Абиотические факторы

Среди абиотических факторов наибольшее экологическое значение имеют температура, влажность, сол­нечная радиация, так как они опре­деляют климат.

Температура. Температура влия­ет на все процессы жизнедеятельно­сти организма, определяя скорость обмена веществ. С повышением температуры на 10°С скорость обменных реакций возрастает в 2—3 раза. Верх­няя граница нормального функцио­нирования большинства организмов проходит ниже уровня температуры денатурации ферментов и не превы­шает 45-50°С. Если температура падает ниже точки замерзания, то в от­сутствие специальных защитных ме­ханизмов живые организмы погибают в результате образования в их клетках кристаллов льда и обезво­живания. Оптимум температурного фактора для большинства организ­мов лежит в диапазоне температур от 10°С до 35°С. Однако, благодаря различным адаптациям, пределы выносливости к температурному фактору могут значительно расширяться. Межвидовые различия в этом отно­шении чрезвычайно велики. Например, некоторые виды бактерий могут существовать в горячих источниках при температуре 75—90 °С. Холодные воды арктических широт с тем­пературой около 0°С населены разно­образными представителями водорослей, беспозвоночных и рыбами.

Все живые организмы используют два основных источника тепловой энергии: внешний (солнечная энергия и ее производные) и внутренний, связанный с протекающими в орга­низме обменными реакциями, сопровождающимися выделением тепла, т. е. с жизнедеятельностью самих ор­ганизмов. В процессе эволюции жизни происходило все большее усиление значения внутренних источников энергии. Одновременно с этим совер­шенствовались специальные механизмы терморегуляции, обеспечива­ющие необходимый уровень выработ­ки и расходования тепловой энергии. В зависимости от постоянства тем­пературы тела животные разделяют­ся на две группы: пойкилотермные, или холоднокровные, и гомойотермные, или теплокровные.

При значительном отклонении температуры внешней среды от зоны оптимума пойкилотермные живот­ные впадают в оцепенение. Они ста­новятся неподвижными, прекраща­ют питаться; газообмен и другие фи­зиологические процессы у них резко замедляются. В таком неактивном состоянии эти животные могут пре­бывать в течение длительного време­ни, пока условия жизни для них остаются неблагоприятными.

Большинство животных, впадаю­щих в оцепенение, способны к пере­охлаждению, т. е. к понижению тем­пературы их тела ниже 0°С, без обра­зования льда в тканях. Это достига­ется вследствие повышения осмоти­ческого давления внутренних жидко­стей в результате прогрессирующего обезвоживания, а также за счет на­копления веществ с холодозащитными свойствами (например, глицери­на). Эти вещества, предотвращая об­разование кристаллов льда, могут по­нижать точку замерзания жидкостей до -20 °С. Благодаря ряду адаптации, некоторые пойкилотермные организ­мы могут выдерживать охлаждение до температуры ниже -70 °С Состоя­ние временной обратимой остановки жизни, вызванное глубоким охлаж­дением, называется анабиозом.

Гомойотермные живот­ные (птицы и млекопитающие) под­держивают внутреннюю температу­ру тела на относительно постоянном уровне, независимо от температуры окружающей среды; при этом они расходуют много энергии. Уровень обменных процессов у гомойотермных в 20—30 раз выше, чем у пойкилотермвых организмов таких же раз­меров. Постоянная температура тела гомойотермных животных, значения которой обычно находятся между 35 и 40°С, поддерживается благодаря интенсивному обмену веществ, со­вершенным механизмам теплорегуляции, а также хорошей теплоизоля­ции, создаваемой оперением, густым волосяным покровом или подкож­ным слоем жира.

В ходе эволюции животные выра­ботали к изменениям температурных условий разнообразные адаптации: морфологические, физиологические, поведенческие и др. Морфологиче­ские адаптации, в частности, прояв­ляются в том, что виды животных, обитающие в холодном климате, крупнее, чем особи близких видов, распространенные в более теплых районах.

Влажность. Вода относится к жиз­ненно важным экологическим фак­торам, определяющим распростране­ние и численность живых организ­мов. В водной среде протекают об­менные реакции, транспортируются питательные вещества и продукты диссимиляции. Через водную пленку осуществляется поглощение кисло­рода и выделение углекислоты при дыхании. Изменение интенсивности испарения воды с поверхности тела животных служит одним из механизмов терморегуляции и т. п. Поэтому поддержание количества воды на до­статочном уровне, вследствие неизбежных потерь ее в процессах жизне­деятельности, составляет одну из основных физиологических функций любого организма.

В связи с неравномерным выпадением осадков различают следующие природные зоны: засушливые (менее 250 мм/год), умеренные (250—750 мм/год) и влажные (более 750 мм/год).

В процессе эволюции животные и растения выработали разнообразные адаптации к условиям водного режи­ма, которые отражаются на особенностях их внешней и внутренней организации. Растения пустынь, полу­пустынь и степей — ксерофиты имеют жесткие узкие листья с выраженным восковым налетом. У неко­торых из них листья вовсе отсутствуют, и функцию фотосинтеза выполняют стебли. Часть ксерофитов приобрела развитую водозапасающую ткань и способность к экономному расходованию воды. Их листья превратились в колючки или чешуйки. Растения засушливых зон обычно имеют хорошо развитые и глубоко проникающие в землю корни с высоким, по сравнению с почвенным раствором, осмотическим давлением. Некоторые из ксерофитов выработали особые фенологические ритмы с кратким периодом вегетации, совпа­дающим с временем выпадения осадков. Засушливый период они пере­живают в виде семян, корневищ или клубней. Растения, приспособленные к влажным условиям, — гигро­фиты, в отличие от ксерофитов, име­ют большие листья и слабо развитую корневую систему.

Животные, обитающие в условиях засушливого климата, так же как и растения, в процессе эволюции вы­работали приспособления для защиты от обезвоживания, добывания и экономного расходования влаги. Многие из них, например ящерицы, грызуны, никогда не пьют, довольствуясь водой, содержащейся в пище, и могут использовать метаболическую воду, образующуюся при окислении жиров. Другие — обладают совер­шенными механизмами терморегу­ляции. Например, одногорбый верблюд почти не испаряет воду путем потоотделения, и в дневные часы температура его тела поднимается до 41 °С. Ночью он понижает ее до 34 °С, отдавая тепло путем излучения, теплопроводности и конвекции. Поэто­му верблюд может переносить потери воды, равные 30% своей массы тела. Пустынные членистоногие имеют толстый, покрытый водонепроница­емой восковой пленкой хитин, пре­дохраняющий от потери воды путем испарения. Многие организмы арид­ных зон в течение жаркого и сухого периода впадают в спячку, и жизнен­ные процессы у них временно ослаб­ляются.

Солнечная радиация. В спектре электромагнитного излучения солн­ца выделяют три области, различ­ные по биологическому действию: ультрафиолетовые лучи (длина вол­ны < 0,4 мкм), видимые лучи (0,4— 0,75 мкм) и инфракрасные лучи (>0,75 мкм).

Ультрафиолетовые лучи с длиной волны менее 0,29 мкм губитель­ны для всего живого. Благодаря на­личию озонового слоя атмосферы, за­держивающего это коротковолновое излучение, до поверхности Земли до­ходит лишь небольшая часть ультра­фиолетовых лучей с длиной волны 0,3—0,4 мкм. Они обладают высокой химической активностью и в умерен­ных дозах оказывают благоприятное действие на организм человека и жи­вотных: усиливают обмен веществ и способствуют образованию витами­на D. Видимые лучи, на долю которых приходится около 48% общего пото­ка излучения, имеют особенно боль­шое значение для организмов. Под действием видимых лучей осуществ­ляется процесс фотосинтеза в расти­тельных клетках. Фотосинтезирующие зеленые растения обеспечивают живые организмы органическим веществом и аккумулированной в нем солнечной энергией — источником жизни на Земле. Инфракрасные лучи, или тепловые лучи, с длиной волны более 750 нм служат важным источником энергии, повышают температуру окружающей среды и самих орга­низмов. Они играют большую роль в жизнедеятельности растений: способствуют испарению воды растени­ями (транспирации), поступлению углекислого газа через устьица и др.

По отношению к свету различают три группы растений: светолюбивые, теневыносливые и тенелюбивые. Светолюбивые растения обитают на открытых местах в условиях хоро­шего солнечного освещения и плохо переносят даже небольшие затенения (луговые, степные травы, злаки и др.). Теневыносливые виды отли­чаются широкими пределами выносливости к световому фактору. Они хорошо растут как при сильном осве­щении, так и в условиях затенения. К ним относятся большинство расте­ний лесов. Тенелюбивые растения произрастают только в условиях слабой освещенности при рассеянном свете (в основном это травы, живу­щие под пологом леса).

Интенсивность потока солнечной энергии имеет сезонные и суточные колебания. Они обусловлены враще­нием Земли и наклоном ее орбиты к плоскости вращения. Живые орга­низмы выработали способность реа­гировать на изменение интенсивно­сти света и соотношение дня и ночи, т. е. они обладают «биологическими часами», позволяющими им ориен­тироваться во времени. Биологиче­ские часы лежат в основе присущих растениям и животным сезонных и суточных ритмов. Сезонные ритмы — циклические изменения протекания биологиче­ских процессов (роста, развития, раз­множения и др.), связанные со сме­ной времени года. Главным факто­ром регуляции сезонных циклов у растений и животных служит изме­нение времени светового дня в тече­ние года. Реакция организмов на суточные изменения длины светового дня называется фотопериодизмом. Особенно большую роль фотоперио­дизм играет в жизни растений, опре­деляя начало и окончание вегетации, бутонизации, цветения, созревания семян и т. п. В тропиках многие рас­тения адаптированы к световому дню продолжительностью менее 8—12 часов (растения «короткого дня»). В зо­не умеренных широт преобладают растения «длинного дня», нормально вегетирующие при длине дня 16— 20 часов. Поэтому южные по проис­хождению растения (георгины, аст­ры, гладиолусы) в умеренных широ­тах цветут осенью. Многие растения умеренных широт при выращивании в течение всего года в условиях длин­ного дня становятся вечнозелеными, и, наоборот, при освещении всего 10— 12 часов в сутки их рост даже ле­том прекращается, и они сбрасывают листья.

Сказывается влияние продолжи­тельности дня и на жизнедеятельно­сти животных. У них фотоперио­дизм определяет ритм размноже­ния, осенние и весенние линьки, пе­реход к зимней спячке, миграции и т. п. Например, у птиц умеренных широт созревание гонад, появление миграционных и гнездовых инстин­ктов совпадают с началом увеличе­ния продолжительности светового дня. Искусственно изменяя его дли­ну, у птиц можно вызвать перелет­ное состояние. Многим животным свойственна диапауза — период временного фи­зиологического покоя, начало кото­рого определяется, главным обра­зом, уменьшением продолжительно­сти дня. Она часто отмечается у насекомых на разных стадиях их развития. Во время имагинальной диапаузы у них прекращается раз­витие гонад и половых продуктов, повышается устойчивость особей к воздействию низких температур и вы­сыханию. Таким образом, фотопериодизм, регулируя сезонные явления у разных видов организмов, помогает им вы­жить в конкретных условиях среды.

Условия освещения в течение су­ток определяют суточные ритмы живых организмов. Известны три вида суточной активности: дневная, ночная и круглосуточная, встречаю­щаяся среди организмов, живущих в местах, укрытых от воздействия пря­мых солнечных лучей: личинки мух, жуков, некоторые виды полевок и др. В соответствии с суточными ритмами изменяются многие функции орга­низма (секреция гормонов, деление клеток, частота сердечных сокраще­ний и дыхания и т. д.), а также об­щее поведение животных (актив­ность, откладка яиц и др.). Напри­мер, у человека насчитывается около 100 физиологических функций, име­ющих суточные ритмы. Нарушение установившихся ритмов жизнедея­тельности может снижать работоспо­собность, неблагоприятно влиять на здоровье человека. Поэтому исследо­вания суточных биоритмов имеют большое значение для разработки мер по организации рационального режи­ма труда и отдыха, а также методов предупреждения и лечения болезней.

Свет имеет большое значение в ориентации живых организмов. Двигательные реакции, в ответ на одностороннее действие светового раздражителя, свойственные свободно передвигающимся организмам (бактериям, некоторым водорослям и животным), называются фототаксиса­ми. При этом движение может быть направлено к источнику света (положительный фототаксис) или от него (отрицательный фототаксис). Многим растениям присущи фототропизмы — направленные ростовые движения органов растений, вызванные односторонним воздейст­вием света. Насекомые способны зрительно воспринимать ультрафиолетовые лучи и поляризованный свет, руководствуясь которым, они определяют направление полета в зависимости от положения солнца.