Я. Л. Мархоцкий
Основы экологии и энергосбережения
2.2. Абиотические факторы
Абиотические факторы – это компоненты и явления неживой природы, прямо или косвенно воздействующие на живые организмы. Главную роль среди них играют климатические, эдафизические, орографические, гидрографические, химические и пирогенные.
К климатическим факторам относятся:
• спектральный состав солнечной радиации;
• физические и химическиие свойства атмосферного воздуха;
• климат, погода, акклиматизация;
• тепло, вода, ветер;
к эдафизическим -
• составные компоненты почвы;
• физико-климатические свойства почвы;
• биогеохимические эндемия и радиоактивность;
• загрязнение и самоочищение почвы;
• почва как источник распространения инфекционных заболеваний, глистных инвазий;
к орографическим –
• рельеф местности;
• высота над уровнем моря;
• вертикальная зональность;
• экспозиция и крутизна склона;
• горы, ущелья каньоны, низины;
к гидрографическим – факторы водной среды:
• органолептические;
• физико-химические;
• показатели загрязнения;
• источники водоснабжения;
• гидробионты;
к химическим –
• газовый состав атмосферного воздуха;
• солевой состав гидросферы;
к пирогенным – природные пожары:
• лесные;
• торфяные;
• степные;
• полевые;
• тундровые.
2.2.1. Климатические факторы
Многолетний режим погоды определяет главные различия в жизненных формах растений (трав, кустарников, деревьев).
Свет является наиболее действенным климатическим фактором на Земле. Без него невозможен фотосинтез, а без органической пищи и кислорода невозможна жизнь консументов.
Солнечный свет, или солнечное излучение, проходящее через атмосферу и достигающее поверхности Земли, представляет собой электромагнитные волны, длина которых заключена в следующих диапазонах:
• инфракрасные лучи – 2800–760 нм;
• видимые лучи – 760–400 нм;
• ультрафиолетовые лучи – 400–200 нм.
Важную роль играет длина световой волны, воспринимаемая органами зрения животных. Животные, наделенные цветным зрением, лучше ориентируются в окружающей среде (опасность, поиск пищи, перемещение и т. д.).
У растений в процессе эволюции выработалось разное отношение к освещенности. В связи с этим все растения делят на три большие группы: светолюбивые, теневыносливые и тенелюбивые.
Избирательная чувствительность к освещенности позволяет растениям максимально (по вертикали) использовать жизненное пространство путем формирования ярусности и образовывать свой внешний облик – жизненную форму. Под влиянием одностороннего освещения изменяется направление роста органов растения, что получило название фототропизма (от греч. tropos – поворот). Различают положительный и отрицательный фототропизм, а также диатропизм.
Подвижные животные под действием света проявляют двигательную реакцию – таксис (от греч. taxis – расположение). Способность двигаться в сторону света называется положительным фототаксисом, избегать его – отрицательным. Например, ночные насекомые слетаются на свет, а тараканы прячутся.
Для животных свет как экологический фактор имеет меньшее значение, чем для растений. Различают животных, ведущих дневной, ночной и сумеречный образ жизни.
Каждому пункту земной поверхности свойствен свой световой ритм, который отражается в биологии растений, животных и микроорганизмов. Реакция организмов на суточный ритм солнечной энергии, т. е. на соотношение светлого и темного периодов суток, получило название фотопериодизма. По этому признаку различают три группы растений:
• растения короткого дня;
• растения длительного дня;
• индифферентные растения.
В области экватора продолжительность дня и ночи постоянная. При удалении от экватора летом день удлиняется, а ночь становится короче, зимой – наоборот. В связи с этим различают растения короткого и длинного дня. Например, кукуруза в Украине и Молдове успешно созревает на зерно, а на севере дает только зеленую массу.
Температура является важнейшим абиотическим фактором. Распространение жизни на Земле ограничено областью несколько ниже 0 °С и до 50 °С. В геотермальных источниках суши ряд видов цианобактерий обитают при температурах 95–98 °С. В глубокотермальных источниках Мирового океана отдельные виды археобактерий не только выживают, но и размножаются при температуре до 121 °С. Критические температуры для растений и животных могут широко варьироваться. Например, если рептилии, живущие в пустыне, легко переносят жару 45 °С, то большинство морских беспозвоночных гибнут при температуре выше 30–32 °С. Следовательно, если температура живой клетки опускается ниже точки замерзания воды, то образовавшиеся кристаллы льда ведут к ее гибели. При высокой температуре (более 50 °С) происходит денатурация белков, что тоже ведет к гибели клетки.
Организмы, не способные регулировать собственную температуру, называются пойкилотермными. Это растения, микроорганизмы, беспозвоночные, рыбы, рептилии и др. Птицы и млекопитающие, способные к активному регулированию температуры тела независимо от температуры окружающей среды, называются гомойотермными. Благодаря этому свойству многие животные способны жить и размножаться при температуре ниже 0 °С – например, белый медведь, северный олень, пингвины и др., имеющие приспособления к таким условиям существования (шерстный покров, плотное оперение, толстый слой жировой ткани).
Гетеротермия – частный случай гомойотермии. Она характерна для животных, впадающих в спячку или оцепенение в неблагоприятный период года. Температура у этих животных (ежей, сусликов, летучих мышей, стрижей и др.) заметно снижается за счет замедления обмена веществ, а в период функциональной активности они обладают постоянной температурой тела.
Вода – основа живой материи. Она является главным экологическим фактором, т. е. основным условием существования всего живого на Земле. Образно говоря, вода – это элексир жизни, «оживляющий» поверхность планеты, «маховое колесо» климата и погоды.
Человек почти на 65–70 % состоит из воды. Для поддержания водного баланса ему необходимо 2 л воды, или 30 мл на 1 кг массы тела в сутки (с той водой, которая содержится в пищевых продуктах: соках, супах, овощах, фруктах). Наши ткани содержат около 15 % эндогенной жидкости от массы тела, которая образуется при сжигании питательных веществ кислородом, строительстве новых молекул, их перестройке.
Перераспределение жидкости идет через желудочно-кишечный тракт:
• около 1,5 л воды человек глотает со слюной;
• примерно 1,5 л желудок дает в виде желудочного сока;
• в среднем 3,0 л выделяет тонкий кишечник;
• 0,7 л панкреотического сока выделяет поджелудочная железа;
• 0,5 л желчи образует печень.
Через почки, кожу, легкие выделяется около 2 л воды. Именно такое количество воды человек должен получить извне – в чистом виде или с различной пищей.
Физиологическое потребление человеком питьевой воды может изменяться в зависимости:
• от условий внешней среды;
• характера трудовой деятельности.
Потеря животными 10–20 % воды от массы тела приводит к их гибели. Из наземных животных больше всего воды в сутки требуется слону – около 90 л. Он на 70 % состоит из воды. Животные, обитающие в водной среде, получают ее через наружные покровы. Насекомые, молюски, черви, лягушки адсорбируют влагу из воздуха. Для многих животных источник воды – пища, жидкий корм.
2.2.2. Эдафизические факторы
Эдафизические факторы – это факторы почвенной среды (от греч. edaphos – земля, почва). К основным эдафизическим факторам относится совокупность физических и химических свойств почв:
• фильтрационность, влагоемкость, капиллярность, гигроскопичность, испаряющая способность;
• залегание водоупорного слоя, водоносного горизонта, зоны капиллярного поднятия, зоны фильтрации и зоны испарения;
• состав компонентов почвы: минеральная основа, органическое вещество, почвенный раствор и почвенный воздух;
• наличие биогеохимических эндемий, радиоактивности почвы;
• способность к загрязнению и самоочищению почвы;
• роль почвы в распространении инфекционных заболеваний, глистных инвазий и раневых инфекций.
Почва играет большую роль в жизни растений и животных. Например, своеобразные условия создаются на песчаных почвах (90 % песка и 10 % глины, размер частиц от 0,2 до 2 мм), где обитают растения, называемые псаммофитами. У них образуются придаточные корни, что не позволяет растениям быть засыпанными песком; листья у них узкие и жесткие, иногда вообще отсутствуют.
Обитающие в песках животные способны быстро зарываться вглубь; на лапках у них имеются щеточки из волосков или роговых чешуек, т. е. приспособления для быстрого передвижения и рытья нор в рыхлом песке.
Для животных, которые (по крайней мере в какой-то период) обитают в почве, характер состава почвы имеет экологическое значение. Например, личинки насекомых, как правило, не могут жить в слишком каменистой почве; роющие перепончатокрылые откладывают яйца в подземных ходах; многие саранчевые, зарывающие яйцевые коконы в землю, нуждаются в достаточно рыхлой почве.
Весьма важной характеристикой почвы является ее водородный показатель pH. Каждый вид растений предпочитает определенные показатели pH и имеет свой оптимум.
Раствор является нейтральным, если концентрация водородных ионов H+ и гидроксильных ионов OH— одинакова и равна (каждая) 10–7 моль/л. На практике степень кислотности (или щелочности) раствора выражается более удобным водородным показателем pH, представляющим собой отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации водородных ионов:
pH = – lg(H+).
Например, если в растворе концентрация водородных ионов равна 10–5 моль/л, то показатель кислотности этого раствора pH = 5. В кислых растворах pH < 7, и чем он меньше, тем кислее раствор. В щелочных растворах pH > 7, и чем он больше, тем выше щелочность раствора. Щавель, вереск растут на сильнокислых почвах (pH = 4,5–5,0), ячмень, клевер, мать-и-мачеха – на нейтральных, крапива двудомная, иван-чай, пролеска – на щелочных, где pH = 7–8. Кислотность может служить индикатором скорости общего метаболизма сообщества. Если pH почвенного раствора низок, то это указывает на малое содержание биогенных элементов, а значит, продуктивность такой почвы крайне мала.
По отношению к плодородию почвы растения делятся на следующие экологические группы:
• олиготрофы (от греч. oligos – небольшой и trophe – питание) – растения малопродородных почв (сосна обыкновенная);
• мезотрофы (от греч. meso – средний, trophe – питание) – растения с умеренной потребностью в питательных веществах. Это большинство лесных растений (береза, осина, ольха и др.);
• эвтрофы (от греч. eu – хорошо, trophe – питание) – растения, требующее большого количества питательных веществ в почве (лещина, дуб).
2.2.3. Орографические факторы
Орографические факторы – это особенности элементов рельефа (от греч. oros – гора и grapho – пишу). Они оказывают влияние на распространение организмов по земной поверхности. К таким факторам относятся:
• особенности элементов рельефа;
• высота над уровнем моря;
• экспозиция и крутизна склонов.
Рельеф создает разнообразные условия местообитания для растений и животных в связи:
• с изменениями температурных режимов;
• увлажнением почвенного покрова.
Характер воздействия рельефа определяется мощностью его развития. В связи с этим различают макро-, мезо- и микрорельеф:
• макрорельеф предопределяет не только распространение организмов по высотным зонам, но и оказывает косвенное влияние (горные сооружения), создавая барьерную роль на пути движения воздушных масс, порождая азональные ландшафты;
• мезорельеф оказывает воздействие на распределение зональных, интра- и экстразональных сообществ в пределах природных зон;
• микрорельеф (холмики, западины, блюдца) приводит к формированию небольших по размерам сообществ.
Подъем в гору часто напоминает путешествие от экватора к полюсу. При поднятии на каждые 100 м температура воздуха понижается в среднем на 0,5 °С. Увеличивается длительность вегетационного периода. У подножия гор могут находиться тропические моря, а на вершине дуют арктические ветры. С одной стороны горы может быть тепло и солнечно, с другой – холодно и влажно. Экспозиция склона: на северных склонах растения образуют теневые формы, на южных – световые. Крутизну склонов характеризуют быстрый дренаж и смывание почв, поэтому здесь почвы маломощные и сухие. Если уклон превышает 35º, почва и растительность обычно не образуются.
2.2.4. Гидрографические факторы
Гидрографические факторы – это факторы, которыми характеризуется вода:
• органолептические свойства воды (прозрачность, мутность, цветность, запах, вкус, температура);
• физико-химические свойства воды (pH, сухой остаток, окисляемость, количество растворенного в воде к ислорода, хлоридов, сульфатов, азота аммониевых солей, железа, жесткость);
• показатели загрязненности воды (микробное число, колититр, колииндекс, сапробность, биоценоз);
• источники водоснабжения (атмосферные, подземные, грунтовые, верховодка, артезианские воды, родники, открытые водоемы).
Организмы, обитающие в водной среде, называются гидробионтами. Все живые существа приспособились к плотности воды, глубинам. Многие рыбы, ракообразные, морские звезды могут переносить давление от одной до сотен атмосфер. Плотность морских организмов убывает с глубиной.
2.2.5. Химические факторы
Химические факторы – антропогенное химическое загрязнение окружающей среды, которое оказывает существенное влияние:
• на качество окружающей среды;
• живые организмы.
Химический фактор для организмов, живущих в воде, чрезвычайно важен. Например, в водах Черного моря много сероводорода, что делает данный водоем неблагоприятным для жизни многих организмов. Газовый состав тропосферы в меньшей степени влияет на живые организмы, поскольку он обладает постоянством химического состава. Соленость воды (более 10 г/л) существенно влияет на жизнедеятельность живых существ. Пресноводные животные не могут обитать в морях, морские не переносят опреснение. Большинство водных животных обитает в морских и океанических водах.
2.2.6. Пирогенные факторы
Как утверждают специалисты, пирогенные факторы (пожары) следует относить к абиотическим факторам. Пожары могут быть определенным ограничивающим фактором при распространении животных и растений. Низовые лесные пожары дополняют действие редуцентов, разлагая погибшие растения и животных в форму, пригодную для использования новыми поколениями растений. Пожары в степях и саваннах уменьшают размножение пустынных кустарников. Использование огня специально обученными людьми порой способствует успешному землепользованию.
2.3. Биотические факторы
2.3.1. Понятие о биотических факторах
Биотические факторы – это формы воздействия живых существ друг на друга. Каждый организм постоянно испытывает на себе прямое или косвенное влияние других существ, вступает в связь с представителями своего вида и других видов – растениями, животными, микроорганизмами, зависит от них и сам оказывает на них воздействие. Окружающий органический мир – составная часть среды каждого живого существа.
Выделяют две группы факторов: фитогенные и зоогенные. Взаимоотношения между живыми организмами многообразны и разделяются на прямые и косвенные.
2.3.2. Фитогенные факторы
К фитогенным относят факторы воздействия растений друг на друга и на окружающую среду. Среди них выделяют следующие группы.
Механические контакты, или контакты прямого действия – это охлестывание ветвями, сцепление и давление стволов и корней. Например, прямым воздействием является повреждение сосны и ели в смешанных лесах от отхлестывающего действия березы в результате раскачивания ветром тонких ее веток, которые ранят кору и сбивают молодые иглы ели и сосны. Использование одним растением другого в качестве среды обитания называется эпифитизмом. Растения, живущие на других растениях (ветки, стволы) без связи с почвой, называются эпифитами. Около 10 % всех видов растений ведет эпифитный образ жизни.
Физиологические контакты – это взаимоотношения между растениями: паразитизм, симбиоз, срастание корней и др.
• Паразитизм прямое физиологическое воздействие одного растения на другое. Например, повилика, питающаяся соками клевера или крапивы, угнетает или задерживает их рост.
• Симбиоз – контакт между растениями обусловливает их взаимовыгодное сожительство. Симбиоз можно проследить между клубеньковыми бактериями-азотфиксаторами и большинством растений семейства бобовых. Бактерии из рода Rhizobium, живущие в клубеньках на корнях клевера, фасоли, сои, люпина, обеспечиваются пищей (углеводы) и местообитанием, а растения получают взамен от них доступную форму азота.
• Анемофилия – это такой физиологический контакт, как опыление с помощью ветра растений, т. е. контактирующие растения могут находиться на значительном расстоянии одно от другого.
Косвенные трансбиотические взаимоотношения между растениями. В данном случае посредниками являются животные и микроорганизмы. Опыление растений насекомыми получило название энтомофилия. Насекомые переносят пыльцу от одного растения к другому, осуществляя контакты между ними. Если птицы принимают участие в опылении, то этот процесс называется орнитофилией. В природе известно около 2000 птиц, опыляющих цветки в поисках нектара или при ловле насекомых.
Косвенные трансабиотические взаимоотношения между растениями. Они выражаются в изменении окружающей среды (например, изменение микроклимата растениями – ослабление солнечной радиации при затемнении почвы и др.). Деревья, затемняя почву, вытесняют из-под своего полотна светолюбивые виды растений, формируя среду для поселения теневых растений. Аллелопатия – химическое взаимодействие между растениями. В процессе жизнедеятельности они выделяют в окружающую среду химические вещества, воздействие которых по-разному сказывается на других растениях, что получило название аллелопатии (от греч. allelon – взаимный и pathos – страдание). Например, выделения фасоли отрицательно сказываются на росте яровой пшеницы. Фитонциды листьев черемухи убивают многие виды бактерий, отпугивают мух. Токсичны для многих микроорганизмов летучие вещества сосны, эвкалипта, можжевельника.
2.3.3. Зоогенные факторы
Зоогенные факторы – это воздействие животных друг на друга и на окружающую среду, а также потребление животными, которых называют фитофагами (от греч. phyton – растение и phagos – пожирающий), растительной пищи. К фитофагам относятся:
• крупные животные слоны, лоси, косули, кабаны и др.;
• мелкие зверьки зайцы, белки и др.;
• многочисленные представители насекомых-вредителей и др.
Взаимодействие между биотическими популяциями и организмами может проявляться в виде комменсализма, хищничества, паразитизма, конкуренции и др.
Употребление животными в пищу растений способствует распространению семян последних.
Второй способ распространения семян возможен путем их случайного прикрепления к лапкам, клювам, шерсти, перьям.
Третий способ заключается в поедании животными плодов.
Иногда животные наносят серьезные повреждения растениям:
• лоси, зайцы, олени обдирают кору на молодых деревьях, уничтожают молодую древесную поросль, объедают верхушки;
• бобры, питаясь древесиной осины, быстро повреждают ее;
• глухари, ощипывая почки ели, замедляют ее рост;
• землеройные животные (кроты, суслики) наносят много вреда растениям, поедая корневища, клубни, луковицы.
Копытные животные – зубры, лоси, олени, косули – могут оказывать значительное влияние на доминирование отдельных видов в биоценозах. Значительная численность копытных животных может уничтожать кустарники и поросли лиственных и игольчатых пород.
Насекомые (тля, клопы) воздействуют на листовую поверхность древесных и травянистых пород, отсасывая у растений питательные вещества и распространяя возбудителей их заболеваний.
2.3.4. Антропогенные факторы
К антропогенным факторам относятся любые воздействия человека на окружающую среду. С давних времен он оказывает влияние на растительный и животный мир. Это влияние на организмы, биоценозы, ландшафты и биосферу в целом может быть прямым и косвенным.
Прямое воздействие – это вырубка леса, сбор плодов и цветов, охота, вытаптывание. Такая деятельность приводит, как правило, к негативным последствиям. Человек уничтожил многие виды животных и растений (например, голубую антилопу (Африка), гигантских нелетающих птиц моа (Новая Зеландия), дикого тура (Европа), стеллерову корову (Командорские острова), лошадь Пржевальского.
Многие виды животных и растений находятся на стадии исчезновения: однорогий азиатский носорог, цейлонский и африканский слоны, азиатский лев и др.; большая белая цапля, белый журавль, краснозобая казарка и др.; финиковая и кокосовая пальмы, сахарный тростник и др.
За последние 100 лет из флоры Белорусского Полесья исчезло более 70 видов травянистых растений: герань голубиная, лук причесночный, фиалка высокая, горошек чиновидный и др. Более 100 видов растений, т. е. 8 % состава флоры Полесья, находятся под угрозой исчезновения.
Начиная с эпохи собирательства и до наших дней (эпохи научно-технического прогресса и демографического взрыва) влияние отрицательного фактора постепенно усиливается. В процессе своей деятельности человек создал большое количество разнообразных сортов растений и пород животных, преобразовал естественные природные комплексы. Изменения, производимые им в природной сфере, для одних видов живых существ являются благоприятными, а для других – неблагоприятными.
На формирование флоры и фауны отдельных регионов оказывают влияние акклиматизация животных и интродукция растений, а также случайный завоз человеком многих видов животных и растений. В связи с поселением человека появились и широко распространились такие виды животных, как комнатная муха, домовая мышь и серая крыса, а также сорные растения: обыкновенный одуванчик, лопух, подорожник, осот и др.
Культурные биогеоценозы занимают большие площади: огороды, сады, посевы риса, кукурузы, пшеницы, чайные плантации, хлопковые поля и др. В результате оросительных и осушительных мероприятий человек формирует совершенно новые фитоценозы на лугах, используемых в качестве сенокосов, пастбищ.
При гидромелиоративных работах меняется флористико-фаунистический состав. Вырубив леса, человек создает новые биогеоценозы. На месте широколиственных и хвойно-широколиственных лесов создаются монодоминантные хвойные леса, отличающиеся простотой структуры, меньшей насыщенностью видами.
В то же время загрязнения воздуха, воды, почвы промышленностью, транспортом, минеральными удобрениями, пестицидами, используемыми в сельском и лесном хозяйстве, а также радиоактивное загрязнение оказывают негативное влияние на животный и растительный мир. У животных и растений отмечаются функциональные нарушения, возникают стрессовые ситуации, снижается жизнедеятельность, а иногда они гибнут. Особенно сильно влияют химические загрязнения на насекомых: пчел, шмелей, муравьев и др. Радиоактивное загрязнение долгоживущими радионуклидами (137Cs, 90Sr) порождает многие заболевания; происходит также передача радионуклидов по пищевым цепям.
Косвенное воздействие человека на окружающую среду осуществляется путем ее преобразования. Человек, переделывая природу и приспосабливая ее к своим потребностям, влияет на среду обитания животных и растений. Это осуществляется путем изменения ландшафтов, климата, физического и химического состояния атмосферы и водоемов, строения поверхности земли, почв, растительности и животного мира.
Человек сознательно или бессознательно истребляет или вытесняет одни виды животных и растений и распространяет другие, создавая для них благоприятные условия. Осушение болот, постройка крупных плотин, распашка целины могут вызвать непредвиденные нежелательные последствия.
Осушение болот привело:
• к понижению уровня залегания грунтовых вод на прилегающих территориях, т. е. к самоосушению небольших болот, снижению растительных сообществ в сторону ксерофитизации, значительному уменьшению численности животных и прежде всего птиц;
• проблемам водоснабжения населенных мест;
• усыханию еловых лесов, сокращению численности таких птиц, как глухари, журавли, кулики, дикие утки, а также лягушек, змей и др.;
• горению торфяников и просадке грунта.
Косвенное воздействие человека на животных и растения проявляется в изменении условий их существования. Например, вырубка осиновых лесов порождает неблагоприятные условия для птиц, гнездящихся в дуплах (дятлов и др.).
