу выделяют антропогенные факторы — воздействия, обусловленные деятельностью человека. К ним относится прямое изъятие или уничтожение организмов и косвенное влияние человека через изменение природных абиотических и биотических факторов.
Все факторы делятся на условия и ресурсы. Условия среды действуют на организм независимо от присутствия других организмов. Так действует, например, температура или смена дня и ночи. Ресурсы организм может потреблять, тем самым снижая их доступность для других. Например, для растений ресурсами могут быть свет и минеральные вещества почвы, а для животных — пища и укрытия. Ресурсы бывают возобновляемыми (трава) и невозобновляемыми (дупла, территория). Даже возобновляемые ресурсы могут исчерпаться, если скорость их потребления велика. Условия же не расходуются и никогда не исчерпываются.
Лимитирующий фактор
• Почему из всего разнообразия факторов среды обычно лишь один существенно влияет на состояние организма в природе?
Организм испытывает влияние всех факторов окружающей среды. Какой же из них определяет его состояние?
Немецкий агроном Юстус Либих (1803-1873) убеждал земледельцев, что низкий урожай полевых культур вызван нехваткой какого-нибудь одного необходимого элемента — того, который содержится в почве в минимальном количестве. Внося его в виде удобрения, можно резко повысить урожай (рис. 56.1).
Этот принцип, известный как закон минимума, в общем виде предсказывает, что состояние организма и численность популяции ограничивается лимитирующим фактором — ресурсом или условием, находящимся в дефиците. Если преодолеть недостаток этого фактора, то численность (или другой показатель благополучия) увеличится, а лимитирующим станет следующий дефицитный фактор (рис. 56.2).
56.1. «Бочка Либиха»
56.2. Влияние удобрений на развитие растений (удобрение было внесено по трафарету)
• Попытайтесь определить, какой лимитирующий фактор определяет рост кормовых трав на этом лугу.
Оптимум и диапазон толерантности
• В чём особенность реакции организма на изменение условий среды?
Позднее, однако, экологи обнаружили, что избыточное значение фактора также губительно, как и недостаточное. Например, избыток удобрений угнетает рост растений. Перегрев для животных может быть даже опаснее, чем переохлаждение. Такие ситуации реже встречаются в природе, поэтому эволюция не выработала эффективных механизмов противодействия им.
В отношении любой характеристики качества среды обитания организм обладает определённым диапазоном толерантности (выносливости). Значение фактора, наиболее благоприятное для организма, называется оптимумом (рис. 56.3). Именно к этому значению организм приспособлен лучше всего, хотя может существовать и при других значениях, не выходящих за пределы его толерантности.
56.3. Схема проявления закона толерантности
56.4. Выносливость растений по отношению к кислотности почв
• Найдите оптимальные, минимальные и максимальные значения фактора кислотности почвы для каждого вида растений. Каким законам экологии эти значения соответствуют?
Нетрудно догадаться, что закон минимума относится к экологическим факторам, играющим роль ресурсов. Избыток ресурсов не может повредить организму. Закон толерантности имеет отношение к условиям среды - признакам её качества, а не количества. Многие факторы являются ресурсом и условием одновременно. Например, вода для пустынных видов - дефицитный ресурс, а для водных организмов - избыточный ресурс и условие их обитания. Для богомола насекомые являются кормовым ресурсом, а размеры насекомых - их качеством, или условием среды, определяющим её пригодность для обитания (рис. 56.5).
56.5. Богомол, его передняя лапа с окружностью, соответствующей оптимальному размеру жертвы, график процентного соотношения частоты атак голодного богомола на жертвы разных размеров
Экологическая ниша
• Что такое экологическая ниша?
Влияние различных факторов взаимосвязано. Экологическая толерантность вида по одному фактору наибольшая при оптимальном значении остальных (рис. 56.6).
Область толерантности вида ко всем факторам, необходимым для его существования, называется экологической нишей. Она включает как абиотические, так и биотические факторы, а значит, и все связи с другими видами сообщества.
Многообразие факторов, образующих экологическую нишу вида, очень велико.
Каждый вид имеет свою экологическую нишу, отличную от ниш других видов. Она соответствует уникальному комплексу его адаптаций к используемым ресурсам и условиям обитания. Совокупность требований вида к среде проявляется в том, что он занимает определённое местообитание, где все эти требования выполняются. Наиболее общее представление о различии экологических ниш
56.6. Диапазоны толерантности ивы и черёмухи в отношении каждого из факторов перекрываются, но их экологические ниши разделены
близких видов удаётся получить, если сравнить диапазоны их толерантности по трём комплексным факторам, отражающим различие местообитаний, кормовых объектов и времени их использования.
Экологическая ниша вида определяет его устойчивость к факторам среды, объясняет распространение и указывает на взаимоотношения с близкими видами в сообществе.
ОБОБЩЕНИЕ НОВЫХ ЗНАНИЙ
Экология - это наука о взаимоотношениях организмов со средой обитания. Благополучие организма зависит от экологических факторов: абиотических, биотических и антропогенных. Факторы могут выступать в качестве ресурсов и условий среды. Возможность существования вида в среде определяется лимитирующим фактором - ресурсом, находящимся в наибольшем дефиците, или условием среды, близким к пределу толерантности. Экологическая ниша вида определяется диапазоном его толерантности по всем факторам.
Экология. Факторы среды: абиотические, биотические, антропогенные. Лимитирующий фактор. Диапазон толерантности. Экологическая ниша
ПРИМЕНЕНИЕ ЗНАНИЙ
1. • Почему Э. Геккель называл экологию учением о борьбе за существование?
2. • Почему экологию популяций не удаётся свести к экологии организмов, а экологию экосистем - к экологии организмов и популяций?
3. • Какие факторы ограничивают жизнедеятельность организма и при минимальных, и при максимальных значениях?
4. • Чем отличаются условия среды от факторов, называемых ресурсами?
5. • Можно ли сказать, что оптимум для данного вида находится там, где совпадают его оптимумы по каждому отдельному фактору?
6. • Во времена Э. Геккеля в экологии видели «домоведение», жизнь организмов в их естественной среде обитания. В наше время её часто стали называть «биологией окружающей среды». Чем, по-вашему, обусловлено такое различие?