ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "ПЕРВОГО СЕНТЯБРЯ"

ЧЕРНОВА Н.М.

Курс «Учителю биологии об основах экологии»

Учебный план курса

Лекция 1. Организм и среда

Современная экология, охватывая огромное поле знаний о структуре и функционировании живой природы, включая человеческое общество, по-прежнему остается «наукой о связях», как писал о ней на заре ее становления Э.Геккель. Связи организмов со средой обеспечивают устойчивость не только самих живых существ, но и всех надорганизменных систем (популяций, биоценозов, экосистем), вне которых жизнь невозможна. Cвязи эти можно измерить. Они представляют собой конкретные вещественно-энергетические потоки, протекающие через тела организмов и поддерживающие их жизнь.

Потребление энергии и обмен веществ – основное условие жизнедеятельности организмов. Причины этого кроются в основных физико-химических законах эволюции материи. Жизнь организмов основана на непрерывном обновлении их структур. К настоящему времени этот процесс достаточно хорошо изучен, особенно благодаря методам «меченых атомов». Например, белки клеток млекопитающих обновляются со скоростью 1% в час, а некоторые ферменты – до 10%. В клетках печени мыши все белки синтезируются заново через 2–3 дня. Интенсивно обновляются также полисахариды, липиды и нуклеиновые кислоты. Для осуществления всех этих процессов синтеза требуется много энергии. Например, энергетическая «стоимость» одной пептидной связи при синтезе молекул белка – около 16 кДж/моль.

Энергия в клетке передается от одной химической связи к другой с помощью молекул АТФ. Для сборки одной молекулы РНК требуется энергия гидролиза 6 тыс., а одной молекулы ДНК – около 120 млн молекул АТФ. Это самая энергетически расточительная работа в живом организме.

Интенсивно обновляются не только внутриклеточные структуры, но и клетки различных тканей. Средняя продолжительность жизни клеток желудка человека – от 2 до 9 суток, тонких кишок – 1,3–1,6 суток, клеток в легких – около 8 суток. Лейкоциты живут 1–3 дня, эритроциты – 120 дней. Необходимость постоянного обновления клеточных структур объясняется законами физики и химии. В клетках всегда существует тепловое движение молекул, в том числе молекул воды. Энергия этого движения слишком мала (7–8 кДж/моль при температуре тела человека), чтобы разрушить первичную структуру макромолекул. Однако, взаимодействия макромолекул между собой и с мембранами зависят от их конфигурации (т.е. вторичной и третичной структуры), которая поддерживается так называемыми «слабыми связями» (энергия таких связей лишь незначительно превышает энергию хаотического теплового движения молекул воды). Эти слабые связи могут быть частично нарушены. В результате для поддержания активности клетки требуется обновление нарушенных структур, что также связано с затратами энергии. Кроме того, генетический аппарат клетки может ошибаться при построении соответствующих белков. Клетки с такими поврежденными белками становятся чужеродными для организма и уничтожаются иммунной системой, а взамен строятся новые.

Есть и другие причины непрерывного потребления организмом энергии. Биохимическая работа совершается в организме все время, в том числе при относительном покое. В период же повышенной активности она увеличивается на несколько порядков. Живое существо нельзя полностью «выключить», как техническое устройство. Обменные процессы продолжаются в состоянии спячки или оцепенения животных, глубокого покоя растений, их семян и спор. Экспериментально доказано, что сохранение жизнеспособности (но не жизнедеятельности) при полном прекращении подачи энергии в клетки (состояние анабиоза) возможно только при очень низких температурах, практически не встречающихся на Земле (ниже –130 °С), и лишь при условии сохранения ненарушенными внутриклеточных структур.

У животных уровень потребления энергии в состоянии полного покоя в благоприятных условиях называют «базальным метаболизмом». Любая физическая активность увеличивает его величину. Например, стоячая поза по сравнению с лежачей увеличивает энергозатраты у овцы на 10–11%, у коровы – на 13,5%, а у лося – на 25%. У человека обмен веществ при физической нагрузке может увеличиваться в 15–20 раз, у насекомых во время полета – в 50–200 раз.

Таким образом, в тела живых существ постоянно должна поступать энергия, необходимая для химических реакций внутри клеток. По второму закону термодинамики любые превращения энергии из одного состояния в другое сопровождаются обязательным переходом части ее в тепловую. Выделение тепла организмами – неизбежное следствие их жизнедеятельности. Тепло – это, по сути дела, «отработанная» энергия химических связей. Масштабы выделения тепла живыми существами грандиозны. Впервые они были осознаны В.И. Вернадским, которые назвал «живое вещество» самой активной формой материи во всей Вселенной. Солнце вырабатывает в секунду 2.10–7 Дж энергии на 1 г своей массы, тогда как человек – на четыре порядка больше, а бактерии – на восемь порядков. Через тела живых существ проходят также потоки веществ – молекул, участвующих в синтезе и распаде основных структур клеток. Растения синтезируют органические вещества из неорганических молекул, получаемых из воздуха, воды и почвы. Они используют для этого непосредственно излучение Солнца, преобразуя его в энергию химических связей. Подавляющее большинство других организмов (кроме некоторых групп бактерий) живет за счет органических веществ, первоначально создаваемых растениями.

Интенсивность обмена веществ в организмах можно измерить, учитывая продуцируемое за единцу времени тепло, либо количество выделяемого при дыхании углекислого газа и потребляемого кислорода. Для животных такой мерой может быть и количество потребляемой пищи. Все это – количественные показатели связи организмов с окружающей средой.

Потребление кислорода человеком среднего веса и возраста составляет около 200–250 мл/мин. Несложные расчеты показывают, что на вентиляцию легких в течение суток требуется 11–13 тыс. л воздуха. За весь период жизни это составляет сотни миллионов литров. В течение жизни человек потребляет десятки тонн пищи и воды. Птенец серебристой чайки за 40 дней развития съедает около 12 кг рыбы. Всего за гнездовой период семья чаек с двумя птенцами потребляет более 125 тыс. ккал, причем 80% этой энергии идет на поддержание жизнедеятельности, а не на рост.

Интенсивность обмена у представителей разных видов может различаться на порядки величин и зависит от строения, образа жизни и условий существования организмов. Например, землеройки с массой тела 3–4 г потребляют в состоянии покоя за 1 ч около 10 мл кислорода на 1 г веса; домовая мышь весом 17 г – 1,7 мл; крыса (280 г) – 0,88 мл; овца – 0,25 мл; корова – 0,12; слон – 0,03 мл кислорода на 1 г веса в час. В то же время ящерицы, сходные по весу с землеройками, потребляют в покое за 1 ч всего 0,29 мл кислорода на 1 г веса тела за час, т.е. почти в 35 раз меньше. Среди птиц наиболее интенсивен обмен у воробьиных и колибри.

Отношение массы съеденной пищи к весу взрослого животного у активных весь год рыжих полевок составляет примерно 1500 : 1, а у малых сусликов, большую часть времени проводящих в спячке, – 150 : 1. В океане удельные потоки энергии через сообщества взвешенных в воде бактерий примерно в 20 раз выше, чем через сообщества планктонных животных, а те, в свою очередь, используют в 4–6 раз больше энергии, чем донные обитатели.

Потоки вещества и энергии через тела великого множества живущих на Земле организмов становятся мощной силой, влияющей на косную среду. В масштабах геологического времени они постепенно преобразовали верхние слои планеты. Фотосинтезирующие цианобактерии, а затем растения, освобождая кислород из молекул воды, превратили анаэробную атмосферу в аэробную, и тем самым стимулировали эволюцию организмов с интенсивным способом потребления энергии – дыханием. Над Землей возник озоновый экран, задерживающий губительную для живого часть спектра солнечного излучения. Жизнедеятельность многочисленных бактерий, грибов и животных, перерабатывающих остатки растений, привела к возникновению на суше почв. На дне океанов возникли осадочные породы, в которых концентрировались элементы, накопленные телами водных организмов. Даже климатические условия на Земле видоизменяются под влиянием жизни. Современная растительность на суше испаряет до 80–90% влаги, выпадающей с осадками, влияя на перенос ее в атмосфере, смягчает силу ветров и ураганов.

Сила жизни на планете связана, по В.И. Вернадскому, прежде всего с размножением, что многократно увеличивает потоки вещества и энергии через тела живых существ. Потенциальные возможности размножения организмов, действительно, неисчерпаемы. Они подчиняются геометрической прогрессии, поскольку при размножении количество организмов увеличивается минимум в 1,5 раза, а максимум – в несколько миллионов раз.

Бактерии или одноклеточные простейшие, делясь надвое, за короткое время могли бы нарастить огромную массу. Интервал удвоения клеток определяется молекулярными механизмами и скоростью внутриклеточного синтеза. По подсчетам В.И. Вернадского, потомство одной-единственной клетки бактерии, совершающей 63–64 деления в сутки (т.е. каждые 22–23 минуты), способно образовать пленку по всей поверхности Земли менее чем за 1,5 дня. «Если бы не было препятствий во внешней среде, – писал ученый, – они могли бы создать с непостижимой для нас быстротой невероятное количество сложнейших химических соединений, являющихся вместилищем огромной химической энергии».

Темп размножения находится в тесной зависимости от размеров организмов: мелкие размножаются быстрее крупных, и могут нарастить за один и тот же промежуток времени гораздо большую биомассу. Но даже медленно размножающимся слонам (одна слониха рождает слоненка примерно раз в пять лет, а за всю жизнь – не более 5–6) по подсчетам еще Ч.Дарвина, нужно всего 750 лет, чтобы их потомство встало плечом к плечу вдоль экватора. По геологическим меркам это очень небольшое время.

Плодовитость некоторых видов просто поражает. Многие рыбы выметывают десятки тысяч и даже миллионы икринок за нерест: мелкая каспийская килька – до 60 тыс., камбала – 300 тыс., атлантическая треска – до 10 млн. Треска живет до 17 лет, становится половозрелой на 7-м году жизни и, следовательно, потенциально способна оставить до 100 млн потомков. Огромная плодовитость характерна для паразитов. Вес мельчайших яиц, отложенных в течение жизни самкой человеческой аскариды, в 1700 раз превышает ее собственный. Столь же велики репродуктивные возможности растений. Одно дерево березы ежегодно поставляет сотни тысяч семян. Минимальная продукция однолетних травянистых растений – несколько десятков достаточно крупных семян, чаще же – сотни и тысячи мелких.

Максимальное теоретически возможное число потомков, которое может оставить после себя одна особь, называется биотическим потенциалом вида. Этот потенциал широко варьирует у разных видов, а на графике изменения численности следующих друг за другом поколений выражается экспоненциальной кривой. Отражая геометрическую прогрессию размножения, она круто взмывает вверх даже у видов, размножающихся простым делением надвое. Быстрая смена генераций во много раз усиливает возможности увеличения численности видов. Потомство тлей, способных дать до 15 поколений за лето при относительно низкой плодовитости (около 50 яиц на самку), теоретически за один сезон может выразиться астрономическим числом с 25 нулями.

Существуют виды и с достаточно низкой плодовитостью и медленной сменой генераций. Максимальное число откладываемых в гнездо яиц у птиц лишь ненамного больше двух десятков (куриные), обычный же размер кладок у разных видов составляет от 2 до 6–8 яиц, а у некоторых – всего одно (как, например, у пингвинов). У животных уменьшение плодовитости связано с развитием заботы о потомстве, которая повышает вероятность выживания детенышей, а у растений – с обеспечением семян запасом питательных веществ, облегчающих начало жизни проростков.

Реальная численность видов в природе, однако, мало зависит от их потенциала размножения. Тропические моря вовсе не забиты луной-рыбой (рекордсмен по плодовитости, – до 300 млн икринок за нерест), наоборот, она встречается не часто. Из сотен тысяч семян березы или ели лишь очень немногие имеют шанс превратиться во взрослое дерево, а из сотен миллионов яиц аскариды в лучшем случае два или несколько обеспечат развитие паразита в новом хозяине.

Выживание потомства у видов с высокой плодовитостью – лишь счастливый случай для отдельных особей, т.к. в природе действуют мощные силы, препятствующие безудержному увеличению численности и реализации имеющегося потенциала. Выдающийся отечественный биолог-эволюционист И.И. Шмальгаузен еще в 1940-х гг. развил представления о роли массовой элиминации (гибели) в эволюции видов. Если виды постоянно или на протяжении какой-либо части жизненного цикла подвержены массовой гибели под влиянием врагов или неблагоприятных условий, то естественный отбор способствует единственно возможному в этом случае пути выживания – усилению размножаемости через высокую плодовитость или быструю смену генераций. Лишь в этом случае кто-то из потомков имеет шанс оставить собственное потомство. При ослаблении напора среды такие виды обладают возможностью быстрого восстановления и взрывов численности.

Рыбы с высокой плодовитостью обладают чаще всего мелкой, так называемой пелагической, икрой, выпускаемой на волю волн. Взвешенная в воде, она представляет отличный белковый корм для многочисленных животных-фильтраторов и уничтожается ими в большом количестве. Мелкие слабые мальки, лишенные жировых запасов, вынуждены самостоятельно добывать себе пищу, не способны противостоять врагам и также в массе гибнут. Тли, беззащитные перед их многочисленными потребителями – мелкими птицами, хищными насекомыми, погибают также при резкой смене погодных условий. Семена растений в массе поедаются животными, а у оставшихся мало шансов прорасти или выдержать напор конкуренции на территории, занятой другими растениями.

Виды с высокой размножаемостью тратят очень много энергии на обеспечение половой продукции. Виды с низкой размножаемостью не меньше энергии направляют на выращивание, охрану и обучение потомства (животные) или обеспечение семян запасами (растения). Таким образом, в природе реализуются две альтернативные стратегии размножения. Каждая из них направлена на преодоление негативного воздействия среды.

Основные внешние причины, препятствующие реализации биотического потенциала, – это нехватка энергетических источников и веществ для роста и развития (света, воды, элементов минерального питания для растений, пищи для животных), влияние многочисленных врагов (хищников, паразитов и других потребителей) и зависимость от физических условий среды, часто препятствующих выживанию или размножению организмов.

Живая природа была бы гораздо более неустойчивой, если бы виды не обладали таким мощным потенциалом размножения. На этом их свойстве строит свое благополучие и человеческое общество, используя растения и животных как источник питания и поставщиков разнообразных материалов для хозяйственных целей. Сельскохозяйственное производство заинтересовано в реализации биотического потенциала культивируемых видов. Современное общество целиком зависит от урожайности сельскохозяйственных растений и продуктивности животноводства, в основе которых лежит грамотное управление размножением сортов и пород.

В этой области накоплен огромный опыт на глубокой научной основе. Достаточно привести пример многократного увеличения плодовитости кур при селекции на яйценоскость, выведение сортов ветвистой пшеницы, многоплодных свиноматок, сокращение сроков размножения и увеличение плодовитости пушных зверей на зверофермах. Однако, успехи сельского хозяйства во всех странах даются нелегко и сопряжены с большими затратами средств и энергетических ресурсов. Для быстро растущего населения Земли явно не хватает продуктов питания, получаемых с возделываемых земель и пастбищ.

В хозяйственной деятельности человека большую роль играют также разнообразные промыслы. Именно благодаря им развивалось человечество до наступления эры растениеводства и животноводства. Современные промыслы, такие как рыболовство, китобойный, охотничий и другие, в первую очередь сталкиваются с проблемой воспроизводства видов. Воздействие на промысловые объекты стало таким мощным и масштабным, что даже виды с высоким биотическим потенциалом не успевают восстановить свою численность, в результате чего она резко падает. Особенно это относится к видам с невысокими темпами размножения.

Перепромысел – одна из важнейших экологических драм современности. Так, на грани исчезновения находятся киты, и даже международный запрет на добычу большинства видов пока не способствует эффективному возобновлению их численности. Перепромыслу подверглись многие виды рыб, даже такая плодовитая, как треска. Ее уловы резко пошли на убыль уже в 70-х гг. прошлого века. В результате увеличилась численность кормового объекта трески – мелкой мойвы, которая также стала объектом усиленного промысла. Неумеренный вылов вскоре резко сократил численность даже этой рыбки, с гораздо более быстрым оборотом генераций, чем у трески. В настоящее время запасы практически всех объектов океанического промысла находятся под угрозой.

Условия размножаемости конкретных видов надо знать не только для решения задач восстановления их численности, но и наоборот, для предотвращения ее безудержного роста. Такие переразмножившиеся виды становятся вредителями полей, лесов, запасов продуктов, распространителями заболеваний. В городах, например, ведется постоянная борьба с крысами, тараканами, мухами и другими неприятными сожителями человека. В сельском и лесном хозяйстве приходится тратить огромные средства на предотвращение размножения вредителей или борьбу с ними.

На возможности реализации биотического потенциала видов оказывают влияние не только их враги и потребители, но и в большой мере – физико-химические условия среды обитания, которые мы разделяем на экологические факторы.

Экологическими факторами называют любые влияющие на организмы свойства или компоненты внешней среды, действие которых поддается измерению. Факторы делят на абиотические и биотические. Влияние на организмы представителей своего или других видов расценивают как биотические факторы. К абиотическим относят физико-химические факторы: свет, температуру, влажность, силу ветра или течения, состав солей в растворе и их концентрацию, давление, радиоактивное излучение, электромагнитные поля и многие другие. Влияние разных форм человеческой деятельности на живую природу относят к антропогенным факторам.

В немногих случаях абиотические факторы практически неизменны (например, земная гравитация, солевой состав океана, температура в его глубинах, состав атмосферы и др.). В большинстве случаев они меняют силу своего проявления в пространстве или времени, создавая большое разнообразие условий жизни. По характеру изменчивости они могут быть: 1) регулярно-периодическими; 2) нерегулярными; 3) направленными на протяжении определенных, иногда длительных отрезков времени.

Один и тот же фактор среды может играть очень разные роли в жизни различных групп организмов. Например, содержание азота в почве почти не влияет на жизнь хищных животных, но существенным образом сказывается на росте растений. Экологические факторы влияют на организмы как: 1) ограничители, т.е. определяя невозможность существования организмов в определенных условиях; 2) раздражители, вызывающие соответствующие приспособительные изменения биохимических и физиологических реакций; 3) модификаторы, влияющие на морфологию и анатомию; 4) сигналы, подготавливающие к наступающим изменениям других факторов среды.

Живые существа отвечают на изменение действия экологических факторов адаптивными реакциями. Адаптациями называют любые изменения в строении и функционировании организмов, которые повышают их шансы на выживание. Адаптации возникают и развиваются в ходе эволюции видов и обеспечивают жизнь их представителей в определенных пределах изменения среды.

Свет является одним из важнейших экологических факторов. Солнечная радиация, поступающая на Землю, представляет собой электромагнитное излучение с длинами волн от 0,1 до 30 000 нм. В этом спектре область 380–710 нм представляет фотосинтетически активную радиацию (ФАР), т.е. используется растениями для фотосинтеза. С диапазоном ФАР почти совпадает область видимого света, воспринимаемой человеческим глазом.

Растения и фотосинтезирующие бактерии используют лучистую энергию Солнца, преобразуют ее и запасают в энергии химических связей органических соединений. Разлагая затем органические молекулы в процессах дыхания, они поддерживают свою жизнь. За счет фотосинтезирующих организмов живут и другие организмы, не способные к фотосинтезу (гетеротрофы). Свет влияет также на самые разнообразные процессы в жизни растений: образование хлорофилла, работу устьичного аппарата, рост и др.

У растений возникают различные адаптации к использованию светового режима. Их делят по этим признакам на 3 экологические группы: 1) светолюбивые (гелиофиты); 2) тенелюбивые (сциофиты); 3) теневыносливые. Гелиофиты могут успешно расти только в открытых, хорошо освещаемых местообитаниях. Это растения степей, пустынь, лугов и полян. Светолюбивые виды можно распознать по строению листьев. Обычно у них лист достаточно толстый, на срезе видна многослойная палисадная ткань, много мелких хлоропластов, клетки поверхностного слоя мелкие, много устьиц и большая площадь жилок. Усиление освещенности повышает у них интенсивность фотосинтеза.

Тенелюбивые растения адаптированы улавливать слабый свет, некоторые – даже менее 1% от полного дневного освещения. Это растения тенистых лесов, пещер, толщи вод. При сильной освещенности они снижают фотосинтез. Листья у них тонкие, хлоропласты крупные, но их мало, площадь жилок небольшая.

Теневыносливые растения могут жить как на свету, так и в тени и имеют промежуточное строение листьев. В густых кронах деревьев часть листьев имеет световое строение, а часть – теневое. Структура листа определяется условиями освещения закладывающихся почек. Сформировавшийся лист не может изменить свою структуру.

Если для растений свет – основное условие жизни, то для животных он не является абсолютно необходимым. Многие виды могут жить и в полной темноте – в глубине океана, в почве или пещерах. Но большинство обладает способностью использовать видимый свет для ориентации в пространстве. Органы зрения животных воспринимают рассеянные, отраженные от предметов лучи, несущие им информацию о внешнем мире. Наиболее совершенные органы зрения (позвоночных, насекомых, головоногих моллюсков) позволяют воспринимать форму и размер предметов, оценивать расстояние.

Восприятие цвета у животных различно. Пчелы, например, не распознают красный свет, но могут видеть ультрафиолетовый, не ощущаемый нами. Змеи как цвет воспринимают инфракрасные лучи, которые мы ощущаем, как тепловые. Многие млекопитающие (например, собачьи), ведущие свое начало от предков с сумеречным образом жизни, обладают только черно-белым видением.

Температура – также один из важнейших факторов окружающей среды. От нее в первую очередь зависит скорость химических реакций в клетках и интенсивность обмена веществ. Нижние критические температуры жизнедеятельности связаны с замерзанием воды в клетках, а верхние – с тепловой денатурацией белков. Для большинства организмов это диапазон от 0 до 50 °С. Однако, существует ряд видов, способных за счет биохимических адаптаций преодолевать эти пороги.

Криофилы – виды с лабильными белками, способны поддерживать клеточный метаболизм при температурах, близких к нулю. Жизнь несовместима с образованием кристаллического льда в клетках, т.к. при этом разрушаются тонкие внутриклеточные структуры. Однако, у криофилов существуют механизмы, понижающие точку замерзания внутриклеточной жидкости. Криофилами являются многие обитатели холодных мест на Земле – глубин океана, тундр, высокогорий, полярных пустынь. Например, ряд антарктических рыб живет и размножается при постоянной температуре тела –1,86 °С – такой же, как в окружающей соленой воде под кромкой льда.

Термофилы, наоборот, активны лишь при высоких температурах, обычно более +50 °С. К ним относятся, например, бактерии горячих источников, плесневые грибы в разогревающихся стогах сена и др. Белки термофилов имеют очень прочную вторичную и третичную структуры, и для их активации требуется много тепловой энергии.

У большинства организмов температура тела изменяется в зависимости от температуры внешней среды. Их называют пойкилотермными («пойкилос» – переменный). Обмен веществ пойкилотермных видов может сильно замедляться или ускоряться, что влияет на прохождение жизненного цикла. Общую сумму эффективных температур, необходимую для прохождения всей генетической программы или ее отдельных этапов (х), можно рассчитать по формуле:

Х = (Т – С) x t,

где С – температура, при которой начинается нормальный обмен веществ, ее называют температурным порогом развития, или биологическим нулем;
Т – температура окружающей среды;
положительная разница между С и Т – эффективная температура; чем она больше, тем интенсивнее идет развитие;
t – время или число дней с температурой, превышающей порог развития.

Пойкилотермные виды сильно различаются по этим показателям. Например, порог развития у семян клевера – около +1 °С, а у финиковой пальмы – около +30 °С. В тундрах и высокогорьях деревья не растут в первую очередь потому, что там не хватает тепла и они не могут набрать необходимую сумму эффективных температур.

Только две группы высших животных – птицы и млекопитающие – приобрели способность поддерживать постоянную температуру тела вне зависимости от колебаний температуры окружающей среды. На это они тратят много энергии. Такие животные называются гомойотермными («гомойос» – постоянный). У них, прежде всего, высок уровень окислительных процессов в организме вследствие совершенства кровеносной системы, и следовательно, вырабатывается много собственного внутреннего тепла. Кроме того, птицы и млекопитающие обладают целым комплексом разнообразных адаптаций, позволяющих эффективно удерживать это тепло в теле или, наоборот, отводить избыток, и в результате обмен веществ у них постоянно идет при оптимальном температурном режиме. Например, у многих видов при действии холода рефлекторно повышается интенсивность окисления резервных веществ в клетках (химическая терморегуляция) или в жару увеличивается потоотделение, что связано с потерей излишков тепла. На регуляцию теплового баланса у животных может уходить до 70–80% энергии, содержащейся в пище. В поддержании постоянной температуры тела большую роль играют также морфологические и поведенческие особенности. Некоторые млекопитающие способны к длительной спячке в неблагоприятное время года. В активном состоянии они поддерживают температуру тела на высоком уровне (36–38 °С), а в спячке – тоже на постоянном, но гораздо более низком (4–6 °С), что позволяет им экономить много энергии. Такие животные называются гетеротермными.

Влажность среды – также один из ведущих экологических факторов. От нее зависит поддержание водного баланса организмов. Как известно, клетки могут быть активными только при определенном содержании воды.

По способности удерживать воду различают пойкилогидрические и гомойогидрические виды. Пойкилогидрические организмы (некоторые мхи, например сфагнум, лишайники, цианобактерии, немногие членистоногие животные, единичные виды цветковых растений в пустынях) легко и быстро теряют и поглощают воду, способны к практически полному высыханию, а затем к возвращению в активное состояние. Эта адаптация к жизни в переменных условиях влажности связана с особым строением клеток. Вода в них содержится в очень мелких вакуолях, и ее потери не ведут к нарушению внутриклеточных структур.

Подавляющее большинство высших растений и животных характеризуются гомойогидричностью, они содержат в клетках значительное количество воды и не переносят больших ее потерь. Одни из них могут жить только в условиях достаточного увлажнения, другие приобрели механизмы удержания влаги в теле при недостатке ее во внешней среде.

Среди растений по отношению к влажности различают три основные экологические группы: 1) гидрофиты – растения водной или околоводной среды; 2) мезофиты – обитатели мест с переменной влажностью (луга, леса, луговые степи); 3) ксерофиты – приспособленные к жизни в сухих условиях (пустыни, сухие степи, скалы и т.п.). Одни из ксерофитов запасают влагу в сочных стеблях или листьях (кактусы, алоэ) и защищают ее от испарения непроницаемыми покровами, другие могут резко снижать транспирацию в сухое время и выдерживают значительные потери влаги (ковыли, типчаки и др.). Среди животных также есть влаголюбивые виды и виды, адаптированные к обитанию в безводных районах. Некоторые из них не нуждаются даже в питье, обходятся сухой пищей и довольствуются водой, которая образуется в клетках в ходе процессов окисления жиров, белков и углеводов (так называемая метаболическая влага). Таковы многие мелкие грызуны пустынь, платяная и вощинная моли, ряд вредителей зерновых запасов и др.

Таким образом, связи организмов со средой в природе и их адаптации чрезвычайно разнообразны, зависят от эволюционного уровня развития групп, условий существования и образа жизни видов. Пути адаптации живых существ к обитанию во внешней среде во многом определяются физико-химическими законами природы.

Вопросы и задания для самостоятельной работы

1. По каким показателям можно оценить скорость обмена веществ в организме?

2. Что такое биотический потенциал вида? От чего зависит его реализация в природе?

3. Что называют адаптациями?

4. Что такое «сумма эффективных температур»? Как она рассчитывается?

5. В чем выгоды и недостатки переменной и постоянной температуры тела?

Литература

1. Чернова Н.М., Былова А.М. Общая экология. Учебник для студентов педагогических вузов. – М.: Дрофа, 2004.

2. Шилов И.А. Экология. Учебник для биол. и мед. вузов. – М.: Высшая школа, 1997–2003 гг.

3. Одум Ю. Экология. Т.1. – М.: Мир, 1986.

4. Бигон М., Харпер Дж., Таунсенд К. Экология. Особи, популяции и сообщества. – М.: Мир, 1989.