Законы и принципы экологии
1. Законы экологии
Экология имеет свои законы, которые характеризуют взаимоотношения различных элементов в экосистеме и все процессы в
биосфере. Некоторые, достаточно общие постулаты, теоремы, правила заимствованы из смежных дисциплин и опираются на фундаментальные законы естествознания. Таковы начала термодинамики, законы сохранения вещества и энергии. Наиболее важным для понимания поведения экологических систем является закон оптимума. Согласно этому закону, любой экологический фактор имеет определённые пределы положительного влияния на живые организмы. Факторы положительно влияют на организмы лишь в определенных пределах. Недостаточное либо избыточное их действие сказывается на организмах отрицательно. Зона оптимума — это тот диапазон действия фактора, который наиболее благоприятен для жизнедеятельности. Отклонения от оптимума определяют зоны пессимума. В них организмы испытывают угнетение. Минимально и максимально переносимые значения фактора — это критические точки, за которыми организм гибнет. Благоприятная сила воздействия называется зоной оптимума экологического фактора или просто оптимумом для организма данного вида. Чем сильнее отклонение от оптимума, тем больше выражено угнетающее действие данного фактора на организмы (зона пессимума). Закон оптимума универсален. Он определяет границы условий, в которых возможно существование видов, а также меру изменчивости этих условий. Виды чрезвычайно разнообразны по способности переносить изменения факторов. В природе выделяются два крайних варианта — узкая специализация и широкая выносливость. У специализированных видов критические точки значения фактора сильно сближены, такие виды могут жить только в относительно постоянных условиях. Виды с узким диапазоном выносливости называют стенобионтами, а с широким — эврибионтами.
Закон ограничивающего (лимитирующего) фактора или закон минимума Либиха — один из фундаментальных законов в экологии, гласящий, что наиболее значим для организма тот фактор, который более всего отклоняется от оптимального его значения. Поэтому во время прогнозирования экологических условий или выполнения экспертиз очень важно определить слабое звено в жизни организмов. Именно от этого минимально (или максимально) представленного в данный конкретный момент экологического фактора зависит выживание организма. В другие отрезки времени ограничивающим могут быть другие факторы. В течение жизни особи видов встречаются с самыми разными ограничениями своей жизнедеятельности. Этот закон учитывается в практике сельского хозяйства. Немецкий химик Юстус Либих установил, что продуктивность культурных растений в первую очередь зависит от того питательного вещества (минерального элемента), который представлен в почве наиболее слабо.
Закон толерантности Шелфорда — закон, согласно которому существование вида определяется лимитирующими факторами, находящимися не только в минимуме, но и в максимуме. Закон толерантности расширяет закон минимума Либиха. Ле Шателье – Брауна принцип (принцип смещения равновесия) устанавливает, что внешнее воздействие, выводящее систему из состояния равновесия, вызывает в системе процессы, стремящиеся ослабить эффект воздействия. Разработанный первоначально для условий химического равновесия, этот принцип стал применяться для описания поведения самых различных самоподдерживающихся систем. На биологическом уровне он реализуется в виде способности экологических систем к авторегуляции. В биосфере механизм осуществления этого принципа основывается на функционировании всей совокупности живых организмов и служит главным регулятором общеземных процессов.
Закон всеобщей связи вещей и явлений в природе и в обществе. Он связан с законом физико-химического единства живого вещества, законом развития системы за счет окружающей ее среды и законом постоянства количества живого вещества, сформулированных В.И. Вернадским: любая система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды; изолированное саморазвитие невозможно. Значительное увеличение числа каких-либо организмов за относительно короткий промежуток времени может происходить только за счет уменьшения числа других организмов.
Закон цепных реакций. Любое частное изменение в системе неизбежно приводит к развитию цепных реакций, идущих в сторону ней-
трализации произведенного изменения или формирования новых взаимосвязей и новой системной иерархии. Поскольку взаимодействие между компонентами системы при их изменении, как правило, существенно нелинейно, то слабое изменение одного из параметров системы может вызвать сильные отклонения других параметров или привести к изменению всей системы в целом.
Закон конкурентных отношений. Конкуренция — это такое взаимодействие между особями, которое вызвано сходными потребностями в ограниченном ресурсе и которое приводит к снижению выживаемости, скорости роста и (или) размножения конкурирующих особей. Повышение плотности популяции уменьшает вклад каждой особи в следующее поколение. Конечный результат конкуренции – уменьшение вклада в следующее поколение. При внутривидовой конкуренции ресурс, за который особи конкурируют, должен быть ограниченным.
Законы Б. Коммонера. Б. Коммонером были предложены понятные и простые законы экологии, помогающие определить совместное
развитие человека и природы: Все связано со всем — закон о всеобщей связи процессов и явлений в природе. Все надо куда-то девать — закон о хозяйственной деятельности человека, отходы от которой неизбежны, и потому нужно думать и об уменьшении их количества и последующем захоронении этих отходов. За все надо платить — это всеобщий закон рационального природопользования. Платить надо энергией за дополнительную очистку отходов, удобрением — за повышение урожая, санаториями и лекарствами — за ухудшение здоровья человека. Природа знает лучше — нельзя покорять природу, нужно сотрудничать с ней, используя биологические механизмы и для очистки стоков, и для повышения урожая культурных растений. И не забывать о том, что сам человек — тоже биологический вид, что он сам часть природы, а не ее властелин.
Закон лимитирующих факторов Либиха. Этот закон был впервые сформулирован в 1840 году в ходе наблюдений за влиянием на растения химических удобрений. Было обнаружено, что ограничение дозы любого удобрения ведет к одинаковому результату — замедлению роста. Суть закона состоит в том, что даже единственный фактор за пределами зоны своего оптимума приводит к стрессовому состоянию организма и его гибели. Такой фактор называют лимитирующим. Стресс и гибель растения вызываются как чрезмерным поливом и из бытком удобрения, так и недостатком воды и удобрений. Наблюдения показали, что закон лимитирующих факторов относится ко всем влияющим на организм биотическим и абиотическим факторам. Закон применим к растениям, животным и к человеку.
2. Взаимоотношения между организмами
Положительное (+) — один организм получает пользу за счет другого.
Отрицательное (–) — организму причиняется вред из-за другого.
Нейтральное (0) — другой никак не влияет на организм.
Задания
1. Вычертить график зависимости результатов действия экологического фактора от его интенсивности, обозначить зону нормальной
жизнедеятельности и зоны угнетения, предел выносливости.
2. На графике показать отношение к экологическому фактору стенобионтов и эврибионтов, привести примеры.
3. Выписать основные законы экологии по Б. Коммонеру, Т. Миллеру, закон лимитирующих факторов, закон толерантности.
4. Изучить виды взаимоотношений [4, с. 111-120; 1, с. 452-457; 2, с. 109-122] между организмами, заполнить таблицу, решить
задачи.
Задачи для самостоятельного решения
Задача 1. Все условия для растений благоприятны, но среди минеральных солей, необходимых растению, фосфора содержится только 50% от требуемого, а кальция — 20%. Какой фактор является органичивающим и во сколько раз снизится урожай? Предположим, что в почву кальция внесли до нормы. Сколько недополучим продукции?
Задача 2. Начертите график областей выживания и оптимума бабочки яблонной плодожорки. На горизонтальной оси отложите показания влажности воздуха в процентах, на вертикальной оси — показания температуры в градусах. Используйте приведенные ниже данные. Полная гибель куколок яблонной плодожорки наступает при сочетаниях: 10 °С и 100%, 4 °С и 80%, 15 °С и 40%, 28 °С и 15%, 36 °С и 55%, 37 °С и 100% (первая цифра — температура, вторая — влажность воздуха). Гибель менее 10% при сочетаниях: 20 °С и 85%, 22 °С и 95%, 27 °С и 55%, 26 °С и 55%, 22 °С и 70%. Соедините замкнутой кривой точки для каждого уровня выживания. Рассмотрите полученный график. Велика ли опасность размножения этого вредителя в районах с летними температурами 18-25 °С и
влажностью 70-90%, в районах с летними температурами 20-35 °С и влажностью 20-35%?
Задача 3. Микроскопические мучные клещи могут в огромных количествах размножаться в зернохранилищах и приводить зерно в полную негодность. При оптимальных температурах +20-22 °С развитие яйца длится 3-4 дня, при +10 °С — растягивается до месяцев. Температуру выше +45-50 °С клещи не переносят. Они погибают при влажности зерна 10-12% из-за сухости и выше 70% — из-за развития плесневых грибков. Предложите способ, как избавить от клещей и сохранить зерно, не прибегая к ядохимикатам.
Задача 4. В тропических районах океана, где много тепла и света, жизнь очень бедна, эти районы называют океаническими пустынями.
Проанализируйте таблицу. Как вы думаете, что ограничивает размножение одноклеточных водорослей, от которых в свою очередь
зависят животные? Почему биомасса животных и микроорганизмов океана больше, чем биомасса растений?
Задача 5. В одном из опытов мелкие насекомые-паразиты искали и заражали своими яйцами куколки-пупарии комнатной мухи. В разных вариантах опыта 40 паразитам предлагали разное число куколок 25, 50, 100, 200 и 300. Число зараженных куколок оказалось соответственно 18, 32, 48, 54, 62. Начертите график числа зараженных пупариев, приходящихся на одного паразита, при увеличении численности жертв. Рассчитайте, какую долю куколок мух заражают паразиты при разной численности жертв. В каком из вариантов опыта они наиболее эффективно влияли на численность куколок?
Задача 6. В одном из лесных хозяйств учитывали гусениц хвойной листовертки — вредителя хвойных пород, а среди них — число
здоровых и зараженных паразитами (табл.). По полученным данным начертите графики изменения общей численности гусениц и числа зараженных. Сравните и объясните ход кривых. Как зависит доля зараженных гусениц от общей численности хозяина листовертки? Могут ли паразиты сдерживать рост численности листовертки?
Задача 7. В одном из степных заповедников на площади 250 га насчитывалось 370 особей сурков-байбаков, распределявшихся по
возрасту следующим образом: новорожденных — 118, годовалых — 49, двухлетних — 50, трехлетних и старше — 153, спустя два года на участке было 488 особей и среди них новорожденных — 122, годовалых — 78, остальные — старше. Изменилась ли возрастная структура
популяции? Какова смертность молодых особей за этот период?
Задача 8. В нижнем течении реки Лены самки осетров приступают к размножению в 12-14 лет при средней длине тела 70 см. Наиболее старые особи доживают до 50 лет, вес их — около 13 кг. На реке Алдан самки осетра начинают метать икру в 10-12 лет при средней длине 58 см. Самым старым особям не более 21 года. Промысловая мера, т.е. минимальный размер особей, разрешенных к отлову, составляет 62 см. Что произойдет с алданской и ленской популяциями осетра, если в результате интенсивной добычи будут вылавливаться все особи крупнее этих размеров?
Вопросы для самопроверки
1. Какие отношения между организмами называют хищничеством, паразитизмом?
2. Какие виды конкуренции вы знаете?
3. Как человек может использовать взаимоотношения между организмами?
4. В каких отношениях человек может выступать одной из сторон?
5. Что иллюстрирует «бочка Либеха»?