Абиотические факторы. Влияние света и температуры на живые организмы

Абиотические факторы. Влияние  света и температуры на живые  организмы.

Свет. Классификация растений по отношению к свету

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. 4. Спектр

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.