Абиотические факторы. Влияние света и температуры 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.

Рис. 1. Классификация растений

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.

Рис. 2. Классификация растений по их отношению к длине дня

Дополнительный материал

При искусственном круглосуточном освещении или продолжительности дня более 15 часов сеянцы берёзы растут непрерывно, не сбрасывая листьев. Но при освещении в течение 10 или 12 часов в сутки рост сеянцев даже летом прекращается, вскоре происходит сбрасывание листьев и наступает зимний покой, как под влиянием короткого осеннего дня. Многие наши листопадные древесные породы: ива, белая акация, дуб, граб, бук — при длинном дне становятся вечнозелёными.

Дополнительный материал

Выяснение роли светового дня открывает широкие возможности для управления развитием организмов. Например, круглогодичное выращивание на искусственном свету овощных культур и декоративных растений, зимняя и ранняя выгонка цветов, ускоренное получение рассады. Увеличивая длину дня, удаётся повысить яйценоскость птиц на птицефермах.

Животные, особенно насекомые, также чувствительны к продолжительности дня. Например, бабочки белянки и берёзовая пяденица развиваются только в условиях длинного дня. Многие совки, тутовый шелкопряд, саранчовые относятся к насекомым короткого дня.

Рис. 3. Насекомые длинного и короткого дня

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.

Рис. 5. Распределение солнечной радиации по поверхности Земли

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.

Рис. 6. Ушастая сова Рис. 7. Жаворонок полевой

Температура. Степень адаптации растений к низким температурам

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.

Рис. 10. Классификация животных

Дополнительный материал

Высшие растения умеренного пояса эвритермны. Они переносят в активном состоянии колебания температур в 60оC, а с учётом латентного состояния — до 90оC (например, даурская лиственница). Растения дождевых тропических лесов стенотермны. Даже положительные температуры в +5…+8оC для них губительны. Стенотермны криофильные (греч. kryos — «холод» и phileo — «люблю»), или холодолюбивые, зелёные и диатомовые водоросли полярных льдов и высокогорий, а также термофильные (греч. therme — «тепло»), или теплолюбивые, водоросли горячих источников. Растения не обладают собственной температурой тела: их анатомо-морфологические и физиологические механизмы терморегуляции направлены на защиту организма от вредного воздействия неблагоприятных температур. К физиологическим приспособлениям растений, снижающим уровень воздействия высоких и низких температур, могут быть отнесены интенсивность испарения (транспирации), накопление в клетках солей, изменяющих температуру свёртывания плазмы, и др.

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.

Рис. 11. Правило Бергмана. Правило Аллена

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.

Дополнительный материал

Из правила существует много исключений. К. Бергман отмечал, что эта закономерность проявляется лишь в том случае, если виды не различаются другими приспособлениями к терморегуляции. Например, роющие млекопитающие не подчиняются правилу, так как хорошо защищены от холода. Для них решающим фактором, влияющим на размер тела, служит количество доступной в зимнее время пищи.

Проверь себя.

Тест Проверь себя (А)

1. Что использует большинство животных для определения времени подготовки к зимней спячке?

1)сезонные соотношения дневных и ночных температур

2)изменение соотношения влажности воздуха

3)ритм чередования темного и светлого времени суток

4)изменение амплитуды значений атмосферного давления

2.Какое растение относят к тенелюбивым?

3. Какие лучи необходимы растениям для фотосинтеза?

4. Укажите правило, по которому при увеличении размеров тела его относительная поверхность уменьшается, что снижает теплопотери.