Основні екологічні фактори.

Світло (сонячна радиація). Усім живим організмам потрібна енергія, яка надходить на Землю зовні. Основним джерелом енергії є Сонце, енергії якого належить 99,9% в загальному енергетичному балансі Землі. Розподіл енергії на земній кулі наступний: якщо прийняти сонячну енергію, яка досягає Землі за 100%, то приблизно 19% її поглинається атмосферою, 34% віддзеркалюється назад у Космос і 47% досягає земної поверхні у вигляді прямої(31%) та розсіяної (16%) радиації. Пряма сонячна радиація – це електромагнітне випромінювання з довжиною хвиль 0,1-30000нм. На ультрафіолетову(УФ) частину спектру припадає 1-5%, на видиму – 16-45%, на інфрачервону (ІЧ) – 49-84% потоку радиації, що падає на Землю. Розподіл енергії за спектром суттєво залежить від маси атмосфери і змінюється при різних висотах Сонця. Кількість розсіяної радиації (віддзеркалене проміння) зростає із зростанням висоти Сонця та мутності атмосфери. Спектральний склад розсіяної радиації безхмарного неба характеризується максимумом енергії в області 400.480 нм.

Видиме світло, інфрачервоне та ультрафіолетове віпромінювання розрізняються за біологічною дією. Серед УФ проміння до поверхні Землі досягають тільки довгохвильове (290-380нм), а короткохвильове, згубне для всього живого, практично повністю поглинається на висоті біля 20-25км озоновим екраном – тонким шаром атмосфери, що містить молекули О₃. Великі дози довгохвильового ультрафіолету шкідливі для організму, а невеликі – необхідні багатьом видам. В диапазоні 250-400нм УФ проміння викликає потужну бактерицидну дію, утворення в організмі вітаміну D. При довжині хвилі 200-400нм викликають у людини загар. Інфрачервоні проміні з довжиною хвилі більше 750 нм викликають теплову дію.

Видиме світло несе в собі біля 50% сумарної енергії. З областю видимої радиації, яка вловлюється людсссським оком, співпадає фізіологічна радиація з довжиною хвилі 300-800нм, в межах якої можна виділити область фотосинтетичної діяльності рослин (380-710нм), проте особливе значення видиме світло має в повітряному харчуванні рослин, в адаптації їх до світлового режиму. В зв’язку з цим існують світлолюбні рослини (геліофіти); тінелюбні рослини(сцеофіти), факультативні рослини, які адаптуються в будь-яких умовах.

З впливом світла на живі організми зв’язано таке явище як фотоперіодизм.

Фотоперіодизм – це реакція організмів на сезонні зміни довжини дня.

Його проявлення залежить не від інтенсивності світу, а лише від ритму чергування темного й світлого періодів доби. Фотоперіодизм живих організмів має велике значення для пристосування їх до несприятливих умов, або навпаки, до більш активної життєдіяльності. Ритм дня і ночі виступає як сигнал наближаючихся змін кліматичних факторів (температури. вологості, тощо), що сильно впливають на організм. Вважається, що фотоперіодизм – це реакція організма на майбутнє.

Температура. Від температури середовища залежить температура організмів та швидкість хімічних реакцій, що обумовлюють обмін речовин. Тому межі існування життя – це температури, при яких можливо нормальне функціонування білків (0-50^о). Проте. деякі організми мають специфічні ферментні системи і пристосовані для існування при температурі, яка не входить в цей діапазон. Деякі види (кріофіли) існують при -8 – -10^оС, коли рідина їх тіла переохолоджується. Це, в основному, бактерії та гриби. Є види - термофіли - які живуть при високих температурах. Це кліщи, деякі личинки комах, спори деяких бактерій. Вони витримують короткочасне нагрівання майже до 180^оС. В процесі еволюції у живих організмів сформувалися різноманітні системи пристосуванн, які дають можливість контролювати обмін речовин:

-різноманітні біохімічні перебудови – зміни ферментів, зневоджування, змінення точки замерзання рідини;

-підтримування температури тіла на постійному рівні, що дає можливість не порушувати хід біохімічних реакцій.

Вологість. Протікання всіх біохімічних процесів в клітинах інормальне функціонування організма загалом можливі тільки при достатньому забезпеченні його водою – необхідною умовою життя. Підтримування водного балансу має велике значення для всіх живих організмів. Проблеми водозабезпечення особливо важливі для мешканців суші. Особливості підтримування водного балансу організмів залежать від того, в яких екологічних обставинах вони мешкають, який спосіб життя ведуть, наскільки можуть використовувати різноманітні джерела вологи й утримувати воду в своєму тілі.

Питання для самоконтролю

Питання 3.1. Чи можна вважати, що екологічні фактори оказують шкідливу дію на організми екосистеми:

Так.

Ні.

Питання 3.2. Чи можна віднести едафічні екологічні фактори до абіотичної групи екологічних факторів:

Так.

Ні.

Питання 3.3. Чи можна віднести взаємний вплив організмів одне на одного віднести до біотичних факторів?

Так.

Ні.

Питання 3.4. Чи можна вважати. що хижацтво, коли один вид організмів поїдає інший без збитків для себе, негативним для природи явищем?

Так.

Ні.

Питання 3.5. Чи можна сказати, що паразитизм біль вигідний вид взаємовідносин для організмів ніж коменсалізм?

Так.

Ні.

Питання 3.6. Чи можна сказати, що всі абіотичні фактори середовища належать до абіотичних?

Так.

Ні.

Питання 3.7. Чи можна вважати. що ультрафіолетове випромінювання Сонця не досягає поверхні Землі, а затримується озоновим шаром на висоті 20-25 км?

Так.

Ні.

Параграф 3.2.

Лімітуючи фактори. Принцип мінімума Лібіха. Толерантність. Загальна концепція лімітуючих факторів. Приклади лімітуючих факторів та їх головні відзнаки. Основні лімітуючи фактори екосистеми.

В середині XIX сторіччя, а саме, в 1840 році німецький вчений Ю.Лібіх висловив ідею, що здатність організмів до виживання визначається найслабкішою ланкою в ланцюгу його екологічних потреб. Він досліджував вплив різних речовин на розвиток рослин і знайшов, що врожай рослин залежить не від тих елементів харчування, яких треба у великих кількостях (наприклад,СО₂ і Н₂О), а від тих, які хоч і потрібні рослинам в менших кількостях, але практично відсутні в грунті, або важкодоступні (наприклад, цинк, фосфор, бор). Далі вчений встановив, що й багато інших екологічних факторів можуть обмежувати розвиток організмів, наприклад, тепло, світло та ін. Цю закономірність Ю. Лібіх сформулював так: “Екосистема керується фактором, якого є мінімум, і той фактор, що є в мінімумі, визначає стійкість екосистеми в часі”. Пізніше цей висновок став відомим як принцип мінімуму Лібіха .

ПРИНЦИП МІНІМУМУ ЛІБІХА – розвиток екосистеми залежить від тих факторів природного середовища, значення яких наближається до екологічного мінімуму.

Наступні дослідження показали, що закон мінімума має два обмеження, які слід враховувати при практичному використання.

Перше обмеження полягає в тому, що принцип мінімума Лібіха діє лише в умовах стационарного стану системи. Наприклад, в деякому водоймищі ріст водоростей обмежується в природних умовах нестачею фосфатів (фосфор – це біогенний елемент, який є важкодоступним в природних умовах). Сполуки азоту при цьому вміщені в воді в достатній кількості. Якщо в це водоймище почнуть скидати стічні води з високим вмістом мінерального фосфору, то водоймище почне “цвісти”. Цей процес буде посилюватися до тих пір, поки кількість одного з елементів не зменшиться до мінімуму і стане лімітуючим. Це може біти будь-який ц цих двох елементів. В перехідний же момент, коли азоту ще достатньо, а фосфору вже достатньо, ефекту мінімума не спостерігається, тобто ні один з елементів не впливає на розвиток водоростей.

Друге обмеження зв’язано із взаємодією кількох факторів. Іноді організм здатний замінити (навіть частково) дефіцитний елемент іншим, хімічно близьким. Так, в місцевостях, де багато стронція, в мушлях молюсків він може замінити кальцій, коли останнього недостатньо. Або, наприклад, потреба в цинку у деяких рослин знижується, якщо вони ростуть в тіні. Отже, низька концентрація цинка менше буде лімітувати рост рослин в тіні, ніж на сонці. В цих випадках лімітуюча дія навіть недостатньої кількості того чи іншого елементу може не виявлятися.

Пізніше, вже в 1913 році англійський біолог В. Шелфорд звернув увагу на те, що лімітуючим фактором може бути не тільки нестача, але й надлишок екологічних факторів, тобто екосистеми характеризуються не тільки екологічним мінімумом, але й екологічним максимумом. Надлишок тепла, вологи, світа і навіть споживних речовин може стати таким же шкідливим і згубним, як і їх нестача. Диапазон між екологічним мінімумом та екологічним максимумом – це межі толерантності.

Закон толерантності Шелфорда можна сформулювати так.

ЗАКОН ТОЛЕРАНТНОСТІ ШЕЛФОРДА – ростання і розвиток організмів залежать в першу чергу від тих факторів середовища, значення яких наближається до екологічного мінімуму або екологічного максимуму, тобто , до меж толерантності.

Закони Ю. Лібіха та В. Шелфорда допомогли зрозуміти багато явищ, зв’язаних з розподілом організмів в природі.

Було встановлено наступне:

-організми з широким діапазоном толерантності до усіх факторів широко розповсюджені в природі і часто бувають космополітами. Наприклад, патогенні бактерії;

-організми можуть мати широкий диапазон толерантності відносно одного фактора і вузький диапазон толерантності відносно другого. Наприклад, людина більш чутлива до відсутності води, ніж до відсутності харчу, тобто межі толерантності відносно води більш вузьки, ніж відносно харчу;

-якщо умови з одного екологічного фактору стають неоптимальними, то можуть змінитися й межі толерантності й інших факторів. Наприклад, при нестачі азоту в грунті, рослинам треба значно більше води;

-межі толерантності, що спостерігаються в природі, менші, ніж потенціальні можливості організма адаптуватися до даного фактора. Пояснити це явище можна тим, що в природі користуватися оптимальними фізичними умовами середовища заважають біотичні відношення (конкуренція), наявність хижаків). Людина краще реалізує свої потенційні можливості і здібності в сприятливих умовах (наприклад, на спецціалізованих зборах спортсменів, тощо);

-межі толерантності у організмів, що розмножуються, а також у потомства менші, ніж у дорослих організмів, тобто самки в період розмноження та їх потомство більш чутливі до умов життя, ніж дорослі організми;

-екстремальні (стресові) значення одного з факторів призводять до зниження меж толерантності других факторів. Якщо в річку скидається нагріта вода, то риби т інші організми витрачають майже всю енергію на боротьбу з цим стресом. Їм не вистачає енергії на добування харчу, на захист від хижаків, розмноження, що поступово призводить до загибелі вид.

Отже , існування і процвітання організмів в будь-якому середовищі мешкання залежить від великого комплекса умов.

Будь-яка умова, від якої залежить присутність і розвиток організму в даному місці мешкання, і яка наближається до меж толерантності або виходить за ці межі називається лімітуючим фактором.

Якщо поєднати ідею мінімума і концепцію меж толерантності, можна одержати загальнц корисну концепцію лімітуючих фаторів, згідно з якою в природі організми залежать від:

-вмісту необхідних речовин і стану критичних фізичних факторів середовища;

-диапазона толерантності самих організмів до цих чи інших компонентів середовища.

Цінність концепції лімітуючих факторів полягає в тому,що вона дозволяє розібратися в складних взаємозв’язках в екосистемі. Не всі можливі екологічні фактори регулюють взаємовідношення між середовищем, організмами і людиною. Наприклад, вміст кисню в наземних середовищах мешкання велике і його достатньо для організмів, тому практично ніколи не буває лімітуючим фактором за виключенням високогір’я та деяких антропогенних систем. А у воді він часто є фактором, що лімітує розвиток живих організмів, тому що його розчиненість у воді обмежена (6-12 мг/л). І це при тому, що кисень для наземних організмів такий же важливий, як і для водних.

Лімітуючи фактори визначають також і географічний ареал виду. так, рух організмів на північ лімітується нестачею тепла. Біотичні фактори також часто обмежують розповсюдження тих чи інших організмів. наприклад, завезений із середземномор’я в Каліфорнію інжир не давав плодів до тих пір, поки тудине був завезений особливий вид оси, що єдина опилює цю рослину. Виявлення лімітуючих факторів дуже важливо в багатьох видах діяльності, особливо, в сільському господарстві. Якщо спрямовано впливати н лімітуючи умови, можна швидко й ефективно підвищувати врожаї рослин і поголів’я тварин. Так, при розведенні пшениці н кислих грунтах ніякі агрономічні заходи не дадуть ефекту, якщо не застосувати вапнування, яке знизить обмежуючу дію кисліт. Отже, знання лімітуючих факторів дає ключ до управління екосистемами.