Теоретичний матеріал. Екологічні чинники та їхня класифікація. Закономірності впливу абіотичних чинників на організми та їх угруповання.

1. Екологічні чинники та класифікація

Екологічні чинники – компоненти середовища, що впливають на організм, популяцію, біоценози і викликають пристосувальні (адаптивні) реакції.  Традиційна класифікація екологічних чинників:

2. Абіотичні чинники

Як було зазначено раніше, абіотичні чинники навколишнього середовища поділяють на кліматичні, едафічні, орографічні, фізичні і хімічні, але вони взаємозалежні один від одного. Здатність організмів пристосовуватись до змін абіотичних факторів середовища відіграє важливу роль в процесі еволюції. Адаптація організмів здійснюється різними шляхами, зокрема особливостями поведінки, наприклад, міграції, особливостями метаболізму організмів, наприклад, стадія анабіозу, тощо. Розглянемо більш детально абіотичні чинники.

2.1. Кліматичні фактори (Світло)

• Світло. Є важливим екологічним фактором, інтенсивність якого змінюється по сезонах року і протягом доби.Визначає біологічні ритми (добові, місячні, річні) у житті більшості тварин,  рослин  та здатність їх орієнтації у просторі. Для одних організмів світло є необхідним і важливим екологічним фактором, наприклад, надлишок або нестача світла може бути обмежувальним фактором, а деякі організми байдужі до нього, наприклад, мешканці ґрунту.

Основним джерелом світла є сонячне випромінювання, яке поділяється на:

• Видиме світло(довжина хвилі 400-700 нм, становить 43% енергії сонця) є важливим для зелених рослин, вони використовують його в процесі фотосинтезу. При цьомулистям особливо сильно поглинається оранжево-червоне і синьо-фіолетовепроміння;
• Інфрачервоне випромінювання (довжина хвилі 700 нм, становить 45% енергії сонця) є важливим джерелом теплової енергії. Воно поглинається тканинами організмів і зумовлює їх нагрівання і від нього залежить інтенсивність фізіологічних процесів у рослин та холоднокровних тварин.;
• Ультрафіолетове випромінювання (довжина хвилі 290-380 нм, становить 8-10 % енергії сонця)виявляє бактерицидну дію, сприяє синтезу вітаміну Б в організмах тварин.

У житті рослини поза якістю світлових променів велике значення має кількість світла, тобто інтенсивність освітлення гір,пустель степів  печер  природного добору виникли численні пристосування до життя відповідно до того чи іншого світлового режиму.

Реакція організмів на добовий ритм освітлення називається фотоперіодизмом (від грец. photos - світло, periods - чергування).Прикладами можуть бути цвітіння і проростаннянасіння в рослин, міграція, зимовасплячка і розмноженнятварин.

За відношенням до світла рослини поділяються на три основні групи:

• світлолюбні, або геліофіти-мешкають на відкритих місцях в умовах повно­го сонячного освітлення (соняшник, тюльпан, сосна, ковила);
• тінелюбні, або сциофіти - можна побачити на затінених ділянках,не виносять сильного світла (ялина, плаун булавовидний);
• тіневитривалі - можуть мешкати як в умовах гарного освітлення, так і в затінених місцях (липа, бузок, мохи).

Із сонячним світлом пов'язана активність не тільки рослин, але і тварин.

За відношенням до світла тварини поділяються на основні групи:

• Денні–активні в світлий період доби, розвинений зір, розрізняють кольори (зайць, лисиця, собака);
• Нічні – активні в темноті, великі очі, колірний зір не розвинений, за відсутності світла органи зору редуковані(сова, кажан, їжаки, мавпи);
• Присмеркові – активні у сутінках (хрущі, комарі);
• Поліфазні – чергують періоди спокою та активності (лось);

На людський організм значний вплив справляють ультрафіолетові промені. Їх інтенсивність сильно коливається залежно від сезону, часу доби, висоти над рівнем моря, погодних умов тощо.Засмагу, яка виникає в людей зі світлим кольором шкіри після тривалого опромінення ультрафіолетовими променями, можна розглядати як фенокопію генетично визначеного темного кольору шкіри. Водночас це явище належить до адаптивних реакцій організму. 

2.2. Кліматичні фактори (Температура)

Температура - один із найважливіших кліматичних факторів. Від неї залежать усі життєво важливі процеси, що відбуваються в організмі: обмін речовин або метаболізм, ріст, розвиток, розмноження тощо. На земній поверхні температура мінлива і залежить, перед усім, від географічної широти і висотимісцевості, пори року, часу доби. В той же час, температура може бути обмежувальним фактором. Життя і розмноження кожного виду живих організмів можливе лише в певних межах температури: мінімальна - оптимальна - максимальна. Різка зміна критичних для організму значень температури може спричинити сповільнення або прискорення фізіологічних процесів і навіть його загибель. 

За відношенням до температури виділяють дві екологічні групи рослин:

• теплолюбні (термофіли)– добре ростуть і розвиваються в областях тропічного, субтропічногота помірного поясів в умовах високих температур. Здатні переносити дуже високу температуру. Окремі частини рослини можуть нагріватися до +60…+65°С, наприклад, наскельні лишайники, синьо-зелені водорості в термальних водах, +85 °C, бактерії +88 °C. Вищі рослини в термальних водах відсутні. У природі уже при 40 °C більшість видів виявляють ознаки пригніченості);
• холодолюбні (кріофіли)– живуть у полярних і високогірних областях, або ті, що займають холодні екологічні ніші. Рослини здатні витримувати і гранично низькі температури до −80 °C (водорості в товщі льоду в Антарктиді), в районах, де живуть вищі рослини, відмічена температура −65 °C (Якутія модринові ліси).

У рослин при високих температурах процеси дихання починають протікати значно швидше, ніж реакції фотосинтезу, і вони гинуть від "голоду". Холод несприятливо позначається на організмах, оскільки він гальмує основні фізіо­логічні процеси, знижує енергетичну ефективність дихання, упо­вільнює швидкість розвитку.

Рослини великою мірою залежать від теплових ресурсів, оскільки вони мають дуже незначні можливості коригувати температуру. У рослин тропічних широт є досить багато пристосувань для того, щоб запобігати перенагріванню, а в рослин помірних широт це відбувається переважно шляхом транспірації. Зниження температури до критичних меж змушує рослини скидати листя. Рослини належать до ектотермних організмів (тих, чия температура залежить від температури навколишнього середовища).

Адаптації рослин до низьких температур: багаторічні трави, чагарни­ки полярних і високогірних областей мають висоту декілька сан­тиметрів, дуже дрібне листя (карликова береза, карликові верби), їхня висота відповідає глибині снігового покриву, оскільки всі частини, які виступають над снігом, гинуть від замерзання та ви­сихання. Деякі чагарники та дерева переходять до горизонтального зростання. До них відноситься ялівець, кедровий сланик, гороби­на тощо. їх гілки стеляться по землі й не підіймаються вище за звичайну глибину снігового покриву.

Адаптації рослин до високих температур: густе опушування, котре додає листкам світле забарв­лення та усилює віддзеркалення падаючого світла, вертикальне положення листя, згортання листкових пластинок (у злаків), зменшення поверхні листка, розвиток колючок (кактуси), здіб­ність до запасання великої кількості води, розвинена коренева система тощо. Ці особливості будови одночасно зумовлюють зме­ншення втрати води рослинами.

         По відношенню до температури навколишнього середовища жи­ві організми ділять на дві групи:

• холоднокровні (пойкілотермні) – температура тіла залежить від навколишнього середовища та які одержують теплоту головним чином від зовнішніх джерел(всі безхребетні, риби, плазуни);
•  те­плокровні (гомойотермні) – які підтримують постійну температуру тіла незалежно від її коливань у зовнішньому середовищі (птахи, звірі);

            Кожен із цих видів має певний температурний оптимум:

• евритермні – витримують значні коливання температури (більшість наземних тварин).
• стенотермні – пристосовуються лише до певної температури.

             Адаптації холоднокровних тварин до різних температур: пошук укриттів, дозволяє перечекати холодну пору року (комахи та личинки комах проникають під кору дерев, круглі та кільчасті черв'яки, що мешкають у ґрунті, йдуть на ве­лику глибину, змії утворюють великі скупчення в ямах і норах, під корчами, тритони забираються в дупла дерев тощо). Крайньою формою пристосування рослин і тварин до холоду є анабіоз (від грец. anabiosis — пожвавлення, повернення до життя) — такий стан організму, при якому процеси життєдіяльності (обмін речо­вин тощо) настільки уповільнені, що відсутні всі видимі прояви життя. Анабіоз дозволяє організмам пережити холодну пору ро­ку (мохи та лишайники переносять промерзання в зимову пору року). Для багатьох видів тварин характерна зимова сплячка (жаби та інші), під час якої рівень обмінних процесів знижується, проте не досягає такого ступеня пригноблення, як при анабіозі. Підгото­вка до стану зимового спокою починається завчасно. У рослин ски­дається листя, спостерігається одеревіння пагонів і потовщення їхнього пробкового шару, зимуючі бруньки водних рослин опуска­ються на дно водоймищ, птахи відлітають у більш теплі краї тощо.

      Адаптації теплокровних тварин до різнихтемператур:Мають різноманітні механізми терморегуляції:

• фізична терморегуляція (волосся, пір’я, підшкірний жир, спосіб випаровування води, зміна кровообігу кінцівок);
• хімічна  терморегуляція (бура жирова тканина, накопичення гліцерину в тканинах, здатність до анабіозу);
• поведінка тварин.

2.3. Кліматичні фактори (Вода/Вологість)

Вода/вологість — це один із трьох найважливіших абіотичних екологічних факторів суходолу, що мають визначальний вплив на живі організми.Вода є основою внутрішнього середовища усіх клітинних живих організмів, виступає універсальним розчинником і середовищем протікання біохімічних реакцій. Вода, як екологічний фактор, виступає в ролі вологості повітря 

 Тіло тварин, як правило, не менше ніж на 50% складається з води. У коморного довгоносика, що харчується дуже сухим кор­мом — зерном, води в тілі ще менше — 46%. Гусениці, поїдаючи соковите листя, містять 85-90 % води. В цілому у тварин, що ме­шкають на суші, менше води в організмі, ніж у водних. Так, тіло худоби містить 59 % вологи, тіло людини — 64%, качки крякви — 70%. У риб вміст води в організмі досягає 75%, а у медуз — біль­ше ніж 99%.

Оскільки вода є середовищем існування для багатьох організмів, важливими є такі її властивості як густина, вміст розчинених газів, прозорість, кислотність тощо. Вміст розчиненого у воді киснюможе бути обмежувальним фактором і він залежить від ряду факторів, зокрема температури, тиску, течії тощо.

Особливо чутливими до зміни вологості і кількості води є рослини.

За потребою у воді виділяють такі екологічні групи рослин:

1. гігрофіти — рослини, пристосовані до життя в умовах надмірного зволоження ґрунту (напр., калюжниця болотна, ситник мілководний, частуха подорожникова та ін.).В залежності в яких місцях зростають гігрофіти їх поділяють на дві групи:

• гідатофіти— рослини, які цілком або більшою своєю частиною занурені у воду. Серед гідатофітів одні не прикріплені коренями до ґрунту (ряска), інші — прикріплені (латаття).
• гідрофіти— рослини, що прикріплені до ґрунту і нижньою частиною занурені у воду (напр., стрілолист, комиш, очерет та ін.).

   2. мезофіти — рослини, що ростуть в умовах середнього зволоження (напр., конюшина лучна, тимофіївка лучна, костриця лучна та ін.). В цю групу входять різноманітні рослин, які займають проміжні по вологості місцезростання між гігрофітами і ксерофітами. Більшість же рослин являються типовими мезофітами. До них відносять більшість рослин наших лук, лісів. Культурні рослини також є мезофітами.

   3. ксерофіти— рослини, що ростуть в посушливих умовах. Вони переважають в евроазіатських степах і пустинях, на південному березі Криму, по берегах Середземного моря, в степах і пустинях Африки, Австралії, Північної і Південної Америки.За характером пристосування ксерофіти поділяються на два основних типи:

• сукуленти (кактуси, алое, молочаї, агава);
• склерофіти (ковила, сосна, ялівець, верес).

   4. тропофіти— рослини, що пристосувалися в процесі еволюції до життя в умовах з чергуванням вологої й посушливої пір року (напр., листяні дерева, багато надґрунтових лишайників).

Тварини також чутливі до кількості води, яка знаходиться в їх організмі. В організм тварин вода надходить під час пиття, з їжею і внаслідок обмінних процесів, зокрема внаслідок окислення жирів. У разі, коли води в організм тварин надходить менше, ніж витрачається, він відчуває водний дефіцит. Зневоднення організму може бути причиною його загибелі. Отже вода здійснює не тільки безпосередній вплив на фізіологію організмів, а й змінює інші екологічні фактори такі, як температура, аерація ґрунту, засвоєння рослинами елементів живлення тощо. Крімтого, вода є середовищем життя значної кількості організмів.

За потребою у воді виділяють такі екологічні групи тварин:

1. вологолюбні - види тварин, які можуть існувати лише в умовах підвищеної вологості (наприклад, мокриці, комарі, дощові черви, земноводні);
2. посухостійкі – здатні ефективно утримувати вологу у своєму тілі (пустельна сарана, жук скарабей священний, жуки-чорнотілки тощо). Посухостійкі види здатні переживати певні посушливі періоди.

Важливим фактором водного середовища є її хімічний склад, а насамперед її солоність. Відповідно, водне середовище поділяють на прісне (ріки, озера, ставки тощо), солонувате (гирла річок, опріснені морські акваторії та ін.) та солоне (морські басейни, океан, солоні озера тощо). Відповідно організми поділяють на:

• прісноводні
• морські або солоноводні,
• прохідні — це такі організми (виключно тварини), які частину життєвого циклу проводять у прісних водоймах, а іншу — у солоних, причому для розмноження повертаються у прісні водойми або морські.

2.4. Кліматичні фактори (Повітря)

Повітря як кліматичний фактор постійно впливає на рослини. Цей вплив викликаний рухом повітря (вітром). Крім того, повітря є одним із джерел живлення рослин. Повітряне живлення зеленої рослини — фотосинтез — тісно пов'язане з використанням Карбону. Майже половина сухої маси рослини припадає на Карбон, засвоєний нею з повітря.

Певну роль у житті рослин відіграє також рух повітря. Вплив вітру може бути прямим і непрямим. Прямий вплив багатогранний, це перш за все механічна дія: вітролом, пошкодження дерев і кущів. Формотворча роль вітру помітна на багатьох рослинах відкритих місць — тундр, степів, напівпустель, пустель(прапороподібні, сланкі і карликові форми тощо). При побічному впливі змінюється обстановка для зростання рослин: видування ґрунту, оголення коренів, засипання рослин піском, снігові заноси, висушування надземної частини, температурні перепади, зниження фотосинтезу тощо. Позитивний вплив вітру в житті рослин виявляється в перехресному запиленні великої групи анемогамних рослин, до якої належить понад 10% усіх голонасінних та покритонасінних рослин. Насамперед це дерева (сосна, дуб, ялина, ліщина, тис та ін.), майже всі злакові, осоки, хміль, коноплі, рослини тундри і високогірних поясів, де немає комах. Насіння та плоди рослин також переносяться на великі відстані (до 40 км) за допомогою вітру.

2.5. Едафічні або ґрунтові фактори

Ґрунт  - це рихлий поверхневий шар земної кори, який утворився в умовах тривалого тісного контакту атмосфери, літосфери, гідросфери і біосфери під дією фізичних, хімічних та біологічних процесів.

Екологічне значення ґрунтів за Б.Г. Розановим:

1. Забезпечення життя на Землі. ( субстрат для всього живого).
2. Забезпечення великого геологічного і малого біологічного кругообігів речовин на земній поверхні.
3.  Регулювання хімічного складу атмосфери і гідросфери.
4. Регулювання біосферних процесів, зокрема, густоти живих організмів на земній поверхні.
5. Накопичення у верхніх шарах земної поверхні активної органічної речовини – гумусу і зв’язаної з ним хімічної енергії.

Особливості ґрунту:

1. незначне коливання температури;
2. велика кількість органічних речовин.

Властивості ґрунту:

1. аерація (насиченість повітрям);
2. вологість (присутність вологи)
3. теплоємність і термічний режим (добовий, сезонний, різнорічний хід температур);
4. вертикальний градієнт проникнення світла.

Пристосування ґрунтових організмів  до  умов середовища:

1. специфічні органи і типи руху (риють кінцівки у ссавців);
2. наявність спеціалізованих головних капсул (у деяких видів);
3. форми тіла (округла, червоподібна) та зміна товщини тіла;
4. міцні і гнучкі покриви;
5. редукція очей і зникнення пігментів;
6. сапрофагія – поїдання трупів інших тварин, гниючих залишків

Екологічні групи організмів за відношенням до родючості ґрунту

• мегатрофи— рослини, що ростуть на багатих ґрунтах і є своєрідними їх індикаторами (наприклад, ясен, дуб, бузина та ін.).
• мезотрофи— рослини, що займають проміжне по відношенню до родючості Ґрунту положення між евтрофними і оліготрофними рослинами (наприклад, ялина та ін.).
• оліготрофи (оліготрофи)— рослини, які невибагливі до мінерального живлення і ростуть на бідних ґрунтах (селагінела, традесканція).

2.6. Орографічні фактори

Рельєф не здійснює прямого впливу на життя рослин, проте впливає на ґрунтотворення, а характер рельєфу, місцеположення в ньому рослин або рослинного угруповання значно впливає на життя рослин, регулює їх співвідношення і дію прямих екологічних факторів. Із зміною рельєфу змінюються кліматичні і ґрунтові умови. Таким чином, за рахунок рельєфу збільшується різноманітність умов зростання і відповідно урізноманітнюється флористичний склад.

Залежно від величини форм рельєфу виділяють три категорії: 

• макрорельєф (гори, низовини, міжгірські западини) створює на обмеженій площі широку амплітуду висот, що, в свою чергу, викликає зміну кліматичних комплексів і відповідно до висоти змінюється і характер рослинного покриву.
• мезорельєф (пагорби, яри, гряди, степові блюдця тощо) також впливає на розподіл рослинності. Прикладом може бути заплава. Велике значення для життя рослин має експозиція схилів та їх крутизна. Відомо, що на схилах південної експозиції освітлення більш інтенсивне і температура вища, режим зволоження інший, ніж на північних. У зв'язку з неоднаковими умовами на схилах різної експозиції помітно розрізняються склад рослинності, зовнішній вигляд і стан рослин. На південних схилах вище розміщується пояс деревної рослинності. Вплив експозиції виявляється не лише в горах, а й на невеликих горбах, підвищеннях і навіть на рівнинах.
• мікрорельєф (мілкі западини, нерівності, пристовбурові підвищення та ін.). 

2.7. Хімічні та фізичні фоктори

Хімічні

До хімічних факторів відносяться: хімічний склад атмосфери, прісних і морських вод, ґрунту тощо.

 Фізичні

До фізичних факторів відносяться: шум, магнітні поля, теплопровідність і теплоємність, радіоактивність, інтенсивність сонячного випромінення.