Экологические законы

• Формулировка: наиболее значим для организма тот фактор, значение которого максимально отклоняется от оптимального.
• О чём этот закон: даже если все факторы среды очень благоприятные, рост, развитие и жизнь организма будут зависеть от единственного неблагоприятного фактора, именно он будет ограничивать (лимитировать) распространение этого вида в данных условиях среды. При этом важно, что неблагоприятные значения одного фактора не могут компенсироваться за счёт благоприятных значений других факторов (например, недостаток воды не компенсируется достаточным количества света, тепла и питательных веществ).

Автор закона — Юстус фон Либих, выдающийся немецкий химик, первооткрыватель множества химических соединений, основоположник агрохимии. В 1840 году при изучении связи плодородия почвы и содержания в ней химических элементов он установил, что при недостатке одного из элементов питания увеличение содержания в почве других элементов не приведёт к увеличению плодородия, пока не восполнится самый главный дефицит.

Он визуализировал этот закон в виде рисунка, известного сейчас как «бочка Либиха», в которой каждая дощечка бочки — это какой-то фактор среды, а самая короткая дощечка — лимитирующий фактор, из-за которого вода (урожайность по Либиху) выливается из бочки, сколько её не наливай.

Позже это правило вышло далеко за пределы агрохимии и является одним из главных законов экологии. Изначально в нём говорилось о дефиците веществ, но затем правило было дополнено Шелфордом.

• Формулировка: лимитирующим может быть как минимум, так и максимум экологического фактора. Диапазон между ними определяет пределы толерантности вида к этому фактору (экологическую валентность).
• О чём этот закон: не только недостаток, но и избыток фактора может негативно влиять на организмы.

По закону Шелфорда, у каждого фактора есть диапазоны значений с различной благоприятностью:

• Зона оптимума — диапазон, в котором значения данного фактора максимально благоприятны для данного вида, зона нормальной жизнедеятельности (высшая часть кривой на графике, как правило, средние значения интенсивности).
• Зона угнетения (зона пессимума) — диапазон, в котором значения данного фактора неблагоприятны для данного вида, но позволяют ему выживать (части кривой, приближающиеся к пределам выносливости, очень низкие или очень высокие значения интенсивности фактора).
• Критические точки (пределы выносливости, пределы толерантности) — минимальное и максимальное значение фактора, при котором возможна жизнь представителей данной вида.

За пределами выносливости жизнь вида невозможна.

Разные виды отличаются друг от друга степенью требовательности к значениям экологических факторов и формами кривых.

• Эврибионты — организмы с широкими пределами толерантности и зоной оптимума (высокой экологической валентностью), способны существовать в широком диапазоне природных условий и выдерживать их значительное отклонение от оптимума (волки, крысы, тараканы). Эврибионты широко распространены и могут быстро адаптироваться к новым условиям, имеют широкие кривые толерантности.
• Стенобионты — организмы с узкими пределами толерантности и зоной оптимума (низкой экологической валентностью), способны существовать в узком диапазоне природных условий и не могут выдерживать даже незначительные отклонения от оптимума (форель, коала, орхидеи). К стенобионтам относятся все специализированные виды: холодолюбивые (белый медведь, ягель), теплолюбивые (крокодил, чайный куст), требовательные к чистоте воды (кораллы), питающиеся только определённой пищей (коалы едят только листья эвкалипта). Стенобионты живут в стабильных условиях и плохо адаптируются к их перемене, имеют узкие кривые толерантности.

• Формулировка: из двух близких теплокровных видов крупнее будет тот, кто обитает в холодном климате.
• О чём этот закон: при увеличении размеров тела объём тела увеличивается сильнее, чем площадь поверхности, поэтому удельная площадь поверхности и теплоотдача у крупных животных меньше.

Это правила связано с физикой и такой величиной, как удельная площадь поверхности (отношение поверхности тела к массе животного).

Охлаждение любого тела происходит через его поверхность, поэтому в холодных условиях животным нужна минимальная удельная площадь поверхности (отношение поверхности тела к массе животного), чтобы лучше сохранять тепло. И наоборот, чем выше окружающая температура, тем больше будет удельная поверхность тела, потому что необходимо охлаждение, которое происходит через поверхность тела.

• Формулировка: выступающие части тела у теплокровных животных уменьшаются при движении от экватора к полюсам.
• О чём этот закон: выступающие части тела (конечности, носы, уши, хвосты) создают дополнительную площадь поверхности, и большие выступающие части в жарком климате служат для лучшей теплоотдачи и охлаждения организма, а в холодном климате они небольшие, чтобы уменьшить теплоотдачу и потери тепла организмом.

• Формулировка: с нижнего уровня на верхний переходит 10% энергии, заключённой в теле организмов данного трофического уровня, остальная энергия рассеивается при процессах метаболизма.
• О чём этот закон: в экосистемах при поедании одних организмов другими энергия, заключённая в телах съеденных, не полностью передаётся тем, кто съел. Передаётся только 10% энергии, а 90% рассеивается. Это приводит к тому, что для создания 1 кг биомассы травоядных животных нужно около 10 кг биомассы растений, а для создания 1 кг биомассы хищников — 10 кг биомассы травоядных, и так далее.

Существуют несколько экологических последствий этого процесса:

• С повышением трофического уровня численность организмов, биомасса организмов и количество энергии, заключённой на уровне, снижается.
• Исключением являются «перевёрнутые» пирамиды биомассы морских экосистем, где биомасса консументов (китов и прочих крупных млекопитающих) превосходит массу продуцентов (фитопланктона).

Подробнее о трофических уровнях, продуцентах и консументах ты можешь прочесть в статье «Экосистемы».

• Для производства 1 кг животной пищи нужно в 10 раз больше воды, территории и энергии, чем для производства 1 кг растительной пищи, поэтому животноводство сильнее влияет на окружающую среду, чем растениеводство.
• Все ядовитые вещества (пестициды, тяжёлые металлы, органические загрязнители) накапливаются преимущественно у животных верхних трофических уровней (хищников), так как при переходе с уровня на уровень энергия рассеивается, а ядовитые вещества передаются в тех же количествах, что содержались в съеденном организме. Таким образом, хищники, поедая травоядных животных, накапливают гораздо большую концентрацию ядовитых веществ, чем содержится в почве или растениях, что может вызывать их гибель.

• Формулировка: если два вида нуждаются в одинаковых ресурсах, то они не смогут занимать одну экологическую нишу, один вид вытесняет другой, что способствует более эффективному распределению видов по экологическим нишам и использованию ресурсов среды.
• О чём этот закон: он описывает межвидовую конкуренцию видов. Если два похожих вида имеют одинаковые требования к условиям обитания и предпочтительной пище, то они не смогут жить в одном местообитании, останется только один вид. Если виды имеют отличия в условиях обитания или предпочтительной пище, то они смогут жить в одном сообществе.

Гаузе проводил многократные опыты на инфузориях, и каждый раз получал одни и те же результаты:

• два вида инфузорий, занимающие разные экологические ниши (одни живут у дна, другие в толще воды, или одни питаются бактериями, а другие дрожжами) могут сосуществовать в одной ёмкости (рисунок А);
• два вида инфузорий, занимающие одну экологические ниши (живут в одном и том же слое воды и питаются одной и той же пищей) не могут сосуществовать в одной ёмкости, через некоторое время остаётся только один вид (рисунок Б).

Таким образом, рассмотренные экологические законы и правила образуют фундамент для понимания сложных взаимосвязей в природе. Они действуют на всех уровнях организации жизни — от отдельной особи до целой экосистемы.