Взаимосвязь между растительным и животным миром на Земле

Наиболее полно взаимосвязь между жизнью растительного и животного мира и окружающей средой определена в разработках геохимической экологии. Геохимическая экология как самостоятельная отрасль знаний возникла в середине текущего столетия. Рождение и развитие геохимической экологии связано с успехами биогеохимии, основоположником которой был Вернадский В. И.

Биогеохимия — это наука о закономерностях биогенной миграции макро- и микроэлементов, их концентрировании и рассеивании, химической взаимосвязи между живой и неживой природой. Как самостоятельное научное направление со своими задачами и методами исследования биогеохимия сложилась в первой половине прошлого столетия. Биогеохимия оказала большое влияние на экологию, обогатила эту науку новым содержанием. Экология имеет много определений. Первое классическое определение экологии дал Э. Геккель еще в 19 веке.

Экология — это наука о взаимосвязи между животным и окружающей его средой. Факторы среды, влияющие на организм животных и человека, называют экологическими. Экологические факторы многообразны (температура, свет, влажность и др.), к ним относят и геохимические факторы. Геохимическая экология рассматривает действие геохимических особенностей на организм растений, животных и человека. Детальную научную разработку вопросов, связанных с влиянием геохимических факторов на живые организмы, впервые провел Ю. Либих. Он экспериментально доказал, что дефицит макро- и (или) микроэлементов в почве приводит к нарушению роста и развития растений. Предположение о том, что химический элемент, находящийся в минимуме, управляет биологической продуктивностью растений, получил название «закона минимума». Многочисленные исследования, проведенные в разных странах, показали, что «закон минимума» применим не только к растениям, но и к животным. Доказано, что недостаток того или иного биогенного макро- или микроэлемента в окружающей среде (главным образом, в почве и в воде) может стать причиной снижения продуктивности, воспроизводительной способности и естественной резистентности организма, выращиваемых на данной территории крупного рогатого скота, лошадей, овец, коз, свиней, кур, уток, индеек и др. Снижение продуктивности, воспроизводительной способности и естественной резистентности организма у сельскохозяйственных животных и птиц происходит при дефиците в кормовом рационе кальция и фосфора, калия и натрия, йода и кобальта, меди и марганца, других макро- и микроэлементов. Рост и развитие растений и животных могут лимитировать не только дефицит, но и избыток химических элементов в среде. Лимитирующие факторы — это те компоненты среды, которые находятся в недостатке (т.е. ниже критического уровня), в избытке (т. е. превышающем предел, переносимый организмами). Минимум и максимум интенсивности геохимического фактора определяют пределы выносливости вида. В пределах выносливости вида есть оптимальная зона, где интенсивность геохимического фактора не препятствует размножению и распространению живых организмов. Для растений и животных наиболее благоприятен оптимум экологического фактора, занимающей срединное или ближнее к нему положение в оптимальной зоне. Один из первых отечественных экологов— КашкаровД.Н. (1938) писал, что для каждого фактора существует доза, обуславливающая для данного вида животных наилучший эффект (оптимум) и дозы, слишком низкие или слишком высокие, дающие наихудший эффект.

Для крупного рогатого скота, лошадей, овец, свиней, других видов животных имеются свои оптимальные дозы макро- и микроэлементов. Минимум и максимум геохимических факторов, которые отражают нижние и верхние пороговые (критические) концентрации макро- и микроэлементов в окружающей среде, представлены в таблицах 1 и 2.

Предельно допустимые концентрации химических элементов в почве (по В. В. Ковальскому)

Химические элехменты

Содержание элементов в мг/кг сухого вещества

Минимальная концентрация (дефицит)

Оптимальная концентрация (норма)

Максимальная концентрация (избыток)

Кобальт

<2-7

7-30

>30 - 40

Медь

<6- 15

15-60

>60 - 70

Марганец

до 400

400 - 3000

>3000

Цинк

до 30

30-70

>70 - 80

Молибден

до 1,5

1,5-4

>4-5

Бор

<3-6

6-30

>30 - 40

Стронций

не установлено

До 600

>600

Йод

<2-5

5-40

>40 - 50

Итоги:

болезни от дефицита

болезни

не возникают

болезни от избытка

Оптимальная концентрация различных химических элементов в почве и кормах не одинакова. Но, закономерности проявления дефицита и избытка их в окружающей среде и в кормах, отличий не имеют. Слишком низкие или, наоборот, слишком высокие дозы макро- и микроэлементов неблагоприятно влияют на организм животных. Недостаток или избыток кальция или фосфора, кобальта или меди, фтора или других химических элементов в окружающей среде приводит к снижению продуктивности, воспроизводительной способности и естественной резистентности животных. У них нарушаются обменные процессы, возникают макро- и микроэлементозы. Наиболее часто при недостатке или избытке в растениях и рационе кальция или фосфора у животных развивается остеодистрофия, при недостатке фтора — кариес зубов, при избытке — флюороз. Как при недостатке, так и при избытке марганца в среде у животных проявляются признаки «марганцевого» рахита (остеодистрофии).

Предельно допустимые концентрации химических элементов в кормах (по В. В. Ковальскому)

Содержание элементов в мг/кг сухого вещества Химический

элемент минимальная минимальная минимальная

концентрация концентрация концентрация

(дефицит) (норма) (избыток)

Йод

до 0,07

0,07-1,2

>0,8-2,0

Кобальт

до 0,1-0,25

0,25-1,0

>1,0

Молибден

до 0,2

0,2-2,5

>2,5-3

Медь

до 3-5

3-12

>20-40

Цинк

до 20-30

20-60

>60-100

Марганец

до 20

20-60

>60-70

Железо

ДО 25

24-30

>30-50

Итоги:

болезни от дефицита

болезни

не возникают

болезни от избытка

В ходе дальнейшего развития экологии, как комплексной, системной науки, ученые приступили к исследованию надорганизменных систем: популяций и биогеоценозов (экологических систем).

Популяция — это биологическая система надорганизменного уровня, которая представляет собой группу животных определенного вида. Примером популяций сельскохозяйственных животных являются: стадо крупного рогатого скота, табун лошадей, отара овец и др. Закономерности популяционной экологии распространяются на группы животных одного вида, размещенных на животноводческой ферме или в комплексе в определенной зоне.

При геохимических энзоотиях изменяется структура популяций животных, снижается их воспроизводительная функция, продуктивность и другие показатели животноводства. Изменения, происходящие в БГЦ, прямо или косвенно влияют на состояние животных. При благоприятных изменениях в БГЦ повышаются продуктивность, воспроизводительная способность и естественная резистентность организма животных. Однако в случаях, когда изменения приобретают негативный характер, продуктивность, воспроизводительная способность и естественная резистентность организма животных снижаются. Возникают энзоотии, эпизоотии как заразного, так и незаразного происхождения.

Массовые болезни, развивающиеся у животных вследствие неблагоприятных изменений в биогеоценозах, изучает биогеоценоти-ческая патология, которая рассматривает болезни животных в неотъемлемой связи с изменением экологической обстановки в БГЦ и в преобразованных сельскохозяйственной деятельностью человека в аграрных, пастбищных и фермских биогеоценозах, экологическая обстановка которых может меняться очень быстро и очень резко. Изменения экологической обстановки в БГЦ влияют на течение энзоотии и смертность животных от болезни.

Среди энзоотий, возникающих у животных вследствие неблагоприятных изменений в БГЦ, большой удельный вес имеют как незаразные, так и заразные болезни. Такие болезни рассматриваются как результат негативных изменений геохимической обстановки в сельскохозяйственных экосистемах и несбалансированности минеральных веществ в кормах.

При изучении болезни на биогеоценотическом (ландшафтном) уровне можно установить причину массовой заболеваемости животных. Слишком высокие и (или) слишком низкие концентрации макро- или микроэлементов в среде могут обусловливать возникновение определенных эндемических болезней, которые могут быть обнаружены только при обследовании биогеоценоза (ландшафта), кормов и животных. Механизм развития эндемического заболевания, патогенез, течение болезни можно расшифровать при изучении болезни на тканевом, клеточном, молекулярном и структурном уровнях. Для прогнозирования болезни и разработки экологически обоснованных лечебно-профилактических мероприятий необходимо выяснить природу заболевания комплексно. При этом надо учитывать, что земная кора — это сложная композиция веществ земного и внеземного происхождения. Поэтому считают, что геохимическая обстановка в биогеоценозах и в биосфере в значительной мере зависит и от притока на Землю разнообразных веществ из космического пространства.

По характеру биогеохимических свойств химические элементы подразделяются на воздушные и водные мигранты. Воздушные мигранты — углерод, азот, кислород, водород и другие газообразные элементы. Живая масса растений и животных состоит в основном из кислорода, водорода, углерода и азота. Кислород и водород в форме воды и других химических соединений составляет около 80-90% живой массы организмов. Химические элементы, растворенные в воде (кальций, калий, сера, фосфор, железо, алюминий, кремний), как водные мигранты обладают выраженной биологической подвижностью. Водные мигранты, как и воздушные, принимают самое активное участие в образовании живых клеток растений и животных.

Поступление химических элементов в организм животных и растений осуществляется разными путями. Биогенная миграция химических элементов более или менее изучена в системах почва — растения; водные растворы — растения; почва — микроорганизмы; водные растворы — микроорганизмы; водные растворы — животные; растения — растения паразитарные; растения — животные; животные — животные хищники и паразиты; животные — паразитарные растения (микрофлора).

При прижизненном типе обмена преобладают явления поглощения (ассимиляция) веществ над процессами их возврата в окружающую среду. В процессе жизнедеятельности растений, животных и микроорганизмов создаются условия для биогенной миграции макро- и микроэлементов в среде и под «давлением жизни» формируется более или менее специфическая геохимическая обстановка вБГЦ.

Миграция химических элементов в биосфере осуществляется в форме геологического (большого) и биологического (биотического, малого) круговорота. Миграция химических элементов является связующим звеном, объединяющим в единую систему земную кору, поверхность суши, гидросферу и атмосферу. На формирование геохимической обстановки на планете мощнейшее влияние оказывает круговорот воды, который характеризуется поверхностным и подземным потоком массы, ее инфильтрацией, испарением, переносом водяного пара в тропосферу, выпадением атмосферных осадков на поверхность суши и водоемов. Вода снова испаряется и геохимический цикл постоянно повторяется. В ходе круговорота вода может переходить из одного агрегатного состояния в другое. Вода растворяет и разрушает минералы, растворы и взвеси с током воды перемещаются на большие расстояния.

С развитием жизни на Земле миграция химических элементов приобрела новые свойства; появился и усилился биотический круговорот. В основе биотического (малого) круговорота лежат синтез и распад органических веществ — продуктов растительных и животных организмов.

Синтез органических веществ осуществляется автотрофными организмами. Автотрофы — организмы, образующие сложные органические вещества из простых неорганических соединений в процессе фотосинтеза или хемосинтеза. Фотосинтетиками являются зеленые растения (низшие и высшие), а также некоторые виды микроорганизмов. Образование живого вещества организмов-фо-тосинтетиков происходит под влиянием лучистой энергии Солнца. Поэтому фотосинтез рассматривают как «земное явление космического характера». В организмах фотосинтетиков из воды и углекислого газа синтезируются органические соединения (главным образом углеводы). Наряду с этим в окружающую среду выделяется свободный кислород, как продукт разложения воды. Продукты фотосинтеза (органические вещества и свободный кислород) становятся очень активными, так как в них аккумулируется энергия. Исходные вещества фотосинтеза (вода и углекислый газ) нейтральные. Они не являются окислителями или восстановителями. В результате фотосинтеза трансформируются химические вещества. При этом нейтральная среда как бы раздваивается, возникают сильный окислитель — свободный кислород и сильный восстановитель — органическое вещество.

Условия существования животных в природе — это комплекс разнообразных экологических факторов: климатических, флористических, фаунистических, почвенно-гидрологических, геохимических. Вместе взятые, экологические факторы формируют среду обитания сельскохозяйственных животных. Жизнедеятельность животных, их продуктивность, воспроизводительная способность и естественная резистентность определяются «качеством» среды, сложившейся в биогеоценозах и территориях, преобразованных сельскохозяйственной деятельностью человека. При благоприятных экологических условиях продуктивность животных повышается, создаются предпосылки для увеличения поголовья животных и улучшения качества животноводческой продукции. При негативных изменениях среды условия обитания сельскохозяйственных животных ухудшаются, темпы развития животноводческой отрасли снижаются. При ухудшении геохимической обстановки в ландшафтах у животных возникают и развиваются не только эндемические болезни, но и повышается эпизоотическая напряженность.

Жизнь в природе устроена таким образом, что одни организмы служат продуктом питания других. Растения потребляют растительноядные животные, животные могут стать источником пищи для плотоядных животных или хищников. Паразиты-растения и животные-хищники в качестве продуктов питания могут использовать другие растительные и животные организмы. На паразитах паразитируют сверхпаразиты. Хищники первого порядка оказываются жертвой хищников второго порядка. Каждый биологический вид использует определенные источники питания и в то же время сам служит пищевым объектом организмов других видов. Между пищевыми партнерами устанавливается взаимная адаптация, в том числе при различных аномальных состояниях определенных территорий. Концепция межвидовой борьбы и конкуренции, господствовавшая в 19 веке, на современном этапе заменяется иной, в основе которой лежит идея взаимной приспособляемости видов. В процессе длительной эволюции между трофически связанными видами — организмами, пожирающими и пожираемыми — сложилось экологическое равновесие. Биологические системы (растения — растительноядные организмы, паразит — хозяин, растительноядные организмы — хищники, хищники первого порядка — хищники высшего порядка, паразит — сверхпаразит) работают таким образом, что переход веществ с одного уровня на другой не причиняет вреда ни одной из взаимодействующих популяций. Трофические связи между организмами имеют важное биогеоценотическое значение. Они обеспечивают саморегуляцию биогеоценозов. Каждый вид растений, животных и микроорганизмов занимает необходимую для них экологическую нишу.

Элементы минерального питания животных поступают в их организм не только через пищеварительный тракт (с растительной и животной пищей, с водой), но и через дыхательные пути (например, йод с вдыхаемым воздухом). Отсюда ясно, что эндемические болезни животных могут возникнуть при неблагоприятном химическом составе не только литосферы и гидросферы, но и даже атмосферы.

Некоторые виды животных более строго специализированы в питании, они поедают только один вид корма. Такие животные составляют звено одной пищевой цепи. Другие виды употребляют разнообразную пищу, поэтому они являются звеньями разных пищевых цепей. Питаясь зелеными растениями, животные могут стать первичными потребителями в одной пищевой цепи, а другие виды, поедая травоядных и плотоядных, становятся вторичными или тре тичными потребителями в других цепях питания. Организмы многих видов могут занимать разное положение в самых разнообразных пищевых цепях. Поэтому цепи питания переплетаются, образуя сложные пищевые сети. Трофические сети представляют собой своеобразные «экологические каналы», по которым химические элементы передвигаются из одного пункта биосферы в другой > из водных экосистем в наземные, и наоборот. Любое стойкое химическое соединение, вовлеченное в пищевую сеть, в течение длительного времени может мигрировать по биосфере и оказаться в телах организмов, обитающих в любой другой зоне. Например, ДДТ был обнаружен в Антарктиде в организмах пингвинов, то есть на континенте, куда этот препарат не завозили и где его никогда не применяли. Следовательно, источники химических загрязнений, вызывающих химические энзоотии, могут находиться на больших расстояниях от места обитания сельскохозяйственных животных, что следует учитывать при расшифровке природы эндемических болезней.

Мигрируя по пищевым цепям, химические вещества трансформируются и превращаются в другие соединения. В основном они инактивируются, превращаясь в химические соединения, безвредные для организма. Но так бывает далеко не всегда. Иногда они трансформируются в более ядовитые вещества, чем исходные продукты. Стойкие химические соединения, продвигаясь по пищевым цепям, интенсивно накапливаются в организмах, стоящих на высших уровнях экологической пирамиды. В конечных звеньях пищевой цепочки концентрация таких соединений может возрастать в десятки и сотни раз. Для оценки концентрирования химических соединений на разных трофических уровнях очень часто определяют коэффициент накопления — отношение содержания химического вещества к содержанию его в окружающей среде. Ветеринарная оценка концентрирования химических веществ в пищевых цепях имеет важное значение для изучения геохимических энзоотий, их диагностики и профилактики.

В аграрных ландшафтах пищевые цепи вовлечены в сферу сельскохозяйственной деятельности человека. Человек создает искусственные пастбища, выращивает и собирает в искусственно созданных условиях урожай сельскохозяйственных культур и кормовых трав, организует транспортировку кормов и их хранение. Многие корма подвергаются консервированию и технологической переработке (измельчение, запаривание, силосование, дрожжевание и т. д.).

Человек может удлинять или укорачивать пищевую цепь, одни звенья заменять другими. Регулируя переход веществ и энергии, человек разработал режимы кормления животных, рассчитанные на более эффективное использование кормов в рационах. По желанию человека переход веществ в животные организмы может осуществляться также по путям, которые в естественных условиях никогда не встречаются.

Экологически обоснованные методы кормопроизводства, технологии переработки и хранения кормов, их скармливания играют важную роль для профилактики эндемических болезней животных, повышения их продуктивности и воспроизводительной способности. Однако неэкологичное вмешательство человека в пищевые цепи может стать причиной заболевания животных, возникновения макро- и микроэлементозов, то есть эндемических болезней. Макро- и микроэлементозы развиваются при загрязнении почвы, воды и воздуха химическими веществами, несбалансированности рациона кормления животных по макро- и микроэлементам. Всесторонняя оценка биогеохимических трофических цепей от их начала до конечных звеньев — необходимое условие выяснения природы эндемических болезней с целью разработки методов их профилактики в системе дальнейшего совершенствования и развития животноводческой отрасли во всех регионах страны.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >