Пестов С.В. ВятГГУ, к.б.н., доцент
изучает взаимодействие индивидуального организма или вида с окружающей средой (жизненные циклы и поведение как способ приспособления к окружающей среде). изучает взаимодействие популяций особей одного вида внутри популяции и с окружающей средой изучает функционирование сообществ (экосистем и биогеоценозов) и их взаимодействия с биотическими и абиотическими факторами
Фактор среды – это предмет или явление, на которое реагирует организм. Окружающая среда – совокупность факторов среды, действующих на организм. Межвидовые взаимодействия
Совокупность абиотических факторов условно подразделяют: прямые (внутренние, или экотопы - воздушный, водный, температурно-радиационный режимы, режим минерального питания, факторы хозяйственной деятельности человека и пр.). на косвенные (более или менее внешние по отношению к экосистеме; например, географическая широта и удаленность от океана, местоположение экосистемы в рельефе, характеристики геологических пород, уровня грунтовых вод и пр.);
Климатические (воздух, свет, тепло, влажность) Эдафические (свойства почвы) Орографические (рельеф) Биотические (воздействие организмов друг на друга) Антропогенный (деятельность человека)
Мончадский, Александр Самойлович Факторы среды могут изменятся с некоторой периодичностью или быть не периодичными. Периодические факторы разделяются при этом на первичные и вторичные: К первичным периодическим факторам отнесены явления, связанные с вращением Земли — суточная смена освещенности, смена времен года. Вторичные периодические факторы формируются под влиянием первичных. К ним относятся режим влажности и температуры воздуха, количество осадков, продуктивность растительности (для травоядных животных), содержание растворенных газов в воде. Непериодические факторы (шквальный ветер, значительная ионизация атмосферы, пожары)
Между живыми организмами и окружающей их средой существуют тесные взаимоотношения, взаимозависимости и взаимовлияния, обусловливающие их единство. 1. Экологический фактор только тогда им становится, когда действует на организм. 2. При отсутствии организмов загрязнение среды невозможно. 3. Можно либо прогнозировать изменения этих систем в ответ на известные тенденции изменения среды обитания, либо установить факт изменений среды по изменению свойств организмов.
В комплексе экологических факторов сильнее действует тот, который наиболее близок к минимальному пределу выносливости рассматриваемого организма Юстус Либих 1803-1873
Существование вида определяется лимитирующими факторами, которые могут как в минимуме так и в максисимуе, диапазон между которыми определяет величину толерантности (выносливости) организма к данному фактору. Шелфорд Виктор Эрнест (1877-1968)
Организм Популяция Сообщество Физиолого-биохимичкские показатели Фенотип+генотип Численность Соотношение групп Генофонд Видовое разнообрание Потоки веществ и энергии Окружающая среда Адаптация – это совокупность реакций биологической системы в ответ на изменение факторов среды, приводящая к сохранению гомеостатической функции
Эту концепцию сформулировали немецкий почвовед Эйльхард Митчерлиха и австрийский математик Бернхард Бауле ( 1891 - 1976 ). Основная идея состоит в том, что "каждый из факторов роста при изменении его количества, как это мы имеем с удобрениями или количеством влаги, или при изменении напряженности (свет, тепло), соответственным образом влияет на урожай, независимо от того, находится ли он в минимуме, или нет" Эйльхард Митчерлих (1874—1956)
Связана с именами геоботаников Василия Васильевича Алёхина и Эдуарда Рюбеля : отсутствие или недостаток некоторых экологических факторов может быть компенсирован каким-либо другим близким (аналогичным) фактором. Организмы не являются "рабами" физических факторов (условий среды): организмы сами и приспосабливаются, и изменяют условия среды так, чтобы ослабить лимитирующее влияние тех или иных факторов. Компенсация факторов возможна благодаря адаптивному поведению - они избегают крайностей местного градиента условий. Некоторые моллюски при отсутствии (или дефиците) кальция могут строить свои раковины, частично заменяя кальций стронцием Алёхин Рюбель
была предложена Василием Робертовичем Вильямсом - полное отсутствие в среде фундаментальных экологических факторов (физиологически необходимых; например, света, воды, углекислого газа, питательных веществ) не может быть компенсировано (заменено) другими факторами. В известной степени эта гипотеза является дополнительной к предыдущей, ведь компенсация факторов, как правило, относительна. Василий Робертович Вильямс
накопление живыми организмами ряда химических неразрушающихся веществ (пестициды, радионуклиды и пр.) ведет к усилению их действия по мере прохождения в биологических циклах и трофических цепях. В наземных экосистемах с переходом на каждый трофический уровень происходит примерно 10-кратное увеличение концентрации токсических веществ (коэффициент аккумуляции К). Это правило является частным случаем (по отношению к токсикантам) более общего правила 10%.
Правило Вант-Гоффа. При повышении температуры на каждые 10 градусов константа скорости гомогенной элементарной реакции увеличивается в два—четыре раза. Температура – физическая величина, характеризующая степени нагретости тел.
Вильям Гершель, английский ученый-астроном немецкого происхождения в 1800 году, расщепив солнечный свет призмой, Гершель поместил термометр сразу за красной полосой видимого спектра и показал, что температура повышается, а, следовательно, на термометр воздействует световое излучение, недоступное человеческому взгляду. Вильям Гершель (1783–1822)
Верхний порог – определяется температурой свертывания белков. Для большинства организмов необратимые изменения наступают при температуре 60 С. экстремальные термофилы – это архебактерии живут в гейзерах и фумаролах, выдерживают температуру около 100 С. Гидротермальные источники на дне океанов являются средой обитания червей-рифтий и серобактерий. Температура воды достигает 350 С
Нижний порог – определяется замедлением скорости химических реакций и температурой замерзания цитоплазмы клетки и образованием кристаллов льда. У видов выдерживающих сильное охлаждение в клетках относительно мало воды и повышается доля веществ, которые замерзают при более низкой температуре, чем среда обитания. Некоторые организмы могут оставаться живыми при температурах близких к -273 С. тихоходка
Пойкилотермные – не могут регулировать температуру тела Гомойотерные – регулируют температуру тела Гетеротермные – могут менять температуру тела в течение времени
Правило Бергмана – в более холодном климате размеры тела позвоночных животных увеличиваются Гималайский ( 120—140 кг ) Бурый ( 300—400 кг). Белый (400-700 кг) Правило Аллена – в более холодном климате размеры выступающих частей тела уменьшаются Лиса-фенек Лиса обыкновенная Песец, или полярная лиса
Термофилы - теплолюбивые Криофилы - холодостойкие ,, Верблюжья колючка Морошка Лиственница Кокосовая пальма Кедровый стланник Кактус
Пассивные Изменение отношения воды и растворенных веществ в клетке (у животных и растений) Накопление подкожного жира (у животных) Накопление биологических белковых антифризов (у животных) Накопление сахаров (у растений) Развитие стелющихся форм Активные Смена поз Выбор мест с оптимальное температурой Химическая терморегуляция Потоотделение Температурные адаптации Химическая терморегуляция Физическая терморегуляция Поведенческая терморегуляция
Сумма активных температур — показатель, характеризующий количество тепла и выражающийся суммой средних суточных температур воздуха или почвы, превышающий определённый порог: 0, 5, 10 градусов или биологический минимум температуры, необходимой для развития определённого растения Пшеница — 1200-1700 Ячмень — 960-1450 Овёс — 1000-1600 Просо — 1410-1950 Гречиха — 1200-1400 Кукуруза — 1100-2900 Подсолнечник — 2000-2300 Картофель — 1200—1800. Потребность некоторых культур в тепле
Жозеф Фурье (1768-1830) Идея о механизме парникового эффекта была впервые изложена в 1827 году Жозефом Фурье в статье «Записка о температурах земного шара и других планет», в которой он рассматривал различные механизмы формирования климата Земли. Фурье постулировал, что оптические свойства атмосферы Земли аналогичны оптическим свойствам стекла, то есть её прозрачность в инфракрасном диапазоне ниже, чем прозрачность в диапазоне оптическом
В 1896 году Сванте Аррениус, шведский физико-химик, для количественного определения поглощении атмосферой Земли теплового излучения проанализировал данные Сэмюэла Лэнгли о болометрической светимости Луны в инфракрасном диапазоне. Аррениус сравнил данные, полученные Лэнгли при разных высотах Луны над горизонтом (то есть при различных величинах пути излучения Луны через атмосферу), с расчётным спектром её теплового излучения и рассчитал как коэффициенты поглощения инфракрасного излучения водяным паром и углекислым газом в атмосфере, так и изменения температуры Земли при вариациях концентрации углекислого газа. Аррениус также выдвинул гипотезу, что снижение концентрации в атмосфере углекислого газа может являться одной из причин возникновения ледниковых периодов. Объяснение парникового эфффекта Сванте Аррениус (1959-1927) Самуэль Ленгли (1834-1906)
Гелиофиты (от греч. helios — солнце и phyton — растение), или светолюбивые растения Сциофиты (от греч. scia — тень), или теневые растения, не выносят сильного освещения и живут в постоянной тени под пологом леса Ночные Дневные
Хлорофилл – единственный зеленый пигмент у живых организмов. Содержание хлорофилла пропорционально накоплению органического вещества. Поэтому анализируя космоснимки можно оценить накопление биомассы.
Фотопериодизм — реакция живых организмов (растений и животных) на суточный ритм освещённости, продолжительность светового дня и соотношение между темным и светлым временем суток Цветение и плодоношение Перелеты, кочевки, роение
Впервые ультрафиолетовое излучение обнаружил немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер в 1801 году Спектр УФ-излучений, которые имеют биологическое значение, диапазонно делятся на три подраздела по своей проникающей возможности и фотохимической активной деятельности: — область А (320-400 нм); — область В (275-320 нм); — область С (180-275 нм). На сегодняшний день, в фотобиологии возникла тенденция выделять, так называемый, диапазон экологии (295?400 нм) и УФ-излучение искусственно созданных источников (короче 295 нм). Вильгельм Риттер
В земной атмосфере излучение Солнца короткими волнами, излучение рентгеновское, и короткий ультрафиолет, при взаимодействии с молекулярным кислородом, образуют озоновый слой на расстоянии от 20 до 30 км от Земли. Озон ведет поглощение всех видов излучений с длинами волн короче 295 нм УФ-излучение активирует фотохимический синтез витамина D, который является одним из главных регуляторов для обмена кальция и фосфора в человеческом организме
Радиоактивные вещества могут действовать как источники ионизирующего излучения (физический фактор) и как тяжелые металлы (химический фактор)
Радиобиология как самостоятельная наука обязана трем великим открытиям в области физики, сделан ным в конце XIX столетия: открытию в 1895 г. немецким физиком В.К. Рентгеном Х-лучей, названных впоследствии его именем; открытию в 1896 г. французским физиком А. Беккерелем естественной радиоактивности и открытию в 1898 г. также французскими физиками супругами М. Склодовской-Кюри и П. Кюри новых радиоактивных элементов полония и радия. Рентгену в 1901 г. была присуждена первая Нобелевская премия по физике, а в 1903 г. этой же премии были удостоены Беккерель и супруги Кюри. Вильгельм Рентген 1945-1923
Приват-доцент Петербургского университета Иван Рамазович Тарханов уже в 1896 г. провел эксперименты по действию рентгеновских лучей на лягушек и насекомых, опубликовал работу по исследованию их влияния на «ход жизненных функций» В ней он показал повреждающую способность рентгеновских лучей и первым высказал предположение о возможности их применения в медицине, что вскоре и подтвердилось. Иван Рамазович Тарханов (1846–1908)
По-видимому, первыми исследователями, попытавшимися использовать рентгеновские лучи для терапии рака, были американский врач Дж. Джиллман и физик Эмиль Груббе. 29 января 1896 г., всего лишь через 23 дня после официального известия об открытии Рентгеном Х-лучей, они использовали их для облучения больной с неоперабельным раком молочной железы. По всей вероятности, эффект лечения оказался положительным, так как Груббе и в дальнейшем продолжал практику рентгенотерапии опухолей. Но и сам он стал жертвой рентгеновских лучей. Эмиль Груббе (1875 —1960)
На заре развития радиобиологии сделано еще одно важное и интересное открытие – явление радиационной стимуляции. Оно было сделано М. Мальдинеем и К. Тувиненом в 1898 г., показавшими ускорение прорастания семян различных видов растений, облученных невысокими дозами рентгеновских лучей. В последующем была доказана универсальность этого явления – ускорение роста и развития организмов при облучении любого вида растений, животных, микроорганизмов. Позднее было установлено, что радиостимуляция является частным случаем явления, получившего название гормезис, который состоит в положительной реакции организмов на действие самых различных неблагоприятных факторов окружающей среды (при условии умеренных нагрузок). Термин радиационный гормезис был предложен в 1980 году Т. Д. Лакки и означает благоприятное воздействие малых доз облучения
В основе первичных радиационно-химических изменений молекул лежат два механизма действия радиации: прямое и непрямое, или косвенное. Под прямым действием ионизирующего излучения понимают изменения, которые возникают в результате поглощения энергии и ионизации внутри самих молекул. Косвенное действие излучения это такое, при котором молекула получает энергию, приводящую к ее изменениям при взаимодействии с другой молекулой либо продуктами, возникшими в результате прямого действия излучения. Косвенное действие ионизирующего излучения вызывает изменения молекул в растворе за счет продуктов разложения (радиолиза) воды, а не энергией излучения, поглощенной самими молекулами Прямое ( I ) и косвенное (II) действие ионизирующего излучения на клетку: черным кружком обозначена мишень, волнистой стрелкой – диффузия свободных радикалов к молекуле мишени
были сформулированны в 1935 г. выдающимся радиобиологом и генетиком Николаем Владимировичем Тимофеевым-Ресовским (1900–1980) и немецкими физиками К. Циммером и М. Дельбрюком. «Попадание» – это акт взаимодействия кванта или частицы со структурой, «мишень» – структура клетки или ее часть, попадание в которую может привести к повреждению – мутации гена, поломке хромосомы, наконец, гибели клетки. Принцип попадания и теории мишени Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский Макс Дельбрюк Циммер, Карл
В 1930-е гг. возникла теория непрямого действия радиации. Она базировалась на радиационно-химических исследованиях О. Риссе (1929 г.) и Г. Фрика (1934 г.), установивших, что при рентгеновском облучении воды и водных растворов в присутствии кислорода происходит их радиолиз с образованием короткоживущих химически активных радикалов, а также перекиси водорода и органических перекисей. Взаимодействие этих продуктов с биологически важными веществами их инактивирует, что может стать причиной их гибели.
Электромагнитное излучение (ЭМИ) является физическим фактором среды, который оказывает существенное влияние на различные живые организмы, поэтому данный вид излучения находит применение в медицине, в некоторых отраслях промышленности и сельском хозяйстве. Количество техногенных источников и их мощности уже сейчас позволяют говорить о ЭМИ в СВЧ и КВЧ диапазонах, как о важном техногенном факторе окружающей среды, влияющим на стабильность экосистем. Сильные электромагнитные поля подавляют развитие организмов. Заселение стволов деревьев короедами происходит с разной интенсивностью в зависимости от удаления от ЛЭП. Электромагнитные поля влияют на ориентацию птиц длительных экспозициях наблюдается угнетение процессов прорастания семян у растений и дальнейшие процессы роста
Под воздействием постоянно дующих ветров у растений формируются флаговидные кроны Ветер способствует разносу пыльцы и семян. Ветер переносит мелких животных На основах птицы являются либо хорошими летунами, либо вообще утрачивают способность летать Ветер является фактором миграции некоторых насекомых Ветер образует буреломы и ветровалы, где развиваются многие насекомые ксилофаги Ветер Флаговидная крона сосны киви альбатрос
Рельеф – совокупность неровностей твёрдой земной поверхности, разнообразных по очертаниям, размерам, происхождению, возрасту и истории развития Абсолютная высота - высота любой точки земной поверхности над уровнем океана. Относительная высота - это превышение одной точки земной поверхности над другой.
Рельеф это экологический фактор, оказывающий косвенное влияние на растительный покров за счет перераспределения тепла, света и влаги. В горных системах растительность несравненно богаче и разнообразнее растительности равнин, что обусловлено большим разнообразием почвенно-климатических условий в горах. Мезорельеф и микрорельеф оказывают влияние на перераспределение тепла и влаги, а также питательных веществ в почве. Происходит увеличение колебания температур, интенсивности заморозков, длительности безморозного периода, что в основном влияет на развитие растений, их численность и особенности пространственного распределения. От экспозиции склона зависят уровень радиации, зимнее распределение снега и скорость ветра. От крутизны склона зависит температура почвы и приземного слоя воздуха, толщина снежного покрова, величина суточной амплитуды температуры, мощность почвенного профиля, интенсивность эрозии.
Правило предварения В.В. Алехина : склоны северной экспозиции несут на себе растительные группировки, свойственные более северной растительной зоне (или подзоне), а склоны южной экспозиции — растительные группировки, характерные для более южной растительной зоны (или подзоны). Василий Васильевич Алехин 1882-1942
Функции воды в организме
Влажность — это параметр, характеризующий содержание водяного пара в воздухе. Абсолютная влажность — количество водяного пара, содержащегося в воздухе и выраженное через массу воды на единицу массы воздуха (например, в граммах на килограмм воздуха). Поскольку количество пара, удерживаемое воздухом (при насыщении), зависит от температуры и давления, введено понятие относительной влажности, обозначающее отношение количества имеющегося в воздухе пара к насыщающему количеству пара при данных условиях температуры и давления. Относительную влажность обычно измеряют, сравнивая температуру на двух термометрах — с влажным и сухим шариком; этот прибор называется психрометром.
Гигрофиты (от греч. hygros — влажный, phyton — растение) — растения, живущие на сильно увлажненных почвах и при высокой влажности воздуха. Представителями гигрофитов являются: пушица, рис, тростник, калужница болотная, многие осоки, папирус и др. Они встречаются во всех климатических зонах. Гигрофиты имеют приспособления для интенсивной транспирации. У них тонкие листовые пластинки с постоянно открытыми устьицами. У некоторых растений есть специфические водяные устьица. Через них вода выделяется в капельно-жидком состоянии. У гигрофитов слабо развиты механическая ткань, кутикула и эпидермис. В мезофилле листьев имеются крупные межклетники. У некоторых видов в корнях и стеблях возможно наличие аэренхимы (от греч. aer — воздух, enchyma — ткань) — ткани, запасающей воздух (болотные гигрофиты). Слабо развита корневая система (корни тонкие, часто без корневых волосков). Гигрофиты не способны перенести даже небольшой недостаток влаги в почве и быстро увядают.
Мезофиты (от греч. mesos — средний) — растения, обитающие в условиях умеренного увлажнения. Они способны переносить кратковременный недостаток влаги. К ним относится большинство лиственных древесных растений. Мезофитами являются луговые и многие лесные травы, злаки, сорняки, почти все культурные растения умеренной зоны. Это наиболее распространенная экологическая группа растений. По сравнению с гигрофитами и ксерофитами мезофиты имеют адаптивные признаки промежуточного характера. У них умеренно развита корневая система. На корнях имеются корневые волоски, в листьях — небольшое количество устьиц. В зависимости от обеспеченности влагой устьица могут в любое время открываться или закрываться.
Ксерофиты (от греч. xerox — сухой, phyton — растение) — растения, приспособившиеся к жизни в засушливых местах (степи, пустыни, полупустыни, саванны, высокогорья). Они способны длительно выдерживать недостаточное увлажнение. У ксерофитов приспособленность к сухим местообитаниям связана с ограничением затрат воды на транспирацию. У одних представителей она сопровождается активным добыванием воды при ее недостатке в почве. А у других — способностью запасать воду в тканях и органах на время засухи. В зависимости от типа адаптаций выделяют две формы ксерофитов — суккуленты и склерофиты.
(от лат. succulentus — сочный) — многолетние растения, способные запасать воду в своих тканях и органах, а затем экономно ее расходовать. В зависимости от того, в каких органах запасается вода, различают три типа суккулентов: листовые, стеблевые и корневые. Листовые суккуленты накапливают воду в мясистых листьях. Из курса географии вы знаете, что листовые суккуленты встречаются в засушливых областях Центральной Америки (агава), Африки (алоэ). В наших широтах их можно встретить на сухих песчаных почвах (очиток, молодило). Стеблевые суккуленты имеют сильно развитые водозапасающие ткани в коре и сердцевине стебля. Они широко представлены в американских пустынях (кактусы) и засушливых областях Африки (молочаи). Корневые суккуленты запасают воду в тканях подземных частей растений. Растущее в Мексике невысокое дерево сейба мелколистная имеет на корнях вздутия диаметром до 30 см, в которых накапливается вода. Суккуленты
Склерофиты (от греч. scleros — твердый) — растения со сниженной транспирацией и способностью активно добывать воду при ее недостатке в почве — полынь, саксаул, бодяк, ковыль, чертополох. Они не запасают влагу на период засухи, а добывают ее и экономно расходуют. Обитают склерофиты преимущественно в степях и пустынях, засушливых местообитаниях умеренной зоны.
Склерофиты имеют сухие жесткие листья и стебли, покрытые толстой кутикулой. Сильное развития механических тканей при водном дефиците у них не наблюдается увядания. В силу высокого осмотического давления клеточного сока у склерофитов развивается большая сосущая сила, поэтому их называют «растениями-насосами». Корни склерофитов уходят глубоко в землю (у верблюжьей колючки длина главного корня достигает 15 м). Некоторые представители образуют разветвленную поверхностную корневую систему (степные злаки). В периоды засух транспирация уменьшается за счет ряда морфологических адаптаций. Во-первых, у склерофитов мелкие, часто в виде игл или колючек, листья. Они имеют восковой налет или опушение и устьица погруженного типа. Во-вторых, клетки склерофитов способны удерживать воду благодаря высокой вязкости цитоплазмы.
полностью погружены в воду: роголистник погружённый (Ceratophyllum demersum), элодея канадская (Elodea canadensis); свободно плавают на поверхности воды: ряска малая (Lemna minor) и трёхдольная (Lemna trisulca), водокрас лягушачий (Hydrocharis morsus-ranae); плавающие на поверхности воды листья, но их корневище прикреплено ко дну: кубышка жёлтая (Nuphar lutea), кувшинка чистобелая (Nymphaea Candida) Гидатофиты Гидатофиты – водные растения целиком или полностью погруженные в воду
Гидрофиты – наземно-водные растения, частично погружены только своей нижней частью — стрелолист обыкновенный (Sagittaria sagittifolia), камыш озёрный (Scirpus lacustris). При высыхании водоема могут расти вне воды. Камыш озёрный Горец земноводный Рогоз широколистный
К физиологическим адаптациям относятся особенности процессов жизнедеятельности, восполняющие дефицит влаги в организме. Например, млекопитающие пьют воду, земноводные поглощают ее кожными покровами. Мелкие животные пустынь (грызуны, пресмыкающиеся, членистоногие) добывают воду, поедая растения с сочными побегами. К морфологическим адаптациям относятся приспособления, задерживающие воду в теле животных. Насекомые и паукообразные имеют многослойную хитинизированную кутикулу. У пресмыкающихся есть роговой покров тела (роговые чешуи и пластинки). У наземных моллюсков — раковины. У птиц тело покрыто перьями, а у млекопитающих — шерстью. Поведенческие адаптации заключаются в том, что большинство животных активны в поисках воды. Они периодически посещают места водопоя. Порой им приходится мигрировать на сухой период в районы с большей влажностью. Способность совершать далекие миграции к водопою характерна для антилоп, сайгаков, куланов. Некоторые животные в сухой период переходят на ночной образ жизни или впадают в летнюю спячку (суслики, сурки, черепахи).
