Біологія. 9 клас. Шаламов

§ 53. Екологічні фактори

Екологічні фактори відрізняються за походженням

Ви вже знаєте, що будь-який організм в екосистемі перебуває в постійній взаємодії з іншими організмами та довкіллям. Усі властивості довкілля, що впливають на організм, називають екологічними факторами. Розрізняють біотичні, абіотичні й антропічні фактори. Під біотичними факторами розуміють вплив інших живих організмів, під абіотичними — вплив неживої природи. Поняття антропічних (антропогенних) факторів об’єднує в собі будь-які впливи, пов’язані з діяльністю людини.

Прикладами абіотичних факторів є всі чинники неживої природи: кліматичні (температура, вологість, тиск повітря, вітер), хімічні (солоність і кислотність води, хімічний склад ґрунту), фізичні (світло, шум, радіоактивне випромінювання). Біотичні фактори — це всі форми взаємодії з іншими живими організмами (харчові зв’язки, конкуренція, вплив патогенних мікроорганізмів і паразитів). Антропічні (антропогенні) фактори можуть стосуватися як прямого впливу людини (полювання на тварин, вирубування лісу, збирання грибів), так і опосередкованого — через зміну умов довкілля (радіаційне й хімічне забруднення, зміна клімату й місць проживання).

Кожен екологічний фактор має межі інтенсивності, у яких організм може існувати. Верхнє значення інтенсивності, вище за яке життя стає неможливим, має назву максимум фактора, а нижнє, відповідно, — мінімум. Інтервал між максимумом і мінімумом — це діапазон толерантності, чи межі витривалості, виду. Найсприятливіше значення екологічного фактора — це його оптимум, а зона найближчих до нього значень — зона оптимуму (рис. 53.1).

Є різні закономірності дії екологічних факторів

У середині XIX століття німецький учений Юстус фон Лібіх зацікавився факторами, що впливають на ріст рослин. Він виявив, що коли рослинам не вистачало в ґрунті якогось одного елемента, то їхній ріст припинявся, незалежно від наявності чи навіть надлишку інших речовин. Лібіх сформулював цей закон мінімуму так: «Урожай визначається речовиною, що перебуває в мінімумі». Наприклад, брак Нітрогену в ґрунті не можна компенсувати внесенням калійних добрив, а брак Калію — надлишком Фосфору. Якщо рослинам бракує і Калію, і Нітрогену, то лімітувальним буде той елемент, якого бракує більше. Закон Лібіха можна розширити, включивши до нього температуру, світло, хімічний склад повітря, води та ґрунту — тобто будь-які екологічні фактори, що обмежують ріст і розвиток живих організмів. Такі фактори називають лімітувальними.

Закон Лібіха іноді образно представляють у вигляді бочки з дошками різної довжини. Цю модель так і називають — бочка Лібіха (рис. 53.2) Якщо налити в таку бочку води, то рівень останньої визначатиметься лише тією дошкою, яка закінчується нижче за інші. Ця дошка й буде лімітувальним фактором.

Рис. 53.1. Схема впливу різної інтенсивності екологічного фактора на життєдіяльність організму

1. Зона пригнічення. 2. Зона оптимуму.

Рис. 53.2. Бочка Лібіха

Згадаймо, що для кожного екологічного фактора є як мінімум, так і максимум значення інтенсивності, за яких може існувати організм. Через понад півстоліття після відкриття Лібіха, 1913 року, американський еколог Вільям Шелфорд розширив закон мінімуму Лібіха, зазначивши, що лімітувальним може бути також фактор, що перебуває в надлишку (у максимумі). Цю закономірність називають законом толерантності. Надлишок води може так само обмежувати розвиток рослин, як і її брак, а надто висока температура шкідлива для організмів, як і надто низька. На організм одночасно діє багато факторів, але визначальним для його існування буде саме той, що найбільше відхиляється від оптимального значення.

Закони Лібіха та Шелфорда не є непорушними законами природи й у деяких випадках потребують уточнення. Наприклад, вони не враховують взаємодію факторів, тобто тих ситуацій, коли один фактор розширює межі стійкості до іншого: збільшення поливу може підвищити стійкість рослин до високих температур, а брак амінокислоти фенілаланіну в їжі можна компенсувати надлишком амінокислоти тирозину. З другого боку, якщо якогось фактора замало, це може негативно позначитися на життєздатності організму загалом і підвищити чутливість до браку інших факторів. Так, наприклад, голодування знижує імунітет і підвищує сприйнятливість до інфекційних хвороб. Крім того, закони Лібіха та Шелфорда застосовують лише до стабільних систем, що перебувають у стійкому стані: якщо система нестійка та постійно змінюється, то лімітувальними можуть почергово ставати різні фактори.

Поняття «екологічна ніша» та «місцепроживання» відрізняються

Перш ніж перейти до наступного екологічного принципу, потрібно ознайомитися з одним із найважливіших понять екології — поняттям екологічної ніші. Екологічна ніша — це сукупність факторів існування біологічного виду, у межах яких він може перебувати та відтворюватися необмежено довго. Інакше кажучи, екологічна ніша — це умовне місце, яке займає в екосистемі вид, включаючи його положення в трофічних ланцюгах, вимоги до факторів середовища, зв’язки з іншими організмами й інші параметри. Графічно екологічну нішу можна визначити як ділянку багатовимірного графіка, у якому кожна координатна вісь — це інтенсивність екологічного фактора, і на кожній із них відкладено значення, у межах яких можливе існування виду, тобто діапазон толерантності. На рисунку 53.3 зображено двовимірну модель екологічної ніші, що визначається оптимальними значеннями температури й вологості.

Рис. 53.3. Двовимірна модель екологічної ніші

Юстус фон Лібіх

Народився 1803 року в німецькому місті Дармштадт. Освіту здобув у Боннському та Ерлангенському університетах. Працював у Гіссенському та Мюнхенському університетах. Був президентом Баварської академії наук. Лібіх передусім відомий як хімік, який розробив радикальну теорію органічної хімії, досліджував багато органічних і неорганічних речовин, процеси каталізу тощо. Біологи поціновують Лібіха як автора теорії мінерального живлення рослин і творця агробіохімії. Учений створив наукові основи підвищення родючості ґрунтів і розробив перші в історії людства добрива. Помер учений у Мюнхені 1873 року.

Екологічну нішу не треба плутати з місцепроживанням виду. Місцепроживання — це сукупність усіх екологічних факторів, що діють на певній території. За образним висловлюванням одного з фундаторів екології, американського ученого Юджина Одума, місцепроживання — це «прописка» виду, а екологічна ніша — це його «фах». Одне й те саме місцепроживання може слугувати домівкою для багатьох різних видів, але в межах однієї екосистеми одну екологічну нішу може займати лише один вид.

Для прикладу стисло схарактеризуємо екологічну нішу людини. Людина — суходільна істота, поширена в усіх кліматичних зонах і поясах, переважно на висотах від 0 до 3500 метрів над рівнем моря. Вона характеризується низьким ступенем біологічної спеціалізації, всеїдністю та тенденцією до створення й використання у своїх цілях штучних екосистем. Завдяки будівництву ефективних сховищ і застосуванню штучної теплоізоляції (одягу) людина значно розширила межі своєї витривалості. У природі людина практично не має природних ворогів, а сама в більшості трофічних ланцюгів є консументом найвищого порядку. Продовжувати цей опис можна було б і далі, включаючи всі можливі екологічні фактори, що впливають на існування людини.

Принцип конкурентного виключення робить екологічні ніші унікальними

Уявіть собі, що існує якийсь біологічний вид, який перебуває там само, де й людина, харчується тими самими продуктами, що й людина, будує такі самі житла та використовує таке саме знаряддя, що й людина. Як ви гадаєте, чи довго триватиме мирне співіснування цього виду та людини? Найімовірніше, один із них неодмінно буде витіснений іншим у результаті найжорстокішої конкуренції.

Якщо два види співіснують в екосистемі — отже, їхні екологічні ніші чимось відрізняються. Два види не можуть займати ту саму екологічну нішу тривалий час. Це правило було сформульоване радянським ученим Георгієм Гаузе й має назву принцип конкурентного виключення, або принцип Гаузе. Щоб уникнути конкуренції, види зі схожими екологічними нішами часто розподіляють ресурси, наприклад, проявляють активність у різний час доби чи займають різні яруси в лісових екосистемах. Такий розподіл є в різних видів лісових співунів Північної Америки (рис. 53.4).

Рис. 53.4. Різноманіття місцепроживань американських лісових співунів

Хоча їжа й умови існування в різних видів американських лісових співунів дуже подібні, однак вони мешкають і харчуються в різних місцях крон дерев у лісі, аби уникнути конкуренції.

Принцип Гаузе суворо дотримується в більшості екосистем, але й із нього, можливо, є нечисленні винятки. Так званий планктонний парадокс полягає в тому, що планктон складається з організмів багатьох видів із дуже схожою біологією, що співіснують на тій самій території, тобто, можливо, займають одну екологічну нішу. До сьогодні цей феномен до кінця не розгадано: деякі вчені вважають планктонний парадокс винятком із принципа Гаузе, натомість інші переконані, що середовище перебування планктону дуже мінливе й створює умови для почергового домінування різних біологічних видів.

Поміркуймо

Знайдіть одну правильну відповідь

1. До біотичних належить такий екологічний фактор, як

  • А солоність води
  • Б шум від автотраси
  • В сонячне світло
  • Г наявність хижаків в екосистемі
  • Д радіаційне забруднення

2. Ключова відмінність закону толерантності Шелфорда від закону мінімуму Лібіха в тому, що

  • А закон мінімуму Лібіха розширює закон толерантності Шелфорда, включаючи в себе абіотичні фактори
  • Б закон толерантності Шелфорда розширює закон Лібіха, включаючи в себе біотичні фактори
  • В закон Шелфорда розширює закон мінімуму Лібіха, включаючи фактори, що перебувають у максимумі
  • Г закон мінімуму Лібіха, на відміну від закону Шелфорда, поширюється лише на штучні екосистеми
  • Д ці два закони еквівалентні та різняться лише формулюваннями

3. Чи може один вид займати різні екологічні ніші в різних екосистемах?

  • А ні, бо це суперечить принципу конкурентного виключення Гаузе
  • Б ні, бо це суперечить законам Лібіха та Шелфорда
  • В ні, бо місцепроживання унікальне для кожного виду
  • Г ні, бо екологічні фактори в усіх екосистемах однакові
  • Д так, бо екологічні фактори, що діють у різних екосистемах, можуть значно відрізнятися

4. Поняття екологічної ніші та місцепроживання співвідносяться так:

  • А поняття екологічної ніші ширше, у нього входить місцепроживання виду, його трофічні зв’язки, спосіб життя та інші фактори
  • Б поняття місцепроживання ширше, воно включає в себе екологічну нішу виду та низку інших характеристик
  • В поняття місцепроживання застосовується лише до окремих організмів, а поняття екологічної ніші — до біологічних видів
  • Г поняття екологічної ніші стосується лише певної території, а поняття місцепроживання включає в себе територію та екологічні фактори, що діють на цій території
  • Д поняття місцепроживання й екологічної ніші рівнозначні

5. Діапазон між припустимим мінімумом і максимумом екологічного фактора називають

  • А оптимумом фактора
  • Б витривалістю фактора
  • В лімітом фактора
  • Г діапазоном толерантності
  • Д зоною оптимуму

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

6. Наведіть по два приклади біотичних, абіотичних та антропічних факторів середовища, що впливають на картоплю на грядці.

7. Схарактеризуйте екологічну нішу вовка, звертаючи увагу на його місцепроживання, спосіб життя й харчування.

8. Наведіть два приклади дії закону Лібіха.

9. Які обмеження притаманні правилам Лібіха та Шелфорда?

10. І птахи, і кажани здатні до польоту й харчуються комахами, але при цьому можуть співіснувати на одній території, не витісняючи один одного. Чи не суперечить це принципові конкурентного виключення Гаузе?

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

11. Чому один екологічний фактор не може повністю компенсувати відсутність іншого?

12. Чи для всіх екологічних факторів можна побудувати криву із зоною оптимуму? Які фактори можуть діяти інакше?

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

13. Крім екологічних закономірностей, розглянутих у цьому параграфі, є багато інших. Сформулюй та поясни їх.

14. Досліди наукову діяльність одного зі згаданих учених-екологів: Юджина Одума, Георгія Гаузе, Юстуса Лібіха чи Віктора Шелфорда. Завдяки яким дослідженням вони з’ясували запропоновані екологічні закономірності?