Адаптации животных
-
Животные теряют влагу с испарениями, а также путем выделения конечных продуктов обмена веществ. Компенсацией потерь воды у животных служит ее поступление с пищей и питьем. (например, большинство амфибий, некоторые насекомые и клещи).
Большая часть животных пустынь никогда не пьет, они удовлетворяют свои потребности за счет воды, поступившей с пищей
Другие всасывают ее через покровы тела в жидком или парообразном состоянии.
В неблагоприятных условиях животные часто сами регулируют свое поведение так, чтобы избежать недостатка влаги: переходят в защищенные от иссушения места, ведут ночной образ жизни. Многие животные не покидают пределов переувлажненных местообитаний.
Другие животные получает воду в процессе окисления жиров. Например, верблюд, и насекомые — рисовый и амбарный долгоносик и другие.
Классификация организмов по отношению к влажности среды
Гидатофиты — это водные растения.
Гидрофиты — это растения наземно-водные.
Гигрофиты — наземные растения живущие в условиях повышенной влажности.
Мезофиты — это растения, произрастающие при среднем увлажнении
Ксерофиты — это растения произрастающие с недостаточным увлажнением. Они в свою очередь делятся на:
-Суккуленты — сочные растения (кактусы).
-Склерофиты — это растения с узкими и мелкими листьями, и свернутыми в трубочки.
Осадки, тесно связанные с влажностью воздуха, представляют собой результат конденсации и кристаллизации водяных паров в высоких слоях атмосферы. В приземном слое воздуха образуются росы, туманы, а при низких температурах наблюдается кристаллизация влаги — выпадает иней.
Одна из основных физиологических функций любого организма — поддержание на достаточном уровне количества воды в теле. В процессе эволюции у организмов сформировались разнообразные приспособления к добыванию и экономному расходованию воды, а также к переживанию засушливого периода. Одни животные пустыни получают воду из пищи, другие за счет окисления своевременно запасенных жиров (например, верблюд, способный путем биологического окисления из 100 г жира получить 107 г метаболической воды); при этом у них минимальна водопроницаемость наружных покровов тела, преимущественно ночной образ жизни и т. д. При периодической засушливости характерно впадание в состояние покоя с минимальной интенсивностью обмена веществ. Наземные растения получают воду главным образом из почвы. Малое количество осадков, быстрый дренаж, интенсивное испарение либо сочетания этих факторов ведут к иссушению, а избыток влаги — к переувлажнению и заболачиванию почв.
Баланс влаги зависит от разницы между количеством выпавших осадков и количеством воды, испарившейся с поверхностей растений и почвы, а также путем транспирации.
4. Влияние концентрации биогенных элементов, солености, рН, газового состава среды, течений и ветера, гравитация, электромагнитных полей на организмы.
Биогенные элементы химические элементы, постоянно входящие в состав организмов и имеющие определённое биологическое значение. Прежде всего это кислород (составляющий 70% массы организмов), углерод (18%), водород (10%), кальций, азот, калий, фосфор, магний, сера, хлор, натрий, железо. Эти элементы входят в состав всех живых организмов, составляют их основную массу и играют большую роль в процессах жизнедеятельности.
Многие элементы имеют большое значение только для определённых групп живых существ (например, бор необходим для растений, ванадий — для асцидий и т.п.). Содержание тех или иных элементов в организмах зависит не только от их видовых особенностей, но и от состава среды, пищи (в частности, для растений — от концентрации и растворимости тех или иных почвенных солей), экологических особенностей организма и других факторов. Элементы, постоянно содержащиеся в организмах млекопитающих, по их изученности и значению можно разделить на 3 группы : элементы, входящие в состав биологически активных соединений (ферменты, гормоны, витамины, пигменты) , они являются незаменимыми; элементы, физиологическая и биохимическая роль которых мало выяснена или неизвестна.
Соленость
Водный обмен теснейшим образом связан с солевым обменом. Он приобретает особое значение для водных организмов (гидробионтов).
Для всех водных организмов характерно наличие проницаемых для воды покровов тела, поэтому различие в концентрации растворенных в воде солей и солей, определяющих осмотическое давление в клетках организма, ток. создает осмотический Он направлен в сторону большего давления.
У гидробионтов, обитающих в морских и пресноводных экосистемах наблюдаются существенные отличия в адаптациях к концентрации растворенных в водной среде солей.
У большинства морских организмов внутриклеточная концентрация солей близка к таковой в морской воде.
Любые изменения внешней концентрации приводят к пассивному изменению осмотического тока.
Внутриклеточное осмотическое давление меняется соответственно изменению концентрации солей в водной среде. Такие организмы называют пойкилоосмотическими.
К ним относятся все низшие растения (в том числе сине-зеленые водоросли- цианобактерии), большинство морских беспозвоночных животных.
Диапазон толерантности к изменениям концентрации солей у этих организмов невелик; они распространены, как правило, в морских экосистемах с относительно постоянной соленостью.
К другой группе водных организмов относятся так называемые гомойоосмотические.
Они способны активно регулировать осмотическое давление и поддерживать его на определенном уровне независимо от изменений концентрации солей в воде, поэтому их называют также осморегуляторами.
К ним относятся высшие раки, моллюски, водные насекомые. Осмотическое давление внутри их клеток не зависит от химической природы растворенных в цитоплазме солей. Оно обусловлено общим количеством растворенных частиц (ионов). У осморегуляторов активная ионная регуляция обеспечивает относительное постоянство внутренней среды, а также способность избирательно извлекать из воды отдельные ионы и накапливать их в клетках своего организма.
Задачи осморегуляции в пресной воде противоположны таковым в морской.
У пресноводных организмов внутриклеточная концентрация солей всегда выше, чем в окружающей среде.
Осмотический ток всегда направлен внутрь клеток, и эти виды являются гомойосмотическими.
Важным механизмом поддержания у них водно-солевого гомеостаза является активный перенос ионов против градиента концентрации.
У некоторых водных животных этот процесс осуществляется поверхностью тела, но главным местом такого активного транспорта служат специальные образования – жабры.
В ряде случаев покровные образования затрудняют проникновение воды через кожу, например, чешуя, панцири, слизь; тогда активное выведение воды из организма происходит с помощью специализированных органов выделения.
Водно-солевой обмен у рыб представляет собой более сложный процесс, который требует отдельного рассмотрения. Здесь отметим лишь, что он происходит по следующей схеме:
Вода поступает в организм осмотическим путем через жабры и слизистую оболочку желудочно-кишечного тракта, избыток ее выводится через почки. Фильтрационно-реабсорбционная функция почек может меняться в зависимости от соотношения осмотических давлений водной среды и жидкостей организма. Благодаря активному переносу ионов и способности к осморегуляции многие пресноводные организмы, в том числе рыбы, приспособились к жизни в солоноватой и даже в морской воде.
Наземные организмы имеют в той или иной мере специализированные структурно-функциональные образования, обеспечивающие водной-солевой обмен. Известны многочисленные варианты приспособлений к солевому составу среды и его изменениям у обитателей суши. Эти приспособления становятся решающими в тех случаях, когда вода является лимитирующим фактором жизни. Например амфибии, обитают во влажных наземных биотопах благодаря особенностям водно-солевого обмена, которые сходны с обменом у пресноводных животных. По-видимому, такой тип приспособления сохранился в ходе эволюции при переходе из водной среды обитания в наземную.
Для растений аридных (засушливых) зон большое значение в ксерофитных условиях имеет повышенное содержание солей в почве.
Солеустойчивость различных видов растений существенно отличается. На засоленных почвах обитают галофиты – растения, которые переносят большие концентрации солей.
Они накапливают в тканях до 10 % солей, что ведет к повышению осмотического давления и способствует более эффективному насасыванию влаги из засоленных почв.
Некоторые растения выводят избыток солей через специальные образования на поверхности листа, другие обладают способностью связывать соли с органическими веществами.
Реакция среды рН
Распространение и численность организмов существенно зависит от реакции почвы или водной среды.
Загрязнение атмосферного воздуха вследствие сжигания ископаемого топлива (чаще всего диоксидом серы) приводит к отложению сухих ацидогенных частиц и выпадению дождя, состоящего, по сути, из слабой сернистой кислоты. Выпадение таких «кислых дождей» вызывает закисле-ние различных объектов окружающей среды. Сейчас проблема «кислых дождей» стала приобретать глобальный характер.
Влияние закисления сводится к следующему:
Снижение рН ниже 3, также как повышение выше 9, приводит к повреждению протоплазмы корней большинства сосудистых растений.
Изменение рН в почве вызывает ухудшение условий питания: снижается доступность биогенных элементов для растений.
Снижение рН до 4,0 – 4,5 в почве или донных осадках в водных экосистемах вызывает разложение глинистых пород (алюмосиликатов), вследствие чего среда становится токсичной из-за поступления в воду ионов алюминия (Al ).
Железо и марганец, необходимые для нормального роста и развития растений, при низких рН становятся токсичными вследствие перехода в ионную форму.
Пределы устойчивости к закислению почвы у разных растений различны, но только немногие растения могут расти и размножаться при рН ниже 4,5.
При высоких значениях рН, т. е. при подщелачивании, также создаются неблагоприятные условия для жизнедеятельности растений. В щелочных почвах железо, марганец, фосфаты присутствуют в виде малорастворимых соединений и плохо доступны для растений.
Резко отрицательное воздействие оказывает на биоту закисление водных экосистем.Повышенная кислотность действует негативно в трех направлениях:
нарушения осморегуляции, активности ферментов (они имеют оптимумы рН), газообмена;
токсического воздействия ионов металлов;
нарушений в пищевых цепях, изменения пищевого рациона и доступности пищи.
В пресноводных экосистемах определяющую роль в реакции среды играет кальций, который наряду с диоксидом углерода определяет состояние карбонатной системы водных объектов.
Присутствие ионов кальция имеет значение и для поведения остальных компонентов, например железа.
Поступление кальция в воду связано с неорганическим углеродом карбонатных пород, из которых происходит его выщелачивание.
Газовый состав среды обитания
Для многих видов организмов, как бактерий, так и высших животных и растений, концентрация кислорода и двуокиси углерода, которые составляют в атмосферном воздухе 21 % и 0,03 % по объему соответственно, являются лимитирующими факторами.
При этом в наземных экосистемах состав внутренней воздушной среды – атмосферного воздуха – относительно постоянен.
В водных экосистемах количество и состав газов, растворенных в воде, сильно варьирует.
КИСЛОРОД
В водных объектах – озерах и водохранилищах, богатых органическим веществом – кислород становится фактором, лимитирующим процессы окисления, и тем самым приобретает первостепенную важность.
В воде содержится значительно меньше кислорода, чем в атмосферном воздухе, а вариации его содержания там связаны со значительными колебаниями температуры и растворенных солей.
Растворимость кислорода в воде повышается с понижением температуры и снижается с повышением солености.
Общее количество кислорода в воде обеспечивается поступлением из двух источников:
из атмосферного воздуха (путем диффузии)
из растений (как продукт фотосинтеза).
Физический процесс диффузии из воздуха протекает медленно и зависит от ветра и движения воды.
Поступление кислорода при фотосинтезе определяется интенсивностью процесса диффузии, который зависит, прежде всего, от освещенности и температуры воды.
Вследствие этих причин количество кислорода, растворенного в воде, сильно изменяется в течение суток, в разные сезоны, а также отличается в различных физико-географических и климатических условиях.
УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ
Диоксид углерода в водных экосистемах не имеет такого большого значения, как кислород.
Растворимость его в воде высокая.
Он образуется в результате дыхания живых организмов, разложения отмерших остатков животных и растений.
Углекислота, образующаяся в воде, вступает в реакцию с известняками, образуя карбонаты и бикарбонаты.
Карбонатная система океанов служит основным резервуаром углекислого газа в биосфере и буфером, поддерживающим концентрацию водородных ионов на уровне, близком к нейтральному.
В целом для всех живых существ кислород и углекислый газ, несомненно, являются лимитирующими факторами существования. Диапазоны величин этих факторов, сложившиеся в ходе эволюции, довольно узки.
Концентрации кислорода, необходимые для дыхания, достаточно постоянны и закрепились в ходе эволюции.
Гомеостаз обеспечивается постоянством параметров внутренней среды организмов; содержание кислорода и углекислого газа в различных тканях и органах поддерживается на относительно постоянном уровне.
Карбонатная система жидкостей организма служит хорошим буфером, обеспечивающим гомеостаз.
течение, ветер
Водные течения:
Глобальные (морские) и локальные.
Глобальные:
Учавствуют в распространении организмов.
Определяют климатические условия многих регионов планеты (гольфстрим)
Локальные:
Влияют на газовый состав среды (воды) (увеличивается концентрация кислорода).
Увеличение течения в водоемах создает увеличение продуктивности сообщества. Стоячая вода создает стрессовые условия, а проточная создает дополнительный источник энергии, повышающий продуктивность.
Способствуют возникновению комплекса морфологических адаптаций, противостоящих течению (?).
Воздушные течения (ветра):
Ветер является лимитирующим фактором, ограничивающим распространение многих животных (насекомые).
Играет важную роль в миграции насекомых. Восходящие токи воздуха подхватывают мелких насекомых на 1-2 км, а затем ветер переносит их на огромные расстояния.
Чем сильнее ветер, тем больше направление миграции совпадает с направлением ветра (бражники, тля и цветочные мухи на Шпицбергене).
Ветер влияет на распределение насекомых по биотопу (поляны, опушки, за кустами, за деревьями ветер слабее).
Определяет возможность полета и активности большинства летающих животных (насекомые, птицы). Активность нападения кровососущих двукрылых.
Влияет на распространение веществ используемых животными в качестве стимуляторов полового поведения (особенно феромоны у насекомых). Запах самки и т.д.
Лимитирует рост растений (в условиях тундры или альпийских лугов растения карликовые). Но влияет и температура.
Определяет особенности миграционного и трофического поведения птиц (парящий полет, миграции мелких птиц).
Сила тяжести
Гравитация влияет на формообразование и физиологию крупных животных (биомеханика). Один из определяющих факторов существования жизни на земле.
Сила тяжести может служить сигнальным фактором у насекомых, в качестве указателя к направлению в открытое пространство. (отрицательный геотропизм). Стремление вверх по стеблю (против градиента силы тяжести – это стремление к свету, теплу, свободе (особенно для летающих). Эксперименты с голодной саранчой в садках где еда на дне (опустились за едой только через несколько часов).
Положительный геотропизм наблюдается у почвенных животных (Опыты Гилярова с насекомыми в сухой и влажной почвой в садках. Хоть почва и сухая все равно ползли вниз, а там погибали).
Геотропизм может меняться по сезонам в зависимости от условий обитания и зимовки (подкорковые клопы то вниз, то вверх).
ЭЛЕКТОРМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ ЗЕМЛИ
1. Многие жужелицы используют магнитное поле землидля ориентации и перемещения в ночное время.
2. Многие ориентируются и передвигаются под углом или параллельно геомагнитным линиям, используя их в ориентации (пчелы, мучные хрущаки, майские жуки.
3. В обычных условиях зрительные и другие ориентиры, а при их отсутствиях включаются магнитные механизмы ориентации.
5. Концепция лимитирующих факторов. "Закон Ю. Либиха". Закон толерантности. Зависимость общего обмена и его интенсивности от массы тела. Правило Аллена, Бергмана, Глогера. Классификация ресурсов. Экологическая ниша. Свойства ниши.
В экологии под лимитирующим (ограничивающим) фактором понимается любой фактор, который ограничивает процесс развития или существования организма, вида или сообщества. Им может быть любой из действующих в природе экологических факторов: вода, тепло, свет, ветер, рельеф, содержание в почве необходимых для жизнедеятельности растений солей и химических элементов, а в водной среде - химизм и качество воды, количество доступного кислорода и углекислого газа. Такими факторами могут быть конкуренция со стороны другого вида, присутствие хищника или паразита.
В Мировом океане, к примеру, развитие жизни лимитируется главным образом недостатком азота и фосфора. Поэтому любой подъем на поверхность донных вод, обогащенных этими минеральными элементами, оказывает благотворное влияние на развитие жизни. Особенно ярко это проявляется в тропических и субтропических районах.
закон минимума Ю. Либиха
Живой организм в природных условиях одновременно подвергается воздействия не одного, а многих экологических факторов. Причем любой фактор требуется организму в определенных колическах/дозах. Либих установил, что развитие растения или его состояние зависит не от тех химических эл-в, которые присутствуют в почве в достаточных кол-вах, а от тех, которых не хватает. Если
любого, хотя бы одного из элементов питания в почве меньше, чем требуется данным растениям, то оно будет развиваться ненормально, замедленно, или иметь патологические отклонения.
закон минимума Ю.ЛИБИХА - концепция, согласно которой существование и выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей.
Согласно закону минимума жизненные возможности организмов лимитируют те экологические факторы, количество и качество которых близки к необходимому организму или экосистеме минимуму.
Закон толерантности Шелфорда — закон, согласно которому существование вида определяется лимитирующими факторами, находящимися не только в минимуме, но и в максимуме.
Закон толерантности расширяет закон минимума Либиха.
Формулировка
«Лимитирующим фактором процветания организма может быть как минимум, так и максимум экологического влияния, диапазон между которыми определяет степень выносливости (толерантности) организма к данному фактору».
Любой фактор, находящийся в избытке или недостатке, ограничивает рост и развитие организмов и популяций.
Закон толернатности был дополнен в 1975г Ю.Одумом.
Организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного фактора и узкий диапазон в отношении другого.
Организмы с широким диапазоном толерантности в отношении всех экологических факторов обычно наиболее распространены
Если условия по одному экологическому фактору не оптимальны для вида, то диапазон толерантности может сузиться и в отношении других экологических факторов (например, если содержание азота в почве мало, то требуется больше воды для злаков)
Диапазоны толерантности к отдельным факторам и их комбинациям различны.
Период размножения является критическим для всех организмов, поэтому именно в этот период увеличивается число лимитирующих факторов.
Зависимость общего обмена и его интенсивности от массы тела
Правило Аллена - в экологии - закон, согласно которому выступающие части тела теплокровных животных в холодном климате короче, чем в теплом, поэтому они отдают в окружающую среду меньше тепла. Отчасти правило Аллена справедливо и для побегов высших растений.
Правило Бергмана- в экологии - закон, согласно которому у теплокровных животных, подверженных географической изменчивости, размеры тела особей статистически больше у популяций, живущих в более холодных частях ареала вида.
Правило Глогера - в экологии - закон, согласно которому географические расы животных в теплых и влажных регионах пигментированы сильнее, чем в холодных и сухих регионах. Правило Глогера имеет большое значение в систематике животных.
Ресурсы –количественно выраженные составляющие его жизнедеятельности. Все то что организм потребляет. Ресурсы могут быть органической и неорганической природы (живые и не живые). Доступные и недоступные. Нора, дупло, самка –это все тоже ресурсы. При этом наличный запас всего того что используется организмом и что его окружает постоянно меняется в количественном и качественном отношении. Все это и будет ресурсом.
Ресурсы – вещества из которых состоят тела, энергия, используемая в процессах, места где протекают их стадии жизни. Есть ресурсы пищевые, есть энергетические, пространственные.
Классификация ресурсов (по Тилману -Tilman, 1982):
1.Незаменимые ресурсы
Ни один не в состоянии заменить другой. Скорость роста, которой можно достигнуть при снабжении ресурсом 1 жестко ограничена количеством ресурса 2. Олигофаги.
(-1, +1, 0 – скорость роста биомассы)
2.Взаимозаменяемые ресурсы. Любой из них можно полностью заменить другим. Полифаги. При любой скорости роста количество любого ресурса всегда необходимо. При снижении одного необходимо большее другого и наоборот.
3.Взаимодополняющие (комплементарные) При совместном потреблении организмом данных ресурсов их требуется мньше, чем при раздельном потреблении (для достижения одной и той же скорости роста).
4.Антагонистические. При совместном потреблении скорость роста меньше чем при раздельном потреблении ресурсов. Ядовитые растения в пищу травоядным.
5.Ингибирующие. Это незаменимые ресурсы, но при больших концентрациях являются антагонистами