План урока:

Классификация сред жизни

Водная среда и адаптации к ней

Наземно-воздушная среда и адаптации к ней

Почвенная среда и адаптации к ней

Организм как среда обитания

Классификация сред жизни

Среда жизни – совокупность всех факторов, действующих на организм. Как самих факторов среды, так и их комбинаций достаточно много. Однако в разных условиях на организм будут оказывать значимое влияние разные факторы. Если в пустыне наличие воды будет ключевым в жизнедеятельности организмов, то в море это уже не так важно. Для организмов, населяющих озеро и лес, освещенность важна, но для обитателей почвы – нет. По наиболее значимым факторам были выделены четыре среды жизни.

Типы сред жизни:

• Водная;
• Наземно-воздушная;
• Почвенная;
• Другой организм как среда обитания.

В процессе развития Земли сначала возникла водная среда. Организмы приспосабливались к ней в течение нескольких сотен тысяч лет. Поверхность суши тогда была небольшой и полностью непригодной для жизни из-за интенсивной радиации и отсутствия почвы. После появления озонового слоя (а возник он в результате накопления в атмосфере кислорода) на сушу вышли бактерии. Под их воздействием на поверхности постепенно сформировалась почва. После этого стал возможен выход организмов на сушу – сначала растений, потом животных.

В то время правильно было бы говорить о наземной среде – воздух еще не был заселен живыми существами. Такая потребность возникла, когда количество организмов на поверхности Земли сильно увеличилось, и стал нужен поиск нового жизненного пространства. Первыми в воздух поднялись насекомые, затем – рептилии.

Почему воздух не выделяют как отдельную среду жизни, хотя ее условия сильно отличаются? Дело в том, что все организмы – обитатели поверхности нуждаются в кислороде (то есть без атмосферы их существование невозможно), а все обитатели воздушной среды используют поверхность суши (хотя бы только для откладывания яиц, как это делает стриж). В качестве исключения можно привести аэробактерии, которые обитают в атмосфере недалеко от озонового слоя. Они образуют особые колонии, для которых не нужна поверхность Земли.

Организм не может существовать без своей среды обитания. Есть такие живые существа, для которых характерна только одна среда жизни. Например, исключительно водными являются кораллы, иглокожие и многие рыбы, исключительно наземными – мокрицы и большинство насекомых. Иногда он может обитать сразу в двух средах жизни, и такие организмы называются амфибийными (лягушки, саламандры). В некоторых ситуациях смена среды жизни происходит на разных стадиях жизненного цикла. Личинка стрекозы живет в воде, взрослое насекомое – в наземно-воздушной среде. Паразит – печеночный сосальщик в процессе жизненного цикла обитает внутри организмов-хозяев, в воде и на поверхности травы (то есть в наземно-воздушной среде). У разных стадий жизненного цикла разные источники питания, значит, еды гарантированно хватит на всех и за нее не возникнет конкуренции.

Среды жизни подразделяются на среды обитания. Так, водная среда делится на пресную, морскую и солоноватоводную (эстуарную). В ней можно выделить также поверхность, дно и толщу воды различной глубины. Водоемы бывают стоячие и текучие. Все это – среды обитания. В свою очередь, они подразделяются на биотопы (места обитания биоценозов) и местообитания (места обитания отдельных видов).

Если сравнить среду жизни с многоквартирным домом, то среда обитания – это этаж, биотоп – квартира, местообитание – комната.

Окружающая среда постоянно воздействует на организм, и он вынужден адаптироваться к ней. Поскольку экологические факторы внутри среды обитания одинаковы, то у организмов разных групп возникают схожие адаптации к одинаковым условиям. Это называется конвергентная эволюция. Так, для полета нужны крылья, и они есть и у насекомых, и у птиц. Для того, чтобы быстро передвигаться в толще воды, нужны плавники и обтекаемая форма тела, - именно поэтому дельфин так похож на рыбу. Совокупность адаптаций к одной и той же среде обитания называется жизненной формой.

Водная среда и адаптации к ней

Вода занимает 71% поверхности Земли, из которых 95% - это воды Мирового океана. Здесь обитают более 150000, или 7% видов животных и 10000, или 8% видов растений. На видовом уровне разнообразие морских экосистем, по сравнению с наземными, невелико, однако здесь представлены практически все типы и отделы.

Особенности условий среды связаны со свойствами воды:

• Большая теплоемкость (способность накапливать большое количество тепла);
• Низкая теплопроводность (способность долгое время сохранять температуру);
• Высокая способность к растворению веществ (отсюда – вода может быть пресной и соленой) и буферность (способность сохранять концентрацию ионов);
• Несжимаемость (не изменяет объем под действием фактора давления);
• Прозрачность (пропускает свет на достаточно большую глубину).

Из этого следует, что водная среда обладает относительным постоянством условий. Организмам не нужно адаптироваться к постоянной смене температуры, а, например, на больших глубинах она постоянна и не зависит от сезона.

В морях важную роль играют течения. За счет них вода из поверхностных слоев опускается в придонные, обогащая их кислородом. Если в какую-то часть океана попадает загрязнитель, то благодаря течениям он не накапливается, а разносится на большое расстояние. Происходит снижение его концентрации, а значит, его вредоносность для окружающей среды уменьшается.

Система жизненных форм для водной среды обитания хорошо проработана. Основными группами являются бентос – организмы, обитающие на дне, нектон – активно перемещающиеся в толще воды, планктон – организмы, живущие в толще воды, неспособные плыть против течения, и нейстон – организмы, живущие на поверхности воды.

Бентосные организмы подразделяются на прикрепленные (кораллы, многие двустворчатые моллюски, усоногие раки, сидячие многощетинковые черви, водоросли) и подвижные (морские ежи и морские звезды, ракообразные, многие черви). У этих двух групп разные адаптации к среде. Задача первых – не быть съеденными, поэтому у них развиты раковины или панцири. У некоторых имеются дополнительные средства защиты: особые ядовитые клетки у кораллов, домики в виде трубок, в которых организм может удерживаться.

Пример прикрепленного бентоса – кораллы 

У подвижных животных развиты конечности или иные способы передвижения (например, черви могут закапываться в грунт и без конечностей, за счет развитой мышечной системы).

Пример подвижного бентоса – рак 

Планктонные организмы обычно имеют небольшие размеры. Исключение составляет рыба-луна – до 4 м в диаметре и до 2 тонн весом. Важная задача планктонных организмов поддерживаться на плаву, поэтому для них характерны наличие жиров и большое количество воды в теле (для повышения плавучести), уплощенное, перистое тело с большим числом выростов (для увеличения площади поверхности), полости, заполненные воздухом. Примеры планктонных организмов – рачки, водоросли, медузы, икра рыб, личинки различных обитателей морского дна.

Пример планктона – луна-рыба 

Планктонные организмы 

Нектон – активно плавающие организмы, которые могут двигаться против течения. Следовательно, они обладают обтекаемой (торпедообразной) формой тела, гладкими кожными покровами (для снижения трения об воду), мощными плавниками и хвостом или ластами. К этой группе относятся кальмары, дельфины, киты, многие рыбы.

Пример нектона – тунец 

Нейстон обитает на поверхности воды. Эти организмы должны адаптироваться к повышенной освещенности и колебанию температуры. Кроме этого, на поверхности моря может после дождя формироваться небольшой слой пресной воды, что оказывает влияние на местных обитателей. В этих условиях могут выжить далеко не все организмы. Водомерки, икра рыб, жуки-вертячки – это примеры нейстона. Их адаптации – легкое тело с воздушными полостями, приспособления, позволяющие удержаться на плаву.

Пример нейстона – водомерка 

С увеличением глубины наблюдается смена условий: уменьшается температура, количество света и кислорода, увеличивается давление. Это особенно хорошо заметно на морских экосистемах. Здесь выделяют несколько зон (вертикальная зональность).

Вертикальная зональность океана 

Литораль (зона приливов и отливов на границе с сушей, для которой характерны суточные колебания всех параметров) – ее населяют разноногие раки, насекомые, некоторые виды водорослей.

Сублитораль (зона от литорали до 200, реже - 400 м, ограничивается прохождением света через толщу воды) – здесь обитает большинство морских видов.

Батиаль, или континентальный склон (от 200 до 3000 м, характеризуется резким изменение глубины и практически полной темнотой) – населена преимущественно свободноплавающими видами.

Абиссаль (3000-6000 м) и ультраабиссаль (6000 м и глубже) характеризуются наибольшим постоянством условий, большим количеством органического вещества (сюда оседают умершие морские организмы, что получило название «дождь трупов»), наличием собственных источников тепла – небольших вулканов и гейзеров. На этих глубинах моря не до конца изучены, но здесь обитают особенные морские организмы. Наиболее характерны погонофоры – черви без кишечника, питающиеся за счет бактерий, обитающих в их тканях. При длине более 1 м погонофоры имеют толщину до 1-2 мм и поэтому считаются самыми худыми животными на Земле.

Погонофоры 

Важную роль на больших глубинах играет давление. Из-за этого при подъеме глубоководных форм на поверхность они часто взрываются.

Вертикальная зональность пресных водоемов достаточно сложна и лучше всего просматривается у озер. Здесь выделяют эпилимнон (поверхностный, промерзающий зимой слой), металимнон (промежуточный слой) и гиполимнон (придонный слой, где вода недостаточно снабжается кислородом).

Наземно-воздушная среда и адаптации к ней

Суша составляет около 21% поверхности Земли, но ее населяют больше всего видов растений и животных. На них действуют такие факторы, как температура, газовый состав атмосферы, наличие влаги, осадки, смена дня и ночи и сезонов.

Атмосфера не способна удерживать температуру так же, как гидросфера, поэтому для наземно-воздушной среды характерны значительные сезонные и суточные колебания температуры. Это особенно хорошо заметно в пустыне, где днём отмечается высокая температура, а ночью - низкая. В других районах эти колебания не так выражены, но всё-таки присутствуют. Следовательно, холоднокровные животные более активны днём и в теплый периоды года, а ночью прячутся в укрытиях. Зимой какие-то животные впадают в спячку или анабиоз - особое состояние замедления всех жизненных процессов, которые при наступлении тепла восстанавливаются. Находясь в анабиозе, амфибии могут полностью замерзнуть, но потом оттаять и продолжить жить.

Газовый состав атмосферы изменяется незначительно. Атмосферный воздух включает около 23% кислорода, 76% азота. В состав оставшегося 1% ходят такие газы, как аргон, углекислый газ, неон, метан, криптон и так далее. Кислород образует на высоте примерно 15-25 км озоновый слой, который препятствует проникновению ультрафиолетового излучения. Кислород является продуктом фотосинтеза, необходим для окислительных процессов в организме. Благодаря этому, живые существа получают необходимую для жизни энергию. Атмосферный азот переводится в усваиваемую форму особыми бактериями-клубеньковыми и потом используется для синтеза аминокислот.

Многие организмы (насекомые, птицы, некоторые млекопитающие) способны к полету. Для этого у них имеются следующие адаптации:

• Наличие крыльев или летательных перепонок;
• Облегченное тело;
• Наличие полостей с воздухом.

Еще один фактор, действующий на организмы в наземно-воздушной среде жизни, - атмосферные осадки. Их характер зависит от сезона, температуры воздуха и географического положения места. Так, в пустыне дождь бывает один раз в несколько десятков лет, а в тропическом лесу – практически ежедневно.

Осадки необходимы для увлажнения территории и поддержания круговорота воды в природе, однако слишком большое их количество может привести к гибели живых существ. Например, после сильного снегопада оленям трудно передвигаться – они могут увязнуть в снегу, не способны добраться до корма и умирают от голода.

В наземно-воздушной среде доступ к источнику пресной воды является решающим в выживании организмов. Некоторые из них заселяют только те участки суши, где поблизости есть водоем. В других случаях наземные животные научились запасать и экономно расходовать воду. Например, в горбе верблюда находится жировая ткань, где запасается более 200 литров воды. У рептилий и птиц имеются плотные покровы, препятствующие испарению воды.

Если животные способны перемещаться в поисках воды, то растения вынуждены приспосабливаться к засушливым условиям. У них формируются следующие адаптации:

• Наличие воскового налета, препятствующего испарению;
• Сухие побеги и узкие листья с небольшим количеством устьиц;
• Длинные корни, позволяющие достичь запасов подземных вод;
• Развитая запасающая ткань, которая накапливает воду.

Растения засушливых мест

На суше проблему может представлять не только недостаток, но и избыток влаги. В переувлажненной почве не сохраняется кислород, нарушается транспорт воды в растении (в корнях ее слишком много, но к листьям поднимается недостаточно). Это хорошо заметно на комнатных растениях: если поливать их слишком часто, они могут погибнуть.

Однако некоторые растения – например, мхи - способны выживать в условиях постоянного переувлажнения. У них наблюдаются следующие адаптации:

• Небольшие размеры;
• Тонкие, пленчатые листья с большим количеством устьиц;
• Корни отсутствуют или короткие, расположены недалеко от поверхности.

Мох – растение болот 

Из-за разнообразия факторов, действующих на организмы в наземно-воздушной среде, здесь не существует единой системы жизненных форм наземных организмов. Однако хорошо известна система жизненных форм растений. Она включает:

• Деревья (высокие древесные растения с одним основным стволом, зимой надземные части, кроме листьев, не отмирают) – дуб, осина, сосна;
• Кустарники (низкие древесные растения с несколькими стволами, зимой надземные части, кроме листьев, не отмирают) – орешник, сирень, малина;
• Кустарнички (очень низкие древесные растения, которые стелются по земле и пережидают зиму под слоем снега) – брусника, черника, клюква;
• Травы (растения без древесных побегов, зимой все надземные части отмирают).

Для наземных животных принятой системы жизненных форм не существует. Однако можно выявить некоторые правила, которые позволяют определить место обитания живого организма.

Правило Аллена: у теплокровных животных, которые обитают в холодном климате, выступающие части тела меньше, чем у схожих с ними животных, обитающих в тёплом климате. Так, у леммингов маленькие уши, у тушканчиков - крупные.

Правило Аллена 

Правило Глогера: теплокровные животные, обитающие в тёплом влажном климате, окрашенные гораздо ярче, чем их северные родственники. Тропические птицы отличаются очень яркой окраской в сравнении с северными птицами.

Правило Бергмана: чем севернее обитает теплокровный живой организм, тем он крупнее. Чем выше в горах обитает теплокровный живой организм, тем он крупнее. Самый крупный представитель семейства кошачьих - амурский тигр (длина до 380 см, вес до 250 кг) – живет в умеренном климате, а самый мелкий - ржавая кошка (длина до 48 см, вес до 1,6 кг) - в тропическом.

Почвенная среда и адаптации к ней

Почва представляет собой результат взаимодействия живой и неживой природы. Толщина слоя почвы может составлять от нескольких сантиметров до 2 км. По современным представлениям, почва есть не только на поверхности суши, но и дне водоемов.

Поскольку почва непрозрачна для света, в этой среде жизни не важен фактор освещенности. Температура изменяется незначительно (в этом почвенная среда похожа на водную). Зато решающую роль играет механический состав, то есть размер частиц, образующих почву. Самые крупные частицы характерны для каменистых почв, более мелкие – для песчаных, самые мелкие – для глинистых.

Размер частицы влияет на возможность организмов перемещаться в слое почвы, количество влаги и доступ кислорода. Как правило, последние два фактора больше влияют на растения, однако в некоторых ситуациях и для животных они могут стать ограничивающими. Например, часто после дождя можно увидеть, как на поверхность выползают дождевые черви. Это результат того, что в почве увеличивается количество воды, и черви начинают задыхаться – они дышат атмосферным кислородом.

По закону Шелфорда, оптимальны для живых организмов почвы со средним размером частицы: в глинистых слишком много жидкости и практически нет кислорода, в каменистых – слишком большие промежутки между частицами и практически нет жидкости, так что растениям сложно укорениться.

Плодородие почвы – фактор, обусловленный наличием гумуса. Это особые органические вещества, результат жизнедеятельности бактерий и дождевых червей. Чем плодороднее почва, тем больше растений могут на ней произрастать.

Химический состав почвы (особенно содержание солей, щелочей и кислот) существенно влияет на растения. По закону Либиха, даже нехватка одного микроэлемента может негативно сказываться на них. Однако избыток минеральных веществ (засоление почвы) вызывает гибель растений, нарушая процессы всасывания воды.

Почва является самой бедной по видовому составу средой жизни. Многие организмы проживают тут лишь временно, используя в качестве укрытия норы или отверстия в земле (мыши, зайцы, лисы). Такие организмы называются геоксены. Они относятся скорее к наземно-воздушной среде обитания. Другие организмы обитают в почве только на стадии личинки. К этой группе относятся большинство насекомых, и их называют геофилами. Их количество достаточно велико, поскольку почва предоставляет хорошую защиту и практически лишена хищников. Третья группа почвенных обитателей – геобионты (те организмы, которые живут только в почве, практически не поднимаясь на поверхность). Сюда относят дождевых червей и кротов. У них в большей степени выражены адаптации к жизни в толще земли: конечности копательного типа или мощные мышцы, позволяющие двигаться червеобразно.

Организм как среда обитания

Практически все организмы выступают средой обитания для других. Например, организме человека обитают примерно 2 кг бактерий.

Организм, который выступает в роли среды обитания, называется хозяином, а его «квартиранты», в зависимости от того, приносят ли они хозяину пользу или вред–симбионты или паразиты, соответственно.

Внутренние условия организма характеризуется гомеостазом, то есть постоянством. Здесь не бывает резких перепадов температуры или химического состава. Кроме того, в организме много питательных веществ, поэтому не нужны специальные органы для их переваривания, а питаться можно, всасывая необходимое всей поверхностью тела. Единственным минусом защитные системы организма хозяина и местами – достаточно агрессивная среда (например, в желудке человека вырабатывается соляная кислота, а уровень кислотности может достигать максимума, поэтому паразитов, способных выжить в этих условиях, очень мало).

В зависимости от того, где проживают паразиты, их разделяют на две группы.

Эктопаразиты (пиявка, минога) – организмы, которые живут на поверхности тела хозяина, то есть фактически во внешней среде. Для них характерны мощные прикрепительные органы, развитая система пищеварения и относительно развитые органы чувств.

Эндопаразиты (аскарида, ленточные черви, двуустки) живут внутри тела хозяина. Они подвергаются постоянным атакам со стороны защитных систем, поэтому для них характерны плотные покровы, упрощение всех систем организма вплоть до полного отсутствия – это называется общая дегенерация.