Биотические факторы среды
Биотические факторы (факторы живой природы - межвидовые и внутривидовые взаимоотношения). представлены сообществами растительных и животных организмов. Между ними исторически сложились многообразные формы влияний я связей: соревнуясь за вещества, энергию и пространство, они удерживают друг друга в определенных природных ареалах (на суше или в гидросфере). Для поддержания жизни организма необходима пища: автотрофы нуждаются в неорганических веществах, световой энергии, воде, гетеротрофы - в органических соединениях. Травоядные животные поедают растения, а выделениями животных и их трупами питаются различные навозные и трупоядные насекомые, черви, а также гнилостные микроорганизмы. Многие животные поселяются на растениях, питаются ими, спасаются на них от врагов (тля, майские жуки, белки). В эту цепочку взаимосвязей включаются еще хищники и паразиты, Хищничество - форма биотических связей, при которых один организм убивает другого и съедает его. Взаимоотношения "хищник - жертва" часто встречаются в природе. Хищники зависят от травоядных и плотоядных животных, которыми они питаются, а также от растений, под пологом которых они укрываются. Таким образом, жизнь каждого вида или популяции находится под контролем комплекса биотических факторов, которые имеют не менее важное значение, чем абиотические. Самые тесные и жизненно важные взаимоотношения складываются в цепях питания.
Автотрофные организмы (фототрофы и хемотрофы) - единственные созидатели первичных органических веществ и главные накопители энергии. Созданные ими вещества служат основой для большинства химических превращений, источником всей жизни на Земле.
Фотосинтетическая активность автотрофов зависит от различий в климате, почве, от видового состава и особенностей самих автотрофов. Продукция органического вещества лимитируется, условиями, необходимыми для фотосинтеза и корневого питания: наивысшей продуктивности она достигает во влажном тропическом поясе, минимальной - в условиях короткой вегетации и низкой температуры (тундра), а также в пустынях и при избыточном увлажнении (болота). Мертвые растительные (и животные) остатки при участии животных, микроорганизмов и грибов и при воздействии физических и химических агентов разлагаются и пополняют запасы минерального питания растений, участвуют в накоплении почвенного гумуса, обогащают почву и приземные слои атмосферы диоксидом углерода. Отмершие части растений образуют подстилку в лесах или войлок в лугах и степях, которые существенно влияют на газообмен почвы, проницаемость осадков и их испарение, на тепловой режим поверхностного слоя почвы, прорастание семян, деятельность почвенных животных и микроорганизмов. Растения не только производят пищу, но и предоставляют убежища другим организмам, играют важную роль в укреплении и преобразовании почвы.
Гетеротрофные организмы используют уже готовые органические вещества, созданные автотрофами, либо питаются разлагающимися остатками (грибы-сапрофиты, грибы-паразиты, грибы-симбионты и большинство бактерий, паразитические растения), а также все животные во всем многообразии видового состава. Потребляя готовые органические вещества, организмы данной группы расходуют их на построение своего тела. Точно так же как - автотрофы, в процессе дыхания гетеротрофы потребляют кислород и выделяют диоксид углерода.
Гетеротрофы подразделяют на подгруппы фитофагов, зоофагов (включая паразитов), которые питаются живыми организмами или их тканями, и сапрофитов, потребляющих в пищу мертвые органические вещества. Растительноядные беспозвоночные - фитофаги - поедают до 40% органического вещества, создаваемого зелеными растениями. Среди них выделяют листоедов, цветоедов, семяплодоедов, короедов, древесиноедов, корнеедов.
Почвенные сапрофаги - наиболее активная живая система, участвующая в превращении веществ и энергии. Численность их огромна: в почвах Европы на 1 м2 встречается до 1,5 биллионов простейших, до 20 млн. нематод, сотнями тысяч исчисляются коловратки, мелкие земляные черви, клещи, тысячами - разнообразные насекомые, многоножки, сотнями - дождевые черви и моллюски. Они прожорливы, быстро размножаются, поедают мертвые растительные остатки и экскременты фитофагов (беспозвоночных и позвоночных), пропуская их через пищеварительный тракт и выбрасывая в почву огромную массу экскрементов, смешанных с землей. Почвенные сапрофаги, особенно дождевые и круглые черви, пауки, многоножки, личинки насекомых, клещи, а также роющие грызуны, улучшают структуру почвы, ее аэрацию, углубляют гумусовый горизонт, повышают плодородие почвы.
Позвоночных животных, обитающих в почве, сравнительно мало (крот, полевки, суслики). Они питаются либо только растительной, либо смешанной пищей. Зоофаги включают разнообразную группу хищников (клещи, насекомые, позвоночные).
В преобразовании органических остатков и в вовлечении в биологический круговорот неорганических элементов исключительно велика роль почвенных микроорганизмов (минерализация органических соединений, разрушение и синтез минералов, фиксация азота атмосферы). На 1 га почвы по массе приходится от 300 до 3000 кг микроорганизмов. Процессы разложения и переработки органического вещества в почве при участии микроорганизмов осуществляются путем последовательных реакций: вначале расщепляются углеводы неспорообразующими микроорганизмами, затем вступают в работу спороносные формы, которые частично перерабатывают грубые углеводы; расщепление целлюлозы и лигнина идет при участии плесневых грибов, жиры разлагают неспорообразующйе бактерии и грибы (пеницилл, аспергилл), азотистые вещества - гнилостные формы микроорганизмов от аммонифицирующих до денитрифицирующих. При участии серобактерий и грибов расщепляются также фосфор- и серосодержащие вещества. Фиксацию атмосферного азота осуществляют клубеньковые бактерии, а также свободноживущие в почве азотобактер, клостридий и несколько видов синезеленых (за один сезон только клубеньковые бактерии накапливают до 200-300 кг/га азота). Синтезированные ими в почве нитраты используются высшими растениями для образования белка и других соединений.
Живые сообщества, помимо суши, населяют также гидросферу: реки, озера, моря и океаны, где кроме морской растительности обитают рыбы, многообразные бес позвоночные животные, водные птицы, пресмыкающиеся, млекопитающие. Биологические объекты гидросферы поставляют человеку продукты питания, жемчуг, перламутр, кораллы. В Мировом океане обитает более 150 тыс. видов гидробионтов, общая масса живого населения морей и океанов составляет примерно 20-30 млрд. т. Годовая продукция гидробионтов исчисляется цифрой 606,4 млрд. т, но из этого количества высокопитательной пищи человек использует не более 35 млн. т, (у наземной растительности, включая возделываемые сорта, годовая продукция составляет всего лишь 60 млрд. т).
Растительность Мирового океана представлена водорослями. Одни из них крупные, ведут прикрепленный, донный образ жизни и называются бентосными (придонными), другие - микроскопические, парящие водоросли, распространенные в толще и на поверхности воды - фитопланктон, в основном представленный диатомовыми водорослями. Водоросли исключительно быстро накапливают биомассу, что позволяет разводить их искусственно и получать хорошие урожаи высокопитательной растительной массы.
Животный мир океанов представлен пелагическими формами, обитающими в верхних слоях воды, а также бентосными - представителями классов кишечнополостных, червей, членистоногих, в том числе ракообразных, а также моллюсков, иглокожих, костистых рыб. Пелагические виды либо активно плавают, либо взвешены в воде и парят в ней. Самыми крупными морскими животными являются киты, акулы, кальмары, дельфины; все активно передвигающиеся формы составляют нектон ("нектос" - плавающий).
Природные группировки организмов на суше и в гидросфере образуют биоценозы - исторически сложившиеся комплексы относительно устойчивых саморегулирующихся сообществ популяций разных видов в определенных условиях среды. Биоценоз объединяет множество видов. В структурном отношении его составляют: 1) фотосинтезирующие растения - продуценты, или накопители органической массы, они начинают круговорот веществ; 2) животные - потребители первого порядка (растительноядные), второго порядка (плотоядные) и потребители третьего порядка (всеядные) - консументы; 3) разрушители мертвого органического вещества - деструкторы - завершают круговорот веществ путем разложения органики до диоксида углерода, воды и минеральных элементов (в основном, это грибы и микроорганизмы, отчасти простейшие и почвенные беспозвоночные); 4) участок неживой природы с запасом минеральных элементов.Все перечисленные компоненты любого биоценоза тесно связаны между собой единством территории, общим потоком энергии (от Солнца к автотрофам и от них - к гетеротрофам), обменом биогенных химических элементов, сезонными колебаниями климатических условий, численностью и взаимной приспособленностью видов всех уровней организации.
Плотность жизни в биоценозах обусловлена географической зональностью: она более насыщена у экватора и изрежена в высоких широтах. Зональность в природе определяется неравномерным распределением солнечной энергии по широте и связанным с ним различием в соотношении тепла и влаги, светового режима, движения атмосферы. Изобилию тепла и влаги - главных факторов жизни - соответствуют изобилие жизни и громадное разнообразие видов растительного и животного мира (тропики и субтропики). Низкая продуктивность растительноети и скудость ее видового состава обусловлены меньшим количеством тепла и влаги (тундра).
Распространение наземных растений определяется главным образом климатом и почвами, а распространение животных зависит от климата и растительности. В дальнейшем сами растения и животные, своим присутствием изменяя среду обитания, в свою очередь влияют на свое распространение. Например, растительный покров воздействует на освещенность, движение воздуха, влажность, температуру своей зоны. На поверхности почвы и в зоне корневой системы накапливаются растительные остатки, разнообразные кислоты, вырабатываемые корневой системой. Все это, вместе взятое, влияет на сток дождевой воды, температуру почвы, образование гумуса и формирование почвы, на ее водный режим, содержание питательных веществ, воздухопроницаемость, кислотно-щелочное равновесие. Возникшие изменения сказываются на обитателях почвы, а они в свою очередь влияют на другие организмы. Взаимосвязанная цепь преобразований может привести к вытеснению одних организмов и замене их другими. Так совершается, например, смена болота лугом: недостаток кислорода, низкие температуры на дне болота подавляют жизнедеятельность микроорганизмов, разлагающих органические вещества до минеральных. Отмершие части растений не перегнивают, накапливаются, исключаются из круговорота веществ. Болото мелеет, уступает
место лугу.
Другим примером смены биоценозов может служить искусственная посадка деревьев на участках степи. Высаженные здесь сеянцы дуба через 20-30 лет поднимаются на высоту 10-15 м, смыкаются кронами и образуют дубовую рощу. Появление леса сопровождается изменением микроклимата, характера почвы и подстилки, усилением микробиологической деятельности и разложением органических веществ почвы и отмерших частей растений; из травяного пок^юва исчезают светолюбивые степные травы и образуемая ими плотная дернина, появляются новые виды птиц, в почве возрастает численность влаголюбивых видов и т. п.
В горах зональность проявляется в вертикальном направлении, что выражается в смене видового состава сообществ в зависимости от высоты над уровнем моря. Таким образом, окружающая организмы среда выступает как целостная система взаимосвязей природных факторов (неорганические и биотические компоненты) и факторов, связанных с вмешательством человека в природные процессы, протекающие в биосфере в целом
Цепи питания, или трофические связи, представляют сооои взаимодействие автотрофных и гетеротрофных организмов, создающих круговорот биогенных химических элементов. Первичными накопителями веществ и энергии являются автотрофы, от них пищевая связь идет к растителъноядным животным, затем - к плотоядным первого или второго порядка, и далее - к всеядным. Многие другие организмы питаются мертвыми органическими остатками (или падалью) и минерализуют эти остатки которые становятся доступными для усвоения растениями. Таким образом, в биогеоценозе все компоненты находятся в строго определенных соотношениях, и этим достигается его динамическое равновесие во времени.
Трофические связи образуют так называемое правило пирамиды чисел. В биоценозах поддерживается сопряженная численность видов и осуществляется естественная" саморегуляция, как выражение разносторонней приспособленности организмов разных видов друг к другу и к абиотическим условиям среды. При этом растения, используя энергию солнца, в процессе фотосинтеза накапливают органические вещества (но улавливают лишь 2-3%) всего потока лучистой энергии), а животное, питающееся растением, превращает в вещество своего тела в среднем 10% потребляемой энергии, заключенной в тканях растения. Остальная часть энергии теряется с выделяемым теплом, уходит в почву или в воду в виде непереваренных остатков. В последующих звеньях пищевых связей потеря энергии и вещества также велика - не менее 90%. Следовательно, продукция растительной массы должна быть в несколько раз больше общей массы травоядных животных. Биомасса последующих звеньев цепи питания тоже прогрессивно уменьшается, образуя подобие пирамиды.
Суммарной деятельностью живых организмов определяется газовый состав атмосферы, концентрация солей в гидросфере, образование почвенного покрова и преобразование литосферы, формирование и отложение торфа, углей, нефти, известняков, железной руды и др.
В природных условиях численность всего "населения" биоценоза регулируется автоматически на основе обратной связи: с уменьшением массы растительности снижается численность травоядных животных, что вызывает сокращение количества хищников, питающихся растительноядными животными и т. п. Возможны и периодические подъемы численности или "волны жизни", например, под влиянием необычных погодных условий, увеличения запасов кормов. По достижении перенаселенности популяций в действие вступают такие регуляторы, как массовая гибель в результате заболеваний у грызунов, возрастание численности хищников, борьба между обитателями соседних муравейников, фаговая инфекция у бактерий. В результате всех этих явлений численность возросших популяций значительно снижается, что приводит к восстановлению равновесия.
С возникновением жизни она сама стала ведущим фактором преобразования видов и дальнейшей эволюции биосферы, повышения ее "организованности", а следовательно, и более эффективного использования жизненных ресурсов. Возрастание уровня "организованности" биосферы отмечено историческими вехами (скачками): преобразованием бескислородной атмосферы в кислородную под влиянием фотосинтеза (ставшее началом развития биосферы), что послужило основой для развития аэробов, возникновением многоклеточности и связанным с ней значительным возрастанием жизненности организмов, появлением позвоночных животных, сменой леса голосеменных растений лесом покрытосеменных в конце мелового периода, что вызвало значительное преобразование животного мира на суше.