Абиотические факторы среды: понятие, общие закономерности действия на живые организмы

Абиотические  факторы среды: понятие, общие закономерности действия на живые  организмы.

Под средой в экологии понимают всю совокупность тел и сил внешнего по отношению к живому организму мира. Термин среда обитания применяют, когда хотят обозначить характерные для какого-нибудь вида растений или животных естественные условия жизни. А широко используемое понятие окружающая среда соответствует той части экологической среды, с элементами которой данный организм в данное время контактирует и прямо или косвенно взаимодействует. Чаще всего это понятие используют применительно к человеку, имея в виду окружающую человека среду. Экологические факторы — это такие свойства компонентов экосистемы и ее внешней среды, которые оказывают непосредственное действие на особей данной популяции, а также на характер их отношений друг с другом и с особями других популяций. Экологические факторы классифицируют по нескольким критериям. Внешние факторы воздействуют на организм, популяцию, экосистему, но не испытывают непосредственного обратного действия: солнечная радиация, атмосферное давление, скорость течения, ветер. В отличие от них внутренние факторы связаны со свойствами самой экосистемы и образуют ее состав: численность популяций, пища, концентрации веществ, состав приземного слоя воздуха и т.п.  Часто важно оценить значимость факторов, выделить главные и второстепенные. Те из них, без которых невозможны жизнь и развитие организма — пища, вода, тепло, свет, кислород, — определяются как условия существования. Другие, действующие не обязательно постоянно, но влияющие на различные проявления жизнедеятельности и распространение организмов, называют факторами воздействия. Наибольшее значение среди экологических факторов имеют факторы, характеризующие доступность для организмов различных форм вещества и энергии, временные изменения которых подчиняются законам сохранения. Подобные факторы называются ресурсами. Например, ресурсы пространства, энергии, света, тепла, влаги, кислорода, минеральной и органической пищи. По природе источников и характеру действия факторы среды разделяют на абиотические и биотические.

Абиотические  факторы — факторы неорганической (неживой) природы- это свет, температура, влажность, давление и другие климатические и геофизические факторы; природа самой среды — воздушной, водной, почвенной; химический состав среды, концентрации веществ в ней. К абиотическим факторам относят также физические поля (гравитационное, магнитное, электромагнитное), ионизирующую и проникающую радиацию, движение сред (акустические колебания, волны, ветер, течения, приливы), суточные и сезонные изменения в природе. Многие абиотические факторы могут быть охарактеризованы количественно и поддаются объективному измерению.

Свет наиболее важный, определяющий саму возможность устойчивого, существования жизни на Земле, фактор внешней среды — солнечный свет. Хотя под солнечным светом мы обычно подразумеваем только видимую часть непрерывного спектра солнечного излучения, необходимо иметь в виду, что то или иное влияние на организмы, прямое или опосредованное, оказывает как более коротковолновое излучение, ультрафиолетовое, так и более длинноволновое, инфракрасное. Ультрафиолетовое излучение, особенно в своей наиболее коротковолновой части, обладает ионизирующими свойствами, и это определяет характер его воздействия на организмы. Как и другие виды ионизирующих излечений, обладающих относительно большой энергией квантов, оно приводит к образованию свободных радикалов в живых клетках. Будучи очень активными, свободные радикалы вступают в необычные для клетки соединения с самыми разными молекулами, от низкомолекулярных регуляторных веществ до носителей генетической информации — ДНК и РНК (дезоксирибо- и рибонуклеиновых кислот). Это ведет как к многочисленным нарушениям в обмене веществ, что особенно ярко проявляется в ранний период лучевой болезни пораженных радиацией людей и животных, так и к множеству отдаленных последствий, связанных с нарушениями в наследственном аппарате клеток.

Не обладающее мутагенным эффектом мягкое ультрафиолетовое излучение активирует синтез витамина D у животных и человека, активирует синтез темного пигмента меланина, защищающего организм от жесткого УФ-излучения. У человека это выражается, в частности, в явлении солнечного загара у жителей высоких и средних широт, в наследственно закрепленной смуглости живущих в зоне субтропиков и тропиков представителей белой расы, в темнокожести представителей тропических рас — негроидов, бушменов, австралоидов. Интересно заметить, что ведущие одинаковый образ жизни жители пустыни Сахары, туареги, представлены как европеоидами берберами, так и негроидами. Первые, имеющие хоть и смуглую, но недостаточно богатую меланином кожу, носят одежду, накидки синего цвета, задерживающую ультрафиолетовое излучение, и известны как «синие туареги»; чернокожие негроиды, защищенные от ультрафиолета собственным меланином, могут позволить себе лучше защищающую от нагревания белую одежду и известны как «белые туареги».

Наиболее  ярким примером косвенного воздействия  ультрафиолетового излучения на живые организмы может быть его влияние на синтез в верхних слоях атмосферы озона, задерживающего коротковолновую часть ультрафиолетового излучения Солнца, что вообще делает возможным существование жизни на суше.

Инфракрасная  составляющая солнечного спектра, или  тепловое излучение, также оказывает  на живые организмы как прямое, так и косвенное воздействие. Некоторые животные, не имеющие постоянной температуры тела, способны использовать тепловое излучение для повышения температуры тела. Многие насекомые, лягушки, ящерицы в средних широтах активно ищут хорошо прогреваемые Солнцем места для того, чтобы после ночной прохлады утром быстрее поднять температуру тела до уровня 25-30°С, при котором возможна достаточная для хорошей подвижности интенсивность обмена веществ. Кроме того, некоторые животные используют инфракрасное излучение более теплых, чем окружающая среда, объектов для их обнаружения. Так, некоторые змеи, например щитомордники, охотящиеся на теплокровных животных, мелких грызунов, имеют на обращенной вперед части головы специальные органы, чувствительные к инфракрасным лучам. При слабо развитых обонянии и зрении это позволяет змеям обнаруживать жертву в полной темноте.

Наиболее  важен для существования жизни  на Земле видимый свет — часть  диапазона солнечного спектра с  длиной волны от 390 до 770 ммк. В жизни организмов и экосистем видимый свет может играть роль как энергетического, так и сигнального фактора. Поглощаемая поверхностью Земли часть солнечного излучения в решающей мере определяет течение и уровень климатических процессов и тем самым — все разнообразие климатических условий на поверхности Земли и температуру верхних слоев морских и океанских вод. Особенно велико энергетическое значение этого фактора в жизни растений, поскольку свет в видимой части спектра — единственный источник энергии для процессов фотосинтеза. О масштабах фотосинтетической работы растительности Земли можно судить по количеству связываемого углерода. Для всей планеты это составляет около 50 Гт углерода в год, в том числе на территории России — 4,4 Гт. При этом, как показали исследования последних лет, количество связываемого различными экосистемами углерода зависит не столько от числа видов растений, сколько от количества хлорофилла, приходящегося на единицу площади. Повышение биоразнообразия с усложнением экосистем значительно повышает их устойчивость к разрушающим воздействиям, но лишь незначительно увеличивает суммарное количество хлорофилла на единицу площади.

Так, молодой  лес, богатый видами нижних ярусов, связывает при одинаковых условиях освещения и температуры лишь на 15-20% больше углерода, чем спелый лес, в котором почти весь хлорофилл содержится в листве 1— 3 доминирующих древесных пород;

Сигнальная  роль света проявляется как у растений, так и у животных. Это связано с тем что смена дня и ночи, изменения длины светового дня в разные сезоны года в средних и высоких широтах — наиболее устойчивые характеристики динамики свойств среды обитания. Поэтому эволюционные преимущества получали те группы организмов, у которых процессы, связанные, например, со сменой времен года, оказались ориентированы именно на этот, самый надежный фактор внешней среды. Действительно, если бы, например, у птиц средней полосы гормональные системы, регулирующие развитие половых желез и физиологическую подготовку к размножению, включались только при повышении температуры и появлении обилия насекомых, то ко времени вылупления птенцов уменьшившееся количество насекомых не могло бы обеспечить их выкармливание.

То же касается таких сезонных явлений  в жизни большинства животных, как линька, весенние и осенние миграции, в том числе перелеты птиц, накопление жира к сезону бескормицы и т. п. Поэтому зимующие вне мест гнездования птицы прилетают к местам гнездовий из года в год, почти независимо от температурных условий каждого года, в одно и то же время с точностью до нескольких дней; линька у млекопитающих наступает ежегодно в одно и то же время. Резкие отклонения погодных условий от среднемноголетних, конечно, приводят к повышению смертности  например побелевших зайцев, в годы, когда устойчивый снежный покров ложится необычно поздно. Вместе с тем очевидно, что процессы, требующие длительной физиологической и биохимической подготовки, для увеличения шансов вида на выживание должны завершаться к моменту возникновения оптимальных условий с максимальной вероятностью, что и обеспечивается «привязкой» запуска этих процессов к предельно устойчивому по своей динамике фактору среды — длительности светового дня, изменяющейся даже не столько в геологическом сколько в астрономическом времени, сравнимом со временами эволюции звезд.

Хорошо  известно явление фотопериодизма и у растений. Цветение и формирование плодов, подготовка к сбрасыванию листвы к зиме, смена циклов развития у растений средних и высоких широт регулируются также длиной светового дня. В тропической и субтропической зонах, где длина дня почти не меняется в течение года, сигнальная роль этого фактора в        регуляции сезонных явлений в жизни живот является или почти не проявляется. Суточный цикл освещенности не менее важен в жизни животных и растений. В зависимости от эволюционно сложившихся взаимоотношений в экосистемах одни животные, характеризуются дневной активностью (большинство птиц, многие млекопитающие, пресмыкающиеся и земноводные, многие насекомые), другие — ночной (большинство хищных млекопитающих, ночные насекомые), третьи — сумеречной (совы, летучие мыши).

Для некоторых  животных важным фактором, определяющим их поведение, оказывается лунный свет. Например, нападения комаров максимально интенсивны утром и вечером, при восходе и заходе Солнца; однако при полнолунии они активны всю ночь (рис. 1.3). 

    Рис. 1.3 Схема изменений кривой ночного нападения комаров в природе в зависимости от фаз луны 

1 — новолуние, 2 — конец первой четверти, 3 — полнолуние, 4 — конец третьей, четверти. Время полной темноты — затемненная часть рисунка. 
 
 

  Химизм среды обитания. Живые организмы, существуя за счет обмена веществ с окружающей средой, естественно, сильно зависят от ее химического состава. В то же время, преобразуя органические и неорганические вещества среды, сами они могут в значительной мере изменять его. Взаимодействие неживых и живых компонентов биосферы целиком определяет особенности Земли как планеты, имеющей жизнь. Весь свободный кислород атмосферы создан процессом фотосинтетического разложения воды растениями, огромные толщи известняков и других органогенных осадочных пород созданы деятельностью живых организмов, запасы каменного угля, нефти и газа в земной коре — результат деятельности живых организмов минувших эпох.

Впечатляющие  масштабы этого взаимодействия в  геологическом времени в конечном счете зависят от текущего обмена веществ между живыми организмами и средой обитания в актуальном времени. Как отдельные организмы и виды, так и экосистемы более или менее сильно зависят от химического состава среды обитания. Особенно сильно это влияние среды сказывается на водных организмах, постоянно находящихся в растворителе (воде), являющемся основой внутриклеточных и межклеточных жидкостей растений и животных. С момента возникновения первых живых клеток в первичном океане эволюция постоянно решает задачу отделения внутренней среды от внешней с одновременным сохранением связи по элементам и соединениям, необходимым для жизнедеятельности. На клеточном уровне эта задача решалась созданием полупроницаемых мембран, включением в них специальных белков, белково-липидных и гликозидных комплексов, избирательно проницаемых для отдельных веществ или активно, с затратой энергии, переносящих жизненно важные ионы против градиента концентрации. На уровне организмов уменьшение зависимости от химического состава среды обитания достигалось возникновением все более совершенных покровных тканей, часто снабженных выделяющими защитную слизь железами, слоем мертвых ороговевших клеток, чешуей разных видов.