Среды жизни

Размещено на http://www.allbest.ru/

СРЕДЫ ЖИЗНИ

Среда обитания

Часть природы, окружающая организмы и оказывающая на них прямое или косвенное воздействие, часто обозначают как «среда». Из среды особи получают все необходимое для жизни и в нее же выделяют продукты своего метаболизма. По определению Н. П. Наумова (1963), средой называют «все, что окружает организмы, прямо и косвенно влияет на их состояние, развитие, выживание и размножение». В литературе наряду с термином «среда» часто используются его синонимы: «среда обитания», «жизненная среда», «внешняя среда». В последнее время большое распространение получил термин «окружающая среда».

Среда, обеспечивающая возможность жизни организмов на Земле, разнообразна. По качественно отличным комплексам условий, обеспечивающим возможность для жизни, различают «среды жизни». На нашей планете имеется четыре качественно отличные среды жизни. Ими являются: вода как среда жизни, суша (т. е. наземно-воздушная среда жизни), почва и организм (для паразитов и симбионтов).

Организмы существуют в одной или нескольких средах жизни. Например, человек, большинство видов птиц, млекопитающих, голосеменных и покрытосеменных растений и т. д. являются обитателями только наземно-воздушной среды жизни. Тогда как ряд насекомых (комары, стрекозы, поденки), земноводные и т. д. проходят одну фазу своего развития в водной, другую - в наземно-воздушной среде, такие представители насекомых, как майский жук, бронзовка, щелкун и др., нуждаются для своей жизни в наземно-воздушной и почвенной средах.

Все среды жизни очень разнообразны. Например, вода как среда жизни может характеризоваться морской или речной, текучей или стоячей водой. В зависимости от климатических зон различают разные наземно-воздушные среды обитания. Среды жизни обычно подразделяются на конкретные среды обитания. Например: озеро (или река) - это среда обитания в водной среде жизни. В свою очередь, в «средах обитания» различают «местообитания». Это более «узкие» комплексы условий, качественно различающиеся между собой в среде обитания. Так, в водной среде имеются местообитания: в толще воды, на дне, у поверхностной пленки, среди водорослей и трав и пр.

Первой средой жизни на Земле стала вода. Здесь впервые возникла жизнь. Постепенно в процессе исторического развития многие организмы начали заселять наземно-воздушную среду. Появившиеся наземные организмы (растения, животные, грибы и др.) в процессе своей жизнедеятельности создавали почву. Ее, так же как и наземно-воздушную среду жизни, активно заселяли живые организмы. Параллельно с формированием разнообразия организмов в водной, наземно-воздушной и почвенной средах формировались паразиты, средой жизни которым служили другие организмы -- «хозяева».

Своеобразие условий каждой среды жизни обусловило своеобразие живых организмов, свойственное средам. У всех организмов в процессе эволюции выработались специфические поведенческие и другие приспособления к обитанию в своей среде жизни и к разнообразным их частным условиям.

Вода как среда обитания

вода наземный воздушный обитание

Вода в природе существует в трех состояниях: твердом (лед, снег), жидком и газообразном (пар). Водные ресурсы отличаются большим разнообразием. Вода и воздух действуют физически и химически на земную кору, чем обусловлены важнейшие геологические процессы на ее поверхности. Вода содержится в почве и входит в состав всех живых организмов. Около двух третей общей массы нашего тела приходится на воду. Во многих овощах и фруктах вода составляет 90 - 95% массы. При отсутствии воды жизнь прекращается, при ее недостатке снижаются урожай растений и полезная продуктивность животных. Отсюда стремление человека охранять водные ресурсы, обеспечить себя достаточным количеством чистой пресной воды.

Большая часть поверхности Земли (около 366 из 510 млн км2, или 72%) покрыто водой.

По мнению большинства авторов, изучающих возникновение жизни на Земле, эволюционно первичной средой жизни была именно водная среда. Этому положению мы находим не мало косвенных подтверждений. Прежде всего, большинство организмов не способны к активной жизнедеятельности без поступления воды в организм или, по крайней мере, без сохранения определенного содержания жидкости внутри организма. Внутренняя среда организма, в которой происходят основные физиологические процессы, очевидно, по-прежнему сохраняет черты той среды, в которой происходила эволюция первых организмов. Так, содержание солей в крови человека (поддерживаемое на относительно постоянном уровне) близко к таковому в океанической воде. Свойства водной океанической среды во многом определили химико-физическую эволюцию всех форм жизни.

Пожалуй, главной отличительной особенностью водной среды является ее относительная консервативность. Скажем, амплитуда сезонных или суточных колебаний температуры в водной среде намного меньше, чем в наземно-воздушной. Рельеф дна, различие условий на различных глубинах, наличие коралловых рифов и проч. создают разнообразие условий в водной среде.

Особенности водной среды проистекают из физико-химических свойств воды. Так, большое экологическое значение имеют высокая плотность и вязкость воды. Удельная масса воды соизмерима с таковой тела живых организмов. Плотность воды примерно в 1000 раз выше плотности воздуха. Поэтому водные организмы (особенно, активно движущиеся) сталкиваются с большой силой гидродинамического сопротивления. Эволюция многих групп водных животных по этой причине шла в направлении формирования формы тела и типов движения, снижающих лобовое сопротивления, что приводит к снижению энергозатрат на плавание. Так, обтекаемая форма тела встречается у представителей различных групп организмов, обитающих в воде, - дельфинов (млекопитающих), костистых и хрящевых рыб.

Высокая плотность воды является также причиной того, что механические колебания (вибрации) хорошо распространяются в водной среде. Это имело важное значение в эволюции органов чувств, ориентации в пространстве и коммуникации между водными обитателями. Вчетверо большая, чем в воздухе, скорость звука в водной среде определяет более высокую частоту эхолокационных сигналов.

В связи с высокой плотностью водной среды ее обитатели лишены обязательной связи с субстратом, которая характерна для наземных форм и связана с силами гравитации. Поэтому есть целая группа водных организмов (как растений, так и животных), существующих без обязательной связи с дном или другим субстратом, "парящих" в водной толще.

Электропроводность открыла возможность эволюционного формирования электрических органов чувств, обороны и нападения.

Состав водной среды. Распространение и жизнедеятельность организмов в водной среде в значительной степени зависят от ее химического состава. Недостатка в воде как в химическом веществе в водных средах нет, за исключением случаев пересыхания водоемов. Тем не менее проблемы, связанные с водой, возникают даже у водных организмов.

Прежде всего 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%, 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.

Соли и другие растворенные в воде вещества находятся преимущественно в виде ионов. Состав солей разнообразен, в океанической воде встречаются практически все химические элементы и их изотопы, но основную массу составляют девять основных ионов, соотношение между которыми постоянно и не зависит от уровня солености, места и глубины, поэтому ее можно определить по одному главному иону. Это соотношение существует давно, не менее 1 млрд лет, и акад. В. И. Вернадский предложил принять его в качестве константы для нашей планеты. Главный компонент солей морской воды -- хлорид натрия, в пресных водах преобладают карбонаты.

Повышение солености воды в среде обитания ведет к потере воды организмом (путем осмоса).

Редкие организмы допускают большие колебания солености. Обычно они обитают в эстуариях (место впадения пресноводной реки в соленое море или длинный и узкий залив океана) или в маршах (низменная лугово-болотная полоса вдоль морского побережья и у устья рек, заливаемая морской водой лишь при очень высоких приливах).

По составу растворенных минеральных веществ даже пресные воды могут существенно отличаться в различных природных водоемах и прежде всего в подземных и поверхностных водах. Соленость воды влияет и на наземные растения. При чрезмерно интенсивном испарении воды либо ограниченности осадков почва может засоляться. Такая проблема существует при искусственном орошении.

Любые воды в природных водоемах, помимо растворенных веществ, содержат некоторое количество взвешенных частиц, наличие которых характеризует мутность воды, ее обратную характеристику -- прозрачность, а также световой режим в глубине водоема.

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 (табл. 3.2). В целом масса растворенных газов почти в 30 раз меньше массы газов в атмосфере.

Колебание содержания СО2 в водах Мирового океана в предшествующие эпохи в сравнении с колебаниями концентрации углекислого газа в атмосфере.

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 150-200 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.

Экологическая зональность океана

Пелагиаль - толща воды;

Бенталь - дно (ложе океана);

Сублиторальная зона - область плавного понижения суши до глубины 200 м;

Батиальная зона - область крутого склона;

Абиссальная зона - океаническое ложе глубина 3 - 6 км.

Экологические группы гидробионтов

Нектон - в большей степени крупные животные (рыбы, кальмары, киты, ластоногие). В пресных водоемах земноводные, активно перемещающиеся насекомые. Некоторые морские рыбы могут передвигаться со скоростью 130 км/час - меч-рыба.

Планктон (зоо- и фито-) располагаются на поверхности (нейстон - водомерки, водные клопы, жуки ветрячки), в толще, придонном слое.

Бентос - кишечнополостные, черви, моллюски, губки, асцидии, рыбы.

Адаптации организмов

У растений - гетерофилия (разнолистность) водный лютик.

Слабое развитие проводящих тканей, корневой системы, которя служи для прикрепления.

В листьях, стеблях, корнях располагаются воздухоносные межклеточные полости, увеличивающие плавучесть. Листья погруженные в воду тонкие. Выделение специальной клеточной слизи, образующей защитную пленку, предохраняющую от вымывания мин. веществ, выщелачивания.

Плоды распространяются течением (гидрохория).

Животные. Форма тела, покровы, слизисты образования, планктон - отсутсвие скелета, наличие возд. И жировых пузырьков ракообразные, у сифонофоров развитие воздушных полостей,.

Наземно-воздушная среда обитания

Наземно-воздушная среда характеризуется огромным разнообразием условий существования, экологических ниш и заселяющих их организмов. Надо отметить, что организмы играют первостепенную роль в формировании условий наземно-воздушной среды жизни, и прежде всего - газового состава атмосферы. Практически весь кислород земной атмосферы имеет биогенное происхожение.

Основными особенностями наземно-воздушной среды является большая амплитуда изменения экологических факторов, неоднородность среды, действие сил земного тяготения, низкая плотность воздуха. Комплекс физико-географических и климатических факторов, свойственных определенной природной зоне, приводит к эволюционному становлению морфофизиологических адаптаций организмов к жизни в этих условиях, многообразию форм жизни.

Высокое содержание кислорода в атмосфере (около 21%) определяет возможность формирования высокого (энергетического) уровня обмена веществ.

Атмосферный воздух воздух отличается низкой и изменчивой влажностью. Это обстоятельство во многом лимитировало (ограничивало) возможности освоения наземно-воздушной среды, а также направляло эволюцию водно-солевого обмена и структуры органов дыхания.

Состав воздуха. Один из главных абиотических факторов наземной (воздушной) среды обитания -- состав воздуха, естественной смеси газов, сложившейся в ходе эволюции Земли. Состав воздуха в современной атмосфере находится в состоянии динамического равновесия, зависящего 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 протяжении суток и в разные периоды года. Однако в различные эпохи существования планеты состав воздуха был различен. Считается, что наиболее сильно изменялось содержание диоксида углерода и кислорода (рис. 3.7). Роль кислорода и диоксида углерода подробно показана в разд. 2.2.

Азот, присутствующий в атмосферном воздухе в наибольшем количестве, в газообразном состоянии для абсолютного большинства организмов, особенно для животных, является нейтральным. Только для ряда микроорганизмов (клубеньковых бактерий, азотобактеров, синезеленых водорослей и др.) азот воздуха служит фактором жизнедеятельности. Эти микроорганизмы усваивают молекулярный азот, а после отмирания и минерализации снабжают высшие растения доступными формами этого химического элемента.

Присутствие в воздухе иных газообразных веществ или аэрозолей (твердых или жидких частиц, находящихся в воздухе во взвешенном состоянии) в каких-либо заметных количествах изменяет привычные условия среды обитания, влияет на живые организмы.

Адаптации наземных организмов к среде

Аэропланктон (анемохория).

Растений: ветроопыление, строение стебля, формы листовых пластин, виды соцветий, окраска, размеры.

Образование флаговых форм деревьев. Корневая система.

Животных: дыхание, форма тела, покровы, поведенческие реакции.

Почва как среда

Почва является результатом деятельности живых организмов. Заселявшие наземно-воздушную среду организмы приводили к возникнвению почвы как уникальной среды обитания. Почва представляет собой сложную систему, включающую твердую фазу (минеральные частицы), жидкую фазу (почвенная влага) и газообразную фазу. Соотношение этих трех фаз и определяет особенности почвы как среды жизни.

Важной особенностью почвы является также наличие определенного количества органического вещества. Оно образуется в результате отмирания организмов и входит в состав их экскретов (выделений).

Условия почвенной среды обитания определяют такие свойства почвы как ее аэрация (то есть насыщенность воздухом), влажность (присутствие влаги), теплоемкость и термический режим (суточный, сезонный, разногодичный ход температур). Термический режим, по сравнению с наземно-воздушной средой, более консервативный, особенно на большой глубине. В целом, почва отличается довольно устойчивыми условиями жизни.

Вертикальные различия характерны и для других свойств почвы, например, проникновение света, естественно, зависит от глубины.

Многие авторы отмечают промежуточность положения почвенной среды жизни между водной и наземно-воздушной средами. В почве возможно обитание организмов, обладающих как водным, так и воздушным типом дыхания. Вертикальный градиент проникновения света в почве еще более выражен, чем в воде. Микроорганизмы встречаются по всей толще почвы, а растения (в первую очередь, корневые системы) связаны с наружными горизонтами.

Для почвенных организмов характерны специфические органы и типы движения (роющие конечности у млекопитающих; способность к изменению толщины тела; наличие специализированных головных капсул у некоторых видов); формы тела (округлая, вольковатая, червеобразная); прочные и гибкие покровы; редукция глаз и исчезновение пигментов. Среди почвенных обитателей широко развита сапрофагия - поедание трупов других животных, гниющих остатков и т.д.

Состав почв. Почва -- слой веществ, лежащих на поверхности земной коры. Она представляет собой продукт физического, химического и биологического преобразования горных пород (рис. 3.8) и является трехфазной средой, включающей твердые, жидкие и газообразные компоненты, находящиеся в следующих соотношениях (в %):

минеральная основа обычно 50--60% от общего состава

органическое вещество до 10

вода 25--35

воздух 15--25

В данном случае почва рассматривается среди прочих абиотических факторов, хотя на самом деле она является важнейигам звеном, связывающим абиотические и биотические факторы среды обитания.

Минеральный неорганический состав п о ч-в ы. 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 8 (в мкм) на следующие системы:

песок 5 = 60--2000

алеврит (иногда называемый «пылью») 5 = 2--60

глину '. 8 менее 2

Структура почвы определяется относительным содержанием в ней песка, алеврита, глины и обычно иллюстрируется диаграммой -- «треугольником почвенной структуры» (рис. 3.9).

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. В таком случае образуется пористая, крупчатая структура. Соответствующие почвы называют суглинками. Они имеют достоинства двух крайних типов почв без их недостатков. Большая часть минеральных компонентов представлена в почве кристаллическими структурами. Песок и алеврит состоят в основном из инертного минерала -- кварца (SiO2), называемого кремнеземом.

Глинистые минералы в большинстве встречаются в виде мельчайших плоских кристаллов, часто шестигранной формы, состоящих из слоев гидроокиси алюминия или глинозема (А12О3) и слоев силикатов (соединений силикат-ионов SiO^" с катионами, например, алюминия А13+ или железа Fe3+, Fe2+). Удельная поверхность кристаллов очень велика и составляет 5--800 м2 на 1 г глины, что способствует удержанию воды и питательных веществ в почве.

В целом считается, что свыше 50% минерального состава почвы составляет кремнезем (SiO2), 1--25% -- глинозем (А12О3), 1--10% -- оксиды железа (Fe3O4), 0,1--5% -- оксиды магния, калия, фосфора, кальция (MgO, K2O, Р2О3, СаО). В сельском хозяйстве почвы делят на тяжелые (глины) и легкие (пески), чем отражают величину усилий, необходимых для обработки почвы сельскохозяйственными орудиями. Ряд дополнительных характеристик минерального состава почвы будет изложен в разд. 7.2.4.

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. Более правильно жидкую часть почвы рассматривать как почвенный раствор.

Общее количество воды, которое может быть удержано почвой, складывается из гравитационной, физически связанной, капиллярной, химически связанной и парообразной воды (рис. 3.10).

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

Физически связанная (гигроскопическая) вода адсорбируется на частицах почвы в виде тонкой прочно связанной пленки. Ее количество зависит от содержания твердых частиц. В глинистых почвах такой воды значительно больше (около 15% веса почвы), чем в песчаных (около 0,5%). Гигроскопическая вода наименее доступна растениям. Капиллярная вода 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.

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. С увеличением размера частиц грунта объем пор возрастает.

По сравнению с составом атмосферного воздуха из-за дыхания организмов с глубиной уменьшается содержание кислорода (до 10%) и увеличивается концентрация диоксида углерода (достигая 19%). В течение года и суток состав почвенного воздуха сильно меняется. Тем не менее почвенный воздух постоянно обновляется и пополняется за счет атмосферного.

Заболачивание почвы обусловливает вытеснение воздуха водой, и условия становятся анаэробными. Так как микроорганизмы и корни растений продолжают выделять СО2, образующий с водой Н2СО3, то замедляется обновление гумуса и накапливаются гуминовые кислоты. Все это повышает кислотность почвы, которая, наряду с истощением запасов кислорода, неблагоприятно отражается на почвенных микроорганизмах. Длительные анаэробные условия ведут к отмиранию растений.

Характерный для заболоченных почв серый оттенок придает восстановленная форма железа (Fe2+), окисленная форма (Fe3+) окрашивает почву в желтый, красный и коричневый цвета.

Биота почв

По степни связи с почвой как средой обитания животных объединяют в экологические группы:

Геобионты - обитатели почвы, которые подразделяются на:

ризобионты - животные, связанные с корнями;

сапробионты - обитатели разлагающихся органических веществ;

копробионты - беспозвоночные - обитатели навоза;

ботробионты - обитатели нор;

планофилы - животные, которым свойственно частое перемещение.

Геофилы - животные, часть цикла развития обязательно проходит в почве. (саранчовые,комары-долгунцы, ряд жуков, перепончетокрылых)

Геоксены - Животные посещающие почву для временного укрытия, убежища.

Животные, обитающие в почве, по-разному используют ее. Мелкие - простейшие, коловратки, брюхоресничные - обитают в пленке воды, обволакивающей почвенные частицы. Это геогидробионты. Они мелки, уплощенной или удлиненной формы. Дышат кислородом, растворенным в воде, при недостатке влаги им характерно оцепенение, инцистирование, образование коконов. Остальные обитатели дышат кислородом воздуха - это геоатмобионты.

Почвенных животных подразделяют по размерам на группы:

наннофауна - животные размером до 0,2 мм; микрофауна - животные размером 0,1-1,0 мм почвенные микроорганизм, бактерии, грибы, простейшие (микроводоемы)

мезофауна - размером более 1,0 мм; ; нематоды,мелкие личинки насекомых, клещи, ногохвостки.

Макрофауна - от 2 до 20 мм личинки насекомых, многоножки, энхитреиды, дождевые черви.

мегафауна - позвоночные животные: землерои.

Животные нор.

По характеру питания почвенные животные подразделяются на следующие группы: хищники, паразиты, некрофаги, сапрофаги, фитофаги.

Наиболее типичными обитателями почвы являются: простейшие, нематоды, дождевые черви, энхитреиды, голые слизни и другие брюхоногие моллюски, клещи и пауки, многоножки (двупарноногие и губоногие), насекомые - взрослые и их личинки (отряды коллемболы, двухвостки, щетинохвостки, двукрылые, жесткокрылые, перепончатокрылые и др.). Педобионты выработали разнообразные приспособления к обитанию в почве как во внешнем строении, так и во внутреннем.

Передвижение. Геогидробионты имеют те же приспособления для передвижения, что и водные обитатели. Геоатмобионты передвигаются по естественным скважинам, и сами прокладывают ходы. Движение мелких животных в скважинах не отличается от движения по поверхности субстрата. Недостатком образа жизни скважников является их высокая чувствительность к высыханию субстрата, зависимость от физических свойств почвы. В плотных и каменистых почвах их численность невелика. Подобный способ передвижения характерен для мелких членистоногих. Ходы прокладываются животными либо путем раздвигания почвенных частиц (червями, личинками двукрылых) либо путем измельчения почвы (характерно для личинок многих видов насекомых). Животные второй группы часто имеют приспособления для отгребания почвы.

Морфофизиологическими приспособлениями к обитанию в почве являются: потеря пигмента и зрения у глубокопочвенных обитателей; отсутствие эпикутикулы либо присутствие ее на отдельных участках тела; для многих (дождевые черви, энхитреиды) неэкономная система выведения продуктов обмена из организма; разнообразные варианты наружно-внутреннего оплодотворения у ряда обитателей; для червей - дыхание всей поверхностью тела.

Экологические приспособления проявляются в выборе наиболее подходящих условий для обитания. Выбор мест обитания осуществляется посредством вертикальных миграций по почвенному профилю, смены стаций обитания.

Размещено на Allbest.ru