Основные экологические факторы среды
Основные экологические факторы среды
Введение и понятийный аппарат
Экологическая среда представляет собой всю совокупность внешнего по отношению к организму мира. В рамках данного понятия выделяется среда обитания, которая понимается как естественные условия жизни того или иного вида. Исторически многие виды, включая человека, существенно изменили свою исходную среду обитания, перейдя к существованию в искусственно созданных условиях, например, в урбанизированных пространствах. Более узким понятием является окружающая среда — это та часть экологической среды, с которой живой организм взаимодействует непосредственно в данный момент времени. Для научного анализа окружающую среду разделяют на отдельные компоненты, называемые экологическими факторами.
Экологические факторы классифицируются по различным критериям. По направленности воздействия выделяют внешние и внутренние факторы. Внешние факторы воздействуют на экосистему извне, при этом сама экосистема на них не влияет; к таким факторам относятся солнечная радиация, ветер или глобальные температурные режимы. Внутренние факторы представляют собой свойства самой экосистемы, например, численность популяции или наличие кормовой базы. Некоторые факторы обладают двойственной природой. Например, вода или воздух поступают в экосистему извне, выступая как внешние факторы, однако внутри системы они модифицируются в результате жизнедеятельности организмов, приобретая характеристики внутренних факторов.
Среди всего многообразия условий выделяются главные факторы, являющиеся критически важными условиями существования живых организмов. К ним относятся пища, вода, воздух, температура и свет. Выход показателей этих факторов за определенные лимиты неизбежно приводит к гибели организма. Факторы, доступные в различных, поддающихся измерению количествах (например, вода, энергия, свет, кислород), определяются как ресурсы.
Классификация по природе воздействия
По своей природе и характеру действия экологические факторы традиционно делятся на три крупные группы: абиотические, биотические и антропогенные. Каждая из этих групп оказывает специфическое влияние на живые организмы и экосистемы в целом, формируя сложную систему взаимосвязей и определяя границы выживаемости видов.
Абиотические факторы среды
Абиотические факторы представляют собой совокупность условий неживой природы. К ним относятся свет, температура, влажность, атмосферное давление, химический состав и концентрация веществ, гравитация, магнитные поля и радиация. Свет, в частности видимая область спектра, является абсолютно необходимым условием для фотосинтеза. Энергия солнца преобразуется продуцентами в энергию химических связей, что обеспечивает существование всей пищевой цепи; без этого процесса организмы лишились бы источника энергии. В масштабах современных биосферных процессов ресурс солнечной энергии считается практически неисчерпаемым.
Вода является важнейшим абиотическим фактором и критическим условием существования жизни. Любая живая клетка состоит из воды примерно на восемьдесят процентов, а потеря организмом человека всего двенадцати процентов жидкости приводит к летальному исходу. Вода выполняет ряд незаменимых функций: она выступает универсальным растворителем, обеспечивая протекание химических реакций (гидролиза, полимеризации, фотосинтеза), выполняет транспортную функцию, перемещая вещества по организму. Благодаря высокой теплоемкости вода обеспечивает термостабилизацию, защищая организмы от резких перепадов температур, а также поддерживает структурную целостность клеток за счет тургорного давления.
Воздух и его химический состав играют ключевую роль в обеспечении клеточного дыхания и фотосинтеза. Главными компонентами, необходимыми для живых существ, являются кислород и углекислый газ. Жизнедеятельность организмов непосредственно влияет на состав атмосферы: в процессе дыхания поглощается кислород и выделяется углекислый газ, тогда как при фотосинтезе происходит обратный процесс. В ходе эволюции Земли газовый состав атмосферы неоднократно менялся. Периоды с высоким содержанием углекислого газа способствовали бурному росту растительности и потеплению климата, тогда как повышение концентрации кислорода нередко приводило к похолоданиям и угнетению флоры.
Температурный фактор строго лимитирует распространение жизни. Оптимальный температурный диапазон для большинства организмов составляет от пятнадцати до тридцати пяти градусов Цельсия, что обусловлено условиями нормального функционирования белков. Минимальной критической отметкой для активной жизнедеятельности считается ноль градусов, так как при этой температуре вода замерзает. Максимальный предел внутриклеточной температуры ограничен пятьюдесятью градусами. Существуют исключения: некоторые виды антарктических рыб способны выживать при отрицательных температурах около минус одного градуса, а споры некоторых бактерий выдерживают нагревание до ста двадцати градусов снаружи, сохраняя при этом жизнеспособную температуру внутри благодаря плотным защитным оболочкам. Также зафиксирована выживаемость спор, семян и сперматозоидов при сверхнизких температурах вплоть до минус двухсот градусов.
Почва, хотя и классифицируется как абиотический фактор, представляет собой сложное биокосное образование. Она формируется при непосредственном участии живых организмов, которые модифицируют минеральную основу, что является ярким примером того, как биотические процессы конструируют абиотическую среду.
Биотические факторы и биогенные элементы
Биотические факторы охватывают все формы воздействия организмов друг на друга. Поскольку любая среда обитания насыщена живыми существами, включая микроорганизмы, биотическое влияние присутствует повсеместно. Эти факторы подразделяются на внутривидовые и межвидовые. Внутривидовые взаимодействия происходят между особями одной популяции, например, конкуренция или кооперация между сородичами. Межвидовые факторы представляют собой контакты представителей разных видов, будь то хищничество, паразитизм или симбиоз.
К биотическим факторам также принято относить питательные вещества, необходимые для жизнедеятельности. Они делятся на органические и неорганические. Важнейшее значение имеют биогенные элементы, которые обязательно должны поступать с пищей и присутствовать в организме. Макробиогенные элементы, такие как углерод, водород, азот, кислород, фосфор, сера, кальций, магний, хлор, натрий и калий, требуются в значительных количествах. Микробиогенные элементы (железо, кобальт, йод, фтор, медь) необходимы в строго определенных, малых дозах; их избыток оказывает токсичное, разрушительное воздействие на живые системы.
Антропогенное воздействие
Антропогенные факторы порождены деятельностью человека и стремительно вытесняют естественные природные условия. Они подразделяются на техногенные, связанные с непосредственным применением технических средств и машин, и нетехногенные, возникающие в результате человеческого присутствия без использования сложной техники, например, стихийные свалки бытовых отходов. Динамика развития биосферы указывает на то, что в обозримом будущем естественные биоценозы могут сохраниться лишь в изолированных резервациях, тогда как большая часть планеты будет представлять собой исключительно антропогенную среду.
Закономерности действия экологических факторов
Действие факторов подчиняется ряду фундаментальных экологических законов. Для каждого вида существует свой диапазон выживания, внутри которого выделяются различные зоны. Оптимум — это условия, при которых организм функционирует и размножается наиболее эффективно. Зона угнетения или стрессовая зона характеризуется тем, что организм способен выживать, но его жизнедеятельность нарушена, а размножение часто становится невозможным. Пределы выносливости (зона толерантности) обозначают границы, за пределами которых наступает неминуемая смерть.
Экологические факторы редко действуют изолированно. Их совместное благоприятное воздействие называется синергическим эффектом. Однако действует закон абсолютной незаменимости факторов: один ресурс не может быть заменен другим, например, избыток пищи не компенсирует отсутствие света. В то же время существует закон относительной заменяемости, гласящий, что оптимальное состояние одних факторов может смягчить негативный эффект от недостатка других. Например, качественное питание позволяет теплокровным организмам легче переносить критически низкие температуры.
Важнейшим принципом является закон лимитирующего фактора: даже если большинство условий находятся в зоне оптимума, отклонение лишь одного критически важного фактора за пределы толерантности приведет к гибели организма. Также действует закон относительности экологического фактора, согласно которому нет абсолютно вредных или абсолютно полезных воздействий; результат зависит исключительно от дозы и сочетания с другими факторами окружающей среды.
Выживаемость и экологическая пластичность
Реакция видов на условия среды и их жизненный цикл наглядно демонстрируются кривыми выживания, которые делятся на несколько базовых типов. Первый тип характерен для видов с высокой выживаемостью на протяжении большей части жизни и резким падением численности в преклонном возрасте; он свойственен человеку и некоторым насекомым, таким как дрозофилы, что во многом связано с развитой заботой о потомстве. Второй тип имеет ступенчатый характер, когда массовая гибель особей происходит при переходе от одной стадии развития к другой (например, от гусеницы к куколке у насекомых). Третий тип иллюстрирует массовую смертность на самых ранних этапах жизни (у рыб, земноводных, многих насекомых), когда выживают лишь единицы из тысяч потомков, но прошедшие критический барьер особи живут достаточно долго.
Способность организмов адаптироваться к изменениям окружающей среды называется экологической пластичностью. По степени этой пластичности виды делятся на стенобионтов и эврибионтов. Стенобионты узко специализированы и способны существовать только в строго определенных условиях; малейшее изменение среды приводит к их гибели или сокращению ареала. Эврибионты, к числу которых относится человек, обладают широкими границами выносливости и способны заселять разнообразные среды. Человек, кроме того, искусственно расширяет свою экологическую пластичность (эврибионтность) за счет применения технологий, строительства жилищ и создания одежды, что позволяет ему осваивать территории с изначально непригодными для него условиями.