Влияние экологических факторов на окружающую среду

Антагонистические отношения  проявляются сильнее на начальных  стадиях развития сообщества. В зрелых экосистемах наблюдается тенденция  к замене отрицательных взаимодействий положительными, повышающими выживание  видов.

Тип взаимодействий видов может меняться в зависимости от условий или стадий жизненного цикла.

Неантагонистические взаимоотношения  теоретически можно выразить многими  комбинациями: нейтральные, взаимовыгодные, односторонние и др. Основные формы  этих взаимодействий следующие: симбиоз, мутуализм и комменсализм.

Симбиоз (гр. symbiosis - сожительство) – это обоюдовыгодные, но не обязательные взаимоотношения разных видов организмов. Пример симбиоза - сожительство рака-отшельника и актинии: актиния передвигается, прикрепляясь к спине рака, а тот получает с помощью актинии более богатую пищу и защиту. Сходные взаимоотношения можно наблюдать между деревьями и некоторыми видами грибов, произрастающих на их корнях: грибы получают из корней растворенные питательные вещества, и сами помогают дереву извлекать из почвы воду и минеральные элементы. Иногда термин «симбиоз» используют в более широком смысле - «жить вместе».

Мутуализм (лат. mutuus - взаимный) - взаимовыгодные и обязательные для роста и выживания отношения организмов разных видов. Лишайники - хороший пример положительных взаимоотношений водорослей и грибов, которые не могут существовать порознь. При распространении насекомыми пыльцы растений у обоих видов вырабатываются специфические приспособления: цвет и запах - у растений, хоботок - у насекомых и др. Они также не могут существовать один без другого.

Комменсализм (лат. commensalis - сотрапезник) - взаимоотношения, при которых один из партнеров извлекает выгоду, а другому они безразличны. Комменсализм часто наблюдается в море: почти в каждой раковине моллюска, в теле губки есть «незваные гости», использующие их как укрытия. В океане некоторые виды рачков селятся на челюстях китов. Рачки приобретают убежище и стабильный источник пищи. Киту такое соседство не приносит ни пользы, ни вреда. Рыбы-прилипалы, следуя за акулами, подбирают остатки их пищи. Птицы и животные, питающиеся остатками пищи хищников, - примеры комменсалов.

Иногда очень трудно провести грань между симбиозом и мутуализмом, комменсализмом и паразитизмом и  другими взаимодействиями. Однако четко  наблюдается тенденция перехода по ходу эволюции от паразитизма к  комменсализму и мутуализму, так  как в условиях, когда лимитированы некоторые ресурсы, кооперация дает преимущества.

Ясно, что люди должны переходить к мутуализму с природой и друг с другом. Если этого не произойдет, то, подобно паразиту, человек погубит  своего хозяина - природу, за счет которой  он живет, и тем самым погубит  себя.

Несмотря на конкуренцию  и другие типы антагонистических  отношений, в природе многие виды могут спокойно уживаться. В таких  случаях говорят, что каждый вид  обладает собственной экологической  нишей (фр. niche - гнездо). Термин был предложен в 1910 г. Р. Джонсоном.

Экологическая ниша подразумевает комплекс всех абиотических и биотических экологических факторов среды, необходимых организмам для жизни, роста и размножения в данной экосистеме.

Некоторые авторы вместо термина  «экологическая ниша» используют термин «местообитание». Последний включает лишь пространство обитания, а экологическая  ниша, кроме того, определяет функцию, которую выполняет вид. П. Агесс (1982) так определяет экологическую нишу и местообитание: местообитание - адрес, по которому проживает организм, а  ниша - это еще и его профессия, род занятий и стиль жизни.

Экологическая ниша – это совокупность территориальных и функциональных характеристик среды обитания, соответствующих требованиям данного вида.

В зависимости от источников питания, размеров территории, температуры  и других физико-химических факторов экологические ниши делят на специализированные и общие.

Специализированные экологические  ниши занимают растения и животные, которые могут существовать лишь в узком диапазоне экологических  факторов и питаться ограниченным набором  растений или животных. Например, гигантская панда, живущая в Китае, на 99% питается побегами бамбука. Уничтожение бамбука  в некоторых районах Китая  поставило это животное на грань вымирания.

Во влажных тропических  лесах много специализированных ниш, в которых обитают разнообразные  живые организмы. Вырубка этих лесов  обречет на вымирание миллионы видов  растений и животных, способных жить только в этих условиях.

Общие экологические ниши занимают организмы, которые легко  приспосабливаются к изменениям условий. Они могут обитать в  разнообразных местах, потреблять разную пищу и выдерживать широкий диапазон колебаний экологических факторов. Поэтому им меньше грозит опасность  вымирания, чем видам, занимающим специализированную нишу. Общими экологическими нишами характеризуются, например, мухи, тараканы, крысы, люди.

Однако близкородственные  организмы, имеющие сходные требования к среде обитания, не живут, как  правило, в одних и тех же условиях. Если они и живут в одном  месте, то либо используют разные ресурсы, либо имеют другие различия в функциях. Например, разные виды дятлов одинаково  питаются насекомыми и гнездятся  в дуплах деревьев, но имеют как  бы разную специализацию. Большой пестрый  дятел добывает пищу в стволах  деревьев, средний пестрый - в крупных верхних ветвях, малый пестрый - в тонких веточках, зеленый дятел охотится на муравьев на земле, а трехпалый выискивает мертвые и обгоревшие стволы деревьев, т. е. разные виды дятлов имеют разные экологические ниши. Ястребы и совы питаются одними и теми же животными, но ястребы охотятся за своими жертвами днем, а совы - ночью.

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 - Paramecium caudatum и Paramaecium aurelia, 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 - Paramaecium ourelia. При этом ни один из организмов не нападал на другой и не выделял токсичных веществ. Просто Paramaecium aurelia отличается 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 факторах основывается 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 doct растений, 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.