Закон лимитирующего фактора

Необходимо знать, что любой живой организм в природных условиях подвергается одновременному воздействию со стороны многих экологических факторов ‑ как биотических, так и абиотических, причем каждый фактор требуется организму в определенных количествах.

Один из основоположников агрохимии немецкий ученый Ю. Либих(1803 – 1873 гг.) сформулировал в 1840 г. теорию минерального питания растений. Он установил, что развитие растений зависит не только от тех химических элементов или веществ (т.е. факторов), которые присутствуют в достаточном количестве, но и от тех, которых не хватает. Например, избыток воды или азота не заменяют недостатка бора или железа, которые обычно присутствуют в почве в микроколичествах. В результате своих исследований Либих сформулировал "закон минимума". Согласно этому закону в почве необходимо увеличивать содержание того питательного вещества, которое в ней находится в минимальном количестве.

Закон минимума справедлив не только для растений. Например, здоровье человека определяется специфическими веществами, которые обычно присутствуют в организме в ничтожных концентрациях. Если содержание этих веществ снижается за пределы допустимого минимума, то человек должен компенсировать их недостатки специальными диетами.

Закон Либиха ‑ один из основополагающих законов экологии.

Но в начале двадцатого века американский ученый В. Шелфордпоказал, что не только вещество, присутствующее в минимуме, может определять жизнеспособность организма, но и избыток какого-то элемента также может приводить к нежелательным последствиям.

Например, избыток ртути в организме человека вызывает тяжелые функциональные расстройства, а избыток воды в почве ведет к аналогичным последствиям для растений: возможно загнивание их корней из-за анаэробных процессов, закисание почвы и т.п.

Животные, растения и микроорганизмы очень чувствительны к малейшим изменениям рН. Это хорошо знают специалисты, занятые биологической очисткой сточных вод: колебание кислотности сточных вод ограничивает стабильность активного ила на очистных сооружениях и снижает эффективность их "работы". Согласно В. Шелфорду, факторы, присутствующие как в избытке, так и в недостатке (по отношению к оптимальным требованиям организма), называются лимитирующими, а соответствующее правило получило название закона "лимитирующего фактора" или "закона толерантности" Шелфорда.

Слово "толерантный" при этом переводят как устойчивый, терпимый, а толерантность квалифицируют как способность организма выдерживать отклонения экологических факторов от значений, оптимальных для его жизнедеятельности.

Их изложенного и вытекает закон В. Шелфорда:

Любой живой организм имеет определенные, эволюционно унаследованные верхний и нижний пределы устойчивости (толерантности) к любому экологическому фактору.

Закон В. Шелфорда имеет непосредственное отношение к санитарной охране окружающей среды и к санитарно-гигиеническому нормированию содержания загрязняющих веществ в воздухе, воде, почве, пищевых продуктах.

Важно запомнить, что в санитарной охране окружающей среды важны не нижние пределы устойчивости организма к вредным веществам, а именно верхние пределы (т.е. предельно допустимая концентрация или ПДК), поскольку загрязнение окружающей среды ‑ это и есть превышение устойчивости организма.

Из этого вытекает первое правило охраны окружающей среды, выраженное языком экологии. Охранять окружающую среду означает обеспечить состав и режим ее экологических факторов в пределах унаследованной толерантности живого (в первую очередь - человеческого организма ), т.е. управлять средой так, чтобы ни один ее фактор не оказался лимитирующим по отношению к организму.

2.4. Адаптация живых организмов к экологическим факторам

Живые организмы приспособлены к определенным условиям окружающей среды. Изменение ее параметров, их выход за некоторые границы подавляет жизнедеятельность живых организмов и может вызвать их гибель. Требования того или иного живого организма к факторам среды обитания обусловливают границы его распространения (ареал) и место, занимаемое в экосистеме. Иначе говоря, любой вид животного или растения способен нормально существовать только в том месте, где его "прописала" эволюция за многие тысячелетия, начиная с его предков. Каждый вид живого организма занимает в природе свою, только ему присущую экологическую нишу. Экологическая ниша - это совокупность множества параметров среды, определяющих условия существования того или иного вида, и его функциональных характеристик, преобразование им энергии, обмен информацией со средой и с себе подобными.

Экологическая ниша включает не только положение вида в пространстве, но и функциональную роль его в сообществе и его положение относительно абиотических условий существования , таких как температура, влажность и т.д.

Способность вида адаптироваться к отдельным факторам или к их комплексу называется экологической валентностью или пластичностью.

Чем выше пластичность вида, тем выше и его приспособляемость к конкретной экологической системе, тем больше шансов у его популяции выжить в условиях динамичных факторов среды.

Эволюционно выработанные и наследственно закрепленныеособенности живых организмов, обеспечивающие их нормальную жизнедеятельность в условиях динамичных экологических (биотических и абиотических) факторов, называются адаптациями.

Любой живой организм может обитать лишь в тех местах, где экологические факторы соответствуют необходимым условиям. Особи, не приспособленные к изменяющимся условиям, вымирают. Адаптации бывают морфологическими ,физиологическими и поведенческими.

Примером морфологических адаптаций является строение организмов. В частности, для обитателей воды морфологическими адаптациями являются приспособления к плаванию у рыб, приспособления к зависанию в воде у планктонных организмов. Растение, обитающие в пустынях, лишены листьев, и их строение наилучшим образомприспособлено к минимальным потерям влаги.

Физиологические адаптации заключаются, например, в особенностях ферментативного набора в пищеварительном тракте у животных в зависимости от состава пищи.

Другим примером физиологической адаптации является способность верблюдов удовлетворять свою жажду путем биохимического окисления собственных жиров. Биохимические процессы фотосинтеза отражают способность растений создавать из неорганических веществ органические в условиях определенного газового состава атмосферы.

Поведенческие (этологические) адаптации проявляются в самых разнообразных формах. Например, существуют формы приспособительного поведения животных, направленные на обеспечение оптимального теплообмена с окружающей средой. Приспособительное поведение может проявляться в создании убежищ, в выборе мест с оптимальной влажностью или освещенностью и т.д.

Человек ‑ один из представителей биосферы Земли. Он не утратил своей биологической сущности и все законы экологии справедливы для него в той же мере, в какой они справедливы и для других живых существ.

Пространство, в котором локализована экологическая ниша человека (т.е. место, где режимы факторов не выходят за пределы унаследованной от предков толерантности), весьма ограничено.

Человек может обитать только в пределах суши.

По вертикали его ниша простирается примерно на 3 ‑ 3,5 км над уровнем моря.

За пределами исходного ареала человек выживает не путем адаптации, а с помощью специально создаваемых защитных устройств (теплые жилье и одежда, кислородные приборы и т.п.).

В условиях промышленных предприятий многие факторы (вибрация, шум, температура, электромагнитные поля, примеси ряда веществ в воздухе и др.) находятся за пределами толерантности человеческого организма.

Из этого следует второе основное правило охраны природы с экологических позиций: охрана природы (и окружающей среды) состоит в системе мероприятий по сохранению экологических ниш для живых организмов, включая и человека.

Таким образом, либо ниша человека будет сохранена для настоящего и будущих поколений, либо человек как биологический вид будет обречен на исчезновение.