Экологическая ниша организмов

1.Экологическая ниша организмов

    Любой   вид  адаптирован  к  строго  определенным  условиям (факторам) окружающей  среды. Выход режима хотя бы  одного из множества факторов  за пределы  толерантности   организма  вызывает  его   пессимальное  состояние. Унаследованные  от предков требования организма  к составу и режимам экологических  факторов определяют границы  распространения того вида, к  которому  этот  организм принадлежит,  т.е.  ареал,  а  в пределах  ареала –  конкретные места  обитания.

  Любой вид  животного, растения, микроба способен  нормально обитать, питаться, размножаться  только в том месте, где его  «прописала» эволюция за многие  тысячелетия, начиная с его  предков. Для обозначения этого  феномена биологи заимствовали  термин из архитектуры – слово  «ниша» и стали говорить, что  каждый вид живого организма  занимает в природе свою, только  ему присущую экологическую нишу.

    Экологическая ниша организма – это совокупность всех его требований к условиям среды (составу и режимам экологических факторов) и место, где эти требования удовлетворяются, или вся совокупность множества биологических характеристик и физических параметров среды, определяющих условия существования того или иного вида, преобразование им энергии, обмен информацией со средой и себе подобными.

    Термин  «ниша»  появился  в  экологии  сравнительно  недавно (в  первой четверти XX в.), и разные ученые вкладывали в него разное содержание. Одни рассматривали его буквально, считая экологической нишей  только место обитания вида, другие сводили нишу к взаимоотношению вида с его пищей и врагами (так называемая «трофическая», т.е. пищевая, ниша).

    Обратим  внимание на первое из приведенных выше определений. Оно отражает двойственный подход к пониманию ниши: с одной стороны, как отношение вида к экологическим факторам, а с другой – как место его обитания или место обитание вида, определение которого сходно с определением ниши.

Типы  экологических ниш:

Выделяются два  основных типа экологических ниш. Во-первых, это фундаментальная (формальная) ниша – наибольший «абстрактно заселенный гиперобъем», где действие экологических  факторов без влияния конкуренции  обеспечивает максимальное обилие и  функционирование вида. Однако вид  испытывает постоянное изменений экологических  факторов в пределах своего ареала. К тому же, как мы уже знаем, усиление действия одного фактора может изменить отношение вида к другому фактору (следствие из закона Либиха), и его  диапазон может измениться. Действие двух факторов одновременно может изменить отношение вида к каждому из них  конкретно. Всегда в пределах экологических  ниш действуют биотические ограничения (хищничество, конкуренция). Все эти  действия приводят к тому, что реально  вид занимает экологическое пространство, которое намного меньше, чем гиперпространство  фундаментальной ниши. В этом случае мы говорим о реализованной нише, т.е. реальной нише. 

  Местообитание вида – это пространственно ограниченная совокупность условий абиотической и биотической среды, обеспечивающая весь цикл развития особей (или группы особей) одного вида.  Поскольку любое местообитание конкретного вида  характеризуется,  в конечном счете, составом и режимом множества экологических факторов, то именно  требования к этим факторам (определяемые пределами толерантности)  составляют  экологическую нишу.  Естественно,  что это относится как к абиотическим, так и к биотическим факторам. 

«Принцип конкурентного исключения» Г.Ф. Гаузе

         Межвидовая конкуренция возникает между видами, которые имеют сходные экологические потребности, т.е. используют одни и те же ресурсы (пищу, территорию, свет). За ресурсы конкурируют и особи одного вида; это внутривидовая конкуренция.  Конкуренция возникает только в том случае, если ресурс ограничен. Если же ресурс имеется в избытке, то два вида даже с очень сходными потребностями конкурировать не будут.

        Одним из первых начал исследовать конкуренцию в лабораторных условиях отечественный эколог Г.Ф. Гаузе (1910-1986). В серии экспериментов, проведенных в 1929-34 гг., он изучал отношения трех видов инфузорий туфелек (Paramecium) в одновидовых и двухвидовых культурах. Пищей инфузориям служили бактериальные или дрожжевые клетки, растущие на регулярно добавляемой овсяной муке. Гаузе использовал в опытах 3 вида - P. caudatum, P. aurelia, P. bursaria. Если каждый вид выращивали раздельно, его численность росла и постепенно стабилизировалась. Но если в одну пробирку помещали вместе P. aurelia и P. caudatum, численность P. caudatum всегда снижалась, вплоть до полного вымирания. Победителем в конкуренции оказывалась P. aurelia.

       Когда вместе выращивали P. aurelia и P. bursaria, ни один из видов полностью не вымирал. Они существовали друг с другом, достигали стабильной численности, хотя и более низкой, чем при культивировании по отдельности. P. caudatum и P. aurelia при совместном культивировании распределялись в пробирке равномерно и потребляли одну и ту же пищу. Напротив, P. aurelia и P. bursaria, обитая совместно, были пространственно разобщены. P. aurelia держалась в толще культурной среды и питалась бактериями, тогда как P. bursaria концентрировалась у дна пробирок, потребляя дрожжевые клетки. 

2.Биологический  круговорот азота

  Движение азота представляет собой достаточно сложный и отличительный от круговорота других биогенов процесс, так как включает в себя газообразную и минеральную фазу. Атмосфера содержит 78% азота . При всей огромной значимости азота для жизнедеятельности живых организмов они не могут непосредственно потреблять этот газ из атмосферы. Растения усваивают ионы аммония или нитрата. Для того чтобы азот преобразовался в эти формы, необходимо участие некоторых бактерий или синезеленых водорослей (цианобактерий). Процесс превращения газообразного азота в аммонийную форму носит название азотфиксации. Важнейшую роль среди азотфиксирующих микроорганизмов играют бактерии из рода Rhizobium, которые образуют симбиотические связи с бобовыми растениями. Среди последних наибольшее значение имеют клевер и люцерна. Азотфиксирующие бактерии, создавая форму азота, которая усваивается растениями, за счет симбиотического взаимодействия позволяют накапливаться азоту в наземных и подземных частях растений; к примеру за год на одном гектаре .клевера или люцерны накапливается от 150 до 400 кг азота. Сами азотфиксирующие микроорганизмы, среди которых есть виды, синтезирующие сложные протеины, отмирая, обогащают почву органическим азотом. При этом за год в почву поступает около 25 кг азота на 1 га.

    В природе есть также микроорганизмы, которые обладают симбиотическими связями не только с бобовыми, но и с другими растениями. В водной среде и на переувлажненных почвах азотфиксацию осуществляют синезеленые водоросли (способные одновременно и к фотосинтезу). В любом из описанных случаев азот потребляется либо в виде нитратов, либо в аммонийной форме.

   Азот после потребления его растениями участвует в синтезе протеинов, которые, сосредоточиваясь в листьях растений, затем обеспечивают азотное питание фитофагов. Мертвые организмы и отходы жизнедеятельности (экскременты) являются средой обитания и служат пищей для сапрофагов, которые, как мы уже отмечали выше, постепенно разлагают органические азотосодержащие соединения до неорганических. Конечным звеном в этой цепи оказываются аммонифицирующие организмы, образующие аммиак, который, кстати, может быть вовлечен в цикл нитрификации. Nitrosomonas окисляют аммиак в нитриты, a Nitrobacter окисляют нитриты в нитраты и таким образом круговорот азота может быть продолжен. Параллельно с описанными процессами происходит постоянное возвращение азота в атмосферу за счет деятельности бактерий - денитрификатов, способных разлагать нитраты и в азот. Эти бактерии, как правило, имеют широкое распространение в плодородных почвах там, где много азота и углерода. Эти бактерии за год с 1 га поверхности почвы выделяют в атмосферу до 50-60 кг азота.

 Кроме указанных  процессов азотфиксации в природной  среде возможно образование оксидов  азота при электрических грозовых  разрядах. Эти оксиды затем в  виде селитры или азотной кислоты  при смешивании с атмосферными  осадками попадают в почву  (при разрядах молний фиксируется  от 4 до 10 кг азота на 1 га). Имеет  место и фотохимическая фиксация  азота. 

 Возможно  выключение азота из круговоротных  процессов путем аккумуляции  его соединений в глубоководных  океанических осадках, что компенсируется, правда, частичным выделением азота  при вулканических извержениях.

Азот является элементом, необходимым для существования  животных и растений, он входит в  состав белков (16—18 % по массе), аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина и др. В  составе живых клеток по числу  атомов азота около 2 %, по массовой доле — около 2,5 % (четвёртое место после  водорода, углерода и кислорода). В  связи с этим значительное количество связанного азота содержится в живых  организмах, «мёртвой органике» и  дисперсном веществе морей и океанов. Это количество оценивается примерно в 1,9×1011 т. В результате процессов  гниения и разложения азотсодержащей органики, при условии благоприятных  факторов окружающей среды, могут образоваться природные залежи полезных ископаемых, содержащие азот, например, «чилийская селитра» (нитрат натрия с примесями других соединений), норвежская, индийская селитры. 

3.Регулирующее  воздействие биоты  на окружающую  среду

Био́та (от др.-греч. βιοτή — жизнь) — исторически  сложившаяся совокупность видов  живых организмов, объединённых общей  областью распространения в настоящее  время или в прошедшие геологические  эпохи. В состав биоты входят как  представители клеточных организмов (растения, животные, грибы, бактерии, протисты и пр.), так и бесклеточные организмы (например, вирусы).Биота является важной составной частью экосистем и биосферы. Биота активно участвует в биогеохимических процессах.

регулирующем  воздействии биоты на окружающую среду

 Эволюция  биосферы убедительно свидетельствует,  что при любом воздействии  на биосферу - природном или антропогенном  - ее гомеостаз обеспечивается  за счет сохранения биологического  разнообразия. Отсюда очевидно, что  экологические условия есть продукт  взаимодействия биоты и окружающей  среды, и лишь правильная оценка  этого взаимодействия позволяет  разработать достоверные методологические  подходы к сохранению или даже  улучшению экологической обстановки  в случае ее нарушения на  всех экосистемных уровнях, вплоть  до глобального.

 Исследуя  проблемы биологической регуляции  окружающей среды, В. В. Горшков,  В. Г. Горшков, В. И. Данилов-Данильян  и др. (1999) пришли к выводу, что  в настоящее время в экологической  науке известны две основные  концепции взаимодействия биоты  и окружающей ее среды.

Согласно первой концепции - традиционной - окружающая среда пригодна для жизни в  силу уникальных условий на поверхности  Земли, а естественная биота приспосабливается  к любой окружающей ее среде благодаря  главному свойству жизни - способности  к эволюции и непрерывной адаптации  к меняющимся условиям среды. При  этом, любые виды организмов, способные  адаптироваться к окружающей среде  и производить наибольшее количество потомков, могут составлять земную биоту.

 Согласно  традиционной концепции - изменение  окружающей среды под воздействием  человека - это определенный этап  естественного эволюционного процесса  – превращения биосферы в новую глобальную биосистему, а природное биоразнообразие - генетический ресурс человека, который следует сохранять лишь в заповедниках, зоопарках и генных банках. При этом безостановочный экономический рост возможен лишь за счет непрерывного расширения использования ресурсов биосферы.

 По мнению  В. В. Горшкова и др. (1999), в  традиционной концепции фактически  игнорируются экологические ограничения  на численность популяций биологических  видов (в том числе человека), а также причины образования  естественных сообществ, устойчивость  сообществ и их среды обитания.

 Во второй  концепции основная роль отводится  биотической регуляции окружающей  среды. Биота Земли рассматривается  как единственный механизм поддержания  пригодных для жизни условий  окружающей среды в локальных  и глобальных масштабах. В случае  прекращения регулирующего воздействия  биоты физически неустойчивая  окружающая среда быстро перейдет (примерно за 10 тыс. лет) в устойчивое  состояние, в такое, как на  Марсе или Венере, где жизнь  невозможна.

 В этой  концепции главным свойством  жизни считается способность  видов к поддержанию тех условий  окружающей среды, которые пригодны  для существования биоты на  любом экосистемном уровне, а  не способность к непрерывной  адаптации к изменяющимся условиям  этой среды. Биотическая регуляция  окружающей среды возможна в  результате скореллированного взаимодействия  между организмами и средой, которая  подобна скореллированности клеток  и органов внутри многоклеточного  организма. Работу по обеспечению  поддержания окружающей среды  выполняют виды с оптимальной,  а не с максимальной численностью. Именно они образуют сообщества  и составляют земную биоту,  обеспечивая стационарность численности  особей, регулярность популяционных  колебаний видов и предотвращают  популяционные взрывы, разрушающие  сообщества. Переход любого вида  к производству максимального  количества потомков, относится  к генетическому отклонению от  нормы и они немедленно вытесняются  из популяции. Механизм отбора  в этом случае - конкурентное взаимодействие  однородных сообществ.

 При переходе  окружающей среды в новое состояние  (например, изменение восстановительной  атмосферы на окислительную), обязательно  происходит существенная перестройка  биоты. Но перестройка осуществляется  без потери биотой способности  предотвращать переход среды  в состояние, непригодное для  существования любой биоты. Это  связано с тем, что существует  несколько различных условий  окружающей среды, пригодных для  жизни, а эволюционирующая биота  способна перебирать все приемлемые  для жизни условия.