ПОНЯТИЕ лимитирующих факторов

 

В 1840 г. немецкий ученый-агрохимик Юстус Либих выпустил небольшую книжку "Химия в приложении к земледелию и физиологии". В ней он описывал процессы питания растений и влияние разнообразных факторов и элементов питания на их рост. Ученый установил, что урожай культур зачастую ограничивается (лимитируется) не теми элементами питания, которые требуются в больших количествах, такими, как, к примеру, углекислый газ и вода, (обычно эти вещества присутствуют в среде в изобилии), а теми, которые необходимы в минимальных количествах, но которых и в почве очень мало (например, цинк). Он писал: «Веществом, находящимся в минимуме, управляется урожай и определяется величина и устойчивость последнего во времени».

Либих обобщил свои представления и результаты исследований в тезисах, вышедших в 1855 г. Тогда же и появилось выражение "закон минимума Либиха", хотя сам Либих ни о каком законе не говорил. Он писал: "Если в почве или в атмосфере один из элементов, участвующих в питании растений, находится в недостаточном количестве или не обладает достаточной усвояемостью, растение не развивается или развивается плохо. Элемент, полностью отсутствующий или не находящийся в нужном количестве, препятствует прочим питательным соединениям произвести их эффект, или, по крайней мере, уменьшает их питательное действие... Отсутствие или недостаток одного из необходимых элементов при наличии в почве всех прочих делает последнюю бесплодной для всех растений, для жизни которых этот элемент необходим".

В простейшем виде, применительно к конкретным опытам ученого, закон минимума Либиха гласит: рост растения зависит от того элемента питания, который присутствует в минимальном количестве (минимуме). В современной формулировке закон минимума звучит так: выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. Жизненные возможности лимитируют экологические факторы, количество и качество которых близки к необходимому организму или экосистеме минимуму. Отсюда следует важный вывод: дальнейшее снижение действия необходимого фактора ведет к гибели организма либо к разрушению экосистемы в целом.

Закон минимума Либиха можно пояснить на таких примерах. Пусть в почве содержатся все элементы минерального питания, необходимые для данного вида растений, кроме одного из них, например, бора или цинка. Рост растений на такой почве будет сильно угнетен или вообще невозможен. Если же мы добавим в почву нужное количество бора (цинка), это приведет к увеличению урожая. Но если мы будем вносить любые другие химические соединения (например, азот, фосфор, калий) и даже добьемся того, что все они будут содержаться в оптимальных количествах, а бор (цинк) будет отсутствовать – это не даст никакого эффекта.

При формулировании своих обобщений Либих пользовался определением "лимитирующий" по отношению к факторам среды. В экологии под лимитирующим (ограничивающим) фактором понимается любой фактор, который ограничивает процесс развития или существования организма, вида или сообщества. Им может быть любой из действующих в природе экологических факторов: вода, тепло, свет, ветер, рельеф, содержание в почве необходимых для жизнедеятельности растений солей и химических элементов, а в водной среде - химизм и качество воды, количество доступного кислорода и углекислого газа. Такими факторами могут быть конкуренция со стороны другого вида, присутствие хищника или паразита.

Изучая различное лимитирующее действие экологических факторов на насекомых, американский зоолог Виктор Эрнест Шелфорд пришел к выводу, что лимитирующим может быть не только недостаток, но и избыток таких факторов, как свет, тепло, вода. В экологии такое положение носит название закона толерантности Шелфорда, сформулированного им в 1913 г. Он гласит: лимитирующим фактором, ограничивающим развитие организма, может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия. Диапазон между этими величинами определяет величину выносливости организма. Каждый организм можно характеризовать экологическим минимумом и экологическим максимумом.

Диапазон толерантности по каждому фактору ограничен его минимальными и максимальными значениями, в пределах которых только и может существовать данный организм. (рис. 2).

Благоприятный диапазон действия экологического фактора называется зоной оптимума (нормальной жизнедеятельности). Чем значительнее отклонение действия фактора от оптимума, тем больше данный фактор угнетает жизнедеятельность популяции. Этот диапазон называется зоной угнетения. Максимально и минимально переносимые значения фактора - это критические точки, за пределами которых существование организма или популяции уже невозможно.

 

Рис. 2. Зависимость результата действия экологического фактора от его

интенсивности

 

Для выражения степени толерантности в экологии применяются термины, использующие приставки стено- (узкий) и эври- (широкий). Маловыносливые организмы, узкоограниченные каким-либо экологическим фактором и способные обитать только в условиях устойчивого постоянства этого факторы называют стенобионтами. К ним обычно принадлежат многие паразиты, виды, обитающие на океанических глубинах, в пещерах, тропических лесах. Напротив, организмы, способные существовать при широких амплитудах изменчивости факторов окружающей среды, называют эврибионтами. Они способны выносить широкую амплитуду интенсивности различных экологических факторов. К ним относятся многие наземные животные. Например, ареал обитания лисицы распространяется от лесотундры до степей.

Если хотят подчеркнуть отношение организма к конкретному фактору, то используют термины, первая часть которых образована приставками стено- или эври-, а вторая содержит указание на конкретный фактор, например: эвритермные организмы - имеющие широкий температурный интервал (многие насекомые), стенотермные организмы – приспособившиеся к узкой амплитуде температур (для растений тропических лесов колебания температуры в пределах +5... +8 градусов С могут быть губительными). (рис. 3).

Как отмечают многие экологи, смысл закона толерантности вполне понятен. Плохо как недокормить, так и перекормить растение либо животное. Из этого закона вытекает следующее следствие: любой избыток вещества или энергии является загрязняющим среду компонентом. Например, в засушливых областях избыток воды вреден, и вода может рассматриваться как обычный загрязнитель.

Итак, для каждого вида существуют пределы значений жизненно необходимых факторов абиотической среды, которые ограничивают зону его толерантности (устойчивости). Живой организм может существовать в некотором определенном интервале значений факторов. Чем шире этот интервал, тем больше устойчивость или толерантность данного организма. Закон толерантности является одним из основополагающих принципов современной экологии.

 

ВОПРОСЫ

 

1. Чем отличается абиотическая среда обитания от биотической?

2. Что такое адаптация организма?

3. Перечислите основные среды обитания на нашей планете.

4. Дайте определение автотрофных и гетеротрофных организмов.

5. Дайте характеристику водной, наземно-воздушной и почвенной сред жизни.

6. Назовите причины из-за которых происходят потери и деградация плодородных почв.

7. Что такое паразитизм, и каково его значение в системе экологических взаимоотношений?

8. Дайте определение факторов среды.

9. Какик группы абиотических и биотических факторов вы знаете?

10. Что такое антропогенные факторы?

11. Приведите классификацию растений по отношению к интенсивности освещения.

12. Чем пойкилотермные организмы отличаются от гомойотермных?

13. Какие факторы среды называются эдафическими? Охарактеризуйте их.

14. Какие факторы относятся к группе орографических?

15. В чем особенность воздействия пирогенных факторов?

16. Какие факторы относятся к фитогенным?

17. Какова специфика действия зоогенных факторов?

18. Дайте определение антропогенного фактора. Перечислите группы антропогенных факторов и объясните, как проявляется их действие.

19. Какие факторы называются лимитирующие.

20. Сформулируйте закон минимума Ю.Либиха.

21. В чем специфика закона толерантности В.Шелфорда?

22. Какие организмы относятся к стено- и эврибионтам?

 

 

Глава 3

Экология популяций

 

Определение популяции

Каждый вид организмов в природе существует в виде сложного комплекса внутривидовых групп. Такие группы объединяют особи со специфическими чертами строения, физиологии и поведения. Таким внутривидовым объединением особей является популяция. Термин «популяция» был заимствован из демографии, где он обозначал народ, население (от лат. populus). Впервые он был предложен датским ученым Вильгельмом Иогансеном в 1903 году. Под популяцией Иогансен понимал «естественную смесь особей одного и того же вида, неоднородные в генетическом отношении». Позже термин «популяция» в экологии стал применяться для обозначения населения вида, занимающего определенную территорию.

Хотя термин "популяция" получил широкое распространение в первой половине XX в., корни этого понятия обнаруживаются еще в древних литературных источниках. Уже в трудах Аристотеля можно найти указания на связи между организмами, сожительства животных и формы группировок. Он выделял группы животных кочевых и оседлых, ведущих одиночный и групповой образ жизни. "Отец ботаники" Теофраст описывал естественные сообщества растений как совокупность видов, приуроченных к определенным ландшафтам.

В современной экологии популяция определяется как совокупность особей одного вида, проживающая длительное время на определенной территории, свободно скрещивающаяся друг с другом, дающая плодовитое потомство и относительно обособленная от других совокупностей этого же вида.

Благодаря разобщенности популяций на определенной территории, вид приспособлен к существованию в разнообразных условиях среды.

В наиболее общем виде популяцию можно определить как группу организмов одного определенного вида, обитающих совместно на отдельной территории и обладающих общими свойствами. Исходя из такого определения популяцией можно назвать всех дроздов, живущих в каком-то лесном массиве, всех дафний, населяющих отдельный пруд или лужу, всех мучных жуков, живущих в одной банке. К общим свойствам, объединяющим все эти организмы в особую систему, прежде всего следует отнести свойство общего родства (конкретнее, генетическое родство организмов, составляющих популяцию) и обитание видов в сходных условиях.

Трудности в определении популяции связаны порой с тем, что в некоторых случаях на одной территории могут существовать независимые друг от друга (частично или полностью) группировки видов, образующие экологические формы. Такими формами могут быть, к примеру, сезонные фазы развития вида.

Среди множества видов живых организмов есть такие, которые в течение длительного времени держатся на одной территории, сохраняя более или менее постоянную численность. Другим видам свойственны сильные колебания численности, нередко сопровождаемые значительными изменениями площади занимаемой территории. Классическим примером могут служить некоторые саранчовые, образующие мигрирующую "стадную" фазу и дающие настоящие вспышки численности. Так, например, у обитающей в Африке красной саранчи в период образования "стадной" фазы область распространения увеличивается в тысячи раз по сравнению с той областью, где она живет постоянно. Так, в 1962 году на юге Марокко саранча за пять дней уничтожила 7 тыс. т апельсинов (по 60 т в час). Это цифра превышает годовое потребление цитрусовых в такой стране, как Франция.