Содержание:
- 1. Влияние солнечного света
- 2. Влияние температуры
- 3. Температурные адаптации растений
- 4. Температурные адаптации животных
- 5. Экологическая роль воды
Основные абиотические факторы: солнечный свет, температура, влажность.
Влияние солнечного света
Солнечный свет — основной источник энергии для фотосинтеза, поддержания теплового баланса, водного обмена, а также одно из условий ориентировки в пространстве.
■ Свет для организмов выступает в роли важнейшего сигнального фактора, обусловливающего фотопериодизм.
■Биологическое действие солнечного света зависит от его спектрального состава, интенсивности, продолжительности, суточной и сезонной периодичности.
Неравнозначность различных участков спектра (видимого света, ультрафиолетовых и инфракрасных лучей) по биологическому действию:
■ видимый свет (длина волны от 0,40 до 0,75 мкм), или фото синтетически активная радиация (ФАР), нужен зеленым растениям для образования хлорофилла, он влияет на газообмен и транспирацию, стимулирует биосинтез белков и нуклеиновых кислот, повышает активность ряда светочувствительных ферментов; у животных используется для видения и ориентации в окружающей среде; обеспечивают фотопериодизм и биологические ритмы; вместе с температурой влияет на деление и растяжение клеток, ростовые процессы, развитие растений, определяет сроки цветения и плодоношения и т.д.;
■ жесткие УФ-лучи (длина волны менее 0,29 мкм) губительны для всего живого и задерживаются озоновым слоем; УФ-лучи оказывают мутагенное и бактерицидное действие; небольшое количество этих лучей используется животными для синтеза витамина D (профилактика рахита) и меланина в коже;
■ инфракрасные лучи (длина волны более 0,75 мкм) вызывают нагревание организмов, усиливая теплообмен и транспирацию: являются источником тепла для пойкилотермных животных, вызывают таяние снега и т.п.
❖ Экологические группы организмов по отношению к свету:
■ растения делят на светолюбивые (гелиофиты; сильное затенение действует на них угнетающе), тенелюбивые (сциофиты, для них приемлема слабая освещенность) и теневыносливые (факультативные глиофиты, имеющие широкую амплитуду выносливости по отношению к свету);
■ животных по проявлению активности в зависимости от уровня освещенности делят на дневных, сумеречных и ночных.
Фотопериодизм — реакция организмов на суточный ритм освещения и сезонные изменения длины дня и ночи, проявляющаяся в колебании интенсивности и характера физиологических процессов.
■ Под фотопериодическим контролем находятся практически все метаболические процессы, связанные с ростом, развитием, жизнедеятельностью и размножением растений и животных.
❖ Примеры фотопериодизма:
■ у растений:
— суточная ритмичность, обусловленная сменой дня и ночи: периодическое открытие и закрытие цветков (хлопчатник, лен, душистый табак), усиление или ослабление физиологических и биохимических процессов фотосинтеза, скорости деления клеток и др;
— сезонная ритмичность: усиление или ослабление роста и смена фаз развития (распускание почек, цветение, плодоношение, листопад и т. п.);
■ у животных:
— суточная ритмичность: суточные ритмы в чередовании сна и бодрствования, яйценоскость кур и др.;
— сезонная ритмичность: прилеты и отлеты, гнездование и смена оперения птиц, линька млекопитающих, периодичность спаривания и размножения, впадение в зимнюю спячку некоторых животных и т.д.
■ у человека суточные ритмы выражаются в чередовании сна и бодрствования и колебаниях свыше трехсот показателей: температуры тела (в пределах 0,7-0,8 °С), активности коры головного мозга, циклах деятельности сердца и почек, артериального давления, свертываемости крови и т.д.
Классификация растений по типу фотопериодической реакции (ФПР):
■ растения короткого дня (произрастают преимущественно в северных широтах): им для перехода к цветению требуется 12 ч и менее светлого времени в сутки (конопля, капуста, хризантемы, табак, рис);
■ растения длинного дня (произрастают преимущественно в южных широтах): для цветения и дальнейшего развития им нужна продолжительность беспрерывного светового периода более 12 ч в сутки (пшеница, лен, лук, картофель, овес, морковь);
■ фотопериодически нейтральные растения: для них длина фотопериода безразлична, и цветение наступает при любой длине дня, кроме очень короткой (виноград, томаты, одуванчики, гречиха, флоксы и др.).
На фотопериодическую реакцию организмов заметное влияние могут оказывать температура и влажность среды.
■ Пример: при 28,5 °С для цветения белены требуется освещение в течение 11,5 ч, при 15,5 °С — в течение 8,5 ч.
❖ Классификация животных по типу ФПР:
■ дневные животные проявляют наибольшую активность днем, ночью спят (жаворонки, волки, зайцы);
■ ночные животные ведут активную жизнь только в ночных условиях (летучие мыши, совы, крыланы);
■ животные, постоянно обитающие в полной темноте (паразиты кишечника, крот).
Биологические ритмы (биоритмы) — выработавшиеся на основе фотопериодизма периодически повторяющиеся изменения интенсивности и характера биологических процессов и явлений.
Биологические часы — способность живых организмов ощущать суточные, приливно-отливные, лунные и годичные циклы природы и тем самым ориентироваться во времени.
■ Биологические часы позволяют организму заранее подготовиться к предстоящим изменениям среды.
❖ Классификация биоритмов:
■ годичные, или цирканные (распускание почек, линька и др.);
■ лунные (менструальный цикл у человека);
■ приливно-отливные (открывание и закрывание раковин у моллюсков в полосе прибоя);
■ суточные, или циркадные (открывание и закрывание устьиц на листьях).
Практическое использование фотопериодизма и биоритмов: подбором режимов освещения и температуры, наиболее соответствующих биоритмам, можно заметно повысить продуктивность животных и растений. Примеры, увеличение зимой светового дня до 12—15 ч за счет искусственного освещения позволяет выращивать в теплицах, оранжереях и парниках овощные культуры и декоративные растения, ускорить рост и развитие рассады, на птицефермах — увеличить яйценоскость кур, уток, гусей, на зверофермах — регулировать размножение пушных зверей.
Влияние температуры
Температура влияет на скорость и характер протекания всех химических реакций, составляющих обмен веществ в организме.
Температура организма зависит от:
■ количества тепла, выделяющегося в организме в реакциях метаболизма,
■ температуры окружающей среды (она достигает +50…+60 °С в пустынях и -70…-80 °С в Антарктиде),
■ интенсивности теплообмена между организмом и средой.
Температурные пределы жизни определяются условиями, при которых не происходят денатурация белков и отсутствуют необратимые изменения коллоидных свойств цитоплазмы, нарушения активности ферментов и процессов дыхания.
■ Для большинства организмов этот диапазон температур составляет от 0 до +50 °С; значительно большие адаптационные возможности присущи организмам по отношению к сезонно повторяющимся изменениям температуры.
■ Однако ряд организмов, обладающий специализированными ферментами, может активно существовать при температурах, выходящих за указанные пределы. Так, многие низшие организмы способны выдерживать очень низкие температуры благодаря высокой концентрации в цитоплазме их клеток солей, глицерина, сахара и сниженного содержания воды.
❖ Классификация организмов по отношению к высокой и низкой температуре окружающей среды:
■ термофилы — организмы, оптимальные условия жизнедеятельности которых лежат в области относительно высоких температур;
■ криофилы — организмы, оптимальные условия жизнедеятельности которых лежат в области относительно низких температур.
❖ Классификация организмов по температуре тела:
-пойкилотермные (эктотермные, или холоднокровные) организмы — организмы, не обладающие способностью терморегуляции своего тела. Активность пойкилотермных организмов зависит от количества тепла, поступающего извне, а температура их тела — от температуры окружающей среды. Примеры: все микроорганизмы, растения, беспозвоночные и большая часть хордовых животных;
гомойотермные (эндотермные, или теплокровные) организмы — организмы, у которых температура тела поддерживается на постоянном уровне независимо от температуры окружающей среды. Примеры: птицы, млекопитающие, человек.
■ Источником тепла у эндотермных организмов являются процессы интенсивного обмена веществ; поддержанию температуры тела постоянной способствует хорошая тепловая изоляция, создаваемая волосяным покровом, плотным оперением, толстым слоем подкожной жировой ткани.
■ Важную роль в интенсификации обменных процессов у го-мойотермных организмов играют четырехкамерное сердце, полное разделение артериальной и венозной крови и совершенные органы дыхания.
■ Свойство эндотермности позволяет многим видам животных (белым медведям, ластоногим, пингвинам и др.) вести активный образ жизни при низких температурах.
Гетеротермия — свойство некоторых организмов изменять температуру своего тела в зависимости от активности организма.
В неблагоприятный период года эти животные впадают в спячку или временное оцепенение.
■ Примеры: некоторые мелкие птицы и млекопитающие (насекомоядные, летучие мыши, суслики, ежи и др.).
Температурные адаптации растений
❖ Опасность высоких температур для растений: при повышении температуры за пределы зоны угнетения происходят:
■ сильное обезвоживание и иссушение растений,
■ ожоги,
■ разрушение хлорофилла,
■ необратимые расстройства дыхания,
■ тепловая денатурация белков,
■ коагуляция цитоплазмы и гибель растения.
❖ Опасность низких температур для растений. При понижении температуры:
■ тормозятся процессы роста растений, фотосинтеза, образования хлорофилла,
■ снижается энергетическая эффективность дыхания,
■ резко замедляется скорость развития растения;
■ при отрицательных температурах в межклетниках и клетках замерзает вода, в результате чего клетки обезвоживаются и механически повреждаются;
■ при дальнейшем понижении температуры происходит коагуляция белков,
■ разрушается цитоплазма и растение гибнет.
Температурные адаптации животных
❖ Основные пути температурных адаптаций животных:
■ химическая терморегуляция — усиленное образование тепла в ответ на понижение температуры среды;
■ физическая терморегуляция — изменение интенсивности теплоотдачи, способность удерживать тепло или, наоборот, рассеивать его избыток;
■ поведенческая терморегуляция (избегание неблагоприятных температур путем миграции или передвижения на освещенные или теневые участки; а также изменение поведения более сложным образом: зимняя спячка, анабиоз).
❖ Способы физической терморегуляции:
■ путем рефлекторного сужения и расширения кровеносных сосудов кожи, меняющих ее теплопроводность;
■ изменением теплоизолирующих свойств меха и перьевого покрова тела;
■ изменением интенсивности испарения воды путем потоотделения или через влажные оболочки полости рта (у собак и др.);
■ сезонным изменением толщины подкожного жирового слоя (у некоторых животных).
❖ Особенности и температурные адаптации пойкилотермных животных
■ Эти животные характеризуются более низким уровнем обмена веществ по сравнению с гомойотермными, поэтому у них вырабатывается мало тепла, что делает невозможной химическую и физическую терморегуляцию.
■ Основной способ терморегуляции пойкилотермных животных — поведенческий (перемена позы, активный поиск благоприятных климатических условий, смена мест обитания, самостоятельное создание нужного микроклимата: сооружение гнезд, рытье нор, оцепенение, анабиоз и т.д.).
■ Некоторые пойкилотермные животные (например, шмели) способны поддерживать оптимальную температуру тела за счет повышения или понижения активности работы мышц.
Оцепенение — состояние, характеризующееся неподвижностью животного, прекращением его питания и резким снижением всех физиологических функций. Пониженный уровень обмена веществ поддерживается за счет запасов энергии (жира), накопленных в активном периоде.
■ Оцепенение позволяет животным пережить неблагоприятные условия (высокую или низкую температуру, отсутствие воды, пиши и др.).
■ Оно присуще насекомым, лягушкам, ряду млекопитающих (ежам, барсукам), впадающим в зимнюю спячку, а также некоторым пустынным грызунам, черепахам и др., впадающим в спячку летом из-за жары и недостатка воды.
Анабиоз — такое состояние некоторых живых организмов, при котором все их жизненные процессы настолько замедлены, что видимые проявления жизни отсутствуют.
■ В этом состоянии повышается устойчивость организмов к высокой или низкой температуре, недостатку кислорода и влаги, действию ядовитых веществ, ионизирующих излучений и др.
■ В состоянии анабиоза организмы могут сохранять жизнеспособность в течение нескольких лет.
■ В анабиоз могут впадать многие бактерии (образуют споры), простейшие (образуют цисты), низшие ракообразные.
Экологическая роль воды
Вода является необходимым условием существования всех живых организмов на Земле.
❖ Значение воды в процессах жизнедеятельности:
■ вода — основная среда в клетке, где осуществляются процессы метаболизма; все живые организмы на 70-90% состоят из воды;
■ она является универсальным растворителем;
■ она служит важнейшим исходным, промежуточным или конечным продуктом биохимических реакций;
■ для многих видов растений, животных, грибов и микроорганизмов она является непосредственной средой их обитания. Наземным организмам (особенно растениям) необходимо постоянно пополнять внутренние запасы воды из-за ее потерь при испарении. Поэтому вся эволюция наземных организмов шла в направлении приспособления к активному добыванию и экономному использованию влаги.
Недостаток влаги ограничивает области жизнедеятельности и географического распространения наземных организмов как в пределах отдельной территории, так и в широком географическом масштабе, определяя их зональность (смена лесов степями, степей — полупустынями и пустынями).
❖ Основные экологические факторы, определяющие водо-обеспечение наземных организмов:
■ количество атмосферных осадков,
■ их распределение по временам года,
■ наличие водоемов,
■ уровень грунтовых вод, запасы почвенной влаги,
■ соотношение между количеством осадков и скоростью испарения.
Аридные (сухие, засушливые) области — области, в которых испарение превышает годовую величину суммы осадков.
■ В таких областях растения испытывают недостаток влаги в течение большей части вегетационного периода.
Гумидные (влажные) области — области, в которых обеспеченность растений водой достаточна в течение всего вегетационного периода.
❖ Экологические группы растений по отношению к влаге:
■ гигрофиты,
■ мезофиты,
■ ксерофиты.
Гигрофиты — растения избыточно увлажненных местообитаний с высокой влажностью воздуха и почвы.
■ Гигрофиты не имеют приспособлений, ограничивающих расход воды, и не способны переносить даже незначительную ее потерю.
■ Избыточная влага у гигрофитов удаляется за счет транспирации и гуттации.
Транспирация — физиологический процесс испарения воды растениями. Основной орган транспирации — лист с имеющимися на нем устьицами. Транспирация возможна и через кутикулу -тонкую пленку, покрывающую кожицу растения.
Гуттация — выделение воды из растения через специальные выделительные клетки, расположенные по краю листа.
Ксерофиты — растения сухих местообитаний (пустынь, сухих степей, саванн и т.п.), способные переносить продолжительную засуху, оставаясь физиологически активными.
❖ Способы преодоления недостатка влаги ксерофитами:
■ эффективное добывание (всасывание) воды,
■ экономное ее расходование,
■ способность переносить большие потери воды.
Склерофиты — имеющие своеобразный внешний облик ксерофиты с мелкими, узкими, жесткими листьями с толстой кутикулой, с многослойным толстостенным эпидермисом, с большим количеством механических тканей.
■ Листья склерофитов даже при большой потере воды не теряют упругости и тургора.
■ Клетки листа склерофита мелкие и плотно упакованы, что значительно сокращает испаряющую поверхность.
Суккуленты — ксерофиты с сочными мясистыми листьями или стеблями, содержащими сильно развитую водоносную ткань.
■ Различают листовые суккуленты (агавы, алоэ) и стеблевые суккуленты, у которых листья редуцированы, а надземные части представлены мясистыми’стеблям и (кактусы и др.).
■ Фотосинтез у стеблевых суккулентов осуществляется периферическим слоем паренхимы стебля, содержащим хлорофилл.
Мезофиты — растения, занимающие промежуточное положение между гигрофитами и ксерофитами.
■ Мезофиты распространены в умеренно влажных и умеренно теплых зонах с хорошей обеспеченностью минеральным питанием.
■ Могут адаптироваться к меняющимся условиям внешней среды.
Регуляция водного баланса у животных происходит благодаря ряду поведенческих, морфологических и физиологических адаптаций (см. таблицу).
