Современные методы изучения реакции видов (растений) на изменение условий среды. До 15 страниц С главами и литературой

Введение

Оптимальное воздействие на разные организмы один и тот же фактор может оказывать при различных значениях. Так, одни растения предпочитают очень влажную почву, а другие — относительно сухую. Некоторые растения любят сильную жару, иные лучше переносят умеренную температуру среды и т.д. Кроме того, растения делят на способных существовать в широком или узком диапазонах изменения какого-либо фактора среды. К каждому экологическому фактору растения приспосабливаются относительно независимым путем. Организм может иметь приспособленность к узкому диапазону одного фактора и к широкому диапазону — другого. Для организма имеет значение не только амплитуда, но и скорость колебаний того или иного фактора. Если влияние условий среды не достигает предельных значений, растения реагируют на него определенными действиями или изменениями своего состояния, что в конечном итоге ведет к выживанию вида. Преодоление неблагоприятных воздействий растениями возможно путем приобретения выносливости. В основе ответных реакций растений лежит выработка приспособительных изменений их строения и процессов жизнедеятельности. При ритмически повторяющихся климатических ситуациях растения и животные могут приспособиться путем выработки соответствующей временной организации жизненных процессов, в результате чего у них чередуются периоды активного функционирования организма с периодами спячки (ряд животных) или с состоянием покоя (растения). Ученые пытаются с помощью различным методов установить как растения реагируют на изменения условий среды. Рассмотрим эти методы более подробно.1.Понятие «экология растений» и история возникновения Под понятием «экология растений» подразумевается наука, которая изучает взаимоотношения между растениями и окружающей средой. Эта наука неразрывно связана с общей экологией и такой наукой как ботаника. Экология растений изучает растительные организмы на всех уровнях: -на уровне клетки (цитоэкология) -на уровне организма (аутоэкология) -на уровне совокупностей растений (синэкология) Историю науки по экологическому изучению растений обычно связывают с первыми научными публикациями, появившимися в основных центрах цивилизации на разных континентах. Так, первые экологические сведения были запечатлены на древнехеттских глиняных табличках, возраст которых более 3 тыс. лет. Первые научные обобщения, касающиеся экологии растений, содержатся в трудах древнегреческого естествоиспытателя, ученика Аристотеля, Теофраста (372 - 287 гг. до н. э.), одного из первых ботаников древности. В своих трудах «Естественная история» он рассматривал и вопросы распространения растений, приуроченности их к местообитаниям, отмечал изменение внешнего вида и формы растений при произрастании на разных почвах. Особенно XIX век отмечен большим количеством основополагающих работ по экологии растений. Так, английский ботаник X. Уотсон в 1833 г. предложил субординированную типологию экологических факторов, включающих тепло, увлажнение, условия освещения, экспозицию склонов, механические и химические свойства почв и др., и при этом отмечал важность сочетания факторов. Выясняя роль разных факторов в распределении растительности, О. Декандоль подчеркивал также важность конкуренции между видами за ресурсы. Его сын А. Декандоль (1806 - 1893), продолжив исследования отца, в книге «География растений» (1855) классифицировал местообитания, основываясь на таких факторах внешней среды, как температура, свет, влага, почва. А. Декандоль отмечал ограничивающее влияние на распространение растений климатических факторов, в первую очередь температуры периода вегетации (особенно периода цветения), изучал связь растений с почвами и указал на высокую пластичность растений из-за их «прикрепленности» и невозможности «уйти от неблагоприятных факторов». Весомый вклад в развитие экологии растений внесли ученые, занимавшиеся агрохимией. Заложивший ее основы Ж. Б. Буссенго показал, что все растения нуждаются в почвенном азоте. Он также выявил, что для успешного завершения развития растениям необходимо разное количество тепла, которое можно учесть, ежедневно суммируя температуры в вегетационный период. В 1840 году Ю. Либих сформулировал «Закон минимума», не потерявший своего значения и в современной экологии. Он показал, что необходимые растению химические элементы незаменимы. В современной экологии выявленная им закономерность учитывается при изучении факторов, ограничивающих распределение и численность организмов. Экология растений фактически оформляется в самостоятельное научное направление в конце XIX века после работ датского ботаника Е. Варминга (1842 - 1924), а официально признается разделом ботаники в 1910 г. на III Всемирном ботаническом конгрессе в Брюсселе. Е. Варминг в 1895 г. возрождает забытый уже геккелевский термин «экология» и в труде «Plantesamfund» (1895) систематизирует и обобщает основную экологическую информацию того времени. Он дает обзор и классификацию всех абиотических и биотических факторов, влияющих на жизнь растений, вводит в научный обиход представления о гидрофитах, ксерофитах, мезофитах и галофитах. Современный этап развития экологии растений. В XX веке развитие экологии растений в нашей стране продолжил Б. А. Келлер (1901, 1903, 1907 и др.). С усовершенствованием полевых экологических приборов появилось экологофизиологическое направление, продолженное в работах Л. А. Иванова (влияние света), Н. А. Максимова (засухоустойчивость), И. И. Туманова (морозостойкость), П. А. Генкеля (солеустойчивость). Ряд работ был посвящен экологии фотосинтеза. В экологии растений оформилось особое направление - функциональная или физиологическая экология. Во второй половине XX в. завершается становление экологии как самостоятельной науки, имеющей собственную теорию и методологию, круг проблем и подходы к их решению. В связи с широким применением математических подходов для решения различных экологических проблем развилась количественная экология. В современной экологии сохраняет актуальность и ряд проблем, имеющих давнюю историю исследований: установление закономерностей динамики численности организмов, оценка роли факторов, ограничивающих рост популяций, выяснение причин колебаний численности. 2. Методы экологии растений К основным методам изучения экологии растений относятся: Наблюдение. Когда ученый использует метод наблюдения, он не должен вмешиваться в природную систему. Метод наблюдения — это первый и основной метод, который используется исследователями.Эксперимент. Более широкое применение имеет эксперимента. Суть метода эксперимента заключается в том, что ученый намеренно изменяет определенные параметры. Эксперименты над растениями проводят как в полевых, так и в лабораторных условиях. В экологии растений используются как однофакторные таки многофакторные эксперименты. Широко используется метод экологических рядов для изучения отношений растений к окружающей среде.Моделирование.Одно из плодотворных методов естественных наук представляет собой моделирование, т. е. построение, проверка и исследование моделей, интерпретация полученных с их помощью результатов. При моделировании реальная природная система замещается другой более простой системой, являющейся ее неполным подобием. Модель - это упрощенный образ оригинала, при котором сознательно огрублены отдельные черты изучаемого объекта или процесса. В зависимости от характера упрощения для одного и того же оригинала можно получить несколько различных моделей, в том числе удобные для изучения тех или иных свойств оригинала. Стратегия моделирования заключается в стремлении путем упрощения получить модель, свойства и поведение которой можно было бы эффективно изучать, но которая в то же время оставалась бы достаточно сходной с оригиналом, чтобы результаты этого изучения были применимы к оригиналу. Обратный переход от модели к оригиналу - интерпретация модели. Эта процедура всегда неоднозначна в силу принципиально неполного соответствия модели и моделируемой системы. В зависимости от особенностей объекта изучения и задач исследования в экологии растений применяются модели разных типов. Прежде всего модели подразделяют на реальные (натуральные, аналоговые) и идеальные (знаковые).3.Экологические факторы, влияющие на растения Среда, в которой живет растение, неоднородна и включает в себя многие элементы, или факторы, которые оказывают то или иное влияние. Их называют экологическими факторами. Совокупность экологических факторов, без которых растения не могут жить, составляют условия его существования (тепло, свет, вода, минеральные питательные вещества и т. п.). Действие экологических факторов на растения может быть прямым и косвенным, причем в одних условиях может преобладать прямое действие, в других - косвенное. Экологические факторы можно разделить на три группы: абиотические, биотические и антропогенные. Абиотические факторы - это факторы физической среды, в которой обитают растения. Абиотические факторы делятся на несколько видов:1. Климатические факторы - это все факторы, которые формируют климат и способны влиять на жизнь организмов (свет, температура, влажность, атмосферное давление, скорость ветра и т. д.).2. Эдафические (почвенные) факторы - это свойства почвы, которые оказывают влияние на жизнь организмов. Они делятся на: физические (механический состав, комковатость (удельный вес комочков в почве (%), имеющих размер более одного миллиметра) и химические (кислотность, минеральный состав, содержание гумуса) свойства почвы.3. Орографические факторы (факторы рельефа) - это влияние характера и специфики рельефа на жизнь организмов (высота местности над уровнем моря, широта местности по отношению к экватору, крутизна местности - это угол наклона местности к горизонту, экспозиция местности - это положение местности по отношению к сторонам света).4. Гидрофизические факторы - это влияние воды во всех агрегатных состояниях (жидкое, твердое, газообразное) и физических факторов среды (шум, вибрация, гравитация, магнитное, электромагнитное и ионизирующее излучения) на жизнь организмов.Абиотические факторы находятся в определенном взаимодействии: если в почве нет влаги, растения не могут поглощать элементы минерального питания, так как последние, доступны растениям только в растворенном виде; ветер и высокие температуры повышают интенсивность испарения воды с поверхности почвы и самого растения.Биотические факторы - это факторы воздействия на растение окружающих живых организмов. Например, животные поедают растения, многие растения и животные паразитируют на растениях, насекомые и птицы опыляют растения, что способствует оплодотворению, животные и птицы распространяют семена растений и т. п.В зависимости от вида воздействующего организма их разделяют на две группы: внутривидовые факторы - это влияние особей этого же вида на организм (сосны на сосну и т. д.) и межвидовые факторы - это влияние особей других видов на организм (сосны на березу и т. д.).В зависимости от принадлежности к определенному царству биотические факторы подразделяют на четыре основные группы:- фитогенные факторы - это влияние растений на организм;- зоогенные факторы - это влияние животных на организм; микробогенные факторы - это влияние микроорганизмов (вирусы,бактерии, простейшие) на организм;- микогенные факторы - это влияние грибов на организм.Антропогенные факторы - это совокупность воздействий человека на жизньорганизмов. Их выделяют в особую группу потому, что деятельность человека приобрела в настоящее время всеобъемлющий характер.В зависимости от характера воздействий они делятся на две группы: факторы прямого влияния и факторы косвенного влияния - это влияние человека фактом своего существования Выделяется несколько типов антропогенных воздействий:- точечные воздействия - например, отдельные источники загрязнений;- линейные воздействия - например, дороги, нефтепроводы, линии электропередач; Тесное взаимодействие всех факторов среды было прекрасно показано В. В. Докучаевым на примере почвы, которая формируется в результате постоянного взаимодействия климата, материнских почвообразующих пород (абиотические факторы), растений, животных и микроорганизмов (биотические факторы). В то же время сама почва является одним из компонентов внешней среды растений. Таким образом, окружение каждого растения представляется как единое целостное явление, называемое средой.4.Реакции растений на экологические факторы и современные методы их изучения На воздействия экологических факторов растения реагирую путем изменения состояния или какими-то действиями, это помогает виду выжить. Для того чтобы не тать жертвой негативного воздействия окружающей среды живые организмы могут либо избегать его, либо приобретать выносливость. Растениям первый способ практически не доступен. Растения вынуждены приспосабливаться, изменять свое строение и процессы жизнедеятельности. Эти изменения могут иметь два вида, к первому относятся модификационые изменения, которые исчезают у особи и ее потомства, когда негативный фактор воздействия перестает действовать и генотипические изменения – которые являются наследственными, то есть не исчезают. Приспособление организма к новым условиям жизни происходит в процессе длительной эволюции, это приводит к тому что организм адаптируется к новым условиям. Адаптация дает возможность выжить не только одному конкретному индивидууму, но и всему виду. Для того что бы понять успешно ли идет процесс адаптации следует обратить внимание на повышение коэффициента размножения и на коэффициент смертности вида. Растения и растительные сообщества, формирующиеся в условиях комплексного влияния экологических факторов, своим строением и особенностями структуры отвечают суммарному воздействию факторов среды обитания. Индикаторные возможности растений издавна используются в решении прикладных задач. С увеличением антропогенной нагрузки на экосистемы расширяется область применения фитоиндикационного метода. Растительный покров чутко реагирует на изменение природных факторов окружающей среды и антропогенное влияние. Ответные реакции растений па экстремальные природные и антропогенные воздействия во многом однотипны, поэтому для целей мониторинга необходимо знание функциональных связей биотического и абиотического компонентов экосистем, изменений растений и их сообществ в конкретных условиях произрастания при флюктуации внешних воздействий естественного происхождения. В настоящее время разработано множество методов оценки состояния окружающей среды по растениям. Широко используются различные параметры развития живых организмов — от молекулярного до ландшафтного уровня. Они предусматривают как изучение биоты в естественных условиях их обитания, так и проведение различного рода экспериментальных и лабораторных исследований. Исследуются биохимические, физиологические, анатомо- морфологические изменения, популяционные и видовые особенности растений, флористический состав и структура сообществ, границы и пространственное распределение фитоценозов. Наиболее существенными на клеточно-организменном уровне являются изменение проницаемости мембран и активности ферментов, разрушение белка, нарушения фотосиитетической деятельности, минерального, липидного и углеводного обменов и др.Существуют различные классификации биоиидикациоиных показателей (Л. Г. Раменский, Г. Элленберг, Р. Шуберт, Т. А. Работиов, В. Нобель и др.). На основании их обобщения принята следующая иерархическая система признаков (табл. 1).К числу наиболее распространенных методов оценки состояния окружающей среды по различным параметрам индикаторных видов, а также по структуре и строению растительных сообществ относятся:- анализ химического состава растений как неотъемлемая часть биогеохими- ческого метода для оценки взаимосвязи химического состава живой и неживой природы, миграции химических элементов по звеньям пищевой цепи и др.;метод биомаркеров — изучение различных показателей интенсивности биохимических и физиологических процессов, проходящих в организме и свидетельствующих о воздействии стресса или его отсутствии;- морфологический метод — изучение внешнего облика растений и его изменения под действием внешних факторов;флористический метод — исследование особенностей видового состава, индикаторных видов, характера распространения и динамики ареала; популяционный анализ и др.;- спектрофотометрический метод — исследование спектрального отклика растений и растительности на загрязнение окружающей среды;фитоценотический метод — ряд методик изучения состава, вертикальной и горизонтальной структуры и строения растительных сообществ: анализ видового разнообразия, экобиоморфного состава, обилия и проективного покрытия показательных групп видов, анализ продуктивности, жизненного состояния ярусов и др.;лихеноиндикация — изучение и анализ лишайникового покрова растительных сообществ;бриоиндикациопный метод—изучение и анализ мохового покрова; дендроиндикация — изучение и анализ древесной растительности. Дендроиндикация — это метод биоиндикации, позволяющий на основе анализа характеристик древесного яруса и полога подроста (радиального и линейного прироста, продолжительности жизни (возраста) хвои, наличия некроза и хлороза, жизненного состояния древостоя и т. д.) судить о состоянии природной среды. Древесные растения наиболее часто выбираются для биоиндикационных исследований в силу их высокой индикаторной значимости. Таблица 1. Классификация фитоидикационных признаковФизиологические и биохимические признакиМорфологическиепризнакиФлористические признакиФитоценотическиепризнаки1. Химический состав растений1. Ксероморфность1. Специфическая флора1. Продуктивность сообщества2. Активность основных физиологических процессов (фотосинтез, дыхание и др.)2. Размеры растений и отдельных органов, ежегодный прирост и т. д.2. Присутствие-отсутствие индикаторного вида2. Сомкнутость и проективное покрытие сообщества, ярусов, пологов3. Содержание пигментов3. Хлороз и некроз3. Индикаторные плеяды видов3. Анализ доминан- тов, эдификаторов сообщества4. Изменение активности ферментов и т. д.4. Суховершинность4. Обилие и продуктивность индикаторного вида4. Экобиоморфный состав сообщества и ярусов5. Изменение окраски5. Дендро-, брио-, ли- хеноиндикационные и другие признаки5. Вертикальная и горизонтальная структура сообщества6. Тераты и т. д.6. Границы зональных, интра- и азональных фитоценозов7. Площади зональных, интра- и азональных фитоценозов и т. Фитомониториг в отличие от точечных инструментальных методов позволяет оценивать влияние загрязнителей на сообщества, и давать представление о длительном воздействии загрязнителей, и прогнозировать их дальнейшее влияние. Кроме этого, существующие нормативы ПДК основываются на реакциях животных организмов, в то время как пороговые концентрации ряда растений являются более низкими. Все это позволяет утверждать, что фитомониторинг необходим для объективной оценки экологической ситуации городской среды. Фитомониторинг строится на основе ответных реакций растений на весь комплекс условий местообитания, несводимый непосредственно на влияние техногенного загрязнения. Выявление влияния техногенных условий, производится путем сравнения исследуемых городских сообществ с природными аналогами или внесением растений в загрязненную область. В случае наличия в сообществе видов-интродуцентов, необходимо учитывать уровень отклонения условий в данном климате от оптимума. Так как, ответные реакции на загрязнение наблюдается у всех растений, то необходимо выделить наиболее удобные для индикации виды и признаки Применение фитоиндикации, по сравнению с инструментальными методами имеет ряд недостатков, в частности, в быстро меняющихся условиях -присутствует некоторая необъективность, и отклонение результатов особенно в годы с экстремальными условиями. Ощутимым минусом является, то, что при использовании для анализа урбосреды, нужно следить за всеми компонентами системы, и любое их изменение может привести к сбою системы анализа.Фитоиндикация может осуществляться на разных уровнях организации.Уровни фитоиндикации:1. биохимические и физиологические реакции растительного организма;2. анатомические и морфологические изменения;3. изменение популяции растений;4. флористические изменения;5. фитоцинотические изменения;6. изменения ландшафтов.В практике фитоиндикации чаще всего учитывают анатомо-морфологические изменения растений.Различают микроскопические изменения и макроскопические изменения, применяемые в фитоиндикации. Микроскопические изменения:1. изменение размеров ветки (у сосен, поврежденных диоксидом серы, отмечается увеличение клеток смоляных каналов);2. плазмолиз;3. изменение степени ксероморфизма листьев;4. изменение структуры древесины. Макроскопические изменения:1. изменение окраски листьев (хлороз) – явление неспецифичной реакцией на стрессоры:· хлороз – бледная окраска листьев между жилками (у хвои и сосны – даже при слабой загазованности атмосферы);· пожелтение краев или участков листьев;· побурение или побронзовение у лиственных деревьев, что нередко является начальной стадией тяжелых некротических повреждений (у хвойных – это проявляется при значительных дымовых повреждениях).· покраснение – накопление антоциана в виде пятен на листьях растений;· изменение окраски, при которой листья создают впечатление, как пропитанные водой.· серебристая окраска листьев.2. некрозы – отмирание ограниченных участков ткани;3. дефолиация, то есть опадение листьев, наблюдается обычно после появления хлорозов и некрозов;4. изменение размеров органов растений (у сосен хвоя удлиняется под действием нитратов и ускоряется под действием диоксида серы);5. изменение формы, количества и положения органов растения;6. изменение направления роста и формы ветвления (изрежевание кроны у поврежденных дымом хвойных деревьев);7. изменение прироста;8. изменение плодовитости при действии антропогенных факторов наблюдается у большинства растений.При определении анатомо-морфологических изменений необходимо учитывать, что некоторые естественные факторы могут вызывать симптомы, сходные с антропогенными нарушениями. Поэтому при фитоиндикации следует учитывать предшествующие погодные условия, наличие вредителей и болезней.При создании системы фитомониторинга нужно использовать ряд принциповпозволяющих получать наиболее объективную информацию:· Определение генезиса существующих насаждений.· Составление перечня видов городских насаждений. Все методы фитоиндикации, можно разделить на две группы:1. Выявление наиболее устойчивых к токсикантам видов.2. Подбор наиболее чувствительных растений к действию токсикантов и определение степени загрязнения атмосферу по ответным реакциям конкретных видов.

Заключение
Мной рассмотрена тема «Современные методы изучения реакции видов (растений) на изменение условий среды.» Изучив литературу я подробно рассмотрела применяемые методы в экологии в настоящее время. Самым эффективным на сегодня является фитоиндикационный метод. Именно применение этого метода позволяет наиболее достоверно установить какие реакции происходят у растений при изменении условий среды. В заключении следует отметить, что  экологические исследования имеют большое значение в решении многих теоретических и практических задач существования природы, человека и общества. При этом необходимо рациональное сочетание различных методик, которые должны взаимно дополнять и контролировать друг друга.

Литература

1.Артамонов В. И. Зеленые оракулы – М.:Мысль, 1989. 2. Ашихмина Т.Я. и др. Биоиндикация и биотестирование – методы познания экологического состояния окружающей среды. – Киров, 2005.3. Батурицкая Н. В. Фенчук Т. Д. Химические опыты с растениями: Кн. для учащихся. – М., 1991.4. Дьяченко Г.И. Мониторинг окружающей среды (Экологический мониторинг) Новосибирск. – 2003. 2.  5.http://www.lepestok.kharkov.ua/bio/s20061201.htm 6.http://himik.my1.ru/publ/antociany_krasjashhie_veshhestva_rastenij/1-1-0-16.7. http://allrefs.net/c54/41ojn/p2/8.http://www.bestreferat.ru/referat-185274.html9.http://kspu-archive.petrsu.ru/structur/kafedry/kaftech/course/course/chapter_9_5.htm10.http://cinref.ru/razdel/00800ecologia/03/87935.htm11.http://soullife.info/voprosy-po-distsipline-obshchaya-ekologiya/429-modelirovanie-jekosistem.html