Экологические свойства, или экологические характеристики, растений отражают экологические требования каждого вида, то есть приспособленность жить и распространяться в местообитаниях с комплексом экологических факторов, характеризующихся подходящим уровнем показателей. Другими словами, растения нормально проходят полные циклы своего развития лишь при наличии соответствующих их биологическим особенностям условий среды, природной или культивируемой человеком. Такие условия и определяют ареалы каждого вида растений.
Экологические характеристики растений разнообразны и индивидуальны. В то же время, имеются растения со сходными характеристиками. Поэтому, с одной стороны, в каждой природной зоне встречаются растения с разными экологическими свойствами — это и определяет различия растительности разных зон. С другой стороны, сходство экологических характеристик позволяет в одном и том же местообитании, в одной и той же природной зоне произрастать большому числу видов и формировать им в различных сочетаниях разнообразные растительные сообщества.
Распространение разных видов растений и успешность их возделывания зависят не только от их экологических индивидуальных характеристик, но и от способности того или другого вида растений произрастать совместно с другими видами с различающимися (в большей или меньшей степени) экологическими свойствами, а также от направленных действий человека, агронома или любителя-садовода, учитывающего экологические требования растений и создающего для них необходимые условия для пышного роста. Важное практическое направление современной агрономии — экологическое растениеводство. Суть его заключается в следующем: при выращивании растений в определенных природных условиях успех обеспечивается при выборе видов растений, приспособленных к данным условиям, то есть растений с экологическими характеристиками, соответствующими этим условиям. Для обеспечения успеха выращивания выбранных, желательных видов растений в местообитаниях (зонах), не соответствующих экологическим требованиям этих растений, специалист или любитель должен создать с помощью приемов агрономии такие необходимые условия. При значительных различиях имеющихся условий и требований растений приходится заниматься так называемой «выносной культурой»: в течение особенно неблагоприятных для экзотических растений периодов их держат в специальных помещениях с контролируемыми показателями тепла, влаги и света, а в период благоприятных условий выносят культивируемые растения из помещений в парк или на приготовленные площадки на частных участках. Например, оригинально выглядели ряды мандариновых деревьев, выращиваемых в бочках и вынесенных на время в аллею парка в Дармштадте в Германии (в тех природных условиях мандарины постоянно под открытым небом расти не могут). Гуляющие в парке с удивлением и любопытством рассматривали развивающиеся на этих небольших мандариновых деревцах плоды.
Экологическое растениеводство подразумевает производство не любой, а экологически чистой продукции. Экологически чистое производство практикуется все шире в разных странах, и к началу XXI в. оно уже имелось в 100 странах мира, а земли для такого производства (экологически чистые) занимают на планете 24 млн га. Первое место по количеству возделываемых экологическим способом земель принадлежит Австралии — 10 млн га, страны Латинской Америки владеют 5,8 млн га таких земель, страны Европы — 5,5 млн га, Северной Америки — 1,5 млн га. Такое направление растениеводства становится все масштабнее: продукции производят все больше, теперь практически в каждой стране. За два года (2003-2004) площади земель под таким производством возросли в Финляндии на 50%, в Дании — на 113%, в Италии — на 69%, в Норвегии — на 97%, в Англии — на 115%. Существенной составляющей философии такого производства является чистота: недаром знак маркировки российской экопродукции называется «чистые росы». В этом названии отражены и чистота продукции, и ее российское происхождение.
Очевидна связь экологических характеристик растений с экологическим производством, так как чем правильнее будут подобраны растения для возделывания в тех или иных условиях, тем меньше потребуется принимать дополнительных мер (речь идет о внесении удобрений, применении различных химических препаратов и др.) для создания благоприятных условий для растений. Соответственно, с большей гарантией будет обеспечено производство экологичной продукции. Кстати, экологи подчеркивают, что когда говорится о такой продукции, не обязательно называть ее «экологически чистой» — достаточно назвать «экологичной», так как последнее подразумевает чистоту.
Учение об экологической индивидуальности растений особенно глубоко развивалось известным геоботаником-экологом и дом России Л. Г. Раменским. Экологические характеристики растений определяются на основании результатов изучения их приспособленности к условиям среды. Фактически, такие данные получаются при изучении особенностей, оценке активности и динамики роста всех основных органов растений: побегов, корней, листьев, цветков. При проведении таких исследований и наблюдений экология особенно тесно переплетается с ботаникой, физиологией растений, географией растений. Много примеров подхода приводит в своей книге В. Б. Мак-Дуголл (1935). Так, при изучении побегов, которые, как известно, состоят из стебля, листьев и генеративных органов (цветков, соцветий), в первую очередь определяют массу и распределение по высоте листьев, изучают формирование генеративных органов. Часто стебли (стелящиеся, подземные — корневища) служат для вегетативного размножения растений, поэтому важно определить условия, необходимые для их развития и функционирования. Распределение листьев на растениях, особенно на деревьях, кустарниках, зависит от формы кроны, развития и размеров ветвей. Это важно для результативного использования растениями света. Особенно эффективны конусообразная форма крон многих хвойных деревьев, а также раскидистые, зонтиковидные и другие формы крон.
Наибольшие потери воды у растений происходят через листовую поверхность. Для уменьшения этих потерь растения имеют приспособления. Например, тропические вечнозеленые деревья и кустарники имеют фактически неограниченную листовую поверхность: влажный климат тропиков делает ненужной защиту от излишнего испарения — воды всегда вдоволь. Поэтому в целом условия роста в тропической зоне считаются идеальными для растений, что и подтверждается пышным и мощным развитием там множества видов.
Другой вариант: вечнозеленые деревья и кустарники. Их подразделяют на две группы, в зависимости от особенностей климата, в котором они распространены. В районах с жарким климатом у растений летом и теплой влажной зимой (Крым, Калифорния) формируются широкие, плоские, блестящие и плотные листья, например, у падуба, маслины, а в районах с холодной зимой — листья с игловидными листьями (сосна, ель): они могут весь год, но замедленный темп испарения такими листьями снижает активность газообмена и, следовательно, скорость фотосинтеза.
И еще вариант приспособлений: вечнозеленые растения (деревья и кустарники), лишенные листьев. Такие растения еще лучше защищены от испарения, так как поверхность, через которую у них может испаряться вода, очень мала. Газообмен и производство органического вещества у таких растений осуществляются стеблем, однако они не могут быстро вырабатывать углеводы и быстро расти: это кактусы самых разных размеров и огромные молочаи пустынь Америки и Африки.
Деревья и кустарники с опадающей листвой теряют ее с наступлением сухого или холодного периодов. И это преимущество таких растений в умеренном климате: они активно в теплые сезоны, а при неблагоприятных условиях лишние траты воды и энергии предотвращены. Но в каждый новый теплый сезон такие растения затрачивают часть энергии на создание новой массы листьев (а без нее в холодное время года они совершенно лишены возможности).
Аналогично приспособлены к разным условиям кустарнички и травянистые растения: среди них есть как вечнозеленые (брусника, барвинок, грушанка, одуванчик), так и растения с опадающей листвой (черника, манжетка, козелец, различные виды клевера и многие другие луговые, лесные и болотные травянистые растения).
Однолетние растения переживают неблагоприятные условия холодных сезонов в виде семян (озимые однолетние растения перезимовывают в виде совсем небольших кустиков с укороченными побегами и маленькими листиками).
Стебли растений, кроме того, изучаются и как органы запаса (особенно подземные стебли-корневища), а также как органы, возносящие ветви и листья на самую разную высоту: от 1-2 см до 90-100 м и более.
Листья очень важны в экологическом плане: они должны в принципе обеспечивать интенсивный фотосинтез, но одновременно не допускать чрезмерно быстрой потери воды через испарение. В связи с этим важны строение тканей листа, форма, расположение пластинок листа по отношению к свету и общая площадь листовой поверхности. Листья также могут быть запасающими органами, например, накапливать воду в своих тканях, как у агав в пустынях Мексики, у алоэ в Африке. На Северо-западе России на сухих местах тоже растут такого типа растения: заячья капуста с утолщенными сочными листьями, молодило отпрысковое, очиток едкий. Иногда у растений в листьях накапливаются кристаллы некоторых солей как продуктов выделения и при листопаде растения освобождаются от ненужных им веществ, что. важно, так как специальных органов выделения у растений нет.
Экологи изучают и корни растений, органы, всасывающие воду и минеральные вещества и укрепляющие растения на месте произрастания. Строение корней отличается от строения стеблей, они разные по форме, величине, глубине проникновения в почву. В связи с этим возможности растений самые разные. Например, взрослые растения кукурузы оказывают сопротивление прямому вертикальному выдергиванию, эквивалентному приложению силы, которая соответствует 90 (даже до 135) кг. Как сложно выдернуть различные растения из почвы, вероятно, убеждался каждый, начиная с детских опытов добычи морковки в огороде у дедушки и бабушки. Нелегко пересаживать даже молодые декоративные и плодовые деревца и кустарники, выкапывая их из почвы, а что уж говорить о корчевке пней крупных деревьев — запоминающееся занятие, если это делать вручную!
Мощны корни деревьев, долго сопротивляющиеся ветрам, вплоть до ураганных, лавинам с гор, размывам у берегов рек и озер. Это свойство деревьев и кустарников используется для предотвращения эрозии; при этом не забудем высоко оценить и травы, образующие сплошные покровы, очень эффективно противостоящие размывам и эрозии. Они в иных случаях превосходят в этом качестве даже деревья — те все-таки имеют пределы, в которых выдерживают ветер и размывающее действие воды: в конце концов валятся.
Корни являются и запасающим органом. Широко используются, например, мясистые корни свеклы, пастернака, одуванчика, цикория, сельдерея и других растений. Такая же роль и утолщенных клубневидных корней, например, георгины и сладкого картофеля -батата. В подземных стеблевых клубнях топинамбура, или земляной груши, накапливается инулин — растворимый углевод, имеющий большое медицинское значение; инулин накапливается также в корнях георгины, одуванчика и других растений. Растения с мощными и удлиненными корнями лучше возделывать на рыхлых почвах с достаточно толстым пахотным слоем, до 20-25 см и более.
В экологическом плане важно, что активность корней, связанная с всасыванием питательных веществ из почвы, и рост корней зависят от обеспеченности почвы водой и теплом. Корни обычно растут по направлению к воде и прекращают рост в слоях почвы с недостатком тепла. Но при этом надо учитывать, что вода и воздух в почве являются антагонистами, потому существует оптимальное их сочетание для растений. Однако целые экологические группы растений приспособилась выживать при выраженных длительных дефицитах влаги в почве (пустынные растения), а другие, наоборот, при переувлажнении, даже постоянном (болотные растения). Более того, существуют водные растения с особыми корнями: они обычно менее развиты, чем корни наземных растений. У некоторых водных растений корней нет совсем, и всасывание у них происходит через стебель или листья. Например, у сальвинии, водного папоротника, одни листья широкие и плоские, плавающие на поверхности воды, а другие — сильно рассеченные, свешивающиеся в воду и выполняющие функцию корней. Известная ряска малая имеет один небольшой корешок, а другое водное растение — с очень тонким стеблем (1 мм в диаметре) и без корней. У некоторых водных растений корни достигают дна водоема.
Лазающие растения, например, ядовитый сумах, монстера, могут формировать воздушные корни: они обычно играют роль опоры и не способны выполнять функцию всасывания. Есть воздушные корни и у некоторых многолетних и однолетних травянистых злаков, например тростянки, или светлухи, произрастающей на, пойменных лугах (например, в пойме Иртыша) — воздушные корни у нее свисают с узлов побегов, расположенных невысоко над поверхностью почвы. У кукурузы воздушные корни, удлиняясь, проникают в почву и служат в качестве обычных корней. Такое приспособление помогает кукурузе выдерживать сухую погоду и недостаток влаги в местах ее произрастания — в степной зоне.
Таким образом, различные уровни приспособленности растений к условиям среды материализуются через особенности и свойства их органов.
Виды симбиоза в мире растений
Симбиоз, или сожительство, — это совместная жизнь двух и более неодинаковых организмов, принадлежащих к разным видам. Симбиоз важен для растений, он определяет и обеспечивает конкретные условия для их жизни. В связи с этим симбиоз можно считать экологическим фактором биологического плана. Американский эколог растений В. Б. Мак-Дуголл выделяет две группы вариантов симбиоза:
1) бесконтактный симбиоз: зависимые друг от друга организмы — симбионты — не находятся в непосредственном продолжительном контакте;
2) контактный симбиоз: симбионты находятся в непосредственном контакте в течение всего своего жизненного цикла.
Оба эти вида симбиоза бывают непитательными или питательными.
К непитательному (и частично питательному тоже) бесконтактному симбиозу относятся внешние взаимоотношения растений, произрастающих совместно в одних растительных сообществах. Например, в лесу, в лесном фитоценозе, состоящем из разных видов растений, все особи данных видов находятся в таком виде симбиоза: они связаны одним местом обитания, в котором каждый экземпляр растений в той или иной степени меняет среду, затеняя местообитания, накапливая влагу, сохраняя больше тепла, чем на открытом месте, изменяя питательный режим в почве, поглощая из нее различные вещества; более того, растений, разлагаясь, поставляет новую пищу для участников лесного фитоценоза (это уже питательный вариант симбиоза). Деревья и кустарники, влияя на факторы среды, фактически определяют, какие виды растений могут жить в данном лесу. Интересно, что растения, относящиеся к этим жизненным формам, не только создают особую среду в лесу, но и в определенной степени от нее зависят. Практически все виды лесных деревьев и кустарников могут жить и вне леса, группами или даже единичными экземплярами (в полях, у дорог, в парках, усадьбах). Но кустарнички и травы, особенно некоторые, типичные для леса виды, настолько связаны именно с лесными местообитаниями, что никогда «не выходят» из леса, не могут расти ни на лугу, ни в поле, ни на усадебных участках, если там нет полога и среды, создаваемой деревьями. К таким кустарничкам, типично лесным (в том числе произрастающим на лесных болотах), относятся черника, костяника, брусника, голубика, малина, морошка, багульник. До 20, а в некоторых местностях и до 40% видов многолетних травянистых растений могут выйти из леса и встретиться на лугах, но большая часть их является типично лесными травами: печеночница благородная, ветреница дубравная, копытень европейский, весенний, чина лесная, зеленчук желтый, луговик извилистый, бор развесистый, колокольчик, вороний глаз, перловник поникший и др.
Бесконтактный питательный симбиоз может быть антагонистическим. Яркий пример таких взаимоотношений: пастбищные растения — пасущиеся животные. Другой пример такого рода взаимосвязей в мире природы: использование муравьями-листорезами (живущими в тропических лесах) кусочков зеленых листьев, которые они вырезают на некоторых растениях. Пережевав такие кусочки до состояния мягкой массы, муравьи выплевывают ее на предварительно очищенную на земле. Затем в листовой мякоти муравьи сажают мицелий (нитевидное тело) гриба, сходного с мухомором из наших лесов умеренной зоны. После разрастания гриба муравьи употребляют его в пищу, при этом они не допускают, чтобы гриб образовал шляпки.
Термиты, которых называют белыми муравьями, также культивируют грибы, но только на экскрементах, потребляя мицелий этих грибов.
В мире растений встречаются и обратные взаимоотношения с животными — в случаях, когда растения способны переваривать и всасывать животную пищу. Есть такие растения в тропических лесах, но имеется представитель и у нас, на севере лесной зоны, на болотах — небольшое растеньице росянка круглолистная (встречаются и другие виды росянок). Округлые листочки образуют розетку, как бы лежащую на поверхности сфагнового болота. Листочки покрыты волосками, и на каждом из этих мелких волосков находится капля полужидкого вещества, блестящего, как роса. Когда насекомое соприкасается с каким-нибудь из волосков, оно крепко приклеивается. Другие волоски сгибаются над пойманным насекомым и выделяют ферменты, переваривающие белки, которые и всасываются растением. После такого использования насекомого растением в качестве пищи выделение ферментов прекращается, волоски медленно разгибаются и лист снова становится готов принять очередную жертву. В семейство росянковых и еще два близких к нему тропических семейства входит более 150 видов насекомоядных растений. Среди них имеется 90 видов росянок: в Австралии и тропиках и 4 вида в России, на болотах европейской и азиатской частей страны. Растения этого семейства также распространены в Средиземноморье и в Северной Америке.
Другой пример неконтактного питательного симбиоза — опыление растений посредством животных (опыление с помощью ветра или воды не относится к симбиозу). При таком виде симбиоза одни организмы получают пищу от других, причем те, которые являются источниками такой пищи, взамен никакой пищи не получают, но все же имеют выгоду от таких взаимоотношений. Насекомые посещают цветки с целью собирания пищи — нектара или пыльцы. Во время таких контактов с цветками они и производят опыление, фактически случайно.
Биологи считают такие отношения между насекомыми и растениями замечательным и чудесным явлением в мире природы. Наиболее важными опылителями являются пчелы и шмели, но также опыляют растения осы, трипсы, муравьи. Надо упомянуть еще бабочек и бражников: бабочки летают обычно днем, а бражники — ближе к вечеру и ночью. Некоторые виды бражников, особенно сфинксы, так же точны в своих полетах, как и пчелы. Они посещают только определенные растения, цветущие в ночное время, например, вьющуюся жимолость каприфоль с душистыми кремовыми цветками, i источающими вечерами в садах тонкий аромат корицы.
В опылении растений насекомыми большое значение имеют цвет, форма, запах цветов, а также привычки разных видов насекомых. Особенно хорошо изучены такие привычки и поведение у медоносных пчел: Чарльз Дарвин называл их «очень хорошими ботаниками».
Существенна и роль птиц как опылителей растений. Особенно часто отмечается значение многочисленных колибри в Южном полушарии. Однако, роль насекомых как опылителей, несомненно, ведущая в природе.
В непитательный контактный симбиоз. Наиболее известный и типичный пример такого взаимоотношения растений — рост вьющихся растений на других растениях как на подпорках; получение пищи при этом отсутствует. Среди таких растений особенно характерны лианы. Растения, по которым взбираются лианы, называются растениями-хозяевами. Особенно разнообразны лианы по форме и величине в тропических лесах. В наших местностях известны такие растения-лианы как фасоль (на огородах) и сладко-горький паслен (типичное растение сыроватых местообитаний, встречающееся у окраин болот, по берегам ручьев, рек, канав). Растением-хозяином паслена (к слову, ядовитого растения, но с такими притягательными блестящими красными ягодками-капельками!) чаще всего является ольха, по которой паслен может взбираться на высоту до 2-4 м. К лианам можно отнести и настурцию, хмель, клематис, конечно, виноград, а также ежевику и разновидности роз, пользующиеся подпорками: розы.
Питательный контактный симбиоз может различаться по типу взаимоотношений его участников. К такому виду симбиоза относится паразитизм. Паразитами бывают растения и животные, добывающие пищу от других организмов. Растения, лишенные хлорофилла, всецело зависят от хозяина, получая от него питание. Это полные паразиты, например, повилика (несколько видов), которая при помощи присосок прикрепляется к культурным растениям (клеверу, льну, конопле, иногда и к плодовым деревьям, хмелю) и высасывает питательные вещества, снижая урожайность культур. Кроме того, повилика еще и ядовита — при поедании ее вместе с клевером отравляются домашнее животные. Известная нам раффлезия (несколько ее видов) — растение тропических лесов — тоже паразит. Вся вегетативная часть раффлезии живет внутри растения-хозяина и видна раффлезия делается только с начала цветения, когда образуется ее цветок на поверхности земли (а цветок этот, напомню, — самый крупный среди всех растений в мире).
В европейских лесах, в том числе на территории России, встречается бесхлорофилльное приземистое растение петров крест почечуйный — полный паразит в течение всей своей жизни. Растение имеет чешуйчатые бледно-лиловые мясистые листья и лиловые цветки в соцветии колосе. Паразитирует, прикрепившись подземными частями к корням деревьев и кустарников, особенно часто к корням лесного ореха — лещины.
К известным полупаразитам относятся омелы: омела европейская и омела американская. Эти растения содержат хлорофилл и синтезируют углеводы, но живут на стволах и ветвях деревьев, срастаются с ними и получают от растения-хозяина воду и минеральные вещества. Видел много деревьев с большим числом омел на их ветвях, когда проезжал с коллегами по дорогам близ долины Эльбы: омелы имели вид кустиков с ветвями длиной 30-50 см, а веточки их были усыпаны белыми ягодами (дело было в сентябре). Омела — лекарственное растение, из ее молодых веточек с листочками приготовляют лекарство, снижающее кровяное давление.