Лекция 4. Факторы среды. Общие закономерности их влияния на живые организмы.

4.1. Понятие и классификация факторов среды.

4.2. Абиотические факторы среды.

0. Биотические факторы среды.

4. Механизм влияния факторов среды на живые организмы. Правило оптимума (или толерантности), з-ны Либиха, Рюбеля.

5. Адаптации и мутации как движущая сила эволюции.

4.1. Понятие и классификация факторов среды.

Участвуя в круговороте веществ, живые организмы находятся в непрерывной связи с окружающей средой. Через органы чувств организм получает из окружающей среды различную информацию, используемую им для выработки управляющих сигналов (приспособительных реакций). Информационные сигналы экологи называют экологическими факторами.

●Экологический фактор — это любые элементы или условия окружающей среды, способные оказывать на организм внешнее воздействие, на которое организм отвечает приспособительными реакциями.

Экологические факторы не являются постоянными. Некоторые из них носят ярко выраженный динамический характер. Например, суточные и годовые колебания температуры, поступлений солнечной энергии и т.д.

Кроме природных изменений экологических факторов имеются и антропогенные изменения. Вмешательство человека в природные системы также изменяет экологические факторы. К примеру, создание крупных водохранилищ изменяет климат на обширной прилегающей территории.

Возможность приспосабливаться может быть узкой и широкой. В экологии эти понятия сопровождаются приставками стено- и эври-, соответственно. Например, эври- и стенотермные организмы (приспособление к температурному фактору), эври- и стенотрофные (приспособление к фактору питания) и т.п.

Результаты влияния факторов проявляются:

- морфологически (через внешние признаки);

- этологически (через изменение поведения);

- физиологически (через изменение внутренних процессов в организме).

Классификация факторов среды.

Окружающая среда характеризуется огромным количеством экологических факторов. Их можно разделить на две категории: факторы неживой (косной) природы — абиотические (абиогенные) и факторы живой природы — биотические (биогенные). По своему происхождению эти две категории могут быть как природными, так и антропогенными (греч. anthropos — человек).

4.2 Абиотические факторы делятся на первичные и вторичные (основные и второстепенные), физические и химические, климатические, химические и почвенные:

► Климатические

Солнечное излучение

Вода

Температура

Атмосферное давление

Магнитное поле

Наличие кислорода

и пр.

► Химические

состав воздуха, воды и почв

► Почвенные

механические и физические характеристики почв

рельеф местности

Солнечное излучение. Лучистая энергия Солнца распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн в диапазоне от 0,01 до 100 мкм. Они называются световыми. Глаз человека воспринимает световые волны длиной 0,4...0,75 мкм как видимый свет. Волны длиной 0,75...100 мкм представляют собой инфракрасное излучение (ИК), а менее 0,4 мкм — ультрафиолетовое излучение (УФ). Почти половина солнечной энергии (50%) поступает к нам в диапазоне видимого света, около 7% — в диапазоне ультрафиолетового излучения, остальная часть — это инфракрасное излучение. В процессе фотосинтеза зелеными растениями используется солнечная радиация с длиной волн от 0,38 до 0,71 мкм, т.е. практически видимый спектр. Свет при этом выступает как источник энергии, которая используется пигментной системой растений (хлорофилл или его аналоги). В результате расщепления молекулы воды выделяется газообразный кислород, а углекислый газ преобразуется в углеводы:

2816кДж + 6СО₂ + 12Н₂=С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ + 6Н₂О .

Плотность потока солнечной энергии, поступающей к верхней границе атмосферы, примерно равна 1,319 – 1,411 Вт/м2. Эта величина носит название солнечной постоянной.

В полярных широтах к поверхности Земли поступает примерно 68...72%, а в тропических — до 90% солнечной энергий (по сравнению с энергией на верхней границе атмосферы). Остальная энергия отражается озоновым слоем, поглощается молекулами воздуха, водяными парами, расходуется на образование озона и т.д. Всего 0,1...0,2% поступившей энергии расходуется на создание органического вещества в процессе фотосинтеза.

Солнечная энергия не только поглощается поверхностью Земли, но и отражается ею. Например, чистый снег отражает 80...95 %, загрязненный снег — 30…60, почва — 10...14, светлый песок — 35...40 % солнечной энергии. Отношение отраженного потока солнечного света к поступившему называется альбедо.

Антропогенная деятельность существенно влияет на альбедо. Выбросы в атмосферу твердых и жидких частиц отходов промышленности уменьшают количество солнечной энергии, поступающей к Земле. Затопление больших участков суши, т.е. создание водохранилищ, увеличивает количество отраженной энергии. Загрязнение снега и льдов пылью повышает поглощение энергии, что приводит к их таянию.

Результаты влияния.

• Физиологические: фотосинтез; анатомическое развитие органов зрения.

• Морфологические: яркость окраски.

• Поведенческие: фотопериодизм (смена активности при смене освещения).

К биологическим явлениям, вызываемым фотопериодом как определяющим фактором, относятся: размножение многих млекопитающих и птиц; приобретение зимнего мехового наряда млекопитающими, например горностаем; смена оперения и перелет многих птиц; морфология некоторых бабочек: Araschnia levana принимает форму prorsa, когда ее гусеница живет при длинных днях; появление половых форм у тлей; наступление диапаузы и выход из нее у насекомых; наступление цветения у многих высших растений: одни размножаются в условиях длинного дня, другие в условиях короткого, третьи не реагируют на длину дня, и их цветение вызывается другими факторами.

Вода. Практически для всех живых организмов вода является одним из главных экологических факторов. Без воды невозможно существование жизни на Земле, т.к. процессы в живых клетках протекают в водной среде.

Тела животных, как правило, состоят более чем наполовину из воды. Для человека этот показатель по разным источникам находится в пределах 65...68 %. (в разных органах содержание воды различно. В зубной эмали её., например, около 0,2%). Обезвоживание организма на 10% уже опасно, а на 25 – смертельно.

Все сухопутные животные для компенсации неизбежной потери воды за счет испарения и выделения нуждаются в ее периодическом поступлении.

Многие из них пьют воду, другие всасывают ее через покровы тела в жидком или парообразном состоянии (к последним относится большинство амфибий, некоторые насекомые и клещи).

Большая часть животных пустынь никогда не пьет; они удовлетворяют свои потребности за счет воды, поступающей с пищей.

Наконец, есть животные, получающие воду еще более сложным путем - в процессе окисления жиров. Примерами могут служить верблюд и насекомые, специализировавшиеся на определенной пище - рисовый и амбарный долгоносики, гусеницы платяной моли Tineola bis elliella и моли Aglossa pinguinalis, питающейся жиром.

Значение воды:

- вода является основной средой биохимических реакций;

- осуществляет циркуляцию, транспорт питательных веществ и выведение продуктов диссимиляции в организме в виде водных растворов (пота, мочи, паров из легких);

- участвует воды в газообмене;

- участвует воды в формировании теплового баланса организмов со средой.

Результаты влияния.

• Морфологические и физиологические особенности:

• восковая кутикула, погружение устьица, курчавость листьев;

• запасание воды - мясистные листья (бриофилляция), стебли, подземные части;

• глубокая корневая система ниже уровня грунтовых вод (акация, олеандр), поверхностная корневая система (кактус).

• Этологоческие: миграция к источникам

По одной из теорий происхождения человека из обезьяна (швед Ян Линдбланд) – волосатые предки поселились на прибрежной полосе и, добывая корм в воде, приобрели смотрящий вниз кончик носа, волосы остались только на голове, чтобы держались младенцы и пр.

Атмосферные осадки. Как известно, живое вещество неравномерно распределено на земле. Концентрация живого вещества прямо пропорционально связана с количеством выпадающих осадков. Наибольшее количество осадков наблюдается в экваториальной области Америки — более 10 тыс. мм в год (10м). Для сравнения в пустыне выпадает 100...250 мм (1/4м)осадков в год. Всем известно, как беден там растительный и животный мир.

●Абсолютная влажность — это масса водяных паров в 1м³ воздуха. Максимально возможное содержание водяного пара называется состоянием насыщения, которое зависит от температуры воздуха и атмосферного давления. Для оценки влажности чаще всего используют ● относительную влажность — отношение абсолютной влажности к максимально возможной, выраженное в процентах.

Разница между максимально возможной и действительной важностью называется дефицитом влажности. Это важнейший экологический показатель, определяемый метеостанциями, используется в сельском и лесном хозяйстве.

Рассмотрим известные примеры с саранчой. В сухое и жаркое лето наблюдаются вспышки ее численности, и она достигает даже нашей страны. Поэтому постоянные наблюдения за дефицитом влажности позволяют предсказать такие вспышки и принять меры по защите растений.

Атмосферное давление.

● Сила давления атмосферного столба воздуха, приходящаяся на единицу площади поверхности, называется атмосферным давлением. На уровне моря атмосферное давление примерно равно 101,3 кПа (760 мм рт.ст.)— его принято называть нормальным. Эта величина не остается постоянной. Периодически возникают области с повышенным (антициклоны) и пониженным (циклоны) давлением. При антициклонах могут возникать устойчивые локальные скопления вредных примесей в атмосфере, что неблагоприятно сказывается на жизнедеятельности организмов.

Все внутренние органы живых организмов наполнены воздухом, имеющим такое же давление, как и внешнее атмосферное давление, т.е. внутреннее давление уравновешивает внешнее. В горах на высоте человек сильно ощущает уменьшение давления воздуха, наступает удушье. Рыбы, живущие в океане на больших глубинах, приспособились к большому давлению. Например, на глубине 100 м давление около 1,2 МПа. Поэтому, выловленные на больших глубинах и поднятые на поверхность рыбы гибнут — их взрывает внутреннее давление, не уравновешенное внешним.

Температура. О температуре, как внешнем факторе можно сказать следующее. Все организмы приспособлены к существованию в определенном диапазоне температур (кипящие источники, полярные морозы) - температура в биосфере колеблется от +50°С до - 50°С.

Одни могут существовать в кипящих источниках , другие в условиях полярных морозов. Но нормальное функционирование белков имеет свой диапазон – примерно от 0 до 50 градусов Цельсия. Дальше происходит денатурация белка. Температурный порог жизни (теоретически): верхний - температура свертывания белка (45-60°С); нижний - температура замерзания воды (0°С). У сложных организмов тепловая гибель наступает при более низких температурах: 42 - 43 °С, причиной является рассогласование обменных процессов. (Обезвоживание увеличивает этот порог).

Результаты влияния.

Физиологические

1. Поддержание постоянной температуры тела. По особенностям теплообмена различают пойкилотермные (теплокровные) и гомойотермные (холоднокровные) организмы. Кто нагревается на солнце, как батарея (ящерицы, змеи), в другое время впадая в оцепенение (спячку, своего рода летаргический сон, когда скорость химических реакций значительно уменьшается). Кто-то тратит энергию на поддержание температуры тела постоянной (теплокровные животные). Например: для мужчины среднего веса и среднего роста для поддержания постоянной тем-ры тела необходимо ежесуточно ~ 8000 кДж.

2. Приспособление к понижению температуры: в тканях накапливаются биологический антифриз. У растений накапливаются перед зимой - сахара, АК, связывающие воду. Понижается вязкость протоплазмы и содержание Н2О. Лиственницы в районе Верхоянска имеют в составе соков химический состав, по действию схожий с криопротекторами (антифризом). У насекомых накапливается глицерин в гемолимфе и тканях, что понижает точку переохлаждения до –27…-39 °С. Кристаллизация в клетках начинается лишь при – 60 °С.

3. Приспособление к повышению температуры:активное потение (до нескольких литров в сутки). Поэтому мы так потеем в жару - при испарении вода поглощает значительное количество энергии,

4. Существует химический закон Вант-Гоффа, который применим и к биохимии, точнее к живым организмам – при повышении температуры на 10 градусов Цельсия скорость протекания хим. Реакций ускоряется в 2-3 раза. Поэтому мы так потеем в жару (при испарении вода поглощает значительное количество энергии), поэтому сердечникам не рекомендуют подолгу принимать горячую ванну.

Морфологические

1. теплоизолирующие покровы (перья, волосы, подкожный жир).

2. Изменяется форма тела у животных и растений обитающий в жарком и холодном климате: согласно правилу Бергмана, два близких вида теплокровных отличаются размерами. Более крупный обитает в холодном климате, более мелкий – в жарком. : два близких вида теплокровных отличаются размерами. Более крупный обитает в холодном климате, более мелкий – в жарком.

Исключения: мелкие арктические животные отличаются большим аппетитом, небольшие конечности, впадают в спячку, а крупные животные жарких стран (слоны, бегемоты; слоны) имеют большие уши, хлопая ими, повышают теплоотдачу.

Это правило согласуется с простым термодинамическим соображением: Потеря тепла пропорциональна поверхности тела и, следовательно, тем выше, чем больше отношение поверхности тела к его объему, т.е. чем меньше тело животного.

Правило Аллана: Придатки тела (уши, хвосты, лапы) тем короче, а тело массивнее, чем холоднее климат. Это правило является частным случаем предыдущего.

Хорошим примером может служить лисица: фенек, которая имеет длинные конечности и огромные уши; лисица европейских стран более приземиста, а ее уши намного короче; у песца, живущего в Арктике, очень маленькие уши и короткая морда.

Этологические

Терморегуляция: при понижении температуры за счет мускульной активности (летающие насекомые, змея вокруг кладки яиц, у пчел – общественная регуляция – трепетание крыльями). У животных – частое дыхание (собаки при жаре совершают 300-400 дыханий в минуту при норме 20-40 дыханий в минуту). Для птиц характерна горловая дрожь - колебательные движения нижней стороны шеи (вентиляция дыхательных путей).

Адаптивное поведение: выбор места с наиболее благоприятным климатом, микроклиматом и смена позиций (из солнечных мест в тень).

Например: перелеты птиц или миграция. Краб выходит на мелководье (вода прогрета солнцем), в жаркое время уходит на глубину, скрывается в норах. Ящерица зарывается в песок.