Вторая закономерность — неоднозначность действия фактора на разные функции организма

Один и тот же фактор оказывает различное влияние на функции организма. Так, температура воздуха от +40 до +50°С у холоднокровных животных сильно увеличивает скорость обменных процессов, но тормозит двигательную активность, и животные впадают в тепловое оцепенение, т. е., несмотря на активные обменные процессы, состояние комфорта при повышении температуры окружающей среды не достигнуто.

Яркий пример положительного и отрицательного действия одного и того же фактора на организм — разные температурные требования многих рыб во время созревания икры и молоки (для этих двух процессов нужна разная температура).

Еще пример — изменение температурных требований многих животных и птиц в соответствии с сезонными изменениями природы. Бурый медведь спит при одной температуре, а для активных действий, поиска пищи, размножения нужна другая температура.

Третья закономерность — взаимодействие факторов на организм.

Факторы окружающей среды действуют не каждый в отдельности, а взаимно (табл. 1). Взаимодействие различных факторов окружающей среды заключается в том, что изменение интенсивности одного из них может сузить предел выносливости к другому фактору или, наоборот, увеличить его. Например, оптимальная температура повышает выносливость к недостатку влаги и пищи. Другой пример: жара переносится легче, если воздух не влажный, а сухой. Сильный мороз без ветра человеком или животным переносится легче, в ветреную же погоду при сильном морозе очень велика вероятность обморожения.

Таблица 1

Взаимодействие факторов.

Примечание. Ощущения организмов одинаковы при разной комбинации трех факторов.

Таким образом, температурный фактор тесно связан с фактором влажности, и действие одного можно компенсировать действием друтого. Например, увядание растений от жары можно предотвратить усиленным поливом. Это важно учитывать в сельскохозяйственной и медицинской практике. Для создания комфортных условий в жарких странах используют вентиляторы или кондиционеры.

Четвертая закономерность — правило ограничивающего (лимитирующего) фактора. Способность вида к воспроизводству особей, распространению и конкуренции не беспредельна и ограничивается тем фактором, который сильнее всего отклоняется в ту или иную сторону от оптимума. И если действие одного из факторов выходит за критические точки — пределы выносливости (рис. 1), то существование вида становится невозможным. Такой фактор и называют ограничивающим. Ограничивающие факторы среды определяют географический ареал вида.

Примеры ограничивающих факторов:

• 1) недостаток тепла препятствует распространению некоторых видов плодовых растений на север (персик, грецкий орех);
• 2) недостаток влаги или высокие температуры не позволяют распространяться организмам на юг, поэтому бывают виды теплои холодолюбивые (слон и белый медведь), влагои сухолюбивые (липа и саксаул);
• 3) среди биотических ограничивающих факторов можно назвать занятость территории другим видом, более сильным конкурентом или хищником; например, птицы своим пением дают сигнал о том, что территория занята и другие должны искать новое место для гнезда;
• 4) возможность культивирования средиземноморского вида инжира в Калифорнии связана с опылителем — единственным видом насекомого — осой Blastophaga psen. es; таким образом, фактором, ограничивающим распространение средиземноморского вида инжира, является оса;
• 5) на острове Диксон, где нет шмелей, не растут и бобовые; шмели — ограничивающий фактор для распространения бобовых на север;
• 6) многие виды растений не выносят кислых почв; устранив этот фактор, мы добьемся повышения урожая и плодоношения; кислые почвы не годны для возделывания пшеницы, а из плодовых растений — вишни и т. д.;
• 7) для ручьевой форели ограничивающим фактором будет концентрация кислорода в воде. При концентрации 2 мг/л происходят все процессы жизнедеятельности, а при концентрации 1,6 мг/л она гибнет.

Итак, действие разных факторов среды на живые организмы различно по времени, природе (атмосферные, водные, физиологические) и силе воздействия (летальный, экстремальный, ограничивающий и беспокоящий факторы).

Различна и ответная реакция организмов на действие разных по силе, длительности и природе факторов.

Но во всех случаях ответная реакция организма носит приспособительный характер. Такие приспособительные реакции организма называются адаптацией.

Вслед за изменившимися условиями среды происходят внутренние, а затем и внешние изменения, обеспечивающие организмам наиболее благоприятные возможности роста, развития и размножения. Этот путь приспособительных изменений отметил и обобщил Ч. Дарвин, построив на основании огромного фактического материала свою эволюционную теорию, опубликованную в 1859 г.

Наиболее важные положения эволюционной теории Ч. Дарвина могут быть сведены к четырем основным тезисам.

Все организмы изменчивы — это первое положение эволюционной теории Ч. Дарвина, которая объясняла, почему и как достигается соответствие между организмами и средой их обитания.

Кроме того, что организмы изменчивы, они индивидуальны. Это значит, что не существует двух абсолютно тождественных собак, даже если они одной породы, кроликов, волков, ящериц и даже близнецов. Природа — великий творец, и каждый организм она создает заново. Абсолютно тождественными могут быть только роботы, машины, приборы и т. д.

В основе индивидуальности лежит индивидуальный набор генов организма, который образует геном — нить ДНК, состоящую из набора нуклеотидных пар с многочисленным количеством вариантов. В настоящее время методами генной инженерии можно расшифровать генетическую структуру любого организма и «засечь» те изменения, которые сопровождают изменения среды и отражаются на структуре ДНК.

Во времена Ч. Дарвина методы биологии были еще очень далеки от современных, чтобы подтвердить эволюционную теорию на генетическом уровне. Ученый основывался лишь на огромном фактическом материале (многочисленные наблюдения, рисунки, измерения разных видов животных и растений, проживающих в различных географических поясах и климатических зонах).

Различия, приобретенные организмами, хотя бы частично передаются по наследству — это второе положение теории Ч. Дарвина. Сейчас мы знаем, что основа этого положения также заложена в геноме каждого организма, так как генный материал — основа наследственности. Если изменения затронули гены, эти изменения передаются следующему поколению.

Борьба за существование и естественный отбор в природе — это третье положение теории Ч. Дарвина. Теоретически при благоприятных условиях любые организмы могут размножаться столь интенсивно, что в состоянии заполнить всю Землю, но этого не случается, так как в процессе развития многие особи погибают, выживают только сильнейшие. Все организмы борются за ресурсы среды (свет, питательные вещества), укрытия и жилища, самцы борются за самку. В результате выживают и оставляют потомство наиболее приспособленные особи — слабые и плохо приспособленные погибают. Из поколения в поколение происходит отбор лучших форм природы.

Распространенность и численность вида зависят от количества оставляемого потомства — это четвертое положение теории Ч. Дарвина. Естественно, что общая численность каждого вида зависит от того, насколько интенсивно происходит прирост количества особей за счет размножения и появления молодых. Возрастающая численность особей сопровождается распространением вида на все большие территории.

Приведем примеры соответствия организмов среде обитания, достигнутого в ходе эволюции: пушные звери белого цвета обитают в снежных пустынях Арктики; обтекаемая, сплюснутая форма рыб характерна для них как обитателей морских глубин. Два глаза с одной стороны у камбалы — свойство, приобретенное в результате придонного образа жизни. На черном свежевспаханном поле весной мы встретим черного грача. Посмотрим на лягушку — казалось бы, как несовершенно ее тело. Как тяжело и неуклюже прыгает она на суше и в траве! Как же могла эволюция допустить существование такого беззащитного существа? Оказывается, не так уж доступна всем ветрам и невзгодам лягушачья кожа — в ней содержится бактерицидный фермент, подобный антибиотикам, который позволяет бороться с инфекцией, попавшей на эту непрочную «беззащитную» кожу.

Итак, в результате эволюции достигается соответствие между организмами и характерной для них средой обитания. Это проявляется в сходстве строения и образа жизни организмов, обитающих в сходных условиях, если даже эти организмы принадлежат к разным ветвям эволюционного древа. Если, например, мы сравним внешний вид морских животных разных классов — рыбы акулы, птицы пингвина, млекопитающего дельфина, то поразимся их внешнему сходству, которое появилось вследствие обитания в водной среде. Такой пример эволюционного пути, когда общими свойствами наделены эволюционно далекие организмы, называется конвергентной эволюцией.

Внешнее сходство разных организмов может быть достигнуто и другим эволюционным путем — путем параллельной эволюции. Примером может служить сходство плацентарных животных, живущих на материке, и сумчатых животных Австралии: они имеют общих предков, но, так как Австралия отделилась от материка очень давно, эволюционное развитие ее животного мира шло независимо; тем не менее эволюционный путь имел общий результат: достигнуто внешнее сходство материкового волка с сумчатым волком Австралии, древесного летуна летяги с сумчатой летягой, плацентарного и сумчатого муравьедов, обыкновенного и сумчатого кротов.

Среда обитания — одно из ключевых понятий экологии. Факторы среды обитания: абиотические, биотические и антропогенные. При оценке влияния факторов среды на живые организмы важным оказывается интенсивность их действия: в благоприятных условиях говорят об оптимальном, а при избытке или недостатке — ограничивающем действии факторов среды (пределы выносливости). В ходе эволюции и при воздействии меняющихся факторов среды живая природа достигла большого разнообразия. Но процесс не прекратился: меняются природные условия, организмы приспосабливаются к изменившимся условиям окружающей среды. Эта способность организмов адаптироваться к изменению среды является важнейшим экологическим свойством, обеспечивающим соответствие между существами и средой их обитания.

Вопросы и задания для самоконтроля

• 1. Дайте определение понятия среда обитания организмов, перечислите основные типы среды обитания.
• 2. Перечислите факторы среды обитания, приведите примеры.
• 3. Сформулируйте закон оптимума, приведите примеры.
• 4. Охарактеризуйте максимум, минимум и оптимум воздействия фактора.
• 5. Объясните правило ограничивающего (лимитирующего) фактора.
• 6. Приведите примеры постоянно действующих и переменных факторов среды.
• 7. Сформулируйте четыре основные закономерности действия факторов среды обитания.