Экологические и природные факторы (стр. 3 из 7)
Наблюдения показывают, что два вида, сосуществующие на одной территории, не могут иметь совершенно одинаковые требования к условиям жизни. Иначе один из них вытеснит другой.
Теоретически эта закономерность может быть описана уравнениями Лотки - Вольтерры, которые предложили их независимо друг от друга в 1925 и 1926 гг.:
dN1/dt = r1N1 (K1 – N1 – a1N2)/K1;
dN2/dt = r2N2 (K2 – N2 – a2N1)/K2,
где N1 и N2 - численности двух конкурирующих видов 1 и 2; r1 и r2 - скорости их роста; K1 и K2- предельные плотности численности; a1 - коэффициент конкуренции, характеризующий подавляющее действие вида 2 на вид 1; a2 - коэффициент конкуренции, характеризующий воздействие вида 1 на вид 2.
В отсутствие убежищ или других возможностей распределения функций вид, который сильнее, рано или поздно обязательно вытеснит своего партнера.
Эта закономерность экспериментально была подтверждена российским ученым Г. Ф. Гаузе (1934), который проводил опыты с родственными видами инфузорий - Parameciumcaudatum и Paramaeciumaurelia, поместив их культуры вместе в богатую пищей среду, как бы в одну экологическую нишу.
Рис. 1. Конкуренция между родственными видами инфузорий (опыты Г. Ф. Гаузе)
Через 18 суток в среде обнаружили практически один вид инфузории - Paramaeciumourelia. При этом ни один из организмов не нападал на другой и не выделял токсичных веществ. Просто Paramaeciumaureliaотличается более высокой скоростью роста и размножения и побеждает второй вид. Эта закономерность получила название правила Гаузе.
Правило Гаузе формируется так: два вида, обитающие на одной и той же территории, не могут иметь совершенно одинаковую экологическую нишу.
Два близких вида избегают конкуренции каким-либо способом: имеют различия в суточной или сезонной активности, в пище и др. Так, большой и хохлатый бакланы кормятся в одних и тех же водах. Но большой баклан добывает пищу у дна (камбалы и креветки), а хохлатый ловит планктонную рыбу в верхних слоях воды. Если львы и леопарды живут на одной территории, то львы охотятся на крупных животных, а леопарды - на мелких.
Близкородственные виды со сходными потребностями часто обитают в разных географических областях. Вероятно, действие естественного отбора в процессе эволюции направлено на предотвращение конфронтации видов со сходным образом жизни.
Организмы воздействуют друг на друга и косвенно: бактерии формируют химический состав почв, воды; растения влияют на микроклимат и прочие физические факторы и т. д. При вымирании каких-то видов могут перестать существовать зависящие от них другие виды.
Информация об экологических нишах позволяет управлять домашними и дикими видами растений и животных как источниками пищевых и иных ресурсов. Кроме того, она помогает прогнозировать последствия изъятия или внедрения того или иного вида в экосистемы.
Антропогенные факторы - это совокупность различных воздействий человека на неживую и живую природу. Только самим своим физическим существованием люди оказывают заметное влияние на среду обитания: в процессе дыхания они ежегодно выделяют в атмосферу 1-1012 кг С02, а с пищей потребляют свыше 5-1015 ккал. В значительно большей степени на биосферу влияет производственная деятельность людей. В результате нее изменяются рельеф, состав земной коры и атмосферы, климат, происходит перераспределение пресной воды, исчезают естественные экосистемы и создаются искусственные агро- и техноэкосистемы, возделываются культурные растения, одомашниваются животные и т.д.
Воздействие человека может быть прямым и косвенным. Например, вырубка и раскорчевка леса оказывают не только прямое действие, но и опосредованное - изменяются условия существования птиц и зверей. Подсчитано, что с 1600 г. человеком уничтожено 162 вида птиц, свыше 100 видов млекопитающих и множество других видов растений и животных. Но, с другой стороны, он создает новые сорта растений и породы животных, увеличивает их урожайность и продуктивность. Искусственное переселение растений и животных также оказывает влияние на жизнь экосистем. Так, кролики, завезенные в Австралию, размножились настолько, что причинили огромный ущерб сельскому хозяйству.
Наиболее очевидное проявление антропогенного влияния на биосферу - загрязнение окружающей среды.
Значение антропогенных факторов постоянно растет, по мере того как человек все больше подчиняет себе природу. Воздействие их так велико, что породило новую дисциплину - «Охрана окружающей среды», экологические принципы которой рассматриваются во второй части учебника - «Основы прикладной экологии».
Приведенное разделение экологических факторов на три группы, конечно, условно. Оно не может охватить всю сложность взаимоотношений организмов между собой и с окружающей средой.
Предложены и другие классификации экологических факторов. По мнению А. С. Мончадского (1962), например, экологические факторы следует подразделять на две группы: изменяющиеся закономерно, периодически и изменяющиеся без каких-либо закономерностей.
2. Лимитирующие факторы
Представление о лимитирующих факторахосновывается на двух законах экологии: законе минимума и законе толерантности.
Закон минимума. Б середине прошлого века немецкий симик Ю. Либих (1840), изучая влияние питательных веществ на doctрастений, обнаружил, что урожай зависит не от тех элементов питания, которые требуются в больших количествах и присутствуют в изобилии (например, СО2 и Н2О), а от тех, которые, хотя и нужны растению в меньших количествах, но фактически отсутствуют в почве или недоступны (например, фосфор, цинк, бор). Эту закономерность Либих сформулировал так: «Рост растения зависит от того элемента питания, который присутствует в минимальном количестве». Позднее этот вывод стал известен как закон минимума Либиха и был распространён на многие экологические факторы. Ограничивать, или лимитировать развитие организмов могут и тепло, и свет, и вода, и кислород, и другие факторы, если их качение соответствует экологическому минимуму. Например, тропическая рыба морской ангел погибает, если температура воды опустится ниже 16 °С. А развитие водорослей в глубоководных экосистемах лимитируется глубиной проникновения солнечного света: в придонных слоях водорослей нет.
Закон минимума Либиха в общем виде можно сформулировать так: рост и развитие организма зависит, в первую очередь, от тех факторов природной среды, значения которых приближается к экологическому минимуму.
Исследования показали, что закон минимума имеет два ограничения, которые следует учитывать при практическом применении.
Первое ограничение состоит в том, что закон Либиха строго применим лишь в условиях стационарного состояния системы. Например, в некотором водоеме рост водорослей ограничивается в естественных условиях недостатком фосфатов. Соединения азота при этом содержатся в воде в избытке. Если в этот водоем начнут сбрасывать сточные воды с высоким содержанием минерального фосфора, то водоем может «зацвести». Этот процесс будет прогрессировать до тех пор, пока один из элементов не израсходуется до ограничительного минимума. Теперь это может быть азот, если фосфор продолжает поступать. В переходный же момент (когда азота еще достаточно, а фосфора уже достаточно) эффекта минимума не наблюдается, т. е. ни один из этих элементов не влияет на рост водорослей.
Второе ограничение связано с взаимодействием нескольких факторов. Иногда организм способен заменить дефицитный элемент другим, химически близким. Так, в местах, где много стронция, в раковинах моллюсков он может заменять кальций при недостатке последнего. Или, например, потребность в цинке у некоторых растений снижается, если они растут в тени. Следовательно, низкая концентрация цинка меньше будет лимитировать рост растений в тени, чем на ярком свету. В этих случаях лимитирующее действие даже недостаточного количества того или иного элемента может не проявляться.
Закон толерантности был открыт английским биологом В. Шелфордом (1913), который обратил внимание на то, что ограничивать развитие живых организмов могут не только те экологические факторы, значения которых минимальны, но и те, которые характеризуются экологическим максимумом. Избыток тепла, света, воды и даже питательных веществ может оказаться столь же губительным, как и их недостаток. Диапазон экологического фактора между минимумом и максимумом В. Шелфорд назвал пределом толерантности.
Предел толерантности описывает амплитуду колебаний факторов, которая обеспечивает наиболее полноценное существование популяции. Отдельные особи могут иметь несколько иные диапазоны толерантности. Данная конкретная рыба, возможно, выдерживает более высокие или более низкие температуры или количества ядовитых веществ.
Позднее были установлены пределы толерантности относительно различных экологических факторов для многих растений и животных. Законы Ю. Либиха и В. Шелфорда помогли понять многие явления и распределение организмов в природе. Организмы не могут быть распространены повсюду потому, что популяции имеют определенный предел толерантности по отношению к колебаниям экологических факторов окружающей среды.
Закон толерантности В. Шелфорда формулируется так: рост и развитие организмов зависят, в первую очередь, от факторов среды, значения которых приближаются к экологическому минимуму или экологическому максимуму.
Было установлено следующее:
- организмы с широким диапазоном толерантности ко всем факторам широко распространены в природе и часто бывают космополитами, например, многие патогенные бактерии;
- организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного фактора и узкий диапазон относительно другого. Например, люди более выносливы к отсутствию пищи, чем к отсутствию воды, т. е. предел толерантности относительно воды более узкий, чем относительно пищи;