Экология как наука, классификация экологических факторов (абиотические, биотические, антропогенные), закон оптимума и ограничивающий фактор
Экология как наука
Термин «экология» (от греч. oikos — дом, жилище, и logos — учение) ввёл в 1866 году немецкий биолог-эволюционист Эрнст Геккель, определивший её как науку об отношениях организмов к окружающей среде, включающей в широком смысле все условия существования. Экология — раздел биологии, изучающий взаимоотношения организмов между собой и с окружающей неживой (абиотической) средой, а также структуру, функционирование и динамику надорганизменных биологических систем — популяций, сообществ (биоценозов), экосистем и биосферы в целом. В современном мире экология приобрела и важное прикладное значение, поскольку именно на её законах основано рациональное природопользование и решение экологических проблем, связанных с деятельностью человека.
Уровни организации, изучаемые экологией
Экология исследует биологические системы надорганизменного уровня: экологию особи (аутэкологию, изучающую взаимоотношения отдельного организма со средой), экологию популяций (демэкологию, изучающую структуру и динамику популяций одного вида) и экологию сообществ (синэкологию, изучающую взаимоотношения разных видов внутри биоценозов и экосистем). Такое деление отражает иерархию уровней организации живого: от организма через популяцию и биоценоз до экосистемы и биосферы — высшего уровня организации жизни на Земле.
Задачи современной экологии
К основным задачам экологии относят: изучение закономерностей распространения организмов в зависимости от факторов среды; исследование структуры популяций и механизмов регуляции их численности; изучение видового состава, структуры и продуктивности биоценозов и экосистем; исследование круговорота веществ и потока энергии в экосистемах; изучение влияния хозяйственной деятельности человека на природные сообщества и разработку научных основ рационального природопользования, охраны природы и устойчивого развития. Именно решение последних задач сделало экологию одной из наиболее востребованных практических наук XX–XXI веков.
Понятие об экологических факторах среды
Экологические факторы — это отдельные элементы среды, оказывающие прямое или косвенное воздействие на живые организмы хотя бы на одной из стадий их индивидуального развития. Совокупность всех экологических факторов, действующих на организм в данном месте обитания, образует его среду обитания. Традиционно все экологические факторы делят на три большие группы: абиотические, биотические и антропогенные.
Абиотические факторы
Абиотические факторы — факторы неживой природы: свет (интенсивность и продолжительность освещения), температура, влажность воздуха и почвы, состав атмосферы, солёность воды, рельеф, химический состав почвы, давление, течения и ветер и другие физические и химические параметры среды. Эти факторы будут подробно рассмотрены в следующей теме.
Биотические факторы
Биотические факторы — это совокупность влияний, которые оказывают на организм другие живые существа: конкуренция за ресурсы, хищничество, паразитизм, симбиотические отношения, а также влияние организмов на среду обитания (например, изменение почвы дождевыми червями или состава атмосферы в результате фотосинтеза растений). Биотические факторы подробно рассматриваются в отдельной теме о взаимоотношениях организмов.
Антропогенные факторы
Антропогенные факторы — все формы воздействия человека и его хозяйственной деятельности на живую природу: прямое (промысел, вырубка лесов, распашка земель, интродукция и истребление видов) и косвенное (загрязнение среды, изменение климата, разрушение местообитаний, фрагментация ландшафтов). В современную геологическую эпоху, которую многие учёные называют антропоценом, масштаб антропогенного воздействия на биосферу настолько велик, что этот фактор рассматривается как отдельная, самостоятельная категория, наряду с абиотическими и биотическими факторами, хотя формально антропогенное воздействие можно считать частным случаем биотического (человек — тоже биологический вид).
Классификация экологических факторов
| Группа факторов | Определение | Примеры |
|---|---|---|
Абиотические | Факторы неживой природы | Свет, температура, влажность, состав почвы, давление, солёность |
Биотические | Влияние других живых организмов | Конкуренция, хищничество, паразитизм, симбиоз, фитогенные и зоогенные факторы |
Антропогенные | Прямое и косвенное воздействие человека | Вырубка лесов, загрязнение, промысел, распашка земель, интродукция видов |
Закон оптимума
Действие любого экологического фактора на организм подчиняется закону оптимума: для каждого вида существует определённый диапазон значений фактора, наиболее благоприятный для его жизнедеятельности, — зона оптимума. По мере отклонения значения фактора от оптимального в ту или другую сторону жизнедеятельность организма угнетается (зоны пессимума), а при выходе за пределы выносливости (толерантности) вида наступает гибель организма (критические точки, ограничивающие пределы выносливости). Графически эта зависимость выражается колоколообразной кривой: жизнедеятельность организма максимальна при оптимальном значении фактора и плавно снижается по мере приближения к минимальному или максимальному переносимым значениям.
Ограничивающий (лимитирующий) фактор
Ещё в 1840 году немецкий химик Юстус Либих сформулировал закон минимума: выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей, то есть тем фактором, значение которого более всего отклоняется от оптимума (находится в недостатке или избытке). Такой фактор называют ограничивающим (лимитирующим): именно он, а не факторы, находящиеся в оптимуме, определяет возможность существования вида в данных условиях и границы его ареала. Например, для растения в пустыне лимитирующим фактором обычно служит влажность (при достаточном количестве света и тепла), тогда как в северных широтах лимитирующим фактором для того же вида может оказаться недостаток тепла или света. Позднее американский эколог В. Шелфорд распространил эту идею на избыток фактора, сформулировав закон толерантности: лимитировать жизнедеятельность организма может не только недостаток, но и избыток любого экологического фактора.
Экологическая пластичность (валентность) вида
Способность вида переносить колебания того или иного экологического фактора называют экологической валентностью (пластичностью). Виды, способные существовать в широком диапазоне значений фактора, называют эврибионтными (эврибионты, например, эвритермные, эвригалинные организмы), а виды с узким диапазоном толерантности — стенобионтными (стенобионты, например, стенотермные организмы, обитающие только в узком диапазоне температур, как многие обитатели коралловых рифов). Чем шире экологическая валентность вида по большинству факторов, тем шире, как правило, его ареал и выше устойчивость к изменениям среды, в том числе антропогенным.
Взаимодействие экологических факторов
Экологические факторы редко действуют на организм по отдельности — как правило, они взаимодействуют, и недостаток одного фактора может быть частично компенсирован (но не полностью замещён) избытком другого — это явление называют эффектом частичного взаимозамещения факторов. Например, недостаток света для фотосинтеза может быть частично компенсирован повышением концентрации углекислого газа, но полностью заменить свет никакой другой фактор не способен, поскольку у каждого фактора есть своя незаменимая роль в жизнедеятельности организма.
Типичные ошибки
Частая ошибка — считать ограничивающим фактором только тот, которого недостаточно; на самом деле, согласно закону толерантности Шелфорда, лимитировать развитие организма может и избыток фактора (например, избыток воды так же губителен для растений засушливых местообитаний, как и её недостаток). Другая ошибка — путать понятия «среда обитания» и «экологический фактор»: среда обитания — это всё окружающее организм пространство со всеми его условиями, тогда как экологический фактор — это конкретный отдельно взятый элемент этой среды. Также нередко антропогенные факторы ошибочно относят целиком к биотическим, не выделяя в отдельную группу, хотя современная экология в силу масштаба воздействия человека на биосферу рассматривает их как самостоятельную категорию.
Краткий словарь терминов
Экология — наука о взаимоотношениях организмов между собой и со средой обитания.
Экологический фактор — элемент среды, оказывающий воздействие на организм.
Абиотические факторы — факторы неживой природы (свет, температура, влажность и др.).
Биотические факторы — влияние живых организмов друг на друга.
Антропогенные факторы — воздействие человека и его деятельности на живую природу.
Закон оптимума — зависимость жизнедеятельности организма от значения фактора с максимумом в зоне оптимальных значений.
Ограничивающий (лимитирующий) фактор — фактор, наиболее отклоняющийся от оптимума и определяющий возможность существования вида.
Заключение
Экология изучает взаимоотношения живых организмов со средой обитания на разных уровнях организации — от отдельной особи до биосферы в целом, а все многообразие условий среды принято делить на абиотические, биотические и антропогенные факторы, действие которых подчиняется закону оптимума и закону ограничивающего фактора. Эти базовые закономерности лежат в основе понимания того, как отдельные факторы среды — свет, температура, влажность — конкретно влияют на организмы, чему посвящена следующая тема.
