Ympäristötekijät ja eliöiden sopeutuminen

Auringon valo- ja lämpösäteily ylläpitävät elämää maapallolla. Lisäksi vesi on kaiken elämän edellytys. Eliöiden selviytymiseen ja levinneisyyteen vaikuttavat elinympäristön elottomat ja elolliset ympäristötekijät. Lämpötilan ja veden saatavuuden ohella mm. suolapitoisuus ja happamuus vaikuttavat eliölajien maantieteelliseen levinneisyyteen.

Eliömaailma on monimuotoisinta alueilla, missä elämän perusedellytykset ovat suotuisimmat, kuten trooppisissa sademetsissä. Mitä kauemmaksi päiväntasaajalta kohti napa-alueita siirrytään, sitä suuremmat ovat erot vuodenaikaisissa valo- ja lämpöoloissa. Eliöiden on täytynyt sopeutua näihin vuodenajoittain vaihteleviin ja ankariin olosuhteisiin. Vaativissakin olosuhteissa esiintyy kuitenkin eri eliöryhmien edustajia. Tämä johtuu osittain eliöiden hyvästä sopeutumiskyvystä.

Ekologia tutkii eliöiden ja niiden elollisen ja elottoman ympäristön välisiä vuorovaikutussuhteita sekä eliöiden runsauteen ja levinneisyyteen vaikuttavia tekijöitä.

Ekologisen tutkimuksen tarkastelutasot vaihtelevat eliöyksilöstä koko maailmanlaajuisen elokehän (biosfäärin) toiminnan selvittämiseen. Yhdestä yksilöstä kerätty tieto ei aina ole yleistettävissä muihin saman populaation yksilöihin, sillä esim. tutkittavan yksilön käyttäytyminen voi poiketa lajille tyypillisestä käyttäytymisestä. Tutkimuskohteeksi valitaankin usein kaikki samalla alueella elävät tietyn lajin yksilöt, eli populaatio.

Tarkastelutasona voivat olla myös alueen kaikki populaatiot yhdessä, eli eliöyhteisö. Tämä on perusteltua, sillä eri lajien yksilöt ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Vaikka vuorovaikutus ei olisi suoraa (kuten esim. saalistus), lajit vaikuttavat toisiinsa välillisesti ravintoverkossa toisten lajien kautta.

Eloton luonto, kuten vesi ja lämpötila, vaikuttavat merkittävästi eliöiden menestymiseen, kasvuun ja lisääntymiseen. Ekosysteemiekologiassa tutkitaankin järven, metsän tai pellon ekosysteemiä kokonaisuutena, ts. alueen kaikkia populaatioita sekä niihin vaikuttavaa elotonta luontoa.

Ekologisen tutkimuksen avulla saadaan tietoja eliöiden elinvaatimuksista ja elinmahdollisuuksista. Tätä tietoa voidaan soveltaa ympäristön- ja luonnonsuojelussa.

Sietoalueeksi sanotaan tietyn abioottisen tekijän vaihteluväliä, joka rajoittuu minimi- ja maksimiarvon väliin. Parasta mahdollista ympäristöä eliön kasvulle ja lisääntymiselle sanotaan optimiksi. Kullakin lajilla on lajikohtaiset optimit eri ympäristötekijöille mm. ravinteiden, pH:n ja lämpötilan suhteen.

Oikea lämpötilaoptimi on tärkeää yhteyttämisen kannalta. Pohjolan kasveille yhteyttäminen on tehokkainta n. 20–30 ˚C vaihteluvälissä, kun taas tropiikin kasveilla lämpötilaoptimi on yli 30 ˚C:n. Yleensä yhteyttäminen alkaa, kun lämpötila nousee yli 0 ˚C:n. Jos joku ympäristötekijä ylittää tai alittaa sietoalueen, se rajoittaa yksilön ja populaation menestymistä.

Jos jonkin lajin sietoalue on laaja, sen elinpaikkavaatimukset ovat väljät. Tällöin laji voi esiintyä erilaisissa ympäristöissä ja olosuhteissa. Esimerkiksi isorotta on laji, jota tavataan kaikilla mantereilla Antarktista lukuun ottamatta.

Indikaattorilaji on eliö, joka on erityisen herkkä tietylle ympäristötekijälle ja sen muutokselle. Tästä syystä ilmentäjälajin sietoalue on kyseisen ympäristötekijän suhteen kapea. Rakkolevän sietoalue veden puhtauden suhteen on kapea. Siten rakkohaurun esiintymismäärät kertovat veden rehevöitymisestä. Rakkohauru on veden laadun ilmentäjä- eli indikaattorilaji.

Muutos jo yhdessäkin ympäristötekijässä voi heikentää eliön menestymistä, vaikka kaikki muut tekijät olisivat sietoalueella. Esimerkiksi naavat ja jäkälät sietävät huonosti ilmansaasteita, ts. ne ovat ilman laadun ilmentäjä- eli indikaattorilajeja. Jäkälälajien kesken on eroja, esim. sormipaisukarve, jolla on laaja sietoalue, kestää ilmansaasteita paremmin kuin naavat, joilla on kapea sietoalue.

Jokaisella lajilla on lajikohtaiset tarpeet elottoman ja elollisen ympäristönsä suhteen. Kun huomioidaan resurssit, jotka laji tarvitsee, mm. pesäpaikka ja ravinto ja lajin menestymiseen vaikuttavat muut ympäristötekijät, esim. saalistajat, lajikumppanit, taudit ja lämpötila, muodostuu niistä kokonaisuus, jota nimitetään lajin ekologiseksi lokeroksi.

Valokuvan lajien erilaisen rakenteen perusteella on helppo päätellä, että niillä on erilaiset ekologiset lokerot. Lajit elävät savannin eri osissa, syövät erilaista ravintoa jne.

Ekologinen lokero kuvaa siis kaikkia niitä luonnon tarjoamia resursseja, joita laji tarvitsee. Ekologinen lokero ilmaisee lajin vuorovaikutussuhteet elottomaan ympäristöön ja muihin eliöihin saalistuksen ja kilpailun kautta.

On olemassa eriasteisia ekologisia lokeroita. Peruslokero on laaja-alaisin, ja sitä esiintyy tilanteessa, jossa kilpailua ei ole. Kilpailu supistaa peruslokeron toteutuneeksi lokeroksi. Ydinlokeroa ahtaammassa lokerossa populaatio ei enää tule toimeen.

Kahden lajin (lokeroiden) suhdetta voidaan kuvata lokeroiden päällekkäisyyden määrällä. Jos kaksi eliötä käyttää osittain samoja resursseja, ne joutuvat kilpailemaan keskenään.

Tämä johtaa eliöiden ekolokeron supistumiseen. Jos kahdella lajilla on täysin sama ekologinen lokero, se voi johtaa kiristyvään lajien väliseen kilpailuun. Tästä voi vielä seurata syrjäyttävä kilpailu, joka voi päätyä jopa toisen lajin sukupuuttoon.

Sukupuuttoon päättyneestä kilpailusta on esimerkkinä minkki (oikealla) ja vesikko (vasemmalla). Minkki tuotiin Suomeen tarhattavaksi Pohjois-Amerikasta 1920-luvulla. Minkkejä pääsi tarhoista karkuun niin paljon, että ne alkoivat lisääntyä luonnossa. Minkki valtasi ekolokeron, joka ennen oli kuulunut vesikolle. Vesikon häviämistä Suomen luonnosta minkin tulo ei kuitenkaan kokonaan selitä.

Luonnonvalinnan avulla eliölajit ovat sopeutuneet erilaisiin elinympäristöihin, jolloin populaatiot selviytyvät uusissa ja muuttuvissa ympäristöoloissa. Eliölajeille on kehittynyt sopeumia (adaptaatio), jotka voivat periytyä jälkeläisiin ja saattavat siten yleistyä populaatiossa. Esimerkiksi vesikasvit ovat sopeutuneet evoluution kuluessa vesiympäristöön ja poikkeavat siksi rakenteeltaan maakasveista. Vesikasvien edeltäjissä on tapahtunut mutaatioita, jotka ovat edistäneet vesiympäristöön sopeutumista. Nämä mutaatiot ovat olleet hyödyllisiä ja nostaneet lajien kelpoisuutta. Vähitellen ne ovat yleistyneet populaatioissa. (Katso tarkemmin BI1-moduulin kirjasta).

Lisäksi yksilöt voivat mukautua erilaisiin ympäristöolosuhteisiin kasvupaikasta johtuvien tekijöiden takia (muovautumismuuntelu). Eliöyksilö voi sopeutua luonnossa moneen ympäristötekijään (esim. ilmasto-olosuhteeseen) samanaikaisesti. Tällöin on kyse  akklimatisaatiosta. Tällaisia usein vuodenaikojen vaihteluun liittyviä, muuttuvia tekijöitä ovat mm. valaistus, lämpötila, kosteus ja ravinnon määrä. Muovautumismuuntelu ja akklimatisaatio ovat ympäristön aiheuttamia, joten niiden aikaansaamat muutokset eivät periydy eliön jälkeläisille.

Kun eliöyksilö mukautuu ympäristöönsä, tapahtuu aineenvaihdunnallisia (fysiologisia) muutoksia, jotka nostavat eliön suorituskykyä muuttuneessa ympäristössä. Tällaisia muutoksia voidaan havaita mm. eliön entsyymiaktiivisuuksissa, hormonitasoissa ja hermoston toiminnassa. Mukautuminen tapahtuu yksilössä melko lyhyessä ajassa päivien ja viikkojen aikana. Esimerkiksi ihmisen fysiologinen tottuminen helteeseen kestää n. kaksi viikkoa mm. hikoilutehon parantuessa. Jos välillä on pari viikkoa kylmää, alkaa tottuminen alusta.

Vuorikiipeily yli 2 500 metrin korkeudessa edellyttää elimistön toimintojen tottumista pienempään ilmanpaineeseen ja vähentyneeseen hapen osa-paineeseen. Vuoristotaudin oireet alkavat kehittyä, jos vuorikiipeilijä nousee liian nopeasti korkeammalle eikä hänen elimistönsä ehdi fysiologisesti tottua uuteen korkeuteen.

Laboratorio-olosuhteissa lauhkeiden vyöhykkeiden kasvit voidaan eri lämpötiloihin totuttamalla saada kestämään pakkaslämpötiloja, tai toisaalta kylmien vyöhykkeiden kasvit voidaan totuttaa elinympäristöään korkeampiin lämpötiloihin.

Fysiologista tottumista käsitellään myös BI1-kirjassa.

Eliömaantiede on biologian ja maantieteen osa-alue, joka käsittelee kasvien ja eläinten maantieteellistä levinneisyyttä. Lajin levinneisyys riippuu lajin ympäristövaatimuksista, ympäristötekijöiden saatavuudesta, sopeutumiskyvystä ja lajin kyvystä levittäytyä uusille alueille. Lajin levinneisyysalue kattaa vain sellaiset alueet, joissa olosuhteet ovat lajin menestymisen kannalta sopivat, eli ovat sietoalueella.

Eliön levinneisyyttä rajoittaa usein abioottiset tekijät, kuten lämpöolot. Esimerkiksi puutiainen (punkki) esiintyy pääasiassa Suomen rannikkoseudulla ja saaristossa. Puutiainen on kuitenkin vähitellen levittäytynyt sisämaahan ja pohjoiseen. Nykyään puutiaisen levinneisyys kattaa koko Etelä- ja Keski-Suomen, ja niitä on tavattu aivan pohjoisinta Lappia lukuun ottamatta. Ympäristöoloista johtuen alueelliset erot puutiaisen yleisyydessä ovat suuret. Puutiaisen kannalta tärkeimmät ympäristövaatimukset ovat oikea kosteus ja lämpötila. Kun lämpötila nousee keväällä yli viiden asteen, puutiaiset lähtevät liikkeelle.

Oheisessa kartassa on esitetty puutiaisen ja sen kantaman TBE-viruksen levinneisyys Suomessa. TBE-virus leviää puutiaisen ­piston välityksellä ja aiheuttaa puutiaisaivokuumetta (Kumlingen tauti). Sen lisäksi puutiaiset levittävät bakteeriperäistä borrelioosia.

Lajit ovat sopeutuneet pitkän ajan kuluessa tietynlaisiin paikallisiin elinolosuhteisiin. Ilmastonmuutoksen (kohonneet lämpötilat, kuivuus, tulvat, sään ääri-ilmiöt) myötä useilla alueilla elinolosuhteet ovat muuttuneet liian nopeasti, ja monet elinympäristöt ovat pienentyneet tai kokonaan katoamassa. Ilmaston lämpeneminen näkyy jo monien eliölajien levinneisyysalueissa tapahtuneissa muutoksissa. Ilmastovyöhykkeiden siirtyminen kohti napoja siirtää lajeille suotuisten elinympäristöjen sijaintia ja laajuutta. Eliöiden levinneisyysalueet (painopisteet) ja niiden pohjoisrajat voivat siirtyä ja ovat jo osin siirtyneet kohti napoja. Esimerkiksi osa perhoslajeista on hyödyntänyt ilmaston lämpenemistä levittäytymällä kohti pohjoista. Toisaalta arktisten tundra-alueiden eliöt ovat vaarassa, kun pohjoinen havumetsävyöhyke siirtyy pohjoisemmaksi, ja Jäämeri rajoittaa samanaikaisesti tundran eliöiden siirtymistä pohjoisemmaksi. Esimerkiksi jääkarhu on taantunut pohjoisen jäätilanteen muututtua epäsuotuisaksi ja elinalueiden supistuessa Jäämeren toimiessa myös leviämisesteenä. Tällöin arktisille lajeille ei löydy sopivia alueita, mille levittäytyä.

Ilmastonmuutoksen vaikutukset lajien levinneisyyksiin ja monimuotoisuuteen vaihtelevat maapallon eri osissa. Muutokset keskeisesti sääoloihin vaikuttavissa lämpötilan ja sateisuuden keskiarvoissa sekä niiden vuotuisissa jakaumissa saavat aikaan suuria muutoksia ekosysteemien elinolosuhteissa, ja asettavat siten lukuisten lajien sopeutumiskyvyn koetukselle. Vaikutukset näkyvät muutoksina eliöryhmien runsaussuhteissa ja levinneisyysalueissa.

Syksyllä valon ja lämmön väheneminen lopettaa kasvien yhteyttämisen. Lisäksi kasvi ei saa talvella vettä ja ravinteita jäätyneestä maaperästä. Lehtivihreän eli klorofyllin sisältämä typpi ja fosfori otetaan talteen kasvin talvehtiviin osiin, esimerkiksi runkoon. Siksi lehden keltaiset ja oranssinpunaiset väriaineet tulevat näkyviin ruska-ilmiönä. Lehtipuut pudottavat lehtensä otettuaan niistä klorofyllin talteen.

Puiden versot silmuineen talvehtivat lumikerroksen yläpuolella. Talven jälkeen kasvien kasvu jatkuu silmusta, jossa on lehtien ja kukkien aiheet valmiina. Osa kasveista, mm. varvut, talvehtii lumen suojassa. Monilla kasveilla maanpäälliset osat kuolevat talveksi ja vain maanalaiset osat säilyvät yli talven. Kasvilajista riippuen talvehtivia osia ovat sipulit, mukulat, juurakot tai siemenet. Yksivuotiset kasvit kuolevat talven tullen. Ne talvehtivat kylmyyttä ja kuivuutta kestävän siemenen muodossa. Kasvu jatkuu keväällä siemenistä, jotka itävät yleensä vasta keväällä talven aiheuttaman kylmäkäsittelyn jälkeen. Jos kasvien siemenet itäisivät jo syksyllä, niiden taimet eivät kestäisi talven yli.

Monivuotiset kasvit, kuten puut, varastoivat yhteyttämäänsä ravintoa talvea varten kasvin talvehtiviin osiin runkoon, varteen ja juuriin seuraavan kevään kasvua varten. Ainavihreiden havupuiden solujen vesipitoisuus pienenee ja sokeripitoisuus kasvaa. Mitä väkevämpää solun soluneste on, sitä alhaisempi on sen jäätymispiste. Näin solut eivät jäädy ja rikkoudu niin helposti, ja niiden kylmänsietokyky paranee. Monet kasvit, kuten havupuut ja sammalet, talvehtivat vihreinä. Ne pystyvät yhteyttämään jo aikaisin keväällä, koska niillä on lehdet valmiina. Esimerkiksi kevätpiippo talvehtii lehtiruusukkeena, ja aloittaa siksi yhteyttämisen aikaisin sekä kukkii muiden kasvien vasta availlessa silmujaan. Havupuut voivat kärsiä keväällä veden puutteesta, kun maa on vielä jäässä, ja kun lehdet alkavat haihduttaa vettä lämpötilan noustessa.

Lähisukuisillakin lajeilla voi olla eroja talvehtimistavassa. Valokuvan mustikka tiputtaa lehtensä syksyllä ja talvehtii lehdettömänä, kun taas puolukka talvehtii vihreänä ja lehdellisenä.

Metsäjäniksen elinpiirin koko on talvella suurempi kuin kesällä. Tämä johtuu pääasiassa ravinnon saatavuudesta. Kesällä on ruohoa, lehtiä ja silmuja runsaasti ravinnoksi. Huolimatta tehokkaasta lisääntymiskyvystä metsäjäniskannat ovat pienentyneet suuressa osassa Suomea 2000-luvulla.

Jäniksen kannanvaihteluihin vaikuttavat monet ympäristötekijät, kuten ravintotilanne, taudit, metsästys ja kilpailu rusakon kanssa. Yhtenä syynä voi olla ilmastonmuutoksen aiheuttama mahdollinen talvien lämpeneminen ja lumipeitteen oheneminen. Erottuuhan valkoinen jänis vähälumisesta ympäristöstä hyvin. Lumen vähyys helpottaa myös ketun saalistusta, sillä kettu uppoaa syvemmälle lumeen kuin jänis.

Metsäjänis on sopeutunut erinomaisesti Pohjolan talveen. Karvanvaihto kesäisen ruskeasta valkoiseen talviturkkiin ja takajalkojen ”lumikengät” ovat hyviä sopeutumia lumiseen elinympäristöön.