М.Є. Кучеренко, Ю.Г. Вервес, П.Г. Балан, В.М. Войніцький, Загальна біологія, 10 клас

Водне середовище існування.

План

Тема. Екологічні чинники. Середовища існування.

1.Класифікація екологічних факторів.

2. Наземно – повітряне середовище існування.

4. Грунт та інші живі організми як середовище існування.

Студенти повинні знати:

- поняття абіотичних, біотичних, антропічних факторів;

- характеристику середовищ існування;

Студенти повинні вміти:

- знаходити риси адаптацій у організмів до умов існування;

Література:

2.Біологія: Навч. посіб. / А. О. Слюсарєв, О. В. Самсонов, В.М.Мухін та ін.; За ред. та пер. з рос. В. О. Мотузного. — 3тє вид., випр. і допов. — К.: Вища шк., 2002. — 622 с.: іл.

3. Словник-довідник з ботаніки. – К., 1994.

Усі організми потенційно здатні до необмеженого розмноження і розселення: навіть види, що ведуть прикріплений спосіб життя, мають хоча б одну фазу розвитку, на якій здатні до активного чи пасивного розповсюдження. Але, незважаючи на це, видовий склад організмів, які мешкають у різних кліматичних зонах, майже не змінюється: для кожної з них характерний певний набір видів тварин, рослин і грибів. Це пояснюється тим, що здатність організмів до розмноження і розселення обмежена певними географічними перешкодами (моря, гірські хребти, пустелі тощо), кліматичними факторами (температура, вологість та ін.), а також взаємозв'язками між організмами різних видів.

Усі компоненти середовища існування, які впливають на живі організми та їхні угруповання, називають екологічними факторами. Залежно від природи й особливостей дії на організми їх поділяють на абіотичні, біотичні та антропогенні.Абіотичні фактори - це компоненти і властивості неживої природи (температура, вологість, освітленість, газовий склад атмосфери, сольовий склад води тощо), які прямо чи опосередковано впливають на окремі організми або їхні угруповання.Біотичні фактори - це різні форми взаємодій між особинами в популяціях і між популяціями в угрупованнях. Вони можуть бути антагоністичними (конкуренція, паразитизм тощо), взаємовигідними (мутуалізм) чи нейтральними. Будь-який організм постійно взаємодіє з особинами свого (внутрішньо-видові зв'язки) чи інших (міжвидові зв'язки) видів.До окремої групи екологічних факторів належать різні форми господарської діяльності людини - антропогенні фактори, які змінюють стан середовища існування різних видів живих істот, у тому числі й самої людини. За відносно короткий період існування людини як біологічного виду її діяльність докорінно змінила вигляд нашої планети і з кожним роком цей вплив усе більше зростає.Інтенсивність дії певних екологічних факторів може залишатися відносно постійною протягом значних історичних періодів розвитку біосфери (наприклад, сонячне випромінювання, сила земного тяжіння, газовий склад атмосфери). Але інтенсивність дії більшості з них мінлива (температура, вологість тощо).

Ступінь мінливості кожного з екологічних факторів залежить від особливостей середовища існування організмів. Наприклад, температура на поверхні ґрунту може значно змінюватись залежно від пори року і, навіть, часу доби, тоді як на глибині понад 3 м такі зміни практично відсутні.Зміни дії екологічних факторів можуть бути:
- періодичними, залежно від часу доби, пори року, положення Місяця відносно Землі тощо;
- неперіодичними, наприклад, виверження вулканів, землетруси, урагани тощо;
- спрямованими протягом значних історичних проміжків часу, наприклад, зміни клімату Землі.

Кожен із живих організмів постійно пристосовується до всього комплексу екологічних факторів, тобто до середовища існування, регулюючи свої процеси життєдіяльності відповідно до їхніх змін. При цьому до дії кожного з них він пристосовується незалежно від інших. Організми, які виявляються нездатними пристосуватись до змін довкілля, зникають із певної екосистеми або з планети взагалі. Пристосування до певного середовища виникають не відразу, а формуються протягом історичного розвитку виду. В цьому і проявляється принцип єдності організмів і середовища їхнього існування: організми пристосовані саме до того середовища, в якому вони мешкаютьЯкі загальні закономірності впливу екологічних факторів на живі організми? Хоча екологічні фактори дуже різноманітні за своєю природою, існують певні закономірності їхнього впливу на живі організми, а також реакцій організмів на дію цих факторів. Пристосування організмів до умов середовища існування називають адаптаціями (від лат. адаптатіо - пристосування).

Вони виникають на всіх рівнях організації живої матерії: від молекулярного до біогеоценотичного. Але адаптації непостійні: вони змінюються в процесі історичного розвитку виду залежно від змін інтенсивності дії екологічних факторів.Кожен вид організмів пристосовується до певних умов довкілля особливим чином, тобто не існує двох близьких видів, подібних за своїми адаптаціями {правило екологічної індивідуальності). Наприклад, два види ссавців: кріт (ряд Комахоїдні) і сліпак (ряд Гризуни) пристосовані до існування в ґрунті. Але кріт риє ходи за допомогою передніх кінцівок, а сліпак — різців. Якщо організм добре пристосований до дії певного екологічного фактора, то це не означає, що він так само пристосований і до дії інших. Наприклад, лишайники можуть оселятись на субстратах, бідних на органіку (наприклад, скелях), і витримувати тривалі періоди посухи, але дуже чутливі до забруднення атмосферного повітря.Існує і закон оптимуму: кожен з екологічних факторів має лише певні межі позитивного впливу на організми. Межі інтенсивності дії екологічного фактора, сприятливої для організмів певного виду, називають зоною оптимуму. Чим більше інтенсивність дії екологічного фактора відхилятиметься від оптимуму в той чи інший бік, тим більше буде його пригнічувальна дія на живі організми (зона пригнічення). Значення інтенсивності дії фактора, за якими існування організмів стає взагалі неможливим, називають верхньою та нижньою межами витривалості (або відповідно точками максимуму і мінімуму). Відстань між точками максимуму і мінімуму - це ті межі інтенсивності дії екологічного фактора, в яких можливе існування організмів певного виду.Оптимум і межі витривалості організмів по відношенню до дії певного фактора залежать від того, з якою інтенсивністю і в якому поєднанні діють інші (явище взаємодії екологічних факторів). Наприклад, низькі температури легше переносити у суху і безвітряну погоду.Мала інтенсивність дії деяких екологічних факторів може бути частково компенсована іншими подібними факторами (закон взаємокомпенсації екологічних факторів). Так, у місцях, де багато стронцію, молюски під час росту черепашок можуть частково замінювати ним кальцій. Нестачу світла фотосинтезуючі рослини можуть частково компенсувати надлишком двооксиду карбону. Але взаємокомпенсація екологічних факторів має певні межі й жоден із 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 оптимальне поєднання та інтенсивність дії інших. Так, у місцях, де багато стронцію, молюски можуть замінювати ним кальцій під час росту черепашок лише частково; нестача вологи гальмуватиме процес фотосинтезу навіть за оптимальних освітлення і концентрації С02 в атмосфері.Фактор, інтенсивність дії якого наближується до меж витривалості або виходить за них, називають обмежувальним. Обмежувальні фактори визначають територію розселення виду - його ареал (від лат. ареа - площа, простір). Так, поширення багатьох видів тварин на північ стримується нестачею тепла і світла, на південь - дефіцитом вологи. Отже, можливість існування виду в певних умовах визначається будь-яким фактором, інтенсивність дії якого наближуватиметься до критичних точок мінімуму та максимуму

Наземно-повітряне середовище набагато складніше для життя, ніж водне. Тіла живих організмів оточені повітрям – газоподібним середовищем з низькою густиною, високим вмістом кисню і малою кількістю водяної пари. Це надзвичайно змінює умови дихання, водообміну та переміщення живих істот.
Мешканці повітряного середовища повинні мати власну опорну систему, яка підтримує тіло:
- рослини - різноманітними механічними тканинами;
- тварини – твердим або гідростатичним скелетом.
Всі мешканці повітряного середовища тісно пов’язані з поверхнею землі, яка служить їм для прикріплення і опори, тому що життя у завислому стані в повітрі неможливе.
Мала піднімальна сила повітря визначає максимальну масу і розміри наземних організмів. На поверхні найкрупніші тварини менші,ніж гіганти водного середовища. Ссавець розміром із сучасного кита не міг би існувати на суші, оскільки його розчавила б власна маса.
Мала густина повітря зумовлює низьку опірність щодо переміщення. Тому численні наземні тварини використали в ході еволюції екологічні переваги цієї властивості повітряного середовища, набувши здатності літати. До активного польоту здатні 75% видів усіх наземних тварин, переважно комахи та птахи. Літають наземні тварини в основному з допомогою мускульних зусиль і планувати за рахунок повітряних течій.
Завдяки рухливості повітря, вертикальним та горизонтальним переміщенням повітряних мас у нижніх шарах атмосфери можливий пасивний політ ряду організмів. У багатьох видів саме тому розвинена анемохорія – розселення з допомогою повітряних течій. Анемохорія характерна для спор, насіння, плодів, цист найпростіших, дрібних комах, павуків… Організми, які пасивно переносяться потоками повітря, дістали назву аеропланктону. Спеціальні адаптації для пасивного польоту – дуже малі розміри тіла, збільшення його площі за рахунок виростів, сильного розчленування, великої відносної поверхні крил, використання павутини, крилаті вирости насіння, повітряні вирости пилкових зерен…
У розселенні мікроорганізмів, тварин і рослин головну роль відіграють вертикальні конвекційні потоки повітря і слабкі вітри. На багатьох океанічних островах переважають безкрилі комахи, оскільки їх зносить вітром у воду, коли вони намагаються піднятися. Вітри посилюють віддачу організмами вологи і тепла. При вітрі легше переноситься спека і важче морози, швидше настає висушення й охолодження тіла.
Всі наземні організми існують в умовах порівняно низького тиску, зумовленого малою густиною повітря. В нормі він дорівнює 760 мм ртутного стовпчика. Із збільшенням висоти над рівнем моря тиск зменшується, а низький тиск обмежує поширення видів у горах. Зниження тиску спричиняє зменшення забезпеченості киснем і зневодненням тварин за рахунок збільшення частоти дихання.
Крім фізичних властивостей повітряного середовища, для існування наземних організмів надзвичайно важливі його хімічні особливості. Газовий склад повітря у приземному шарі атмосфери досить однорідний щодо вмісту головних компонентів. Але різні домішки газоподібних, краплиннорідких і твердих пилових часток, що потрапляють в атмосферу, мають суттєве екологічне значення.
Кисень, через постійно високий вміст у повітрі не є фактором, який лімітує життя в наземному середовищі. Вміст вуглекислого газу може змінюватися в окремих ділянках приземного шару повітря у досить значних межах. Закономірними є добові зміни вмісту вуглекислоти у приземних шарах, пов’язані з фотосинтезом і сезонні, зумовлені змінами інтенсивності дихання живих організмів. Низький вміст вуглекислого газу гальмує процес фотосинтезу. Азот повітря для більшості представників наземно-повітряного середовища є інертним газом, але бульбочкові бактерії, синьо-зелені водорості … мають здатність зв’язувати його і вводити у біологічний кругообіг. Місцеві домішки, що надходять у повітря, також можуть суттєво впливати на живі організми.
Дефіцит вологи – одна з найсуттєвіших особливостей наземно-повітряного середовища. Режими вологості середовища на суші дуже різноманітні. Добовий і сезонний вміст водяної пари в атмосфері досить великий. Водозабезпечення наземних організмів залежить також від режиму опадів, наявності водойм, запасів грунтової вологи… .
Температурні коливання мають у наземно-повітряному середовищі великий розмах. У більшості районів суші добові й річні амплітуди температур становлять десятки градусів.
Стійкість до температурних змін середовища у наземних мешканців дуже різна, залежно від того, в якій місцевості протікає їхнє життя.

Життя в постійних сутінках чи в темряві надто обмежує можливості зорової орієнтації гідробіонтів. У зв'язку зі швидким згасанням світлових променів у воді навіть ті, хто має добре розвинені органи зору, орієнтуються за їхньою допомогою лише на близькій відстані.
Звук поширюється у воді швидше, ніж у повітрі. Орієнтація на звук розвинена в гідробіонтів загалом краще, ніж зорова. Ряд видів уловлює навіть коливання дуже низької частоти (інфразвуки), що виникають під час зміни ритму хвиль, і завчасно спускається перед штормом із поверхневих шарів у більш глибокі (наприклад медузи). Багато мешканців водойм — ссавці, риби, молюски, ракоподібні — самі видають звуки. Ракоподібні здійснюють це тертям одна об одну різних частин тіла, риби — за допомогою плавального міхура, глоткових зубів, щелеп, променів грудних плавців та іншими способами. Звукова сигналізація слугує найчастіше для внутрішньовидових взаємин, наприклад, для орієнтації в зграї, привертання уваги особин іншої статі тощо, й особливо розвинута в мешканців каламутних вод і великих глибин, що живуть у темряві. Ряд гідробіонтів відшукує їжу й орієнтується за допомогою ехолокації— сприйняття відображених звукових хвиль (китоподібні). Багато водних мешканців сприймають відображені електричні імпульси, видаючи під час плавання розряди різної частоти. Відомо близько 300 видів риб, здатних генерувати електричний імпульс і використовувати його для орієнтації й сигналізації. Прісноводна рибка водяний слон видає до 30 імпульсів за секунду, виявляючи безхребетних, яких вона добуває в рідкому мулі без допомоги зору. Частота розрядів у деяких морських риб доходить до 2000 імпульсів за секунду. Ряд риб використовує електричні поля також для захисту й нападу (електричний скат, електричний вугор та ін.). Для орієнтації в глибині служить сприйняття гідростатичного тиску. Воно здійснюється за допомогою статоцистів, газових камер та інших органів.
Найдавніший спосіб орієнтації, властивий усім водним тваринам,— сприйняття хімічного складу середовища. Хеморецептори багатьох гідробіонтів є надзвичайно чутливими. У тисячокілометрових міграціях, характерних для багатьох видів риб, вони орієнтуються в основному за запахами, з разючою точністю знаходячи місця нерестовищ або нагулу. Наприклад, експериментально доведено, що лососі, штучно позбавлені нюху, не знаходять гирла своєї ріки, повертаючись на нерест, але ніколи не помиляються, якщо можуть сприймати запахи. Тонкість нюху надзвичайно велика в риб, що здійснюють особливо далекі міграції. Наприклад, вугрі, які годуються в європейських річках, а нерестяться біля берегів Центральної Америки, реагували під час дослідів на етиловий спирт при концентрації його у воді 1 г на 6 тис. км3.

Деяким гідробіонтам властивий особливий характер харчування — це відціджування чи осадження завислих (суспендованих) У воді частинок органічного походження та численних дрібних організмів. Такий спосіб харчування, який не потребує великих витрат енергії на пошуки здобичі, характерний для пластинчасто-зябрових молюсків, сидячих голкошкірих, поліхет, моховинок, асцидій, планктонних рачків тощо. Тварини - фільтратори виконують дуже важливу роль у біологічному очищенні водойм. Літоральна зона океану, особливо багата скупченнями фільтрівних організмів, працює як ефективна очисна система.

На Землі існує багато тимчасових, неглибоких водойм, що виникають після розливу рік, сильних дощів, танення снігу тощо. У цих водоймах, незважаючи на нетривалість їхнього існування, поселяються різноманітні гідробіонти. Загальними особливостями мешканців пересихаючих басейнів є здатність давати за короткі терміни численних нащадків і витримувати тривалі періоди без води. Представники багатьох видів при цьому закопуються в мул, переходячи до стану зниженої життєдіяльності. Так поводяться щитні, гіллястовусі рачки, планарії, малощетинкові черви, молюски й навіть риби — в'юн, африканський протоптерус і південноамериканський лепідосирен із дводишних. Багато дрібних видів утворюють цисти, які витримують посуху,— наприклад, сонцевики, інфузорії, корененіжки, ряд веслоногих рачків, турбелярій, деякі нематоди; інші переживають несприятливий період у стадії високостійких яєць. Нарешті, деяким дрібним мешканцям пересихаючих водойм притаманна унікальна здатність висихати до стану плівки, а при зволоженні відновлювати зростання й розвиток.