Біологія. 11 клас. Балан

Розділ IV. Надорганізмові рівні життя

Тема 1. Популяція. Екосистема. Біосфера

Під час вивчення цієї теми ви дізнаєтеся про популяції, екологічні фактори, середовище життя, угруповання та екосистеми, колообіг речовин і потік енергії в екосистемах, про роль живих організмів у біосфері. Ви також навчитеся розв’язувати задачі з екології.

§ 24. Екологічні фактори та їхня класифікація. Закономірності дії екологічних факторів на організми та їхні угруповання

Аби краще засвоїти матеріал цього параграфа, слід пригадати: що таке моніторинг і моделювання в біології?

Екологія як самостійна біологічна наукова галузь сформувалася лише в середині XIX сторіччя. Назву «екологія» запропонував 1866 р. видатний німецький біолог Е. Геккель.

Екологія - комплекс біологічних наук про взаємозв’язки живих організмів та їхніх угруповань між собою і довкіллям, про структуру та функціонування надорганізмових систем.

Основні завдання екології:

  • з’ясування закономірностей взаємозв’язків між організмами, їхніми угрупованнями та умовами довкілля;
  • дослідження структури та функціонування угруповань організмів;
  • спостереження за змінами в окремих екосистемах і біосфері в цілому, прогнозування їхніх наслідків;
  • створення бази даних і розробка рекомендацій для екологічно безпечного планування господарської та соціальної діяльності людини;
  • застосування екологічних знань у справі охорони довкілля та раціонального використання природних ресурсів.

Отже, предметом вивчення екології слугують різноманітність і структура зв’язків між організмами, їхніми угрупованнями та середовищем життя; склад і закономірності функціонування угруповань організмів (популяцій, біогеоценозів, біосфери в цілому).

Які основні напрями екологічних досліджень?

Умовно розрізняють екологію особин, популяційну екологію та біогеоценологію (мал. 24.1). Перша з них вивчає дію різноманітних екологічних факторів на окремих особин, а також на їхні угруповання. Популяційна екологія досліджує популяції організмів як особливий рівень організації живої матерії. Біогеоценологія - наука про багатовидові угруповання живих організмів - окремі екосистеми та біосферу в цілому.

До екологічних наук також належать екологія мікроорганізмів, рослин, грибів, тварин, гідробіологія (вивчає угруповання мешканців водойм), ґрунтова біологія (досліджує угруповання мешканців ґрунту) та ін. Екологія слугує теоретичною базою раціонального природокористування та охорони навколишнього середовища.

Екологія розвивається у взаємодії з іншими біологічними та небіологічними (хімія, фізика тощо) науками. Так, особливу галузь становить математична екологія, покликана обробляти дані, отримані дослідним шляхом, та створювати моделі, що дають змогу прогнозувати зміни в угрупованнях живих істот і біосфері в цілому. З екологією пов’язують гуманізацію природничих і технічних наук; її досягнення активно впроваджують у гуманітарні галузі знань. Тому тепер екологію розглядають як світоглядну дисципліну, що об’єднує різні науки і всі сфери діяльності людей (мал. 24.2).

Учені-екологи використовують різноманітні засоби і методи досліджень. Зокрема, методи екологічної індикації дають можливість визначити стан і властивості екосистем за видовим складом і співвідношенням між собою певних (еталонних, або індикаторних) груп видів (мал. 24.3). Для проведення постійних спостережень застосовують метод екологічного моніторингу. Широко впроваджують у сучасних екологічних дослідженнях моделювання та статистичну обробку отриманих результатів. Різноманітні екологічні установи спрямовують свою діяльність на екологічну просвіту населення.

Мал. 24.1. I. Розділи екології: 1 - екологія особин; 2 - екологія популяцій; З - екологія екосистем (біогеоценологія). II. Екосистема коралового рифу

Мал. 24.2. Зв’язки екології з іншими науками: 1 - екологія; 2 - природничі науки; 3 - економічні та суспільні науки; 4 - технічні науки

Мал. 24.3. Біле латаття - індикатор чистоти води

Екологічні фактори та їхня класифікація

Усі складові довкілля, які впливають на стан і властивості живих організмів та їхніх угруповань, називають екологічними факторами, або екологічними чинниками.

Залежно від природи та особливостей дії екологічні фактори ділять на абіотичні, біотичні та антропогенні.

Абіотичні фактори - це компоненти та властивості неживої природи (температура, освітленість, вологість, газовий склад повітря, тиск, сольовий склад води, тип ґрунту тощо), які прямо або опосередковано впливають на окремі організми та їхні угруповання.

Біотичні фактори - це різні форми взаємодій між особинами в популяціях і між популяціями в угрупованнях. Такі взаємодії можуть бути антагоністичними (конкуренція, паразитизм тощо), взаємовигідними (мутуалізм) чи нейтральними. Одні живі організми є складовою середовища життя інших. Будь-яка жива істота постійно взаємодіє з особинами свого (внутрішньовидові зв’язки) та інших (міжвидові зв’язки) видів. Будь-який організм унаслідок процесів своєї життєдіяльності змінює середовище життя як представників інших видів, так і власне: при цьому одні ресурси із середовища життя вилучаються, інші, навпаки, вносяться.

Окрему групу екологічних факторів становлять різні форми господарської діяльності людини, що змінюють стан середовища життя всіх видів живих істот, серед яких і сама людина (антропогенні фактори). За відносно короткий період існування людини як біологічного виду її господарська діяльність докорінно змінила вигляд нашої планети, і щорічно цей вплив на природу зростає. Інколи антропогенний вплив набуває форми катастрофи, як, наприклад, вибух на Чорнобильській атомній електростанції у 1986 р. (мал. 24.4).

Мал. 24.4. Чорнобильська атомна станція після катастрофи 1986 р.

Інтенсивність дії екологічних факторів - це певні їхні кількісні значення (наприклад, показники температури, вологості, освітленості тощо). Інтенсивність дії деяких екологічних факторів може залишатися відносно постійною протягом тривалих історичних періодів розвитку біосфери, наприклад сонячне випромінювання, сила тяжіння, сольовий склад морської води, газовий склад атмосфери. Однак більшість з них має мінливу інтенсивність (температура, вологість тощо).

Ступінь цієї мінливості залежить від особливостей середовища життя. Наприклад, температура на поверхні ґрунту може коливатись у значних межах залежно від пори року, часу доби тощо, тоді як на глибині понад 3 м такі перепади температури практично відсутні.

Зміни екологічних факторів можуть бути:

  • періодичними, залежно від часу доби, пори року тощо;
  • неперіодичними, наприклад виверження вулканів, землетруси, урагани, цунамі (мал. 24.5) тощо;
  • спрямованими протягом значних історичних проміжків часу, наприклад зміни клімату.

Мал. 24.5. Приклади неперіодичних змін дії екологічних факторів: 1. Виверження вулкана Мауна-Лоа. 2. Землетруси - раптові струси земної кори. 3. Цунамі - велетенські хвилі, що виникають унаслідок підводних землетрусів. 4. Ураган (тайфун)

Принцип єдності організмів і їхнього середовища життя полягає в тому, що особини кожного виду протягом тривалого історичного розвитку пристосовуються до певного середовища, при цьому у них виникають певні пристосування (адаптації). Пригадайте, адаптації - це пристосування організмів до умов середовища життя, які пов’язані зі змінами особливостей їхньої будови, процесів життєдіяльності, поведінки тощо. Вони визначають можливість існування живих істот у найрізноманітніших умовах довкілля. За час існування виду залежно від змін впливів екологічних факторів одні адаптації з’являються, а ті, що втратили своє значення, зникають.

Які закономірності впливу екологічних факторів на живі організми?

Хоча екологічні фактори дуже різноманітні за своєю природою та характером впливу на біологічні системи, існують закономірності їхнього впливу на живі істоти, а також реакцій організмів на їхню дію. Згідно з правилом екологічної індивідуальності, кожний вид пристосований до певної сукупності умов існування особливим чином, тобто не існує двох близьких видів з повністю однаковими адаптаціями (мал. 24.6, 1-2). Добра пристосованість організмів до певного фактору довкілля не означає такої самої адаптованості до інших. Наприклад, лишайники здатні витримувати значні коливання температури та вологості, але чутливі до забруднення повітря (мал. 24.6, 3).

Кожний з факторів має лише певні межі позитивного впливу на організми (закон оптимуму). Сприятливі для істот певного виду інтенсивності впливу екологічного фактору мають назву зони оптимуму. Чим більше інтенсивність дії певного екологічного фактору відхилятиметься від оптимальної в той чи інший бік, тим більше буде виражений його негативний вплив на організми (верхня та нижня зони пригнічення). Значення інтенсивності дії екологічного фактору, за якими існування організмів стає неможливим, називають верхньою та нижньою межами витривалості, або толерантності (критичні точки максимуму і мінімуму). Відстань між межами витривалості визначає діапазон інтенсивності дії екологічного фактору, у якому можливе існування особин певного виду (мал. 24.7).

Окремі фактори діють на організми не ізольовано, а спільно: унаслідок цього вплив котрогось із них може дещо пом’якшуватись або, навпаки, підсилюватись. Наприклад, у суху безвітряну погоду легше витримувати низькі температури. Це означає, що зона оптимуму та межі витривалості стосовно дії певного фактору можуть зсуватися в певний бік залежно від того, з якою силою і в якому поєднанні діють інші чинники, що отримало назву явища взаємодії екологічних факторів.

Мал. 24.6. Кріт (1) і сліпак (2) постійно мешкають у ґрунті; при цьому кріт риє розширеними передніми кінцівками, а сліпак - різцями. 3. Лишайники - індикатори чистоти повітря

Мал. 24.7. Схема дії екологічного фактору

Закон взаємокомпенсації факторів стверджує, що відсутність або нестача деяких екологічних факторів може бути частково компенсована завдяки іншим подібним чинникам. Так, нестача світла в житті рослин може бути частково компенсована надлишком карбон(II) оксиду. Але взаємокомпенсація екологічних факторів має певні межі і жоден із життєво важливих факторів не може бути повністю замінений іншими: якщо інтенсивність дії хоча б одного з них виходить за межі витривалості, існування виду стає неможливим, незважаючи на оптимальну інтенсивність дії інших. Так, у місцях, де багато стронцію, молюски під час росту їхніх черепашок здатні лише частково замінювати ним кальцій у карбонатах. Нестача води гальмуватиме процес фотосинтезу навіть за оптимальних освітленості та концентрації СО2 в атмосфері.

Закон обмежувальних факторів полягає в тому, що можливість існування виду в певних умовах може обмежувати будь-який фактор. Найбільше обмежує можливість існування виду в даних умовах той фактор, середовища, інтенсивність дії якого наближується або виходить за межі витривалості. Так, поширення багатьох видів тварин на північ стримується нестачею тепла і світла; проникнення морських видів риб у прісні водойми стримує низька солоність води тощо.

Нові терміни та поняття. Екологія, екологічні фактори, адаптації.

Запитання для повторення: 1. Що вивчає екологія? 2. Які основні завдання екології? 3. Які розділи екології вам відомі? 4. Якими методами досліджень користуються екологи? 5. Які фактори називають екологічними? 6. Які групи екологічних факторів вам відомі? 7. Які бувають зміни інтенсивності екологічних факторів? 8. Що таке адаптації? 9. У чому полягає правило екологічної індивідуальності? 10. Що стверджує закон оптимуму? 11. Як ви розумієте явище взаємодії екологічних факторів? 12. У чому суть закону взаємокомпенсації екологічних факторів? 13. Поясніть суть закону обмежувальних факторів.

Проблемні завдання. 1. Поміркуйте, який зв’язок існує між екологією та охороною природи. 2. Укажіть, на чому ґрунтується явище взаємодії екологічних факторів. Чому взаємокомпенсація екологічних факторів обмежена?