ЭКОЛОГИЯ
ЭКОЛОГИЯ КАК НАУКА
Все живые организмы являются открытыми системами, так как они непрерывно обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Организмы получают из окружающей среды одни вещества, энергию и информацию, перерабатывают их и отдают в окружающую среду другие вещества, энергию и информацию. Таким образом, обмен с окружающей средой является непременным условием существования живого и обусловливает его фундаментальные свойства: самообновление, самовоспроизведение и саморегуляцию. Влияние окружающей среды прямо или косвенно отражается на развитии, размножении и выживании организмов. Внешняя среда не только влияет на живое, но и сама изменяется в результате жизнедеятельности организмов. Следовательно, отношения между средой и живыми организмами носят взаимный характер.
Экологией (от греч. oikos - жилище, дом и logos - наука) называется общебиологическая наука, изучающая закономерности взаимоотношений организмов друг с другом и с окружающей средой.
Данный термин был предложен немецким биологом Э. Геккелем в 1866 г. Объектами изучения экологии являются различные уровни организации жизни, начиная с надорганизменного: популяции, биоценозы, биогеоценозы и биосфера в целом.
Экология решает следующие задачи:
+ исследует закономерности взаимоотношений различных групп организмов (популяций, видов и др.) с факторами внешней среды и их влияние на среду обитания;
+ изучает взаимоотношения популяций разных видов в сообществе;
+ разрабатывает основы рационального использования природных ресурсов человеком, прогнозирует антропогенные изменения среды;
+ внедряет биологические методы борьбы с вредителями и сорняками и изучает их эффективность;
+ разрабатывает и рекомендует промышленности безотходные технологии производства (оборотное водоснабжение, переработка отходов и т. п.).
Каждая из перечисленных задач решается определенными методами. С помощью полевых методов (длительное наблюдение за взаимоотношениями в природе, за миграцией животных и т. п.) изучают конкретное влияние комплекса факторов среды на развитие и жизнедеятельность популяций. Экспериментальные методы позволяют устанавливать влияние отдельных факторов на развитие организмов. Для этого создают модели, т. е. искусственные экологические системы, аналогичные естественным. Например, аквариум может служить моделью реального водоема. Методы математического моделирования дают возможность прогнозировать развитие экосистем в зависимости от изменений климата и антропогенных воздействий. В основе этих моделей лежит количественный анализ наблюдений многих специалистов: биологов, гидрологов, микробиологов, климатологов, гидрохимиков и др. Полученные данные обрабатываются на компьютере и позволяют предсказывать реакцию данной экосистемы на воздействие среды и человека на многие десятилетия вперед. Изучая результаты загрязнения радионуклидами территории Республики Беларусь в течение первых лет после аварии на Чернобыльской АЭС можно рассчитать, какие последствия будут через 10, 20, 50 и более лет. Такие модели развития разработаны для озера Байкал, Азовского и Каспийского морей и др.
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ
Среда обитания — это совокупность элементов окружающей среды, которые способны прямо или косвенно оказывать воздействие на организмы. Различным живым существам нужны разные элементы среды обитания. Например, для животных жизненно важными элементами среды обитания являются кислород и органические вещества, а для растений - свет и диоксид углерода. Совокупность жизненно необходимых факторов среды, без которых живые организмы не могут существовать, называется условиями существования. Другие факторы среды могут быть относительно безразличны для живых организмов, например содержание азота в атмосфере, кремния в почве, ветер, электрические разряды и т. п.
Элементы окружающей среды, способные оказывать влияние на живые организмы, называются экологическими факторами.
Экологические факторы подразделяются на абиотические, биотические и антропогенные.
К числу абиотических факторов относятся элементы неживой природы, оказывающие воздействие на организмы. Их подразделяют на физические (климатические) - свет, температура, влажность, осадки, ветер, атмосферное давление, радиационный фон; химические - газовый состав атмосферы, соленость воды и почвы; почвенно-грунтовые - механический состав почвы, ее влаго- и воздухоемкость; топографические - особенности рельефа местности. Биотическими факторами являются живые организмы (бактерии, грибы, растения, животные), вступающие во взаимодействие с другими живыми организмами. К антропогенным факторам относят особенности среды, обусловленные трудовой деятельностью человека, и непосредственное влияние человека на живые организмы. По мере роста народонаселения и технической вооруженности человечества удельный вес антропогенных факторов постоянно возрастает.
АБИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ
К числу абиотических факторов относят климатические условия, которые в различных частях земного шара тесно связаны с солнечным излучением.
Солнечный свет является основным источником энергии, необходимой для протекания всех жизненных процессов на Земле. Благодаря энергии солнечных лучей в зеленых растениях происходит первичный синтез органических веществ - фотосинтез, в результате которого обеспечивается питание всех гетеротрофных организмов.
Солнечное излучение неоднородно по своему составу. В нем различают инфракрасные (длина волны более 0,75 мкм), видимые (0,40-0,75 мкм) и ультрафиолетовые (менее 0,40 мкм) лучи. Инфракрасные лучи составляют около 45% лучистой энергии, достигающей Земли, и являются главным источником тепла, поддерживающего температуру окружающей среды. Видимые лучи составляют около 50% лучистой энергии, которая особенно необходима растениям для процесса фотосинтеза, а также для обеспечения видимости и ориентации в пространстве всех живых существ. Хлорофилл поглощает преимущественно оранжево-красные (0,6-0,7 мкм) и сине-фиолетовые (0,5 мкм) лучи. Растения используют на фотосинтез менее 1% солнечной энергии, остальная ее часть рассеивается в виде тепла или отражается. Большая часть ультрафиолетового излучения с длиной волны менее 0,29 мкм задерживается своеобразным «экраном» - озоновым слоем атмосферы, который образуется под воздействием этих же лучей. Данное излучение является губительными для живого. Ультрафиолетовые лучи с большей длиной волны (0,3-0,4 мкм) достигают поверхности Земли и в умеренных дозах оказывают благоприятное воздействие на животных - стимулируют синтез витамина D, пигментов кожи (загар) и др.
Большинство животных способны воспринимать световые раздражения. Уже у некоторых протистов могут быть светочувствительные органоиды («глазок» у эвглены зеленой), с помощью которых они способны реагировать на световое воздействие (фототаксисы). Почти все многоклеточные обладают разнообразными светочувствительными органами.
По требовательности к интенсивности освещения различают светолюбивые, теневыносливые и тенелюбивые растения.
Светолюбивые растения могут нормально развиваться только при полном освещении. Они широко распространены в сухих степях и полупустынях, где растительный покров редкий и растения не затеняют друг друга (тюльпан, гусиный лук). К светолюбивым растениям относятся и хлебные злаки, растения безлесных склонов (чабрец, шалфей) и др. Приспособления к яркому свету: относительно малая площадь листовых пластинок, листья толстые за счет хорошо выраженной столбчатой паренхимы, ориентированные вертикально.
Теневыносливые растения лучше растут при прямом освещении солнечными лучами, однако способны выносить и затенение. Это в основном лесообразующие породы (береза, осина, сосна, дуб, ель) и травянистые (зверобой, земляника) и др. Приспособления к недостатку света: относительно большая поверхность листовой пластинки; листья тонкие, ориентированные к свету.
Тенелюбивые растения не выносят прямого солнечного излучения и нормально развиваются в условиях затенения. К таким растениям относятся лесные травы - кислица, мхи и др. При вырубке леса некоторые из них погибают.
Ритмические изменения активности светового потока, связанные с вращением Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца, заметно отражаются на живой природе. Продолжительность светового дня неодинакова в различных частях земного шара. На экваторе она постоянна на протяжении всего года и равна 12 ч. По мере передвижения от экватора к полюсам длительность светового дня изменяется. В начале лета световой день достигает максимальной длины, затем постепенно уменьшается, в конце декабря становится самым коротким и снова начинает увеличиваться.
Реакция организмов на продолжительность светового дня, выражающаяся в изменении интенсивности физиологических процессов, называется фотопериодизмом. На его основе у растений и животных в процессе эволюции выработались специфические изменения интенсивности физиологических процессов, периодов роста и размножения, повторяющиеся с годичной периодичностью, которые называются сезонными ритмами.
С фотопериодизмом связаны основные приспособительные реакции и сезонные изменения у всех живых организмов. Совпадение периодов жизненного цикла с соответствующим временем года (сезонный ритм) имеет огромное значение для существования видов. Роль пускового механизма сезонных изменений (от весеннего пробуждения до зимнего покоя) играет длина светового дня как наиболее постоянное изменение, предвещающее смену температур и других экологических условий. Так, увеличение длины светового дня стимулирует деятельность половых желез у многих животных и определяет начало брачного периода. Укорочение светового дня осенью ведет к затуханию функции половых желез, накоплению жира, развитию пышного меха у животных, перелетам птиц. Аналогично у растений с удлинением светового дня связано образование гормонов, влияющих на цветение, оплодотворение, плодоношение, образование клубней и т. д. Осенью эти процессы затухают.
В зависимости от реакции на длину светового дня растения делят на длиннодневные, цветение которых наступает при продолжительности светлого периода суток 12 и более часов (рожь, овес, ячмень, картофель и др.); короткодневные, у которых цветение наступает, когда день становится коротким, менее 12 ч (это растения преимущественно тропического происхождения - кукуруза, соя, просо, георгины и др.), и нейтральные, цветение которых не зависит от длины светового дня (горох, гречиха и др.).
Живые организмы реагируют и на смену дня и ночи - суточные ритмы. Изучив закономерности суточных и сезонных ритмов, человек использует эти знания для круглогодичного выращивания в искусственных условиях овощей, цветов, птиц, повышения яйценоскости кур и т. п.
Суточная ритмичность у растений проявляется в периодическом открытии и закрытии цветков (хлопчатник, лен, душистый табак), усилении или ослаблении физиологических и биохимических процессов фотосинтеза, повышения и снижения скорости деления клеток и др. Суточные ритмы, проявляющиеся в периодическом чередовании активности и отдыха, характерны и для животных, и для человека. Всех животных можно подразделить на дневных и ночных. Многие из них проявляют наибольшую активность днем (бабочки, стрекозы, жаворонки, волки, зайцы и др.), однако некоторые (сверчки, летучие мыши, совы, крыланы и др.) приспособились к жизни только в ночных условиях. Ряд животных обитают постоянно в полной темноте (аскарида, крот и др.).
У человека обнаружены суточные колебания более трехсот показателей. Так, температура тела выше в дневные часы, достигает максимального значения к 18 часам, а ночью снижается. Самый низкий уровень температуры наблюдается между 1 ч ночи и 5 ч утра. Артериальное давление днем выше, а ночью ниже. В дневное время свертываемость крови выше, в периферической крови увеличено содержание кровяных пластинок, эритроцитов, лейкоцитов, адреналина. У большинства людей наивысшая биоэлектрическая активность мозга наблюдается утром (с 8 до 12 ч) и вечером (между 17 и 19 ч). Людей, способных к наиболее активной работе утром, называют «жаворонками». Однако встречаются лица, наиболее высокая работоспособность которых приходится на вечерние и даже ночные часы (их называют «совами»). Большинство людей может работать производительнее в дневное время суток, поэтому в ночные смены снижается производительность труда и ослабевает внимание, что приводит к росту травматизма.
К нарушению привычных суточных ритмов приводит и преодоление на воздушном транспорте больших расстояний, когда происходит перемещение пассажиров на несколько часовых поясов. Для сохранения высокой работоспособности в таких условиях необходимо заблаговременно привыкать к новому суточному биоритму.
Важным абиотическим фактором среды является температура, от которой в значительной степени зависит существование, развитие и распространение живых существ. Предельные колебания температуры на земном шаре - от +50...+60 °С в пустынях до -70...-80 °С в Антарктиде, однако жизнь существует и в таких экстремальных условиях (водоросли в горячих источниках, пингвины в Антарктиде). Наиболее стабильные температурные условия сохраняются в океане, а наиболее изменчивые характерны для наземно-воздушной среды. У большинства организмов процессы жизнедеятельности протекают при температурах от -4 °С до +40...+45 °С.
Различные климатические зоны Земли заселяют организмы с разной нормой реакции на температурный фактор. В умеренных зонах обитают эвритермные виды, способные переносить значительные колебания температуры, в тропиках - стенотермные теплолюбивые, в арктических поясах - стенотермные холодолюбивые виды, которые не переносят больших колебаний температур.
Всех животных подразделяют на холоднокровных (пойкилотермных) и теплокровных (гомойотермных). У холоднокровных (рыбы, земноводные, пресмыкающиеся и беспозвоночные) температура тела непостоянна и зависит от температуры окружающей среды. У некоторых холоднокровных (например, у насекомых) при интенсивном сокращении мышц во время полета температура тела может повышаться на 10 и более градусов. Теплокровные животные (птицы, млекопитающие) и человек способны поддерживать постоянную температуру тела благодаря интенсивному обмену веществ, появлению теплоизолирующих покровов (перья, мех, подкожная жировая клетчатка) и выработке в процессе эволюции особых механизмов ее регуляции (потовые железы, нервные механизмы регуляции). Важную роль в интенсификации обменных процессов у гомойотермных организмов сыграли такие ароморфозы как четырехкамерное сердце, полная изоляция артериальной и венозной крови и совершенные органы дыхания. Следует помнить, что эта способность носит ограниченный характер, поскольку при значительных колебаниях температуры внешней среды возможен перегрев или переохлаждение организма, что чревато серьезными последствиями.
Одним из приспособлений животных к колебаниям температуры является миграция - переселение в более благоприятные условия (перелеты птиц, миграции рыб, насекомых и др.).
Многие виды холоднокровных животных приобрели способность переживать неблагоприятные условия (высокую или низкую температуру, отсутствие воды, пищи и др.) в состоянии оцепенения. Оно характеризуется неподвижностью животного, прекращением питания, снижением всех физиологических функций. Некоторые насекомые, рыбы и земноводные впадают в оцепенение при температурах ниже +10 °С, а другие - только при температуре близкой к нулю. Вмерзшие в лед лягушки после оттаивания возвращаются к активной жизнедеятельности. Даже ряд млекопитающих (ежи, барсуки) впадают в зимнюю спячку. Пониженный уровень обмена веществ поддерживается у них за счет запасов энергии (жира), накопленных ранее. Пустынные грызуны, черепахи и другие животные впадают в спячку на несколько летних месяцев, что обусловлено преимущественно нехваткой воды. Многие низшие организмы способны выдерживать очень низкие температуры благодаря высокой концентрации в цитоплазме их клеток солей, глицерола, сахара и сниженного количества воды.
Наиболее глубокое оцепенение наблюдается при анабиозе. Анабиоз (от греч. аnabiosis - оживление) - такое состояние живых организмов, при котором все жизненные процессы почти прекращены или настолько снижены, что видимые проявления жизни отсутствуют. В состоянии анабиоза повышается устойчивость организмов ко многим неблагоприятным факторам: недостатку кислорода и влаги, действию ядовитых веществ и ионизирующих излучений и др. Чаще всего анабиоз вызывают изменения температуры и влажности среды. Так, при пересыхании луж впадают в анабиоз большинство бактерий, протистов и низших ракообразных. Многие паразитические бактерии и протисты при этом покрываются плотными оболочками и образуют споры (бактерии) или цисты (протисты). В таком состоянии они могут сохранять жизнеспособность в течение нескольких лет.
Приспособления растений к высоким температурам сводятся к следующим: усиленная транспирация, блестящая поверхность и густое опушение листьев, вертикальное положение листьев, уменьшение их поверхности. Растения способны переносить и низкие температуры благодаря листопаду, отмиранию наземных частей, утолщению пробкового слоя, высокой концентрации углеводов и других органических веществ в цитоплазме клеток, способности связывать значительное количество воды.
Животные имеют более разнообразные приспособления к изменениям температур. Их можно свести к трем основным: 1) химическая терморегуляция (усиление образования тепла при снижении температуры и ослабление при ее повышении); 2) физическая терморегуляция (изменение уровня теплоотдачи - при повышенных температурах теплоотдача увеличивается, а при низких - уменьшается); 3) поведенческая терморегуляция (перемещение в более благоприятные условия - перелеты птиц, зимовка в берлоге).
Важным лимитирующим абиотическим фактором внешней среды является влажность, так как без воды не может существовать ни один организм. Вода является в первую очередь универсальным растворителем, а все обменные процессы в клетках протекают в растворах; вода непосредственно участвует в биохимических реакциях; многие организмы способны существовать только в воде. Ее содержание в клетках достигает 70-90%.
Источником воды для растений и животных служат атмосферные осадки, водоемы, подземные воды, роса и туман. Влажность воздуха определяется содержанием в нем водяного пара. Наибольшая влажность отмечается на побережьях морей и океанов (до 100%), а наименьшая - в пустынях (2-4%).
По отношению к воде растения подразделяются на три экологические группы: гигрофиты, ксерофиты и мезофиты.
Гигрофиты - растения, населяющие места с высокой влажностью воздуха и почвы. Это растения влажных тропических лесов (папирус, рис), верховых болот (росянка, клюква), прибрежные (тростник, камыш). Они не имеют приспособлений, ограничивающих расход воды, и не способны переносить дефицит влаги. Для гигрофитов характерны тонкие листовые пластинки с широко открытыми устьицами, наличие воздухоносной паренхимы, высокая интенсивность транспирации.
Ксерофиты - растения сухих мест (полупустынь и пустынь). Их делят на две группы: суккуленты и склерофиты. Суккуленты запасают воду в сочных мясистых листьях (алоэ) или стеблях (кактусы). Во время редких дождей их корни интенсивно всасывают влагу, которая запасается в водоносной паренхиме. Сохранение воды обеспечивается восковым покровом эпидермиса, погруженными в ткань немногочисленными устьицами, закрытыми в дневное время. Склерофиты имеют мелкие жесткие листья, покрытые толстой кутикулой, препятствующей испарению воды, иногда листья видоизменяются в колючки (верблюжья колючка, ковыли, саксаулы, чертополох). Они имеют либо поверхностную корневую систему (улавливает влагу утренней росы или редких осадков), либо проникающую на большую глубину до грунтовых вод. В клеточном соке склерофитов содержатся органические вещества в высокой концентрации, что повышает осмотическое давление клеточного сока и способствует усиленному всасыванию и удержанию воды.
Мезофиты произрастают в местах с умеренной влажностью почвы и воздуха. Это растения лугов, лесов, большинство культурных растений.
Недостаток влаги служит ограничивающим фактором, определяющим границы жизни и ее зональное распределение. Одним из приспособлений для снижения потерь воды является листопад.
У животных также выработался ряд приспособлений к недостатку влаги. Мелкие животные (грызуны, пресмыкающиеся, членистоногие) довольствуются водой, поступающей вместе с пищей. Резервуаром воды для ряда животных засушливых районов служат отложения жира (горб у верблюда, курдюк у овец, жировое тело у насекомых), при окислении которого образуется необходимое количество воды. Ряд животных пустынных районов обладают способностью к длительному быстрому бегу (антилопы, куланы, сайгаки), позволяющему им совершать дальние миграции на водопой. Некоторые виды (преимущественно грызуны) перешли к ночному образу жизни, тем самым избегая перегрева и большого испарения воды.
Соленость среды обитания является важным экологическим фактором и зависит от концентрации растворимых солей. Минеральные соли почвы служат источником питания растений (удобрения), однако их избыток, наблюдающийся на засоленных почвах, на растения действует губительно (солончаки). В природе преобладают животные, приспособленные к обитанию только в пресной воде (карповые рыбы) или только в соленой (сельдеобразные рыбы). Однако отдельные виды животных в разные периоды развития живут в условиях различной солености (взрослые угри обитают в пресных водоемах, а их личинки - в морях, лососевые рыбы - наоборот).
К важным абиотическим факторам внешней среды можно отнести барометрическое давление и состав атмосферного воздуха.
Большинство живых организмов на нашей планете приспособлено к существованию при барометрическом давлении 720-740 мм рт. ст. (на уровне Мирового океана). При подъеме на высоту давление воздуха падает, что неблагоприятно сказывается на снабжении организмов кислородом.
Главной составной частью воздуха является кислород (21%), который необходим для нормального протекания окислительных процессов в клетках большинства живых существ (аэробов). Некоторые организмы (в основном бактерии и кишечные паразиты) могут существовать в бескислородной среде (анаэробы). Даже один и тот же организм на разных этапах своего развития может менять отношение к кислороду. Так, яйца аскариды для своего развития нуждаются в кислороде, а взрослые паразиты приспособились к существованию в бескислородной среде (кишечник человека). Содержание диоксида углерода составляет всего 0,03-0,04%, но он имеет существенное значение для жизни на Земле, так как непосредственно используется в процессе фотосинтеза. Больше всего в атмосфере содержится азота (78,08%), однако он не имеет особого биологического значения, так как непосредственно не усваивается растениями. В атмосфере содержится также небольшое количество инертных газов, газообразных и пылевидных примесей, микроорганизмов.
БИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ
Под биотическими факторами среды понимают компоненты живой природы, прямо или косвенно действующие друг на друга. Все виды взаимоотношений между организмами можно подразделить на нейтрализм, конкуренцию, хищничество, антибиоз и симбиоз.
При нейтрализме совместно обитающие популяции разных видов не оказывают видимого влияния друг на друга. Например, можно сказать, что белка и волк прямо не взаимодействуют, хотя живут в одном лесу.
Конкурентные взаимоотношения возникают между организмами в том случае, если для их существования необходимы одинаковые или сходные условия. Например, саранча, грызуны и травоядные парнокопытные вступают между собой в конкурентные отношения из-за пищи. Растения конкурируют друг с другом за свет, влагу, защиту от поедания животными и т. п. В конкурентные отношения могут вступать особи как одного вида (внутривидовая конкуренция; например сосны - за свет), так и разных видов (межвидовая конкуренция; например разные виды хищников - за жертву).
При хищничестве наблюдается прямое уничтожение жертвы и, как правило, использование ее в качестве пищи. Хищники есть среди животных всех классов хордовых (акулы, крокодилы, орлы, волки) и среди других типов, например гидра, планария, морские звезды, божьи коровки и др. Есть хищники и среди растений (росянка). Разновидностью хищничества является каннибализм (внутривидовое хищничество) - поедание одними особями других своего же вида. Например, самка паука каракурта поедает самца после спаривания. Хищники являются регуляторами численности жертв, не давая им беспредельно размножаться. Между количествами хищников и жертв устанавливается динамическое равновесие.
Под антибиозом понимают такие взаимоотношения между организмами разных видов, когда особи одного вида, чаще путем выделения особых веществ, оказывают угнетающее воздействие на жизнедеятельность особей других видов. Эти вещества имеют разную химическую природу, но общее название - антибиотики. Антибиотики, продуцируемые грибами, бактериями и другими организмами (пенициллин, стрептомицин, биомицин и др.) нашли широкое применение для лечения разнообразных инфекционных болезней. Некоторые высшие растения также продуцируют антибиотики, которые получили название фитонцидов. Фитонциды чаще всего представляют собой летучие вещества (иногда малолетучие), угнетающие жизнедеятельность бактерий, грибов, протистов. Они играют большую роль в биологической очистке воздуха, поэтому санатории для больных туберкулезом и другими легочными заболеваниями строят в сосновых лесах. Широкое применение в медицине находят фитонциды чеснока и лука.
Симбиозом является любое сожительство организмов разных видов. Выделяют следующие формы симбиоза: мутуализм, синойкию, комменсализм и паразитизм.
Мутуализм (взаимовыгодный симбиоз) - это сожительство организмов разных видов, приносящее взаимную пользу. Например, лишайники являются симбиотическими организмами, тело которых построено из аутотрофных протистов (или цианобактерий) и грибов. Нити гриба снабжают клетки протистов водой и минеральными веществами, а клетки протистов осуществляют фотосинтез и, следовательно, снабжают гифы грибов органическими веществами.
Синойкия (квартирантство) - сожительство, при котором особь одного вида использует особь другого вида только как жилище, не принося своему «живому дому» ни пользы, ни вреда. Например, пресноводная рыбка горчак откладывает икринки в мантийную полость двустворчатых моллюсков. Развивающиеся икринки надежно защищены раковиной моллюска, но они безразличны для хозяина и не питаются за его счет. Квартирантство встречается и у растений. Растения (эпифиты; например лишайники и мхи) поселяются на деревьях, которые служат им местом прикрепления, но не источником питания.
Комменсализм (нахлебничество) - сожительство организмов разных видов, при котором один организм использует другой как жилище и источник питания, но не причиняет вреда партнеру. Например, морские рыбы-прилипалы, присасываясь к крупным рыбам (акулам), используют их как средство передвижения и питаются их испражнениями или остатками пищи. В желудочно-кишечном тракте человека находится большое количество бактерий и протистов, питающихся остатками пищи и не причиняющих вреда хозяину.
Паразитизм - это форма антагонистического сожительства организмов, относящихся к разным видам, при котором один организм (паразит), поселяясь на теле или в теле другого организма (хозяина) питается за его счет и причиняет ему вред. Болезнетворное действие паразитов складывается из механического повреждения тканей хозяина, отравления его продуктами обмена, питания за его счет. Паразитами являются все вирусы, многие бактерии, грибы, протисты, некоторые черви и членистоногие. В отличие от хищника, паразит использует свою жертву длительно и далеко не всегда доводит ее до смерти. Нередко вместе со смертью хозяина погибает и паразит. Связь паразита с внешней средой осуществляется опосредованно через организм хозяина.
Различают временных и постоянных паразитов. Временные паразиты нападают на хозяина в основном для питания (комары, клещи). Постоянные паразиты весь цикл развития или большую его часть проводят на теле либо в теле хозяина (аскарида, печеночный сосальщик, вши и др.). По месту обитания паразиты подразделяются на эктопаразитов, живущих на теле хозяина (вши, блохи, клещи), и эндопаразитов, обитающих в теле хозяина (аскарида, малярийный плазмодий, бычий цепень).
Образ жизни оказывает существенное влияние на морфологию и физиологию паразитов. Так, у многих из них развиваются специальные органы прикрепления и питания (присоски, крючья, колюще-сосущий ротовой аппарат), высокой степени развития достигает половая система, что способствует интенсивности размножения (аскарида за сутки откладывает до 240 тыс. яиц). Вследствие нахождения в организме хозяина и питания за его счет у многих паразитов, например у плоских и круглых червей, слабо развиты нервная система и органы чувств, а у ленточных червей даже отсутствует пищеварительная система (они всасывают готовые переваренные питательные вещества всей поверхностью тела из тонкого кишечника хозяина).
Антагонистические взаимоотношения паразитов и хищников со своими жертвами поддерживают численность популяций одних и других на определенном относительно постоянном уровне, что имеет большое значение для выживания видов.
АНТРОПОГЕННЫЕ ФАКТОРЫ
Антропогенные факторы связаны с деятельностью человека. Человек в отличие от животных не пассивно приспосабливается к окружающей среде, а изменяет ее в соответствии со своими потребностями. Антропогенный фактор начал действовать при переходе человечества от собирательства к земледелию и охоте, но его влияние на природу особенно возросло в последние десятилетия в связи с интенсивным развитием промышленности и сельского хозяйства и может быть как положительным, так и отрицательным. Положительное воздействие человека проявляется в посадке лесов, парков, садов, создании и разведении высокопродуктивных новых сортов растений и пород животных, создании и охране заповедников, заказников и т. п. Однако все еще достаточно интенсивным остается отрицательное влияние людей на природу: вырубаются лесные массивы, осушаются вековые болота, мелеют реки, происходит эрозия почв, загрязнение воды, почвы и воздуха отходами, нефтепродуктами, синтетическими веществами, радиоактивными изотопами (авария на Чернобыльской АЭС в 1986 г.) и др. Назрела необходимость безотлагательной разработки и внедрения в практику глобальной концепции рационального природопользования. В противном случае человечество окажется перед лицом необратимой экологической катастрофы.
КОМПЛЕКСНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ФАКТОРОВ НА ОРГАНИЗМ
Следует учитывать, что на отдельные организмы и их популяции одновременно воздействуют все факторы, создающие определенный комплекс условий, в котором обитают те или иные организмы. Отдельные факторы могут усиливать или ослаблять действие других факторов. Например, при оптимальной температуре повышается выносливость организмов в условиях неблагоприятной влажности и недостатка пищи; в свою очередь обилие пищи повышает устойчивость организмов к неблагоприятным климатическим условиям. Однако ни один из необходимых организму экологических факторов не может быть полностью заменен другим, например свет для растений.
Степень влияния факторов окружающей природы на организмы зависит от силы их воздействия (рис. 137). При оптимальной силе воздействия данный вид нормально живет, размножается и развивается (экологический оптимум, создающий наилучшие условия жизни). При значительных отклонениях от оптимума как в сторону повышения, так и в сторону понижения жизнедеятельность организмов угнетается. Максимальное и минимальное значения фактора, при которых еще возможна жизнедеятельность, называются пределами выносливости (границы терпимости).
Рис. 137. Схема действия экологического фактора
Оптимальное значение фактора, как и пределы выносливости, неодинаково для разных видов и даже для отдельных особей одного и того же вида. Организмы, которые могут переносить значительные отклонения от оптимального значения фактора, т. е. обладают широким диапазоном выносливости, называются эврибионтными (от греч. eurys - широкий и biontos - живущий). Например, сосна растет на песках и на болотах, где стоит вода; лесообразующие породы способны переносить существенные колебания температуры. Эврибионтные организмы являются экологически пластичными, что способствует их широкому расселению. Организмы, для существования которых необходимы относительно постоянные условия окружающей среды, называются стенобионтными (от греч. stenos - узкий). Например, кувшинка не может жить без воды; огурцы и томаты не переносят даже небольшие заморозки. Они являются экологически непластичными и имеют ограниченные области распространения. Приспособительные реакции организмов на влияние среды вырабатываются в процессе естественного отбора и обеспечивают выживание видов.
Значение факторов внешней среды неравноценно. Например, зеленые растения не могут существовать без света, диоксида углерода и минеральных солей. Животные не могут жить без пищи и кислорода. Некоторые факторы относительно безразличны для жизни растительных и животных организмов, например содержание азота в атмосфере.
Фактор, интенсивность которого приближается к пределу выносливости или превышает его, называется лимитирующим (ограничивающим жизнедеятельность). Если интенсивность хотя бы одного жизненно важного экологического фактора выходит за пределы выносливости, то, несмотря на оптимальное сочетание остальных условий, организмам грозит гибель.
Сочетание условий среды, обеспечивающих усиленный рост, развитие и размножение каждого организма (популяции, вида), называют экологическим (биологическим) оптимумом.
Создание условий биологического оптимума при выращивании сельскохозяйственных культур и животных позволяет значительно повысить их продуктивность.
СРЕДЫ ЖИЗНИ
На Земле выделяют четыре основные среды жизни: водную, наземно-воздушную, почвенную и живой организм.
Водная среда (гидросфера) - первичная среда жизни, занимает 71% площади нашей планеты. Водные организмы называют гидробионтами. Вода обладает большой плотностью (в 1300 раз плотнее воздуха), вследствие чего она оказывает сильное сопротивление движению, характеризуется большой выталкивающей силой и ее давление значительно увеличивается с возрастанием глубины погружения. Наибольшую плотность (1 г/мл) вода имеет при температуре +4 °С. При повышении и понижении температуры ее плотность уменьшается. Вода обладает большой удельной теплоемкостью (в 500 раз больше, чем у воздуха), что обусловливает ее медленное нагревание и остывание. У воды высокая теплопроводность (в 30 раз выше, чем у воздуха), что обеспечивает относительно равномерное распределение температуры в водной среде.
Вода является универсальным растворителем. В зависимости от содержания растворенных солей воды подразделяют на пресные (до 0,5 г/л), солоноватые (0,6-16 г/л), морские (17-47 г/л) и пересоленные (48-350 г/л). Кислорода в воде содержится в 30 раз меньше, чем в воздухе. Лимитирующими факторами жизни в воде являются содержание кислорода и свет, который в прозрачной воде проникает на глубину до 100 м.
Адаптациями к недостатку кислорода в водной среде являются:
+ относительно низкий уровень процессов жизнедеятельности;
+ непостоянная температура тела;
+ способность впадать в анабиоз.
Высокоорганизованные водные гомойотермные животные (киты, тюлени, дельфины и др.) являются вторичноводными, и интенсивный обмен веществ обусловлен тем, что дышат они атмосферным воздухом.
Адаптации к высокой плотности воды могут быть разными:
А у одной группы водных организмов они сводятся к способности быть во взвешенном состоянии – планктон (от греч. planktos - парящий); они имеют небольшую удельную массу тела и перемещаются течениями воды (протисты, мелкие ракообразные); взвешенные организмы растений образуют фитопланктон, а животных - зоопланктон;
+ вторую группу гидробионтов составляют активно плавающие животные, имеющие обтекаемую форму тела и способные преодолевать силу течения (рыбы, головоногие моллюски); их называют нектон (от греч. nektos - плавающий);
+ третья группа гидробионтов - организмы, населяющие дно водоемов - бентос (от греч. bentos - глубина); это растения, моллюски, раки, пиявки и др.
Наземно-воздушная среда характеризуется низкой плотностью, малой подъемной силой, низким сопротивлением движению. Воздух обладает низкой теплоемкостью и высокой подвижностью как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении, что обусловливает быстрое изменение влажности и температуры в широких пределах (суточные и сезонные колебания). Различные сочетания температуры, влажности, освещенности, осадков, силы и направления ветров создают разные климатические условия, к которым должны приспосабливаться обитатели суши. Лимитирующими факторами в наземно-воздушной среде выступают влажность и температура.
У наземных обитателей хорошо развиты опорные системы (у животных - наружный и внутренний скелет, у большинства растений - механическая ткань). Силы земного притяжения ограничили максимальные размеры и массу наземных обитателей по сравнению с гидробионтами (масса слона - 5 т, синего кита - 150 т). Большинство обитателей суши приспособились к относительно быстрому передвижению (млекопитающие и птицы). Подвижность воздуха используется животными (пауки) и растениями (споры, семена) для пассивного расселения. Внутреннее оплодотворение у наземных животных сделало их независимыми от наличия воды. Многие виды животных и растений (верблюд, кактусы) имеют приспособления к недостатку влаги, а также низким и высоким температурам (шерстяной покров, толстый слой пробки).
Почвенная среда состоит из твердых частиц, между которыми находятся газы и вода. Верхний слой почвы содержит перегной, средний - вымытые из верхнего слоя вещества, нижний - представлен материнской породой. С глубиной меняется состав почвенного воздуха: увеличивается содержание диоксида углерода и уменьшается содержание кислорода. В почве сглажены температурные колебания как суточные, так и сезонные. Мелкие почвенные животные (клещи, насекомые) используют для передвижения между частицами почвы коготки на лапках, средние (кольчатые и круглые черви) способны изменять диаметр и изгибать тело, крупные животные (медведки, кроты) имеют копательные конечности. Характерными приспособлениями для почвенной среды являются компактное тело и слабо развитые органы зрения.
Любой живой организм может служить средой обитания для организмов других видов - паразитов. Паразитом называется организм, который поселяется на другом организме (хозяине), питается за его счет и причиняет вред, т. е. хозяин является средой обитания для паразита.
Адаптации к паразитическому образу жизни бывают разнообразные:
наличие специальных органов прикрепления (присоски, крючья);
развитие защитных покровов (кутикула) и выделение антиферментов, защищающих паразита от действия пищеварительных соков хозяина;
высокая степень развития половой системы, продуцирующей громадные количества яиц; появление гермафродитизма и размножения на личиночной стадии;
упрощение строения нервной системы и органов чувств; в ряде случаев - отсутствие пищеварительной системы (ленточные черви).
способность к смене хозяев.
Борьба за существование и естественный отбор заставили организмы занимать разнообразные среды обитания и соответствующие экологические ниши, тем самым снижая накал борьбы за существование. Таким образом, приспособленность организмов к жизни в разных средах является результатом их длительного исторического развития.