Предмет и задачи экологии. Экологические факторы. Фотопериодизм. Деятельность человека как экологический фактор - ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ - ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЕГЭ

Термин «экология» был предложен в 1866 г. немецким ученым Э. Геккелем и определен им как «наука о местообитании».

Экология — наука, изучающая закономерности взаимоотношений живых организмов между собой и с окружающей их средой. Как самостоятельная наука она оформилась в начале XX в. и представляет собой синтез различных отраслей знаний биологии, геологии, географии, химии, математики и др.

Экология делится на аутэкологию и синэкологию. Аутэкология изучает отдельные особи организмов и их приспособление к условиям окружающей среды. Синэкология, или экология сообществ, исследует группы организмов, например популяции, семьи, виды и др.

Одним из основных экологических понятий является среда обитания. Под средой обитания понимают комплекс окружающих условий, влияющих на организм. В понятие среды обитания входят элементы, прямо или косвенно влияющие на организм, они называются экологическими факторами. Выделяют три группы экологических факторов: абиотические, биотические и антропогенные. Эти факторы воздействуют на организм в различных направлениях: приводят к возникновению адаптационных изменений, ограничивают распространение организмов в среде, свидетельствуют об изменениях других экологических факторов.

К абиотическим факторам относятся факторы неживой природы: свет, температура, влажность, химический состав воды и почвы, атмосферы и т. д.

Солнечный свет — главный источник энергии для живых организмов. Биологическое действие солнечного света зависит от его характеристик: спектрального состава, интенсивности, суточной и сезонной периодичности.

Ультрафиолетовая часть спектра обладает высокой фотохимической активностью: в организме животных участвует в синтезе витамина Д, эти лучи воспринимают органы зрения насекомых.

Видимая часть спектра (красные и синие лучи) обеспечивает процесс фотосинтеза, яркую окраску цветков для привлечения опылителей. У животных видимый свет участвует в пространственной ориентации.

Инфракрасные лучи — источник тепловой энергии. Тепло важно для обеспечения терморегуляции холоднокровных животных (беспозвоночных и низших позвоночных). У растений инфракрасное излучение влияет на усиление транспирации, что способствует поглощению углекислого газа и движению воды по телу растения.

Растения и животные реагируют на соотношение между продолжительностью периода освещенности и темноты в течение суток или времени года. Это явление называется фотопериодизмом.

Фотопериодизм регулирует суточные и сезонные ритмы жизнедеятельности организмов, а также представляет собой климатический фактор, который определяет жизненные циклы многих видов.

У растений фотопериодизм проявляется в синхронизации периода цветения и созревания плодов с периодом наиболее активного фотосинтеза; у животных — в совпадении периода размножения с обилием пищи, в миграциях птиц, смене шерстного покрова у млекопитающих, впадении в спячку, изменениях в поведении и т. д.

Температура непосредственно влияет на скорость биохимических реакций в телах живых организмов, которые протекают в определенных пределах. Температурные границы, в которых обычно обитают организмы, — от 0 до 50 °С. Но некоторые бактерии и водоросли могут обитать в горячих источниках при температуре 85-87 °С. Высокие температуры (до 80 °С) переносят некоторые одноклеточные почвенные водоросли, накипные лишайники, семена растений. Есть животные и растения, способные переносить воздействие очень низких температур — вплоть до полного промерзания.

Большинство животных относятся к холоднокровным (пойкилотермным) организмам — температура их тела зависит от температуры окружающей среды. Это все типы беспозвоночных животных и значительная часть позвоночных (рыбы, амфибии, пресмыкающиеся).

Птицы и млекопитающие — теплокровные (гомойотермные) животные. Температура их тела относительно постоянна и в значительной степени зависит от обмена веществ самого организма. Также у этих животных вырабатываются приспособления, позволяющие сохранять тепло тела (волосяной покров, плотное оперение, толстый слой подкожной жировой ткани и т. д.).

На большей части территории Земли температура имеет четко выраженные суточные и сезонные колебания, что обусловливает определенные биологические ритмы организмов. Температурный фактор оказывает влияние и на вертикальную зональность фауны и флоры.

Вода — основной компонент цитоплазмы клеток, является одним из важнейших факторов, влияющих на распространение наземных живых организмов. Недостаток воды приводит к возникновению ряда адаптаций у растений и животных.

Засухоустойчивые растения имеют глубокую корневую систему, более мелкие клетки, повышенную концентрацию клеточного сока. Снижается испарение воды в результате редукции листьев, образования толстой кутикулы или воскового налета и т. д. Многие растения могут поглощать влагу из воздуха (лишайники, эпифиты, кактусы). Ряд растений имеет очень короткий вегетационный период, пока в почве есть влага (тюльпаны, ковыль и др.). В засушливое время они пребывают в состоянии покоя в виде подземных побегов — луковиц или корневищ.

У наземных членистоногих образуются плотные покровы, препятствующие испарению, видоизменяется обмен — выделяются нерастворимые продукты (мочевая кислота, гуанин). Многие обитатели пустынь и степей (черепахи, змеи) впадают в спячку в период засухи. Ряд животных (насекомые, верблюды) для жизнедеятельности используют метаболическую воду, которая вырабатывается при расщеплении жира. Многие виды животных восполняют недостаток воды за счет ее поглощения при питье или с пищей (амфибии, птицы, млекопитающие).

По отношению к кислороду все живые организмы можно разделить на две группы: аэробные (которым для дыхания нужен кислород) и анаэробные (которым кислород не нужен). В среде без кислорода обитают некоторые бактерии, протесты и эндопаразиты. Большинство же организмов обитают в присутствии кислорода.

Кислород земной атмосферы образовался биогенным путем в процессе фотосинтеза.

Кислород попадает в организмы из воды или воздуха разными способами: через поверхность тела (бактерии, простейшие, низшие беспозвоночные), с помощью особых органов дыхания (трахеи, жабры, легкие). Растениями кислород поглощается через устьица и чечевички — особые щели к покровной ткани.

Углекислый газ поступает в атмосферу Земли при дыхании живых организмов, в результате процессов горения, извержения вулканов, гниения, выбросов промышленных предприятий и транспорта. Ассимилируют углекислый газ фотосинтезирующие бактерии и зеленые растения. В итоге окисленное вещество — диоксид углерода переходит в максимально восстановленное вещество — глюкозу.

Биотические факторы представляют собой формы влияния на организм со стороны других живых организмов — влияние животных на растения, растений на животных, паразитарные отношения, влияние микроорганизмов и высших организмов друг на друга и т. д.

К биотическим факторам среды относится конкуренция.

Конкуренция может возникать как между особями одного вида (внутривидовая конкуренция), так и между особями разных видов (межвидовая конкуренция), ввиду ограниченности ресурсов внешней среды — пищи, света, воды, убежищ и т. д. Внутривидовая конкуренция — один из механизмов регуляции численности популяций. Благодаря этому типу взаимоотношений складывается определенная зависимость между скоростью размножения особей в популяции и их смертностью.

Межвидовая конкуренция широко распространена в природе, поскольку на одной и той же территории обитают сразу несколько видов, которые оказывают давление друг на друга. Если два вида вступают в конкурентные отношения за общие ресурсы среды, то один из них вытесняет другой. Исход конкурентной борьбы зависит от условий каждого конкретного местообитания. В одних условиях побеждает один вид, а в других — другой. Конкуренция отсутствует, если виды занимают разные экологические ниши.

Еще один биотический фактор — это хищничество.

Хищники — это организмы, которые ловят, умерщвляют и поедают свою жертву сразу или по частям. Взаимоотношения хищник- жертва широко распространены в природе: в животном царстве хищники встречаются практически во всех типах, также существуют хищные грибы и растения (росянка, венерина мухоловка и др.).

Хищничество, так же как и конкуренция, служит механизмом регуляции численности популяций. В природе хищники в первую очередь уничтожают ослабленных или больных животных, что способствует обновлению популяции жертвы. Формой хищничества является каннибализм — поедание особей своего вида. Он встречается у насекомых, хищных рыб, паукообразных и т. д.

Паразитизм также относится к биотическим факторам.

Паразитизм — тип взаимоотношений между различными видами живых организмов, если один из них использует другого в качестве среды обитания. Паразиты отмечены практически во всех таксономических группах организмов — облигатные внутриклеточные паразиты вирусы, паразитические бактерии, одноклеточные животные, целые классы среди беспозвоночных, низшие хордовые. Существуют паразитические грибы и высшие растения.

Паразиты выработали ряд специфических приспособлений, которые отличают их от свободноживущих представителей той же группы организмов. Это прежде всего наличие органов проникновения и фиксации в организме хозяина, размеры и форма тела, высокая репродуктивная способность, сложные циклы развития и т. д.

Популяционные взаимоотношения в системе паразит-хозяин достаточно сложны, но в конечном итоге также служат механизмом регуляции численности.

Симбиоз — явление, противоположное паразитизму.

Под симбиозом понимается взаимовыгодное сожительство двух или большего числа организмов. В симбиоз могут вступать бактерии, водоросли, грибы, одноклеточные организмы, высшие растения и животные. Примеры симбиоза многочисленны. Это клубеньковые бактерии на корнях бобовых растений; микориза — симбиоз почвенных грибов и корней высших растений; лишайники — симбиоз грибов и водорослей; жгутиконосцы, обитающие в кишечнике термитов; раки- отшельники и актинии и др.

В специальную группу биотических факторов выделяют антропогенные факторы. К антропогенным факторам относятся разнообразные формы деятельности человека, которые влияют на природу и сказываются на самом существовании организмов. Антропогенные факторы разнообразны по своей природе. Человек разрушает естественные биотопы в процессе строительства городов, электростанций, плотин, дорог, в результате разработки месторождений полезных ископаемых, при ведении сельского хозяйства, вырубке лесов, осушении болот и т. д. В результате хозяйственная деятельность человека приводит к изменению и сокращению ареалов видов, нарушению их популяционной структуры.

Происходит загрязнение окружающей среды побочными продуктами производства. К таким загрязняющим веществам относятся: сероводород, двуокись серы, соли тяжелых металлов (меди, свинца, цинка и пр.), радионуклиды, побочные продукты нефтепереработки и т. д. Особенно в районах с развитой промышленностью эти вещества могут вызывать гибель организмов и стимулировать развитие мутационного процесса, что в итоге может привести к экологической катастрофе.