Бочка Либиха или закон ограничивающего фактора

Немецкий ученый-химик, президент Баварской академии наук Юстус фон Либих (1803–1873) по праву считается одним из основателей современной агрохимии, поскольку именно он впервые разработал теорию минерального питания растений, которая дала толчок для развития производства и применения минеральных удобрений в агрономии.

Занимаясь научными исследованиями в области выживания растений в различных условиях, ученый пытался понять, в какой именно момент следует использовать те или иные химические компоненты, чтобы улучшить выживаемость и поднять урожайность культур.

Благодаря проделанной работе ученый в 1840 году сформулировал экологически-экономический закон ограничивающего или лимитирующего фактора, который позже назовут законом минимума Либиха.

Согласно этому закону относительное воздействие отдельного экологического фактора будет тем сильнее, чем больше данный фактор, в сравнении с другими, будет приближаться к своему количественному минимуму. При этом наиболее значимым в каждый момент времени является именно тот фактор, который наиболее уязвим.

Другими словами, именно от минимально (или максимально) представленного в данный конкретный момент экологического фактора зависит выживание организма. Например, ограничивающим фактором для конкретного вида может стать недостаток кормовой базы, но уже в другой момент времени, когда еды будет достаточно, лимитирующим может стать слишком высокая или низкая температура воздуха.

Впоследствии обнаружилось, что закон Либиха является верным не только для агрономии в целом, но и вполне применим для абсолютно всех экологических систем и живых организмов.

Дело в том, что на протяжении жизненного цикла каждое живое существо на планете время от времени ощущает различные ограничения. Например, распространению северных оленей может препятствовать значительная глубина снежного покрова, развитию рыб – недостаток в водоеме кислорода, а ограничивающим фактором для многих культурных растений является отсутствие влаги.

Действие закона, по Либиху, распространяется в основном на аспекты земледелия. Ученый определил, что урожайность большинства растений в значительной степени зависит от наличия или недостатка в почве отдельных минеральных питательных компонентов. Например, ограничивающим фактором для нормального роста растений может выступать недостаток фосфора, кальция и других элементов.

Согласно его закону, от элемента, концентрация которого является в почве минимальной, в целом может зависеть полноценный рост и развитие культуры, то есть, соответственно, ее конечная продуктивность.

Данный закон назвали «Бочкой Либиха».

Для наглядности давайте возьмем деревянную бочку, имеющую изъян в виде одной укороченной доски.

Суть модели заключается в том, что если жидкость при заполнении бочки начнет переливаться через наиболее короткую доску, то длина остальных уже не играет никакой роли.

В данном примере самая короткая доска и является тем самым фактором, который в настоящее время наиболее отклонен от нормального значения. Следовательно, ремонт бочки необходимо начинать, прежде всего, с замены короткой доски.

То есть можно сказать, что закон минимума Либиха полностью соответствует русской пословице: «Где тонко, там и рвется».

При этом действие закона абсолютно не распространяется на нестабильные системы, поскольку поступление отдельных элементов происходит неравномерно и зависит от многих факторов, действующих как поочередно, так и одновременно с другими.

Модель Либиха впоследствии была дополнена и расширена другими учеными умами, например, Эрнестом Шелфордом, который в 1913 году на основе этого закона вывел теорию толерантности. Согласно его теории лимитирующим фактором процветания организма может выступать не только минимум, но и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет степень стойкости (толерантности) организма к данному фактору.

К примеру, серьезным препятствием для нормального существования живых существ и ограничением развития популяций организмов может выступать не только недостаток (по Либиху), но и переизбыток различных негативных факторов (например, излишнее тепло, вода или солнечный свет).

Поэтому Шелфорд в перечень факторов, помимо питательной среды, ввел также такие как: температура окружающей среды, количество влаги, морозоустойчивость и многие другие.

Еще один последователь Либиха, американский биолог Юджин Одум, чтобы избежать различных неоднозначных трактовок в определении закона, предложил в 1953 году ограничить концепцию минимума и использовать ее исключительно в применении к макро- и микроэлементам. По его мнению, это должно нивелировать существующую путаницу в определениях и акцентировать внимание исключительно на веществах, необходимых организмам для продуктивного роста и размножения.

Таким образом, на сегодня трактовка закона Либиха звучит так:

· живые организмы могут иметь широкий диапазон толерантности при одном факторе и ограничивающий при другом;

· обычно наибольшее распространение имеют организмы с обширным диапазоном толерантности в одном факторе;

· если условия по одному экологическому фактору являются не оптимальными для конкретного вида, то может суживаться и диапазон толерантности по отношению к прочим экологическим факторам;

· оптимальные значения экологических факторов для организмов в естественной среде и в лабораторных условиях (в силу изоляции последних) чаще всего оказываются неодинаковыми;

· период размножения является критическим, и множество экологических факторов в течение этого периода становятся лимитирующими при общем сужении диапазона толерантности.

В настоящее время понимание лимитирующих факторов позволяет экологам регулировать состояние живых организмов и экосистемы в целом.