Среды обитания организмов

В природе организмы освоили следующие основные среды обитания: водную, наземновоздушную, почву и сами организмы. Каждая из них обладает особыми свойствами с точки зрения обитания живых организмов.

Водная среда имеет ряд специфических свойств: плотность, перепады давления, относительно низкое содержание кислорода и т. д. Кроме того, она характеризуется солевым режимом, скоростью течения, содержанием различных взвешенных частиц.

Для организмов водной среды (гидробиоптов) большое значение имеют основные свойства этой среды, в частности ее плотность, кислородный, солевой, температурный и световой режимы. Так, плотность воды и ее градиент давления с глубиной определяет способы перемещения гидробионтов, хотя большинство обитателей водной среды являются достаточно стенобатными и приспособлены к определенным глубинам. Свободно дрейфующие в толще воды организмы составляют особую экологическую группу гидробиоптов — планктон, в составе которого одноклеточные и колониальные водоросли, простейшие, медузы, гребневики, моллюски, икра и мальки рыб и др. Гидробионтов, способных к быстрому плаванию и преодолению силы течений, объединяют в экологическую группу нектона — рыбы, кальмары, дельфины.

Верхние слои водной среды содержат больше кислорода, чем нижние. С повышением температуры и солености воды концентрация в ней кислорода понижается. В слоях, сильно заселенных животными и бактериями, создается резкий дефицит кислорода из-за усиленного его потребления. Среди водных обитателей есть виды, которые способны переносить колебания содержания кислорода, — эвриоксибионты (пресноводные олигохеты, брюхоногие моллюски). Например, очень слабое насыщение воды кислородом могут выдерживать сазан, линь, караси. Другие виды водных обитателей могут существовать лишь при достаточно большом насыщении воды кислородом. Это так называемые стеноксибионты (гольян, ресничный червь и др.).

Дыхание гидробионтов осуществляется либо через поверхность тела, либо через жабры, легкие, трахеи. Покровы отдельных гидробионтов служат дополнительным органом дыхания. Некоторые виды при недостатке кислорода активно изменяют величину дыхательной поверхности. У гидробионтов встречается комбинирование водного и воздушного дыхания (легочные моллюски и ракообразные).

Недостаток кислорода в воде может приводить к заморам, сопровождающимся гибелью множества гидробионтов.

Известно, что температурный режим водных объектов более устойчив, чем суши, что обусловлено высокой удельной теплоемкостью воды, вследствие чего приток или отдача определенного количества тепла не вызывает резких изменений температуры. Поэтому среди гидробионтов в значительно большей мере, чем среди живых организмов суши, распространена стенотермность, т. е. способность жить только при определенных температурах с небольшим диапазоном отклонений.

Света в водной среде намного меньше, чем в воздухе, так как часть падающих на водную поверхность солнечных лучей отражается. С глубиной количество света убывает, что связано с поглощением его водой. Лучи света с разной длиной волны поглощаются водной средой неодинаково. Сгущающиеся с глубиной сумерки в водной среде имеют сначала зеленый, а потом голубой, синий и сине-фиолетовый цвета, сменяясь в конечном итоге постоянным мраком. Соответственно сменяют друг друга с глубиной зеленые, бурые и красные водоросли, специализированные на улавливании света с разной длиной волны. Окраска животных меняется с глубиной с той же закономерностью.

Наземно-воздушная среда жизни организмов является самой сложной с экологической точки зрения, что связано с особенностью ее строения и состава. Так, низкая плотность воздуха обусловливает его малую подъемную силу и незначительную онорность, вследствие чего обитатели этой среды должны обладать собственной опорной системой, поддерживающей свое тело. Кроме того, обитатели воздушной среды однозначно связаны с поверхностью земли, служащей им основой для прикрепления и опоры, так как жизнь только во взвешенном состоянии невозможна.

Подвижность воздуха в нижних слоях атмосферы в вертикальном и горизонтальном положениях дает возможность пассивного полета ряда организмов.

Достаточно малая плотность воздуха обусловливает низкое давление на сушу, причем с увеличением высоты давление уменьшается. Следствием снижения давления является уменьшение обеспеченности кислородом и обезвоживание организмов за счет увеличения частоты дыхания. Однако наземные организмы более стенобатны (т.е. способны существовать в узкой зоне изменения давления), чем водные, вследствие того что естественные колебания давления в окружающей среде составляют доли атмосферы и даже для поднимающихся на большую высоту птиц не превышают третьей части от нормального.

Наряду с физическими свойствами воздушной среды, для жизни наземных организмов важную роль играет химический состав воздуха. Известно, что газовый состав приземного слоя атмосферы достаточно стабилен. Вместе с тем отдельные примеси газообразных, капельножидких и твердых частиц, попадающих в атмосферу из источников природного или техногенного характера, могут иметь существенное этологическое значение для организмов.

Условия жизни организмов в наземно-воздушной среде определяются еще и погодными колебаниями, происходящими у земной поверхности до высоты порядка 20 км. Перемена погоды влечет за собой изменение температуры и влажности воздуха, облачности, появление осадков, ветра.

Многолетний режим погоды определяет климат местности, зависящий от географического расположения района, что также отражается на способах и путях обитания живых организмов в воздушно-наземной среде.

Почва как среда обитания представляет собой достаточно рыхлый тонкий поверхностный слой суши, контактирующий непосредственно с воздушной средой и играющий важнейшую роль в жизни различных организмов. Так как почва пронизана полостями, заполненными смесью газов и водными растворами, в ней существуют разнообразные условия для жизни множества организмов. В почве содержится большое количество органических и минеральных веществ, поступающих от отмирающей растительности и трупов животных, что способствует большой насыщенности почвы организмами.

Установлено, что на 1 м² почвенного слоя находятся порядка 100 млрд клеток простейших, миллионы коловраток, десятки и сотни тысяч клещей и коллембол, тысячи других членистоногих, десятки и сотни дождевых червей, моллюсков и прочих беспозвоночных. Кроме того, почва содержит десятки и сотни миллионов бактерий, микроскопических грибов, актиномицетов и других микроорганизмов. Поэтому В. И. Вернадский назвал почву «биокосным телом природы», указывая тем самым насыщенность ее жизнью и неразрывную связь с ней.

Состав воздуха, находящегося в почве, достаточно изменчив. Так, с глубиной в нем снижается содержание кислорода, по возрастает концентрация углекислого газа. Колебания температуры значительны в основном на поверхности почвы, где они зачастую бывают даже сильнее, чем в приземном слое воздуха, а на глубине 1 — 1,5 м эти колебания практически не прослеживаются.

Несмотря на большую неоднородность экологических условий почвы, она является достаточно стабильной средой для различных организмов.

Организмы также могут служить средой обитания других живых существ, принципиально отличающейся по своим свойствам от внешней среды. Использование одними живыми организмами других в качестве среды своего обитания является достаточно широким в природе явлением.

Главным преимуществом таких организмов-паразитов является обильное снабжение их нищей за счет содержимого клеток, соков и тканей тела хозяина или содержимого его кишечника, что создает благоприятные условия для быстрого роста паразитов.

Другим, не менее значимым, преимуществом для обитателей живых организмов является их защищенность от воздействия неблагоприятных факторов внешней среды. Внутри хозяина сожители практически не встречаются с угрозой высыхания, колебаниями температур, изменениями солевого и водного режимов. Наибольшими экологическими препятствиями для паразитов служат ограниченность жизненного пространства и сложности снабжения кислородом. Часто паразиты сами становятся средой обитания других видов, т. е. возникает явление гииериаразитизма.

Много паразитов обитает не внутри, а на поверхности тела хозяина, который выступает лишь как часть внешней среды паразита, снабжая его пищей, предоставляя убежище, видоизменяя микроклимат.

Таким образом, паразиты обладают достаточно сложной системой приспособлений к своей среде обитания, поэтому их строение и организация отражают специфику этой среды.

Классификация экологических факторов

Жизнедеятельность отдельных организмов и устойчивость целых экологических систем напрямую зависят от относительного постоянства воздействующих на них экологических факторов. По отношению к экосистеме факторы подразделяются на внешние (экзогенные) и внутренние (эндогенные).

Внешние факторы действуют на организм и экологическую систему, а сами практически не подвержены их влиянию. В число таких факторов входят солнечная радиация, атмосферные осадки и давление, скорость ветра и др.

Внутренние факторы зависят от свойств данного организма или экосистемы и входят в их состав. Примерами таких факторов могут служить численность и биомасса популяций, объемное содержание различных химических элементов, характеристики воды и почвы и др.

Существует также классификация экологических факторов (рис. 1.3) по признаку подразделения на неживую (абиотические) и живую (биотические) природу; при этом отдельно выделяются факторы, связанные с воздействием человека (антропогенные).

Рис. 13. Классификация экологических факторов.

Абиотические факторы представляют собой факторы неживой природы и включают три группы.

Климатические факторы — наиболее важны для жизни животных и растений. К ним относятся солнечная энергия, температура, влажность, движение воздуха, атмосферное давление и др.

Солнечная энергия поступает в виде электромагнитных волн. Спектр солнечных лучей включает видимую часть (48%), инфракрасные лучи (45%) и ультрафиолетовые лучи (7%), различающиеся по биологическому действию. Видимые лучи особенно важны для живых организмов — они создают условия для осуществления процесса фотосинтеза, влияют на деление клеток, процессы роста и развития растений, определяют сроки их цветения и плодоношения. Живые организмы физиологически приспособлены к циклическому характеру светового воздействия — смене дня и ночи. По отношению к условиям освещения растения подразделяются на светолюбивые, тенелюбивые и теневыносливые. Для большинства животных свет является необходимым условием ориентации в пространстве. Практически у всех животных существуют суточные ритмы активности (дневные, ночные).

Инфракрасные лучи являются важным источником внутренней энергии организмов и воспринимаются как тепло. Ультрафиолетовое излучение участвует в процессах фотосинтеза. В больших дозах оно оказывает губительное действие на живые клетки.

Температура напрямую связана с солнечной энергией. Критические температуры для различных растений и животных варьируются чрезвычайно широко. Температурные колебания (суточные, сезонные) вызывают приспособительные реакции у животных и растений.

Влажность для живых организмов — необходимое условие жизни. Влага входит в состав их клеток и тканей. Наземные организмы адаптируются к дефициту влажности, но часто он ограничивает их жизнедеятельность. Анализ динамики дефицита влажности за длительные периоды позволяет прогнозировать различные явления в животном и растительном мире, что имеет особое значение для сельского хозяйства. Высокая влажность атмосферного воздуха вызывает образование осадков, которые с помощью ветра переносят загрязняющие вещества в пространстве.

Эдафические факторы определяют физико-механические особенности почвы. Они включают механический состав, плотность, влагоемкость, воздухопроницаемость почвы. Почва обеспечивает водоснабжение и минеральное питание организмов. Важнейшим ее свойством является плодородие, зависящее от наличия слоя гумуса — верхнего горизонта почвы. В гумусе содержатся важнейшие элементы питания растений: азот, фосфор, сера, калий и др. Больше всего гумуса в черноземах — 9—12, иногда до 30%.

Механический состав является важнейшим физическим свойством почвы, по которому выделяют ее типы — песок, супесь, суглинок и глину. От механического состава зависят плотность, воздухопроницаемость и водный режим почвы. Физико-механические показатели почвы определяют специфику передвижения, условия обитания животных и произрастания растений.

Химические факторы учитывают химические компоненты среды и включают газовый состав атмосферы, солевой состав воды, кислотность воды и почвы.

Газовый состав атмосферы по своим химическим особенностям имеет первостепенное значение для существования живых организмов. Кислород обеспечивает процессы дыхания и окисления, но ввиду высокого содержания в воздухе он не является лимитирующим фактором развития биосферы. Азот играет роль важнейшего биогенного элемента, участвующего в образовании белковых структур организмов. Углекислый газ удерживает тепло у поверхности Земли, его недостаток тормозит процессы фотосинтеза, но в избыточных количествах он вызывает интоксикацию растений.

Для обитателей водной среды одним из основных факторов является солевой состав воды. Он определяется наличием растворенных карбонатов, сульфатов, хлоридов. Пресная вода содержит в основном карбонаты, причем в небольшом количестве. В морских водах растворены в основном хлориды и частично сульфаты. Океаническая вода имеет концентрацию солей в среднем 35 г/л. Водные организмы приспособились к определенному солевому режиму и при отклонениях перемещаются в поисках благоприятной среды. Количество видов, способных существовать как в пресной, так и соленой воде, очень ограничено.

Воды и почвы имеют различную кислотность, выражаемую величиной pH и зависящую от концентрации ионов водорода. Для чистой воды кислотность равна 7, что соответствует нейтральной реакции, при pH 7 — щелочной. Весь диапазон кислотности — щелочности составляет от 0 (соляная кислота) до 14 (техническая сода). Кровь человека имеет показатель pH, равный 7. Уменьшение pH на одну единицу означает увеличение кислотности в 10 раз, на две единицы — в 100 раз и т. д. Изменение кислотности влечет за собой гибель организмов или, что случается реже, замещение одних видов другими.

Биотические факторы представляют факторы живой природы. Их источником служит прямое и опосредованное воздействие живых организмов друг на друга и на среду обитания. В составе биотических факторов выделяют три группы — фитогенные, зоогенные и микробиогенные.

Фитогенные факторы учитывают влияние на живые существа со стороны растений, которые вырабатывают первичное органическое вещество — основу питания всех организмов. Фотосинтез растений является главным источником кислорода в атмосфере Земли. В результате растения обеспечивают возможность дыхания для миллиардов живых существ, включая людей. Один человек за 70—80 лет жизни потребляет несколько десятков тонн кислорода.

Поглощение и испарение воды наземными растениями влияет на водный режим их местообитания и на климат в целом. Одно только дерево березы испаряет в день до 100 л воды. Растительность, особенно лесная, создает особый микроклимат, смягчающий условия существования многих живых организмов. Растения увлажняют воздух, задерживают движение ветра, выравнивают тепловой режим, снижают уровень грунтовых вод в зоне их произрастания, задерживают осадки, предотвращают эрозию почвы. Сбрасывая листву, растительность способствует образованию почвы.

Зоогенные факторы связаны с воздействием многоклеточных животных на живую природу. Специалисты утверждают, что если бы многоклеточные животные вдруг исчезли из биосферы, жизнь стала бы возможна только в непосредственной близости от водоемов и в самих водоемах.

Зоогенные факторы определяют также типы взаимоотношений между животными. Формами сосуществования организмов являются хищничество, паразитизм, комменсализм (сотрапезничество), мутуализм (способность одних видов развиваться только в присутствии других), протокооперация (совместное гнездование птиц) и нр. Все многообразие взаимоотношений организмов может быть подразделено на антагонистические и неантагонистические. Антагонистические взаимоотношения предполагают, что один организм подавляет другой, неантагонистические — независимое сосуществование видов, поскольку каждый вид обладает своей собственной экологической нишей.

Микробитенные факторы представляют собой воздействие вирусов, простейших, микроскопических грибов и водорослей, бактерий на живые организмы. Роль микроорганизмов в развитии нашего мира невозможно переоценить — они участвуют в жизненно важных процессах в биосфере, таких как формирование газового состава атмосферы и плодородия почв, образование грунтовых вод и полезных ископаемых, обеспечение механизма самоочищения планеты. Простейшие организмы служат пищей для более сложных живых организмов. Они играют большую роль в кругообороте веществ в природе.

В частности, роль бактерий заключается в разложении отмерших организмов и возвращении исходных элементов в окружающую среду. Значительная часть этой работы происходит в пищеварительных трактах многоклеточных животных. Второе назначение бактерий состоит в вовлечении в кругооборот новых порций минеральных веществ. Например, определенные виды бактерий способны фиксировать азот атмосферы.

В человеческом организме обитают мириады микробов. Эта микрофлора определяет микроэкологию всего человеческого организма, участвует в активации иммунной системы, детоксикации вредных веществ, синтезирует многие жизненно необходимые продукты и т. д.

Вирусы (от лат. virus — яд) — самые мелкие и простые доклеточные живые существа. Вирусы настолько малы, что их называют фильтрующимися, так как они проходят сквозь любые фильтры, задерживающие даже бактерии, которые в среднем раз в 50 крупнее. Большинство вирусов можно увидеть только в электронный микроскоп с рекордным разрешением.

Вирусы — это мельчайшие возбудители инфекционных заболеваний человека, животных, растений и бактерий. Они являются внутриклеточными паразитами. Вирусные инфекционные болезни широко распространены. В результате их воздействия люди болеют гриппом, корью, свинкой, полиомиелитом, бешенством, СПИДом, оспой и т. д. Возникают все новые инфекции, поражающие человека. Причем вирусы более опасны в этом отношении, чем бактерии, против которых есть антибиотики. Средств для лечения вирусных инфекций почти нет. Животные и растения, в том числе домашние, тоже страдают (и нередко погибают) от вирусных заболеваний.