Абиотические факторы

У каждого вида животных, растений и микроорганизмов  выработались необходимые приспособления как к высоким, так и к низким температурам. Так, многие насекомые при наступлении холодов скрываются в почве, под корой деревьев, в трещинах скал, лягушки зарываются в ил на дне водоемов, некоторые наземные животные впадают в спячку и оцепенение. Приспособление от перегрева в жаркое время года у растений выражается в увеличении испарения воды через устьица, у животных — в виде испарения воды через дыхательную систему и кожные покровы. Животные, не обладающие системой активной терморегуляции (холоднокровные, или пойкилотермные), колебания внешней температуры переносят плохо, поэтому их ареалы на суше относительно ограничены (амфибии, рептилии). С наступлением холодов у них снижается обмен веществ, потребление пищи и кислорода, они погружаются в спячку или впадают в состояние анабиоза (резкое замедление жизненных процессов при сохранении способности к оживлению), а при благоприятных погодных условиях пробуждаются и снова начинают активную жизнь. Споры и семена растений, а среди животных — инфузории, коловратки, клопы, клещи и др. — могут много лет находиться в состоянии анабиоза. Теплокровность у млекопитающих и птиц дает им возможность переносить неблагоприятные условия в активном состоянии, пользуясь убежищами, поэтому они в меньшей степени зависят от окружающей среды. В период чрезмерного повышения температуры в условиях пустыни животные приспособились переносить жару путем погружения в летнюю спячку. Растения пустынь и полупустынь весной за очень короткий срок завершают вегетацию и после созревания семян сбрасывают листву, вступая в фазу покоя (тюльпаны, мятлик луковичный, иерихонская роза и др.).

Вода. Энергией Солнца вода поднимается с поверхности морей и океанов и возвращается на Землю в виде разнообразных осадков, оказывая разностороннее влияние на организмы. Вода — важнейший компонент клетки, на ее долю приходится 60—80% ее массы. Биологическое значение воды обусловлено ее физико-химическими свойствами. Молекула воды полярна, поэтому она способна притягиваться к различным другим молекулам и ослаблять интенсивность взаимодействия между зарядами этих молекул, образуя с ними гидраты, т. е. выступать в качестве растворителя. Многие, вещества вступают в разнообразные химические реакции только в присутствии воды.

Диэлектрические свойства, наличие связей между молекулами обусловливают большую теплоемкость воды, что создает в живых системах “тепловой буфер”, предохраняя  неустойчивые структуры клетки от повреждения  при местном кратковременном  освобождении тепловой энергии. Поглощая тепло при переходе из жидкого  в газообразное состояние, вода производит охлаждающий; эффект испарения, используемый организмами для регуляции температуры  тела. Благодаря большой теплоемкости вода играет роль основного терморегулятора  климата. Ее медленное нагревание и  охлаждение регулируют колебания температуры  океанов и озер: летом и днем в них накапливается тепло, которое  они отдают зимой и ночью. Стабилизации климата способствует также постоянный обмен диоксидом углерода между воздушной и водной оболочками земного шара и горными породами, а также растительным и животным миром. Вода выполняет транспортную роль в перемещении веществ почвы сверху вниз и в обратном направлении. В почве они служит средой обитания для одноклеточных организмов (амебы, жгутиковые, инфузории, водоросли).

В зависимости от режима влаги растения в местах и  обычного произрастания подразделяются на гигрофиты-растения избыточного увлажненных мест, мезофиты-растения достаточно увлажненных мест и ксерофиты - растения сухих местообитаний. Есть еще группа водных цветковых растений — гидрофиты, которые обитают в водной среде (стрелолист, элодея, роголистник). Недостаток влаги служит ограничивающим фактором, определяющим границы жизни и ее зональное распределение. При недостатке воды у животных и растений вырабатываются приспособления к ее добыванию и сохранению. Одна из функций листопада — приспособление против избыточной потери воды. У растений засушливых мест листья мелкие, иногда в форме чешуек (в этом случае стебель принимает на себя функцию фотосинтеза); той же цели служит распределение устьиц на листе, которое может уменьшать испарение воды. Животные в условиях сильно пониженной влажности во избежание потери воды активны ночью, днем они скрываются в норах и даже впадают в оцепенение или спячку. Грызуны не пьют воду, а пополняют ее с растительной пищей. Своеобразным резервуаром воды для животных пустынь являются жировые отложения (горб у верблюда, подкожные отложения жира у грызунов, жировое тело у насекомых), из которых поступает вода, образующаяся в организме при окислительных реакциях в ходе расщепления жира. Таким образом, все факты приспособленности организмов к условиям жизни — яркая иллюстрация целесообразности в живой природе, возникшей под влиянием естественного отбора.

Ионизирующее излучение. Излучение с очень высокой энергией, которое способно приводить к образованию пар положительных и отрицательных ионов, называется ионизирующим. Его источником являются радиоактивные вещества, содержащиеся в горных породах; кроме того, оно поступает из космоса. Из трех видов ионизирующего излучения, имеющих важное экологическое значение, два представляют собой корпускулярное излучение (альфа- и бета-частицы), а третье— электромагнитное (гамма.-излучение и близкое ему рентгеновское излучение). Гамма-излучение легко проникает в живые ткани; это излучение может пройти сквозь организм, не оказав никакого воздействия, или же может вызвать ионизацию на большом отрезке своего пути.

В целом ионизирующее излучение оказывает на более  высокоразвитые и сложные организмы  наиболее , губительное действие; человек отличается особой чувствительностью.

Загрязняющие вещества. Эти вещества можно разделить на две группы: природные соединения, являющиеся отходами технологических процессов, и искусственные соединения, не встречающиеся в природе.

К 1-й группе относятся  сернистый ангидрид, углекислый газ, оксиды азота, углерода, углеводороды, соединения меди, цинка и ртути  и др., минеральные удобрения.

Во 2-ю группу входят искусственные вещества, обладающие специальными свойствами, удовлетворяющими потребности человека: пестициды, используемые для борьбы с животными——вредителями сельскохозяйственных культур, антибиотики, применяемые в медицине и ветеринарии для лечения инфекционных заболеваний. К пестицидам относятся инсектициды — средства для борьбы с вредными насекомыми и гербициды -—. средства для борьбы с сорняками. Все они обладают определенной токсичностью (ядовитостью) для человека. К абиотическим факторам относятся также атмосферные газы, минеральные вещества, барометрическое давление, движение воздушных масс и гидросферы (течение), минеральная основа почвы, соленость воды и почвы. 
Остановимся на значении минеральных элементов. Ряд неорганических веществ находится в организме в составе солей, а при диссоциации образуют ионы (катионы и анионы): Na+, Mg2+, РО43-, Сl-, К+, Са2+, СО32-, NO3-. Значение ионного состава в клетке выявляется на многих сторонах ее жизнедеятельности. Например, калий избирательно взаимодействует с сократительным белком мышц — миозином, снижая вязкость клеточного сока и вызывая расслабление мышц. Кальций усиливает вязкость цитоплазмы и стимулирует мышечное сокращение, снижает порог возбудимости нервов и освобождается из мембранной системы при мышечном сокращении. В больших дозах кальций потребляется моллюсками и позвоночными, которым он необходим для роста раковины и костей. Натрия много у животных преимущественно во внеклеточной жидкости, а калия — внутри клетки; их взаимоперемещение создает разность электрических потенциалов между жидкостями внутри и вне клеток, что лежит в основе передачи нервных импульсов.

Ионы магния оказывают  влияние на агрегацию рибосом: при  снижении их концентрации рибосома распадается  на две части. Магний входит в состав молекулы хлорофилла и некоторых  ферментов. Для осуществления фотосинтеза  растениям необходимы Mn, Fe, Cl, Zn; для азотистого обмена — Мо, В, Со, Сu, Si. В состав молекулы гемоглобина входит железо, в состав гормона щитовидной железы — йод. Цинк участвует во многих реакциях гидролиза, разрывая связи между атомами углерода и кислорода. Отсутствие или недостаток Na+, Mg2+, К+, Са2+, ведет к потере возбудимости клетки и ее гибели.

В природных условиях недостаток тех или других микроэлементов приводит к развитию эндемичных (свойственных только определенной местности) заболеваний человека: эндемического зоба (недостаток йода в питьевой воде), флюороза и крапчатости зубов (избыточное поступление в организм фтора) и др. Недостаток меди в травах, произрастающих на болотистых и торфяных почвах, ведет к анемии у крупного рогатого скота, расстройству пищеварительной системы, поражению центральной нервной системы, изменению цвета шерсти и т. д.

Нежелателен также  избыток микроэлементов. В частности, в некоторых местностях известен стронциевый рахит и хронический молибденовый токсикоз у животных понос у крупного рогатого скота, падение удоя, изменение цвета шерсти). Многие вопросы о роли микроэлементов в возникновении тех или иных физиологических нарушений изучены пока недостаточно.

Абиотические  факторы среды и организмы. Адаптации  организмов к абиотическим факторам: свету, температуре и влаге

Москалюк Т.А.

Список литературы: Тот же, что и в лекции 4 

1. Свет в жизни  организмов 

а) Спектр света  и значение разного типа излучений

б) Экологические  группы растений по отношению к свету

в) Свет и биоритмы

2. Температура в  жизни организмов

а) Оптимум и  пессимум. Сумма эффективных температур

б) Адаптации растений к тепловому режиму

в) Пойкилотермность и гомойтермность

3. Влага в жизни  организмов

4. Значение других  экологических факторов для живых  организмов 

Важнейшие абиотические факторы для любого организма  – свет, тепло и влага. С детства  знакомо: «Солнце, воздух и вода –  наши лучшие друзья!». Можно сюда добавить кислород – для животного мира, и углекислый газ – для растений. Каково же влияние каждого из них  на живые организмы?

1. Свет в жизни организмов

Свет не только жизненно важный, но и лимитирующий фактор, как при минимальном уровне, так и при максимальном. Под  термином свет подразумевается весь диапазон солнечного излучения, представляющий поток энергии с длинами волн от 0,05 до 3000 нм (1 нанометр = 10-6мм). Количество ее колоссально: ежеминутно Земля получает 2 кал/см2 (1,39×103дж/м2×сек). Эта величина называется солнечной постоянной. Но не вся лучистая энергия достигает земной поверхности.

а) Спектр света и значение разного типа излучений

Спектр света  делится на несколько областей:

<150 нм – ионизирующая  радиация – < 0,1%;

150-400 нм – ультрафиолетовая  радиация (УФ) – 1-10%;

400-800 нм – видимый  свет – £50%;800-1000 нм – инфракрасная  радиация (ИК) – £50%.

До 19% рассеивается в атмосфере (парами и пылью, молекулами газов), около 34% отражается от атмосферы (от облаков) в космическое пространство и только 47% солнечной энергии  достигает биосферы.

Ионизирующее излучение  почти полностью задерживается  верхними слоями атмосферы. Доля ультрафиолетовых лучей составляет около 1%. Остальное количество поступающей на землю лучистой энергии распределяется практически поровну на видимую и инфракрасную части спектра. Экологическое значение невидимых лучей изучено еще слабо.

Известно, что воздействие  ионизирующего излучения связано  с радиоактивностью; особенно выражено в последние десятилетия в  связи с техногенными загрязнениями  и катастрофами и проявляется  на клеточном уровне (мутагенный эффект), влияет на обмен веществ.

Ультрафиолетовые  лучи в умеренных дозах стимулируют  рост и размножение клеток, способствуют синтезу биологически активных веществ, витаминов, антибиотиков и тем самым  повышают устойчивость к болезням. Короткие волны этого излучения (200-320 нм) обладают канцерогенным действием  – предположительно через нарушение  молекулы ДНК, но большая часть их тоже поглощается озоновым слоем  атмосферы. До поверхности Земли  доходят в основном волны длиннее 300 нм. Они обладают высокой активностью, главным образом химической, но и  их значимость неодинакова. УФ с длиной волн 300-320 нм выработке витамина D, регулирующего  обмен витаминами С и Р. Этим обеспечивается нормальное развитие скелета.

Наиболее велико влияние этих витаминов на растущее поколение. Многие звери по утрам  выносят из нор своих детенышей  на солнце (барсуки, лисы, волки). У птиц – «солнечное купание».

Передозировка УФ вредна, особенно для деления клеток, поэтому используют УФ для дезинфекции  помещений. Как защита от излишних доз  УФ, при длине волны 320-330 нм в коже человека и других млекопитающих  образуется пигмент меланин (загар). Экранирование поверхности организма  свойственно многим рыбам, икре лягушек, грызунам в степях (мошонки, мозговые оболочки и др. органы).

Инфракрасное излучение (ИК) воспринимается всеми организмами  как тепло. Воздействуя на тепловые центры нервной системы животных, эти лучи регулируют окислительные  процессы и двигательные реакции  в отношении источников тепла.

Все лучи, оказывающие  влияние на растительные организмы, особенно на фотосинтез, называются физиологически активной радиацией (ФАР). Самое большое значение для живых организмов и функционирования всей биосферы имеет видимая часть спектра, состоящая из прямой (27%) и рассеянной (16%). Вместе они называются суммарной радиацией. Только на свету идет процесс фотосинтеза растений, обеспечивающий планету главным биологическим ресурсом – органическим веществом. Фотосинтез – главное условие возникновения и развития жизни на Земле. Свет – источник энергии, используемый пигментной системой организма, в основном хлорофиллом. На свету происходит образование хлорофилла и уже с его участием осуществляется фотосинтез. В процессе сложнейших фотохимических реакций молекулы воды (или другие молекулы с элементами, заменяющими O2) расщепляются с выделением газообразного кислорода, а углекислый газ превращается в углеводы:

6CO2 + 12 H2O С6H12O6 + 6O2 + 6H20

Как и в зоне УФ, в зоне видимых лучей волны  разной длины выполняют разные функции. Зелеными растениями наиболее активно  поглощаются оранжево-красные (650-680 нм) и сине-фиолетовые (400-500 нм) лучи, меньше всего – желто-зеленые (380-400 нм). Проходя через водную среду, отфильтровываются красные и  синие лучи, а остающийся зеленый  свет слабо поглощается хлорофиллом. Поэтому у водорослей, вырабатываются дополнительные пигменты (фикоэритрины), позволяющие им жить в море на большой глубине и используя энергию зеленого света. Следует отметить, что определенное участие в процессе фотосинтеза принимают близкие к видимой части света УФ-лучи и далекие от нее – ИК-лучи.