Важнейшие абиотические факторы и адаптация к ним живых организмов

    Дайте характеристику света как абиотического фактора. Приведите классификацию экологических классов растений по отношению к свету.

    Охарактеризуйте температуру как абиотический фактор. Объясните экологический смысл правил Бергмана и Аллена (приведите примеры).

    В чем состоит различие между пойкилотермными и гомойотермными организмами?

    Как формулируется биоклиматический закон А. Хопкинса? Дайте ему экологическое объяснение.

    Охарактеризуйте влажность как абиотический фактор. Приведите примеры влаго- и сухолюбивых растений и животных, а также предпочитающих умеренную влажность.

Среди основных абиотических факторов рассмотрим свет , температуру и влажность .

Свет.
В свое время французский астроном Камиль Фламмарион (1842-1925) написал: "Мы об этом не думаем, но все, что ходит, двигается, живет на нашей планете, есть дитя Солнца" .

Действительно, только под влиянием света осуществляется важнейший в биосфере процесс фотосинтеза, который в общем виде может быть представлен следующим образом:

Где А - донор электронов.

У зеленых растений (высших растений и водорослей) донором электронов является вода (кислород), поэтому в результате фотосинтеза образуется кислород:

У бактерий роль донора электронов могут выполнять, например, сероводород (сера), органические вещества. Так, у зеленых и пурпурных серобактерий идет следующий процесс:

В отношении света организмы стоят перед дилеммой: с одной стороны, прямое воздействие света на клетку может быть смертельно для организма, с другой - свет служит первичным источником энергии, без которого невозможна жизнь.

Видимый свет оказывает на организмы смешанное действие: красные лучи - тепловое воздействие; синие и фиолетовые лучи - изменяют скорость и направление биохимических реакций. В целом свет влияет на скорость роста и развития растений, на интенсивность фотосинтеза, на активность животных, вызывает изменение влажности и температуры среды, является важным фактором, обеспечивающим суточные и сезонные биологические циклы. Каждое местообитание характеризуется определенным световым режимом, определяемым интенсивностью (силой), количеством и качеством света.

Интенсивность (сила) света измеряется энергией, приходящейся на единицу площади в единицу времени: Дж/м2Чс; Дж/см2Чс. На этот фактор сильно влияют особенности рельефа. Самым интенсивным является прямой свет, однако более полно растениями используется рассеянный свет.

Количество света определяется суммарной радиацией. От полюсов к экватору количество света увеличивается. Для определения светового режима необходимо учитывать и количество отраженного света, так называемое альбедо. Альбедо (от лат. albus - белый) - отражающая способность поверхностей различных тел - выражается в процентах от общей радиации и зависит от угла падения лучей и свойств отражающей поверхности. Например, альбедо чистого снега - 85%, загрязненного - 40-50%, черноземной почвы - 5-14%, светлого песка - 35-45%, полога леса - 10-18%, зеленых листьев клена - 10%, осенних пожелтевших листьев - 28%.

По отношению к свету как экологическому фактору различают следующие группы растений: гелиофиты (от греч. helios - солнце, phyton - растение), сциофиты (от греч. skia - тень) и теневыносливые растения (факультативные гелиофиты).

    Световые растения (гелиофиты) - обитают на открытых местах с хорошей освещенностью и в лесной зоне встречаются редко. Процесс фотосинтеза начинает преобладать над процессом дыхания только при высокой освещенности (пшеница, сосна, лиственница). Цветки таких светолюбивых растений, как подсолнечник, козлобородник, череда, поворачиваются за солнцем.

    Теневые растения (сциофиты) - не выносят сильного освещения и живут под пологом леса в постоянной тени (это в основном лесные травы, папоротники, мхи, кислица). На вырубках при сильном освещении они проявляют явные признаки угнетения и часто погибают.

    Теневыносливые растения (факультативные гелиофиты) - могут жить при хорошем освещении, но легко переносят и затемненные места (большинство растений лесов, луговые растения, лесные травы и кустарники).

Теневыносливые древесные породы и теневые травянистые растения отличаются мозаичным расположением листьев. У эвкалиптов листья обращены к свету ребром. У деревьев световые и теневые листья (располагаются соответственно по поверхности и внутри кроны) - хорошо освещаемые и затененные - имеют анатомические различия. Световые листья толще и грубее, иногда они блестящие, что способствует отражению света. Теневые листья обычно матовые, неопушенные, тонкие, с очень нежной кутикулой или вовсе без нее (кутикула - наружная пленка, покрывающая эпидермис).

В лесу теневыносливые деревья образуют густо сомкнутые насаждения. Под их пологом растут еще более теневыносливые деревья и кустарники, а ниже - теневые кустарнички и травы. На рисунке показаны две сосны: одна из них росла на открытом пространстве при хорошем освещении (1), а другая в густом лесу (2).

Наибольшее значение свет как средство ориентации имеет в жизни животных. Уже у простейших появляются светочувствительные органеллы. Так, эвглена зеленая с помощью светочувствительного "глазка" реагирует на степень освещенности среды. Начиная с кишечнополостных, практически у всех животных развиваются светочувствительные органы - глаза, имеющие то или иное строение.

Биолюминесценцией называется способность живых организмов светиться. Происходит это в результате окисления сложных органических соединений при участии катализаторов обычно в ответ на раздражения, поступающие из внешней среды. Световые сигналы, испускаемые рыбами, головоногими моллюсками и другими гидробионтами, а также некоторыми организмами наземно-воздушной среды (например, жуками семейства светляков), служат для привлечения особей противоположного пола, приманивания добычи или отпугивания хищников, ориентации в стае и др.

Важным экологическим фактором является температура.

Температура.
Одним из наиболее важных факторов, определяющих существование, развитие и распространение организмов по земному шару, является температура. Важно не только абсолютное количество тепла, но и его временнoе распределение, т. е. тепловой режим.
Растения не обладают собственной температурой тела: их анатомо-морфологические и физиологические механизмы термо-
регуляции направлены на защиту организма от вредного воздействия неблагоприятных температур.

В зоне высоких температур при пониженной влажности (тропические и субтропические пустыни) исторически сформировался своеобразный морфологический тип растений с незначительной листовой поверхностью или с полным отсутствием листьев. У многих пустынных растений образуется беловатое опушение, способствующее отражению солнечных лучей и предохраняющее их от перегрева (акация песчаная, лох узколистный).

К физиологическим приспособлениям растений, сглаживающим вредное влияние высоких температур, могут быть отнесены: интенсивность испарения - транспирация (от лат. trans - через, spiro - дышу, выдыхаю), накопление в клетках солей, изменяющих температуру свертывания плазмы, свойство хлорофилла препятствовать проникновению солнечных лучей.

В мире животных наблюдаются определенные морфологические адаптации, направленные на защиту организмов от неблагоприятного действия температур. Свидетельством этого может служить известное правило Бергмана (1847 г.), согласно которому в пределах вида или достаточно однородной группы близких видов теплокровные организмы с более крупными размерами тела распространены в более холодных областях.

Попытаемся объяснить это правило с позиций термодинамики: потеря тепла пропорциональна поверхности тела организма, а не его массе. Чем крупнее животное и компактнее его тело, тем легче поддерживать постоянную температуру (меньше удельный расход энергии), и наоборот, чем мельче животное, тем больше его относительная поверхность и теплопотери и выше удельный уровень его основного обмена, т. е. количества энергии, расходуемого организмом животного (или человека) при полном мышечном покое при такой температуре окружающей среды, при которой терморегуляция наиболее выражена.

У животных с постоянной температурой тела в холодных климатических зонах наблюдается тенденция к уменьшению площади выступающих частей тела (правило Аллена, 1877 г.).

Правило Аллена наглядно проявляется, например, при сравнении размеров ушей экологически близких видов: песца - обитателя тундры; лисицы обыкновенной - типичной для умеренных широт; фенека - обитателя пустынь Африки.
Реакция животных на тепловой режим проявляется и в изменениях пропорций отдельных органов и тела (у горностая из северных районов увеличено сердце, почки, печень и надпочечники по сравнению с такими же зверьками в местностях с более высокой температурой). Из правил Бергмана и Аллена бывают исключения.

Фенек

В зависимости от вида теплообмена различают два экологических типа животных: пойкилотермные и гомойотермные.

Пойкилотермные организмы (от греч. poikilos - разнообразный) - животные с неустойчивым уровнем обмена веществ, непостоянной температурой тела и почти полным отсутствием механизмов теплорегуляции (холоднокровные). К ним относятся беспозвоночные, рыбы, пресмыкающиеся, земноводные, т. е. большинство животных, за исключением птиц и млекопитающих.

Температура тела у них изменяется с изменением температуры окружающей среды.

Гомойотермные организмы (от греч. homoios - одинаковый) - животные с более высоким и устойчивым уровнем обмена веществ, в процессе которого осуществляется терморегуляция и обеспечивается относительно постоянная температура тела (теплокровные). К ним относятся птицы и млекопитающие. Температура тела поддерживается на относительно постоянном уровне.

В свою очередь, пойкилотермных животных можно разделить на эвритермных, ведущих активный образ жизни в сравнительно широком температурном диапазоне, и стенотермных, не переносящих значительных колебаний температур.

Механизмы терморегуляции бывают химические и физические.

Химический механизм обусловлен интенсивностью реакций в организме и осуществляется рефлекторным путем:

Физический механизм терморегуляции обеспечивают теплоизолирующие покровы (мех, перья, жировой слой), деятельность потовых желез, испарение влаги при дыхании, сосудистая регуляция кровообращения.

У пойкилотермных животных интенсивность обмена веществ прямо пропорциональна внешней температуре, у гомойотермных - наоборот, при ее понижении возрастают потери тепла и в ответ активизируются обменные процессы, повышается теплопродукция. Интенсивность метаболизма (обменных процессов) при гомойотермии обратно пропорциональна внешним температурам. Однако такая закономерность прослеживается лишь в определенных пределах. Повышение или понижение температуры относительно порогового значения вызывает перегрев или переохлаждение животного и в итоге его гибель.

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 внешней. У этих животных во время спячки или глубокого сна уровень обмена веществ падает, и температура тела лишь незначительно превышает температуру среды. Типичными представителями гетеротермных животных являются суслики, ежи, летучие мыши, медведи, стрижи, утконосы, ехидны, кенгуру.

Рассмотрим пример с насекомыми, представителями пойкилотермных животных (см. рисунок).

Кривая П. И. Бахметьева

При t° +10°C у насекомых наступает оцепенение, при t° 0°C - переохлаждение. Оно продолжается до момента кристаллизации воды, которая сопровождается скачком температуры. После резкого ее повышения начинаются процессы, ведущие к ухудшению физиологического состояния организма. Физиологическое состояние насекомого в процессе охлаждения зависит от скорости понижения температуры. При медленном охлаждении в клетках образуются кристаллы льда, которые разрывают их оболочку. При очень быстром охлаждении центры кристаллизации не успевают образоваться, и формируется стекловидная структура. В результате цитоплазма не повреждается. Таким образом, глубокое, но очень быстрое охлаждение вызывает временную, обратимую приостановку всех жизненных процессов организма. Подобное состояние, получившее название анабиоз, наблюдается у вирусов, бактерий, беспозвоночных, земноводных, пресмыкающихся, лишайников, мхов. Явление анабиоза впервые было обнаружено и описано А. Левенгуком (1701 г.).

Изучение анабиоза послужило толчком к развитию различных криотехнологий (от греч. kryos - холод, мороз), например, криоконсервации. Этот метод широко используется в биологии, медицине, сельском хозяйстве, в практике длительного хранения консервированной крови, спермы для искусственного осеменения сельскохозяйственных животных, различных тканей и органов для трансплантации (от лат. transplantatio - пересаживание), культур, бактерий, вирусов.

Температурный фактор имеет важное значение в распределении живых организмов на Земле и тем самым обусловливает заселенность ими разных природных зон. В 1918 г. А. Хопкинс сформ улировал биоклиматический закон. Он установил, что существует закономерная, тесная связь развития фенологических (сезонных) явлений с широтой, долготой и высотой местности над уровнем моря.
Он подсчитал, что по мере продвижения на север, восток и в горы время наступления периодических явлений в жизнедеятельности организмов запаздывает на 4 дня на каждый градус широты, 5 градусов долготы и примерно на 100 м высоты.

Одной из важных закономерностей в распределении современных организмов служит их биполярность - географическое распределение наземной и морской флоры и фауны, при котором один и тот же вид обитает в холодных и умеренных широтах обоих полушарий, но отсутствует в тропическом поясе (беззубые киты, ушастые тюлени и др.).

Не менее важным фактором окружающей среды является влажность.

Влажность.
Вода является важнейшим экологическим фактором в жизни живых организмов и их постоянной составной частью. Все живое Земли включает воду, например, медузы содержат 95-99% воды, кукуруза 70%, зерновые злаки 87%. Даже в амбарном долгоносике, питающемся сухим зерном, содержится 46% воды. В эмбрионе человека 97% воды, после его рождения - 64-77%. У мужчин в возрасте от 18 до 50 лет в организме содержится ~ 61% воды, у женщин 54%.

За свою жизнь человек выпивает до 50-77 м3 воды (за сутки ~ 2,5-3 л). В целом за сутки человек теряет 2-2,5 л воды: 800-

1300 мл с мочой, около 200 мл - с испражнениями и 600 мл с поверхности тела и при дыхании. С потерей 1-1,5 л воды у человека появляется жажда, при расходовании 6-8% влаги от веса тела он впадает в полуобморочное состояние, при дефиците 10-12% наступает смерть.

В различные периоды развития потребность растений в воде неодинакова, особенно у разных видов; меняется она и в зависимости от климата и типа почвы. Например, злакам в период прорастания семян и их созревания нужно меньше влаги, чем во время их интенсивного роста. Для каждой фазы роста и стадии развития любого вида растений можно выделить критический период, когда недостаток воды особенно отрицательно сказывается на его жизнедеятельности. Влажность среды часто является фактором, лимитирующим численность и распространение организмов по земному шару. Например, бук может жить на сравнительно сухой почве, но ему необходима достаточно высокая влажность воздуха. У животных весьма важную роль играют проницаемость покровов и механизмы, регулирующие водный обмен.

Различают абсолютную влажность воздуха, представляющую собой количество газообразной воды (пара) в граммах в 1 м3 воздуха, и относительную. Относительная влажность характеризует степень насыщения воздуха парами воды при определенной температуре и выражается в процентах как отношение абсолютной влажности к максимальной влажности (массе водяных паров в граммах, способных создать полное насыщение в 1 м3 воздуха)

где: r - относительная влажность, %;
m - масса пара, фактически содержащегося в 1 м3 воздуха (абсолютная влажность), г;
mнас - масса 1 м3 насыщенного пара при данной температуре, г.

Важное значение для организмов имеет дефицит насыщения воздуха водяными парами, т. е. разность между максимальной и абсолютной влажностью при данной температуре:

d = mнас - m.

При разных температурах дефицит насыщения воздуха водяными парами неодинаков при одной и той же влажности. Чем выше температура, тем воздух суше, и тем интенсивнее в нем происходит транспирация (испарение воды листьями и другими частями растений).

Сезонное распределение влаги в течение года, а также ее суточное колебание тоже исключительно важно для жизнедеятельности организмов.

По отношению к водному режиму выделяют следующие экологические группы растений и животных: влаголюбивые, сухолюбивые и предпочитающие умеренную влажность . Среди растений различают:

Среди наземных животных различают:

    Гидрофилы - влаголюбивые животные (мокрицы, ногохвостки, комары, наземные планарии, наземные моллюски и амфибии).

    Мезофилы - обитают в районах с умеренной влажностью (озимая совка, многие насекомые, птицы, млекопитающие).

    Ксерофилы - это сухолюбивые животные, не переносящие высокой влажности (верблюды, пустынные грызуны и пресмыкающиеся).

Например, слоновая черепаха запасает воду в мочевом пузыре, некоторые млекопитающие избегают дефицита влаги путем отложения жиров, при окислении которых образуется метаболическая вода. За счет метаболической воды живут многие насекомые, верблюды, курдючные овцы, жирнохвостые тушканчики и др.

Абиотические факторы - это прямо или косвенно действующие на организм факторы неживой природы - свет, температура, влажность, химический состав воздушной, водной и почвенной среды и др. (т. е. свойства среды, возникновение и воздействие которых прямо не зависит от деятельности живых организмов).

Свет (cолнечная радиация) - экологический фактор, характеризующийся нитенсивностью и качеством лучистой энергии Солнца, которая используется фотосинтезирующими зелеными растениями для создания растительной биомассы. Солнечный свет, достигающий поверхности Земли, - основной источник энергии для поддержания теплового баланса планеты, водного обмена организмов, создания и превращения органического вещества автотрофным звеном биосферы, что в конечном итоге делает возможным формирование среды, способной удовлетворять жизненные потребности

организмов.

Температура - один из важнейших абиотических факторов, от которого в значительной степени зависит существование, развитие и распространение организмов на Земле [показать]. Значение температуры состоит прежде всего в непосредственном ее влиянии на скорость и характер протекания реакций обмена веществ в организмах. Поскольку суточные и сезонные колебания температур возрастают по мере удаления от экватора, растения и животные, приспосабливаясь к ним, проявляют различную потребность в тепле.

Влажность - экологический фактор, характеризующийся содержанием воды в воздухе, почве, живых организмах. В природе существует суточный ритм влажности: она повышается ночью и понижается днем. Вместе с температурой и светом влажность играет важную роль в регуляции активности живых организмов. Источником воды для растений и животных служат главным образом атмосферные осадки и подземные воды, а также роса и туман.

В абиотической части среды обитания (в неживой природе) все факторы, прежде всего можно разделить на физические и химические. Однако для понимания сути рассматриваемых явлений и процессов абиотические факторы удобно представить совокупностью климатических, топографических, космических факторов, а также характеристик состава среды (водной, наземной или почвенной).

К основным климатическим факторам относят энергию Солнца, температуру, осадки и влажность, подвижность среды, давление, ионизирующие излучения.

Экологи́ческие фа́кторы - свойства среды обитания, оказывающие какое-либо воздействие на организм. Индифферентные элементы среды, например, инертные газы, экологическими факторами не являются.

Экологические факторы отличаются значительной изменчивостью во времени и пространстве. Например, температура сильно варьирует на поверхности суши, но почти постоянна на дне океана или в глубине пещер.

Классификации экологических факторов

По характеру воздействия

Прямо действующие - непосредственно влияющие на организм, главным образом на обмен веществ

Косвенно действующие - влияющие опосредованно, через изменение прямо действующих факторов (рельеф, экспозиция, высота над уровнем моря и др.)

По происхождению

Абиотические - факторы неживой природы:

климатические: годовая сумма температур, среднегодовая температура, влажность, давление воздуха

эдафические (эдафогенные): механический состав почвы, воздухопроницаемость почвы, кислотность почвы химический состав почвы

орографические: рельеф, высота над уровнем моря, крутизна и экспозиция склона

химические: газовый состав воздуха, солевой состав воды, концентрация, кислотность

физические: шум, магнитные поля, теплопроводность и теплоёмкость, радиоактивность, интенсивность солнечного излучения

Биотические - связанные с деятельностью живых организмов:

фитогенные - влияние растений

микогенные - влияние грибов

зоогенные - влияние животных

микробиогенные - влияние микроорганизмов

Антропогенные (антропические):

физические: использование атомной энергии, перемещение в поездах и самолётах, влияние шума и вибрации

химические: использование минеральных удобрений и ядохимикатов, загрязнение оболочек Земли отходами промышленности и транспорта

биологические: продукты питания; организмы, для которых человек может быть средой обитания или источником питания

социальные - связанные с отношениями людей и жизнью в обществе

По расходованию

Ресурсы - элементы среды, которые организм потребляет, уменьшая их запас в среде (вода, CO2, O2, свет)

Условия - не расходуемые организмом элементы среды (температура, движение воздуха, кислотность почвы)

По направленности

Векторизованные - направленно изменяющиеся факторы: заболачивание, засоление почвы

Многолетние-циклические - с чередованием многолетних периодов усиления и ослабления фактора, например изменение климата в связи с 11-летним солнечным циклом

Осцилляторные (импульсные, флуктуационные) - колебания в обе стороны от некоего среднего значения (суточные колебания температуры воздуха, изменение среднемесячной суммы осадков в течение года)

Правило Оптимума

В соответствии с этим правилом для экосистемы, организма или определенной стадии его развития имеется диапазон наиболее благоприятного (опти­мального) значения фактора. За пределами зоны оптимума лежат зоны угнетения, переходящие в критические точки, за которыми существование невозможно. К зоне оптимума обычно приурочена максимальная плотность популяции. Зоны оптимума для различных организмов неодинаковы. Для одних они имеют значительный диапазон. Такие организмы относятся к группе эврибионтов. Организмы с узким диапазоном адаптации к факторам называются стенобионтами.

Диапазон значений факторов (между критическими точками) называют экологической валентностью. Синонимом термина валентность является толерантность, или пластичность (изменчивость). Эти характеристики зависят в значительной мере от среды, в которой обитают организмы. Если она относительно стабильна по своим свойствам (малы амплитуды колебаний отдельных факторов), в ней больше стено-бионтов (например, в водной среде), если динамична, например, наземно-воздушная - в ней больше шансов на выживание имеют эврибионты. Зона оптимума и экологическая валентность обычно шире у теплокровных организмов, чем у холоднокровных. Надо также иметь в виду, что экологическая валентность для одного и того же вида не остается одинаковой в различных условиях (например, в северных и южных районах в отдельные периоды жизни и т.п.). Молодые и старческие организмы, как правило, требуют более кондиционированных (однородных) условий. Иногда эти требования весьма неоднозначны. Например, по отношению к температуре личинки насекомых обычно стенобионтны (стенотермны), в то время как куколки и взрослые особи могут относиться к эврибионтам (эвритермным).


Похожая информация.


Классификация экологических факторов.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

4.1. Классификация экологических факторов.

4.2. Абиотические факторы

4.3. Биотические факторы

4.3. Экологическая пластичность. Понятие о лимитирующем факторе

С экологической позиции окружающая среда – это природные тела и явления, с которыми организм находится в прямых или косвенных отношениях.

Окружающая организм среда характеризуется огромным разнообразием, слагаясь из множества динамичных во времени и пространстве элементов, явлений, условий, которые рассматриваются в качестве факторов.

Экологический фактор - это любое условие среды, способное оказывать прямое или косвенное влияние на живые организмы, хотя бы на протяжении одной из фаз их индивидуального развития, или любое условие среды, к которому организм приспосабливается. В свою очередь организм реагирует на экологический фактор специфичными приспособительными реакциями.

Экологические факторы среды делятся на три категории:

1) факторы неживой природы (абиотические) ;

2) факторы живой природы (биотические) ;

3) антропогенные.

Из многих существующих классификаций экологических факторов для задач данного курса целесообразно использовать следующую (рис. 1).

Рис. 4.1. Классификация экологических факторов

Антропогенные факторы - это все формы деятельности человеческого общества, изменяющие природу как среду обитания живых организмов или непосредственно влияющие на их жизнь. Выделение антропогенных факторов в отдельную группу обусловлено тем, что в настоящее время судьба растительного покрова Земли и всех ныне существующих видов организмов практически находится в руках человеческого общества.

Все экологические факторы в общем случае могут быть сгруппированы в две крупные категории: факторы неживой, или косной, природы, называемые иначе абиотическими или абиогенными , и факторы живой природы - биотические или биогенные . Но по своему происхождению обе группы могут быть как природными , так и антропогенными , т. е. связанными с влиянием человека. Иногда различают антропические и антропогенные факторы. К первым относят лишь прямые воздействия человека на природу (загрязнение, промысел, борьбу с вредителями), а ко вторым - преимущественно косвенные последствия, связанные с изменением качества окружающей среды.



Наряду с рассмотренной, существуют и другие классификации экологических факторов. Выделяют факторы зависимые и независимые от численности и плотности организмов . Например, климатические факторы не зависят от численности животных, растений, а массовые заболевания, вызываемые патогенными микроорганизмами (эпидемии) у животных или растений, безусловно, связаны с их численностью: эпидемии возникают при тесном контакте между индивидуумами или при их общем ослаблении из-за нехватки корма, когда возможна быстрая передача болезнетворного начала от одной особи к другой, а также утрачена сопротивляемость к патогену.

Макроклимат от численности животных не зависит, а микроклимат может существенно изменяться в результате их жизнедеятельности. Если, например, насекомые при их высокой численности в лесу уничтожат большую часть хвои или листвы деревьев, то здесь изменится ветровой режим, освещенность, температура, качество и количество корма, что скажется на состоянии последующих поколений тех же или других, обитающих здесь животных. Массовые размножения насекомых привлекают насекомых-хищников и насекомоядных птиц. Урожаи плодов и семян влияют на изменение численности мышевидных грызунов, белки и ее хищников, а также многих птиц, питающихся семенами.

Можно делить все факторы на регулирующие (управляющие) и регулируемые (управляемые) , что также легко понять в связи с приведенными выше примерами.

Оригинальную классификацию экологических факторов предложил А.С. Мончадский. Он исходил из представлений о том, что все приспособительные реакции организмов к тем или иным факторам связаны со степенью постоянства их воздействия, или, иначе говоря, с их периодичностью. В частности, он выделял:

1. первичные периодические факторы (те, которым свойственна правильная периодичность, связанная с вращением Земли: смена времен года, суточная и сезонная смена освещенности и температуры); эти факторы изначально присущи нашей планете и зарождающаяся жизнь должна была сразу к ним приспосабливаться;

2. вторичные периодические факторы (они являются производными от первичных); к ним относятся все физические и многие химические факторы, например влажность, температура, осадки, динамика численности растений и животных, содержание растворенных газов в воде и др.;

3. непериодические факторы , которым не свойственна правильная периодичность (цикличность); таковы, например, факторы, связанные с почвой, или разного рода стихийные явления.

Разумеется, «непериодично» лишь само тело почвы, подстилающие ее грунты, а динамика температуры, влажности и многих других свойств почвы также связана с первичными периодическими факторами.

Антропогенные факторы однозначно относятся к непериодическим. В числе таких факторов непериодического действия прежде всего - загрязняющие вещества, содержащиеся в промышленных выбросах и сбросах. К природным периодическим и непериодическим факторам живые организмы в процессе эволюции способны вырабатывать адаптации (например, спячка, зимовка и т. п.), а к изменению содержания примесей в воде или воздухе растения и животные, как правило, не могут приобрести и наследственно закрепить соответствующие адаптации. Правда, некоторые беспозвоночные, например растениеядные клещи из класса паукообразных, имеющие в условиях закрытого грунта десятки поколений в году, способны при постоянном применении против них одних и тех же ядохимикатов образовывать устойчивые к яду расы путем отбора особей, наследующих такую устойчивость.

Необходимо подчеркнуть, что к понятию «фактор» следует подходить дифференцированно, учитывая, что факторы могут быть как прямого (непосредственного), так и опосредованного действия. Различия между ними состоят в том, что фактор прямого действия можно выразить количественно, в то время как факторы непрямого действия - нет. Например, климат или рельеф могут быть обозначены в основном словесно, но они определяют режимы факторов прямого действия - влажности, длины светового дня, температуры, физико-химических характеристик почвы и др.

Абиотические факторы – это совокупность важных для организмов свойств неживой природы.

Абиотическая компонента наземной среды представляет совокупность климатических и почвенно – грунтовых факторов, воздействующих как друг на друга, так и на живые существа.

Температура

Диапазон существующих во Вселенной температур равен 1000 градусов, и по сравнению с ним пределы, в которых может существовать жизнь, очень узки (около 300 0) от -200 0 С до +100 0 С (в горячих источниках на дне Тихого океана у входа в Калифорнийский залив обнаружены бактерии, для которых оптимальна температура 250 0 С). Большинство видов и большая часть активности приурочены к ещё более узкому диапазону температур. Верхний температурный предел для бактерий горячих источников лежит около 88 0 С, для сине-зелёных водорослей около 80 0 С,а для самых устойчивых рыб и насекомых - около 50 0 С.

Диапазон колебаний температур в воде меньше, чем на суше и диапазон толерантности к температуре у водных организмов уже, чем у наземных животных. Таким образом, температура представляет важный и очень часто лимитирующий фактор. Температура очень часто создаёт зональность и стратификацию в водных и наземных местообитаниях. Легко поддаётся измерению.

Изменчивость температуры крайне важна с экологической точки зрения. Жизнедеятельность организмов, которые в природе обычно подвергаются воздействию переменных температур, подавляется частично или полностью или замедляется при воздействии постоянной температуры.

Известно, что количество тепла, падающего на горизонтальную поверхность, прямо пропорционально синусу угла стояния солнца над горизонтом. Поэтому в одних и тех же районах наблюдаются суточные и сезонные колебания температуры, и вся поверхность земного шара разделяется на ряд поясов с условными границами. Чем выше широта местности, тем больше угол наклона солнечных лучей к поверхности земли и тем холоднее климат.

Излучение, свет.

В отношении света организмы стоят перед дилеммой: с одной стороны, прямое воздействие света на протоплазму смертельно для организмов, с другой, - свет служит первичным источником энергии, без которой невозможна жизнь. Поэтому, многие морфологические и поведенческие характеристики организмов связаны с решением этой проблемы. Эволюция биосферы в целом была направлена главным образом, на укрощение поступающего солнечного излучения, использование его полезных составляющих и ослабление вредных или на защиту от них. Освещённость играет важнейшую роль для всего живого и организмы физиологически адаптированы к смене дня и ночи, к соотношению тёмного и светлого периода суток. Практически у всех животных существуют суточные ритмы, связанные со сменой дня и ночи. По отношению к свету растения подразделяют на светолюбивые и тенелюбивые.

Излучение представляет собой электромагнитные волны разной длины. Через атмосферу Земли легко проходит свет, соответствующий двум областям спектра. Это видимый свет (48%) и соседние с ним области (УФ – 7%, ИК – 45%), а также радиоволны длиной более 1 см. Видимая, т.е. воспринимаемая человеческим глазом область спектра охватывает диапазон волн от 390 до 760 нм. Преимущественное значение для жизни имеют инфракрасные лучи, а в процессах фотосинтеза наиболее важную роль играют оранжево-красные и ультрафиолетовые лучи. Количество энергии солнечной радиации, проходящей через атмосферу к поверхности Земли, практически постоянно и оценивается приблизительно в 21*10 23 кДж. Эту величину называют солнечной постоянной. Но приход солнечной энергии в различные точки поверхности Земли неодинаков и зависит от продолжительности дня, угла падения лучей, прозрачности атмосферного воздуха и т.д. Поэтому чаще солнечную постоянную выражают в количестве джоулей, приходящихся на 1см 2 поверхности в единицу времени. Её среднее значение составляет около 0,14 Дж/см 2 в 1с. С лучистой энергией связана освещённость земной поверхности, которая определяется продолжительностью и интенсивностью светового потока.

Солнечная энергия не только поглощается поверхностью земли, но и частично ею отражается. От того, какую долю энергии солнечной радиации поглотит поверхность, зависит общий режим температуры, влажности.

Влажность атмосферного воздуха

Связана с насыщением его водяными парами. Наиболее богаты влагой нижние слои атмосферы (1,5 - 2,0 км.), где концентрируется ок.50% всей влаги. Количество водяного пара, содержащегося в воздухе, зависит от температуры воздуха. Чем выше температура, тем больше влаги содержит воздух. Однако при конкретной температуре воздуха существует определённый предел насыщения его парами воды, который называют максимальным. Обычно насыщение воздуха парами воды не достигает максимального, и разность между максимальным и данным насыщением носит название дефицита влажности. Дефицит влажности - важнейший экологический параметр, т.к. он характеризует сразу две величины: температуру и влажность. Чем выше дефицит влажности, тем суше и теплее и наоборот. Повышение дефицита влажности в определённые отрезки вегетационного периода способствует усиленному плодоношению растений, а у ряда животных, например насекомых, приводит к размножению вплоть до вспышек.

Осадки

Осадки представляют собой результат конденсации водяных паров. Благодаря конденсации в приземном слое воздуха образуются росы, туманы, а при низких температурах наблюдается кристаллизация влаги (иней). Вследствие конденсации и кристаллизации паров воды в более высоких слоях атмосферы формируются облака и атмосферные осадки. Осадки - одно из звеньев в круговороте воды на Земле, причём в их выпадении прослеживается резкая неравномерность, в связи с чем выделяют гумидные (влажные) и аридные (засушливые) зоны. Максимальное количество осадков выпадает в зоне тропических лесов (до 2000 мм. в год) в то время как в засушливых зонах - 0,18мм. в год (в пустыне тропического пояса). Зоны с количеством осадков менее 250мм. в год считаются засушливыми.

Газовый состав атмосферы

Состав относительно постоянен и включает преимущественно азот и кислород, с примесью СО 2 и Ar (аргона). В верхних слоях атмосферы содержится озон. Присутствуют твёрдые и жидкие частицы (воды, оксиды различных веществ, пыль и дымы). Азот - важнейший биогенный элемент, участвующий в образовании белковых структур организмов; кислород - обеспечивает окислительные процессы, дыхание; озон - экранирующая роль по отношению к УФ части солнечного спектра. Примеси мельчайших частиц влияют на прозрачность атмосферы, препятствуя прохождению солнечных лучей к поверхности Земли.

Движение воздушных масс (ветер).

Причина ветра - неодинаковый нагрев земной поверхности, связанный с перепадами давления. Ветровой поток направлен в сторону меньшего давления, т.е. туда, где воздух более прогрет. В приземном слое воздуха движение воздушных масс оказывает влияние на режим температуры, влажности, испарение с поверхности Земли и транспирацию растений. Ветер - важный фактор переноса и распределения примесей в атмосферном воздухе.

Давление атмосферы.

Нормальным считается давление 1кПа, соответствующее 750,1 мм. рт. ст. В пределах земного шара существуют постоянные области высокого и низкого давления, причём в одних и тех же точках наблюдаются сезонные и суточные минимумы и максимумы давления.

Среды определяются климатическими условиями, а также почвенными и водными.

Классификация

Существует несколько классификаций абиотических факторов. Одна из самых популярных делит их на такие составляющие:

  • физические факторы барометрическое давление, влажность);
  • химические факторы (состав атмосферы, минеральные и органические вещества почвы, уровень рН в почве и другие)
  • механические факторы (ветер, оползни, движения воды и почвы, рельеф местности и др.)

Абиотические факторы окружающей среды существенным образом влияют на распространение видов и определяют их ареал, т.е. географическую зону, которая является местом обитания тех или иных организмов.

Температура

Особое значение отводится температуре, так как это важнейший показатель. В зависимости от температуры, абиотические факторы среды различаются термическими поясами, с которыми связана жизнь организмов в природе. Это — холодный, умеренный, тропический и Температура, которая благоприятна для жизнедеятельности организмов, называется оптимальной. Почти все организмы способны жить в диапазоне 0°- 50°С.

В зависимости от способности существовать в разных температурных условиях, их классифицируют как:

  • эвритермные организмы, приспособленные к условиям резких температурных колебаний;
  • стенотермные организмы, существующие в узком температурном диапазоне.

Эвритермными считают организмы, обитающие преимущественно там, где преобладает континентальный климат. Эти организмы способны выдерживать жесткие температурные колебания (личинки двукрылых, бактерии, водоросли, гельминты). Некоторые эвритермные организмы могут впадать в состояние спячки, если «ужесточается» температурный фактор. Обмен веществ в таком состоянии значительно снижается (барсуки, медведи и др.).

Стенотермные организмы могут быть как среди растений, так и животных. Например, большинство морских животных выживают при температуре до 30°С.

Животных разделяют по способности поддерживать собственную терморегуляцию, т.е. постоянную температуру тела, на так называемых пойкилотермных и гомойотермных. Первые могут менять свою температуру, тогда как у вторых, она всегда постоянная. Все млекопитающие и ряд птиц являются гомойотермными животными. К пойкилотермным относят все организмы, кроме некоторых видов птиц и млекопитающих. Температура тела у них близка к температуре окружающей среды. В ходе эволюция животные, относящиеся к гомойотермным, приспособились защищаться от холода (спячка, миграции, мех и другое).

Свет

Абиотические факторы среды - это свет и его интенсивность. Его важность особенно велика для фотосинтезирующих растений. На уровень фотосинтеза влияет интенсивность качественный состав света, распределение света во времени. Однако при этом известны бактерии и грибы, которые могут продолжительное время размножаться в полной темноте. Растения разделяют на светолюбивые, тепловыносливые и теплолюбивые.

Для многих животных важна продолжительность светового дня, которая влияет на половую функцию, увеличивая ее в период длинного светового дня и угнетая при коротком (осень или зима).

Влажность

Влажность является комплексным фактором и представляет собой количество водяных паров в воздушной среде и воды в почве. От уровня влажности зависит продолжительность жизни клеток, а, соответственно, и всего организма. На влажность почвы влияет количество осадков, глубина залегания воды в почве и другие условия. Влага необходима для растворения минеральных веществ.

Абиотические факторы водной среды

Химические факторы не уступают по своему значению физическим факторам. Большая роль принадлежит газовому а также составу водной среды. Почти все организмы нуждаются в кислороде, а ряд организмов — в азоте, сероводороде или метане.

Физические абиотические факторы среды представляет газовый состав, который чрезвычайно важен для тех живых существ, которые обитают в водной среде. В водах Черного моря, например, много сероводорода, из-за чего этот бассейн считается не очень благоприятным для многих организмов. Соленость - важная составляющая водной среды. Больше всего водных животных проживает в соленых водах, меньшее количество — в пресных водах, а еще меньшее — в немного солоноватой воде. На распространение и размножение водных животных влияет способность к поддержанию солевого состава внутренней среды.

Лекция №5

Экологические факторы окружающей среды. Абиотические факторы

    Понятие экологический фактор

    Классификация

    Абиотические факторы

    1. Общие закономерности распределения уровней и региональных режимсов экологических факторов

      Космические факторы

      Лучистая энергия Солнца и её значение для организмов

      Абиотические факторы наземной среды (температура, осадки, влажность, движение воздушных масс, давление, химические факторы, пожары)

      Абиотические факторы водной среды (температурная стратификация, прозрачность, соленость, растворенные газы, кислотность)

      Абиотические факторы почвенного покрова (состав литосферы, понятия «почва» и «плодородие», состав и структура почв)

      Биогенные вещества как экологический фактор

1. Экологический фактор - это любой элемент окружающей среды, способный оказывать прямое или косвенное воздействие на живой организм хотя бы на одном из этапов его индивидуального развития, или любое условие среды, на которое организм отвечает приспособительными реакциями.

В общем случае фактор - это движущая сила какого-либо процесса или влияющее на организм условие. Окружающая среда характеризуется огромным разнообразием экологических факторов, в том числе и пока не известных. Каждый живой организм в течение всей своей жизни находится под воздействием множества экологических факторов, различающихся происхождением, качеством, количеством, временем воздействия, т.е. режимом. Таким образом, окружающая среда - это фактически набор воздействующих на организм экологических факторов.

Но если окружающая среда, как мы уже сказали, не имеет количественных характеристик, то каждый отдельный фактор (будь то влажность, температура, давление, белки пищи, количество хищников, химическое соединение в воздухе и т. п.) характеризуется мерой и числом, т. е. его можно измерить во времени и пространстве (в динамике), сравнить с каким-либо эталоном, подвергнуть моделированию, предсказанию (прогнозу) и в конечном счете изменить в заданном, направлении. Управлять можно только тем, что имеет меру и число.

Для инженера предприятия, экономиста, санитарного врача или следователя прокуратуры требование "охранять окружающую среду" не имеет смысла. А если задача или условие выражены в количественной форме, в виде каких-либо величин или неравенств (например: С i < ПДК i или M i < ПДВ i то они вполне понятны и в практическом, и в юридическом отношении. Задача предприятия - не "охранять природу", а с помощью инженерных или организационных приемов выполнить названное условие, т. е. именно таким путем управлять качеством окружающей среды, чтобы она не представляла угрозы здоровью людей. Обеспечение выполнения этих условий - задача контролирующих служб, а при невыполнении их предприятие несет ответственность.

2. Классификация экологических факторов

Любая классификация какого-либо множества это метод его познания или анализа. Предметы и явления можно классифицировать по различным признакам, исходя из поставленных задач. Из многих существующих классификаций экологических факторов для задач данного курса целесообразно использовать следующую (рис. 1).

Все экологические факторы в общем случае могут быть сгруппированы в две крупные категории: факторы неживой, или косной, природы, называемые иначе абиотическими или абиогенными, и факторы живой природы - биотические , или биогенные . Но по своему происхождению обе группы могут быть как природными , так и антропогенными , т. е. связанными с влиянием человека. Иногда различают антропические и антропогенные факторы. К первым относят лишь прямые воздействия человека на природу (загрязнение, промысел, борьбу с вредителями), а ко вторым - преимущественно косвенные последствия, связанные с изменением качества окру­жающей среды.

Рис. 1. Классификация экологических факторов

Человек в своей деятельности не только меняет режимы природных экологических факторов, но и создает новые, например, синтезируя новые химические соединения - ядохимикаты, удобрения, лекарства, синтетические материалы и др. В числе факторов неживой природы присутствуют физические (космические, климатические, орографические, почвенные) и химические (компоненты воздуха, воды, кислотность и иные химические свойства почвы, примеси промышленного происхождения). К биотическим факторам относятся зоогенные (влияние животных), фитогенные (влияние растений), микробогенные (влияние микроорганизмов). В некоторых классификациях к биотическим факторам относят и все антропогенные факторы, включая физические и химические.

Наряду с рассмотренной, существуют и другие классификации экологических факторов. Выделяют факторы зависимые и независимые от численности и плотности организмов . Например, климатические факторы не зависят от численности животных, растений, а массовые заболевания, вызываемые патогенными микроорганизмами (эпидемии) у животных или растений, безусловно, связаны с их численностью: эпидемии возникают при тесном контакте между индивидуумами или при их общем ослаблении из-за нехватки корма, когда возможна быстрая передача болезнетворного начала от одной особи к другой, а также утрачена сопротивляемость к патогену.

Макроклимат от численности животных не зависит, а микроклимат может существенно изменяться в результате их жизнедеятельности. Если, например, насекомые при их высокой численности в лесу уничтожат большую часть хвои или листвы деревьев, то здесь изменится ветровой режим, освещенность, температура, качество и количество корма, что скажется на состоянии последующих поколений тех же или других, обитающих здесь животных. Массовые размножения насекомых привлекают насекомых-хищников и насекомоядных птиц. Урожаи плодов и семян влияют на изменение численности мышевидных грызунов, белки и ее хищников, а также многих птиц, питающихся семенами.

Можно делить все факторы на регулирующие (управляющие) и регулируемые (управляемые), что также легко понять в связи с приведенными выше примерами.

Оригинальную классификацию экологических факторов предложил А. С. Мончадский. Он исходил из представлений о том, что все приспособительные реакции организмов к тем или иным факторам связаны со степенью постоянства их воздействия, или, иначе говоря, с их периодичностью. В частности, он выделял:

1. первичные периодические факторы (те, которым свойственна правильная периодичность, связанная с вращением Земли: смена времен года, суточная и сезонная смена освещенности и температуры); эти факторы изначально присущи нашей планете и зарождающаяся жизнь должна была сразу к ним приспосабливаться;

2. вторичные периодические факторы (они являются производными от первичных); к ним относятся все физические и многие химические факторы, например влажность, температура, осадки, динамика численности растений и животных, содержание растворенных газов в воде и др.;

3. непериодические факторы, которым не свойственна правильная периодичность (цикличность); таковы, например, факторы, связанные с почвой, или разного рода стихийные явления.

Разумеется, "непериодично" лишь само тело почвы, подстилающие ее грунты, а динамика температуры, влажности и многих других свойств почвы также связана с первичными периодическими факторами.

Антропогенные факторы однозначно относятся к непериодическим. В числе таких факторов непериодического действия прежде всего - загрязняющие вещества, содержащиеся в промышленных выбросах и сбросах. К природным периодическим и непериодическим факторам живые организмы в процессе эволюции способны вырабатывать адаптации (например, спячка, зимовка и т. п.), а к изменению содержания примесей в воде или воздухе растения и животные, как правило, не могут приобрести и наследственно закрепить соответствующие адаптации. Правда, некоторые беспозвоночные, например растениеядные клещи из класса паукообразных, имеющие в условиях закрытого грунта десятки поколений в году, способны при постоянном применении против них одних и тех же ядохимикатов образовывать устойчивые к яду расы путем отбора особей, наследующих такую устойчивость.

Необходимо подчеркнуть, что к понятию "фактор" следует подходить дифференцированно, учитывая, что факторы могут быть как прямого (непосредственного), так и опосредованного действия. Различия между ними состоят в том, что фактор прямого действия можно выразить количественно, в то время как факторы непрямого действия - нет. Например, климат или рельеф могут быть обозначены в основном словесно, но они определяют режимы факторов прямого действия - влажности, длины светового дня, температуры, физико-химических характеристик почвы и др.

3. Абиотические факторы

3.1. Общие закономерности распределения уровней и региональных режимов экологических факторов

Географическая оболочка Земли (как и Общие биосфера) неоднородна в пространстве, она дифференцирована на отличающиеся друг от друга территории. Ее последовательно делят на физико-географические пояса, географические зоны, внутризональные горные и равнинные области и подобласти и подзоны и т. д.

Физико-географический пояс - это крупнейшая таксономическая единица географической оболочки, слагающаяся из ряда географических зон, близких по тепловому балансу и режиму увлажнения.

Выделяют, в частности, арктический и антарктический, субарктический и субантарктический, северные и южные умеренные и субтропические, субэкваториальный и экваториальный пояса.

Географическая (она же - природная, ландшафтная) зона - это значительная часть физико-географического пояса с особым характером геоморфологических процессов, с особыми типами климата, растительности, почв, животного и растительного мира.

Например, в пределах северного полушария выделяют следующие зоны: ледяную, тундры, лесотундры, тайги, смешанных лесов Русской равнины, муссонных лесов Дальнего Востока, лесостепную, степную, пустынные умеренного и субтропического пояса, средиземноморскую и др. Зоны имеют преимущественно (хотя далеко не всегда) вытянутые в широком плане очертания и характеризуются сход­ными природными условиями, определенной последовательностью в зависимости от широтного положения. Таким образом, широтная географическая зональность - это закономерное изменение, физико-географических процессов, компонентов и комплексов от экватора к полюсам. Понятно, что речь идет в первую очередь о совокупности факторов, образующих климат.

Зональность обусловлена главным образом характером распределения солнечной энергии по широтам, т. е. с уменьшением ее прихода от экватора к полюсам и неравномерностью увлажнения. Положение о зональности географической оболочки (а следовательно, и биосферы) было сформулировано известным русским почвоведом В. В. Докучаевым.

Наряду с широтной существует также типичная для горных районов вертикальная (или высотная) зональность, т. е. смена растительности, животного мира, почв, климатических условий, по мере подъема от уровня моря, связанная в основном с изменением теплового баланса: перепад температуры воздуха составляет 0,6-1,0 °С на каждые 100 м высоты.

Разумеется, в природе не все столь однозначно закономерно: вертикальная зональность может осложняться экспозицией склона, а широтная - иметь зоны, вытянутые в субмеридиональном направлении, как, например, в условиях горных хребтов.

Однако в целом от теплового баланса зависят режимы и динамика важнейших абиотических факторов, т. е. климат, процессы почвообразования, типы растительности, видовой состав и динамика численности животного мира и др.

Географическая зональность присуща не только материкам, но и Мировому океану, в пределах которого разные зоны различаются количеством приходящей солнечной радиации, балансами испарения и осадков, температурой воды, особенностями поверхностных и глубинных течений, а следовательно, и миром живых организмов.

3.2. Космические факторы

Биосфера, как среда обитания живых организмов, не изолирована от сложных процессов факторы протекающих в космическом пространстве, причем связанных непосредственно не только с Солнцем. На Землю попадает космическая пыль, метеоритное вещество. Земля периодически сталкивается с астероидами, сближается с кометами. Через Галактику проходят вещества и волны, возникающие в результате вспышек сверхновых звезд. Разумеется, наша планета наиболее тесно связана с процессами, происходящими на Солнце- с так называемой солнечной активностью. Суть этого явления состоит превращении энергии, накапливающейся в магнитных поясах Солнца, в энергию движения газовых масс, быстрых частиц, коротковолнового электромагнитного излучения.

Наиболее интенсивные процессы наблюдаются в центрах активности, называемых активными областями, в которых наблюдается усиление магнитного поля, возникают области повышенной яркости, а также так называемые солнечные пятна. В активных областях могут происходить взрывоподобные выделения энергии, сопровождающиеся выбросами плазмы, внезапным появлением солнечных космических лучей, усилением коротковолнового и радиоизлучения. Известно, что изменения уровня вспышечной активности имеют циклический характер с обычным циклом, равным 22 годам, хотя известны колебания периодичностью от 4,3 до 1850 лет. Солнечная активность влияет на ряд жизненных процессов на Земле - от возникновения эпидемий и всплесков рождаемости до крупных климатических преобразований. Это было доказано еще в 1915 г. русским ученым А. Л. Чижевским, основателем новой науки - гелиобиологии (от греч. хелиос - Солнце), рассматривающей воздействие изменений активности Солнца на биосферу Земли.

3.3. Лучистая энергия Солнца и её значение для организмов

Энергия солнечного излучения распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Около 99 % ее составляют лучи с длиной волны 170-4000 нм, в том числе 48 % приходится на видимую часть спектра с длиной волны 400-760 нм, а 45 % - на инфракрасную (длина волны от 750 нм до 10~3 м), около 7 % -на ультрафиолетовую (длина волны менее 400 нм). В процессах фотосинтеза наиболее важную роль играет фотосинтетически активная радиация (380-710 нм).

Количество энергии солнечного излучения, поступающего к Земле (к верхней границе атмосферы), практически постоянно и оценивается значением 1370 Вт/м2. Эта величина называется солнечной постоянной. Однако приход энергии солнечного излучения к поверхности самой Земли существенно колеблется в зависимости от ряда условий: высоты Солнца над горизонтом, широты, состояния атмосферы и др. Форма Земли (геоид) близка к шарообразной. Поэтому наибольшее количество солнечной энергии поглощается в низких широтах (экваториальный пояс), где температура воздуха у земной поверхности, как правило, выше, чем в средних и высоких широтах. Приход энергии солнечного излучения в разные районы земного шара и ее перераспределение определяют климатические условия этих районов.

Проходя через атмосферу, солнечное излучение рассеивается на молекулах газов, на взвешенных примесях (твердых и жидких), поглощается водяными парами, озоном, диоксидом углерода, пылевидными частицами. Рассеянное солнечное излучение частично доходит до земной поверхности. Его видимая часть создает свет днем при отсутствии прямых солнечных лучей, например при сильной облачности. Общий приход теплоты к поверхности Земли зависит от суммы прямого и рассеянного излучения, которая увеличивается от полюсов к экватору.

Энергия солнечного излучения не только поглощается поверхностью Земли, но и отражается ею в виде потока длинноволнового излучения. Более светло окрашенные поверхности отражают свет более интенсивно, чем темные. Так, чистый снег отражает 80-95 %, загрязненный - 40-50, черноземная почва - 5-14, светлый песок - 35-45, полог леса - 10-18%. Отношение отражаемого поверхностью потока солнечного излучения к поступившему называется альбедо. Антропогенная деятельность существенно влияет на климатические факторы, изменяя их режимы. О глобальных проблемах, вызванных деятельностью человека Вы можете познакомиться в лекции «Глобальные проблемы человечества» данного курса.

Свет - это первичный источник энергии, без которого невозможна жизнь на Земле. Он участвует в фотосинтезе, обеспечивая создание органических соединений из неорганических растительностью Земли, и в этом его важнейшая энергетическая функция. Но в фотосинтезе участвует лишь часть спектр в пределах от 380 до 760 нм, которую называют областью физиологически активной радиации (ФАР). Внутри нее для фото синтеза наибольшее значение имеют красно-оранжевые лучи (600-700 нм) и фиолетово-голубые (400-500 нм), наименьшее - желто-зеленые (500-600 нм). Последние отражаются, что и придает хлорофиллоносным растениям зеленую окраску. Однако свет не только энергетический ресурс, но и важнейший экологический фактор, весьма существенно влияющий на биоту в целом и на адаптационные процессы и явления в организмах.

За пределами видимого спектра и ФАР остаются инфракрасная (ИК) и ультрафиолетовая (УФ) области. УФ-излучение несет много энергии и обладает фотохимическим воздействием - организмы к нему очень чувствительны. ИК-излучение обладает значительно меньшей энергией, легко поглощается водой, но некоторые сухопутные организмы используют его для поднятия температуры тела выше окружающей.

Важное значение для организмов имеет интенсивность освещения. Растения по отношению к освещенности подразделяются на светолюбивые (гелиофиты), тенелюбивые (сциофиты) и теневыносливые.

Первые две группы обладают разными диапазонами толе­рантности в пределах экологического спектра освещенности. Яркий солнечный свет - оптимум гелиофитов (луговые травы, хлебные злаки, сорняки и др.), слабая освещенность - оптимум тенелюбивых (растения таежных ельников, лесостепных дубрав, тропических лесов). Первые не выносят тени, вторые - яркого солнечного света.

Теневыносливые растения имеют широкий диапазон толерантности к свету и могут развиваться как при ярком освещенности, так и в тени.

Свет имеет большое сигнальное значение и вызывает регуляторные адоптации организмов. Одним из самых надежных сигналов, регулирующих активность организмов во времени, является длина дня - фотопериод.

Фотопериодизм как явление - это реакция организма на сезонные изменения длины дня. Длина дня в данном месте, в данное время года всегда одинакова, что позволяет растению и животному определиться на данной широте со временем года, т. е. временем начала цветения, созревания и т. п. Иными словами, фотопериод - это некое «реле времени», или «пусковой механизм», включающий последовательность физиологических процессов в живом организме.

Фотопериодизм нельзя отождествлять с обычными внешними суточными ритмами, обусловленными просто сменой дня и ночи. Однако суточная цикличность жизнедеятельности у животных и человека переходит во врожденные свойства вида, т. е. становится внутренними (эндогенными) ритмами. Но в отличие от изначально внутренних ритмов их продолжительность может не совпадать с точной цифрой - 24 часа - на 15- 20 минут, и в связи с этим, такие ритмы называют циркадными (в переводе - близкие к суткам).

Эти ритмы помогают организму чувствовать время, и эту способность называют «биологическими часами». Они помогают птицам при перелетах ориентироваться по солнцу и вообще ориентируют организмы в более сложных ритмах природы.

Фотопериодизм, хотя и наследственно закреплен, проявляется лишь в сочетании с другими факторами, например, температурой: если в день Х холодно, то растение зацветает позже, или в случае с вызреванием - если холод наступает раньше дня X, то, скажем, картофель дает низкий урожай, и т. п. В субтропической и тропической зоне, где длина дня по сезонам года меняется мало, фотопериод не может служить важным экологическим фактором - на смену ему приходит чередование засушливых и дождливых сезонов, а в высокогорье главным сигнальным фактором становится температура.

Так же, как на растениях, погодные условия отражаются на пойкилотермных животных, а гомойотермные отвечают на это изменениями в своем поведении: изменяются сроки гнездования, миграции и др.

Человек научился использовать описанные выше явления. Длину светового дня можно изменять искусственно, тем самым изменяя сроки цветения в плодоношения растений (выращивание рассады еще в зимний период и даже плодов в теплицах), увеличивая яйценоскость кур, и др.

Развитие живой природы по сезонам года происходит в соответствии с биоклиматическим законом, который носит имя Хоякинса: сроки наступления различных сезонных явлений (фенодат) зависят от широты, долготы местности и ее высоты над уровнем моря. Значит, чем севернее, восточнее и выше местность, тем позже наступает весна и раньше осень. Для Европы на каждом градусе широты сроки сезонных событий наступают через три дня, в Северной Америке - в среднем через четыре дня на каждый градус широты, на пять градусов долготы и на 120 м высоты над уровнем моря.

Знание фенодат имеет большое значение для планирования различных сельхозработ в других хозяйственных мероприятий.

3.4. Абиотические факторы наземной среды

Абиотическая компонента наземной среды (суши) включает совокупность климатических и почвенно-грунтовых условии, т. е. множество динамичных во времени и пространстве элементов, связанных друг с другом и влияющих на живые организмы.

Особенности воздействия на биосферу со стороны космических факторов и проявлений солнечной активности состоят в том, что поверхность нашей планеты (где сосредоточена "пленка жизни") как бы отделена от Космоса мощным слоем вещества в газообразном состоянии, т. е. атмосферой. Абио­тическая компонента наземной среды включает совокупность климатических, гидрологических, почвенно-грунтовых усло­вий, т. е. множество динамичных во времени и пространстве элементов, связанных между собой и влияющих на живые организмы. Атмосфере как среде, воспринимающей космиче­ские и связанные с Солнцем факторы, принадлежит важнейшая климатоформирующая функция.

Влияние температуры на организмы

Температура - важнейший из ограничивающих (лимитирующих) факторов. Пределами толерантности для любого вида являются максимальная и минимальная летальные температуры, за пределами которых вид смертельно поражают жара или холод (рис. 2.). Если не принимать во внимание некоторые уникальные исключения, все живые существа способны жить при температуре между 0 и 50 °С, что обусловлено свойствами протоплазмы клеток.

На рис. 2. показаны температурные пределы жизни видовой группы, популяции. В «оптимальном интервале» организмы чувствуют себя комфортно, активно размножаются и численность популяции растет. К крайним участкам температурного предела жизни - «пониженной жизнедеятельности» - организмы чувствуют себя угнетенно. При дальнейшем похолодании в пределах «нижней границы стойкости» или увеличении жары в пределах «верхней границы стойкости», организмы попадают в «зону смерти» и погибают.

Этим примером иллюстрируется общий закон биологической стойкости (по Ламотту), применимый к любому из важных лимитирующих факторов. Величина «оптимального интервала» характеризует «величину» стойкости организмов, т. е. величину его толерантности к этому фактору, или «экологическую валентность».

Адаптационные процессы у животных по отношению к температуре привели к появлению пойкилотермных и гомойотермных животных. Подавляющее большинство животных являются пойкилотермными, т. е. температура их собственного тела меняется с изменением температуры окружающей среды: земноводные, пресмыкающиеся, насекомые и др. Значительно меньшая часть животных - гомойотермные, т. е. имеют постоянную температуру тела, независящую от температуры внешней среды: млекопитающие (в том числе и человек), имеющие температуру тела 36-37 0 С, и птицы с температурой тела 40°С.

Рис. 2. Общий закон биологической стойкости (по М. Ламотту)

Активную жизнь при температуре ниже нуля могут вести только гомойотермные животные. Пойкилотермные хотя выдерживают температуру значительно ниже нуля, но при этом теряют подвижность. Температура порядка 40 °С, т. е. даже ниже температуры свертывания белка, для большинства животных предельна.

Не меньшее значение температура играет в жизни растений. При повышении температуры на 10 °С интенсивность фотосинтеза увеличивается в два раза, но лишь до 30-35 °С, за тем его интенсивность падает, и при 40-45 °С фотосинтез вообще прекращается. При 50 °С большинство наземных растений погибают, что связано с интенсификацией дыхания растений при повышении температуры, а затем его прекращения при 50 0 С.

Температура влияет и на ход корневого питания у растений: этот процесс возможен лишь при условии, когда температура почвы на всасывающих участках на несколько градусов ниже температуры наземной части растения. Нарушение этого равновесия влечет за собой угнетение жизнедеятельности растений и даже его гибель. Известны морфологические приспособления растений низким температурам, так называемые жизненные формы растений, например, эпифиты, фанерофиты и д.п.

Морфологические адаптации к температурным условиям жизни, и прежде всего, наблюдаются также и у животных. Жизненные фермы животных одного вида, например, могут сформироваться под воздействием низких температур, от -20 до -40 0 С, при которых они вынуждены накапливать питательные вещества и увеличивать массу тела: из всех тигров самый крупный амурский тигр, живущий в наиболее северных и суровых условиях. Эта закономерность именуется правилом Бергмана: у теплокровных животных размер тела особей в среднем больше у популяций, живущих в более холодных частях ареала распространения вида.

Но в жизни животных гораздо большее значение имеют физиологические адаптации, простейшей из которых является акклиматизация - физиологическое приспособление к пе­ренесению жары или холода. Например, борьба с перегревом путем увеличения испарения, борьба с охлаждением у пойкилотермных животных путем частичного обезвоживания своего тела или накопления специальных веществ, понижающих точку замерзания, у гомойотермных - за счет изменения обмена веществ.

Существуют и более радикальные формы защиты от холода - миграция в более теплые края (перелеты птиц; высокогорные серны на зиму переходят на более низкие высоты, и др.), зимовка - впадение в спячку на зимний период (сурок, белка, бурый медведь, летучие мыши: они способны понижать температуру своего тела почти до нуля, замедляя метаболизм и, тем самым, трату питательных веществ).