Воздух как среда жизни. Приспособления организмов к обитанию в воздушной среде

     Низкая  плотность воздуха определяет его  малую подъемную силу и незначительную спорность. Обитатели воздушной  среды должны обладать собственной  опорной системой, поддерживающей тело: растения – разнообразными механическими  тканями, животные – твердым или, значительно реже, гидростатическим скелетом. Кроме того, все обитатели  воздушной среды тесно связаны  с поверхностью земли, которая служит им для прикрепления и опоры. Жизнь во взвешенном состоянии в воздухе невозможна.

     Правда, множество микроорганизмов и  животных, споры, семена, плоды и  пыльца растений регулярно присутствуют в воздухе и разносятся воздушными течениями, многие животные способны к  активному полету, однако у всех этих видов основная функция их жизненного цикла – размножение – осуществляется на поверхности земли. Для большинства  из них пребывание в воздухе связано  только с расселением или поиском  добычи.

     Малая плотность воздуха обусловливает  низкую сопротивляемость передвижению. Поэтому многие наземные животные использовали в ходе эволюции экологические выгоды этого свойства воздушной среды, приобретя способность к полету. К активному полету способны 75 % видов  всех наземных животных, преимущественно  насекомые и птицы, но встречаются  летуны и среди млекопитающих  и рептилий. Летают наземные животные в основном с помощью мускульных усилий, но некоторые могут и планировать  за счет воздушных течений.

     Благодаря подвижности воздуха, существующим в нижних слоях атмосферы вертикальным и горизонтальным передвижениям  воздушных масс возможен пассивный  полет ряда организмов.

     Анемофилия  – древнейший способ опыления растений. Ветром опыляются все голосеменные, а среди покрытосеменных анемофильные растения составляют примерно 10 % всех видов.

     Анемофилия  наблюдается в семействах буковых, березовых, ореховых, вязовых, коноплевых, крапивных, казуариновых, маревых, осоковых, злаков, пальм и во многих других. Ветроопыляемые растения имеют целый  ряд приспособлений, улучшающих аэродинамические свойства их пыльцы, а также морфологические  и биологические особенности, обеспечивающие эффективность опыления.

     Жизнь многих растений полностью зависит  от ветра, и расселение совершается  с его помощью. Такая двойная  зависимость наблюдается у елей, сосен, тополей, берез, вязов, ясеней, пушиц, рогозов, саксаулов, джузгунов и  др.

     У многих видов развита анемохория – расселение с помощью воздушных  потоков. Анемохория характерна для  спор, семян и плодов растений, цист простейших, мелких насекомых, пауков и т. п. Пассивно переносимые потоками воздуха организмы получили в совокупности название аэропланктона  по аналогии с планктонными обитателями водной среды. Специальные адаптации для пассивного полета – очень мелкие размеры тела, увеличение его площади за счет выростов, сильного расчленения, большой относительной поверхности крыльев, использование паутины и т. п. (рис. 1). Анемохорные семена и плоды растений обладают также либо очень мелкими размерами (например, семена орхидей), либо разнообразными крыловидными и парашютовидными придатками, увеличивающими их способность к планированию (рис. 2).

     Рис. 1.  Приспособления к переносу воздушными потоками у насекомых:

     1 – комарик Cardiocrepis brevirostris;

     2 – галлица Porrycordila sp.;

     3 – перепончатокрылое Anargus fuscus;

     4 – хермес Dreyfusia nordmannianae;

     5 – личинка непарного шелкопряда  Lymantria dispar. 

     Рис. 2.  Приспособления к переносу ветром у плодов и семян растений:

     1 – липа Tilia intermedia;

     2 – клен Acer monspessulanum;

     3 – береза Betula pendula;

     4 – пушица Eriophorum;

     5 – одуванчик Taraxacum officinale;

     6 – рогоз Typha scuttbeworhii. 

     В расселении микроорганизмов, животных и растений основную роль играют вертикальные конвекционные потоки воздуха и  слабые ветры. Сильные ветры, бури и  ураганы также оказывают существенное экологическое воздействие на наземные организмы.

     Малая плотность воздуха обусловливает  сравнительно низкое давление на суше. В норме оно равно 760 мм рт. ст. С увеличением высоты над уровнем  моря давление уменьшается. На высоте 5800 м оно равняется лишь половине нормального. Низкое давление может  ограничивать распространение видов  в горах. Для большинства позвоночных  верхняя граница жизни около 6000 м. Снижение давления влечет за собой  уменьшение обеспеченности кислородом и обезвоживание животных за счет увеличения частоты дыхания. Примерно таковы же пределы продвижения в  горы высших растений. Несколько более  выносливы членистоногие (ногохвостки, клещи, пауки), которые могут встречаться  на ледниках, выше границы растительности.

     В целом все наземные организмы  гораздо более стенобатны, чем  водные, так как обычные колебания  давления в окружающей их среде составляют доли атмосферы и даже для поднимающихся  на большую высоту птиц не превышают 1/3 нормального.

     Газовый состав воздуха. Кроме физических свойств воздушной среды, для существования наземных организмов чрезвычайно важны ее химические особенности. Газовый состав воздуха в приземном слое атмосферы довольно однороден в отношении содержания главных компонентов (азот – 78,1 %, кислород – 21,0, аргон – 0,9, углекислый газ – 0,035 % по объему) благодаря высокой диффузионной способности газов и постоянному перемешиванию конвекционными и ветровыми потоками. Однако различные примеси газообразных, капельно-жидких и твердых (пылевых) частиц, попадающих в атмосферу из локальных источников, могут иметь существенное экологическое значение.

     Высокое содержание кислорода способствовало повышению обмена веществ у наземных организмов по сравнению с первично-водными. Именно в наземной обстановке, на базе высокой эффективности окислительных процессов в организме, возникла гомойотермия животных. Кислород, из-за постоянно высокого его содержания в воздухе, не является фактором, лимитирующим жизнь в наземной среде. Лишь местами, в специфических условиях, создается временный его дефицит, например в скоплениях разлагающихся растительных остатков, запасах зерна, муки и т. п.

     Содержание  углекислого газа может изменяться в отдельных участках приземного слоя воздуха в довольно значительных пределах. Например, при отсутствии ветра в центре больших городов  концентрация его возрастает в десятки  раз. Закономерны суточные изменения  содержания углекислоты в приземных  слоях, связанные с ритмом фотосинтеза  растений. Сезонные обусловлены изменениями  интенсивности дыхания живых  организмов, преимущественно микроскопического  населения почв. Повышенное насыщение  воздуха углекислым газом возникает  в зонах вулканической активности, возле термальных источников и других подземных выходов этого газа. В высоких концентрациях углекислый газ токсичен. В природе такие  концентрации встречаются редко.

     В природе основным источником углекислоты  является так называемое почвенное  дыхание. Почвенные микроорганизмы и животные дышат очень интенсивно. Углекислый газ диффундирует из почвы  в атмосферу, особенно энергично  во время дождя. Много его выделяют почвы умеренно влажные, хорошо прогреваемые, богатые органическими остатками. Например, почва букового леса выделяет СО₂ от 15 до 22 кг/га в час, а неудобренная песчаная всего 2 кг/га.

     В современных условиях мощным источником поступления дополнительных количеств  СО₂ в атмосферу стала деятельность человека по сжиганию ископаемых запасов топлива.

     Низкое  содержание углекислого газа тормозит процесс фотосинтеза. В условиях закрытого грунта можно повысить скорость фотосинтеза, увеличив концентрацию углекислого газа; этим пользуются в практике тепличного и оранжерейного  хозяйства. Однако излишние количества СО₂ приводят к отравлению растений.

     Азот  воздуха для большинства обитателей наземной среды представляет инертный газ, но ряд прокариотических организмов (клубеньковые бактерии, азотобактер, клостридии, сине-зеленые водоросли и др.) обладает способностью связывать его и вовлекать в биологический круговорот.

     Местные примеси, поступающие в воздух, также  могут существенно влиять на живые  организмы. Это особенно относится  к ядовитым газообразным веществам  – метану, оксиду серы, оксиду углерода, оксиду азота, сероводороду, соединениям  хлора, а также к частицам пыли, сажи и т. п., засоряющим воздух в  промышленных районах. Основной современный  источник химического и физического  загрязнения атмосферы антропогенный: работа различных промышленных предприятий  и транспорта, эрозия почв и т. п. Оксид серы (SО₂), например, ядовит для растений даже в концентрациях от одной пятидесятитысячной до одной миллионной от объема воздуха. Вокруг промышленных центров, загрязняющих атмосферу этим газом, погибает почти вся растительность. Некоторые виды растений особо чувствительны к SО₂ и служат чутким индикатором его накопления в воздухе. Например, многие лишайники погибают даже при следах оксида серы в окружающей атмосфере. Присутствие их в лесах вокруг крупных городов свидетельствует о высокой чистоте воздуха. Устойчивость растений к примесям в воздушной среде учитывают при подборе видов для озеленения населенных пунктов. Чувствительны к задымлению, например, обыкновенная ель и сосна, клен, липа, береза. Наиболее устойчивы туя, тополь канадский, клен американский, бузина и некоторые другие. 

     2.2. Погодные и климатические особенности наземно-воздушной среды

     Погодные  особенности. Условия жизни в наземно-воздушной среде осложняются, кроме того, погодными изменениями. Погода  – это непрерывно меняющееся состояние атмосферы у земной поверхности до высоты примерно 20 км (граница тропосферы). Изменчивость погоды проявляется в постоянном варьировании сочетания таких факторов среды, как температура и влажность воздуха, облачность, осадки, сила и направление ветра и т. п. Для погодных изменений наряду с закономерным чередованием их в годовом цикле характерны непериодические колебания, что существенно усложняет условия существования наземных организмов. На жизнь водных обитателей погода влияет в значительно меньшей степени и лишь на население поверхностных слоев.

     Климат  местности. Многолетний режим погоды характеризует климат местности.  В понятие климата входят не только средние значения метеорологических явлений, но также их годовой и суточный ход, отклонения от него и их повторяемость. Климат определяется географическими условиями района.

     Зональное разнообразие климатов осложняется  действием муссонных ветров, распределением циклонов и антициклонов, влиянием горных массивов на движение воздушных  масс, степенью удаления от океана (континентальность) и многими другими местными факторами. В горах наблюдается климатическая  поясность, во многом аналогичная смене  зон от низких широт к высоким. Все это создает чрезвычайное разнообразие условий жизни на суше.

     Для большинства наземных организмов, особенно мелких, важен не столько климат района, сколько условия их непосредственного  местообитания. Очень часто местные  элементы среды (рельеф, экспозиция, растительность и т. п.) так изменяют в конкретном участке режим температуры, влажности, света, движения воздуха, что он значительно  отличается от климатических условий  местности. Такие локальные модификации  климата, складывающиеся в приземном  слое воздуха, называют микроклиматом.  В каждой зоне микроклиматы очень  разнообразны. Можно выделить микроклиматы сколь угодно малых участков. Например, особый режим создается в венчиках цветков, что используют обитающие там насекомые. Широко известны различия температуры, влажности воздуха и силы ветра на открытом пространстве и в лесу, в травостое и над оголенными участками почвы, на склонах северной и южной экспозиций и т. п. Особый устойчивый микроклимат возникает в норах, гнездах, дуплах, пещерах и других закрытых местах.

     Осадки. Помимо водообеспечения и создания запасов влаги, они могут играть и другую экологическую роль. Так, сильные ливневые дожди или град оказывают иногда механическое воздействие на растения или животных.

     Особенно  многообразна экологическая роль снегового  покрова. Суточные колебания температур проникают в толщу снега лишь до 25 см, глубже температура почти  не изменяется. При морозах в ‑20‑30 °C под слоем снега в 30–40 см температура лишь ненамного ниже нуля. Глубокий снежный покров защищает почки возобновления, предохраняет от вымерзания зеленые части растений; многие виды уходят под снег, не сбрасывая листвы, например ожика волосистая, вероника лекарственная, копытень и др.

     Мелкие  наземные зверьки ведут и зимой  активный образ жизни, прокладывая  под снегом и в его толще  целые галереи ходов. Для ряда видов, питающихся подснежной растительностью, характерно даже зимнее размножение, которое  отмечено, например, у леммингов, лесной и желтогорлой мыши, ряда полевок, водяной крысы и др. Тетеревиные  птицы – рябчики, тетерева, тундряные  куропатки – зарываются в снег на ночевку.