Підручник з Біології і екології. 11 клас. Шаламов - Нова програма

§ 14. Екологічні закони

Згідно зі законом оптимуму організмові найкраще живеться за певного діапазону інтенсивності екологічного фактора

Дія екологічних факторів на організми й реакція останніх на них підпорядковуються численним екологічним закономірностям. Одним із основних законів впливу екофакторів на організми є закон оптимуму. Згідно з ним екологічний фактор позитивно впливає на організм лише в певних межах інтенсивності. Цей діапазон позитивного впливу отримав назву «зона оптимуму» (рис. 14.1). Саме в ній виживання й життєдіяльність організму є найкращими. Що далі інтенсивність фактора від зони оптимуму, то більшим буде пригнічення життєдіяльності організму, аж поки не починається зона песимуму — діапазон інтенсивності екологічного фактора, за якого життєдіяльність і виживання організму найгірші.

Рис. 14.1. Зона оптимуму (1) і зона песимуму (2)

Виживання організмів визначається обмежувальними факторами

У середині XIX ст. німецький учений Юстус фон Лібіх, досліджуючи ріст рослин, визначив, що брак хоча б одного хімічного елемента в ґрунті зупиняє його, незалежно від кількості інших хімічних елементів. Тобто той фактор, що знаходиться найближче до мінімального значення меж витривалості, буде найсильніше обмежувати життєдіяльність організму. Такі близькі за інтенсивністю до меж толерантності екологічні фактори отримали назву лімітувальні, або обмежувальні. А закон мінімуму Лібіха формулюють так: виживання організму визначається лімітувальним фактором, інтенсивність якого наближається до мінімуму витривалості (толерантності).

Цей закон легко проілюструвати на бочці Лібіха (рис. 14.2). Якщо в бочці є дошки різної довжини (діють екологічні фактори різної інтенсивності), то рівень води в ній (життєдіяльність організму) визначатиметься найкоротшою дошкою (екологічним фактором, що є найближчим до мінімуму діапазону толерантності).

Рис. 14.2. Бочка Лібіха

На початку XX ст. американський еколог Вільям Шелфорд розширив закон мінімуму Лібіха, зазначивши, що обмежувальним може бути й чинник, інтенсивність якого наближається до максимуму толерантності організму. Новостворений закон називають законом толерантності — виживання організму визначається фактором, що найбільше відхиляється від оптимального значення. Тому висока температура є не менш шкідливою для організмів ніж низька, а посуха — ніж надмірна зволоженість тощо. Це означає, наприклад, що для гарного росту кімнатні рослини не треба поливати як занадто часто, так і занадто рідко, а домашніх улюбленців не варто змушувати ані голодувати, ані переїдати. Для сільського господарства розуміння обмежувальних факторів має велике значення, оскільки їхнє подолання дозволяє збільшити врожаї. Наприклад, нейтралізація кислотності ґрунту внесенням вапна здатна збільшити врожаї пшениці.

Взаємодія екологічних факторів визначає життєдіяльність організму

Виявляється, що межі витривалості щодо екологічних факторів не є абсолютними й значною мірою залежать від дії інших чинників. Наприклад, збільшення концентрації вуглекислого газу може покращити життєдіяльність рослини за умов нестачі світла (рис. 14.3). Або підвищений вміст Стронцію у воді може компенсувати нестачу Кальцію, необхідного для побудови черепашок молюсків. Цю закономірність називають законом компенсації екологічних факторів. Згідно з ним нестача одного екофактора може бути компенсована другим екологічним фактором. Утім, відсутність найважливіших екологічних факторів (поживних речовин, тепла, світла, вологи) не може бути компенсована ніяким іншим чинником. Крім того, компенсація завжди має певні межі й завдяки ній неможливо компенсувати дуже значні відхилення від оптимальних значень.

Із другого боку, зміна одного фактора може спричинити зниження життєздатності за іншими. Так, наприклад, нестача води значно зменшує стійкість рослини до дії високих температур, а сильний вітер — до низьких. Тому говорять, що екологічні фактори взаємодіють між собою. І згідно зі законом сукупної дії екологічних факторів життєдіяльність і виживання організму визначається спільною дією всіх екологічних факторів, а не лише обмежувальних.

Рис. 14.3. Залежність інтенсивності фотосинтезу від освітлення й концентрації вуглекислого газу

Більша концентрація вуглекислого газу (червона крива) зумовлює вищу інтенсивність фотосинтезу порівняно з меншою концентрацією (синя крива), що може бути використано для компенсації нестачі світла.

Унікальний набір адаптацій організму зумовлений пристосуванням до умов середовища його мешкання

Згідно з принципом конкурентного виключення (дивись § 5) у кожного виду є власна екологічна ніша в екосистемі. Тому сукупність умов, у яких живе кожен вид, своя. І саме вона визначає ті адаптації, що будуть характерні для організму. У цьому полягає принцип екологічної відповідності, згідно з яким пристосування в життєдіяльності організму завжди повинні відповідати умовам його існування. Наприклад, зябра риб дозволяють ефективно отримувати кисень із води, а крила кажана — швидко маневрувати в повітрі, бо саме в таких умовах ці організми існують. Є й інший наслідок пристосованості кожного виду до власної екологічної ніші — правило екологічної індивідуальності. Відповідно до нього набір адаптацій кожного виду є унікальним і властивим лише для нього. Незважаючи на те, що часто види мають окремі подібні пристосування (наприклад, для водоплавних тварин характерна обтічна форма тіла, що зменшує опір води), сукупність усіх пристосувань організму певного виду є унікальною. Цікаво, що правило індивідуальності є справедливим і для окремого організму: через відмінний генотип особин одного виду1 їхні толерантності відрізнятимуться. Не варто також забувати, що не тільки середовище впливає на організм, а й організм на нього. У результаті між ними виникає взаємозв'язок, який відображається в законі єдності організму й середовища його мешкання (докладніше про це йшлося в § 1).

Закони екології Баррі Коммонера є основою раціональної поведінки людей щодо природи

У 1971 році американський біолог і майбутній кандидат у президенти США Баррі Коммонер (рис. 14.4) у книзі «Коло, що замикається» сформулював чотири всеохопні закони екології. Вони пояснюють загальні принципи функціонування біосфери й дають поради людству, як співіснувати з природою.

Закон «усе пов'язано з усім» ілюструє нерозривний зв'язок усіх процесів і об'єктів у природі. Тому будь-яка дія людини на неї матиме наслідки, що проявляться одразу або з часом, у цьому ж чи віддаленому місці. Гарним прикладом реалізації зазначеного закону є використання ДДТ — небезпечного інсектициду, що здатний накопичуватися в жирових тканинах і повільно руйнується в природі. Його застосовували для боротьби з комахами-шкідниками й особливо широко — у тропічних регіонах проти малярійних комарів. Згодом ДДТ було виявлено в тканинах пінгвінів Антарктики, де його ніколи не використовували! Тобто завдяки передачі харчовими ланцюгами ця речовина розповсюдилася по всій біосфері.

Згідно з другим законом, «усе має кудись подітися». Річ у тім, що в природі немає відходів: рештки організмів слугують ресурсом для життя інших.

1 Це справедливо в усіх випадках, крім однояйцевих близнюків і клонів, що утворюються нестатевим шляхом.

Рис. 14.4. Обкладинка популярного американського журналу «Time» за лютий 1970 року

Завдяки активній громадській діяльності в США Баррі Коммонер асоціювався з екологічними проблемами, тому його портрет зображено на обкладинці журналу між світлим природним довкіллям і темним, зруйнованим людиною середовищем.

Але технічне виробництво створює продукти й відходи. У біосфери, зазвичай, немає можливості швидко зруйнувати чи використати їх, тому вони накопичуються в природі. Це спричиняє інтенсивне забруднення середовища. Отже, людині потрібно заздалегідь продумувати повний цикл життя продукту, щоб рештки після використання й відходи виробництва перероблялися та не накопичувалися в природі.

Наступний закон стверджує, що «природа знає краще». Природні біологічні системи завдяки тривалій еволюції та коадаптації мають добре налагоджені механізми функціонування. І через неповне розуміння їхньої дії й закономірностей будь-який вплив людини на природу матиме негативні наслідки. Так і сталося з ДДТ, який виявився отруйним для багатьох тварин і людини. Маючи на меті зробити краще — знищити шкідників і малярійних комарів — людство спричинило значні негативні наслідки для всієї біосфери. І тому нам потрібно докладати зусиль для більш ретельного вивчення екологічних закономірностей. А спроби «перехитрити» природу не мають сенсу й будуть безрезультатними.

Останній закон екології Баррі Коммонер сформулював як «ніщо не дається задарма». Це означає, що використання природних ресурсів завжди потребує «повернення». Тобто отримуючи якусь суспільну вигоду (більше їжі, теплі будинки тощо), людство ніби бере в природи в борг. І його потрібно буде «відшкодувати». Наприклад, інтенсивне спалювання викопних карбоновмісних копалин (нафти, вугілля, газу) задля отримання енергії спричиняє збільшення викидів вуглекислого газу й посилення парникового ефекту (про це йтиметься в § 22 і § 24). Отже, «позичаючи» у природи копалини, цивілізація «віддає борг» зміною клімату, від якої сама ж і страждає. Ці закони заклали підвалини раціонального природокористування, про яке ми докладніше говоритимемо в § 28-29.

Наведені закони екології за своєю суттю не є вимірюваними чи експериментально доведеними. Вони виведені на основі роздумів і є дещо філософськими. Тим не менш, їх використання під час планування будь-яких аспектів людської діяльності (від вибору моделі автомобіля для покупки до проекту будівництва атомної електростанції) дозволяє більш екологічно ефективно регулювати відносини між суспільством і довкіллям. Тож якщо кожен із нас розумітиме ці закони та наслідки, які спричиняє їх невиконання, то існування людства стане набагато більш ощадливим і природозбережливим.

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

• 1. Якщо інтенсивність дії екологічного фактора є рівновіддаленою від максимального й мінімального значень діапазону толерантності, то виживання організму буде

  • А найкраще
  • Б найгірше
  • В середнє
  • Г відсутнє

• 2. Швидкість розмноження ціанобактерій зростає при збільшенні вмісту Фосфору у воді. Це свідчить про те, що

  • А Фосфор пригнічує життєдіяльність ціанобактерій
  • Б кількість Фосфору у воді залежить від смертності ціанобактерій
  • В вміст Фосфору у воді є лімітувальним екологічним фактором
  • Г збільшення вмісту Фосфору у воді компенсує оптимальну кількість світла

• 3. В організмі людини амінокислота тирозин утворюється з амінокислоти фенілаланіну. Тому згідно зі законом компенсації екологічних факторів

  • А нестача фенілаланіну може бути компенсована надлишком тирозину
  • Б нестача тирозину може бути компенсована надлишком фенілаланіну
  • В надлишок фенілаланіну не може бути компенсований надлишком тирозину
  • Г надлишок тирозину не може бути компенсований надлишком фенілаланіну

• 4. Відомо, що у світі утилізується лише 15 % текстильних матеріалів, решта ж викидається на смітники. У результаті синтетичні волокна складають значну частину пластикового сміття у Cвітовому океані. Це є наслідком недотримання закону

  • А усе пов'язано з усім
  • Б усе має кудись подітися
  • В природа знає краще
  • Г ніщо не дається задарма

• 5. Увідповідніть екологічну закономірність та її опис.

  • 1 правило екологічної індивідуальності
  • 2 закон толерантності
  • 3 закон компенсації екофакторів
  • 4 закон сукупної дії екофакторів
  • А пристосування організму залежать від умов його існування
  • Б виживання організму визначається взаємодією всіх екологічних факторів
  • В толерантність за одним екологічним фактором залежить від дії іншого
  • Г кожен вид має власний унікальний набір адаптацій до середовища
  • Д виживання організму визначають фактори, найближчі до меж витривалості

У житті все просто

• 6. Закон толерантності й закон сукупної дії екологічних факторів по-різному визначають умови виживання організму. Чи суперечать вони один одному?

У житті не все просто

• 7. Чому інтенсивність фотосинтезу швидко досягає максимуму й при збільшенні освітлення не зростає, як це зображено на рисунку 14.3? Як зміниться інтенсивність фотосинтезу, якщо освітлення й далі збільшувати?

Проект для дружної компанії

• 8. Складіть для дітей літературний твір або візуальну історію, що ілюстрували би закони Баррі Коммонера і наслідки їх недотримання.