15.1.1. Абиотические факторы

К абиотическим относят факторы неживой природы, прямо или косвенно действующие на организмы: свет, температуру, влажность, особенности рельефа, а также химический состав воздушной, водной и почвенной среды и др. Рассмотрим основные климатические факторы.

Солнечная радиация. В энергетическом отношении жизнь на Земле обеспечивается постоянным притоком энергии от Солнца и использованием ее в процессе фотосинтеза. Биологическое влияние солнечного света зависит от его интенсивности и продолжительности действия, спектрального состава, суточной и сезонной периодичности. Поступающая от Солнца лучистая энергия распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн: ультрафиолетовые лучи (длина волны λ < 0,4 мкм), видимые лучи (λ = 0,4 – 0,75 мкм), инфракрасные лучи (λ > 0,75 мкм).

Ультрафиолетовая часть радиации Солнца с длиной волны менее 0,29 мкм губительна для всего живого. Жизнь на 3шле возможна благодаря озоновому слою атмосферы, расположенному на высоте 10—50 км. До поверхности Земли доходит лишь незначительная часть ультрафиолетовых лучей. Ультрафиолетовая часть характеризуется самой высокой энергией квантов и высокой фотохимической активностью (в организме животных способствуют образованию витамина D, синтезу пигментов клетками кожи). Эти лучи воспринимаются органами зрения многих насекомых, у растений они оказывают формообразовательный эффект и способствуют синтезу биологически активных соединений (пигментов, витаминов).

Видимая часть спектра имеет особенно большое значение для организмов. Это обусловило появление у животных и растений многих важных приспособлений. У зеленых растений сформировался аппарат фотосинтеза – яркая окраска цветов для привлечения опылителей. Для животных световой фактор является прежде всего необходимым условием ориентации в пространстве и во времени, а также участвует в регуляции многих процессов жизнедеятельности.

Инфракрасные, или тепловые, лучи повышают температуру природной среды и самих организмов, что имеет особенное значение для холоднокровных животных. У растений инфракрасные лучи играют значительную роль в транспирации (испарение воды с поверхности листьев обеспечивает удаление излишков тепла) и способствуют поступлению углекислого газа через устьица.

В зависимости от условий обитания растения распределены на три экологические группы. Светолюбивые растения, обитатели открытых местностей, нормально развиваются только при полном освещении и плохо переносят даже незначительные затемнения (растения степей, пустынь, хлебные злаки и др.). Теневыносливые – характеризуются широкими пределами выносливости к световому фактору (большинство лесообразующих пород). Теневые (тенелюбивые) – произрастают только в затемненных местах при рассеянном свете (мхи, папоротники и др.).

Распределение потока энергии имеет зональные различия (меняется от места к месту), суточные колебания (смена дня и ночи) и сезонные колебания (изменения длительности освещенного и темного периода суток в течение года). Эти явления связаны с рельефом, вращением Земли и наклоном ее орбиты к плоскости вращения. Растительные и животные организмы активно реагируют не только на интенсивность светового фактора, но и на сезонные изменения соотношения продолжительности дня и ночи в течение суток. Таким образом, живые организмы способны измерять время, т.е. обладают биологическими часами – важным приспособлением, позволяющим выжить в конкретных условиях среды. Продолжительность дня и ночи закономерно изменяется в течение года, поэтому для всех биологических систем характерны адаптации, согласовывающие функциональную активность с ритмом этих временных интервалов.

Реакцию организмов на продолжительность дня и ночи называют фотопериодизмом. В процессе эволюции выработались характерные временные циклы с определенной последовательностью и длительностью периодов размножения, роста, подготовки к зиме, т.е. биологические ритмы жизнедеятельности в определенных условиях среды.

Осуществление определенных периодов жизненного цикла в соответствующее время года называют сезонными ритмами. Сезонные ритмы жизнедеятельности обеспечивают организмам использование наиболее благоприятных условий для роста и развития. У растений фотопериодический эффект проявляется в согласовании периода цветения и образования плодов с периодом активного фотосинтеза. Длиннодневные растения преимущественно северных широт для цветения нуждаются в длине дня 12 ч и выше (лен, рожь, овес, лук, морковь и др.); короткодневные растения тропического происхождения переходят к цветению, когда продолжительность дня становится менее 12 ч (георгины, хризантемы, просо, кукуруза, конопля и др.).

Продолжительность дня существенно сказывается и на жизне­деятельности животных: фотопериодические реакции определяют поведенческие реакции, миграции, размножение, линьку, наступление периодов покоя. Весной, с увеличением длительности светового периода суток, у птиц появляются миграционные и гнездовые инстинкты, теплокровные животные линяют. Сокращение дня осенью вызывает отлет птиц, у млекопитающих отрастает плотный волосяной покров, некоторые животные впадают в спячку и др.

Температура влияет на все жизненно важные процессы, прежде всего обусловливая скорость и характер протекания реакций обмена веществ в организмах. Оптимум температурного фактора для большинства организмов находится в пределах 15–30 °С, однако некоторые живые организмы выдерживают ее значительные колебания. Например, отдельные виды бактерий и синезеленых водорослей могут существовать в горячих источниках при температуре около 80 °С. Полярные воды с температурой от 0 до –2 °С населены разнообразными представителями животного и растительного мира: беспозвоночными, рыбами, водорослями.

Температура различных сред жизни зависит от потока солнечной радиации и подвержена сезонным и суточным коле­баниям в разных частях Земли. Многие растения и животные при постепенной подготовке успешно переносят в состоянии глубокого покоя или анабиоза предельно низкие температуры нашей планеты (некоторые насекомые переносят понижение температуры до –20, –45 °С; лиственница, образующая леса около г. Верхоянска, выдерживает от –50 до –70 °С). Холодостойкость обусловлена способностью клеток накапливать вещества с криопротекторными (холодозащитными) свойствами: глицерина, сахарозы и др. В жаркое время года включаются физиологические механизмы, препятствующие перегреву: у растений усиливается транспирация с поверхности листьев; у животных также усиливается испарение воды через кожные покровы и дыхательную систему.

Различают организмы с непостоянной температурой тела – пойкилотермные и организмы с постоянной температурой тела – гомойотермные. Жизнедеятельность пойкилотермных организмов микроорганизмы, растения, беспозвоночные, большинство хордовых животных) зависит от значений температуры окружающей среды. Ее повышение до определенных пределов вызывает у них интенсификацию жизненных процессов и ускорение развития. У гомойотермных животных (птицы и млекопитающие) теплота, вырабатываемая как продукт биохимических реакций, служит значительным источником повышения температуры их тела и стабилизации ее на постоянном уровне независимо от температуры среды. Поддержание и сохранение высокой температуры тела у теплокровных организмов осуществляется благодаря интенсивному обмену веществ, совершенным механизмам теплорегуляции и хорошей тепловой изоляции, создаваемой густым волосяным покровом, оперением или слоем подкожного жира.

Влажность атмосферного воздуха связана с насыщением его водяными парами. В связи с неравномерностью выпадения осадков различают влажные (до 2000 мм/год – гумидные) и засушливые (менее 250 мм/год – аридные) зоны. Умеренные зоны расположены там, где выпадает промежуточное количество осадков (250–750 мм/год). Сезонные и суточные колебания, влажности наряду со светом и температурой регулируют активность организмов.

Для активной жизни необходимо достаточное содержание воды в организме. Неизбежные потери воды (вода расходуется непре­рывно почками, в результате транспирации с поверхности тела, при газообмене в процессе дыхания и фотосинтеза и др.) необходимо пополнять путем питья или потребления влажной пищи. Животные засушливых областей используют метаболическую воду (при окислении 100 г жиров образуется от 100 до 110 г воды); при высокой влажности воздуха возможно поглощение воды через покровы тела. Растения, особенно засушливых зон, имеют широко расходящиеся или глубоко проникающие в землю корни с высоким по сравнению с почвенным раствором осмотическим давлением.

Условия водного режима налагают глубокий отпечаток на внутреннее строение и внешний вид растений. Так, растения степей, полупустынь, пустынь – ксерофиты, приспособленные к перенесению водного дефицита, – имеют узкие жесткие листья с выраженной кутикулой и восковым налетом. У некоторых растений (саксаул, эфедра) листья совсем редуцированы, их функцию выполняет стебель. Некоторые растения – суккуленты (кактусы, агавы, молочаи) с сильно развитой водозапасающей тканью очень экономно расходуют воду. Листья превращены в колючки или чешуйки; число устьиц невелико; функцию фотосинтеза выполняют зеленые сочные стебли. Одна из причин засухоустойчивости – наличие в клетках этих растений связанной воды, которая испаряется значительно труднее, чем свободная. Интересны некоторые степные растения (эфемеры, успевающие за короткий влажный весенний период вырасти и отцвести. Засушливый период эфемеры переживают в виде семян, луковиц, клубней, корневищ.

Водные и прибрежные растения лугов и водоемов (гигрофиты) приспособлены к условиям достаточного и избыточного увлажнения. Им присущи большие листья, слабое развитие кутикулы и корневой системы.

Животные засушливых областей также имеют ряд адаптации к недостатку влаги. Значительная часть животных никогда не пьет и довольствуется только водой, находящейся в пище; некоторые животные используют метаболическую воду (верблюд, рисовый и амбарный долгоносики, гусеницы платяной моли и др.). Для организмов характерны различные способы экономии воды: плотные покровы, редкие дыхательные движения, обезвоженные продукты выделения, пониженное потоотделение, ночной образ жизни и др. С началом жаркого и сухого периодов многие животные (грызуны, черепахи, некоторые насекомые) впадают в летнюю спячку, т.е. у них временно ослабляются жизненные процессы.