Закономерности воздействия факторов среды на организмы

Министерство Образования  и Науки Российской Федерации

Казанский национальный исследовательский  технический университет

им А.Н. Туполева

 

 

 

 

 

 

 

 

Самостоятельная работа

Тема: «Закономерности воздействия факторов среды на организмы»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент группы 5422______Саяхов Р.И.

Проверил доцент кафедры ПЭБ______ Порфирьев В.Ю.

 

 

 

 

 

 

Казань, 2013 г.

 

Содержание

стр.

Введение

 

Введение

Живое неотрывно от среды. Каждый отдельный организм, являясь  самостоятельной биологической  системой, постоянно находится в  прямых или косвенных отношениях с разнообразными компонентами и  явлениями окружающей его среды  или, иначе, среды обитания, влияющими  на состояние и свойства организма.

Среда — одно из основных экологических понятий, которое  означает весь спектр окружающих организм элементов и условий в той  части пространства, где он обитает, все то, среди чего он живет и  с чем непосредственно взаимодействует.

Среда обитания каждого организма  слагается из множества элементов  неорганической и органической природы  и элементов, привносимых человеком  и его производственной деятельностью. При этом каждый элемент всегда прямо  или косвенно влияет на состояние  организма, его развитие, выживание  и размножение – одни элементы могут быть частично или полностью  безразличны организму, другие –  необходимы, а третьи – оказывать  отрицательное воздействие.

В земных условиях существуют четыре основных типа среды обитания живых организмов: водная, наземная (воздушная), почвенная среда, а также  тело другого организма, используемое паразитами. Каждый из этих типов обладает специфическим набором свойств среды – экологических факторов, а, следовательно, требует и специфического набора приспособления организмов к среде (адаптаций).

Несмотря на все многообразие экологических факторов, о котором  будет рассказано ниже, и различную  природу их происхождения, существуют общие правила и закономерности их влияния на живые организмы, изучение которых и является целью данной работы.

 

1.Понятие об оптимуме. Закон минимума Либиха

Каждый организм, каждая экосистема развивается при определенном сочетании факторов: влаги, света, тепла, наличия и состава питательных  ресурсов. Все факторы действуют  на организм одновременно. Реакция  организма зависит не столько  от самого фактора, сколько от его  количества (дозы). Для каждого организма, популяции, экосистемы существует диапазон условий среды – диапазон устойчивости, в рамках которого происходит жизнедеятельность объектов (рис. 1). 

 
 
Рис. 1. Влияние температуры на развитие растений

В процессе эволюции у организмов сформировались определенные требования к условиям среды. Дозы факторов, при которых организм достигает наилучшего развития и максимальной продуктивности, соответствует оптимуму условий. С изменением этой дозы в сторону уменьшения или увеличения происходит угнетение организма и чем сильнее отклонение значения факторов от оптимума, тем снижение жизнеспособности больше, вплоть до его гибели. Условия, при которых жизнедеятельность максимально угнетена, но организм еще существует, называются пессимальными.  Например, на юге лимитирующим фактором является влагообеспеченность. Так, в Южном Приморье оптимальные лесорастительные условия свойственны северным склонам гор в их средней части, а пессимальные – сухим южным склонам с выпуклой поверхностью.

Тот факт, что ограничение  дозы (или отсутствие) любого из необходимых  растению веществ, относящихся как  к макро, так и к микроэлементам, ведет к одинаковому результату — замедлению роста и развития, обнаружен и изучен немецким химиком  Юстасом фон Либихом. Сформулированное им в 1840 г. правило называют законом  минимума Либиха: наибольшее влияние  на выносливость растений оказывают  те факторы, которые в данном местообитании  находятся в минимуме.2 При этом Ю. Либих, проводя опыты с минеральными удобрениями, рисовал бочку с дырками, показывая, что нижняя дырка в бочке определяет уровень жидкости в ней.

Закон минимума справедлив как для растений, так и для  животных, включая человека, которому в определенных ситуациях приходится употреблять минеральную воду или витамины для компенсации недостатка каких-либо элементов в организме.

Фактор, уровень которого близок к пределам выносливости конкретного организма называется ограничивающим (лимитирующим). И именно к этому фактору организм приспосабливается (вырабатывает адаптации) в первую очередь. Например, нормальное выживание пятнистого оленя в Приморье имеет место только в дубняках на южных склонах, т.к. здесь мощность снега незначительна и обеспечивает оленю достаточную кормовую базу на зимний период. Ограничивающим фактором для оленя является глубокий снег.

Впоследствии в закон  Либиха были внесены уточнения. Важной поправкой и дополнением служит закон неоднозначного (селективного) действия фактора на различные функции организма: любой экологический фактор неодинаково влияет на функ­ции организма, оптимум для одних процессов, напри­мер дыхания, не есть оптимум для других, например пи­щеварения, и наоборот.

 

Э. Рюбелем в 1930 г. был установлен закон (эффект) компенсации (взаимозаменяемости) факторов: отсутствие или недостаток некоторых экологических факторов может быть компенсировано другим близким (аналогичным) фактором.

Например, недостаток света  может быть компенсирован для  растения обилием диоксида углерода, а при построении раковин моллюсками недостающий кальций может заменяться на стронций. Однако компенсаторные возможности у факторов ограничены. Нельзя ни один фактор полностью заменить другим, и если значение хотя бы одного из них выходит за верхний или нижний пределы выносливости организма, существование последнего становится невозможным, каковы бы благоприятны не были остальные факторы.

В 1949 г. В.Р.Вильяме сформулировал закон незаменимости фундаментальных факторов: полное отсутствие в среде фундаментальных экологических факторов (света, воды и т. д.) не может быть заменено другими факторами.

К этой группе уточнений  закона Либиха относится несколько  отличное от других правило фазовых  реакций «польза — вред»: малые  концентрации токсиканта действуют на организм в направлении усиления его функций (их стимулирования), тогда как более высокие концентрации угнетают или даже приводят к его смерти.

Эта токсикологическая закономерность справедлива для многих (так, известны лечебные свойства малых концентраций змеиного яда), но не всех ядовитых веществ.

2.Закон лимитирующих факторов Шелфорда

Для разных видов растений и животных пределы условий, в  которых они себя хорошо чувствуют  неодинаковы. Например, одни растения предпочитают очень высокую влажность, другие предпочитают засушливые местообитания. Одни виды птиц улетают в теплые края, другие – клесты, кедровки и  птенцов выводят зимой. Чем шире количественные пределы условий среды обитания, при которых тот или иной организм, вид и экосистема могут существовать, тем выше степень их выносливости, или толерантности. Свойство видов адаптироваться к условиям среды называется экологической пластичностью (рис.2), а по амплитуде переносимых популяциями естественных колебаний фактора судят об экологической валентности вида.

Фактор среды наиболее эффективно действует на организм только при некотором среднем его  значении, оптимальном для данного  организма. Чем шире пределы колебаний  какого-либо фактора, при котором  организм может сохранять жизнеспособность, тем выше устойчивость, т. е. толерантность данного организма к соответствующему фактору. Таким образом, толерантность — это способность организма выдерживать отклонения экологических факторов от оптимальных для его жизнедеятельности значений.

Впервые предположение о лимитирующем (ограничивающем) влиянии максимального значения фактора наравне с ми­нимальным значением было высказано в 1913 г. американ­ским зоологом В. Шелфордом, установившим фундаменталь­ный биологический закон толерантности: любой живой организм имеет определенные, эволюцион­но унаследованные верхний и нижний пределы устойчивос­ти (толерантности) к любому экологическому фактору.

Другая формулировка закона В. Шелфорда поясняет, почему закон толерантности одновременно называют законом лимитирующих факторов: даже единственный фактор за пределами зоны своего оптимума приводит к стрессовому состоянию организма и в пределе — к его гибели. Поэтому экологический фактор, уровень которого прибли­жается к любой границе диапазона выносливости организма или заходит за эту границу, называют лимитирующим фактором. Они называются космополитами. Но таких видов мало.

Закон толерантности дополняют  положения американско­го эколога Ю. Одума:

организмы могут иметь  широкий диапазон толерант­ности в отношении одного экологического фактора и низкий диапазон в отношении другого:

организмы с широким диапазоном толерантности в от­ношении всех экологических факторов обычно наиболее распространены;

диапазон толерантности  может сузиться и в отношении  других экологических факторов, если условия по одному экологическому фактору  не оптимальны для организма;

многие факторы среды  становятся ограничивающими (лимитирующими) в особо важные (критические) пери­оды жизни организмов, особенно в период размножения.

К этим положениям также  примыкает закон Митчерлиха Бауле или закон совокупного действия: совокупность факторов воздействует сильнее всего на те фазы развития организмов, которые имеют наименьшую пластичность — минимальную способность к приспособлению.

Виды с узкой экологической  пластичностью, т.е. способные существовать в условиях небольшого отклонения от своего оптимума, узкоспециализированные, называются стенобионтными (stenos – узкий), виды широко приспособленные, способные существовать при значительных колебаниях факторов – эврибионтные (eurys – широкий) Границы, за которыми существование невозможно, называются нижним и верхним пределами выносливости, или экологической валентности.

ПРИМЕР. Рыбы соленых и  пресных водоемов – стенобионты. Трехиглая колюшка и лосось – эврибионты. Стенобионты-растения: чозения, тополь корейский – растения пойм, гигрофитные растения (калужница болотная, рогоз,), ксерофиты Приморья – сосна густоцветковая, абрикос маньчжурский, леспедеца и др. К стенобионтам можно отнести почти всех млекопитающих, в том числе и человека. Достаточно небольшого отклонения температуры воздуха (22-26°C) и воды (28-38°C) от «нормального» значения, пониженного содержания кислорода и повышенного содержания вредных веществ (хлора, паров ртути, аммиака и др.) в воздухе, чтобы вызвать резкое ухудшение его состояния.

По отношению к одному фактору вид м.б. стенобионтом, по отношению к другому – эврибионтом. В зависимости от этого выделяют прямо противоположные пары видов: стенотермный – эвритермный (по отношению к теплу), стеногидрический – эвригидрический (к влаге), стеногаленный – эвригаленный (к засоленности), стено- – эврифотный (к свету), и др.

Существуют и другие термины, характеризующие отношение видов  к факторам окружающей среды. Добавление окончания «фил» (phyleo (греч.) – люблю) означает, что вид приспособился к высоким дозам фактора (термофил, гигрофил, оксифил, галлофил, хионофил), а добавление «фоб», наоборот, к низким (галлофоб, хионофоб). Вместо «термофоба» обычно употребляется «криофил», вместо «гигрофоба» – «ксерофил».

Типичные эврибионты - простейшие организмы, грибы. Из высших растений к  эврибионтам можно отнести виды умеренных широт: сосну обыкновенную, лиственницу даурскую, дуб монгольский, иву Шверина, бруснику и большинство видов вересковых.

Стенобионтность вырабатывается у видов, длительное время развивающихся в относительно стабильных условиях. Чем сильнее она выражена, тем меньшим ареалом обладает вид, или его сообщество. Наиболее распространенные виды, имеют широкий диапазон толерантности ко всем фак Фактор среды наиболее эффективно действует на организм только при некотором среднем его значении, оптимальном для данного организма. Чем шире пределы колебаний какого-либо фактора, при котором организм может сохранять жизнеспо­собность, тем выше устойчивость, т. е. толерантность данного организма к соответствующему фактору. Таким образом, толерантность — это способность организма выдерживать отклонения экологических факторов от оптимальных для его жизнедеятельности значений.

Особенности адаптации

Животные и растения вынуждены  приспосабливаться к множеству  факторов непрерывно изменяющихся условий  жизни. Динамичность экологических  факторов во времени и пространстве зависит от астрономических, гелиоклиматических, геологических процессов, которые выполняют управляющую роль по отношению к живым организмам.

Признаки, способствующие выживанию организма, постепенно усиливаются под действием естественного отбора, пока не будет достигнута максимальная приспособленность к существующим условиям. Приспособление может происходить на уровне клетки, тканей и даже целого организма, затрагивая форму, размеры, соотношение органов и т. п. Организмы в процессе эволюции и естественного отбора вырабатывают наследственно закрепленные особенности, обеспечивающие нормальную жизнедеятельность в изменившихся экологических условиях, т. е. происходит адаптация.

Адаптация имеет следующие  особенности:

Приспособленность к одному фактору среды, например повышенной влажности, не дает организму такой  же приспо­собленности к другим условиям среды (температуре и т. п.). Эта закономерность называется законом относительной независимости адаптации: высокая адаптированность к одному из экологических факторов не дает такой же степени приспособления к другим условиям жизни.