Страница 65 из 84
1. Что изучает экология? Охарактеризуйте четыре уровня экологических исследований, приведите примеры.
2. Какие группы экологических факторов вам известны?
3. Приведите примеры ограничивающего действия факторов среды.
4. Что понимают под толерантностью и экологической нишей?
§ 62. Абиотические факторы среды: свет и влажность
Среди абиотических факторов наибольшее значение имеют климатические факторы: свет, влажность и температура. В связи со сменой времен года наблюдаются сезонные ритмы протекания биологических процессов.
Свет. Солнечное излучение — основной источник энергии для большинства организмов планеты. Автотрофные растения используют солнечный свет для построения клеток и тканей. Они преобразуют энергию света в энергию химических связей синтезируемых органических соединений. В дальнейшем энергия зеленых растений перераспределяется между другими организмами в соответствии с пищевыми отношениями.
В солнечном свете важны три спектральных диапазона, различающихся по биологическому воздействию: ультрафиолетовые лучи, видимые и инфракрасные лучи.
Ультрафиолетовые лучи с длиной волны менее 0,29 мкм вызывают повреждения биополимеров и губительны для всего живого. Жесткие ультрафиолетовые лучи задерживаются озоновым слоем атмосферы, поверхности земли достигает лишь мягкое ультрафиолетовое излучение диапазона 0,3—0,4 мкм. В небольших количествах ультрафиолетовые лучи полезны животным и человеку. Под их воздействием в организме человека образуется витамин D.
Биологическое действие спектральных диапазонов
солнечного света
Ультрафиолетовые лучи Видимый свет Инфракрасные лучи
Видимый свет (0,4—0,75 мкм) составляет около 48 % лучистой энергии. Наиболее благоприятны для фотосинтеза красные лучи (0,6—0,7 мкм). Сине-фиолетовые лучи (0,4—0,5 мкм) поглощаются хлорофиллом, каротиноидами и другими компонентами клетки, но они вдвое менее эффективны, чем оранжево-красные. Наименьшую биологическую активность имеют зеленые лучи (0,5—0,6 мкм), они не поглощаются растениями, и поэтому большинство растений имеет зеленый цвет.
Инфракрасные лучи (более 0,75 мкм) не воспринимаются глазом человека, но на их долю приходится до 40 % общего количества лучистой энергии. Они согревают растения и животных, хорошо поглощаются почвой и водой. Существенная часть инфракрасных лучей, поступающих от Солнца, а также собственное тепловое излучение Земли поглощаются углекислым и некоторыми другими газами, повышая температуру атмосферы и создавая парниковый эффект.
В зависимости от требовательности к количеству света растения могут быть светолюбивыми (злаки, подорожник, акация, береза), теневыносливыми (большинство лесных растений) или тенелюбивыми (травы под пологом леса), в лесу они занимают различные экологические ниши — разные ярусы леса.
Животные используют солнце для географической ориентации. Некоторые насекомые способны различать ультрафиолетовые лучи, это позволяет им успешно ориентироваться на местности в облачную погоду. Ряду свободно передвигающихся организмов (бактериям, некоторым водорослям и животным) свойственен фототаксис (<греч. taxis расположение) — передвижение к свету (положительный фототаксис) или в обратном направлении (отрицательный фототаксис). Многим растениям присущи фототропизмы (<греч. tropos поворот) — изгибание органов в процессе роста (ростовые движения) навстречу солнцу.
Хемотрофные и часть гетеротрофных организмов способны обходиться без света, они обитают в глубоких слоях почвы, пещерах и океанических глубинах. Для большинства организмов свет необходим, они приспособлены к определенному режиму освещенности, так называемому суточному, или циркадному (<лат. circa около + dies день), ритму. Различают три вида суточной активности: дневная (большинство животных), ночная и круглосуточная (у организмов, живущих в укрытых от солнца местах: личинок насекомых, некоторых видов полевок). В соответствии с суточным ритмом у человека и животных изменяется секреция гормонов, деление клеток, частота сердцебиений и дыхания.
Фотопериодизм. Весной в организмах растений включаются физиологические процессы, приводящие к росту и цветению растений, у птиц просыпаются гнездовые инстинкты. С приближением осени растения сбрасывают листву, животные линяют и накапливают жир, птицы сбиваются в перелетные стаи. Сигналом для всех этих изменений служит продолжительность дня, с астрономической точностью определяющая время года. Реакцию организмов на продолжительность дня называют фотопериодизмом. Следование организмов ходу собственных биологических часов имеет решающее значение для выживания. Погода зачастую оказывается обманчивой: жаркая осень вдруг сменяется заморозками, а временные похолодания могут случиться и летом, но организмы непременно следуют календарю.
Фотопериодический сигнал у многих животных определяет начало диапаузы — периода временного физиологического покоя в развитии и размножении. Для животных северных широт характерна зимняя диапауза, для южных — летняя. У насекомых даже при высокой температуре с уменьшением продолжительности дня наступает зимняя диапауза.
Если сеянцы березы искусственно освещать более 15 часов в сутки, то они растут непрерывно, если же продолжительность облучения снизить до 10—12 часов, сеянцы сбрасывают листья и переходят в состояние зимнего покоя даже в очень теплом помещении. Изменение окраски и опадание осенних листьев не обнаруживает у деревьев прямой зависимости от погоды. В европейской части России начало сентября бывает теплее конца августа, тем не менее листопад всегда начинается в сентябре. Многие листопадные деревья средней полосы — дуб, ива, граб, бук — в южных условиях с длинным зимним днем не получают сигнала о приближении осени и становятся вечнозелеными.
Если гусеницу бабочки-капустницы содержать в условиях длинного дня, то из куколки быстро выходит бабочка, если продолжительность освещенности сократить до 14 часов в сутки, то гусеница, получив фотопериодический сигнал о приближении осени, даже летом формирует зимующую куколку, которая не раскрывается многие месяцы. Подобным образом у птиц можно вызвать перелетное состояние.
Один и тот же вид в разных широтах по-разному реагирует на продолжительность дня. Развитие личинок у бабочки стрельчатки щавелевой прекращается в районе Сухуми при длине дня 14,5 часов, Витебска — 18, Санкт-Петербурга — 19,5 часов.
Фотопериодизм у людей выражается в большей оптимальной продолжительности сна зимой (на 1—2 часа). Эта разница увеличивается при перемещении к полюсу (т. е. с удлинением ночи) и практически не зависит от климата.
Изучение фотопериодизма в жизнедеятельности организмов позволило увеличить эффективность использования одомашненных растений и животных. При искусственном освещении в теплицах круглогодично выращиваются овощи, цветы, рассада, повышается яйценоскость на птицефермах.
Биологические часы некоторых растений способны «отсчитывать» годы. Предпосевной обработкой холодом удается сместить стрелки биологических часов семян на год вперед и достигнуть колошения озимых при весеннем посеве, а цветения и плодоношения двулетних растений — уже в первый год.
Влажность. Биохимические реакции в клетках протекают в водной среде. Вода — прекрасный растворитель, она идеально приспособлена для транспорта питательных веществ и вывода продуктов обмена. Поэтому регуляция содержания воды в организмах составляет их важнейшую физиологическую функцию.
От наличия воды в экосистеме зависит характер ее флоры и фауны. При избытке воды развиваются влаголюбивые растения (гигрофиты — <греч. hygros влажный + phyton растение), а при недостатке — засухоустойчивые (ксерофиты — <греч. xeros сухой). Уровень влажности определяет интенсивность воздействия температурного фактора. Если влажность слишком низка или высока, температура оказывает особенно сильное влияние, а при оптимальной влажности организмам легче переносить критические для них температуры.
Для обитания в засушливых условиях организмы имеют специальные приспособления. У засухоустойчивых растений развита корневая система (длина корней верблюжьей колючки достигает 16 м), узкие жесткие листья с густым опушением и толстым восковым слоем, препятствующим испарению. Саксаул в жаркий период утрачивает листья, осуществляя фотосинтез в зеленых стеблях; влаголюбивые растения в подобных условиях увядают и гибнут. Пустынные животные в качестве источника влаги запасают жир, при окислении которого образуется большое количество воды. Верблюды способны переносить потери воды, равные 30 % массы тела.