Факторы для живой системы

Отсутствие условий создает возможность действия факторов в любой момент. Если ресурсов не хватает для предотвращения противоречий, то также начинают действовать факторы.

Процесс, который создает возможность проявления противоречий между собственными законами живой системы и законами Вселенной, – это фактор. Мы говорим о действии фактора, то есть фактор – это процесс, осуществление которого соответствует размыканию какого-либо внутреннего цикла в организме по законам Вселенной.

Как любой процесс, факторы классифицируются по разным основаниям. Во-первых, в зависимости от того, где размыкается цикл, факторы делятся на внешние и внутренние. Внутренние факторы размыкают внутренние условные и ресурсные циклы. Они представляют угрозу для существования организма. Внешние факторы ограничивают поведение организма, они называются экологическими. Как и любые процессы, экологические факторы могут действовать локально или глобально.

Локальное действие факторов может вызывать экологические кризисы, глобальное – экологические катастрофы.

По временному признаку процессы делятся на:

1. постоянные;

2. периодические;

3. апериодические.

При этом факторное воздействие на живые системы оказывают преимущественно апериодические процессы (природные явления) или аномальные изменения значений параметров постоянных и периодических процессов.

Экологические факторы, также как и условия, по происхождению делятся на:

1. абиотические;

2. биотические;

3. антропогенные.

При разных значениях параметра фактора противоречие между внутренними законами живой системы и законами Вселенной может проявляться в разной степени. Степень проявления противоречий – доля циклов некоторого типа внутри живой системы от общего их количества в живой системе, которая размыкается под действием какого-либо фактора.

При разных значениях параметра степень размыкания циклов различна. Когда мы говорим о факторе, можно говорить об элементарных неожиданностях, о выходе значений параметра за рамки, соответствующие благоприятным условиям процесса, и аномальной длительности процесса, который приводит к проявлению противоречий.

Зона пессимума на кривой Гаусса характеризует значения параметров неблагоприятных условий. Факторы отличаются от неблагоприятных условий. Неблагоприятные условия - организм может пережить, снизив уровень метаболизма и внешнюю активность, уменьшив потребление и затраты ресурсов. Факторы пережить и переждать нельзя! Организм может лишь переместиться в другую область, где для него отсутствует фактор воздействия. При факторном воздействии требуется увеличить интенсивность процесса обмена веществ и активизировать поведение. Следует учитывать, что когда действует внешний фактор, он разрушает внешние условия и, тем самым, ограничивает поведение.

Внешний фактор может создать внутренний фактор. При этом уже разрушаются условия не только для поведения, но и для существования живой системы. Организм гибнет от внутренних факторов.

Использование ресурсов на преодоление противоречий эффективно в зоне нормы. При неблагоприятных условиях организм прекращает потребление ресурсов и снижает количество решаемых задач.

При факторном воздействии затрата ресурсов на преодоление противоречий может быть эффективна только в течение короткого промежутка времени. При длительном воздействии фактора затрата ресурсов неэффективна – их просто не хватит, поэтому ресурсы следует затрачивать на то, чтобы выйти из зоны действия фактора.

Неблагоприятные значения параметров условий требуют комфортного поведения, а факторы – оборонительного.

Фактор – это термин. Не процесс становится фактором, а соответствующие значения параметров, которые являются неприятными для живой системы. Мы описываем процесс как фактор, чтобы представить, будет ли гибнуть живая система.

Таким образом, факторы – это то, от чего живой системе бывает плохо, условия – то, без чего живой системе плохо, а ресурсы – это то, от чего живой системе хорошо. При этом факторы, условия и ресурсы – это процессы.

Ресурсы – то, чего я хочу, условия – то, без чего я не могу, факторы – то, чего я не хочу.

Теплообмен

Теплообмен – это процесс излучения и поглощения тепловой энергии физическими телами или живыми системами. Для всех живых организмов он является постоянно действующим процессом.

Основные параметры – температура, колебание температуры, сумма эффективных температур, термонейтраль.

Для живых систем это в первую очередь условный процесс, поскольку любые химические реакции в них идут в определенном диапазоне температур.

По законам Вселенной (физико-химическая закономерность) увеличение температуры в среде ведет к пропорциональному возрастанию скорости химических реакций. Для абиотических процессов увеличение температуры на каждые 10 градусов увеличивает скорость химических реакций в 2-3 раза - это правило Вант-Гоффа.

Специфика химических реакций внутри организма – их ферментативный катализ. Но внутри живой системы он осуществляется по законам, дополнительным к законам Вселенной, поэтому не является линейной функцией температуры, и скорость химических реакций в организме меняется не всегда прямо пропорционально. Для живых систем существует коэффициент температурного ускорения Q₁₀, разный для различных химических реакций и разных организмов. У тропических растений при температуре выше 10^оС Q₁₀= 3, но существенно снижается при температуре выше 25-30^оС.

Жизненные функции могут протекать (то есть внутренняя активность - проявляться) лишь в определенном интервале температур – существуют верхний и нижний порог жизни. За этими порогами противоречия организма со средой становятся неразрешимыми: условные циклы размыкаются, ресурсов для их замыкания не хватает. Температурные пороги неодинаковы для разных видов в связи с видовой спецификой ферментных систем. Верхний порог определяется температурой свертывания белков. Необратимые нарушения их происходят при температуре 60 ^оС – это порог «тепловой смерти» у ряда простейших. У более сложно организованных растений и животных тепловая гибель наступает при более низких температурах. Ее причина – рассогласование обменных процессов, вызванное разными значениями Q₁₀ для различных реакций. Млекопитающие гибнут при температуре 42-43 ^оС из-за нарушения нервных процессов.

Ряд видов бактерий обитает в горячих источниках при температуре 70 ^оС, некоторые анаэробные архебактерии при температуре 85-105 ^оС – это зона благоприятных значений температуры для этих организмов, их высокая термоустойчивость определяется биохимическими особенностями протоплазмы.

Нарушение метаболических и регуляторных процессов наступает и при очень низких температурах и определяется также разной величиной Q₁₀ для отдельных реакций. Переваривание пищи в кишечнике пчел тормозится охлаждением в большей степени, чем потребление глюкозы тканями. То есть факторное воздействие проявляется в первую очередь не внутри живой системы, а на ее границе с внешней средой.

В соответствии с возможностью потребления и использования ресурсов по отношению к процессам теплообмена организмы делятся на пойкило- и гомойотермные.

1. Пойкилотермные (греч. poikilos - изменчивыq) характеризуются не устойчивой температурой тела, зависящнй от температуры среды, низким уровнем метаболизма. Основной источник поступления энергии – внешнее тепло.

По законам Вселенной скорость изменения температуры любого тела в среде прямо зависит от площади поверхности соприкосновения со средой. Скорость изменения температуры тела пойкилотермных организмов связана обратной зависимостью с их размерами: у более крупных форм относительная поверхность тела уменьшается, что ведет к уменьшению скорости потери тепла.

Температура тела, тем не менее, редко соответствует температуре среды. Отельные части организма продуцируют тепла столько, сколько необходимо для осуществления специфических метаболических процессов. В общих чертах в жарких местообитаниях температура надземных частей растений ниже, а в холодных – выше, чем температура воздуха – это проявление внутренней активности организма. Опять же по законам живой системы у крупных кожистых черепах, пойманных в холодных водах, температура в глубине тела на 18^оС выше температуры воды.

Процесс теплообмена определяет климатические зоны и распределение организмов по ним. Для разных зон характерен разный диапазон значений температуры. В тропиках и арктических областях существуют стенотермные организмы, во всех остальных зонах – эвритермные.

Эффективная температура – температура выше минимального значения, при которой процесс развития организма вообще возможен.

t

Температура, при которой развитие начинается, называется ноль развития. Выше этой температуры живой системе хватает ресурсов на решение задач, обеспечивающих ее существование.

Сумма эффективных температур за весь период развития характеризует возможность существования и прохождения всего цикла развития конкретного вида растений и беспозвоночных животных в данной климатической зоне.

На кривой Гаусса, характеризующей интенсивность развития организма в зависимости от температуры в зоне оптимума количество ресурсов, расходуемых на процессы роста значительно больше, чем на процессы адаптации; в зоне нормы увеличиваются затраты ресурсов на адаптацию.

За границами диапазона температур, обеспечивающего активную жизнедеятельность (в зоне пессимума) организмы переходят в состояние оцепенения, характеризующееся резким снижением уровня обменных процессов, вплоть до полной потери видимых проявлений жизни. Количество и скорость протекающих в организме процессов минимальны. Поэтому не функционирующий организм не подвергается многим повреждающим воздействиям, не расходует ресурсы на замыкание условных и размыкание факторных циклов.

Для пойкилотермных организмов характерны температурные адаптации – они определяются переведением значений температуры, характерных для данной области в зону благоприятных значений для организма. Например, икра щуки в опытах выживает при постоянной температуре в диапазоне 2-25 ^оС, но наибольший процент выживших эмбрионов приходится на 10 ^оС, что точно соответствует типичной температуре нерестовых водоемов (9-12 ^оС при колебании от 2 до 25 ^оС). Существует «настройка» температурных реакций организма в соответствии с сезонными сдвигами процессов теплообмена в среде. Для инфузорий, культивируемых при 29 ^оС, летальная температура составляла 0^оС. Постепенно снижая температуру содержания, получили культуру, устойчиво поддерживаемую при температуре 0 ^оС, в этом случае температура 29 ^оС становилась летальной.

Общая адаптация к условиям теплообмена у пойкилотермных организмов основывается на изменении тканевой устойчивости, которая во многом связана с термостабильностью белков и различной термической настройкой ферментных систем. Адаптация идет на клеточном и тканевом уровне.

Для пойкилотермных организмов характерно также адаптивное поведение, в частности поведенческая терморегуляция путем активного выбора мест с наиболее благоприятным микроклиматом (змеи выползают погреться на солнце), смены поз (бабочки складывают крылья и садятся параллельно или перпендикулярно солнечным лучам).

2. гомойотермные (от греч. homois - постоянный, подобный, одинаковый) – для них характерна устойчивая температура тела, отличная от температуры среды. Интенсивность обмена веществ у них на один-два порядка выше, чем у пойкилотермных организмов. Для них характерно использование собственной теплопродукции, это уменьшает зависимость жизнедеятельности организма от условий среды. Для поддержания на постоянном уровне температуры тела эти организмы используют ресурсов на один-два порядка больше, чем пойкилотермные, поскольку имеют наиболее совершенное строение дыхательной и кровеносной систем (классы Птицы и Млекопитающие типа Хордовые).

У них существует регуляция температуры - химическая (окислительная, экзотермическая); физическая - строение перьев, шерсти соответствует физическим свойствам среды; и приспособительное поведение (тесные скопления для пингвинов, яков зимой, гнездостроение у птиц).

В регионах традиционного обитания вида для гомойотермных организмов характерна термонейтраль – это диапазон температур, в котором теплообмен со средой сбалансирован, уровень обмена минимален, то есть это зона оптимума, в которой затраты ресурсов на процессы адаптации практически отсутствуют.

Гомойотермные контролируют теплообмен на уровне целостного организма путем теплопродукции и делают внутренние процессы независимыми от колебаний параметров внешних в обычных пределах. Температурный диапазон активной жизнедеятельности теплокровных практически совпадает с диапазоном переносимых температур.

Совокупное действие на организм нескольких процессов среды обозначается термином «констелляция». Это не просто суммарное влияние процессов. При комплексном воздействии между ними устанавливается особое взаимодействие их параметров и влияние их значений на диапазон зоны оптимума для каждого организма.

Известно значение влажности воздуха в реакциях животных на температуру. В сухом воздухе воздействие высокой температуры переносится гомойотермными организмами относительно легко, тогда как высокая влажность существенно снижает пороги нормального функционирования организма. Повышенная влажность воздуха характеризует процесс влагообмена в среде, который ограничивает процесс испарения с поверхности организма и таким образом как бы выключает наиболее эффективный механизм приспособления к высокой температуре. Увеличение влажности при низкой температуре также снижает эффективность терморегуляции и увеличивает энергозатраты на ее осуществление: влажный воздух обладает большей теплопроводностью, что в сочетании с низкой температурой определяет прогрессирующее влияние теплопотерь. В итоге изменения влажности вносят коррективы в закономерности влияния температуры на организм. Нуль развития в этом случае выражен не постоянной величиной, а серией значений при меняющейся влажности.

Для любого вида в его местообитании значения параметров каждого процесса, характерные для данной области пространства, являются условными.

Среды жизни

Область пространства с относительно постоянными физико-химическими процессами, выраженными скоординированными значениями их параметров называется средой жизни.

Различают 4 вида среды жизни:

1. водная;

2. наземно-воздушная;

3. почва;

4. организм.

Все среды характеризуются одними и теми же процессами, происходящими во Вселенной, но значения их параметров различны и зависят от агрегатного состояния основных веществ среды жизни. Эти диапазоны, слишком обширны, а области пространства, занимаемые средами жизни, чрезвычайно гетерогенны, поэтому каждый вид приспосабливается не ко всему диапазону параметров в среде, а к части, характерной для более ограниченной области пространства. Область пространства, где колебания значений параметров внешних процессов, как правило, не выходят за пределы благоприятности для организмов данного вида является его средой обитания. Необходимо отметить, что среду обитания характеризуетсовокупность скоординированных процессов, структура которых может меняться при осуществлении поведения данной живой системой за время ее жизни. Эта среда постоянно преобразуется за счет обмена веществ, который можно рассматривать как процесс взаимодействия организмов со средой, происходящий путем преобразования ресурсных циклов, а также факторных в условные.

Среда определяет возможность существования жизни и ее отдельных проявлений, но активным началом взаимодействия служит живое как создающая сила. Современные свойства сред жизни определяются влиянием совокупной жизнедеятельности обитающих в них организмов, каждый из которых изменяет свою среду обитания. В процессе развития биосферы жизнепригодность сред жизни повышается.

В любой среде выполняется принцип экологического соответствия: форма существования организма всегда соответствует условиям его жизни.

Водная среда

Основные процессы в водной среде, их наиболее важные параметры и приспособления организмов

Жизнь зародилась в океане, поэтому вода, как вещество, является субстратом для прохождения химических реакций во всех живых организмах. Главные процессы, определяющие свойства воды, как среды жизни:

1. Процесс взаимодействия молекул воды является условным для всех живых систем, он определяют физические свойства воды и ее агрегатное состояние на Земле. Плотность воды в 800 раз превышает плотность воздуха, вязкость ее в 50 раз больше вязкости воздуха. Плотность воды обеспечивает возможность организмам опираться на нее. Опорность среды служит условием парения в воде. Организмы, которые передвигаются с токами воды, имеют приспособления к парению в ней за счет увеличения поверхности тела (различные выросты) при небольшой массе (у представителей зоопланктона) или облегчения веса (газовые вакуоли фитопланктона; капли жира, как запасающее вещество в клетках простейших; плавательный пузырь у рыб, как гидростатический орган). Преодоление противоречий со средой у активных пловцов происходит за счет изменения формы тела в сторону увеличения ее обтекаемости и развития органов движения.

2. Гравитационное взаимодействие - условный процесс для всех обитателей Земли. В воде действуют 3 силы: сила тяжести, давление воды и выталкивающая сила, которая его уравновешивает. Поэтому размеры тела водных организмов ограничиваются действием силы тяжести в меньшей степени, чем наземных. Киты, например, имеют длину до 30 м и массу больше 100 т, масса слона не превышает 7 т.

Для наземных животных и растений характерны жесткие структуры, благодаря которым они сохраняют форму и положение тела, не смотря на действие силы тяжести. У растений это – механические ткани, у животных – внутренний и внешний скелет. У водных растений механические ткани сильно редуцированы и располагаются в центре стебля, что придает им способность изгибаться при движении воды; у водных животных жесткие структуры обычно служат либо для защиты, либо для прикрепления мышц (раковины моллюсков).

Основной параметр процесса гравитационного взаимодействия в воде – давление воды. С погружением на каждые 10 метров оно увеличивается на 1 атмосферу. По отношению к давлению организмы бывают стено- и эврибатными. Многие обитатели морей и океанов стенобатны, обычно это мелководные и глубоководные виды. К эврибатным относятся пресноводные обитатели и человек. Известны случаи рекордного погружения человека на глубину более 100 м. Например, французу Жаку Майолю удалось без акваланга достигнуть глубины 105 м, при этом на него действовало давление воды 10,5 атмосфер. А рекорд проникновения аквалангистов в морские глубины, установленный в 1972 г. двумя французами, составил 565 м…

3. Теплообмен - условный процесс. Теплоемкость воды в 500 раз выше теплоемкости воздуха; теплопроводность в 30 раз выше. Высокая теплопроводность воды обеспечивает относительную однородность водной среды по отношению к температуре. Температура в водной среде колеблется значительно меньше, чем в наземной: амплитуда годовых колебаний в верхних слоях океана не более 10-15 ^оС, в континентальных водах – 30-35^оС. Суточные колебания температуры морской воды наблюдаются примерно до 50-метровой глубины, а сезонные отмечаются и глубже. Вода в водоемах делится на 3 слоя: эпилимнион, температура которого испытывает резкие сезонные колебания; переходный, слой температурного скачка – термоклин, где отмечается резкий перепад температур; глубоководный (придонный) – гиполимнион, доходящий до самого дна, где температура в течение года изменяется незначительно. Поскольку температурный режим водоемов характеризуется большей стабильностью, среди гидробионтов в большей мере, чем среди организмов суши, распространена стенотермность. Эвритермные виды встречаются главным образом в мелких континентальных водоемах и на литорали морей высоких и умеренных широт, где значительны суточные и сезонные колебания.

Максимальную плотность вода имеет при температуре 4^оС, это обеспечивает замерзание водоемов только с поверхности и возможность переживания неблагоприятных условий растениями и животными на дне водоемов. Высокая теплопроводность воды способствует быстрой теплоотдаче, поэтому теплокровных организмов в водой среде крайне мало и все они являются вторичноводными.

4. Распространение света в среде - условный и ресурсный процесс для растений, условный для животных. Интенсивность света в воде сильно ослаблена, так как часть падающей радиации отражается от поверхности воды, другая – поглощается ее толщей. Поглощение света водой зависит и от ее прозрачности, а соответственно и солености, поэтому фотосинтез в пресной и соленой воде идет до разной глубины. В небольших озерах с несколько замутненной водой уже на глубину 2м проникают лишь десятые доли процента света. Наиболее богат жизнью шельф или материковая отмель в океанах, где на глубину до 80 м проникает примерно 80% солнечной радиации, ниже 140м – меньше 1%. Практически до этой глубины возможен эффективный фотосинтез и развиваются растения. С глубиной изменяется спектральный состав света: вода сильнее поглощает красные лучи и меньше всего сине-зеленые, поэтому на большой глубине живут красные водоросли, способные использовать энергию этих лучей для фотосинтеза.

В светлых поверхностных слоях воды обитают ярко окрашенные животные, глубоководные же виды обычно лишены пигментов.

5. Газообмен - ресурсный процесс, основные параметры – концентрация СО₂ и О₂ в воде. Для растений в первую очередь нужен углекислый газ, для животных организмов - кислород. Углекислота образуется в воде в результате растворения СО₂, содержащегося в воздухе, дыхания водных организмов, разложения органических остатков и высвобождения из карбонатов. Содержание углекислого газа в воде колеблется в пределах 0.2-0.5 мл/л или в 700 раз больше, чем в атмосферном воздухе, поскольку СО₂ растворяется в воде в 35 раз лучше кислорода. Морская вода является главным резервуаром СО₂. Углекислый газ, содержащийся в воде, обеспечивает фотосинтез водных растений и участвует в формировании известковых скелетов беспозвоночных животных.

Кислород поступает в воду из воздуха и выделяется растениями при фотосинтезе. Кислород плохо растворим в воде: его содержание в верхних слоях воды 6-8 мл/л, или в 21 раз ниже, чем в атмосфере; на глубине 50-1000м аэрация в 7-10 раз ниже, чем в поверхностных водах, заселенных фитопланктоном. Около дна водоемов условия могут быть близкими к анаэробным. При концентрации ниже 0.3-3.5 мл/л жизнь аэробов в воде невозможна. Среди водных обитателей значительно количество видов, способных переносить широкие колебания содержания кислорода в воде, - эвриоксибионты. К ним относятся некоторые брюхоногие моллюски. Слабое насыщение воды кислородом из рыб могут выдерживать сазан, линь, караси. Только при достаточно высоком насыщении воды кислородом могут существовать радужная форель, гольян (стенооксибионты). Многие виды живых организмов способны при недостатке кислорода впадать в неактивное состояние – аноксибиоз, и таким образом переживать неблагоприятные условия.

Дыхание гидробионтов осуществляется через поверхность тела или жабры, количество поступающего кислорода в организм при этом не велико, поэтому все первичноводные животные являются холоднокровными.

6. Минеральный обмен - условный и ресурсный процесс. Соленая и пресная вода отличаются по составу солей и их концентрации. В соленой воде преобладают ионы Na⁺, Mg⁺², Cl^-, SO₄^-2. В пресной воде преобладают ионы Ca⁺², CO₃^-2. При минерализации до 1 г/л вода является пресной. В морской воде среднее содержание растворенных солей 35 г/л, окраинных морях значительно ниже.

Различают «мягкие», бедные кальцием (<9мг/л) и жесткие воды (>25мг/л). Таким образом, кальций может быть лимитирующим элементом, ограничивающим существование данного вида в конкретном водоеме. Этот показатель обязательно учитывается при содержании аквариумных рыб.

Большинство водных обитателей пойкилоосмотичны.

Пресноводные организмы обитают в среде, где концентрация растворенных веществ ниже, чем в жидкостях клеток и тканей, в результате в их тела постоянно проникает вода и ее необходимо интенсивно удалять. Поэтому у них хорошо выражены процессы осморегуляции. У простейших они осуществляются работой сократительных вакуолей, у многоклеточных животных – работой выделительной системы. Концентрация солей в жидкостях клеток и тканей многих морских организмов соответствует концентрации солей в окружающей среде. В связи с этим осморегуляторные функции у них развиты слабее, чем у пресноводных и именно поэтому многие группы морских растений и животных не смогли заселить пресные водоемы.

Типично морские и типично пресноводные организмы не переносят значительных изменений солености и являются стеногалинными. Эвригалинные организмы в больших количествах встречаются в солоноватых водах: это лещ, пресноводный судак, щука, из морских – кефаль.

В океане с входящими в него морями различают две экологические области: толщу воды, заселенную активными организмами, которые обладают способностью плавать или удерживаться в определенных слоях – пелагиаль и дно, к которому растения прикрепляются, а животные передвигаются по нему ползанием – бенталь. Существует более дробное деление этих областей на зоны, которые отличаются значениями параметров условий и особыми приспособлениями к ним целых экологических групп организмов. В пелагиали вертикальная экологическая зональность выражена менее четко, чем в бентали, вследствие перемещения вод и вертикальной миграции организмов. Специфическую экологическую область образуют подводные вулканы – вокруг них формируются цепи питания на основе хемотрофов.

Следует отметить, что в водных местообитаниях не формируется почва, так как не образуется гумус. Грунт водоемов всегда полностью насыщен водой, и в нем нет деления на зоны, характерные для почвы.

В водной среде процессы обмена веществ живых организмов определяют химический состав воды и соответствующие процессы в ней. Животные выделяют продукты метаболизма в воду: ионы солей, органические кислоты, азотистые вещества, сероводород; растения – кислород. Фильтраторы непрерывно пропускают через свои организмы огромные количества воды, изымая из нее взвешенные органические частицы и растворенные соли. Подсчитано, что фильтраторы Большого Барьерного рифа в Австралии в течение пяти лет профильтровывают весь объем Тихого океана. Масштабы водообмена, создаваемые фильтраторами, нередко превосходят естественные гидрологические процессы. Характерная для многих гидробионтов избирательность извлечения определенных веществ из среды, а также способность накапливать их в организме ведут не только к изменениям химического состава среды, но и к формированию специфических особенностей рельефа и свойств морского дна (образование коралловых рифов, атоллов, органогенных илов).

Вода является более стабильной средой, и значения параметров абиотических процессов претерпевают небольшие колебания в ней, отсюда водные организмы обладают меньшей экологической пластичностью по сравнению с наземными. Пресноводные растения и животные более пластичны, чем морские, поскольку пресная вода, как среда жизни, характеризуется большим диапазоном изменчивости значений параметров основных процессов. Прибрежные растения и животные в отличие от обитателей открытых зон главным образом эвритермны и эвригалинны. Экологическая пластичность зависит от возраста и фазы развития организма. Она является важным регулятором расселения видов. Гидробионты с высокой экологической пластичностью распространены широко.