В чем заключается суть учения об экологических оптимумах видов
Экологический оптимум
Под экологическим оптимумом принято понимать количество экологического фактора, позволяющего вывести интенсивность жизнедеятельности организмов на максимальный уровень. Эта величина находится в тесной связи с сезоном, возрастом живых существ и их половой принадлежности.
Что такое экологический оптимум
С экологическим оптимумом тесно связаны такие категории, как:
Экологический оптимум, максимум и минимум различны и определяются и рассчитываются для каждого организма индивидуально.
Закон экологического оптимума
Закон экологического оптимума можно сформулировать следующим образом: каждый экологический фактор оказывает на организм положительное влияние до тех пор, пока он остается в рамках, ограниченных критическими точками. При выходе за эти границы влияние становится негативным: причем, как в большую, так и меньшую сторону.
В зависимости от выраженности способности приспосабливаться к изменениям условиям среды выделяются организмы-стенобионты (с узкой специализацией) и эврибионты (с широкой специализацией).
Первые отличаются высокой чувствительностью к изменениям среды; критические точки факторов для них очень близки. Они способны выживать только в относительно спокойной, стабильной среде. Минимальные перепады температуры, уменьшение или увеличения солености воды и т.д. становятся для них губительны. Область толерантности эврибионтов значительно шире. Они легче приспосабливаются к условиям среды и обладают лучшей выживаемостью.
Какие условия включаются в понятие экологический оптимум
Для того чтобы рассчитать экологический оптимум для того или иного вида нужно знать критические точки, применимые для рассматриваемого биологического вида. А также учитывать силу проявления фактора и время его воздействия.
Разница между показателями выражает экологический оптимум для вида.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Экологический оптимум
Экологический оптимум нередко изменяется в зависимости от возраста, пола живых существ, сезона и других обстоятельств. [1]
Экологический оптимум человека как существа биологического ограничен, в связи с этим возможность существования в различных средах обитания достигается не путем изменения собственной биологии, а путем изменения окружающей среды. [2]
Для большинства видов экологический оптимум биологической активности ограничен жесткими рамками. Сохранение должного уровня биологической активности, несмотря на колебания интенсивности экологических факторов, обеспечивается гомеостатическими механизмами на уровне особи или популяции. [3]
В силу изложенных обстоятельств в естественных условиях обитания не реализуется и чисто физиологическое понимание правила оптимума. Экологический оптимум ( оптимум ареала, оптимальные местообитания) не представляет собой сочетания всех факторов в оптимальном выражении. Это наиболее благоприятное сочетание всех или хотя бы ведущих экологических факторов, каждый из которых чаще всего несколько отклоняется от физиологического оптимума. И наоборот, пессимум ареала ( пессималъные стации) определяется как территория с наименее удачным сочетанием факторов, хотя некоторые из них могут быть выражены во вполне благоприятных дозах. [6]
Любая особь, популяция, сообщество испытывают на себе действие многих факторов, но лишь некоторые из них являются жизненно важными. Такие факторы называются лимитирующими или ограничивающими. Отсутствие этих факторов или их концентрация выше или ниже критических уровней делает невозможным освоение среды особями определенного вида. В соответствии с этим, для каждою биологического вида существует оптимум фактора ( величина, наиболее благоприятная для развития и существования) и пределы выносливости. Виды, переживающие значительные отклонения факторов от оптимальной величины, называются широкоприспособленными или эвритопными Виды, способные пережить лишь незначительные отклонения экологических факторов от оптимальной величины, называются узкоприспособленными или стенотопными. Способность видов осваивать разные среды обитания характеризуется величиной экологической валентности. Для большинства видов экологический оптимум ограничен. Сохранение должного уровня биологической активности, несмотря на колебания интенсивности экологических факторов, обеспечивается гомеостатически-ми механизмами на уровне особи или популяции. [12]
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ОПТИМУМ ВИДА
Экологические факторы
Экологические факторы — компоненты окружающей среды, влияющие на живой организм.
Существование определенного вида зависит от сочетания множества различных факторов. Причем для каждого вида значение отдельных факторов, а также их комбинации весьма специфичны.
Виды экологических факторов:
1. Абиотические факторы — факторы неживой природы, прямо или косвенно действующие на организм.
Примеры: рельеф, температура и влажность воздуха, освещенность, течение и ветер.
2. Биотические факторы — факторы живой природы, влияющие на организм.
Примеры: микроорганизмы, животные и растения.
3. Антропогенные факторы — факторы, связанные с деятельностью человека.
Примеры: строительство дорог, распашка земель, промышленность и транспорт.
климатические: годовая сумма температур, среднегодовая температура, влажность, давление воздуха;
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ГРУППЫ РАСТЕНИЙ
По отношению к водному обмену различают следующие экологические группы растений:
гидратофиты — растения, постоянно живущие в воде;
гидрофиты — растения, частично погруженные в воду;
гелофиты — болотные растения;
гигрофиты — наземные растения, обитающие в чрезмерно увлажненных местах;
мезофиты — растения, предпочитающие умеренное увлажнение;
склерофиты — засухоустойчивые растения с жесткими, кожистыми листьями и стеблями.
· эдафические (почвенные): механический состав почвы, воздухопроницаемость почвы, кислотность почвы, химический состав почвы;
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ГРУППЫ РАСТЕНИЙ
По отношению к плодородию почвы различают следующие экологические группы растений:
олиготрофы — растения бедных, малоплодородных почв (сосна обыкновенная);
мезотрофы — растения с умеренной потребностью в питательных веществах (большинство лесных растений умеренных широт);
эвтрофы — растения, требующие большого количества питательных веществ в почве (дуб, лещина, сныть).
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ГРУППЫ РАСТЕНИЙ
Все растения по отношению к свету можно разделить на три группы: гелиофиты, сциофиты, факультативные гелиофиты.
Гелиофиты — светолюбивые растения (степные и луговые злаки, растения тундр, ранневесенние растения, большинство культурных растений открытого грунта, многие сорняки).
Сциофиты — тенелюбивые растения (лесные травы).
Факультативные гелиофиты — теневыносливые растения, способны развиваться как при очень большом, так и при малом количестве света (ель обыкновенная, клен остролистный, граб обыкновенный, лещина, боярышник, земляника, герань полевая, многие комнатные растения).
Сочетание различных абиотических факторов определяет распространение видов организмов по разным областям земного шара. Определенный биологический вид встречается не повсеместно, а в районах, где имеются необходимые для его существования условия.
БИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ
· фитогенные — влияние растений;
· микогенные — влияние грибов;
· зоогенные — влияние животных;
· микробиогенные — влияние микроорганизмов.
Биотические факторы разделяются на антагонистические (отрицательно влияющие на организм, например хищничество, паразитизм и конкуренция) и симбиотические (положительно влияющие на организм, например комменсализм и мутуализм).
АНТРОПОГЕННЫЕ ФАКТОРЫ
Хотя человек влияет на живую природу через изменение абиотических факторов и биотических связей видов, деятельность людей на планете выделяют в особую силу.
· физические: использование атомной энергии, перемещение в поездах и самолетах, влияние шума и вибрации;
· химические: использование минеральных удобрений и ядохимикатов, загрязнение оболочек Земли отходами промышленности и транспорта;
· биологические: продукты питания; организмы, для которых человек может быть средой обитания или источником питания;
· социальные — связанные с отношениями людей и жизнью в обществе: взаимодействие с домашними животными, синантропными видами (мухи, крысы и т. п.), использование цирковых и сельскохозяйственных животных.
Основными способами антропогенного влияния являются: завоз растений и животных, сокращение ареалов и уничтожение видов, непосредственное воздействие на растительный покров, распашка земель, вырубка и выжигание лесов, выпас домашних животных, выкашивание, осушение, орошение и обводнение, загрязнение атмосферы, создание мусорных свалок и пустырей, создание культурных фитоценозов. К этому следует добавить многообразные формы растениеводческой и животноводческой деятельности, мероприятия по защите растений, охране редких и экзотических видов, промысел животных, их акклиматизацию и т. п.
Влияние антропогенного фактора с момента появления человека на Земле постоянно усиливалось.
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ОПТИМУМ ВИДА
Можно установить общий характер воздействия экологических факторов на живой организм. Любой организм имеет специфический комплекс приспособлений к факторам среды и благополучно существует лишь в определенных границах их изменяемости.
Экологический оптимум — значение одного или нескольких экологических факторов, наиболее благоприятных для существования данного вида или сообщества.
Зона оптимума — это тот диапазон действия фактора, который наиболее благоприятен для жизнедеятельности данного вида.
Отклонения от оптимума определяют зоны угнетения (зоны пессимума). Чем сильнее отклонение от оптимума, тем больше выражено угнетающее действие данного фактора на организмы.
Критические точки — минимально и максимально переносимые значения фактора, за которыми организм гибнет.
Область толерантности— диапазон значений экологического фактора, при котором возможно существование организма.
Для каждого организма характерны свои максимумы, оптимумы и минимумы экологических факторов. Например, комнатная муха выдерживает колебание температуры от 7 до 50 °С, а человеческая аскарида живет только при температуре тела человека.
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ НИША
Экологическая ниша — совокупность факторов среды (абиотических и биотических), которые необходимы для существования определенного вида.
Экологическая ниша характеризует образ жизни организма, условия его обитания и питания. В отличие от ниши понятие местообитание обозначает территорию, где живет организм, т. е. его «адрес». Например, травоядные обитатели степей — корова и кенгуру — занимают одну экологическую нишу, но имеют различные места обитания. Наоборот, обитатели леса — белка и лось, относящиеся также к травоядным животным — занимают разные экологические ниши.
Экологическая ниша всегда определяет распространение организма и его роль в сообществе.
В одном сообществе два вида не могут занимать одну и ту же экологическую нишу.
ЛИМИТИРУЮЩИЙ ФАКТОР
Лимитирующий (ограничивающий) фактор — любой фактор, который ограничивает процесс развития или существования организма, вида или сообщества.
Например, если в почве недостает какого-то определенного микроэлемента, это вызывает снижение урожайности растений. Из-за отсутствия пищи гибнут насекомые, которые питались этими растениями. Последнее отражается на выживаемости хищников-энтомофагов: других насекомых, птиц и земноводных.
Ограничивающие факторы определяют ареал расселения каждого вида. Например, распространение многих видов животных на север сдерживается нехваткой тепла и света, на юг — дефицитом влаги.
Оптимальные условия не должны быть постоянными
Понятие «экологического оптимума» было введено в научный обиход в начале XX в. В. Шелфордом. Изначально оптимум определяли как некое сочетание условий среды, оптимальное для роста, выживания, размножения представителей данного вида, или как условия, при которых особи оставляют наибольшее число потомков (т.е. оказываются наиболее приспособленными). Однако установить на практике, какие именно условия оптимальны для данного вида, оказалось не так-то просто. Например, выяснилось, что для разных парамертов жизнедеятельности (таких как выживаемость, скорость роста и полового созревания, эффективность обмена веществ, размножение) оптимальными могут оказаться разные условия. Так, у морского многощетинкового червя Ophryotrocha diadema наибольшая выживаемость отмечается при одних значениях температуры и солености, для откладки яиц оптимальны другие значения этих факторов, а для скорейшего роста и полового созревания – третьи. У многих рыб температурный оптимум роста оказался выше, чем оптимум эффективности питания, и т.д. Оптимум может меняться в зависимости от стадии индивидуального развития организма, размера тела, сезона года и времени суток.
Бурное развитие аквакультуры во второй половине XX века требовало поиска оптимальных режимов выращивания объектов культивирования. Стало ясно, что не только беспозвоночные, но и рыбы лучше растут при переменной температуре, чем при постоянной. На основе обширных экспериментальных данных проф. А. С. Константинов сформулировал понятие «астатического оптимума»: «Оптимум для рыб – не стационарное состояние среды, не экологическое однообразие, а разнообразие в пределах экологической валентности вида».
Эксперименты, проведенные В. Б. Вербицким и его коллегами, позволяют еще более расширить представление об астатическом оптимуме. Оказалось, что «созданием колебательного (астатического) режима, хотя он и способствует увеличению численности экспериментальных популяций, также не ограничивается возможность дальнейшей оптимизации условий обитания». Эксперименты показали, что необходимо учитывать также и влияние непериодических, ступенчатых изменений условий, причем разные виды реагируют на такие измения по-разному и порой весьма неожиданным образом. Например, у рачка Ceriodaphnia quadrangula при повышении температуры от 15 до 20 0 C через неделю наблюдалось устойчивое снижение численности популяции более чем в три раза. Однако если температуру повышали от 15 сразу до 25 0 C, а по прошествии недели снижали до 20 0 C, то численность популяции сначала немного сокращалась, а потом восстанавливалась. Этот пример показывает, что кратковременное изменение условий (в данном случае повышение температуры до 25 0 C на одну неделю) может иметь долгосрочные и довольно неожиданные последствия. Аналогичные результаты, показывающие, что кратковременное увеличение температуры может оказать долговременный стимулирующий эффект (заметный порой даже в течение ряда поколений), были получены другими авторами на коловратках и инфузориях.
В. Б. Вербицкий описывает две новые серии экспериментов, в которых удалось продемонстрировать «эффект последействия» кратковременного изменения факторов среды. В первом случае сообщество зоопланктона подвергалось воздействию кратковременного увеличения концентрации фосфора. Эксперимент продолжался 61 сут., а концентрация фосфора была повышена в течение недели с 11-х по 18-е сут. Данное воздействие очень по-разному отразилось на разных видах планктонных беспозвоночных. Одни виды ветвистоусых рачков (Daphnia longispina) отреагировали на повышение концентрации фосфора быстрым и устойчивым сокращением численности, другие (Diaphanosoma brachiurum, D. dubia) продемонстрировали отсроченный эффект: в контрольной ситуации у этих рачков начался бурный рост численности на 36-ой день эксперимента, а после фосфорной нагрузки численность осталась низкой в течение всего эксперимента. На представителей родов Bosmina и Chydorus увеличение концентрации фосфора оказало отсроченный стимулирующий эффект: у них начался бурный рост численности через 14 сут после прекращения внесения фосфора (в контроле рост был гораздо слабее).
Во второй серии экспериментов изучалось влияние слабого лазерного излучения на самок Daphnia pulex. Рачков облучали в течение 24 часов с расстояния 1 м лазерным излучением с длиной волны 630 нм (красное излучение) мощностью 1 микроватт. Процедура привела к повышению плодовитости дафний. При этом в первом поколении плодовитость увеличилась в среднем на 8.8%, во втором поколении после облучения – на 18.5%, в третьем – на 31.3%, в четвертом – на 23.5%. Абиотические условия и питание были одинаковыми у облученных и контрольных дафний, поэтому на увеличение плодовитости могло повлиять только световое воздействие. Какова природа этого влияния – неизвестно, но можно предположить, что сохранение эффекта в череде поколений могло осуществиться за счет так называемого «материнского эффекта» (см. синопсис «Устойчивое существование популяции обеспечивается негенетической «памятью поколений»» по статье В. Р. Алексеева, Т. И. Казанцевой «Использование индивидуально-ориентированной модели для изучения роли материнского эффекта в смене типов размножения у Cladocera»).
На основе приведенных данных В. Б. Вербицкий предлагает при определении экологического оптимума разделять понятия статического и динамического оптимума. «Статический оптимум включает диапазон оптимальных значений факторов на шкале толерантности и «дозу» каждого фактора, соответствующую потребностям организма и обеспечивающую наиболее благоприятные условия для его жизни. Динамический оптимум включает набор конкретных значений факторов среды с описанием их динамических характеристик, обеспечивающих оптимальные условия жизни организма в природных условиях или необходимых для создания таких условий. Кроме того, необходимо учитывать наличие и характер эффектов последействия (или эффектов отсроченного действия, или инерционных эффектов), когда пребывание организма при оптимальных значениях фактора положительно сказывается (проявляется) через некоторое время после начала или даже окончания воздействия (на протяжении жизни этой же или последующих генераций)».
Экологический срез: правило оптимума, законы Либиха и Шелфорда
Тема воздействия человека на экологию и экологии на жизнь на планете сегодня очень актуальна. Всё больше говорится об отрицательном влиянии деятельности человека на природу, глобальном потеплении, угрозе исчезновения некоторых видов животных, загрязнении мирового океана и т.д. Мы же, являясь теми, кому всё это далеко не безразлично, не можем не посвятить одну из наших статей экологической теме.
Ниже мы поговорим о том, как могут воздействовать экологические факторы на живые организмы, что поможет каждому из нас сделать определённые выводы.
Вместо введения
Невзирая на то, что многообразие экологических факторов просто огромно, а природа их происхождения нередко может различаться, есть такие закономерности и правила воздействия этих экологических факторов на живые организмы, которые являются универсальными.
Каким бы ни был экологический фактор, воздействовать на живые организмы он будет так:
Однако максимально эффективно действовать фактор будет в том случае, если его значение является для организма оптимальным, а не критическим. Воздействие же фактора будет сказываться абсолютно на всех живых организмах, в том числе и на человеке.
Закономерности воздействия экологических факторов на организмы
Далее нами будут рассмотрены основные закономерности воздействия экологических факторов на организмы:
Правило оптимума
В первую очередь следует сказать о том, что результат действия экологического фактора зависит от того, насколько он интенсивен. Наиболее благоприятный диапазон воздействия называется зоной оптимума, гарантирующей нормальную жизнедеятельность. И если действие фактора отклоняется от зоны оптимума, то оказывается негативное воздействие на жизнедеятельность популяции вида, т.е. фактор переходит в зону угнетения.
Минимальные и максимальные значения фактора называются критическими точками, вне пределов которых организм существовать уже не может. Диапазон воздействия экологического фактора между критическими точками – это зона толерантности организма в отношении конкретного фактора.
Если, например, отобразить действие фактора графически, то точка на оси X, которая будет соответствовать лучшему показателю жизнедеятельности организма, будет являться оптимальной величиной фактора или просто точкой оптимума. Однако определить её очень трудно, поэтому чаще в расчёт берётся зона оптимума или зона комфорта.
Из этого следует, что точки, соответствующие минимальным, максимальным и оптимальным показателям, являются кардинальными точками, определяющими возможные варианты реагирования организма на конкретный фактор. И если среда характеризуется такими условиями, где фактор или несколько факторов выходят заграницы зоны оптимума и действуют на организм угнетающе, то она будет являться экстремальной средой.
Представленные закономерности и являются правилом оптимума.
Закон минимума Либиха
Для поддержания жизнедеятельности живых организмов нужно, чтобы условия среды сочетались определённым образом. Например, когда среда обладает всеми благоприятными условиями, кроме одного, это одно условие играет решающую роль в жизни конкретного организма. Учитывая то, что он ограничивает развитие организма, его следует называть лимитирующим фактором. Другими словами, лимитирующим является экологический фактор со значением, выходящим за пределы выживаемости вида.
Изначально учёные остановили, что развитие живых организмов лимитируется недостатком какого-то одного элемента (света, влаги, минеральных солей и т.д.). Однако в середине XIX столетия немецким химиком-органиком Юстасом Либихом было впервые экспериментально доказано, что рост растений находится в зависимости от компонента питания, изначально присутствующего в минимальном количестве. Данное явление получило название закона минимума Либиха.
Если же дать этому закону современную формулировку, то выглядеть она будет следующим образом: выносливость живого организма определяет самое слабое звено в цепочке его экологических потребностей.
Закон толерантности Шелфорда
Через 70 лет после открытия закона минимума Либиха было установлено, что лимитирующее воздействие оказывается не только недостатком, но и преизбытком фактора (обильные дожди губят урожай, почва становится неплодородной от перенасыщения удобрениями и т.п.).
Эта идея была введена американским зоологом Виктором Шелфордом, который и сформулировал закон толерантности. Этот закон звучит так: роль лимитирующего фактора процветания организма может выполнять и минимум, и максимум экологического воздействия, а имеющийся между ними диапазон указывает на предел толерантности (величину выносливости) или экологическую валентность организма к конкретному экологическому фактору.
Сам же принцип ограничивающих факторов применим к любым типам живых организмов: животным и растениями, биотическим и абиотическим формам. К примеру, конкуренция одного вида с другим – это лимитирующий фактор; сорняки, вредители или недостаточная популяция другого вида – это тоже лимитирующие факторы. Однако, исходя из закона толерантности, если какое-то вещество или энергия присутствуют в среде в избытке, начинается загрязнение среды.
Что же касается предела выносливости организма, то измерить его можно на стадии перехода от одной стадии развития к другой, т.к. нередко молодые особи являются более требовательными к среде и уязвимыми, нежели взрослые. Самым же критическим с позиции влияния любых факторов можно назвать именно период размножения, когда множество факторов приобретают статус лимитирующих.
Следует также отметить, что всё, сказанное до этого, относительно выносливости организма, касалось лишь одного фактора, однако для живой природы характерно совместное действие всех экологических факторов.
Взаимодействие экологических факторов
Смещение самой оптимальной зоны и пределов толерантности живого организма в отношении какого-то экологического фактора зависит от сочетания действий других факторов. Этот феномен называется констелляцией или взаимодействием экологических факторов.
К примеру, каждый знает, что жаркая погода гораздо легче переносится, когда воздух сухой, а не влажный; замёрзнуть при низкой температуре можно быстрее, когда дует ветер; растущие в тени растения меньше нуждаются в цинке, чем растения, растущие на солнце и т.д. Говоря несколько иначе, имеет место компенсация действия экологических факторов.
Но эта компенсация ограничена, ведь один фактор не способен на 100% заменить другой. Если не будет воды или одного из питательных элементов, то растения погибнут, даже если другие факторы будут находиться в идеальном сочетании. И из этого можно заключить, что каждое условие среды, которое поддерживает жизнь, имеет одинаковое значение, а лимитировать существование живого организма может любой фактор. Этот закон называется законом равнозначности условий жизни.
В огромном количестве законов, которые определяют взаимодействие особи или человека с окружающей средой, можно также выделить и правило соответствия условий среды генетической предопределённости организма. Согласно этому правилу, существование какого-либо вида обусловлено соответствием окружающей природной среды его генетическому потенциалу адаптации к изменениям и колебаниям.
Послесловие
Любой из видов живых организмов появился в конкретной среде, в какой-то мере к ней адаптировался и продолжение его жизни возможно только лишь в ней или в максимально к ней близкой. Быстрые и резкие изменения среды обитания могут стать причиной того, что организм просто не сможет к ней приспособиться, т.к. его генетический адаптивный потенциал окажется недостаточным для этого.
И это является одной из основных гипотез, объясняющих вымирание крупных пресмыкающихся по причине резкого изменения экологических условий на планете, ведь приспособиться крупным организмам намного сложнее, нежели мелким, и адаптация требует огромных временных затрат. Исходя из этого, серьёзные преобразования окружающей среды представляют угрозу для любого живого существа на планете, и для человека в том числе.
Берегите природу и старайтесь сохранять чистоту не только внутри себя, но и снаружи!