Фактори середовища та закономірності їх дії на живі організми

Організм як елементарна одиниця живого світу в середовищі свого існування перебуває під одночасним постійним впливом кліматичних, едафічних і біотичних факторів, які сукупно називають екологічними.

Екологічний фактор - це будь-який елемент середовища, здатний виявляти прямий вплив на живі організми хоча б протягом однієї фази їх розвитку.

Екологічні фактори мають різну природу і специфіку дії, поділяються на абіотичні, біотичні та антропогенні.

Абіотичні включають кліматичні (світло, теплоту, радіоактивне випромінювання, тиск, вологість повітря), едафічні (механічний склад грунту, гумус, ґрунтовий розчин, аерація грунтів, лісова підстилка тощо), орографічні (рельєф, нахил схилу, експозиція схилу), геологічні (материнська порода різного походження).

Одним з найважливіших абіотичних факторів є світло. Розглядаючи екологічне значення світла, слід відзначити його основну роль у процесі фотосинтезу, тобто утворенні первинної біологічної продукції, від трансформації і використання якої залежить життя на Землі.

Розподіл енергії має такий вигляд: коли прийняти сонячну енергію, що сягає Землі, за 100%, то приблизно 19% її вбирається атмосферою, 34% відбивається назад у космічний простір і 47% досягає земної поверхні у вигляді прямої (31%) та розсіяної (16%) радіації.

З ультрафіолетового випромінювання до поверхні Землі доходять лише довгохвильові промені (290-380 нм), а короткохвильові, які є згубними для всього живого, практично повністю вбираються на висоті близько 20-25 км озоновим шаром. Земної поверхні сягають лише найдовші з ультрафіолетових променів - з довжиною хвилі 0,38-0,40 мкм. Вони сприяють фотосинтезу рослин, особливо коли останні надходять у помірних дозах.

Сонячну енергію, яку рослини поглинають і використовують у процесі фотосинтезу, називають фізіологічно активною радіацією (ФАР), яка обмежена довжиною хвиль 0,38-0,71 мкм, але і в цих межах вона неоднаково поглинається рослинами.

Світловий режим будь-якого місцезростання визначається інтенсивністю прямої та розсіяної радіації, кількістю річної сумарної радіації, її спектральним складом, а також альбедо - відбиваючою здатністю поверхні, на яку падає світло. Ці елементи світлового режиму досить мінливі і залежать від географічного положення, висоти над рівнем моря, рельєфу, стану атмосфери, характеру земної поверхні, рослинності, періоду доби, сезону року, сонячної активності та глобальних змін в атмосфері.

В зв’язку з цим у рослин виникли різні морфологічні та фізіологічні адаптації до світлового режиму місцезростання. За вибагливістю до умов освітлення рослини поділяють на декілька екологічних груп:

Світлолюбиві, або геліофіти, можуть нормально розвиватися лише при достатньо яскравому світлі. Прикладом можуть служити лучні трави - райграс високий, тимофіївка лучна; рослини степів - ковила, перекотиполе; пустель - верблюжа колючка, саксаул, кактуси. З лісових рослин - це дерева першого ярусу і чагарників (анемона, ряст).

Тіньолюбні, або сціофіти, розвиваються в умовах досить слабкої освітлюваності. При яскравому освітленні, особливо в умовах конкуренції з іншими видами, вони жити не можуть. До тіньолюбних належать рослини, які живуть у нижніх ярусах фітоценозів (кислиця, веснівка дволиста, копитняк, вороняче око).

Тіньовитривалі види, або факультативні геліофіти, як правило, рослини помірних зон - лісові та лучні трави: тонконіг лучний, костриця червона, суниці лісові, грястиця збірна, а серед дерев - липа, черемха, горобина, смерека тощо.

На рослини впливають не лише інтенсивність і якість світла, але й тривалість освітлення. З цим пов'язані добовий і сезонний ритми розвитку активності рослин, які називаються фотоперіодизмом.

Розрізняють два типи фотоперіодизму: короткоденний і довгоденний. Відомо, що довжина світлового дня, крім періоду року, визначається географічним положенням місцевості.

Сонячна енергія не лише забезпечує рослини світлом, але й створює такі температурні умови, які необхідні для їх життєдіяльності. Як світловий, так і температурний режими змінюються на Землі протягом року, доби. Вони залежать від широти місцевості, висоти над рівнем моря, а також місцевих факторів - характеру вітрів, близькості теплих чи холодних течій, льодовиків, кольору грунтів тощо. Причому нагрівання Землі відбувається тим швидше, чим прозоріша атмосфера і чим вище стоїть сонце над горизонтом.

Від температури значною мірою залежить хід фотосинтезу та транспірації. У більшості рослин найінтенсивніше фотосинтез протікає при температурі понад 20-25^oC. Встановлено, що при температурі понад 30-35°C процес фотосинтезу сповільнюється, а при температурі 40-45 °С припиняється.

Хід температури впливає на процес нагромадження органічної речовини. Багато в чому він подібний до процесу фотосинтезу, але на нього впливає інтенсивність процесу дихання, яка при підвищенні температури швидко зростає, а при зниженні падає. З підвищенням температури на кожні 10°С швидкість хімічних реакцій при диханні майже подвоюється. Однак в умовах, де високі температури є звичайним явищем і тривають довший час, рослини пристосувались переносити жаркий період у стані анабіозу.

Температура впливає на кореневе живлення рослин. Цей процес можливий лише тоді, коли температура грунту і повітря однакова (+22 °С).

Стосовно температури як екологічного фактора, розрізняють дві групи рослин: теплолюбні (термофіли) і холодолюбні (психрофіти). Теплолюбними називають рослини, які добре розвиваються в умовах високих температур, холодолюбними - рослини, які можуть рости в умовах досить низьких температур.

За ступенем адаптації до умов крайнього дефіциту тепла можна виділити три групи рослин:

- нехолодостійкі - сильно пошкоджуються або гинуть при температурах, вищих за точку замерзання води. Загибель пов'язана з інактивацією ферментів, порушенням обміну нуклеїнових кислот і білків, руйнуванням мембран та припиненням дії асиміляторів. Це рослини дощових тропічних лісів, водорості теплих морів;

- неморозостійкі - переносять низькі температури, але гинуть, як тільки у тканинах починає утворюватись лід. В холодну пору року в них підвищується концентрація осмотично активних речовин у клітинному соці- і цитоплазмі, що знижує точку замерзання до -5° - 7°С. Вода у клітинах може охолоджуватись нижче точки замерзання без остаточного утворення льоду. Переохолоджений стан нестійкий і триває до декількох годин, що дає змогу рослинам переносити приморозки. Це стосується вічнозелених субтропічних видів. У період вегетації всі листяні рослини неморозостійкі;

- морозостійкі, або льодостійкі - ростуть у регіонах з сезонним кліматом і холодними зимами. Під час сильних морозів наземні органи дерев і чагарників промерзають, але зберігають життєздатність. Ці рослини, готуючись до морозів, поступово проходять попереднє загартовування після того, як закінчуються процеси росту. Загартовування - це нагромадження у клітинах цукрів похідних вуглеводнів, до 20-30% деяких амінокислот та інших захисних речовин, які зв’язують воду. Після завершення періоду зимового спокою загартування втрачається. Весняні приморозки, які настають раптово, можуть пошкодити ростові пагони і особливо квіти навіть у морозостійких рослин.

За ступенем адаптації до високих температур виділяють такі групи організмів:

- нежаростійкі - пошкоджуються вже при температурі 30-40°C (водні квіткові, наземні мезофіти);

- жаровитривалі еукаріоти - рослини сухих місцевостей з сильною інсоляцією ( степи, пустелі, савани, сухі субтропіки тощо) переносять півгодинне нагрівання до 50-60°C;

- жаростійкі прокаріоти - термофільні бактерії і деякі види синьо-зелених водоростей, які можуть жити в гарячих джерелах при температурі 85-90°C.

Відома ще одна група рослин, які витримують температуру пожеж, що сягає сотень градусів. їх називають профітами (рослини саван з грубою корою і товстошкірим насінням).

Температурні адаптації тварин мають свої особливості. При цьому розрізняють:

- хімічну терморегуляцію - активне збільшення теплопродукції у відповідь на зниження температури;

- фізичну терморегуляцію - зміна рівня тепловіддачі, завдяки особливостям волосяного чи пір'яного покриву, розподілу жирових запасів, деталям будови кров'яної системи, можливості випаровування тощо;

- поведінку організмів - мігруючи або змінюючи свою поведінку, тварини можуть активно уникати критичних температур.

Повітря як екологічний фактор має для рослин особливе значення, оскільки є не лише середовищем, у якому відбуваються життєві процеси, але й одним із джерел споживання. Майже 50% сухої маси рослин становить вуглець, засвоєний ними з повітря.

Крім природної суміші газів, у повітрі містяться фізичні домішки природного та антропогенного походження: пилок і спори рослин, пил, сажа тощо.

Екологічно важливі в житті рослин є різні домішки, які містяться у повітрі. Однак, деякі з них згубно впливають на рослини. Наприклад, сірчистий газ, попадаючи в клітини рослин, порушує ферментативну діяльність, зумовлює зсідання колоїдів, порушує обмін речовин. Особливо чутливі до сірчистого газу гриби, лишайники, хвойні рослини, менш чутливі - покритонасінні. Шкідливий вплив на рослини проявляється при його концентрації в межах 0,0001%, а при 0,001-0,01% спостерігається їх сильне пошкодження.

Важливу роль в житті рослин відіграє вітер. У холодних зонах з бідною фауною вітер відіграє домінуючу роль у запиленні рослин. Цим пояснюється поширеність анемофільних видів рослин в Ісландії, Гренландії, на Новій Землі і Шпіцбергені, де їх кількість коливається в межах 30-38%.

Вітер відіграє також значну роль в анемохорії - поширенні організмів. Спори мохів переносяться вітрами на віддаль понад 2000 км. Деякі бабки можуть за допомогою вітру подолати відстань близько 900 км.

Якщо для водних рослин вода є середовищем життя, то для наземних рослин і тварин - надзвичайно необхідною умовою існування, оскільки без неї неможливі процеси метаболізму.

Тіла живих організмів, рослин і тварин містять багато води. Наприклад, у рослин цей показник коливається в межах 40-98%, а у стовбурах дерев - 50-55%, в листках - 79-82%, в плодах томатів і огірків - 94-95%, у водоростях - 96 - 98%.

В середньому 0,5% води йде на фотосинтез, а решта - на поповнення після випаровування і підтримання тургору. Вода випаровується з усіх поверхонь - як внутрішніх, так і зовнішніх, які мають зв'язок з повітрям.

За відношенням до водного режиму всі організми

розподіляються на дві групи: пойкілогідричні та гомойогідричні.

У пойкілогідричних рослин вміст води в тканинах залежить від ступеня зволоження навколишнього середовища. Вони не здатні регулювати транспірацію, тому легко і швидко гублять та вбирають воду, використовуючи вологу роси, туманів, дощів, у сухому стані перебувають в анабіозі. Рослини цієї групи здатні проживати там, де короткі періоди зволоження чергуються з тривалими посушливими періодами. Це явище характерне для синьо-зелених водоростей, деяких грибів, лишайників, а також притаманне багатьом мохам, деяким папоротям й окремим квітковим (південноафриканські чагарники - розоцвіти).

Гомойогідричні рослини здатні підтримувати відносну постійність зневоднення тканин. До них належить більшість вищих наземних рослин. Вони мають велику центральну вакуоль у клітинах, а тому клітина завжди має запас води і не так сильно залежить від мінливих зовнішніх умов. Крім того, поверхня пагонів вкрита епідермісом з малопроникаючою для води кутикулою, транспірація регулюється продиховим апаратом, а добре розвинена коренева система під час вегетації може безперервно вбирати воду з ґрунту. Однак, здатність гомойогідричних рослин регулювати свій водний обмін різна. Виділяють різні групи:

Гідатофіти - водні рослини, що повністю або майже повністю занурені у воду. До них належать елодея, рдесник, водяні жовтеці, валіснерія, водопериця тощо. У таких рослин редуковані продихи і відсутня кутикула, а тому при витяганні з води швидко висихають і гинуть.

Гідрофіти - наземно-водні рослини, частково занурені у воду, які ростуть на берегах водойм та болотах. Це очерет звичайний, частуха подорожникова, бобівник трилистий, калюжниця болотна та інші. У гідрофітів є епідерміс з продихами, інтенсивність транспірації досить висока, вони можуть рости лише при постійному інтенсивному вбиранні води.

Гігрофіти - наземні рослини, які розселюються в місцях підвищеної вологості повітря і часто - на вологих грунтах, серед них розрізняють тіньові і світлові. Тіньові гігрофіти - це рослини нижніх ярусів сирих лісів в різних кліматичних зонах (бальзамін, цирцея альпійська, осот городній, більшість тропічних трав, тощо).

Мезогігрофільні рослини ростуть в умовах середнього зволоження, помірному тепловому режимі і достатній забезпеченості мінеральними речовинами. До них належать вічнозелені дерева верхніх ярусів тропічних лісів, саван, чагарники підліску, трав'яні рослини дібровного широкотрав'я, рослини заливних і помірно сухих лугів.

Ксерофіти - рослини, що ростуть у місцях з недостатнім зволоженням. Вони пристосовані добувати воду при її нестачі, обмежувати випаровування води або запасати її на період посухи. Ксерофіти краще, ніж будь-які рослини, здатні регулювати водний обмін. Це рослини пустель, степів, твердолистяних вічнозелених лісів і чагарникових заростей, піскових дюн і сухих схилів, що сильно нагріваються. Ксерофіти поділяються на два основні типи: сукуленти і склерофіти. До загонових сукулентів відносять кактуси, станелії, кактусовидні молочаї; до листяних сукулентів - алое, агави, очитки; до кореневих сукулентів - аспарагус і кислиці; до склерофітів - рослини, сухі на вигляд, часто з вузьким і дрібним листям. Це більшість степових рослин (злаки, полин холодний, едельвейс, ковила, келерія, типчак тощо).

Витрати води у тварин відбуваються через випаровування із шкіряного покриву або слизових оболонок дихальних шляхів, з сечею і не перевареними рештками їжі.

Види, які отримують воду виключно через пиття, залежать від наявності водопоїв. В африканських саванах слони, антилопи, леви, гієни регулярно відвідують водопої. Питна вода необхідна і для багатьох птахів. Наприклад, ластівки і стрижі п'ють воду на льоту, самці рябчиків просочують водою пір'я на грудях, а їхні пташенята вичавлюють дзьобами набухле пір'я.

Серед тварин виділяють гігрофілів та ксерофілів, тобто вологолюбні та сухолюбні види. Проміжна група - мезофіли. Серед комах, наприклад, гігрофільні кровосисні комарі найбільш активні у вечірній час, а вдень - лише в похмуру погоду або в тіні, під наметом лісу, тобто при підвищеній вологості повітря. До ксерофітів належать жуки-стрибуни, пустельні жуки-чорнолітки, пустельна сарана тощо.

Едафічні (від грецького слова „едафон”- основа, грунт). Властивості земної поверхні як екологічний фактор (едафічний) спричиняють вплив на її мешканців. Це - ґрунтова вода, розчинені в ній і доступні кореням поживні речовини; концентрація ґрунтового розчину, його кислотність і ступінь окислення, отруйні речовини ґрунту; комплекс фізичних властивостей грунту - механічний склад, пористість, аерація, водні і теплові властивості; об'єм (потужність) коренедоступного шару ґрунту - ризосфери; лісова підстилка тощо.

Характер кореневої системи рослин залежить від гідротермічного режиму, аерації, структури, складу і співвідношення ґрунту. Одні рослини мають поверхневу кореневу систему, інші - глибинну, на перезволожених грунтах в мангрових заростях багато видів має спеціальні дихальні корені - пневматофори.

За різними властивостями ґрунту можна виділити екологічні групи рослин. Так, за реакцією на кислотність ґрунту розрізняють:

-ацидофільні види - ростуть на кислих ґрунтах з pH6,7 - 7 (більшість культурних рослин);

- базифільні - ростуть при pH >7 (анемона дібровна);

-андифирентні - можуть виростати на грунтах з різним значенням pH (конвалія, вівсяниця овеча).

За валовим складом грунту розрізняють:

- оліготрофні рослини (сосна звичайна);

-евтотрофні, які потребують великої кількості зольних елементів (дуб, ялиця, переліска багаторічна, розхідник);

-мезотроні - ширяться на грунтах з помірною кількістю зольних елементів (ялина звичайна).

Крім цього, виділяють нітрофіли - рослини, які переважають на ґрунтах, збагачених азотом (кропива); галофіти - види, що існують на засолених ґрунтах (солонець, сарзан). Деякі види рослин ростуть на кам'янистих грунтах - петрофіти і на сипких пісках - псамофіти.

Рельєф місцевості та характер ґрунту впливають на специфіку переміщення тварин. Наприклад, копитні, страуси, дрохви пристосовані пересуватися на твердій поверхні. У ящірок пальці з бахромою і лусками, що збільшують опорну поверхню на сипких пісках.

Серед абіотичних виділяють групу геологічних факторів: гірські породи, що входять до складу ризосфери; поверхневий стік, який спричиняє ерозію схилів; паводки, алювіальні процеси в заплавах рік, землетруси, морські припливи і відпливи, вулканічна діяльність тощо.

Біотичні фактори - це фактори, які характеризують явище коакцій, тобто взаємодію між різними організмами, що населяють відповідне середовище.

Р. Дажо розрізняє два типи коакцій: гомотипові реакції, тобто взаємодія між організмами одного виду (особини бука взаємодіють між собою) і гетеротипові реакції, де взаємодіють особини різних видів (бук і граб в грабово-буковому лісі).

Вважають, що взаємодія між організмами існує лише тоді, коли особини в той чи інший спосіб впливають одне на одного. Як правило, ця взаємодія пов'язана з тим, що один організм споживає ресурс, який міг би використати інший організм. Отже, одна жива істота залишає іншу без частини ресурсу, що призводить до сповільнення росту останньої, зменшення її потомства і зростання шансу загинути. Залишати одне одного без потенційного ресурсу можуть особини як одного, так і різних видів.

1.5.