Воздействие экологических факторов на организмы

Экологические факторы не являются постоянными, некоторые из них носят ярко выраженный динамический характер (суточные и годовые колебания температуры, поступлений солнечной энергии и т. д.).

Кроме природных изменений экологических факторов, имеются и антропогенные изменения. Вмешательство человека в природные системы также изменяет экологические факторы. Так, создание крупных водохранилищ изменяет климат на обширной прилегающей территории.

Формирование живых организмов происходит под непрерывным воздействием экологических факторов. Каждый организм может существовать и давать жизнеспособное потомство в строго определенных границах наследственно закрепленных экологических факторов.

Любому живому организму для обеспечения процессов жизнедеятельности необходимы различные вещества, причем некоторые из них в крайне малых количествах. Немецкий агрохимик, член-корреспондент Петербургской академии наук Юстус Либих в 1840 г. разработал теорию минерального питания растений. Он установил, что развитие и урожайность растений зависит не от тех питательных веществ, которые присутствуют в изобилии, а от тех, которые необходимы в очень незначительных количествах. Либих писал: «Если в почве или атмосфере один из элементов, участвующих в питании растений, находится в недостаточном количестве или не обладает достаточной усвояемостью, растение не развивается или развивается плохо… Отсутствие или недостаток одного из необходимых элементов, при наличии в почве всех прочих, делает последнюю бесплодной для всех растений, для жизни которых этот элемент необходим».

Как выяснилось позже, этот закон справедлив не только для растений, но и для всех живых организмов. Современная трактовка этого закона, называемого законом минимума Либиха, следующая: экологические факторы, значения которых приближаются к минимуму (лимитирующие факторы), наиболее существенно ограничивают развитие организмов, несмотря на оптимальное значение остальных факторов.

Лимитирующими факторами могут быть любые экологические факторы: недостаток влаги, света, тепла, отсутствие в почве питательных веществ и др. Так, недостаток влаги ограничивает распространение малоподвижных животных в пустынях и полупустынях. В морях, водоемах лимитирующим фактором развития организмов является недостаток азота и фосфора. Смыв азотных и фосфорных удобрений в водоемы при ненравильном их внесении приводит к бурному развитию водорослей и других растений и в конечном итоге — к зарастанию водоема.

Э. Рюбель в 1930 г. из закона Либиха вывел как дополнительное следствие закон компенсации факторов, согласно которому отсутствие или недостаток некоторых экологических факторов может быть компенсирован другими, функционально или физически близкими факторами. Так, некоторые моллюски при отсутствии или значительном дефиците кальция могут использовать стронций для строительства раковин. У некоторых растений потребность в цинке снижается, если они растут в тени. Таким образом, недостаточная концентрация цинка будет более существенно лимитировать рост растений на свету, чем в тени. Однако подобные возможности крайне ограниченны. В соответствии с законом Вильямса (1949) отсутствие фундаментальных экологических факторов {света, воды, углекислого газа, кислорода, азота, фосфора, калия и др.) не может быть компенсировано другими факторами.

Американский зоолог профессор Иллинойского университета Виктор Э. Шелфорд (1877—1968) при изучении действия лимитирующих факторов на насекомых в 1913 г. пришел к выводу, что лимитирующим фактором процветания организма может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия. Диапазон между минимумом и максимумом фактора определяет величину толерантности (выносливости) организма к данному фактору. Это положение называют законом толерантности Шелфорда. Из данного закона вытекает важнейшее следствие: любой избыток вещества или энергии вреден для организмов и является загрязнителем окружающей среды. Так, исследования рыб в водоемах, связанных с системой конденсации ТЭЦ и соответственно имеющих повышенную температуру воды, показали повышенную смертность в их популяции. Рыбы тратили большое количество энергии на охлаждение организма, а результате энергии на обеспечение других процессов жизнедеятельности не хватало.

Таким образом, основной смысл законов Либиха и Шелфорда заключается в том, что рост и развитие организмов существенно зависят от тех экологических факторов, значения которых приближаются к минимуму или к максимуму, т. е. как недостаток, так и избыток экологических факторов для организмов одинаково вреден (рис. 3.6).

Из сказанного следует важнейшее правило охраны окружающей среды: охранять окружающую среду — значит обеспечивать состав и режимы экологических факторов в пределах унаследованной толерантности живого организма.

При выходе количественного значения экологического фактора за критические точки наступает гибель организма. Теоретически кривая па рис. 3.6 является симметричной. В реальных условиях симметричность, как правило, нарушается, например, для насекомых (рис. 3.7).

Следует отметить, что величина толерантности для различных организмов при одном и том же факторе различна. Способность организма адаптироваться к определенному диапазону изменения экологического фактора называют экологической пластичностью. По степени пластичности различают два типа организмов: стенобионтные и эврибионтные.

Рис. 3.6. Воздействие экологического фактора на организм:

1SSS1 — оптимальная область; — область угнетения;

О — критическая точка.

Рис. 3.7. Реальное воздействие экологического фактора.

Величина толерантности для определенного экологического фактора у стенобионгных (греч. stenos — узкий, тесный) организмов достаточно небольшая. В отличие от них эврибионтные (греч. eurus — широкий) организмы могут существовать при значительно больших изменениях данного фактора. Это означает, что стенобионты экологически непластичны, а эврибионты, наоборот, обладают экологической пластичностью. Так, к сгенобионтам относят типичных обитателей только пресных (карась) или только соленых вод (камбала). Трехиглая колюшка, напротив, может жить как в пресной, так и в соленой воде, т. е. является эврибионтом (рис. 3.8).

Организмы, живущие в условиях достаточно стабильных значений экологических факторов, утрачивают экологическую пластичность. И наоборот, существенные изменения значений факторов, конечно же, в пределах величины толерантности приводят к повышению экологической пластичности. В биосфере больше распространены эврибионты, стенобионтов значительно меньше.

Рис. 3.8. Экологическая пластичность:

…карась (стенобионт);-— колюшка (эвриобионт);

———-камбала (стенобионт) Кроме того, исследования, проведенные в данной области, показали:

• — для определенного организма величина толерантности по различным экологическим факторам неодинакова. Так, животные более выносливы к недостатку воды, чем к недостатку воздуха;
• — если один из факторов соответствует области угнетения, то может измениться величина толерантности и по другим факторам. Так, при недостатке азота в почве оптимальная область по количеству влаги в почве для злаков смещается в большую сторону, т. е. для этих растений требуется больше воды;
• — реальная величина толерантности по определенному фактору всегда меньше потенциально возможной из-за влияния на организм других факторов, особенно биотических;
• — если один из факторов имеет экстремальные значения, то величина толерантности по другим факторам уменьшается. Так, при высокой температуре среды многим организмам требуется больше воды.

В результате длительной эволюции животные, растения, микроорганизмы приспосабливались к экологическим факторам, формируя тем самым все многообразие живого вещества планеты.