ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ СРЕДЫ

Целям разработки механизма количественной оценки взаимоотношений организмов с окружающей средой служит введение и дальнейшее развитие представлений об экологических факторах. Экологический фактор – это любой не расчленяемый далее элемент окружающей среды способный оказывать прямое или косвенное воздействие на живой организм хотя бы на одном из этапов его индивидуального развития, на действие экологического фактора организм отвечает определенными реакциями.

Все экологические факторы можно разделить на две большие группы: биотические (живой природы, биогенные) и абиотические (неживой природы, абиогенные). При этом обе эти категории факторов могут либо формироваться в результате деятельности людей (антропогенные экологические факторы), либо без таковой (природные экологические факторы). Изложенное выше иллюстрирует схема, приведенная на рис.2.1.

Мы постоянно сталкиваемся с таким понятием, как климатические условия. Непосредственно воздействуют на наш организм: температура, солнечный свет, влагосодержание – это и есть экологические факторы, абиотические природные экологические факторы. Источником биотических экологических факторов являются отношения между организмами (см. раздел 3).

 

 

 

Рис. 2.1. Классификация экологических факторов [35]

 

Примеры: 1) природные абиотические экологические факторы: температура, давление атмосферное;

2) антропогенные абиотические экологические факторы: кислота, вылитая человеком в пруд, пуля в теле животного;

3) природные биотические экологические факторы: ель, затеняющая куст брусники; дикое животное, кормящее потомство;

4) антропогенные биотические экологические факторы: домашний скот на лугу; домашняя пчела, опыляющая цветущее растение, рожь или пшеница на поле, микроорганизмы вакцин.

Более подробно вопросы, связанные с классификацией экологических факторов и механизмами их воздействия на живые организмы обсуждены в работах [6,33].

В общем виде воздействие экологического фактора на состояние организма (группы организмов) иллюстрирует рис. 2.2.

 

 

 

Рис.2.2. Влияние интенсивности (уровня) экологического фактора на жизнедеятельность организмов

А – степень благоприятности экологического фактора: 1) отдельный организм: жизненная активность, подвижность, физиологическое состояние; 2) группа организмов: численность (плотность) популяции, выживаемость и т.п., А_опт и А_кр – оптимальное и критическое значения А.

Т – интенсивность (уровень) экологического фактора, т.е. его численное значение, Т_лет, Т_лим, Т_опт – соответственно летальные, лимитирующие и оптимальные значения экологического фактора.

 

Конкретные численные значения и единицы измерения «А» и «Т» зависят от природы экологического фактора и особенностей его воздействия на организм. Например, при взаимоотношениях «хищник-жертва», и «А» и «Т» имеют размерность . Если рассматриваем влияние температуры на организм, «А» определяем по его подвижности, «Т» - температура в ^оС (t). При анализе химического воздействия «Т» представлена концентрацией (С) и ее разменность, например, или . При этом если средой распределения агента является воздух или вода, то в знаменателе – м³, если среда – почва или тело организма, то в знаменателе – кг.

Область внутри интервала (Т′_лим – Т_лим) называют зоной нормальной жизнедеятельности организма. Здесь он нормально питается и развивается, дает жизнеспособное потомство. В этой области отмечают и некоторый наилучший (оптимальный) для организма уровень данного фактора (Т_опт), при котором его активность (А_опт) будет максимальной (рис. 2.2).

На участках (Т′_лет – Т′_лим) и (Т_лет – Т_лим) данный экологический фактор приводит к подавленному пессимальному состоянию организма или популяции. Эти области определяют по величине критического значения степени благоприятности фактора – А_кр. Проведя горизонтальный луч из точки А_кр до пересечения с кривой графика опускают перпендикуляры на ось Т и определяют лимитирующие значения фактора Т′_лим; Т_лим при дальнейших отклонениях значений фактора влево от Т′_лим и вправо от Т_лим располагаются зоны угнетения (пессимума). Значениям фактора, соответствующим этим областям, соответствует подавленное, пессимальное состояние организма или популяции. Для отдельного организма это состояние может закончиться хроническим заболеванием, бесплодием, мутацией, гибелью. Для популяции, пребывающей в указанных условиях ситуация также завершается либо гибелью, либо миграцией животных. Для экосистемы наличие таких значений факторов приводит к ее деструкции, т.е. к образованию новой экосистемы, подчас упрощенной структуры. Предельные значения экологических факторов, за границами которых (в меньшую для Т′_лет или большую для Т_лет сторону) жизнедеятельность особей становится невозможной, называют летальными: Т′_лет и Т_лет на рис. 2.2.

Диапазон значений фактора внутри интервала Т′_лет-Т_лет называют пределами выносливости или толерактности (от лат. tolerantia – терпение).

Приведенная на рис. 2.2 кривая присуща тем факторам, которые составляют экологическую нишу организма. Экологическая ниша организма – это совокупность всех его требований к условиям среды и место, где эти требования удовлетворяются; или вся совокупность множества биологических характеристик и физических параметров среды, определяющих условия существования того или иного вида, преобразование им энергии, обмен информацией со средой и себе подобными [35]. Таким образом экологическую нишу организма обусловливает совокупность часто взаимосвязанных экологических факторов.

Но организмы могут подвергаться и нежелательным, подчас губительным процессам и явлениям среды. В этом случае можно говорить о воздействии случайных экологических факторов. Если организм подвергся действию случайного экологического фактора, обусловленного загрязнением среды, то кривая берет начало от максимального значения А_опт, при Т = 0, и ее дальнейший ход свидетельствует о непрерывном ухудшении жизненного состояния организма до Т_лет, по мере возрастания интенсивности экологического фактора. В этом случае Т_опт = 0.

На рис.2.3 пунктиром обозначены возможные предельные варианты изменения жизнедеятельности организма в зависимости от «третьих факторов», например, от дополнительного влияния температуры или наличия в среде других химических агентов. В санитарной охране среды лимитирующее жизненное состояние организма значение концентрации (С_лим) называют пороговой концентрацией (С_порог). Значения С_лет, С_лим и С_порог могут меняться. По величине С_лим (частный случай Т′_лим) определяют значения предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязнителей. Значение ПДК всегда устанавливают ниже Т_лим, во избежание необратимых патологических изменений в живом организме: ПДК = Т_лим / n, где n > 1. Величину ПДК устанавливают с таким запасом (n), чтобы при достижении текущей концентрацией (С) величины ПДК организм не оказался в зоне угнетения. Значение ПДК принимают неизменным, для данного агента и среды данного назначения, например, вода питьевая и для купания.

 

 

 

Рис.2.3. Влияние содержания в среде химического агента на жизнедеятельность организма

С – концентрация в среде химического агента (мг/м³; мг/кг и т.д.), остальные пояснения см. рис.2.2.

 

Под загрязнением понимают привнесение в среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных для нее физических, химических, биологических или информационных агентов, или превышение в рассматриваемое время естественного среднемноголетнего уровня (в пределах его крайних колебаний) концентрации типичных агентов указанной природы в среде, нередко приводящее к негативным последствиям [33].

При описании экологической ниши какого-либо вида живых организмов важно не только перечислить все экологические факторы, обеспечивающие жизнедеятельность организмов, но и указать предельные значения зоны нормальной жизнедеятельности (Т′_лим, Т_лим).

Влияние интенсивности экологических факторов на жизнедеятельность организма нашло отражение в двух законах экологии. Приведем их современные расширенные формулировки.

Закон минимума (Ю. Либиха): выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей, т.е. жизненные возможности лимитируют (определяют) экологические факторы, количество и качество которых близки к необходимому организму или экосистеме минимуму; дальнейшее их снижение ведет к гибели организма или деструкции экосистемы. Иначе говоря, отсутствие даже одного из экологических факторов, составляющих экологическую нишу, приводит к гибели организма. Организм в определенной мере способен заменить дефицитное вещество или другой действующий фактор иным функционально близким веществом или фактором (например, одно вещество другим, функционально и химически близким).

Выяснение слабого звена цепи чрезвычайно важно в экологическом прогнозировании, планировании и экспертизе проектов. Знание взаимодействия факторов позволяет рационально производить замену дефицитных веществ и воздействий на менее дефицитные, что важно в процессах эксплуатации природных ресурсов.

Закон толерантности (В. Шелфорда): лимитирующим (ограничивающим) фактором процветания организма (вида) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет величину выносливости (толерантности) организма к данному фактору.

То есть, грубо говоря, плохо и недокормить, и перекормить, все хорошо в меру. Применение этого закона необходимо при оценке успешности культивирования растений, выращивании сельскохозяйственных животных, оценке возможности акклиматизации диких видов и т.п. Закон толерантности определяет и положение, по которому любой избыток вещества или энергии загрязняет среду. Так, избыток воды даже в засушливых регионах вреден, и вода может рассматриваться как обычный загрязнитель, хотя в оптимальных количествах она тут очень полезна.

По ширине зоны нормальной жизнедеятельности (см. рис. 2.2) по данному фактору различают стено- и эврибионтные виды относительно этого фактора. Стенос (греч.) – узкий. Эври (греч.) – широкий. Виды, особи которых устойчивы лишь к небольшим отклонениям значений фактора (зона между Т′_лим-Т_лим узка) от оптимума, называют стенобионтными, а виды, способные выдерживать значительные изменения фактора, (зона между Т′_лим-Т_лим широка) – эврибионтными. В экологической литературе часто используют термины, отражающие не только степень выносливости вида к изменяющимся значениям фактора, но и отражающие природу данного фактора. Так по отношению к температуре различают стено- и эвритермные виды, к влажности – стено- и эвригидридные и т.д.

Способность вида осваивать различные среды обитания (существовать в разнообразных условиях) выражается величиной экологической валентности. Виды с малой экологической валентностью называют стенотопными, с большой – эвритопными. К стенотопным организмам, например, относятся обитатели песчаных пустынь: осока песчаная – растение, песчаный удавчик – пресмыкающееся. Эвритопным растением является сосна обыкновенная, растущая на песчаных, суглинистых почвах, меловых обнажениях, сфагновых болотах, за полярным кругом и местами в степной зоне.

В целях сохранения того или иного биологического вида в естественных природных условиях, при антропогенном вмешательстве (возможном, планируемом или реальном; прямом или опосредованном, косвенном) люди разрабатывают систему мероприятий, направленную на обеспечение режимов всех экологических факторов в пределах унаследованной толерантности организмов. Численное значение (уровень, интенсивность) ни одного экологического фактора не должно выходить за пределы интервала: Т´_лим – Т_лим. То есть охрана природы на региональном уровне состоит в системе мероприятий по сохранению экологических ниш живых организмов данных биологических видов. Полная формулировка звучит следующим образом [4]: охрана природы, охрана окружающей природной среды – комплексная система мероприятий, направленных на сохранение, рациональное (неистощительное) использование и воспроизводство природных ресурсов, в том числе на сбережение видового многообразия (генофонда) флоры и фауны Земли, ее недр, водных ресурсов, атмосферного воздуха и, следовательно, на сохранение природных условий развития человеческого общества.

Говоря о необходимости охраны природной среды планеты Земля, отметим следующее. За период с конца 16 века до 70 годов 20 века с поверхности Земли исчезли, главным образом из-за разрушения местообитаний, 109 видов птиц, 64 вида млекопитающих, 20 видов пресмыкающихся, 3 вида земноводных. С 30 годов 20 века стала очевидной опасность истощения природных ресурсов – как невозобновимых (газ, нефть, уголь, руды и пр.), так и возобновляемых (растительный и животный мир и др.). С середины 20 века воздействие человека на природу (антропогенный пресс) приняло глобальный характер: рост площадей, занятых промышленными агломерациями и монокультурами (т.е. обедненного биоразнообразия, обедненного генофонда), отходы промышленности, ядохимикаты, загрязнение океанов нефтью и другие последствия технической революции стали сказываться не только на отдельных регионах, но и на всей биосфере.

Сегодня вымирание угрожает около 1000 видам птиц и млекопитающих, примерно половина из них обитает в тропических лесах, которые сводятся со скоростью несколько десятков гектаров в минуту. Под угрозой исчезновения находится каждый 4-й вид земноводных и каждый 7-й вид пресмыкающихся, каждый 10-й вид высших растений.

В связи с хозяйственной деятельностью (природопользованием людей) растительный мир Земли постепенно теряет разнообразие, сокращается генофонд царства растений. Более 20% суши сегодня лишено естественного растительного покрова. Вымирают или резко сократили ареал и численность сотни видов растений, главным образом из числа древних и экологически стенотопных, реликтовых, в том числе виды, ценные в экономическом отношении, пригодные для введения в культуру или для использования в селекции или в генетической модификации.

Из приведенных выше примеров, понятно значение мониторинга. Мониторинг – комплексная система наблюдения (слежения), оценки и прогноза изменения состояния биосферы, или ее отдельных элементов, под влиянием антропогенных воздействий. В зависимости от подхода к рассмотрению различают много типов мониторинга. По размерам охватываемых площадей мониторинг может быть локальным, региональным, глобальным. В мониторинге состояние биосферы характеризуют геофизическими, физико-географическими, геохимическими, биологическими параметрами. Здесь важна роль космических методов исследования (наблюдение из ближайшего космоса). При локальном биологическом мониторинге широко применяют биоиндикацию. При биоиндикации по составу и физиологическому состоянию флоры и фауны численному соотношению их отдельных представителей суши или водной системы оценивают степень загрязнения воздуха атмосферы, водной среды, почвы физическими, химическими или биологическими агентами, определяют характер загрязнения. Соответствующие живые организмы называют биоиндикаторами. Биоиндикаторы – организмы, присутствие, количество или особенности развития (наличие болезненных изменений) которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания. Например, скопления морских рыбоядных птиц свидетельствует о подходе косяков рыбы. Специфические организмы водной среды (планктона и бентоса) указывают на происхождение водных масс и течений, характеризуют определенные параметры среды обитания (соленость, температура и т.п.). Лишайники и некоторые хвойные деревья являются биоиндикаторами чистоты воздуха. При его загрязнении, например, оксидами серы эти живые организмы либо внешне угнетены, либо отсутствуют полностью в том месте, где, казалось бы, они должны быть. Ряд почвенных микроорганизмов и индикаторные растения служат биоиндикаторами при поисках различных полезных ископаемых. По комплексам почвенных животных можно определять типы почв и их изменение под влиянием хозяйственной деятельности человека. Щавель указывает на повышенную кислотность почвы, наличие крапивы свидетельствует о почве с высоким плодородием и о возможном избыточном содержании соединений азота (в частности нитритов и нитратов), черника растет на почвах избыточного увлажнения. По наличию организмов-биоиндикаторов можно судить о наличии в субстрате (основе, подстилке) витаминов, антибиотиков, гормонов, других биологически активных веществ, преобладании тех или иных химических элементов и о многом другом. Примеры растений-индикаторов приведены в работе [14]. Биоиндикация основывается на исследовании структуры экосистемы в естественной среде. При этом учитывается биологическое разнообразие, численность, биомасса, доминирование, количество видов-индикаторов и другие характеристики всех экологических групп организмов исследуемой экосистемы.

Биологический мониторинг на изменения в природе (в окружающей среде) ведут по функциональным (прирост биомассы в единицу времени, скорость поглощения различных веществ растениями и животными) и по структурным (численность и состав видов, общая биомасса и др.) биологическим признакам. Суть упомянутых признаков раскрыта в следующем разделе.