Световая энергия, ее воздействие на живые организмы.
Одним из основных абиотических факторов, влияющих на живые организмы, является свет. Практически вся энергия поступает на Землю в виде солнечного излучения, состоящего из видимого света, ультрафиолетовых и инфракрасных лучей.
Фототрофы —
организмы, которые синтезируют из
неорганических веществ все необходимые
для жизни органические вещества,
используя энергию солнечного света.
Paragraph:546875
К фототрофам относят цианобактерии, водоросли и высшие растения.
По отношению к свету как экологическому фактору различают следующие группы растений.
Светолюбивые растения, или гелиофиты (греч. helios — «солнце», phyton — «растение»), — растения, предпочитающие местообитания, ярко освещённые солнцем.
Светолюбивые растения: подсолнечник, пшеница, сосна, лиственница. Сюда также следует отнести многочисленные виды луговых и степных растений.
Тенелюбивые растения, или сциофиты (греч. skia — «тень», phyton — «растения»), — растения, приспособленные к жизни в условиях малой освещённости.
Тенелюбивые растения можно встретить под пологом леса: майник двулистный, седмичник европейский, копытень европейский, папоротник щитовник мужской, сныть обыкновенная, кислица обыкновенная. Эти виды не могут существовать на вырубках при сильном освещении.
Теневыносливые растения, или факультативные гелиофиты, — это растения, которые могут жить при хорошем освещении, но легко переносят и затенённые места.
Например, большинство растений лесов (лещина, живучка ползучая и др.), некоторые луговые растения.
Листья теневыносливых и тенелюбивых растений тёмно-зелёные, обычно матовые, тонкие, неопушённые, с очень нежной кутикулой (плёнка, покрывающая эпидермис) или без неё. Светолюбивые растения имеют относительно толстые листья, иногда блестящие или опушённые, отличаются высокой интенсивностью фотосинтеза.
Фактор света оказывает и формообразующее действие на растения. Ярусность в лесу обусловлена отношением растений к фактору света.
Фотопериодизм
Фотопериодизм — реакция организмов на суточный ритм освещённости, т.е. на соотношение светлого и тёмного периодов суток.
Сущность фотопериодизма заключается в ритмичных изменениях морфологических, биохимических и физиологических свойств и функций организмов под влиянием чередования и длительности светлого и тёмного периодов суток. Продолжительность освещения, или фотопериод, представляет собой некий пусковой механизм, определяющий последовательность физиологических процессов, приводящих к росту и цветению многих растений, линьке и накоплению жира, миграции и размножению птиц и млекопитающих и наступлению диапаузы (стадии покоя) у насекомых. Например, чёрные стрижи улетают из средней полосы России в конце августа, когда ещё тепло и воздушные насекомые, служащие им кормом, активны. Сезонное снижение продолжительности светлого времени суток сигнализирует о будущем наступлении похолодания.
Сезонный фотопериодизм характерен для растений и животных, обитающих в местах с сезонной выраженностью изменения длины дня и ночи, и обусловлен биологическими циклами организмов, зависимыми от цикличности природных явлений.
Смена времени года значительно влияет на жизнедеятельность растений и животных: периоды цветения и плодоношения растений, активного роста, размножения и миграций животных и т.д.
Фотопериодичность также связана с широко известным механизмом биологических часов, т.е. со способностью организмов отсчитывать время и претерпевать строго циклические изменения функций примерно через 24-часовые интервалы. «Биологические часы» позволяют приводить физиологические ритмы в соответствие с окружающей средой и дают возможность организмам как бы предвидеть суточные, сезонные и другие периодические колебания освещённости, температуры и т.д. По отношению к фотопериоду растения делятся на 3 группы.
1. Растения короткого дня. Зацветание и плодоношение наступает при 8 — 12-часовом освещении. Это растения южных районов: гречиха, просо, подсолнечник, конопля и др.
2. Растения длинного дня. Для них необходимо удлинение дня до 16 — 20 часов. Это большинство растений умеренных широт, а также такие северные растения, как рожь, ячмень, овёс, лук, лён, морковь.
3. Растения, нейтральные к длине дня: виноград, флоксы, сирень и др.
В связи с тем, что характер суточных и сезонных изменений более или менее постоянен в течение длительного времени, выработались механизмы, приводящие сообщество в целом в соответствие с периодичностью изменений условий обитания.
Значение различных частей солнечного спектра для живых организмов
Влияние ультрафиолета и меры защиты
В солнечном свете важны три спектральных диапазона, различающихся по биологическому воздействию: ультрафиолет, видимый и инфракрасный свет. Среди УФЛ до поверхности Земли доходят только длинноволновые (больше 290 нм; 1 нанометр (от греч. nannos — «карлик») равен 10-9 м), а коротковолновые, губительные для всего живого, практически полностью поглощаются на высоте 20 — 25 км озоновым экраном. Наиболее жёсткие (коротковолновые лучи с длиной волны 20 — 90 нм) поглощаются межзвёздным водородом.
Коротковолновые УФЛ (класс «Б»), поглощаемые озоновым экраном, губительны для живых организмов. Воздействие их на организм заключается в следующем: УФЛ-Б разрушают органические молекулы, включая молекулы ДНК, вызывают у людей меланому (рак кожи), «снежную слепоту» (катаракту), подавляют способность иммунной системы сопротивляться онкологическим заболеваниям.
Видимые лучи с длиной волны от 400 до 750 нм, на долю которых приходится большая часть энергии солнечного излучения, достигающего земной поверхности, имеют особенно большое значение для организмов. В зелёных растениях происходит фотосинтез.
Инфракрасные лучи с длиной волны более 750 нм не воспринимаются глазом человека, но они являются важным источником внутренней энергии. Ими особенно богат прямой солнечный свет. Пчёлы и некоторые другие насекомые обладают способностью видеть инфракрасные лучи.
Световые условия в природе имеют отчётливую суточную и сезонную периодичность, которая обусловлена вращением Земли. В связи с суточным ритмом освещения у животных возникли приспособления к дневному и ночному образу жизни.
Поведенческие реакции ночных (многие грызуны, сова, филин) и дневных (жаворонок, курица) животных значительно отличаются.
Температура и ее влияние на живые организмы.
Одним из наиболее важных факторов среды, определяющих существование, развитие и распространение организмов, является температура. Причём, значение имеет не только абсолютное количество тепла, но и распределение его во времени, т.е. тепловой режим.
Все химические процессы, протекающие в организме, зависят от температуры — внешней и внутренней. Особенно ясно зависимость от внешней температуры выражена у организмов, неспособных поддерживать постоянную температуру тела, т.е. у всех растений и большинства животных, кроме птиц и млекопитающих.
Растения, будучи неподвижными, должны существовать при том тепловом режиме, который создаётся в местах их произрастания.
По степени адаптации растений к условиям крайнего дефицита тепла выделяют три группы.
Нехолодостойкие растения — это растения, которые сильно повреждаются или гибнут при температурах выше точки замерзания воды.
К этой группе относятся растения дождевых тропических лесов, водоросли тёплых морей.
Неморозостойкие растения — это растения, которые переносят низкие температуры, но гибнут, как только в тканях начинает образовываться лёд.
При наступлении холодов в клеточном соке и цитоплазме этих растений повышается концентрация веществ, способствующих понижению точки замерзания до –5…–7оС. Такое переохлаждённое состояние неустойчиво и длится всего несколько часов, что, однако, позволяет им переносить заморозки. Таковы некоторые вечнозелёные субтропические виды.
Морозоустойчивые растения — это растения, произрастающие в областях с сезонным климатом и холодными зимами.
При сильных морозах надземные органы деревьев и кустарников промерзают, но сохраняют жизнеспособность. Клетки этих растений переносят обезвоживание, связанное с образованием льда.
Классификация растений по степени адаптации к дефициту тепла
Степень адаптации растений к высоким температурам. Особенности теплообмена у животных
Степень адаптации растений и бактерий к высоким температурам
Нежаростойкие виды — это растения, которые повреждаются уже при +30…+40оС. Например, водные цветковые растения.
Жаровыносливые виды — это растения сухих местообитаний с сильной инсоляцией (степи, саванны, пустыни). Такие растения выносят получасовое нагревание до +50…+60оС.
Жароустойчивые виды. Термофильные бактерии и цианобактерии могут жить в горячих источниках при температуре +85…+90оС.
Рис. 9. Классификация растений по их устойчивости к средним температурам
Особенности теплообмена у животных
В отличие от растений, животные производят гораздо больше собственного тепла и обладают более разнообразными возможностями регулировать температуру собственного тела.
В зависимости от вида теплообмена различают два типа животных: пойкилотермный и гомойотермный.
Пойкилотермные (греч. poikilos — «разнообразный») животные не имеют постоянной температуры тела, механизмы терморегуляции не развиты.
К ним относятся беспозвоночные, рыбы, амфибии, рептилии, температура тела которых изменяется с изменением температуры окружающей среды. Пойкилотермным животным сложно противостоять как избытку тепла, так и его недостатку. С понижением температуры они впадают в оцепенение и в таком неактивном состоянии обладают высокой холодоустойчивостью, которая обеспечивается в основном биохимическими адаптациями.
Гомойотермные (греч. homoios — «одинаковый») животные имеют развитые механизмы химической и физической терморегуляции, обеспечивающие относительно постоянную температуру тела.
К гомойотермным относятся птицы и млекопитающие.
Гетеротермные животные. Правила К. Бергмана и Д. Аллена
Промежуточное положение между пойкилотермными и гомойотермными занимают гетеротермные животные. У них в активном состоянии поддерживается относительно высокая и постоянная температура тела, а в неактивном — температура тела мало отличается от температуры окружающей среды. У этих животных во время спячки, или глубокого сна, уровень обмена веществ падает и температура тела лишь незначительно превышает температуру среды. К гетеротермным животным относятся колибри, летучие мыши, ежи, суслики, утконосы, ехидны и др.
У животных есть определённые морфологические адаптации, направленные на защиту организмов от неблагоприятного воздействия температур. Известные адаптации получили название правил. Согласно правилу немецкого зоолога Карла Бергмана (1847), в пределах вида или достаточно однородной группы близких видов гомойотермные организмы с более крупными размерами тела распространены в более холодных областях. Существует определённая закономерность, известная как правило поверхности Рубнера.
Правило поверхности Рубнера: при увеличении размеров тела его относительная поверхность уменьшается, что снижает теплопотери.
Этим объясняется наблюдаемое у широко распространённых видов гомойотермных животных увеличение размеров северных подвидов по сравнению с южными. Например, масса бурых медведей в Закавказье достигает 150 кг, а на о. Кадьяк (Аляска) — до 800 — 1000 кг. Волк в Кызыл-Кумах имеет массу до 40 кг, а полярный волк — до 78 — 80 кг. Обыкновенная лисица в Туркмении весит до 3,2 кг, а на севере — до 14 кг.
Температура среды оказывает и существенное формообразующее влияние на животных. Американский зоолог Джоэл Аллен (1877) установил, что у многих птиц и млекопитающих, обитающих в холодных зонах Северного полушария, относительные размеры выступающих частей тела (конечностей, хвостов, клювов, мордочек, ушей) уменьшаются. Таким образом снижаются возможные теплопотери. Удлинение же выступающих частей тела увеличивает общую поверхность тела, а следовательно, и его теплоотдачу. На юге встречается ушастый ёж, отличающийся от обыкновенного ежа большими ушами.