Методы исследования

Разделы экологии

На современном уровне развития общества экология превратилась в одну из ведущих биологических наук. Это в значительной степени обусловлено тем, что решение проблем, связанных с рациональным использованием природных ресурсов биосферы, возможно только с экологических позиций.

1. Аутэкология (греч. autos — «сам») — раздел экологии, изучающий действие различных факторов среды на отдельных особей.

2. Популяционная экология — раздел экологии, изучающий пространственную структуру и динамику (изменения) численности популяций.

3. Синэкология (греч. syn — «вместе» и koinos — «общий») — раздел экологии, исследующий видовой состав сообществ, их пространственную структуру и изменение во времени.

Методы исследования

1. Полевые исследования, т.е. изучение популяций видов и их сообществ в естественной среде обитания. Именно при помощи полевых методов можно установить результаты влияния на организм конкретного комплекса факторов окружающей среды, выявить общую картину развития вида в определённых условиях.

2. Метод эксперимента. Главной его задачей является выяснение (путём наблюдения) причин существующих природе взаимоотношений. Путём эксперимента (опыт сравнивается с контролем) вычленяется и анализируется роль отдельных факторов при постоянстве всех остальных.

3. Метод моделирования биологических явлений. Методы математического моделирования используются для экологического прогнозирования. Поскольку в условиях научно-технического прогресса воздействие человека на окружающую среду неизбежно, составление экологического прогноза необходимо. Это сложная и ответственная задача, решить которую невозможно без многостороннего математического анализа всех аспектов взаимоотношений живых организмов с многочисленными факторами внешней среды. Управление экосистемами на основе точно составленных прогнозов — задача будущего.

Экологические факторы

Экологические факторы — это факторы среды, которые воздействуют на организм.

Среда обитания — это всё то, что окружает живой организм и прямо или косвенно влияет на его состояние, развитие, выживаемость, размножение и т.д.

Условия существования, или условия жизни, — совокупность необходимых для жизни элементов, т.е. комплекс экологических факторов, без которых организм не может существовать.

Все приспособления к существованию организмов в различных условиях выработались у них исторически. В результате этого сложного и длительного процесса сформировались специфические для каждой географической зоны группировки растений и животных.

Среда обитания:

а) водная (кит);

б) воздушная (стриж);

в) подземная (крот);

г) наземная (заяц).

Рис. 3. Кит Рис. 5. Крот

Рис. 4. Стриж Рис. 6. Заяц

Закономерности воздействия абиотических факторов на организмы

Экологические факторы чрезвычайно разнообразны, и каждый вид, испытывая их влияние, отвечает на него по-разному. Тем не менее, есть общие законы, которым подчиняются ответные реакции организмов на любой фактор среды.

Главный из них — закон оптимума: любой экологический фактор имеет определённые пределы положительного влияния на живые организмы.

При отклонении от этих пределов знак воздействия меняется на противоположный. Например, животные и растения плохо переносят сильную жару и сильные морозы; оптимальными являются средние температуры. Точно так же и засуха, и постоянные проливные дожди одинаково неблагоприятны для урожая. Закон оптимума отражает диапазон влияния каждого фактора на жизнеспособность организмов. На графике он выражается симметричной кривой, показывающей, как изменяется жизнедеятельность вида при постепенном увеличении воздействия фактора.

В центре под кривой — зона оптимума. При оптимальных значениях фактора организмы активно растут, питаются, размножаются. Чем больше отклоняется значение фактора вправо или влево, т.е. в сторону уменьшения или увеличения силы действия, тем менее благоприятно это для организмов. Кривая, отражающая их жизнедеятельность, резко спускается вниз по обе стороны от оптимума. Здесь располагаются две зоны пессимума. При пересечении кривой с горизонтальной осью находятся две критические точки. Это такие значения фактора, которые организмы уже не выдерживают, за их пределами наступает смерть. Расстояние между критическими точками показывает степень выносливости организмов к изменению фактора. Условия, близкие к критическим точкам, особенно тяжелы для выживания. Такие условия называются экстремальными.

Факторы, снижающие жизнеспособность организма, называются ограничивающими, или лимитирующими.

Свойство видов адаптироваться к тому или иному диапазону факторов среды называется экологической пластичностью, или экологической валентностью. Экологически непластичные виды называются стенобионтными (греч. stenos — «узкий») (левая и правая части графика), а выносливые, приспособленные к широкому диапазону факторов среды — эврибионтными (греч. eyros — «широкий») (центральная кривая).

Например, стенофаги имеют узкий спектр пищевых объектов, а эврифаги питаются разнообразной пищей; стенотопные виды встречаются в одном месте обитания, а эвритопные — в разнообразных.

Закон Минимума (Ю. Либих)

Рис. 8. Юстус Либих (1803 — 1873)

В 1840 г. немецкий агрохимик Юстус Либих пришёл к заключению, что выносливость организмов обусловлена самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. Он установил, что урожай зерна часто лимитируется не теми питательными веществами, которые требуются в больших количествах (углекислый газ, вода и др.), — поскольку такие вещества, как правило, присутствуют в изобилии, — а теми, которые необходимы в малых количествах и которых в почве недостаточно (например, бор). Установленная закономерность получила название «правило Либиха», или «закон минимума Либиха».

Закон минимума Либиха: в комплексе экологических факторов сильнее действует тот, который наиболее близок к пределу выносливости рассматриваемого организма.

Закон Толерантности (В. Шелфорд)

Рис. 9. Виктор Шелфорд (1877 — 1968)

Но лимитирующим фактором может быть не только недостаток (минимум), но и избыток (максимум) экологического фактора. Представление о лимитирующем влиянии максимума наряду с минимумом развил В. Шелфорд в 1913 г. Выявленная им закономерность получила название «закон толерантности Шелфорда»

Закон толерантности Шелфорда: лимитирующим фактором процветания может быть как минимум, так и максимум экологического фактора, диапазон между которыми определяет величину толерантности (лат. tolerantia — «терпение»), выносливости организма к данному фактору.

Ограничивающими факторами могут служить и биотические факторы среды. Например, распространение бобовых растений в Арктике ограничивается не сколько низкими температурами, сколько отсутствием насекомых-опылителей, в частности шмелей. Именно по этой причине нет бобовых на Диксоне.

Многочисленные полевые исследования, а также эксперименты показывают, что один и тот же фактор среды имеет различное значение в жизни совместно обитающих организмов различных видов. Более того, каждый фактор неодинаково влияет на разные функции организма. Так температура воздуха от +40 до +45°С у пойкилотермных животных (т.е. не имеющих постоянной температуры тела) сильно увеличивает скорость метаболизма, но тормозит их двигательную активность.

Факторы среды влияют на организм животного в совокупности. Так оптимальная зона и пределы выносливости организмов по отношению к какому-либо фактору среды могут смещаться в зависимости от действия других факторов. Отмеченная закономерность получила название «взаимодействие факторов». Например, жару легче переносить при сухом, а не при влажном воздухе; низкие зимние температуры в сочетании с повышенной влажностью и сильными ветрами могут быть крайне неблагоприятны.