Біологія. 9 клас. Козленко

Організми і довкілля

Лабораторні дослідження

Моделювання біотичних факторів в екосистемах і пірамід чисел, біомаси та енергії.

Основні терміни та поняття: продуценти, консументи, редуценти, екосистема, трофічний ланцюг (мережа), піраміда екологічна, біосфера, колообіг.

Екологія. Екологічні фактори. Лімітуючий фактор. Ніша

Запам’ятайте терміни: екологія, екологічний фактор, оптимум, лімітуючий фактор, екологічна ніша

Екологія

Наука, що вивчає взаємодію організмів та надорганізмових систем з оточуючим середовищем, називається екологією. Термін «екологія» ввів у 1866 р. у книзі «Загальна морфологія організмів» Ернст Геккель, створивши його із грецьких слів ойкос — дім та логос — наука. Однак не варто вважати, що історія екології починається лише з моменту опублікування твору Геккеля. Екологічні знання нагромаджувалися впродовж усього періоду розвитку біології. Перший екологічний експеримент з дослідження впливу тиску на живих істот провів у 1670 році Роберт Бойль. Неоціненний внесок у розвиток цієї науки зробили також Карл Лінней, Жан-Батіст Ламарк, Жорж Бюффон та інші. Перший опис біогеохімічного циклу (колообігу Карбону) та розподіл організмів на основні функціональні групи здійснив у 1792 році Антуан Лавуазьє.

У 1875 році Едвард Зюсс ввів термін «біосфера», запозичивши його у Ламарка. На початку ХХ століття В.І. Вернадський створив науку біогеохімію, розвинувши з її допомогою вчення про біосферу. У першій половині ХХ століття було дано визначення поняттям «екосистема» та «біогеоценоз». Одним із досягнень останніх років є створення Джеймсом Лавлоком та Лін Маргуліс гіпотези Геї, що розглядає Землю як саморегульовану систему.

Як і кожна галузь біології, екологія володіє низкою методів дослідження.

Констатувати характеристики середовища, в якому живуть організми, можливо з допомогою методів реєстрації та оцінки стану середовища — замірів температури, освітленості, вологості, концентрації шкідливих газів в атмосфері, радіаційного фону тощо. До цієї групи методів належить моніторинг — періодичне або неперервне спостереження за станом навколишнього середовища.

Методи кількісної оцінки застосовуються для обліку числа особин або груп особин у популяціях. Також кількісні методи використовують для розрахунку продуктивності, біомаси та інших вимірюваних характеристик екосистеми.

Експериментальні методи дають можливість у лабораторних умовах відтворити та/або змоделювати поведінку організмів за заданого комплексу умов середовища. Дані методи потребують значної кількості лабораторної техніки, часто — конструювання складних штучних екосистем.

Існують екосистеми, процеси в яких неможливо або дуже складно змоделювати за допомогою експериментальних методів. Розвиток інформаційних технологій на даний час дозволяє натомість широко застосовувати в екології методи математичного моделювання. З їх допомогою стало можливим у цифровому вигляді відтворювати як самі системи, так і процеси, що в них відбуваються, зокрема, біосферу та її характеристики. На даний час математичне моделювання — група методів. що найбільш динамічно розвивається.

Екологічні фактори

Хоча взаємодія організму і середовища є цілісною, для її вивчення прийнято розділяти на окремі складові. З метою опису та вивчення середовища її властивості умовно розглядають окремо та називають екологічними факторами. Екологічний фактор — це окрема характеристика середовища, певне явище, процес або властивість, що може здійснювати вплив на досліджуваний об’єкт.

Фактори середовища можна розглядати з двох точок зору: фізичної та екологічної. З фізичної точки зору фактори розглядаються як самостійні явища, а з екологічної — через їхній вплив на біологічні системи.

Потенційна кількість факторів, які можна виділити, є нескінченною. Залежно від мети дослідження використовують різноманітні класифікації екологічних факторів.

Однією з найважливіших класифікацій факторів є їх поділ на ресурси та умови. Умови впливають на організми і не можуть бути вичерпаними, в той час як ресурси споживаються організмами та вичерпуються при цьому.

Розглянемо також класифікацію, що базується на природі самих факторів.

За цією класифікацією виділяють абіотичні, біотичні та антропічні фактори.

До абіотичних належать фактори неживої природи. Серед абіотичних факторів найбільше значення мають кліматичні фактори. Вони пов’язані з процесами, що відбуваються в атмосфері, та небесними тілами, що здатні безпосередньо або опосередковано впливати на Землю та живі організми, що на ній мешкають. Саме оптимальна сукупність цих факторів стала передумовою виникнення на Землі життя.

Для комфортного існування живих організмів потрібний певний діапазон температури. В природних зонах з надто високими або низькими температурами різноманітність живого, як правило, нижча ніж у зонах оптимальних температур. Не менш важливим є сонячне випромінювання. Активність Сонця полягає у виділенні хвиль різної довжини. В їх числі видиме світло, що забезпечує освітлення земної поверхні. Це особливо важливо для рослин, оскільки без світла є неможливим фундаментальний процес їх життєдіяльності — фотосинтез.

Атмосферна волога є джерелом таких абіотичних факторів, як опади та вологість повітря. Організми виробили низку пристосувань до постійної дії цих факторів у певному діапазоні. Для рослин, окрім вологості повітря, важливим фактором є вологість ґрунту, у якому росте рослина.

Ще одним екологічним фактором, пов’язаним із активністю атмосфери, є вітер — спрямований рух повітряних мас.

Хімічні склади повітряного, водного та ґрунтового середовищ є хімічними абіотичними факторами. Повітря, з якого складається земна атмосфера, містить кисень, що є незамінним для більшості біохімічних процесів аеробних організмів. Живі істоти, що мешкають у середовищах, бідних на кисень (водне, ґрунтове) виробили спеціальні пристосування до існування в таких умовах і максимально ефективного використання усього наявного кисню. Хімічний склад води у водоймах планети різниться перш за все вмістом солей. В залежності від цього вмісту організми виробляють пристосування до збереження гомеостазу.

Характер часточок ґрунту належить до ґрунтових абіотичних факторів.

Біотичні фактори пов’язані із впливом на живі організми інших організмів. Розподіл біотичних факторів здійснюється за типом впливу, що його один організм чинить на інших.

Людина також впливала і продовжує впливати на навколишнє середовище. Особливості людської життєдіяльності дозволяють відвести даному виду окреме місце у системі зв’язків живих істот між собою та з навколишнім середовищем, а фактори, що пов’язані з його діяльністю — в окрему групу антропічних факторів. Їх ми розглянемо окремо.

Групи організмів за відношенням до екологічних факторів

Кожний екологічний фактор має певний діапазон впливу. Те значення фактора, яке є найбільш сприятливим для того чи іншого організму, називається оптимумом (мал. 37).

Оскільки оптимальні значення факторів для різних організмів є різними, виникла потреба у класифікації організмів за відношенням до екологічних факторів. Розрізняють організми, здатні існувати в широкому діапазон дії певного фактора (їх позначають приставкою еври-, від грец. усюди), та організми з вузьким діапазоном — (їх позначають приставкою стено-, від грец. вузький, звужений). Сам фактор може позначатися прикметниковим закінченням: -термний (температура), -гігричний (вологість) тощо.

Діапазон температур на планеті є доволі широким і коливається в залежності від широти місцевості. Для деяких організмів оптимум температури може варіювати у широких межах, внаслідок чого такі організми заселяють велику кількість різних природних зон та кліматичних поясів. Такі організми називаються евритермними. Для інших, стенотермних, навпаки, оптимальним є дуже вузький діапазон температур. Такі види здебільшого мешкають лише в одній кліматичній зоні або в специфічному середовищі з постійною температурою (наприклад, внутрішні паразити ссавців та людини).

Мал. 37. Розподіл особин в залежності від інтенсивності певного фактора

За відношенням до вологості організми поділяються на організми, здатні витримувати як посуху, так і підвищену вологість (евригігричні), так і організми, що гинуть при значних коливаннях вологості (стеногігричні організми). Серед стеногігричних організмів є такі, що пристосовані до низької вологості — наприклад, посухостійкі рослини, та ті, що пристосовані до високої вологості — наприклад, рослини водойм, як показаний на мал. 27 стрілолист.

Для водних тварин та рослин, що мешкають в різних середовищах існування, важливим є фактор солоності.

Світло є визначальним екологічним фактором для рослин. Оскільки тварини здатні до активного руху і завдяки цьому можуть змінювати освітленість середовища свого існування, групи, що виділяються за відношенням до світла, стосуються лише рослин. Світлолюбним рослинам для життєдіяльності потрібна велика кількість світла. Рослини, оптимум освітленості для яких лежить в діапазоні низьких значень, називають тіньолюбами. Рослини, які потребують світла, але можуть виживати і за низьких значень освітленості, називаються тіньовитривалими.

Лімітуючий фактор

Екологічні фактори впливають на життя організмів комплексно. Однак вирішальним завжди буде той фактор, який присутній у середовищі в найменшій кількості, тобто найбільше відхиляється від свого оптимального значення. Такий фактор називається обмежуючим, або лімітуючим. Описана вище закономірність була помічена німецьким вченим Юстусом фон Лібіхом і отримала назву закону мінімуму Лібіха. Ілюстрацією даного закону є так звана «діжка Лібіха», зроблена із планок різної висоти (мал. 38). Рівень води, налитої у діжку, ніколи не підніметься вище за рівень найкоротшої планки.

У 1913 р. американський еколог Віктор Шелфорд висунув принцип екологічної толерантності, обмеження значень фактора нижньою і верхньою критичними точками, всередині якого можна виділити зони пригнічення та благополуччя. Таким чином, несприятливими (і лімітуючими) можуть бути як високі, так і низькі значення факторів.

Мал. 38. «Діжка Лібіха»

З характеристиками середовища тісно пов’язане поняття екологічної ніші — комплексної характеристики способу життя виду, що включає ресурси, які він споживає, а також умови, за яких може існувати. За цим поняттям зручно порівнювати особливості способу життя різних видів. Зокрема, види, що проживають на одній території, але живляться у різний спосіб, займають різні екологічні ніші.

• 1. Які фактори є лімітуючими в акваріумі? В калюжі? В океані?
• 2. Які з абіотичних факторів можуть бути лімітуючими для рослин? Для тварин? Для людини?
• 3. Чи можна сказати, що «відмінники», «хорошисти» та «двієчники» займають в класі різні екологічні ніші?

Обговоріть у групах

Опишіть екологічну нішу якогось виду максимально докладно.