§2. Действие физических и биотических факторов

Физические факторы и их действие

Рассмотрим некоторые из физико-химических факторов, ограничившись климатическими. Начнем с лучистой энергии и света, ибо это источник тепла и жизни на нашей планете. Основные свойства лучистой энергии как экологического фактора определяются длиной волны. По этой характеристике в пределах всего светового спектра различают три части: ультрафиолетовый диапазон, видимый свет и инфракрасное излучение. Ультрафиолетовые лучи оказывают химическое воздействие на организмы, а инфракрасные — тепловое.

Основные характеристики экологического воздействия лучистой энергии на живые организмы следующие:

1. Фотопериод — закономерная смена темного и светлого времени суток.

2. Интенсивность освещения (в люксах).

3. Прямая и рассеянная радиация (в калориях на единицу поверхности за единицу времени).

4. Химическое действие световой энергии (длина волны).

Солнце постоянно излучает огромное количество энергии, большая часть которой рассеивается в космосе. Та часть, которая достигает атмосферы нашей планеты, в большей мере «задерживается» в ней. Далее на пути лучей встает растительность. Если она достаточно густая, то до почвы доходит незначительная часть лучистой энергии. Говоря об экологическом значении света, следует помнить, что главная его роль — в фотосинтезе зеленых растений, в создании органического вещества, то есть первичной биологической продукции. Фотосинтез — практически единственный источник такой продукции. Микробы-хемосинтетики создают небольшое в сравнении с растениями количество органики, а человек пока не научился создавать съедобную органику. Итак, от использования первичной продукции растений зависит все живущее на Земле.

Некоторые справочные данные. Излучение представляет собой электромагнитные волны самой различной длины. На живые объекты воздействует видимый свет и соседние с ним области. Видимая, то есть воспринимаемая человеческими глазами, часть спектра — это диапазон от 380 до 760 нанометров (1 нм = 10 ангстрем, или 1 миллимикрон, или 10^–9 м). Для организмов важны, как экологический фактор, качественные признаки света: длина волны (цвет); интенсивность (энергия в калориях); продолжительность воздействия.

Температура принадлежит к числу очень важных экологических факторов. Действие ее на животных и растения легко поддается измерению. Температура оказывает на живые существа не только прямое, но и косвенное воздействие. Вместе с тем и сами температурные условия могут изменяться под действием организмов. Так травостой и кустарники, а особенно древесные насаждения изменяют под своим пологом тепловой режим. В жаркую погоду там прохладнее, а в холодную — теплее, чем на открытых местах. Так же и животные — например, скопление личинок мучного хрущака разогревает муку выше температуры окружающего воздуха. Температура внутри цветка обычно оказывается значительно выше, чем температура других частей растения. Температура в городе (в его центре) на 5–6 градусов выше зимой и ниже летом, чем на его окраинах. Воздействие температуры на животных зависит от многих условий — от их размера, густоты мехового покрова, запаса жира, даже от особенностей поведения. Можно уйти в тень или забраться в воду и охладиться, а при необходимости — погреться на солнце. Для того чтобы удерживать тепло, можно взъерошить перья или шерсть, а можно изменить площадь поверхности собственного тела. Мы можем увидеть это на примере спящей собаке. Если ей холодно, то она сворачивается в клубок, да и человек в аналогичной ситуации сворачивается «калачиком». Когда же жарко, то животное широко раскидывается, стремясь увеличить площадь поверхности тела и тем самым усилить отдачу тепла во внешнюю среду. По той же причине мелким животным приходится много есть, это тоже компенсирует энергопотери. Подробнее мы это обсудим, рассматривая экологические законы и правила.

Некоторые справочные данные. Диапазон существующих во Вселенной температур достигает тысяч градусов. Температурные пределы, в которых может существовать жизнь, существенно уже. Это примерно диапазон в 300 градусов (от –200°С до +100°С). На самом же деле большинство организмов приурочены в своей жизни к еще более узким температурным рамкам. Только отдельные живые существа, особенно на стадии покоя, способны некоторое время переносить очень низкие температуры. Другие (некоторые бактерии и водоросли) могут жить и размножаться при температуре, близкой к точке кипения. Остальные живут в диапазоне 80°С–90°С (это от –50°С до +40°С), а организмы тропического климата, как правило, еще привередливее в отношении к теплу. Они живут в очень узком диапазоне — от +15°С до +40°С.

Температурные колебания очень часто контролируют суточные и сезонные ритмы организмов. Кроме того, температура обычно бывает причиной зональности распределения животных и растений на территории Земли.

Это своеобразные поставщики воды в живые организмы. Живая материя целиком зависит от воды. Как полагают ученые, жизнь на нашей планете зародилась в океане. Видимо, поэтому все физиологические и биохимические процессы жизнедеятельности у всех организмов протекают в водной среде. Вода содержится в их органах, тканях и клетках. Влажность — это содержание водяного пара в воздухе. Наземные животные окружены воздухом. Содержание воды в нем меньше, чем в их собственном теле, поэтому при испарении и выделении продуктов обмена их организмы теряют воду. Потери ее они снижают, либо сокращая площадь поверхности своего тела, либо приобретая защитные оболочки. Некоторые могут (так устроены насекомые) выделять сухие экскременты. Восстанавливают воду организмы либо с пищей и питьем, либо за счет внутренних обменных процессов (метаболизированная вода). Важную роль для организмов играет относительная влажность воздуха. Чем она выше, тем меньше различия между внутренней и внешней средой организма, что соответственно приводит к снижению водопотерь.

Сильнее всего относительная влажность воздуха действует на организмы, которые, хотя и стали вполне наземными, но не способны поддерживать свой водообмен самостоятельно (по нему они остались вполне водными): земноводные, черви, моллюски.

Вода физиологически необходима для любой протоплазмы. С экологической точки зрения, вода служит ограничивающим фактором во всех местах обитания. Количество осадков, влажность и иссушающие свойства воздуха, доступная площадь водного запаса — вот основные ограничивающие факторы для организмов. Количество осадков зависит от путей перемещения воздушных масс и во многом определяет зональность распределения жизни на планете.


Некоторые справочные данные. Об исключительно важном биологическом значении воды говорит и то, что тела животных и растений в основном и состоят из нее. У растений доля воды колеблется от 40 до 98%.
В стволах деревьев содержится 50–55% воды, в листьях — 79–82%, в листьях трав — 80–86%, в плодах томатов и огурцов — 95%, а в водорослях — 96–98%. Содержание воды в организме животного зависит не только от видовой принадлежности, но и от места жительства и даже от возраста особи. Так, в теле пустынной саранчи всего 35% воды, а в головастике лягушки — 93%. В молодых животных и их личинках воды всегда больше, чем во взрослых. Во взрослой лягушке — 77–80%, в личинке японского хруща — 78–81%, а во взрослом жуке — 66%. Новорожденный мышонок  в своем теле имеет 83% воды, тогда как взрослая мышь — 79%.

Таким же образом можно рассмотреть влияние на организм других, не затронутых здесь, факторов: снежного покрова, ионизации воздуха, ветра, почвы. Изучают действие физических факторов и более подробно, выделяя отдельно соленость воды, теплопроводность почвы, содержание отдельных химических элементов в среде: кислорода, кальция, железа и множества других. Все эти физические факторы действуют на живые организмы, заставляя приспосабливаться к их среднему уровню или отвечать изменением реакций организма на динамику каждого фактора.

2. Биотические факторы и их многообразие

Биотическими факторами называют взаимоотношения между различными организмами, населяющими данную среду. Они разделяются на, так называемые, гомотопические реакции — взаимодействие между особями одного и того же вида; и на гетеротипические реакции — взаимодействия между особями разных видов.

Эти реакции весьма разнообразны и некоторые из них мы рассмотрим. Одной из основных реакций такого рода является групповой эффект. Сюда относятся все изменения, происходящие с животными одного вида, связанные с объединением их в группы по две и более особей. Одно из важных следствий группового эффекта — значительное ускорение роста. Многие животные могут выжить, если только они представлены большими скоплениями. Один из видов бакланов (а эти приморские птицы являются одним из главных производителей гуано в Перу) может существовать только в колониях, насчитывающих не менее 10 тысяч особей. Африканские слоны живут и нормально размножаются только в стаде, состоящем не менее чем из 25 животных. Этот принцип «минимального размера популяции» объясняет, почему нельзя спасти виды, ставшие слишком малочисленными. Когда-то был уничтожен странствующий голубь. Окончательно он вымер, видимо, не потому, что выбили решительно всех птиц этого вида. Просто оставшихся, хотя их и было довольно много, оказалось все-таки недостаточно для полноценных гнездовий. У этого голубя для гнездового поселения нужны были десятки тысяч особей.

Другая гомотипическая реакция — так называемый массовый эффект. Так обозначают эффекты, вызванные перенаселением. Для каждого вида существует оптимальная плотность — это определенное количество особей на единицу площади или объема. При ней самка рождает максимальное число потомков. Если же плотность превосходит оптимальную или сильно не достигает ее, то число потомков в выводках снижается.
В одном случае начинают действовать результаты перенаселенности, в другом — за­труднен поиск полового партнера. Массовый эффект может зависеть и от особенностей вида. Так при изучении энергообмена у общественных животных, помещенных в калориметр, теплоотдача падала. Если же туда помещали зверьков, обычно ведущих одиночную жизнь, то при повышении плотности их теплоотдача возрастала.

Третье явление из того же ряда — внутривидовая конкуренция. Она проявляется, когда животные защищают свое гнездо или гнездовую территорию от особей того же вида. Внутривидовая конкуренция проявляется и в виде построения социальной иерархии в группе животных. Тогда в популяции или группе все особи разделяются на доминирующих и подчиненных. Так у майского жука личинки трехлетнего возраста подавляют рост более молодых (конкуренция между личинками). У куриц в курятнике су­ществует так называемое «правило клевка». Это означает, что курицы там не одинаковы по своему общественному положению. Есть там курица альфа, она может клюнуть любую в этом курятнике. Это, если можно так выразиться, самая главная там курица. Имеется и курица номер два. Она тоже может клюнуть любую соседку, кроме альфы. И таким образом в курятнике каждая курица имеет свой иерархический ранг. Стало быть, живет там и самая последняя курица, которая только получает клевки, сама же никого клюнуть не может. Впрочем, свой ранг любая курица может изменить, для этого нужно победить соседку по насесту.

Гомотопические реакции могут быть связаны между собой. Так, по мере увеличения плотности популяции более острой становится конкуренция особей за пищу и одновременно резче проявляется массовый эффект. Внутривидовая конкуренция у растений, связанная с большой густотой произрастания, вызывает у особей значительные морфологические изменения — наблюдается уменьшение среднего веса растений, снижается количество обра­зующихся у них семян. Растения вытесняют друг друга, происходит так называемое самоизреживание. Кроме того, проросшие и растущие растения выделяют в почву специальные вещества, препятствующие прорастанию семян растений того же вида, лежа­щих в почве (ингибирование семян). Так что в земле всегда есть запас «спящих» семян на несколько лет (именно поэтому так трудно победить сорняки). У животных повышение конкуренции может повлечь за собой переселение части популяции в другой географический район.

Эти реакции происходят при влиянии на одних животных особей другого вида. Такие влияния могут быть благоприятными, неблагоприятными и нейтральными, то есть нулевыми. Отсюда и названия этих реакций.

Нейтрализм наблюдается в том случае, если оба вида независимы друг от друга и не оказывают друг на друга никакого влияния.

Конкуренция межвидовая — это взаимодействия, при которых каждый из видов оказывает на другой какое-нибудь неблагоприятное воздействие. Виды конкурируют в поисках пищи, укрытия, мест откладки яиц и по другим причинам. Конкуренция может оказаться как прямой, так и косвенной. В первом случае вид действует на соседа своим присутствием, то есть непосредственно. Во втором же — результатами своей жизнедеятельности. Он может выделять токсины, или репелленты, съедать корм конкурента, изменять его местообитание и пр.

Мутуализмом называют такое взаимо­действие, при котором каждый из видов может жить, расти и размножаться только в присутствии другого или только рядом с другим у него это лучше и продуктивнее получается. Крайнее проявление этой реакции, когда виды жить не могут друг без друга, обычно называют симбиозом. Очень часто в паре мутуалистов один использует другого в качестве пищевого ресурса, второй же этой ценой получает защиту от врагов или благоприятные условия для роста и развития. Вспомните гриб и водоросль в лишайнике. Гриб дает ей воду, но за это ест синтезированную органику. Краб носит на себе актинию. Она его защищает и кормит крошками со своего стола. Он же таскает, давая ей возможность лучше дышать и охотиться. Примеры мутуалистических отношений: растения леса и луга своими корнями тесно связаны с грибами (микориза); в кораллах всегда обитают одноклеточные водоросли. Водоросли живут даже в шерсти некоторых животных (ленивец). Многие растения планеты обязаны мутуализму своим существованием — они ведь опыляются различными видами животных.

Сотрудничество происходит тогда, когда оба вида образуют сообщество. Оно не является обязательным, так как каждый из этих видов может существовать и без другого, но в сообществе оба они получают пользу. Так, совместное гнездование нескольких видов птиц (например, на птичьих базарах) позволяет им успешнее выращивать птенцов, ловить рыбу и обороняться от хищников.

Комменсализм[1] — нахлебничество, то есть взаимоотношения, при которых один из видов — комменсал — извлекает выгоду из сожительства. Другой же, хозяин, не имеет от таких взаимоотношений никакой пользы. Наиболее частый вид комменсализма, когда более крупный организм носит на своем теле более мелкого. Так многие жуки-навозники несут на брюшной стороне разнообразных клещей. В тропическом лесу на кронах крупных деревьев поселяются мелкие орхидеи (их называют эпифитами). В таежной зоне за крупным хищником рысью следует более мелкий — росомаха и подбирает остатки пищи от трапезы рыси. Южнее, за тигром следуют шакалы и тоже получают свой кусок (вспомните Шерхана и Табаки из киплинговского «Маугли»).

Паразитизм — это взаимоотношения, при которых один из организмов, паразит, получает необходимые питательные вещества от одного или нескольких организмов-хозяев. Обычно он этим наносит им вред, но не приводит к немедленной гибели. Их делят на две группы. Первая — эктопаразиты, которые живут на покровах других организмов и питаются ими. Таковы рачки из рода циамус, объедающие кожу на голове кита. Таковы наши клопы, вши, клещи, комары. Другая группа — эндопаразиты. Эти обитают внутри организма-хозяина. Наиболее известны из них разнообразные плоские и круглые черви — узкоспециализированные полостные и кишечные паразиты человека и животных.

Хищничество обычно определяют как поедание одного организма другим. Первый из них — жертвы, а второй — хищник. Жертва должна быть живой перед первым нападением на нее хищника. Наиболее естественна следующая классификация хищников: а) хищники в собственном значении этого слова; б) растительноядные; в) всеядные. Одни поедают животных, другие — растения, а третьи — тех и других. Обычно используют так называемую «функциональную» классификацию, согласно которой имеются четыре основных типа хищников:

— истинные хищники;

— хищники с пастбищным типом питания;

— паразитоиды;

— паразиты.

Истинные хищники убивают свою жертву сразу, как на нее нападут. В течение своей жизни они съедают много особей, часто не уступающих им самим по размерам. Хищники с пастбищным типом питания также используют большое количество жертв. Однако, как правило, они каждый раз съедают только часть жертвы. К этой группе хищников относят крупных копытных. Нападение такого хищника редко приводит к гибели жертвы. Жертвами их становятся растения, и при каждом нападении растения теряют части своего тела. Паразитоиды — это группа насекомых, взрослые особи которых ведут свободный образ жизни, но свои яйца они откладывают в тело другого насекомого, либо на его поверхность. Личинка этих животных является настоящим паразитом.

3. Антропогенные факторы

Антропогенные факторы делятся на прямые и косвенные. Прямые это все те воздействия на животных (отлов, отстрел, разведение) и на растения (вырубка, посадка, акклиматизация), а также на среду их обитания, которые производит сам человек. К косвенным относят те многочисленные воздействия на природу, которое оказывает производственная деятельность человека.

В действии факторов имеются свои экологические закономерности. Так, чем сложнее экосистема, тем сильнее в ней тенденции к устойчивости и тем меньше ощущается в ней воздействие внешних, особенно разрушительных, факторов. Очень сложные системы мало зависят даже от сильных внешних воздействий. Отсюда и у более сложно устроенных организмов большую роль играет внутренняя среда, нежели внешняя. Состав ее обычно остается неизменным, несмотря на воздействие внешней среды. Это явление называют гомеостазом. Организмы же примитивные, то есть более просто организованные, больше зависимы от внешней среды. Имеется и еще одна закономерность — главного воздействующего фактора обычно не бывает. Все факторы среды воздействуют на живые системы комплексно, и в этом совместном действии обычно трудно установить силу влияния каждого из них. Кроме того, факторы еще и ослабляют или усиливают воздействие друг друга. Вспомните действие температуры и влажности, рост влажности усиливает воздействие температуры.

1. Как действуют на организм солнечные лучи?

2. В каком диапазоне температур существует жизнь на нашей планете?

3. Чем важна организму вода? Что такое влажность воздуха?

4. Чем отличаются гомотипические реакции от гетеротипических?

5. Вспомните какие-либо проявления группового эффекта.

6. Какие гомотипические реакции вызывает перенаселенность?

7. Чем сходны мутуализм и сотрудничество? В чем различие?

8. В чем сходство комменсализма и паразитизма?

9. В чем проявляется разнообразие хищничества?

10. Что такое прямое антропогенное воздействие?

11. Что такое косвенное антропогенное воздействие?