Экологические факторы и экологические адаптации

Важную роль в природопользовании и природообустройстве играют экологические факторы. Именно экологические факторы, в том числе и антропогенного происхождения, оказывают воздействие на живые организмы и тем самым изменяют биотическую составляющую экосистемы — биоценоз.

Экологическим фактором называют любой элемент окружающей среды, воздействующий на живые организмы. В ответ на это воздействие организмы проявляют приспособительные реакции, позволяющие сохранить жизнь. Классифицировать экологические факторы можно по различным признакам (рис. 1.1 и 1.2).

Рис. 1.1. Классификация экологических факторов по происхождению.

Как очевидно из рис. 1.1, по признаку «происхождение» экологические факторы подразделяются на две большие группы — факторы естественного происхождения и антропогенные факторы. На протяжении большей части истории биосферы основную роль в жизни всех биологических видов играли экологические факторы естественного происхождения, связанные с падением метеоритов, изменением солнечной активности, землетрясениями и пр. Указанные воздействия порой приводили к почти полному исчезновению жизни на нашей планете, к смене состава доминирующей флоры и фауны.

Лишь в последние несколько тысячелетий стала заметной роль человеческого фактора в формировании экологической обстановки на планете. Например, считается, что существенную роль в исчезновении мамонтов как биологического вида помимо климатических факторов сыграл и первобытный человек. Однако наибольшее влияние на флору и фауну человечество оказывает лишь с конца XIX в.: именно в это время его численность приблизилась к одному миллиарду, что сделало антропогенное воздействие заметным в глобальном масштабе. Основным видом антропогенного воздействия является загрязнение окружающей среды. Под загрязнением понимают вещества или явления, чуждые окружающей среде или присутствующие в ней в аномальных количествах или аномальное время. По своей природе загрязнение подразделяется на следующие виды (см. рис. 1.1):

• • химическое — проникновение в окружающую среду веществ, чуждых ей, или присутствие в ней химических соединений в количествах, не свойственных в нормальных условиях;
• • физическое — искусственное изменение физических параметров окружающей среды до уровней, не свойственных для нормальных условий среды обитания. Сюда можно отнести тепловое, шумовое, радиоактивное и прочие виды физических воздействий;
• • биологическое — внесение в окружающую среду организмов, которые не свойственны той или иной экосистеме. Примером может служить вселение кроликов в Австралию в начале XX столетия, завоз в Европу колорадского жука из Америки.

Более подробно вопросы, связанные с загрязнением окружающей среды, будут рассмотрены в параграфе 7.1.

Масштабы загрязнения напрямую связаны с численностью народонаселения, так как каждый человек нуждается в определенном количестве материальных благ, в процессе создания которых неизбежно образуются загрязнителя окружающей среды. Увеличение численности народонаселения требует вовлечения в хозяйственный оборот дополнительных территорий. В процессе хозяйственного освоения такие территории зачастую подвергаются необратимой трансформации и не могут более служить мостом обитания многих растений и животных. Примером такого разрушения естественных мест обитания может служить распашка в 1950—1960;х гг. целинных земель. Помимо всего прочего это привело к резкому сокращению популяций степных птиц, которые не могли успешно выводить птенцов при отсутствии травяного покрова на обширных площадях.

В 1960;х гг. численность мирового народонаселения достигла 3 млрд человек, антропогенное воздействие на биосферу стало превышать восстановительные способности естественных экосистем. Это проявилось в перерастании локальных антропогенных экологических кризисов в кризисы региональных и даже глобальных масштабов. Именно это сделало очевидным тот факт, что 3 млрд человек является максимальной безопасной для биосферы численностью народонаселения на нашей планете. При такой численности народонаселения биосфера еще может самостоятельно справиться с сопутствующей антропогенной нагрузкой и может сохранять гомеостаз без каких-либо активных природоохранных действий со стороны человека. В результате именно в те годы в отдельное направление экологии выделилась наука под названием «охрана окружающей среды», призванная искать пути для снижения интенсивности воздействия антропогенных экологических факторов при одновременном обеспечении удовлетворения растущих потребностей человечества в природных ресурсах.

Рис. 1.2. Классификация экологических факторов по природе.

Как очевидно из рис. 1.2, по своей природе экологические факторы могут быть подразделены на абиотические и биотические. Под абиотическими экологическими факторами понимают экологические факторы, действие которых не связано с деятельностью других живых организмов. К таким факторам относятся, например, температура, атмосферное давление, осадки, ветер. Воздействие этих факторов на живые организмы имеет значение для природопользования, так как может существенно влиять на продуктивность естественных экосистем, на их восстановительную способность и, следовательно, на допустимый уровень безопасной интенсивности эксплуатации человеком соответствующих природных биотических сообществ. Например, одними из наиболее уязвимых типов экосистем с точки зрения внешнего дестабилизирующего воздействия в том числе и антропогенной природы являются экосистемы севера, где даже незначительное воздействие приводит к повреждениям, на восстановление которых требуется порой несколько десятилетий. Так, следы гусеничной техники в тундре могут оставаться заметными в течение 50 лет.

Биотические экологические факторы проявляются в виде воздействия одних организмов на другие. Эти процессы называются взаимодействиями. Взаимодействия могут быть гомотопическими и гетеротипическими. Гомотипические взаимодействия — это взаимодействия между особями одного биологического вида. Примером может быть внутривидовая конкуренция за ресурсы среды, в частности борьба за кормовую территорию. Гетеротипические взаимодействия — это взаимодействия между особями различных биологических видов. Примером служат взаимодействия по типу «хищник — жертва» и «хозяин — паразит». Биотические взаимодействия могут приводить к колебаниям численности животных и растений, а значит, к изменению значения природно-ресурсного потенциала и, как следствие, к изменению режима природопользования. Пример такого влияния — вспышки численности водорослей динофлагеллят (так называемые красные приливы), многие виды которых способны синтезировать сильные токсины. Эти токсины приводят к массовой гибели рыбы и других обитателей океана, и соответственно, к существенному экономическому ущербу, в том числе и для рыбной отрасли.

В процессе эволюции организмы приобрели способность приспосабливаться к действию экологических факторов. Все эти приспособления получили название «экологические адаптации». Экологические адаптации — это наследственно закрепленные особенности, обеспечивающие выживание организмов в данных экологических условиях. Благодаря таким адаптациям организмы более комфортно чувствуют себя в текущих параметрах окружающей среды, а следовательно, проявляют на популяционном уровне большее значение биотического потенциала. В свою очередь, увеличение биопотенциала популяции позволяет реализовать более интенсивный режим природопользования без опасности дестабилизации основных параметров популяции.

Все экологические адаптации можно классифицировать на три разновидности: анатомо-морфологические, поведенческие и физиологические.

К анатомо-морфологическим относятся адаптации, связанные с изменениями во внутреннем строении и внешнем облике организмов, возникающими под действием экологических факторов. В качестве примеров таких адаптаций можно назвать так называемые правила.

• 1. Правило Бергмана. В пределах одного или нескольких близкородственных видов более крупные особи встречаются в регионах с более холодным климатом. Эта особенность проявляется как приспособительная реакция, обеспечивающая выживание особей в более суровых климатических условиях. Организмы более крупных размеров имеют менее интенсивный теплообмен с окружающей средой, так как при увеличении размеров организма объем тела растет быстрее, чем площадь поверхности, через которую и происходит теплообмен с окружающей средой. Это позволяет крупным организмам более эффективно осуществлять терморегуляцию в условиях холодного климата. Примером такой адаптации могут служить белые и бурые медведи. Как известно, белые медведи существенно превосходят бурых по размеру, что позволяет им чувствовать себя комфортно в условиях низких температур Арктики. Тем не менее из-за глобального потепления существование белых медведей как биологического вида находится под угрозой. Это в первую очередь связано с таянием льдов в Северном Ледовитом океане. Белые медведи, как известно, могут эффективно добывать пищу лишь при наличии ледового покрова. Из-за отсутствия льда они вынуждены голодать по несколько месяцев в году, что приводит к опасному сокращению их численности. Аналогично волки, живущие в северных регионах, всегда крупнее подвидов из южных регионов; тигры, обитающие на Дальнем Востоке, крупнее тигров Индонезии.
• 2. Правило мехового покрова. У млекопитающих, обитающих в холодных регионах, мех, как правило, гуще, чем у млекопитающих теплых климатических зон.
• 3. Правило Глогера. Близкородственные виды теплокровных, обитающие во влажном тропическом климате, как правило, имеют более яркую окраску мехового покрова по сравнению с обитающими в сухом континентальном климате. Этот вид адаптаций во многом связан с необходимостью маскировки. В связи с особенностями растительного покрова влажных тропических регионов необходима более яркая окраска меха, позволяющая эффективней маскироваться. Например, тигр, обитающий в условиях Уссурийской тайги, имеет менее яркую окраску, по сравнению с бенгальским тигром, обитающим в джунглях полуострова Индостан. Многие виды степных птиц, по сравнению с близкими видами из тропических и субтропических лесов, по окраске менее яркие.
• 4. Правило Алена. Среди близкородственных видов теплокровных животных придатки тела короче у особей, живущих в более холодном климате. Эта адаптация во многом связана с особенностями теплообмена. Более длинные конечности способствуют более интенсивному теплообмену с окружающей средой, что в условиях жаркого климата облегчает терморегуляцию. Примером действия правила Алена может служить сравнение двух видов лисиц — лисицы фенек (Vulpes zerda) и лисицы обыкновенной (.Vulpes vulpes). Фенек обитает в пустынях Северной Африки в условиях сухого жаркого климата. Это привело к увеличению ушей, которые в данном случае способствуют оптимизации процесса терморегуляции. Лисица обыкновенная, живущая северней, не обладает такими особенностями, так как в условиях холодного климата это может привести к отмерзанию конечностей.
• 5. Меланизм. Изменение окраски наружных покровов у животных, как правило, приводит к появлению особей с более темной окраской. Если подобное изменение оказывается полезным для выживания, то признак закрепляется в ходе естественного отбора. Примером меланизма может быть проявление более темной окраски у представителей семейства кошачьих, обитающих в тенистых лесах на территории Малайзии. Такая окраска позволяет этим хищникам охотиться более эффективно и способствует процветанию вида в целом. Одна из форм меланизма — индустриальный меланизм, проявляется в условиях промышленного загрязнения, а также из-за особенностей обитания на хозяйственно освоенных территориях. Примером такого эффекта может служить преобладание более темной окраски меха у кошек, живущих в городах. Бабочки, обитающие в промышленных районах, также темнее особей того же биологического вида, живущих в отсутствие загрязнения. Это объясняется более темным фоном окружающего ландшафта на промышленно освоенных территориях, что вызвано выбросами твердых аэрозолей и последующим их оседанием на элементы ландшафта. В результате насекомые более темной окраски становятся менее заметными, а их выживаемость выше, по сравнению с более светлыми особями. Иногда в условиях промышленного загрязнения индустриальный меланизм проявляется и при возникновении светлого фона окружающего ландшафта. В таком случае особи с более светлой окраской наружных покровов преобладают по сравнению с особями того же биологического вида обычной окраски. Такие изменения можно наблюдать у насекомых, обитающих вблизи с цементным производством, где периодически происходят выбросы цементной пыли (в качестве примера приведем ситуацию 1990;х гг. в окрестностях цементного завода в Сланцевском районе Ленинградской области, где в большом количестве обитали бабочки с аномально светлой окраской крыльев).

Теоретически анатомо-морфологические адаптации могут оказывать влияние на природопользование в сфере растительного и животного мира. Так, например, в условиях Ленинградской области с начала XXI в. наблюдается снижение качества охотничьих ресурсов. Прежде всего это затронуло некоторых представителей млекопитающих, добываемых ради меха. Лисица обыкновенная, всегда один из основных объектов зимней охоты в Ленинградской области, теперь не столь желанный трофей охотников из-за снижения качества меха. Произошла своего рода отрицательная селекция. В первую очередь обстреливались особи, имевшие более качественный мех. В результате популяция лисиц в Ленинградской области изменилась, и теперь подавляющее большинство особей лисицы обыкновенной имеют невзрачный мех, не обладающий высокими эстетическими качествами.

Физиологические адаптации вызваны изменениями физиологических процессов, связанными с воздействием на организм экологических факторов. Примерами физиологических адаптаций в дикой природе служат явления зимнего анабиоза у животных и растений, способность быстро накапливать воду и питательные вещества в форме жира у верблюдов, смена мехового покрова в ходе линьки у млекопитающих. Эти адаптации зачастую оказывают существенное влияние на режим пользования объектами растительного и животного мира. К примеру, древесина, заготовленная в зимний период, имеет более высокое качество по сравнению с древесиной летней заготовки, благодаря более низкому уровню влажности: осенью перед наступлением холодов деревья избавляются от большей части влаги, чтобы пережить период низких температур без повреждения тканей вследствие расширения капиллярной влаги при ее замерзании. В результате получаемые из зимней древесины пиломатериалы отличаются более высокими технологическими параметрами.

Линька пушных зверей определяет сроки проведения сезонной охоты на представителей таких биологических видов. На большинство млекопитающих, имеющих ценный мех, в период линьки охота закрыта из-за того, что мех в такой период становится менее ценным (охота осуществляется преимущественно в зимний период).

В определенной степени одной из разновидностей физиологических адаптаций можно считать так называемые биохимические адаптации. Эти адаптации, как следует из самого названия, сводятся к изменениям биохимических процессов в живых организмах, с целью обеспечить их выживание под воздействием экологических факторов. К биохимическим адаптациям можно отнести развитие у многих пресмыкающихся ядовитых желез, позволяющих эффективнее охотиться и защищаться. В результате яд многих живых организмов служит основой для создания высокоэффективных лекарственных препаратов. Также примером подобного рода адаптаций можно считать тот факт, что многие насекомые довольно быстро адаптируются к действию ядохимикатов. Этот процесс во многом связан с высокой скоростью размножения насекомых. Вследствие этого насекомые обладают сравнительно коротким жизненным циклом, и если в ходе обработки ядохимикатом уничтожаются не все особи вредителя, то каждое следующее поколение обладает более высокой устойчивостью к ядохимикатам по сравнению с предыдущим. Таким образом, в сельском хозяйстве постоянно приходится увеличивать дозы ядохимикатов и изобретать все новые средства борьбы с вредителями.

Поведенческие адаптации проявляются в самых разнообразных формах. Это могут быть и сезонные миграции, и строительство разнообразных убежищ, и изменение позы, позволяющее пережить кратковременное понижение температур, и коллективный способ охоты у волков и т. д. Поведенческие адаптации порой могут быть весьма вредны с хозяйственной точки зрения. Например, строительство бобрами плотин на малых реках и ручьях может представлять серьезную опасность для транспортной инфраструктуры. Нередки случаи, когда бобры устраивают свои плотины непосредственно в трубах под дорогами, что может приводить к размыву дорожного полотна и даже к полному разрушению отдельных участков дороги. Подъем уровня грунтовых вод вокруг водотоков, перегороженных бобрами, может вызывать гибель обширных участков лесонасаждений вследствие подтопления корневых систем деревьев. Древесина, в большом количестве попадающая в водоем из-за деятельности бобров, может существенно снизить концентрацию кислорода в воде и, как следствие, массовой гибели рыбы. В результате снижается значение природно-ресурсного потенциала рассматриваемой территории. Сезонные миграции птиц также могут быть хозяйственно значимы. Известен пример, когда зимующие в Италии российские скворцы доставляли определенные трудности жителям Рима. Дело в том, что в Риме, как и в любом другом крупном городе, температура воздуха в зимние месяцы на 1—2° выше, чем в окружающей сельской местности. Птицы весьма чувствительны к температуре, и указанные различия для них существенны. Поэтому основное количество российских скворцов не распределялось равномерно по территории Апеннинского полуострова, а концентрировалось на территории Рима.