Адаптация организмов к среде

Экология, (от греч. oikos — жилище, местопребывание) — наука, изучающая организацию и функционирование популяций, видов, биоценозов (сообществ), экосистем, биогеоценозов и биосферы. Другими словами — это наука о взаимоотношениях организмов между собой и окружающей средой. Термин «экология» был предложен немецким зоологом Э. Геккелем в 1866, но широкое распространение получил только в начале 20 в. Сам предмет этой науки не отличается новизной. Изучением животных и растений в естественных условиях обитания ранее занимались, по определению старых авторов, «естественная история» и «биономия».

Экология имеет длительную предысторию и она, как наука, представляет собой естественный этап роста научных знаний о природе.

Если даже дарвинизм в его современном понимании, как сейчас известно, зародился задолго до Дарвина, то начала экологических представлений восходят вообще к глубокой древности.

Каждый из нас может проделать несложный психологический эксперимент, а именно вообразить себя на месте первобытного человека, озабоченного проблемой пропитания. Все необходимое для себя и своей семьи он должен найти в окружающей его природной среде. К немалому удивлению, многие из нас очень скоро убедятся в собственной беспомощности. Что и где искать? Слепой поиск здесь не годится, ведь в конце концов при этом можно еще сильнее проголодаться.

Следовательно, уже практика собирательства требовала от первобытного человека обширных экологических знаний, и эти знания накапливались от поколения к поколению. Охота, затем скотоводство и, наконец, земледелие ознаменовали дальнейший прогресс экологического природоведения.

Все взаимосвязано со всем — гласит первый экологический закон. Значит, и шага нельзя ступить, не задев, а порой и не нарушив чего-либо из окружающей среды. Каждый шаг человека по обычной лужайке — это десятки погубленных микроорганизмов, спугнутых насекомых, изменяющих миграционные пути, а может быть, и снижающих свою естественную продуктивность.

Уже в прошлом веке возникла тревога человека за судьбу планеты, а в текущем столетии дело дошло до кризиса мировой экологической системы из-за возрастания нагрузок на природную среду.

Загрязнение окружающей среды, истощение природных ресурсов и нарушения экологических связей в экосистемах стали глобальными проблемами. И если человечество будет продолжать идти по нынешнему пути развития, то его гибель, как считают ведущие экологи мира, через два-три поколения неизбежна.

1. Влажность как один из абиотических факторов и адаптации к нему организмов

Абиотические факторы среды.

Среда — это часть природы, окружающая живые организмы и оказывающая на них прямое или косвенное воздействие.

Отдельные свойства или элементы среды, воздействующие на организмы, называются экологическими факторами.

Многообразие экологических факторов подразделяются на группы:

— абиотические

— биотические.

Абиотические факторы — это комплекс условий неорганической среды, влияющих на организм.

Биотические факторы — это совокупность влияний.

Абиотические факторы.

Абиотический, или неживой, компонент среды подразделяется на климатические, почвенные, топографические и другие физические факторы.

Излучение: свет.

Свет является одним из важнейших, а биотических факторов, особенно для фотосинтезирующих зелёных растений. Солнце излучает в космическое пространство громадное количество энергии. 42% всей падающей радиации отражается атмосферой в мировое пространство, 15% поглощается толщей атмосферы и идёт на её нагревание и только 43% достигает земной поверхности.

Среди солнечной энергии, проникающей в атмосферу Земли, на видимый свет приходится около 50% энергии, остальные 50% составляют тепловые инфракрасные лучи и около 1% - ультрафиолетовые лучи. Видимые лучи состоят из лучей разной окраски и имеют разную длину волн. С участием видимого света у растений и животных протекают важнейшие процессы:

— фотосинтез

— транспирация

— фотопериодизм

— движение

— зрение у животных

— прочие процессы Каждое место обитания характеризуется определённым световым режимом, количества и качества света.

По отношению к свету различают экологические группы растений:

— световые, обитают на открытых местах с хорошей освещённостью;

— теневые, не выносят сильного освещения, живут в постоянной тени под пологом леса;

— теневыносливые, живут при хорошем освещении, но легко перенося незначительные затенения.

Интенсивность освещения влияет на активность животных, определяя среди них виды, ведущие сумеречный, ночной и дневной образ жизни. Освещение вызывает у растений ростовые движения, называемое фототропизмом.

Движения Земли вокруг Солнца вызывает закономерные изменения длины дня и ночи по сезонам года. Уменьшение светового дня в конце лета ведёт к прекращению роста, стимулирует отложение запасных питательных веществ организмов, вызывает у животных осеннюю линьку, определяет сроки группирования в стаи, миграции, переход в состояние покоя и спячки. Увеличение длины светового дня стимулирует половую функцию у птиц, млекопитающих, определяет сроки цветения у растений.

Доказана способность птиц к навигации, то есть астрономическим источникам света.

Температура.

Тепловой режим — важнейшее условие существования живых организмов, так как все физиологические процессы в них возможны при определённых условиях.

Главным источником тепла является солнечное излучение.

Сила и характер воздействия солнечного излучения зависят от географического положения, и является важными факторами, определяющими климат региона.

Температура влияет на анатомо-морфологические особенности организмов; ход физиологических процессов; их рост, развитие, поведение и во многих случаях определяет географическое распространение растений и животных.

По отношению к температуре, как экологическому фактору, все организмы подразделяются на группы:

— холодолюбивые, способные жить в условиях сравнительно температур и не выносят высоких. Характерно для бактерий, грибов моллюсков, членистоногих, червей и других. Населяют холодные и умеренные зоны.

— Теплолюбивые, жизнедеятельность которых приурочена к условиям довольно высоких температур. Это обитатели жарких, тропических районов Земли.

Живые организмы способны существовать в определённом диапазоне температур. Этот диапазон ограничен нижней летальной (смертельной) и верхней летальной температурой.

Температура, наиболее благоприятна для жизнедеятельности и роста, называется оптимальной и находится в пределах 20 — 28 градусах.

Растения и животные в ходе длительного эволюционного развития, приспосабливаясь к периодическим изменениям температурных условий, выработали в себе различную потребность к теплу в разные периоды жизни.

Крайне минимальные и максимальные температуры, за пределами которых развитие организма не происходит, называют нижним и верхним биологическим нулём или порогом развития.

Температуры, лежащие выше нижнего порога развития и не выходящие за пределы верхнего, получили название эффективных температур.

Живые организмы в процессе эволюции выработали различные формы адаптаций к температуре, среди них морфологические, биохимические, физиологические, поведенческие и так далее.

При всём многообразии приспособлений живых организмов к воздействию неблагоприятных температурных условий выделяют пути:

— Активный. Усиление сопротивляемости, развитие регуляторных способностей для возможности осуществления жизненных функций организма.

— Пассивный. Подчинение жизненных функций организма ходу внешних температур. Недостаток тепла вызывает угнетение жизнедеятельности, что способствует экономному использованию энергетических запасов. Выражается в снижении уровня обмена, замедлении скорости роста и развития, способность впадать в спячку или оцепенение.

— Избегание неблагоприятных температурных воздействий. Это всеобщий способ для всех организмов. Происходит выработка таких жизненных циклов, когда наиболее уязвимые стадии развития проходят в самые по температурным условиям благоприятные периоды года.

Влажность.

В жизни организмов вода выступает как важнейший экологический фактор.

Живых организмов, не содержащих воду, на Земле не найдено. Все биохимические процессы ассимиляции и диссимиляции, газообмен в организме осуществляются при наличии воды. Наземные организмы из-за постоянной потери воды нуждаются в регулярном её пополнении. Поэтому у них в процессе эволюции выработались приспособления, которые регулируют водный обмен и обеспечивают экономное расходование влаги. Влажность среды нередко является фактором, лимитирующим распространение и численность организмов на Земле.

Потребность разных видов растений в воде по периодам развития неодинакова. Меняется она и в зависимости от климата и почвы.

Первостепенное значение во всех проявлениях жизнедеятельности имеет водный обмен между организмом и внешней средой.

Важными в жизни организмов являются и особенности распространения влаги по:

— сезонам в течение года;

— характер выпадающих осадков;

— степень насыщения воздуха и почвы водяными парами.

Влажность воздуха:

— обуславливает периодичность активной жизни организмов;

— сезонную динамику жизненных циклов;

— влияет на продолжительность развития, плодовитость и их смертность.

По отношению к водному режиму наземные организмы подразделяются на экологические группы:

— гигрофильные (влаголюбивые);

— мезофильные (предпочитающие умеренную влажность);

— ксерофильные (сухолюбивые).

Разделение организмов на данные группы относительно, так как у многих видов степень потребности во влаге непостоянна в различных условиях и неодинакова на разных стадиях развития организмов.

Температура и влажность являются ведущими климатическими факторами и тесно взаимосвязаны между собой. Сочетание температуры и влажности часто играет решающую роль в распределении растительности и животных.

1.1 Основные показатели влажности

1. Абсолютная влажность воздуха — количество водяного пара в воздухе, измеряемое в г/м³ (максимальное значение — на экваторе 30 г/м³, в средних широтах значение 3−10 г/м³).

2. Относительная влажность — отношение абсолютной влажности к максимальной (в %).

r = P/P^S · 100%

P^S — количество граммов водяных паров, способных создать полное насыщение 1 м³ воздуха. Наиболее благоприятна для человека r = 40−60%.

3. Дефицит насыщения воздуха водяными парами — разность между максимальной и абсолютной влажностью.

d = P^S — P

где, d-характеризует испаряющую силу воздуха. С повышением температуры эта сила увеличивается, так как при одной и той же влажности, но при разных температурах дефицит насыщения неодинаков. Чем больше d, тем суше воздух и тем интенсивнее происходит в нем испарение и транспирация. Чем меньше d, тем больше относительная влажность воздуха.

1.2 Сезонное распределение влаги

На европейской части России и в Западной Сибири можно выделить три крупных района с контрастными закономерностями распределение осадков, особенно их годовых сумм.

Первый район. На равнинах (Русской и Западносибирской) и отчасти Казахском мелкосопочнике распределение осадков подчинено закону широтной зональности. В средних широтах (56−60° с.ш.) выделяется зона повышенных значений количества осадков: на ЕЧС — от 750 до 800 мм/год (местами 900 мм) и в Западной Сибири — 650−700 мм осадков за год. В этих широтах в течение всего года сохраняется равномерная активность циклонических процессов.

Второй район. От правобережья Енисея до водораздельных хребтов, разделяющих склоны материка, относящиеся к бассейнам Северного Ледовитого и Тихого океанов, выделяются две меридиональные полосы с повышенными и пониженными суммами осадков. Полоса повышенных сумм осадков протянулась от Таймыра до Енисейского Кряжа, включая Среднесибирское плоскогорье и массив Бырранга. Наибольшие суммы осадков наблюдаются в горах Путорака, где местами они достигают 1000 мм. К востоку, включая долину р. Лены и низовья р. Алдан, количество осадков заметно уменьшается, особенно в холодный период, когда циркуляционный режим характеризуется повышенной антициклоничностью.

К отдельной зоне можно отнести протянувшиеся по югу СССР горные массивы. Известно, что горы активизируют осадкообразующие процессы, вследствие чего в них выпадает во много раз больше осадков, чем на окружающих равнинах.

На территории России выделены три типа климата: арктический (побережье северных морей и острова Арктики), умеренных широт и субтропический (Крым, Кавказ, Средняя Азия).

Влияние возвышенностей проявляется в формировании трех областей:

— области увеличения осадков на равнине перед возвышенностью — так называемой область и превосхождения или области осадков запружевания;

— области уменьшения количества осадков на подветренной долине — так называемой дождевой тени;

— самовозвышенности, где количество осадков возрастает.

1.3 Экологические группы растений по отношению к водному режиму

Водный режим — последовательные изменения в поступлении, состоянии и содержании воды во внешней среде в виде влажности почвы и воздуха, уровня грунтовых вод и осадков.

У растений в сухом климате выработались ритмы сезонного развития. У эфемеров — однолетних травянистых растениях, завершающих полный цикл развития за очень короткий и влажный период (2−6 недель) выработалась высокая скорость осуществления процессов жизнедеятельности, направленная на быстрое завершение жизненного цикла. Эфемероиды — многолетние травянистые растения, для которых характерна осенне-весенне-зимняя вегетация. Могут задержать свое развитие при неблагоприятной влажности, пока она не станет оптимальной, или, как эфемеры, пройти весь цикл развития в короткие ранневесенние сроки (тюльпан, гиацинт, растения, которые используют влажный и светлый период до распускания листьев — пролеска). Терофиты — жизненная форма растений, переживающих неблагоприятный период в виде семян. К ним относятся однолетние травы, характерные для пустынь, полупустынь и южных степей; в лесной зоне — сорняки полей (василек).

По отношению к влажности различают эвригигробионтные и стеногигробионтные организмы. Эвригигробионтные способны жить при различных колебаниях влажности, а стеногигробионты — при определенном значении. Животные, в отличие от растений, имеют возможность активно отыскивать условия с оптимальной влажностью и обладают более совершенными механизмами регуляции водного обмена.

Все наземные организмы по отношению к водному режиму подразделяются на 3 основные экологические группы:

1. Гигрофильные (влаголюбивые);

2. Ксерофильные (сухолюбивые);

3. Мезофильные (умеренная влажность).

По характеру адаптаций, связанных с регуляцией водного режима, различают три группы растений:

1) гигрофиты;

2) мезофиты;

3) ксерофиты.

По отношению к колебаниям водоснабжения и испарения среди растений выделяют две группы:

· Пойкилогидрические — растения, у которых количество воды в тканях непостоянно и зависит от условий влажности среды. Например, многие мхи, водоросли, папоротники

· Гомойгидрические — растения, которые способны поддерживать относительное постоянство воды в тканях и мало зависящие от влажности окружающей среды Среди животных по отношению к водному режиму различают 3 основные группы, которые, в отличие от растений, выражены менее четко.

1. Гигрофилы — наземные животные, приспособленные к обитанию в условиях высокой влажности (на болотах, во влажных лесах, по берегам водоемов, в почве). Например, мокрицы, наземные моллюски и амфибии, наземные планарии (черви). У этих животных механизмы регуляции их водного режима слабо развиты или вообще отсутствуют. Они не могут накапливать в значительном количестве и удерживать в теле длительное время запасы воды.

2. Мезофиллы — животные, обитающие в условиях умеренной влажности и сравнительно легко переносящие ее колебания.

Ксерофилы — сухолюбивые, не переносящие высокой влажности и способные переносить сухость воздуха в сочетании с высокой температурой. Хорошо развиты механизмы регуляции водного обмена и приспособления к удержанию воды в теле. Слоновая черепаха запасает воду в мочевом пузыре; многие насекомые, грызуны и другие животные получают воду с пищей. Некоторые млекопитающие избегают дефицита влаги путем отложения жиров, при окислении которых образуется небольшое количество воды. За счет этой воды (метаболической) живут многие насекомые, верблюды, курдючные овцы, жирнохвостые тушканчики.

2. Законы экологии Б. Коммонера

Американский эколог Барри Коммонер является автором ряда книг и известным социальным и политическим активистом. Коммонер родился в 1917 году. Он учился в Гарвардском университете и получил степень доктора в области биологии в 1941 году. Основной темой своей работы, Коммонер как биолог, избрал проблему разрушения озонового слоя.

Коммонер достаточно радикален в выборе решения многих проблем загрязнения окружающей среды. Он является решительным сторонником использования возобновляемых источников энергии, особенно солнечной энергии, которая может децентрализовать энергопотребление предприятий и использовать свет в качестве альтернативного источника энергии для большинства потребителей.

Сформулированные американским экологом Б. Коммонером (1974 г.) в свободной беллетристической форме законы (не в том строгом смысле, как это принято в естествознании):

1) «Все связано со всем»; это означает, что живая динамика сложных и разветвленных экологических цепей образует, в конечном итоге, единую высокосвязанную систему; в абстрактном варианте это утверждение повторяет известное диалектико-материалистическое положение о всеобщей связи вещей и явлений; на более конкретном уровне оно выступает как обобщение кибернетического характера;

2) «Все должно куда-то деваться»; это неформальная перефразировка фундаментального физического закона сохранения материи; здесь Коммонер ставит одну из труднейших проблем прикладной экологии — проблему ассимиляции биосферой отходов человеческой цивилизации;

3) «Природа знает лучше»; этот закон вызывает в литературе наибольшую критику; это положение распадается на два относительно независимых тезиса: первый, солидаризирующийся с известным не о руссоистским лозунгом «Назад к природе», который сегодня не может быть принят как нереалистичный; второй, связанный с призывом к осторожности в обращении с природными экосистемами, важен и конструктивен;

4) «Ничто не дается даром»; этот экологический закон объединяет в себе три предыдущих закона; по Коммонеру, глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которой ничего не может быть выиграно или потеряно и которая не может явиться объектом всеобщего улучшения; все, что было извлечено из нее человеческим трудом, должно быть возмещено. Платы по этому векселю нельзя избежать; она может быть только отсрочена".

3. Расчет значения предотвращенного ущерба от попадания ЗВ в водную среду

влажность абиотический растение ущерб Ацетон — 0,1 т; толуол — 0,2 т. Мглинский район.

Приведенная масса ЗВ равна:

М^в = 0,1^.20 + 0,2^.1 = 2,2 (усл. т.)

Сумма предотвращенного ущерба равна:

У^в_пр = 6936,9^.2,2^.1,5 = 22 891,77 (руб.)

Расчет значения предотвращенного ущерба от попадания ЗВ в атмосферный воздух от стационарных источников.

Ацетон — 0,3 т; соединения свинца — 0,4 т.

Приведенная масса ЗВ равна:

М^а_ст = 0,3^.28,5 + 0,4^.5000 = 2008,55 (усл. т.)

Сумма предотвращенного ущерба равна:

У^а_прст = 74^.2008,55^.1,9 = 282 402,13 (руб.)

Расчет значения предотвращенного ущерба от деградации почв и земель.

Тип земель: СХУ (1,2 га), Б (0,4 га).

У^п_{пр д} = 22 000^.(1,2^.2,2 + 0,4^.1,7) = 73 040 (руб.).

Заключение

На современном этапе развития человеческого общества, когда в результате научно-технической революции усилилось его воздействие на биосферу, практическое значение экологии необычайно возросло. Экология должна служить научной базой любых мероприятий по использованию и охране природных ресурсов, по сохранению среды в благоприятном для обитания человека состоянии. Познание основных принципов трансформации вещества и энергии в природных экосистемах создает теоретическую основу для разработки практических мероприятий по увеличению количества и качества пищевых продуктов, производимых в биосфере. Исследования природных механизмов регуляции численности популяций служат основой планирования и разработки систем мероприятий по управлению численностью экономически важных видов.

Сейчас у человечества две важнейших проблемы: предотвращение ядерной войны и экологические катастрофы. Сопоставление не случайно: антропогенное давление на природную среду грозит тем же что и применение атомного оружия, — уничтожением жизни на Земле.

Особенностью нашего времени является интенсивное и глобальное воздействие человека на окружающую среду, что сопровождается интенсивными и глобальными негативными последствиями. Противоречия между человеком и природой способны обостряться, помимо прочего, из-за того, что не существует предела росту материальных потребностей человека, в то время как способность природной среды удовлетворить их — ограничена.

Система малонарушенных природных территорий в России представляется довольно развитой и сравнительно гибкой.

Причем, густота сети этих территорий и гибкость системы охраны в последние годы растет. Хотя эта система (как и вся страна в целом) переживает сейчас существенные экономические трудности, прогноз ее развития в общем благоприятен. Основным недостатком сети ООПТ России является ее неравномерность и, особенно, малая густота в наиболее подверженной антропогенной трансформации степной зоне. В европейской степи есть заповедники, но они (по масштабам России) микроскопические, в западносибирской же степи нет ни заповедников, ни национальных природных парков. Создание здесь в 1994 г. трех водно-болотных угодий международного значения можно рассматривать лишь как первый и довольно робкий шаг в деле налаживания охраны природных территорий этого крайне важного региона. В то же время основные площади особо охраняемых территорий сконцентрированы в малотрансформированных тундре и тайге. Россия в этом отношении уподобляется человеку, который «ищет потерянную монету не там, где ее потерял, а там, где светло».

Список источников

1. Об особо охраняемых природных территориях Российской Федерации. Федеральный закон от 14 марта 1995 г. // Сборник руководящих документов по заповедному делу — М.: Изд-во Центра охраны дикой природы, 2000.

2. Бродский А. К. Общая экология: учеб. для студ. ВУЗов. — М.: Проспект, 2008.

3. Человек и природа: экологическая история / под ред. Д. Александрова. — СПб.: Алетейя, 2008.

4. Павлов А. Н. Экология — Рациональное природопользование и безопасность жизнедеятельности. - М., 2008.

5. Горелов А. А. Экология. Конспект лекций. — М., 2008.

6. Ясвин В. А. Формирование экологической культуры: пособие по региональной экологической политике. — Москва: Акрополь: Центр экологической политики России, 2004.

7. Андреева Н. Д., В. П. Соломин, Т. В. Васильева. Теория и методика обучения экологии: учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 50 100 — Естественнонаучное образование — М.: Академия, 2009.