Экологические факторы и их влияние на организмы

 

Цель занятия: сформировать представление у обучающихся об экологических факторах и их влиянии на живые организмы.

 

Теоретическая часть

 

Экологические факторы – любые элементы среды обитания, оказывающие специфическое воздействие на живые организмы. В зависимости от среды обитания комплекс факторов, влияющих на живой организм, будет различным. Все экологические факторы предложено делить на три группы:

1. Абиотические факторы – факторы неживой природы.

2. Биотические факторы – факторы живой природы, обусловленные воздействием живых организмов друг на друга.

3. Антропогенные факторы – факторы, обусловленные хозяйственной деятельностью человека

На рис. 1 приведена схема классификации экологических факторов.

Рис.1. Классификация экологических факторов

В результате влияния различных экологических факторов у организмов формируется ряд приспособлений, которые получили название адаптации.

Адаптация – приспособительная реакция организма к внешним факторам среды, выработавшаяся в процессе исторического развития (эволюции) вида.

Среди адаптаций можно выделить следующие типы:

1. анатомо-морфологические – приспособительные реакции, проявляющиеся во внешнем виде и строении организма (например, наличие плавательного пузыря у рыб, густого подшерстка у северных животных);

2. физиологические – комплекс физиологических реакций, позволяющих организму приспосабливаться к изменению окружающей среды (например, явление терморегуляции у теплокровных животных);

3. биохимические – особенности метаболизма живых организмов, снижающие воздействие факторов окружающей среды (например, выработка особо пахучего секрета некоторыми насекомыми для отпугивания естественных врагов);

4. поведенческие – особенности поведения живых организмов, обусловленные циклическими изменениями условий внешней среды (например, зимний сон у медведей, миграция животных в период засух к водоемам).

Воздействие экологических факторов на живые организмы описывается рядом правил и законов. Приведем некоторые из них.

1. Закон минимума Либиха (1840 г.): веществом, находящимся в минимуме, управляется урожай и определяется величина и устойчивость последнего во времени.

Согласно современной формулировке данного закона для организма наиболее значимым является тот фактор, значение которого больше всего отклоняется от оптимального значения. То есть жизнедеятельность организма ограничивается так называемым лимитирующим фактором.

2. Закон толерантности Шелфорда (1913 г.): существование живого организма определяется лимитирующими факторами, находящимися в минимальном и максимальном значении. Данный закон дополняет закон минимума Либиха.

3. Закон компенсации факторов Э. Рюбеля (1930): отсутствие или недостаток некоторых экологических факторов может быть компенсировано другим близким (аналогичным) фактором.

4. Закон незаменимости фундаментальных факторов В.Р. Вильямса (1949): полное отсутствие в среде фундаментальных экологических факторов (света, воды, биогенов) не может быть заменено другими факторами.

5. Правило Аллена (1877): выступающие части тела теплокровных животных (конечности, хвост, уши и др.) тем короче, а тело тем массивнее, чем холоднее климат.

6. Правило Бергмана (1847): в пределах вида или достаточно однородной группы близких видов теплокровные животные с более крупными размерами тела встречаются в более холодных областях.

7. Правило Глогера (1833): виды животных, обитающих в холодных и влажных зонах, имеют более интенсивную пигментацию тела (чаще черную или темно-коричневую), чем обитатели теплых и сухих областей.

На рис. 2 приведен график зависимости степени жизнеспособности организмов от значений экологического фактора, являющийся иллюстрацией закона толерантности Шелфорда.

Рис. 2. Графическое представление закона толерантности Шелфорда

Под оптимумом понимают такой интервал значений экологического фактора, при котором создаются наиболее благоприятные условия для жизнедеятельности. Зоны угнетения (пессимума) – интервал значений фактора, в котором происходит резкое снижение жизнеспособности организмов. Нижний и верхний пределы выносливости – минимальное и максимальное значение экологического фактора, ограничивающее жизнедеятельность живого организма.

Пределы выносливости (толерантности) – весь интервал значений экологического фактора, в котором возможна жизнедеятельность живого организма. В зависимости от ширины этого интервала различают организмы с широкой (эврибионтные) и узкой (стенобионтные) пластичностью.

Среди абиотических факторов, оказывающих наибольшее влияние на живые организмы, можно выделить свет, влажность, температуру, плотность среды, содержание химических соединений.

Практическая часть

Задание 1.

Подготовьте небольшие доклады по темам, приведенным ниже. Сообщение может сопровождаться презентацией или демонстрацией наглядных материалов. В докладе должны быть освещены вопросы источников экологического фактора, его общей характеристики, влияния фактора на живые организмы.

1. Свет как экологический фактор.

2. Температура как экологический фактор.

3. Влажность как экологический фактор.

4. Плотность среды как экологический фактор (на примере водной и наземно-воздушной среды обитания).

5. Газовый состав воздуха как экологический фактор (на примере водной и наземно-воздушной среды обитания).

6. Шум как природный и антропогенный фактор.

7. Зоогенные и фитогенные факторы.

8. Антропогенное воздействие на живые организмы.

 

Задание 2.

Ниже приведено описание песца (полярной лисицы). Необходимо выявить основные приспособительные реакции живого организма и их тип, позволившие ему приспособиться к условиям среды обитания.  Полученную информацию внесите в табл. 1. При заполнении таблицы допускается использование дополнительных литературных источников.

Таблица 1. Экологический фактор – адаптации

 

Экологический фактор	Тип адаптации	Пример адаптации
температура	анатомо-морфологическая
	физиологическая
	поведенческая
свет	анатомо-морфологическая
	физиологическая
	поведенческая
плотность среды	анатомо-морфологическая

 

Песец или полярная лисица

Размером песцы примерно с рыжую лисицу: длина тела 50-75 см, длина хвоста 25-30 см. Весят эти животные в среднем 4-6 кг, но к зиме могут весить до 10-11 кг. От лисиц песцы отличаются более короткими ушами, утопающими в шерсти и приземистыми лапами, подушечки которых покрыты шерстью. У этих зверей отлично развито обоняние и очень тонкий слух, зрение немного слабее. Шерсть песцов очень густая, поэтому по качеству меха песцы превосходят рядовых лисиц. Песцы — единственные представители семейства псовых, у которых выражена сезонная смена окраски. Летом их мех выглядит рыжевато-черным или бурым, а вот зимняя окраска может сильно различаться. Выделяют две цветовые формы песца — белую и голубую. Помимо окраски летний и зимний мех отличается и качеством шерстного покрова. Летний мех сравнительно редкий, зимний — плотный, равномерный и очень густой.

Песцы сочетают две стратегии по поиску пищи — активную охоту и нахлебничество. Песец никогда не упустит случая полакомиться падалью или остатками чужой трапезы (даже трупом собственного сородича), а зимой эти животные специально сопровождают белых медведей в расчете на часть их добычи.

 

Задание 3.

Постройте, используя данные табл. 2., график зависимости степени выживаемости организма в зависимости от значения экологического фактора. На графике обозначьте зоны оптимума, угнетения, пределы выносливости, диапазон толерантности.

 

Таблица 2. Зависимость выживаемости от температуры

Температура, °С	-15	-10	-5	0	+5	+10	+15	+20	+25	+30	+35
Количество выживших, %	1	5	15	30	56	68	85	99	75	15	0

 

 

 

Лабораторная работа № 3

Экосистемы

 

Цель работы: сформировать представление у обучающихся о составе, структуре и функционировании экосистем.

 

Теоретическая часть

 

Впервые термин экосистема был введен в 1935 году британским ботаником Артуром Тенсли. Под экосистемой понимают любую систему, включающую сообщество живых организмов (биоценоз) и тесно связанную с ними абиотическую компоненту (биотоп), в которой может осуществляться круговорот вещества и энергии.

По происхождению различают искусственно созданные и естественные экосистемы. К первым можно отнести агроценозы, урбоэкосистемы, ко вторым – экосистемы леса, озер, рек и т.д. Отличительной особенностью искусственных экосистем является невозможность их существования без поступления энергии и вещества извне.

В зависимости от размеров выделяют:

1. Микроэкосистемы (гниющее дерево, опад листвы, муравейник);

2. Мезоэкосистемы (озеро, луг, пустыня);

3. Макроэкосистемы (Мировой океан);

4. Глобальную экосистему (экосферу), включающую все экосистемы мира.

Также различают водные и наземные экосистемы.

Наиболее близким понятием к «экосистеме» является «биогеоценоз». Термин был введен в 1944 году советским биологом В.Н. Сукачевым. Согласно В.Н. Сукачеву биогеоценоз отличается большей определенностью своего объема, чем экосистема. Экосистема по своему масштабу может быть различна, начиная от капли воды из озера, заканчивая Мировым океаном. Биогеоценоз же имеет определенные границы. Таким образом, биогеоценоз – это система, включающая совокупность живых организмов и экологических факторов, взаимодействующих друг с другом, на определенной территории, в которой возможен круговорот энергии и вещества.

Основными различиями между биогеоценозом и экосистемой являются:

1. Территориальность: биогеоценоз имеет определенные границы, обусловленные границами фитоценоза, и всегда располагается на суше. Экосистема более широкое понятие и ее границы не всегда совпадают с границами фитоценозов.

2. Продукция органического вещества: в биогеоценозе основным источником органического вещества является растение, т.е. центральное звено – фитоценоз. В экосистемах часто органическое вещество поступает извне.

Экосистема состоит из двух взаимосвязанных компонентов:

1. Биотического, включающего в себя живые организмы и продукты их жизнедеятельности.

2. Абиотического, представленного атмосферой, почвой, гидросферой, климатом и т.д.

Основой функционирования любой экосистемы являются трофические цепи.

Трофическая цепь – ряд последовательно связанных трофических уровней, представленных разными функциональными группами живых организмов, в котором происходит превращение вещества и рассеивание энергии.

Трофические цепи включают в себя три функционально разных группы живых организмов. Первая группа представлена продуцентами – организмами, способными из неорганических веществ производить органические. Во второй группе располагаются консументы – организмы, которые потребляют готовое органическое вещество. Консументы могут быть первого и второго порядка.

Косументы 1-го порядка – растительноядные животные, основу рациона которых составляют зеленые части растений. Консументы 2-го порядка – хищники, питающиеся растительноядными животными. Также консументы могут быть 3-го порядка в случае, если более крупный хищник питается более мелкими хищниками.

Третья группа трофической цепи представлена редуцентами – организмами, которые разлагают органическое вещество до неорганического и вовлекают его в круговорот веществ. К ним относятся бактерии, грибы и т.д.

Все трофические цепи в зависимости от того, чем представлен первый трофический уровень, можно разделить на пастбищные и детритные цепи. В пастбищных цепях первый уровень всегда представлен «живым» растением, в детритных – отмершими частями растения.

Для экосистем характерно наличие совокупности трофических цепей, где все живые существа являются объектами питания для других. Данное явление получило название трофическая сеть.

Как было отмечено ранее в трофических цепях происходит рассеивание накопленной на первом уровне энергии. Закономерность рассеивания энергии в трофических цепях получила название правила 10%, предложенного Р. Линдеманом: «С одного трофического уровня на другой переходит всего лишь 10% накопленной энергии».

 

Практическая часть

Задание 1.

Подготовьте небольшие доклады по темам, приведенным ниже. Сообщение может сопровождаться презентацией или демонстрацией наглядных материалов.

1. Виды связей в экосистемах. Примеры.

2. Классификация наземных экосистем. Основные особенности.

3. Классификация водных экосистем. Основные особенности.

4. Агроэкосистемы. Основные особенности.

5. Энергетика экосистем. Пирамиды энергии, биомассы, чисенности.

6. Большой и малый круговорот веществ.

 

Задание 2.

Составьте по одной цепи питания для экосистем (табл.2). При составлении необходимо учесть условия приведенные ниже:

1. Трофическая цепь должна быть пастбищной.

2. Количество звеньев в трофической цепи не более 4-х.

Таблица 2. Перечень экосистем

№ п/п	Название экосистемы
1	Лесная экосистема
2	Садовая экосистема
3	Речная экосистема
4	Аквариум
5	Морская экосистема

 

Дайте характеристику экосистемам в соответствии с классификацией. Например, степная экосистема – мезоэкосистема, наземная, естественная.

 

Задание 3.

Составьте трофическую сеть для экосистемы леса согласно схеме (рис. 2).

Рис. 3. Схема трофической сети

 

Задание 4.

Используя правило 10% решите задачи.

а) Какое количество энергии дойдет до последнего трофического уровня в цепи питания:

яблоня → тля → божья коровка → воробей → куница → ястреб,

если количество энергии, накопленное на первом трофическом уровне, равно 100%. Объясните невозможность существования такой цепи питания.

б) Какое количество клевера требуется, чтобы вырос ястреб массой 5кг

клевер→ мышь-полевка→ уж →ястреб.

в) Рассчитайте площадь поля, засеянного пшеницей, необходимого, чтобы прокормить небольшую деревню. Численность населения деревни составляет 50 человек. Также известно, что в среднем одним человеком потребляется около 40 кг говядины за год. Средняя продуктивность поля – 400 г/м².

г) Определите количество биомассы растений, сохраненной от уничтожения гусеницами парой синиц, вскармливающих 3 птенцов массой по 5 г. Какую долю общей биомассы растений это будет составлять (в %), если площадь сбора гусениц 500 м², а продуктивность растений 250г/м².

 

Практическое занятие № 4