Вопрос 7. Характеристика основных абиотических факторов: климатические факторы среды.

Все разнообразие проявлений жизни на земле сопровождается превращениями энергии, получаемой в виде солнечного света и уравновешиваемой тепловым излучением с поверхности земли. Лучистая энергия, достигающая поверхности земли, на 10% состоит из ультрафиолетового излучения, по 45% приходится на видимый свет и инфракрасное излучение. Экологическими факторами являются качественные (длина волны) и количественные (интенсивность) характеристики, а также продолжительность воздействия и периодичность. У растений интенсивность фотосинтеза линейно растет с увеличением интенсивности света до границ зоны оптимума, при очень сильном освещении происходит падение уровня фотосинтеза.

По требованию к освещенности растения делят на светолюбивые (гелиофиты), тенелюбивые (сциофиты), теневыносливые (факультативные гелиофиты).

Реакция организмов на сезонные изменения длины дня называется фотопериодизмом. Фотопериодизм растений и животных – наследственно закрепленное, генетически обусловленное свойство. Животные также приспособлены к существованию в присутствии света (фотофилы), в темноте (фотофобы) или при любом освещении (эврифотные).

Температура организмов (и, следовательно, скорость обмена веществ) зависит от температуры окружающей среды.

Температурные границы существования жизни, при которых возможно нормальное строение и функционирование белков, находятся в пределах от 0 до 50^оС. Однако ряд организмов за счет специализированных ферментных систем приспособлен к активному существованию за этими пределами. Криофилы (хладостойкие организмы) живут при температуре до –10^оС, споры некоторых видов бактерий кратковременно выдерживают до 180^оС. У большинства видов жизнедеятельность и активность зависят, прежде всего, от тепла, поступающего извне, а температура тела – от хода внешних температур. Их называют пойкилотермными. Теплокровные животные (или гомойотермные) способны поддерживать постоянную оптимальную температуру независимо от умеренных колебаний температуры внешней среды. Гетеротермные животные в активной стадии поддерживают постоянную температуру, а во время пассивного периода (спячки) ведут себя как пойкилотермные.

Пойкилотермным видам для их нормального развития необходимо получать извне определенное количество тепла, измеряемого суммой эффективных температур (X), определяемых длительностью периодов (t) с превышением температуры окружающей среды (Т) над температурой порога развития (С). Упрощенно формула выглядит так:

Х = ∑ (Т – С) t

По степени устойчивости к условиям крайнего дефицита тепла или, наоборот, к высоким температурам виды бывают:

• нехолодостойкие, неморозостойкие, морозоустойчивые;

• нежаростойкие, жаровыносливые или жаростойкие.

Основные пути температурной адаптации у животных: 1) химическая терморегуляция; 2) физическая терморегуляция; 3) поведение.

Примеры. Отбор растений в зонах низких температур идет в направлении максимального выживания низкорослых и стелющихся форм. В зонах высоких температур и пониженной влажности исторически сформировался своеобразный тип растений с незначительной листовой поверхностью; у многих пустынных растений образуется беловатое опушение, способствующее отражению солнечных лучей и предохраняющее от перегрева. Физиологические приспособления растений: накопление в клетках сахаров и других веществ, увеличивающих концентрацию клеточного сока, снижающих обводненность клеток, что делает растения более морозостойкими; или накопление солей, изменяющих температуру свертывания плазмы в жару.

У животных под действием теплового фактора формируются такие морфологические признаки, как отражательная поверхность тела, пуховой, перьевой, шерстяной покровы, жировые отложения. У насекомых холодной зоны – темная окраска. У животных с постоянной температурой тела в холодных климатических зонах наблюдается тенденция к уменьшению площади выступающих частей тела (правило Аллена). У близких в систематическом отношении гомойотермных видов в более холодных зонах масса тела выше: например, мыши и крысы, обитающие в холодильных камерах, крупнее обычных домовых. Для пойкилотермных видов наблюдается противоположная тенденция (правило Бергмана).

Большая масса теплокровных животных в холодном климате обусловлена большими относительными теплопотерями маленьких организмов. Проиллюстрируем теплопотери, т.е. теплопродукцию по потреблению кислорода на 1 кг массы тела в куб. см в час для различных животных при температуре среды меньшей, чем температура, свойственная для пойкилотермных организмов (29^оС):

Влажность среды. Эволюция организмов обусловливалась также необходимостью приспособления к добыванию и сохранению влаги.

Режимы влажности на суше очень разнообразны, что привело к развитию у наземных организмов множества адаптаций к различным режимам водообеспечения и, соответственно, к большому разнообразию экосистем, к биоразнообразию.

Адаптация растений к поддержанию водного баланса происходила:

• через процесс регулирования поглощения воды из субстрата: низшие наземные растения поглощают влагу всей поверхностью, мохообразные – ризоидами, большинство высших растений –корнями (корневые системы различают по типу ветвления на экстенсивные – охватывающие большой объем почвы, и интенсивные – охватывающие небольшой объем почвы);

• через регулирование испарения воды поверхностью тел.

Животные получают воду через питье, вместе с сочной пищей, в результате реакций метаболизма из других пищевых продуктов.

По отношению к уровню водопотребления выделяются:

• влаголюбивые растения (гидрофиты) и животные (гидрофилы);

• сухолюбивые растения (ксерофиты) и животные (ксерофилы);

• промежуточные и смешанные типы (соответственно растения-мезофиты и животные-мезофилы могут подразделяться еще на целый ряд подтипов).

Способы регуляции водного баланса у животных разнообразней, чем у растений. Их разделяют на поведенческие, морфологические («морфо» – форма), физиологические.

Газовый состав воздуха в приземном слое атмосферы довольно однороден в отношении содержания главных компонентов (азот – 78%, кислород – 21, аргон – 0,9, углекислый газ – 0,03% по объему). Указанные концентрации кислорода и углекислого газа являются до какой-то степени лимитирующими для многих высших растений. Способность приспосабливаться к пониженному содержанию кислорода сопряжена у животных с увеличением содержания гемоглобина в крови, у растений – с повышением количества хлорофилла в тканях.

В качестве дополнительных компонентов в атмосферном воздухе присутствуют так называемые загрязняющие вещества, вызывающие физическое и химическое загрязнение, в основном антропогенного происхождения. Хотя есть и природные источники загрязнения атмосферного воздуха: вулканическая деятельность; лесные пожары; пыление пересохших почв и некоторые другие.

Ветер оказывает формообразующее влияние на растения, сказывается на водном балансе растений, при этом играя существенную роль, например, в безлесье тундры. Ветром распространяются семена, пыльца, споры многих растений, а также многие виды мелких животных. Растения-анемофилы (ветроопыляемые) выработали для этого ряд приспособлений: цветочные покровы у них редуцированы, пыльники ничем не защищены от ветра. Там, где постоянно дует сильный ветер, у животных развиваются плотные покровы, предохраняющие тело от охлаждения и потери влаги. На океанических островах с постоянными сильными ветрами многие насекомые утрачивают способность летать.

В антропосфере ветер проветривает загрязненные селитебные территории, обеспечивает трансграничные переносы массовых выбросов загрязняющих веществ (так, дымовые выбросы промышленных комплексов одних стран выпадают в виде кислотных дождей в соседних и даже не совсем соседних странах).

Давление воздуха на суше в норме равно 1,01325 ∙10⁵ Па, или 760 мм рт. ст. Снижение давления влечет уменьшение обеспеченности кислородом и обезвоживание животных за счет увеличения частоты дыхания. Этот же фактор (наряду с температурной высотной зональностью) ограничивает распространение в горы высших растений.

На суше комплекс экологически важных факторов (свет, температура, вода, т. е. осадки) имеет переменную интенсивность, поэтому у основной части видов животных и растений наблюдается периодичность функций, прямо или косвенно связанная с этими переменами.

Различается суточная, сезонная периодичность, а также многолетняя изменчивость. Многолетняя изменчивость связана с периодическими локальными изменениями климата, в свою очередь обусловленными изменениями солнечной активности, а также с аналогичными колебаниями функционирования у других видов растений и животных.