Зависимость строения и образа жизни организмов от среды обитания

Разные организмы распределены по различным местообитаниям отнюдь не беспорядочно: между организмами и средой имеется соответствие. Это соответствие проявляется в сходстве строения и образа жизни организмов, которые обитают в сходных условиях, но принадлежат к различным ветвям эволюционного дерева (то есть между ними отсутствует родственная связь, которая могла бы служить источником возникновения общих признаков или свойств). Экологическое положение организмов как бы запечатлевается в них самих.

Крупные водные хищники, возникли в четырех совершенно различных группах животных: среди рыб, пресмыкающихся, птиц и млекопитающих. Их внешнее сходство образовалось под влиянием образа жизни и факторов внешней среды при совершенно разных исходных положениях организмов в процессе эволюционного развития. Это сходство скрывает глубокие различия внутреннего строения и обмена веществ, которые свидетельствуют о столь же глубоких различиях эволюционной истории изображенных животных. Пути эволюционных преобразований их внешнего строения можно изобразить в виде сходящихся в общей точке векторов, начальное положение которых было совершенно различным. Преобразования подобного типа называют конвергентной эволюцией.

Жизненные формы организмов

Определённые типы внешнего строения, возникшие как приспособления к экологическим условиям местообитания, называют жизненными формами организмов.

Среди приспособлений организмов к условиям среды, возникших в результате эволюции, наиболее наглядными можно считать приспособления (адаптации), проявляющиеся в особенностях внешнего строения растений и животных. Их называют морфологическими (от греч. морфе ― форма). Определенные типы внешнего строения, возникшие как приспособления к экологическими условиям местообитаний, называют жизненными формами организмов.

Жизненные формы у растений и животных очень разнообразны. Они выделяются по совокупности признаков строения и образа жизни. Так, наиболее широко распространенные жизненные формы растений ― деревья, кустарники, травы. Последние делятся на водные и наземные, среди которых, в свою очередь, также выделяются разнообразные формы. Яркие примеры приспособлений к суровым условиям среды дают такие жизненные формы растений, как суккуленты (в засушливом климате), лианы (при недостатке света), стланики и растения-подушки (в тундрах, высокогорьях с низкой температурой и сухостью при сильных ветрах).

Жизненные формы животных выделяются по разным признакам для разных систематических групп. Так, для зверей одними из основных признаков для выделения жизненных форм, помимо среды обитания, считаются способы передвижения (ходьба, бег, прыжки, плавание, ползание). Характерными чертами внешнего строения наземных прыгунов, например, являются длинные задние конечности с сильно развитой мускулатурой бедер, длинный хвост, короткая шея. К ним относятся обычно обитатели открытых пространств: азиатские тушканчики, австралийские кенгуру, африканские прыгунчики и другие прыгающие млекопитающие, живущие на разных континентах.

Жизненные формы птиц различают по типу их местообитания и способу добывания пищи, а у рыб ― в основном по форме тела. Жизненные формы обитателей водоемов также выделяют по типу их местообитаний. Так, в водной толще мелкие организмы образуют планктон (от греч. планктос ― блуждающий), то есть совокупность организмов, живущих во взвешенном состоянии и неспособных противостоять течениям. Обитатели грунта образуют бентос (от греч. бентос ― глубина). К отдельным жизненным формам относятся организмы, живущие у поверхностной пленки воды или на различных твердых субстратах.

Сходные жизненные формы возникли в результате эволюции, происходящей в сходных экологических условиях у систематически разных организмов: например, кенгуру и тушканчики, дельфины и рыбы, птицы и летучие мыши, черви и змеи и т. д.

Нельзя считать, что, претерпев ряд глубоких изменений в процессе эволюции и достигнув большого разнообразия, живая природа застыла в неизменном облике. Она продолжает меняться. И эта способность организмов к изменению является важнейшим фактором, обеспечивающим соответствие между организмами и средой их обитания.

Типы взаимодействий

В природе часто встречается сожительство двух или более видов, которое в ряде случаев становится необходимым для обоих партнеров. Такое сожительство называют симбиотическим взаимоотношением организмов (от сочетания сим ― вместе, био ― жизнь) или симбиозом. Термин «симбиоз» является общим, им обозначают сожительство, обязательным условием которого является совместная жизнь, определенная степень сожительства организмов.

Классическим примером симбиоза являются лишайники, представляющие собой тесное взаимовыгодное сожительство грибов и водорослей.

Типичный симбиоз представляют отношения термитов и живущих в их кишечниках одноклеточных ― жгутиковых. Эти простейшие производят фермент, разлагающий клетчатку на сахар. Термиты не имеют собственных ферментов для переваривания целлюлозы и без симбионтов погибли бы. А жгутиковые находят в кишечнике благоприятные условия, способствующие их выживанию. Широко известный пример симбиоза ― сожительство зеленых растений (прежде всего деревьев) и грибов.

По степени соединения организмов и по их пищевой зависимости друг от друга различают несколько типов симбиоза: мутуализм, паразитизм, комменсализм.

Тесные взаимовыгодные отношения, при которых присутствие каждого из двух видов-партнеров становится обязательным, называется мутуализмом (++). Таковы, например, взаимоотношения узкоспециализированных к опылению растений (инжир, купальница, дурман, орхидные) с опыляющими их видами насекомых.

Симбиотические взаимоотношения, при которых один вид получает какое-либо преимущество, не принося другому ни вреда, ни пользы, называется комменсализмом (+0). Проявления комменсализма разнообразны, поэтому в нем выделяют ряд вариантов.

Нахлебничество ― потребление остатков пищи хозяина. Это, допустим, взаимоотношения львов и гиен, подбирающих остатки недоеденной пищи, или акул с рыбами-прилипалами.

Сотрапезничество ― потребление разных веществ или частей одной и той же пищи. Пример ― взаимоотношения между различными видами почвенных бактерий-сапрофитов, перерабатывающих разные органические вещества из перегнивших растительных остатков, и высшими растениями, которые потребляют образовавшиеся при этом минеральные соли.

Квартирантство ― использование одними видами других (их тел, их жилищ) в качестве убежища или жилища. Такой тип взаимоотношений широко распространен у растений ― примером могут служить лианы и эпифиты (орхидеи, лишайники, мхи), поселяющиеся непосредственно на стволах и ветвях деревьев.

При паразитизме (+ ―) организмы одного вида (паразита) живут за счет питательных веществ или тканей организма другого вида (хозяина). Паразитизм близок к хищничеству, о котором будет сказано ниже, однако в отличие от настоящего хищника паразит не убивает хозяина сразу.

Обычно он использует живого хозяина как место своего временного или постоянного проживания. Паразит изнуряет, но не губит хозяина, поскольку последний обеспечивает его существование. Популяция паразита, как правило, больше популяции хозяина.

В природе встречаются и такие формы взаимоотношений между видами, когда совместное существование не является для них обязательным. Эти взаимоотношения не относятся к симбиотическим, хотя и играют важную роль в существовании организмов.

Примером взаимополезных связей является протокооперация (буквально: первичное сотрудничество) (++), к которой можно отнести распространение муравьями семян некоторых растений леса или опыление пчелами разных луговых растений.

Если два и более вида используют сходные экологические ресурсы и обитают совместно, между ними может возникнуть конкуренция (― ―), или борьба за обладание необходимым ресурсом. Конкуренция происходит там, где экологические ресурсы находятся в недостатке, и между видами неизбежно возникает соперничество. Каждый вид при этом испытывает угнетение, что отрицательно сказывается на росте и выживаемости организмов, на численности их популяций.

Конкуренция чрезвычайно широко распространена в природе. Так, например, растения конкурируют за свет, влагу, питательные вещества почвы и, следовательно, за расширение своей территории. Животные борются за пищевые ресурсы и за убежища (если они в дефиците), то есть, в конечном счете, также за территорию. Конкурентная борьба ослабевает в местностях с редким населением, представленным малым числом видов: например, в арктических или пустынных областях почти нет конкурентной борьбы растений за свет Хищничество (+ ―) ― такой тип взаимоотношений организмов, при котором представители одного вида убивают и поедают представителей другого. Хищничество ― одна из форм пищевых отношений.

Для типичного хищника (волка, рыси, норки) характерно охотничье поведение. Но кроме хищников-охотников существует большая группа хищников-собирателей, способ питания которых заключается в простом поиске и сборе добычи. Таковы, например, многие насекомоядные птицы, собирающие пищу на земле, в траве или на деревьях. Хищничество ― широко распространенная форма биотических отношений. В качестве ослабленной формы хищничества можно рассматривать паразитизм.

Если два вида не влияют друг на друга, то это ― нейтрализм (00). В природе истинный нейтрализм очень редок, поскольку между всеми видами возможны опосредованные взаимодействия, эффекта которых мы не видим в силу неполноты наших знаний.

Нередко в природе встречаются такие взаимоотношения, которые одновременно несут признаки различных типов. Например, переходными от хищничества к паразитизму являются взаимоотношения между кровососущими ― пиявками и их хозяевами.

Все перечисленные выше типы взаимоотношений и их общие характеристики сведены в таблицу «Типы биотических взаимоотношений».

Следует помнить, что типы взаимоотношений конкретной пары видов могут изменяться в зависимости от внешних условий или стадии жизни взаимодействующих организмов. К тому же в природе во взаимоотношения оказывается вовлеченной не пара видов, а гораздо большее число. Межвидовые связи в природе бесконечно разнообразны.

Практическая работа 14

 

Цель работы

Обучаемый должен знать основные факторы окружающей среды, влияющие на организмы и основные жизненные формы организмов как результат приспособления к экологическим условиям местообитания.

Обучаемый должен уметь анализировать сочетанное влияние факторов на организм и определять лимитирующие факторы среды.

 

Бюджет времени

На изучение темы отводится 6 часов. Из них 2 часа – лекции, 2 часа практические занятия и 2 часа – на самоподготовку.

 

ЛИТЕРАТУРА

- Пехов А.П. Биология с основами экологии. - СПб.: Издательство «Лань», 2000. - 672 с.

- Биология. В2 кн./ Под ред. В.Н.Ярыгина.- М.: Высш. Шк., 2001.

 

Задание 1. На рисунке приведена экограмма зависимости смертности куколок яблоневой плодожорки от двух факторов: влажности и температуры.

- Определите, какой фактор будет ограничивающим в точке с координатами:

1. влажность – 18%; температура – 30%;

2. влажность – 75%; температура – 2%;

3. влажность – 70%; температура – 37%.

 

- Назовите диапазон оптимальной для вида:

1. температуры;
2. влажности.

 

- Назовите пределы выносливости вида (диапазон между критическими точками) по температуре и влажности.

 

Задание 2. Заполните таблицу:

№ п/п	Тип взаимодействия	Вид	Общий характер взаимодействия	Пример

 

 

Вопросы для самоконтроля

1. Какое влияние оказывает температура на различные виды организмов?

2. Каким способом животные и растения получают необходимую им воду?

3. Какое влияние оказывает на организмы освещённость?

4. Что такое условия среды?

 

 

Тема 15

ЭКОСИСТЕМЫ. БИОГЕОЦЕНОЗЫ

 

Сообщество (биоценоз) ― совокупность видов животных и растений, длительное время сосуществующих в определенном пространстве и образующих экологическое единство. Как и популяция, сообщество имеет собственные свойства и характеризуется собственными показателями, присущими только ему. Свойствами сообщества являются устойчивость (то есть способность противостоять внешним воздействиям), продуктивность (способность производить живое вещество). Показателями сообщества являются характеристики его состава (видовое разнообразие, структура пищевой сети), а также соотношение отдельных групп организмов. Одна из главных задач экологии ― выяснить взаимосвязи между свойствами и составом сообщества, которые проявляются независимо от того, какие виды в него входят.

Экосистема ― это любое сообщество живых существ (биоценоз) вместе с его физической средой обитания (экотопом), функционирующее как единое целое. Примером экосистемы может служить пруд, включающий в себя сообщество гидробионтов (организмов, жизнь которых протекает в воде), физические свойства и химический состав воды, особенности рельефа дна, состав и структуру грунта, взаимодействующий с поверхностью воды атмосферный воздух, солнечную радиацию.

В экосистемах происходит постоянный обмен энергией и веществом между живой и неживой природой. Этот обмен носит устойчивый характер. Элементы живой и неживой природы находятся в постоянном взаимодействии.

Изучение экосистем необходимо для получения знаний о том, как функционируют сообщества, отчего происходят и куда направлены их изменения, какое влияние оказывает жизнь на окружающую ее неживую природу. Экосистема, по сути, это то, что мы называем природой.

Экосистема ― основная функциональная единица живой природы, включающая и организм, и абиотическую среду, причем каждая часть влияет на другую и обе необходимы для поддержания жизни в том виде, в каком она существует на Земле.

Экосистема ― понятие очень широкое и применимое как к естественным (например, тундра, океан), так и к искусственным комплексам (например, аквариум). Поэтому для обозначения элементарной природной экосистемы экологи также используют термин биогеоценоз.

Биогеоценоз ― исторически сложившаяся совокупность живых организмов (биоценоз) и абиотической среды вместе с занимаемым ими участком земной поверхности (экотопом); граница биогеоценоза устанавливается по границе растительного сообщества (фитоценоза) – важнейшего компонента биогеоценоза. Для каждого биогеоценоза характерен свой тип вещественно-энергетического обмена.

Биогеоценоз ― составная часть природного ландшафта и элементарная биотерриториальная единица биосферы.

По определению В.Н. Сукачева, биогеоценоз ― «это совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира и мира микроорганизмов, почвы и гидрологических условий), имеющая свою, особую специфику взаимодействий этих слагающих её компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией между собой и другими явлениями природы и представляющая собой внутренне противоречивое единство, находящееся в постоянном движении и развитии».

Существует мнение, что содержание термина «биогеоценоз» в значительно большей степени отражает структурные характеристики изучаемой макросистемы, тогда как в понятие «экосистема» вкладывается, прежде всего, её функциональная сущность.

Обязательным компонентом биогеоценоза является фитоценоз, или растительное сообщество. В то же время экосистема может быть и без растительного сообщества, а также и без почвы (например, труп животного, ствол дерева в стадиях разложения и населенности различными организмами). Таким образом, любой биогеоценоз может быть назван экосистемой, в то время как не каждая экосистема может быть названа биогеоценозом.

Ландшафт (географический) ― достаточно обширный участок земной поверхности, в пределах которого различные компоненты природы (горные породы, рельеф, климат воды почвы, растительный и животный мир), взаимосвязанные и взаимообусловленные, составляют одно целое, образуя определенный вид местности. Иными словами, ландшафт ― это территория, характеризуемая суммой типичных признаков и включающая определенный набор биогеоценозов.

Совокупности природных ландшафтов, сходных по морфологическим, функциональным и экологическим особенностям, образуют ландшафтные зоны (тундровую, таежную, пустынную, степную), или зональные типы ландшафтов.

Экология рассматривает также антропогенные типы ландшафтов (возникшие в результате хозяйственной деятельности человека) ― городской, сельскохозяйственный, промышленный и др.

При классификации наземных экосистем обычно используют признаки растительных сообществ (составляющих основу экосистем) и климатические (зональные) признаки. Так, выделяются определенные типы экосистем, например тундра лишайниковая, тундра моховая, лес хвойный (еловый, сосновый), лес лиственный (березняк), лес дождевой (тропический), степь, кустарники (ивняк), болото травянистое, болото сфагновое.

Растительные сообщества (и экосистемы) обычно не имеют резких границ и переходят друг в друга постепенно ― в соответствии с изменением условий местообитаний в пространстве и во времени. Однако, учитывая переходные полосы, в большинстве случаев можно достаточно четко установить границы, отделяющие одну экосистему от другой, определить границы биогеоценозов.

Часто в основу классификации природных экосистем кладут характерные экологические признаки местообитаний, выделяя сообщества морских побережий или шельфа, озер или прудов, пойменные или суходольные луга, каменистые или песчаные пустыни, горные леса, эстуарии (устья больших рек) и др.

Все природные экосистемы (биогеоценозы) связаны между собой и вместе образуют живую оболочку Земли, которую можно рассматривать как самую большую экосистему. Эта экосистема называется биосферой (см. "Биосфера и ее эволюция").

Синэкология (от греч. syn ― вместе) ― раздел экологии, изучающий ассоциации популяций разных видов растений, животных и микроорганизмов (биоценозы), пути их формирования и их воздействие с окружающей средой. В отдельное научное направление синэкология выделена на Международном ботаническом конгрессе 1910 г. Термин «синэкология» предложил швейцарский ботаник К. Шретер (1902 г.).

В природе популяции разных видов объединяются в макросистемы более высокого ранга так называемые сообщества, или биоценозы.

Биоценоз (от греч. bios жизнь, koinos общий) ― это совокупность популяций растений, животных и микроорганизмов, живущих совместно в одних и тех же условиях среды. Понятие «биоценоз» было предложено в 1877 г. немецким зоологом К. Мебиусом (1825–1908 гг.), который, изучая устричные банки (морские отмели (банки), населенные популяциями двустворчатых моллюсков-устриц), пришел к выводу, что каждая из них представляет собой сообщество живых существ, все члены которого находятся в тесной взаимосвязи.

Никакой биоценоз не может развиваться сам по себе независимо от среды и вне её. В результате в природе складываются определенные комплексы, совокупности живых и неживых компонентов, где сложные взаимодействия их отдельных частей поддерживаются на основе взаимной неопределенности. Так если, скажем, изучается отношение ели сибирской (одного дерева или вида в целом) к среде или лисицы обыкновенной (одной особи или вида в целом) к среде, то эти исследования являются по своему характеру аутэкологическими.

В 1935 г. А. Тенсли предложил понятие «экосистема» для любой совокупности организмов и неорганических компонентов, в которой может поддерживаться круговорот веществ. Он считал экосистемы «основными природными единицами на поверхности Земли», в которые входит «не только комплекс организмов, но и весь комплекс физических факторов, образующих среду».

Структура сообщества:

- видовая;

- морфологическая и пространственная;

- трофическая.

Структура сообщества ― показатель соотношения различных групп организмов, различающихся по систематическому положению; по роли, которую они играют в процессах переноса энергии и вещества; по месту, занимаемому в пространстве, в пищевой (трофической) сети, либо по иному признаку, существенному для понимания закономерностей функционирования естественных экосистем.

Видовая структура

Одним из важнейших показателей структуры сообщества является видовой состав входящих в него организмов. Видовой состав сообщества определяется рядом факторов, важнейшие среди которых: географическое местоположение, определяющее состав флоры и фауны, особенности климата, тип ландшафта и его высота над уровнем моря, водный режим, возраст самого сообщества. В пределах отдельных континентов и климатических зон сходные по видовому составу сообщества формируются в районах, сходных по экологическим условиям.

Между лесами на юге и полярными льдами на севере расположена обширная полоса безлесной местности ― зона тундры. Факторами, определяющими состав населения тундры, являются: низкие температуры, короткий сезон вегетации, промерзший (за исключением тонкого слоя ― всего несколько сантиметров) грунт. Растительность здесь представлена злаками, осоками, лишайниками, иногда карликовыми деревьями. Животное население представлено птицами (включая перелетных), крупными (северный олень, овцебык) и мелкими (лемминги, полевки) растительноядными млекопитающими, хищниками (белый медведь, волк, песец). Интересно, что небольшие районы тундры со сходным составом жизненных форм (а в ряде случаев и видов) встречаются в высоких горах умеренной зоны и даже тропиков (альпийская тундра).

Много общего в составе населения северных хвойных лесов, вытянувшихся широким поясом через всю Евразию и Северную Америку, в населении степей, предгорий, пустынь, пойменных участков рек, иногда отдаленных друг от друга сотнями и даже тысячами километров.

Долевое участие каждого вида в сообществе различно. В сообществе, как правило, имеется несколько видов, представленных большим числом особей, или большой биомассой, и сравнительно много видов с низкой численностью. Виды с высокой численностью играют значительную роль в жизни сообщества, особенно так называемые виды ― средообразователи. В лесных экосистемах, например, к ним относятся виды преобладающих древесных растений. От них зависят условия, необходимые для выживания других видов живых существ: трав, насекомых, птиц, зверей, мелких беспозвоночных и микроорганизмов лесной подстилки и др.

В то же время редкие, как правило, стенобионтные виды часто оказываются лучшими индикаторами (показателями) состояния сообщества. Это связано с тем, что для поддержания жизни редких видов требуются строго определенные сочетания различных факторов (например, температуры, влажности, состава почв, определенных видов пищевых ресурсов).