*Обмен веществ. Во всех клетках происходит интенсивное обновление веществ и структур. Из среды клетка получает различные вещества, которые затем подвергаются превращениям, ведущим к высвобождению энергии, синтезируются органические соединения, необходимые для построения структур клетки. Во внешнюю среду выводятся не нужные клетке вещества - продукты разложения органических веществ.

Различают: пластический обмен (или ассимиляция) – совокупность реакций синтеза органических молекул, идущих на построение тела клетки. В клетках зеленых растений органические вещества могут синтезироваться из неорганических с использованием энергии света или химической энергии. В клетках животных ассимиляция может идти только за счет использования для синтеза собственных веществ (готовых органических соединений). Процессы ассимиляции протекают с поглощением энергии;

энергетический обмен (или диссимиляция) – совокупность реакций, в результате которых освобождается необходимая для клетки энергия.

Совокупность процессов диссимиляции и ассимиляции, в ходе которых реализуется связь клетки с окружающей средой, называют обменом веществ или метаболизмом:

Биосинтез белков. Любая клетка организма способна синтезировать свои специфические белки. Эта способность обусловлена генетически и передается из поколения в поколение. Информация о структуре белков содержится в ДНК. Участок молекулы ДНК, содержащий информацию о первичной структуре конкретного белка, называется геном. Синтез белка начинается с транскрипции - процесса списывания информации о структуре белка с участка ДНК (гена) на информационную РНК. В ядре клетки находятся ДНК, а синтез белка обычно протекает в цитоплазме на рибосомах.

Перенос информации о первичной структуре белка к месту синтеза обеспечивает РНК. Аминокислоты, необходимые для сборки белковых молекул, доставляются к рибосомам цитоплазмы транспортными тРНК. Биосинтез протекает в присутствии множества ферментов, катализаторов всех реакций процесса. Процесс идет с участием АТФ, при распаде которой освобождается энергия, необходимая для его осуществления.

Фотосинтез. Процесс синтеза органических соединений из неорганических веществ, идущий за счет энергии света (рис.2).

Рис.2

Все живое современной биосферы зависит от этого процесса. Фотосинтез делает энергию Солнца и углерод доступными для живых организмов и обеспечивает обогащение кислородом атмосферы Земли. Процесс фотосинтеза описывается суммарным уравнением:

Фотосинтез протекает в две фазы - световую и темновую. Световая фаза идет только на свету, при этом под действием света молекулы хлорофилла теряют электроны и переходят в возбужденное состояние. Под влиянием положительно заряженных молекул хлорофилла по уравнению

происходит фотолиз воды с образованием молекулярного кислорода – выделяется в атмосферу, электронов и протонов.

Энергия солнечного излучения в световой фазе фотосинтеза используется хлоропластами для синтеза АТФ из аденозиндифосфата (АДФ) и фосфата, а также для "восстановления НАДФ (никотивамидадениндинуклеотид-фосфата) до НАДФ • Н₂.

В темновой фазе в присутствии АТФ и НАДФ-Н₂ при участии ферментов из диоксида углерода и водорода образуется глюкоза:

6СО₂ + 24Н⁺ ® АТФ ®С₆Н12О₆ + 6Н₂О

Углеводы, получавшиеся в процессе фотосинтеза, используются далее как исходный материал для синтеза других органических соединений.

Хемосинтез. Синтез органических соединений из неорганических веществ с использованием химической энергии, выделяющейся в реакциях окисления неорганических веществ.

Некоторые группы бактерий - нитрифицирующие, железобактерии, серобактерии способны накапливать освобождающуюся в процессах окисления энергию и затем использовать ее для синтеза органических веществ. Процесс хемосинтеза протекает без участия хлорофилла, для его осуществления не обязательно наличие света.

Например, нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до азотистой кислоты:

Освобождающаяся энергия накапливается в молекулах АТФ и используется для синтеза органических веществ, протекающего по типу реакций темновой фазы фотосинтеза. Хемосинтезирующие бактерии играют важную роль в круговороте веществ. Нитрофицирующие бактерии способствуют накоплению в почве нитратов.

Энергетический обмен. Энергия существует в природе в различных формах. Это прежде всего энергия солнечного света, а также химическая, тепловая и электрическая. Организмам энергия необходима для активного транспортирования веществ, для синтеза белков и иных биомолекул, для мышечных сокращений при перемещении в пространстве, для клеточного деления и т. д. Первоисточником энергии в природе является Солнце, но его энергию могут использовать только фотосинтетики, а все остальные организмы могут получать эту энергию лишь опосредовано.

При разрыве химических связей между атомами органических соединений энергия может высвобождаться, но чаще всего она временно запасается в виде особо богатой энергией аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), используемой клеткой для всех дальнейших процессов жизнедеятельности. Главная роль в энергетическом обмене клеток животных принадлежит дыхательному обмену или клеточному дыханию.

Клеточное дыхание представляет собой процесс, в котором высокомолекулярные органические высокоэнергетические соединения, окисляясь распадаются на низкомолекулярные или неорганические соединения, бедные энергией. При окислении с участием кислорода дыхание называют аэробным, а без его участия - анаэробным.

Более половины энергии, ежедневно расходуемой человеком, затрачивается на мышечную работу. Запасы одних только углеводов могут удовлетворить энергетические потребности нашего организма в течение примерно 12 ч.

Выделение энергии, необходимой для любого процесса жизнедеятельности клетки, происходит при отщеплении от АТФ одной фосфатной группы (фосфата):


Существенную роль в поддержании равновесия между разновидностями аденозинфосфорных кислот играет обратимая ферментативная реакция:
Энергетический обмен клетки осуществляется в три этапа.

Подготовительный этап - сложные органические соединения распадаются на более простые: белки на аминокислоты, полисахариды на моносахариды и т. п.

Рис.3. Изменение запасов питательных веществ в организме в процессе голодания. Вначале жиры составляли 15% веса тела: 1 - углеводы; 2 - жиры; 3 – белки.

Этап неполного окисления (анаэробное дыхание или брожение). Неполному окислению могут подвергаться глюкоза, жирные кислоты, аминокислоты. При этом главным источником энергии к клетке является глюкоза.

При бескислородном окислении одной молекулы глюкозы (процесс гликолиза) из двух молекул АДФ образуются две молекулы АТФ. В процессе гликолиза для нужд клетки извлекается не более 10% энергии.

Этап полного расщепления (аэробное дыхание) протекает с обязательным участием кислорода. При дыхании последовательно проходит ряд ферментативных реакций. В условиях полного окисления, совместно с фосфорилированием АДФ до АТФ, недоокисленные продукты гликолиза отдают для нужд клетки оставшуюся в их химических связях энергию, которая аккумулируется в АТФ. Запас АТФ в клетке невелик. Так, в мышце запаса АТФ хватает на 20-30 сокращений. Для нескольких тысяч сокращений и работы мышцы часами необходим непрерывный синтез АТФ. Один из способов образования АТФ в клетке заключается в переносе под действием ферментов высокоэнергетической фосфатной группы от какой-нибудь другой молекулы (например от дифосфоглицерата) на АДФ. Для восполнения израсходованной АТФ используют энергию, освобождаемую в результате расщепления питательных веществ. АТФ - единый и универсальный источник энергообеспечения клетки.

Структура АТФ и АДФ



Схема гидролиза АТФ



Рефосфорирование в результате дыхательной деятельности


Экологические категории организмов. Внешняя среда служит для организма источником энергии и материала для построения собственного тела, а отходы метаболизма, уже не пригодные для использования, выводятся обратно в среду обитания, поэтому любой организм или группа одинаковых организмов в процессе жизнедеятельности будут неизбежно изменять внешнюю срeду, истощая ее ресурсы и перегружая отходами. В силу этого постоянство состава среды возможно лишь при наличии большого разнообразия организмов, населяющих общую территорию.

Физиологическая разнокачественность организмов, т. е. способность использовать для своей жизнедеятельности различные источники энергии и химические субстраты, является необходимым условием жизни на Земле. Рассмотрим общие особенности обмена веществ и пищевой специализации основных категорий организмов, каждая из которых в свою очередь состоит из множества разнообразных групп, взаимно дополняющих друг друга так, что их совместная жизнедеятельность обеспечивает последовательное использование выделяемых в среду продуктов метаболизма и поддержание постоянства среды.

В общем виде набор взаимодополняющих категорий организмов представлен продуцентами, консументами и редуцентами.

Продуценты - организмы, способные синтезировать органические вещества из неорганических с использованием внешних источников энергии. Так как продуценты сами производят органическое вещество, их называют автотрофами - самопитающимися, в отличие от всех остальных организмов, которые называют гетеротрофами - питаемыми другими. К продуцентам относятся: фототрофы (энергия Солнца) - это зеленые растения, цианобактерии и некоторые другие бактерии, проводящие фотосинтез не в хлорофилле, а в иных специализированных пигментах; хемотрофы - бактерии, окисляющие различные минеральные вещества (нитрифицирующие бактерии, железобактерии, серобактерии и др.). В природных сообществах продуценты играют важную роль. Усваивая энергию Солнца или химических реакций и создавая органическое вещество, они как бы образуют запасы энергии, которая затем в виде пищи передается другим организмам.

Консументы - организмы, не способные строить свои организмы из неорганических веществ и нуждающиеся в готовой органической пище. Это органическое вещество создается автотрофами. Пища используется консументами и как источник энергии, и как материал для построения их тела. К консументам относятся все животные от мельчайших примитивных до совершенных, включая человека. Есть консументы и среди растений. Консументы также подразделяют на питающихся мертвыми растительными остатками, потребителей живых растений, нуждающихся в живой пище и трупоядных животных.

Редуценты - организмы, использующие в качестве пищи органическое вещество и подвергающие его минерализации. К редуцентам относятся многие виды бактерий и грибов, разлагающих в процессе метаболизма мертвое органическое вещество (трупы животных, гниющие растения, и пр.) до минеральных составляющих, возвращая в почву, воду и воздух биогены (СО₂, минеральные соли, воду, сероводород, азот и др.), которые вновь могут быть использованы растениями. Таким образом поддерживается непрерывное течение жизни при ограниченном количестве, но многократном использовании биогенных элементов.

Гомеостаз. - способность биологических систем противостоять изменениям и сохранять относительное динамическое постоянство своей структуры и свойств. Поддержание гомеостаза - непременное условие существования как отдельных клеток и организмов, так целых биологических сообществ и экосистем. Термин «гомеостаз» введен физиологом У. Кэнноном для характеристики процессов, обеспечивающих устойчивость и постоянство внутренней среды отдельного организма, и впоследствии распространен на живые системы разных уровней организации. В гомеостазе (устойчивости) живых систем выделяют:

• выносливость, живучесть, толерантность - способность переносить изменения среды без нарушения основных свойств системы;

• упругость, резистентность, сопротивляемость - способность быстро самостоятельно возвращаться в нормальное состояние из неустойчивого, которое возникло в результате внешнего неблагоприятного воздействия на систему.

Константами гомеостаза животных являются объем, состав крови и других жидкостей. Гомеостаз популяции определяется поддержанием пространственной структуры, плотности и генетического разнообразия. Вследствие гомеостатической регуляции поддерживается постоянство состава и численности популяций в сообществах.

На уровне экосистем гомеостаз проявляется в наиболее устойчивых формах взаимодействия между видами, что выражается в приспособленности к особенностям среды и поддержании циклов круговорота биогенов.

Основные среды жизни.

Живое неотрывно от среды. Каждый отдельный организм, являясь самостоятельной биологической системой, постоянно находится в прямых или косвенных отношениях с разнообразными компонентами и явлениями окружающей его среды или, иначе, среды обитания, влияющими на состояние и свойства организма.

Среда - одно из основных экологических понятий, которое означает весь спектр окружающих организм элементов и условий в той части пространства, где обитает организм, все то, среди чего он живет и с чем непосредственно взаимодей-ствует. При этом организмы, приспособившись к определенному комплексу конкретных условий, в процессе жизнедеятельности сами постепенно изменяют эти условия, т. е. среду своего существования.

Составные части и свойства среды многообразны и изменчивы. В земных условиях существуют четыре основных типа среды обитания живых организмов: водная, наземная (воздушная), почвенная, а также тело другого организма, используемое паразитами.

Экологические факторы и их действие на организмы.

Экологический фактор - любой элемент окружающей среды, способный прямо или косвенно влиять на живой организм, хотя бы на одном из этапов его индивидуального развития. Экологические факторы среды принято делить на две группы:

- факторы косной (неживой) природы – абиотические или абиогенные,

- факторы живой природы - биотические или биогенные.

По происхождению и те и другие бывают как природными, так и антропогенными, т. е. прямо или косвенно связанными с деятельностью человека, который не только меняет режимы природных экологических факторов, но и создает новые, синтезируя ядохимикаты, удобрения, строительные материалы, лекарства и т. п.

Классификация экологических факторов среды(подходы)

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Абиотичские экологические факторы

Биотические экологические факторы

Свет, температура, влага, ветер, воздух, давление, течения, долгота дня и т. д. Механический состав почвы, ее проницаемость, влагоемкость Содержание в почве или воде элементов питания, газовый состав, соленость воды

Влияние растений на других членов биоценоза. Влияние животных на других членов биоценоза. Антропогенные факторы, возникающие в результате деятельности человека.

экологические факторы ПО ВРЕМЕНИ

экологические факторы ПО ПЕРИОДИЧНОСТИ

экологические факторы ПО ОЧЕРЕДНОСТИ

Эволюционный. Исторический

Периодический. Непериодический

Первичный. Вторичный

экологические факторы по происхождению

экологические факторы по среде возникновения

Космический. Абиотический (абиогенный).  Биогенный. Биотический. Биологический.  Природно-антропогенный.  Антропогенный.

Атмосферный. Водный (влажности). Геоморфологический. Эдафический. Физиологический. Генетический. Популяционный. Биоценотический. Экосистемный. Биосферный

Абиотические факторы. В абиотической части среды обитания (в неживой природе) все факторы представим совокупностью климатических, топографических, космических факторов, а также характеристик состава среды (водной, наземной или почвенной) и др.

Основные климатические факторы. Энергия Солнца: около 99% всей энергии солнечной радиации составляют лучи с l = 170 ... 4000 нм, в том числе 48% приходится на видимую часть спектра (l = 390 ... 760 нм), 45% - на близкую инфракрасную (l = 760 ... 4000 нм) и около 7% - на ультрафиолетовую (l < 400 нм). Преимущественное значение для фотосинтеза имеют лучи с l = 380 ... 710 нм.

Рис. Баланс солнечной радиации на поверхности Земли в дневное время.

Температура. Температура главным образом связана с солнечным излучением, но в ряде случаев определяется энергией геотермальных источников. При температуре ниже точки замерзания живая клетка физически повреждается образующимися кристаллами льда и гибнет, а при высоких температурах происходит изменение свойств белков. Абсолютное большинство растений и животных не выдерживает отрицательных температур тела. Верхний температурный предел жизни редко поднимается выше 40—45°С. Значительная часть организмов способна контролировать (поддерживать) температуру тела, причем в первую очередь наиболее жизненно важных органов. Такие организмы называют - теплокровными, в отличие от холоднокровных, имеющих непостоянную температуру, зависящую от температуры окружающей среды.

В водной среде благодаря высокой теплоемкости воды изменения температуры менее резкие и условия более стабильные, чем на суше. Известно, что в регионах, где температура в течение суток, сезонов сильно меняется, разнообразие видов меньше.

Температура измененяется по мере подъема в воздушной среде или погружения в водную среду. В летний период поверхностные воды нагреваются сильнее глубинных. В связи со значительным уменьшением плотности воды по мере нагрева начинается ее циркуляция в поверхностном нагретом слое без смешения с более плотной, холодной водой. В результате между теплым и холодным слоями образуется промежуточная зона с резким градиентом температуры. Все это влияет на размещение в воде живых организмов, а также на перенос и рассеивание поступающих примесей.

В атмосфере охлажденные слои воздуха смещаются вниз и располагаются под теплыми слоями, что способствует накоплению загрязняющих веществ в приземном слое воздуха.

В почвенной среде суточная и сезонная стабильность (колебания) температуры зависят от глубины. Значительный градиент температур (а также влажности) позволяет обитателям почвы обеспечивать себе благоприятную среду путем незначительных перемещений.

Осадки, влажность. Вода обязательна для жизни на Земле, в экологическом плане она уникальна. При практически одинаковых географических условиях на Земле существуют и жаркая пустыня, и тропический лес. Различие состоит в годовом количестве осадков; в первом случае 0,2 - 200 мм, а во втором 900 – 2000 мм. Осадки представляют собой результат конденсации и кристаллизации водяных паров в высоких слоях атмосферы. В приземном слое воздуха образуются росы,

Рис. Уменьшение годового колебания температуры почвы с глубиной.

туманы, а при низких температурах наблюдается кристаллизация влаги - выпадает иней. Одна из основных физиологических функций любого организма - поддержание на достаточном уровне количества воды в теле. В процессе эволюции у организмов сформировались разнообразные приспособления к добыванию и эко-номному расходованию воды, а также к переживанию засушливого периода. Одни животные пустыни получают воду из пищи, другие за счет окисления своевременно запасенных жиров (например, верблюд, способен путем биологического окисления из 100 г жира получить 107 г метаболической воды). Наземные растения получают воду главным образом из почвы.

Подвижность среды. Причинами возникновения движения воздушных масс (ветра) являются в первую очередь неодинаковый нагрев земной поверхности, вызывающий перепады давления, а также вращение Земли. Ветер направлен в сторону более прогретого воздуха. Ветер - важнейший фактор распространения на большие расстояния влаги, семян, спор, химических примесей и т. п. Подвижность в пространстве и перемешивание водных масс способствуют поддержанию относительной гомогенности (однородности) физических и химических характеристик водных объектов.

Зависимость типа растительности от климатических условий.


Средняя скорость поверхностных течений лежит в пределах 0,1-0,2 м/с, достигая местами 1 м/с, у Гольфстрима - 3 м/с.

Давление. Нормальным атмосферным давлением считается абсолютное давление на уровне поверхности Мирового океана 101,3 кПа. соответствующее 760 мм рт. ст. или 1 атм. Периодически в атмосфере образуются области пониженного давления с мощными воздушными потоками, перемещающимися по спирали к цен-тру, которые называют циклонами. Для них характерно большое количество осадков и неустойчивая погода. Противоположные природные явления называют антициклонами. Они характеризуются устойчивой погодой, слабыми ветрами и в ряде случаев температурной инверсией. При антициклонах порой возникают неблагоприятные метеорологические условия, способствующие накоплению в приземном слое атмосферы загрязняющих веществ.

Давление в водной среде возрастает по мере погружения. Благодаря значительно (в 800 раз) большей, чем у воздуха, плотности воды на каждые 10 м глубины в пресноводном водоеме давление увеличивается на 0,1 МПа (1 атм). Абсолютное давление на дне Марианской впадины превышает 110 МПа (1100 атм).

Ионизирующие излучения. Ионизирующим называют излучение, образующее пары ионов при прохождении через вещество; фоновым - излучение, создаваемое природными источниками. Имеется два основных источника: космическое излучение и радиоактивные изотопы и элементы в минералах земной коры, возникшие некогда в процессе образования вещества Земли. Ядра многих первозданных радиоактивных элементов сохранились в недрах Земли до настоящего времени. Главнейшие из них - калий-40, торий-232, уран-235 и уран-238. Под воздействием космического излучения в атмосфере постоянно образуются все новые ядра радиоактивных атомов, главные из которых - углерод-14 и тритий. Радиационный фон ландшафта - одна из непременных составляющих его климата. В формиро-вании фона принимают участие все известные источники ионизирующего излучения, однако вклад каждого из них в общую дозу облучения зависит от конкретной географической точки. Человек как обитатель природной среды получает основную часть облучения от естественных источников радиации, и избежать этого невозможно. Все живое на Земле подвергается излучению из Космоса на протяжении всей истории существования и адаптировалось к этому.

Горные ландшафты благодаря значительной высоте над уровнем моря характеризуются повышенным вкладом космического излучения. Ледники, выполняя функцию поглощающего экрана, задерживают в своей массе излучение подстилающих коренных пород. Обнаружены различия в содержании радиоактивных аэрозолей над морем и сушей. Суммарная радиоактивность морского воздуха в сотни и тысячи раз меньше, чем континентального. На Земле есть районы, где интенсивность излучения в десятки раз превышает средние значения, например, районы месторождений урана и тория. Биологические процессы, сопровождающие об-разование почв, существенно влияют на накопление в последних радиоактивных веществ. При малом содержании гумусовых веществ их активность слабая, тогда как черноземы всегда отличались более высокой удельной активностью. Особенно она высока у черноземных и луговых почв, расположенных близко к гранитным массивам.

По степени возрастания удельной активности почвы ориентировочно можно расположить в следующем порядке: торфяные; черноземные; почвы степной зоны и лесостепи; почвы, развивающиеся на гранитах. Во многих районах земного шара мощность экспозиционной дозы обусловлена излучением ураном и торием.

Рис. Дозы радиактивного излучения (мрад/г) от: космических лучей (1); внутренние источники a,b – частиц (2); излучение внешних источников (3).

В целом ионизирующее излучение более губительно воздействует на высокоразвитые и сложные организмы, причем человек отличается особой чувствительностью. Некоторые вещества распределяются в организме равномерно, например углерод-14 или тритий, а другие накапливаются в определенных органах. Так, радий-224, -226, свинец-210, полоний-210 аккумулируются в костных тканях. Сильное воздействие на легкие оказывает инертный газ радон-220. Радиоактивные вещества могут накапливаться в воде, почве, осадках или в воздухе, если скорость их поступления превышает скорость радиоактивного распада.
Топографические факторы. Влияние абиотических факторов в значительной мере зависит от топографических характеристик местности, которые могут сильно изменять как климат, так и особенности развития почв. Основной топографический фактор - высота над уровнем моря. С высотой снижаются средние температуры, увеличивается суточный перепад температур, возрастает количество осадков, скорость ветра и интенсивность радиации, понижается давление.

В результате в горной местности по мере подъема наблюдается вертикальная зональность распределения растительности, соответствующая последовательности смены широтных зон от экватора к полюсам.

Рис. Вертикальная и широтная зональности растительности

Горные цепи могут служить климатическими барьерами. Поднимаясь над горами, воздух охлаждается, что часто вызывает осадки и тем самым снижает его абсолютное влагосодержание. Попадая затем на другую сторону горной гряды, осушенный воздух способствует снижению интенсивности дождей (снегопада), чем создается «дождевая тень».

Горы могут играть роль изолирующего фактора в процессах видообразования, так как служат барьером для миграции организмов. Другие важные факторы - крутизна склона, экспозиция (освещенность) склона. Рельеф местности - один из главных факторов, влияющих на перенос, рассеивание или накопление примесей в атмосферном воздухе.

Состав среды. Состав водной среды. Большая часть поверхности Земли (около 366 из 510 млн км², или 72%) покрыто водой. Распространение и жизнедеятельность организмов в водной среде в значительной степени зависят от ее химического состава. Водные организмы подразделяют на пресноводные и морские в зависимости от солености воды, в которой они обитают. Соленость океанской воды меняется как по глубине, так и по акватории. В Северном Ледовитом океане она ниже 31%о, а в Красном море выше 42%о. Содержание солей в воде Мертвого моря достигает 26—27%. тогда как концентрация солей в пресных водоемах около 0,05% . Морская вода является сложным солевым раствором со средней соленостью 35,2 г в 1 кг воды, т. е. 3,52% по массе, или 35,2%о.

Один из основных комплексных показателей химического состава водной среды - кислотность (рН). Одни организмы эволюционно приспособлены к жизни в кислой среде (рН < 7), другие - в щелочной (рН > 7), третьи - в нейтральной (РН - 7). В составе природной водной среды всегда присутствуют растворенные газы, из которых первоочередное значение имеют кислород и диоксид углерода, участвующие в фотосинтезе и дыхании водных организмов. В целом масса раство-ренных газов почти в 30 раз меньше массы газов в атмосфере. В природных водоемах, помимо растворенных веществ, содержатся некоторое количество взвешенных частиц, наличие которых характеризует мутность воды, ее обратную характеристику - прозрачность, а также световой режим в глубине водоема.

Содержание основных газов в воздухе и в воде Мирового океана

Газ	Содержание, млрд т
	в Мировом океане	в атмосфере Земли
Диоксид углерода СО, Кислород О2 Азот N2	140 000 14000 1,8	2300 1 180 000 3 860 000

Среди прочих растворенных в океане газов наиболее заметны сероводород, аргон и метан. На отдельных участках дна сероводород образует значительные скопления. Черное море, начиная с глубины 15-200 м, является сероводородным до самого дна. Сероводородные донные участки, возможно, остались от первичного океана и населены, как и в давние времена, организмами, обходящимися без свободного кислорода. Состав газов, растворенных в водах океана, близок к составу первичной атмосферы нашей планеты, в которой было заметно больше диоксида углерода и меньше кислорода.

Состав воздуха. Один из главных абиотических факторов наземной (воздушной) среды обитания. Состав воздуха в современной атмосфере находится в состоянии динамического равновесия, и зависит от жизнедеятельности живых организмов и геохимических явлений глобального масштаба.

Воздух, лишенный влаги и взвешенных частиц, имеет на высоте уровня моря практически одинаковый состав во всех местностях земного шара, а также на про-тяжении суток и в разные периоды года. Однако в различные эпохи существования планеты состав воздуха был различен. Считается, что наиболее сильно изме-нялось содержание диоксида углерода и кислорода. Газообразный азот, присутствующий в атмосферном воздухе в наибольшем количестве, для абсолютного боль-шинства организмов, особенно для животных, является нейтральным. Но для клубеньковых бактерий, азотобактеров, синезеленых водорослей азот воздуха служит фактором жизнедеятельности. Эти микроорганизмы усваивают молекулярный азот, а после отмирания и минерализации снабжают высшие растения доступными формами этого химического элемента.

Состав почв. Почва - слой веществ, лежащих на поверхности темной коры. Она представляет собой продукт физического, химического и биологического преобразования горных пород и является трехфазной средой, включающей твердые, жидкие и газообразные компоненты, находящиеся в следующих соотношениях (в %):

- минеральная основа - 50—60% от общего состава;

- органическое вещество ............................. до 10%;

- вода ............................................................. до 25—35%;

- воздух .......................................................... до 15—25%;

Почва является важнейшим звеном, связывающим абиотические и биотические факторы среды обитания.

Минеральный неорганический состав почвы. Горная порода под действием химических и физических факторов природной среды постепенно разрушается. Образующиеся части различны по размеру - от валунов и камней до крупных песчинок и мельчайших частиц глины. Механические и химические свойства почвы в основном зависят от мелкого грунта (частицы менее 2 мм), который принято подразделять в зависимости от размера d на следующие системы;

песок …………………… d = 60—2000 мкм, кварц (кремнезем) SiO₂,;

алеврит - «пыль» ……… d = 2—60 мкм, кварц (кремнезем) SiO₂,;

глину…………………… d менее 2 мкм,

Рис. Схема преобразования минерального сырья в почву.

Рис. Диаграмма классов механического состава почв.
Структура почвы определяется относительным содержанием в ней песка, алеврита, глины и иллюстрируется диаграммой - «треугольником почвенной структуры». Значение почвенной структуры становится понятным при сравнении свойств чистого песка и глины. «Идеальной» почвой считается состав, содержащий равные количества глины и песка в сочетании с частицами промежуточных размеров.

Глинистые минералы в большинстве встречаются в виде мельчайших плоских кристаллов, часто шестигранной формы, состоящих из слоев гидроокиси алюми-ния или глинозема, А1₂ 0₃, и слоев силикатов (соединений силикат-ионов, SiO₄^4- ), с катионами, например, алюминия, Аl³⁺ , или железа, Fe³⁺ .

Удельная поверхность кристаллов очень велика и составляет 5 - 800 м² на 1 г гли-ны, что способствует удержанию воды и питательных веществ в почве. В целом считается, что свыше 50% минерального состава почвы составляет кремнезем (SiO₂); 1 - 25% - глинозем (А1₂ 0₃); 1 - 10% - оксиды железа (Fe₃ O₄); 0,1 - 5% - оксиды магния, калия, фосфора, кальция (МgО, К₂0, Р₂0₃, СаО).

Содержание воды в почве. Вода необходима всем почвенным организмам, она поглощается корнями растений и принимает участие в процессах разрушения материнской породы, подстилающей почву. Благодаря воде происходит миграция и дифференциация химических элементов в почве. Жидкую часть почвы рассматривают как почвенный раствор. Общее количество воды, которое может быть удержано почвой, складывается из гравитационной, физически связанной, капиллярной, химически связанной и парообразной воды.


Рис. Типы почвенной воды, доступной для корней растений: 1- частицы почвы; 2- гигроскопическая вода; 3- капилярная вода; 4- воздух или гравитационная вода.
Физически связанная (2 - гигроскопическая) вода адсорбируется на частицах почвы в виде тонкой прочно связанной пленки. В глинистых почвах такой воды значительно больше (около 15% веса почвы), чем в песчаных (около 0,5%). Гигроскопическая вода наименее доступна растениям.

Капиллярная вода (3) удерживается вокруг почвенных частиц за счет сил поверхностного натяжения. При наличии узких пор или канальцев капиллярная вода может подниматься от уровня грунтовых вод вверх, играя центральную роль в регулярном снабжении растений влагой. Глины удерживают больше капиллярной воды, чем пески.

Гравитационная вода (4) может свободно просачиваться вниз через почву, достигая уровня грунтовых вод, что ведет к вымыванию различных питательных веществ.

Химически связанная вода и парообразная практически недоступны корневой системе растений.

Содержание воздуха в почве. Поры почвы, не занятые водой, заполняет почвенный воздух. Насыщенность воздухом (аэрация) играет важную роль в почвенных процессах. Заболачивание почвы обусловливает вытеснение воздуха водой, и условия становятся анаэробными. Так как микроорганизмы и корни растений продолжают выделять СО₂, образующий с водой Н₂СО₃ , это замедляет обновление гумуса, повышает кислотность почвы, которая, наряду с истощением запасов кислорода, неблагоприятно отражается на почвенных микроорганизмах. Длительные анаэробные условия ведут к отмиранию растений.

Космические факторы. Наша планета не изолирована от процессов, протекающих в космическом пространстве. Земля периодически сталкивается с астероидами, сближается с кометами, на нее попадают космическая пыль, метеоритные вещества, разнообразные виды излучений Солнца и звезд. Циклически (один из циклов имеет период 11,4 г.) солнечная активность меняется, так в 2012 г. будет пик активности Солнца. Наукой накоплено множество фактов, подтверждающих влияние Космоса на жизнь Земли.

Огонь (пожары). К числу важных природных абиотических факторов относят пожары, которые при определенном сочетании климатических условий приводят к выгоранию наземной растительности. Основной причиной возгораний в естественных условиях являются молнии. По мере развития цивилизации увеличивалось число пожаров, связанных с деятельностью человека: выжигание участков леса для земледелия, небрежное обращение с огнем, аварии.

В тоже время, почва после пожаров обогащается питательными элементами, такими, как фосфор, калий, кальций, магний. Животные, пасущиеся на участках, подвергающихся периодическим пожарам, получают более полноценное питание. Для поддержания среды обитания в естественных пределах необходимы периодические выжигания растительности.

Совокупное воздействие экологических факторов. Экологические факторы среды воздействуют на организм одновременно и совместно. Совокупное воздействие факторов в той или иной мере взаимоизменяет характер воздействия каждого отдельного фактора.

Хорошо изучено влияние влажности воздуха на восприятие животными температуры. С повышением влажности уменьшается интенсивность испарения влаги с поверхности кожи, что затрудняет работу одного из наиболее эффективных меха-низмов приспособления к высокой температуре. Низкие температуры также легче переносятся в сухой атмосфере, имеющей меньшую теплопроводность. Таким образом, влажность среды меняет субъективное восприятие температуры у теплокровных животных, в том числе у человека. Иногда недостаток одного фактора частично компенсируется усилением другого. Например, в Арктике продолжительный световой день компенсирует недостаток тепла.

Биотические факторы. Все живое, окружающее организм в среде обитания, составляет биотическую среду или б и о т у. Биотические факторы - это совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие. Взаимоотношения между животными, растениями, микроорганизмами чрезвычайно многообразны. Это взаимодействие особей одного и того же вида и отношения представителей разных видов, обеспечивающие им нормальные условия жизни. Главной формой проявления этих связей служат пищевые взаимоотношения организмов различных категорий, составляющие основу пищевых цепей, сетей и трофической структуры биоты. Кроме пищевых связей, между растительными и животными организмами возникают также пространственные взаимоотношения. В результате действия многих факторов разнообразные виды объединяются не в произвольном сочетании, а только при условии приспособленности к совместному обитанию.

Формы биотических взаимоотношений. Симбиоз (сожительство). Это форма заимоотношений, при которой оба партнера или один из них извлекают пользу от другого.

Кооперация. Длительное, неразделимое взаимовыгодное сожительство двух и более видов организмов.

Межвидовая взаимопомощь. Она заключается, например, в том, что птицы уничтожают личинок-паразитов под кожей буйволов или сороки предупреждают об опасности крупных копытных.

Антибиоз. Форма взаимоотношений, при которой оба партнера или один из них испытывают отрицательное влияние.

Конкуренция. Это - отрицательное воздействие организмов друг на друга в борьбе за пищу, местообитание и другие необходимые для жизни условия.

Хищничество — отношение между хищником и жертвой, заключающееся в поедании одного организма другим.

Паразитизм - взаимодействие организмов, при котором один из них живет за счет другого, находясь на поверхности или внутри его тела. С общебиологических позиций паразит также необходим хозяину. Исчезновение (или уничтожение) такого «естественного врага» наносит ущерб хозяину, так как слабые, отставшие в развитии или имеющие иные недостатки особи не будут уничтожаться, что способствует постепенной деградации и вымиранию. Вид, не имеющий «врагов», обречен на вырождение. Биотическое влияние на растения, как первичных продуцентов органического вещества, заключается в поедании растений животными, птицами, грызунами.

Биотические факторы почвенного покрова. В процессах образования и функционирования почвы важнейшую роль играют живые организмы. В первую очередь к ним относятся зеленые растения, извлекающие из почвы питательные химические вещества и возвращающие их обратно с отмирающими тканями. В почве постоянно обитает множество организмов различных групп. На 1 м2 площади почвы встречаются десятки тысяч червей, мелких членистоногих. В ней живут грызуны, ящерицы, и др. Проходя через пищеварительный тракт червя, почва измельчается, минеральные и органические компоненты перемешиваются, структура почвы улучшается. Протекающие в почве процессы синтеза, биосинтеза, разнообразные химические реакции преобразования веществ связаны с жизнедеятельностью бактерий.

Ресурсы среды. Это любые источники и предпосылки получения из внешней среды (среды обитания) необходимых для жизнедеятельности организма веществ и энергии, а также их запасы. Поскольку ресурсы характеризуют количественно, то в отличие от условий среды они могут расходоваться и исчерпываться. Энергетическим ресурсом зеленых растений для фотосинтеза является излучение Солнца, а при хемосинтезе - энергия земных недр. Продуценты - зеленые растения составляют пищевые и энергетические ресурсы для консументов первого порядка (травоядных), которые в свою очередь являются ресурсами для консументов второго порядка (хищников и паразитов), а после смерти ресурсами для редуцентов (микроорганизмов), использующих запасенные в тканях трупов энергию и вещество.

Природные (естественные) ресурсы делят на заменимые, например, уголь, нефть заменяются на солнечную, ветровую, атомную, термоядерную энергию. Незаменимые природные ресурсы - кислород и вода.

Основные закономерности воздействия факторов среды на организмы.

Любому живому организму необходимы не вообще температура, влажность, минеральные и органические вещества или какие-нибудь другие факторы, а их определенный режим. Реакция организма зависит от количества (дозы) фактора. Любой вид животного или растения обладает четкой избирательностью к составу пи-щи: каждому растению необходимы определенные минеральные элементы. Любой вид животного по-своему требователен к качеству пищи. Для того чтобы нор-мально существовать, развиваться, организм должен иметь весь набор необходимых факторов в оптимальных режимах и достаточных количествах.

Юстас фон Либих, 1840г. «Величина урожая определяется количеством в почве того из элементов питания, потребность растения в котором удовлетворена меньше всего».

Вильяме В. Р., 1049 г.: полное отсутствие в среде фундаментальных экологических факторов (света, воды, биогенов и т. д.) не может быть заменено другими факторами.

Закон лимитирующих факторов В. Шелфорда. «Фактор среды ощущается организмом не только при его недостатке. Проблемы возникают также и при избытке любого из экологических факторов».

Шелфорд В. - закон лимитирующих факторов. «Любой живой организм имеет определенные, эволюционно унаследованные верхний и нижний пределы устойчивости (толерантности) к любому экологическому фактору». «Даже единственный фактор за пределами зоны своего оптимума приводит к стрессовому состоянию организма и в пределе - к его гибели»

Жизненная активность организма также заметно угнетается при малых значениях и при чрезмерном воздействии такого абиотического фактора, как температура. Чем шире пределы колебаний какого-либо фактора, при котором организм может сохранять жизнеспособность, тем выше устойчивость, т. е толерантность данного организма к соответствующему фактору. Толерантность - это способность организма выдерживать отклонения экологических факторов от оптимальных для его жизнедеятельности значений.

Закон толерантности дополняют положения американского эколога Ю. Одума:

• организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного экологического фактора и низкий диапазон в отношении другого;

• организмы с широким диапазоном толерантности в отношении всех экологических факторов обычно наиболее распространены;

• диапазон толерантности может сузиться и в отношении других экологических факторов, если условия по одному экологическому фактору не оптимальны для организма;

*многие факторы среды становятся ограничивающими (лимитирующими) в особо важные (критические) периоды жизни организмов, особенно в период размножения.

Рис. Влияние температуры на скорость роста растений (иллюстрация закона

толерантности)

Интерпретация закона толерантности на примере воздействия на организм концентрации некоего вещества как экологического фактора: С_лет, С_лим, С_опт., С_мак, С_ПДК. - концентрации летальная, лимитирующая, оптимальная, максимальная и предельно допустимая.

Адаптация организмов к изменениям экологических факторов.

Оптимальное воздействие на разные организмы один и тот же фактор может оказывать при различных значениях. Так, одни растения предпочитают очень вла-ную почву, а другие - относительно безводную. Некоторые животные любят силь-ную жару, другие лучше переносят умеренную температуру среды и т. д. Организм может иметь приспособленность к узкому диапазону одного фактора и к ши-рокому диапазону - другого. Для организма имеет значение не только амплитуда, но и скорость колебаний того или иного фактора. Преодоление неблагоприятных воздействий животными возможно двумя способами; 1) путем их избегания, 2) путем приобретения выносливости.

Требовательность и толерантность к факторам среды определяет область географического распространения особей рассматриваемого вида вне зависимости от степени постоянства их обитания, т. е. ареал вида.

В основе ответных реакций растений лежит выработка приспособительных изменений их строения и процессов жизнедеятельности. При ритмически повторя-ющихся климатических ситуациях растения и животные могут приспособиться путем выработки соответствующей временной организации.

Изменчивость - одно из главных свойств живого на различных уровнях его организации. Для каждого вида важна изменчивость составляющих его особей. Например, люди отличаются друг от друга ростом, телосложением, цветом глаз и кожи, проявляют различные способности. Аналогичная внутривидовая измен-чивость присуща всем организмам: слонам, мухам, дубам, воробьям и прочим.

Особи любого вида различаются между собой внешними и внутренними признаками. Признак - любая особенность организма как в его внешнем облике (размер, форма, окраска и т. п.), так и во внутреннем строении. Проведенные исследования показали, что наследственная основа признаков любого вида закодирована в молекулах ДНК, т. е. в генах организма, совокупность которых называется его генотипом. Генотип практически всех организмов, включая человека, представлен не одним, а двумя наборами генов. Рост тела сопровождается делением клеток, в ходе которого каждая новая клетка получает точную копию обоих наборов генов. Однако последующему поколению передается лишь по одному набору от каждого из родителей, и поэтому у детей возникают новые комбинации генов, отличные от родительских. Генофонд - совокупность образцов генов всех особей некоторой группы организмов одного вида.

Адаптация. Приспособление организмов (и видов) к среде - фундаментальное свойство живой природы. Различают три уровня процесса адаптации: генетический уровень (обеспечивает адаптацию и сохранение жизнеспособности вида в поколениях на основе свойства генетической изменчивости); глубокие изменения обмена веществ; быстрые изменения в ответ на кратковременные отклонения факторов среды.

Адаптивное значение имеют практически все закономерности, характерные для живого. В ходе естественного отбора виды преображаются и все лучше адапти-руются к своим местообитаниям.

*Экологическая ниша организма. Любой живой организм приспособлен (адаптирован) к определенным условиям окружающей среды. Изменение ее параметров, их выход за некоторые границы подавляет жизнедеятельность организмов и может вызвать их гибель. Требования того или иного организма к экологическим факторам среды обуславливают ареал (границы распространения) того вида, к которому организм принадлежит, а в пределах ареала - конкретные места обитания.

Экологическая ниша — это совокупность всех требований организма к условиям среды обитания (составу и режимам экологических факторов) и место, где эти требования удовлетворяются.

Организмы, ведущие сходный образ жизни, как правило, не живут в одних и тех же местах из-за межвидовой конкуренции. Правило: два вида не занимают одну и ту же экологическую нишу. В природе также действует правило обязательности заполнения экологических ниш: пустующая экологическая ниша всегда и обязательно будет заполнена.