Закономерности действия факторов среды на организмы
Наша планета вместе с ее обитателями является открытой системой: она открыта всем космическим ветрам и обменивается с космосом веществом и энергией. Земля постоянно теряет атмосферу, на нее падают метеориты и космическая пыль. Многие явления в биосфере тесно связаны с активностью Солнца. Всё больше накапливается данных, свидетельствующих о том, что резкое увеличение численности отдельных видов или популяций связано с изменениями солнечной активности. Выдвигаются теории, что Солнце влияет на изменения в недрах планеты, а также на социальную активность людей. Чтобы понять эти процессы, следует усвоить общие закономерности воздействия факторов среды на организмы.
Чаще всего «экологические» проблемы, в бытовом понимании, случаются тогда, когда люди неосознанно пренебрегают законами природы, или «экологическими законами». Эти законы отражают всевозможные воздействия факторов среды на деятельность того или иного организма.
Факторов великое множество, и разные виды реагируют на них по-разному. Однако можно выявить общие закономерности воздействия факторов среды на организмы.
Закон оптимума (от лат. «оптимум», что означает «наилучшее») – любой экологический фактор имеет определенные пределы положительного влияния на живые организмы. Этот закон отражает силу воздействия фактора. Есть определенные границы действия каждого фактора, в пределах которых жизнеспособность организмов возрастает, – это и есть зона оптимума.
При отклонении силы воздействия фактора от данной зоны в сторону уменьшения или увеличения жизнеспособность организмов падает – это зоны угнетения, или пессимума (от лат. «пессимус» – «очень плохой»).
Если действия фактора выходят за определенные минимально или максимально возможные для вида пределы – организмы погибают. Губительные значения и факторы называют критической точкой.
Закон оптимума имеет большое практическое значение: не существует всецело положительных или отрицательных факторов – всё зависит от меры их проявления.
Все формы влияния среды на организмы имеют сугубо количественные выражения.
Чтобы управлять жизнедеятельностью вида, следует, прежде всего, не допускать выхода разных экологических факторов за их критические значения и стараться выдерживать зону оптимума.
Это очень важно для растениеводства и животноводства, лесного хозяйства и вообще всех областей взаимоотношений человека с живой природой. Это же правило относится и к самому человеку, к примеру, в области медицины.
Использование закона оптимума осложняется тем, что для разных видов оптимальные проявления факторов могут быть различны. То, что хорошо для одного вида, может быть пессимумом или выходить за критические точки для другого. Например, при температуре +20 °С тропическая обезьяна дрожит от холода, а северный обитатель – песец – изнывает от жары. Бабочки – зимние пяденицы – еще порхают в ноябре при температуре +6 °С, когда большинство других насекомых впадают в оцепенение. Рис выращивают на полях, залитых водой, а пшеница в таких условиях вымокает и погибает. Однако совсем без воды она тоже не может.
Закон экологической индивидуальности видов гласит, что в природе не существует двух одинаковых видов, которые полностью совпадают по критическим точкам и оптимумам в отношении определенного набора природных факторов. То есть, если в устойчивости к определенному фактору эти два вида совпадают, они обязательно разойдутся по какому-то другому фактору.
Незнание закона экологической индивидуальности видов, например, в сельскохозяйственном производстве, может привести к гибели организмов при неправильном использовании минеральных или органических удобрений и ядохимикатов.
Эти вещества часто вносят в избыточных количествах, не считаясь с индивидуальными потребностями растений.
Закон ограничивающего фактора тесно связан с законом оптимума, более того, он вытекает из него: в окружающей среде нет всецело отрицательных или положительных факторов, всё зависит от силы их действия.
На живые существа одновременно действует множество факторов, и, к тому же, большинство из них переменчиво. Но в каждый конкретный период времени можно выделить самый главный фактор, от которого в наибольшей мере зависит жизнь. Им оказывается тот фактор среды, который сильнее всего отклоняется от оптимума, то есть ограничивает жизнедеятельность организмов в данный период.
Любой фактор, влияющий на организмы, может стать оптимальным либо ограничивающим, в зависимости от силы воздействия.
Закон совместного действия фактора гласит: результат влияния любого экологического фактора зависит, в первую очередь, от того, в какой комбинации и с какой силой действуют другие факторы. Так, каждый знает, что переносить мороз в безветренную погоду значительно легче, чем при сильном ветре.
В тридцатиградусную жару организм значительно хуже ее переносит при высокой влажности, чем в сухую погоду, и т.д. Поэтому, если нет возможности изменить ограничивающий фактор, часто можно добиться смягчения его действия, изменяя другие факторы. В сельском хозяйстве эти приемы входят в норму. Например, добавочное рыхление почвы оргтехникой снижает испарение почвенной влаги, так как нарушает сеть мелких пор, из которых испаряется вода.
Закон незаменимости фактора свидетельствует о том, что нельзя полностью заменить один фактор другим. Тем не менее нередко при комплексном воздействии факторов наблюдается так называемый эффект замещения. Например, свет не может быть заменен избытком тепла или углекислого газа, однако, изменяя температуру, можно усилить фотосинтез у растений. Однако это является не замещением одного фактора другим, а лишь проявлением сходного биологического эффекта, вызванного изменениями количественных показателей совместного действия факторов. Эти взаимодействия используются в сельском хозяйстве. Например, в теплицах для большей продуктивности растений повышают содержание углекислого газа в воздухе, используя подогрев. Это отчасти компенсирует нехватку света в осеннее и зимнее время.
Периодичность в жизни организмов
В действии экологических факторов мы можем наблюдать периодичность, связанную со сменой времени суток, времен года, морскими приливами и фазами Луны. Эта периодичность обусловлена космическими причинами движения Земли вокруг своей оси, вокруг Солнца и взаимодействиями с Луной. Жизнь на Земле приспособлена к этой постоянно существующей ритмике, что проявляется в состоянии организмов и их поведении. Вегетация растений, листопад, зимний покой, размножение животных, их миграции и спячки, нагуливание жира – это примеры явлений, обусловленных изменением времени года.
Смены дня и ночи вызывают изменения активности у животных, скорости фотосинтеза у растений и т.д.
Бочка Либиха
Немецкий химик Юстус Либих совершил удивительное открытие, касающееся ограничивающих факторов для жизни различных растений.
В частности, он установил, что продуктивность культурных растений, в первую очередь, зависит от того питательного вещества или минерального элемента, который представлен в почве наиболее слабо. Например, если фосфора в почве лишь 20% от необходимой нормы, а кальция – 50% от нормы, то ограничивающим фактором будет недостаток фосфора. Необходимо в первую очередь внести в почву именно фосфорсодержащее удобрение. По имени ученого названо образное представление этого закона, называемое Бочкой Либиха
Суть модели состоит в том, что вода при наполнении бочки начинает переливаться через наименьшую доску в бочке, – длина остальных досок уже не имеет значения.
Внутренние сезонные ритмы
Приспособленность к периодическим изменениям внешней среды может быть как приобретенной на протяжении жизни животного, так и наследственной. Внутренние сезонные ритмы перестраиваются с большим трудом, зачастую лишь через несколько поколений. Например, животные Южного полушария, перевезенные в наши зоопарки, размножаются осенью под зиму, когда на их родине весна.