Предмет, задачи и методы экологии

Березы в возрасте 2-3 лет могут достигать высоты 100-120 см, тогда как ель в том  же возрасте едва дотягивают до 10 см. Постепенно, к 8-10 годам березы формируют устойчивое березовое насаждение высотой до 10-12 м. Под развивающимся пологом  березы начинает подрастать и ель, образуя  разной степени густоты подрост. Перемены происходят и в нижнем, травяно-кустарничковом ярусе. Постепено, по мере смыкания крон березы, светолюбивые виды, характерные для начальных  стадий сукцессии, начинают исчезать и  уступают место теневыносливым.

Изменения касаются и животного компонента рассматриваемого биоценоза. На первых стадиях поселяются майские хрущи, березовые пяденицы, затем появляются многочисленные птицы: зяблики, славки, пеночки. Поселяются мелкие млекопитающие: землеройки, кроты, ежи. Изменение условий освещения  начинает благоприятно сказываться  на молодых елях, которые ускоряют свой рост. Если на ранних этапах сукцессии  прирост елей составляет 1-3 см в год, то по прошествии 10-15 лет он достигает  уже 40-60 см. Где-то к 50 годам ель догоняет березу в росте, и образуется смешанный  елово-березовый древостой. Из животных появляются зайцы, лесные полевки и  мыши, белки. Заметны сукцессионные  процессы и среди птичьего населения. Появляются иволги, питающиеся гусеницами.

Смешанный елово-березовый  лес постепенно сменяется лесом  еловым. Ель перегоняет в росте  березу, создает значительную тень, в результате и светолюбивая береза постепенно выпадает из древостоя. Таким  образом происходит сукцессия, при  которой вначале березовый, затем  смешанный елово-березовый лес  сменяется чистым ельником. Естественный процесс смены березняка ельником длится более 100 лет. Именно поэтому  иногда процесс сукцессии называют вековой сменой.

Различают сукцессию

• первичную - развитие сообществ идет на вновь образовавшихся, ранее никем и ничем не заселенных местообитаниях, - на песчаных дюнах, застывших потоках лавы, породах, обнажившихся в результате эрозии или отступления льдов.

Жить на таком грунте способны лишь немногие растения, их называют пионерами  сукцессий. Типичные пионеры - мхи и  лишайники. Они изменяют грунт, выделяя  кислоту, которая разрушает и  разрыхляет камни. Отмирающие мхи и  лишайники под действием бактерий-редуцентов разлагаются, а их остатки перемешиваются с рыхлым каменистым субстратом (песком). Постепенное накопление органических остатков растительного происхождения  приводит к формированию почвы, в  результате чего становится возможным  прорастание и рост мелких укореняющихся  однолетних травянистых растений, затем  многолетних трав, кустарников и  деревьев, например, ольхи и ивы. На корнях ольхи находятся клубеньки - специальные органы, содержащие симбиотические бактерии, которые фиксируют атмосферный азот и способствуют накоплению в почве больших его запасов, за счет чего почва становится все более плодородной. Теперь на ней уже могут расти деревья, например сосна, береза и ель. Так постепенно происходит нарастание видового многообразия фитоценозов и усложнение их ярусности.

В природе первичные сукцессии  встречаются сравнительно редко  и продолжаются значительно дольше вторичных - до нескольких столетий. Главная  причина такого медленного хода первичных  сукцессий - необходимость разрушения материнской горной породы и медленное  увеличение толщины почвенного слоя по мере сукцессии.

Таким образом, движущей силой  сукцессии является то, что растения изменяют почву под собой, влияя  на ее физические свойства и химический состав, так что она становится пригодной для видов-конкурентов, которые вытесняют первоначальных обитателей, вызывая смену сообщества - сукцессию.

Примером первичной сукцессии  является также возрождение жизни  на залитых потоками лавы склонах  вулкана.

• вторичную - развитие сообществ идет на местности, где ранее существовала растительность, но по каким-либо причинам она была уничтожена.

Примером вторичной  сукцессии является, например, зарастание заброшенного поля. К таким сукцессиям может привести, например, частичное  уничтожение леса болезнями, ураганом, землетрясением либо пожаром. Большинство  сукцессии, наблюдаемых в настоящее  время, являются сукцессиями антропогенными (от греч. anthropos - человек), т.е. происходящими  в результате воздействия человека на природные экосистемы. Это выпас  скота, рубка лесов, возникновение  очагов возгорания, распашка земель, затопление почв, опустынивание и т.п.

Вторичная сукцессия  длится несколько десятков лет. Она  начинается с того, что на освобожденном  участке почвы появляются однолетние травянистые растения. Это - типичные сорняки: одуванчик, осот, мать-и-мачеха и другие. Их преимущество в том, что они быстро разрастаются и  производят семена, приспособленные  к распространению на далекие  расстояния с помощью ветра или  животных. Однако уже через два-три  года их вытесняют конкуренты - многолетние  травы, а затем - кустарники и деревья, прежде всего осина. Эти породы затеняют землю, а их обширные корневые системы  забирают из почвы всю влагу, так  что проросткам видов, первыми попавших на поле, становится трудно расти. Однако сукцессия на этом не останавливается; за осиной появляется сосна; а последними - медленно растущие теневыносливые породы, например ель или дуб. Через сто  лет на этом участке восстанавливается  то сообщество, которое было на месте  поля до сведения леса и вспашки  земли.

Примером вторичной  сукцессии может служить и  образование торфяного болота при  зарастании озера. Изменение растительности на болотах начинается с того, что  края водоема зарастают водными  растениями. Влаголюбивые виды (камыш-тростник, осока) начинают разрастаться вблизи берегов  сплошным ковром. Постепенно создается  более или менее плотный слой растительности на поверхности воды. Отмершие остатки растений постепенно накапливаются на дне водоема. Из-за малого количества кислорода в застойных  водах погибшие растения медленно разлагаются  и постепенно превращаются в торф. Начинается формирование болотного  биоценоза. Появляются сфагновые мхи, на сплошном ковре которых поселяются клюква, багульник, голубика. Здесь  же могут поселяться сосенки, образуя  редкую поросль тощих деревьев. Постепенно, с течением времени, образуется экосистема верхового болота.

По мере усложнения сообщества усложняются и связи  между популяциями. Высшей точкой, или  кульминацией, развития является стабилизированная  система, главным образом за счет стабилизации структуры растительности, в которой на единицу имеющегося потока энергии приходится максимальная биомасса организмов.

Такое относительно устойчивое и равновесное по отношению  к внешней среде растительное сообщество носит название климаксового сообщества (от греч. klimax - лестница) и  представляет собой заключительную стадию развития биоценоза. Климаксовое  сообщество может существовать неопределенно  долгое время - до тех пор, пока какое-либо воздействие извне (вспашка земли, рубка леса, пожар, извержение вулкана, наводнение) вновь не нарушит его  природную структуру. В случае разрушения сообщества в нем начнется сукцессия - медленный процесс восстановления исходного состояния.

АДАПТИВНЫЕ  ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ТИПЫ ЧЕЛОВЕКА

Человечество, заселившее уже около 15 тыс. лет назад все  более или менее благоприятные  для жизни природно-географические зоны, встретилось с необходимостью адаптироваться к самым разнообразным  условиям существования. Адаптации  человека к среде, как уже указывалось, проявляются в основном на социальном уровне, однако человечество на ранних этапах эволюции подвергалось непосредственному  действию биотических и абиотических экологических факторов в значительно  большей степени по сравнению  с современной эрой научно-технического прогресса. Комплексы таких факторов имели разнонаправленное действие на человеческие популяции. В результате в разных климатогеографических  зонах сформировались разнообразные  адаптивные типы людей.

Адаптивный  тип представляет собой норму биологической реакции на комплекс условий окружающей среды и проявляется в развитии морфофункциональных, биохимических и иммунологических признаков, обеспечивающих оптимальную приспособленность к данным условиям обитания.

В комплексы признаков  адаптивных типов из разных географических зон входят общие и специфические элементы. К первым относят, например, показатели костно-мускульной массы тела, количество иммунных белков сыворотки крови человека. Такие элементы повышают общую сопротивляемость организма к неблагоприятным условиям среды. Специфические элементы отличаются разнообразием и тесно связаны с преобладающими условиями в данном месте обитания — гипоксией, жарким или холодным климатом. Именно их сочетание служит основанием к выделению адаптивных типов: арктического, тропического, зоны умеренного климата, высокогорного, пустынь и др.

Разберем особенности  условий жизни человеческих популяций  в различных климатогеографических  зонах и адаптивные типы людей, сформировавшиеся в них.

Условия обитания в  Арктике характеризуются постоянно  низкими температурами воздуха, скудной растительностью, богатством животного мира и сезонной периодичностью поступления продуктов питания: растительная пища доступна только в  короткие летние месяцы, а животная — в периоды нереста рыбы, гнездования  птиц, размножения оленей и морского зверя. Продукты питания богаты витаминами, белками, жирами и микроэлементами, но бедны углеводами растительного  происхождения. Воздух и почва в  Заполярье содержат очень мало микроорганизмов, низкие температуры препятствуют сохранению цист патогенных простейших, яиц и  личинок гельминтов.

Из перечисленных  факторов наибольшее влияние на формирование комплекса признаков арктического адаптивного типа оказали, по-видимому, холодный климат и преимущественно животная пища. Арктическому комплексу признаков свойственны относительно сильное развитие костно-мускульного компонента тела, большие размеры грудной клетки, высокий уровень гемоглобина, относительно большое пространство, занимаемое костным мозгом, повышенное содержание минеральных веществ в костях, высокое содержание в крови белков, холестерина, повышенная способность окислять жиры. Среди аборигенов Арктики почти не встречаются лица с астеническим телосложением.

В целом арктический  тип характеризуется усиленным  энергетическим обменом, который отличается стабильностью показателей в  условиях переохлаждения. Имеют свои особенности и механизмы терморегуляции. Так, при одинаковой степени охлаждения у канадских индейцев резко падает температура кожи, но уровень обмена веществ меняется незначительно, а  у пришлого белого населения наблюдается  меньшая степень снижения кожной температуры, но появляется сильная  дрожь, т.е. интенсифицируется обмен.

В тропиках и субтропиках  располагается чуть ли не большая  часть Ойкумены. Этот регион отличается в целом большим количеством  тепла и влаги и сглаженностью  сезонных колебаний условий обитания. Вместе с тем благодаря особенностям рельефа наблюдается значительная контрастность распределения тепла  и влаги — массивы влажных  лесов нередко соседствуют с  засушливыми плато, обширными равнинами  и редколесьем. В экваториальной и субэкваториальной областях сосредоточены  огромные количества растительной биомассы. Влажные тропические леса относительно бедны животными, тогда как в  саваннах животный мир разнообразен и включает крупных стадных животных, издавна используемых человеком  как объект охоты. Почва, воздух и  вода содержат большое количество микроорганизмов, яиц гельминтов и цист патогенных простейших. Богатство и разнообразие животного мира обеспечивает существование  огромного количества промежуточных  и окончательных хозяев биогельминтов  и переносчиков возбудителей трансмиссивных заболеваний. К преобладающим экологическим факторам, под влиянием которых формировался комплекс признаков тропического адаптивного типа, относят жаркий влажный климат и рацион с относительно низким содержанием животного белка.

В тропической области  наблюдается исключительно широкая  вариабельность групп населения  в расовом, этническом и экономическом  отношениях. Это проявляется в  поразительном размахе изменчивости, например по соматическим признакам. Тем  не менее преобладающие экологические  факторы, особенно климатический, способствовали образованию определенного комплекса  морфофизиологических признаков обитателей тропиков и субтропиков. К характерным  признакам тропического типа относят  удлиненную форму тела, сниженную  мышечную массу, относительное уменьшение массы тела при увеличении длины  конечностей, уменьшение окружности грудной  клетки, более интенсивное потоотделение  за счет повышенного количества потовых  желез на 1 см² кожи, низкие показатели основного обмена и синтеза жиров, сниженную концентрацию холестерина в крови.

Антропологическое изучение современных обитателей зоны умеренного климата под углом  зрения формирования биологических  механизмов адаптации к природным  условиям затруднено, так как значительная часть людей проживает в промышленно  развитых странах с большой долей  городского населения. Результаты наблюдения позволяют, однако, судить о том, что  и в этом случае в процессе исторического  развития человеческих популяций сформировался  комплекс признаков, соответствующий  особому адаптивному типу умеренного пояса.

По соматическим показателям, уровню основного обмена население умеренного пояса занимает промежуточное положение между  коренными жителями арктического и  тропического регионов. Это соответствует  условиям биогеографической среды  в зоне умеренного климата. Для нее  характерны неравномерное распределение  районов, отличающихся по количеству тепла  и влаги, типу растительности (от сухих  степей и полупустынь до тайги), богатству  животного мира. Вместе с тем температура  и влажность воздуха здесь  не достигают экстремальных величин, хорошо выражен сезонный ритм биоклиматических условий.

Условия высокогорья  для человека во многих отношениях экстремальны. Их характеризуют низкое атмосферное давление, сниженное  парциальное давление кислорода, холод, относительное однообразие пищи. Основным экологическим фактором формирования горного адаптивного типа явилась, по-видимому, гипоксия. У жителей высокогорья независимо от климатической зоны, расовой и этнической принадлежности наблюдаются повышенный уровень основного обмена, относительное удлинение длинных трубчатых костей скелета, расширение грудной клетки, повышение кислородной емкости крови за счет увеличения количества эритроцитов, содержания гемоглобина и относительной легкости его перехода в оксигемоглобин.