Закономерности действия абиотических факторов

       Вопрос  №19: Закономерности действия абиотических факторов. 

       Эколо́гия – это наука об отношениях живых организмов и их сообществ между собой и с окружающей средой. Любое условие среды обитания, оказывающее воздействие на организм, хотя бы на протяжении одной стадии развития называют экологическим фактором.  Среда включает в себя все тела и явления, с которыми организм находится в прямых или косвенных отношениях. Выделяют биотические, антропогенные и абиотические экологические факторы.

       Под биотическими  факторами понимают всё множество факторов среды, связанных с деятельностью живых организмов. К ним относятся фитогенные (растения), зоогенные (животные), микробиогенные (микроорганизмы) факторы.

       Под антропогенными  факторами - всё множество факторов, связанных с деятельностью человека. К ним относятся физические, химические, биологические, социальные факторы.

       Под абиотическими факторами - всё множество факторов, связанных с процессами в неживой природе. К ним относятся климатические (температурный режим, влажность, давление), эдафогенные (механический состав, воздухопроницаемость, плотность почвы), орографические (рельеф, высота над уровнем моря), химические (газовый состав воздуха, солевой состав воды, концентрация, кислотность), физические (шум, магнитные поля, теплопроводность, радиоактивность, космическое излучение).

       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?

       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. 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 (УФ) в умеренных дозах стимулируют  рост и размножение клеток, способствуют синтезу биологически активных веществ, витаминов, антибиотиков и тем самым  повышают устойчивость к болезням. УФ с длиной волн 300-320 нм способствует 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.

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

       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.

       По  отношению к свету все растения делят на экологические группы: световые (светолюбы – гелиофиты), теневые (тенелюбы – сциофиты, гелиофобы), теневыносливые (факультативные гелифиты).

       Свет  для животных, в т.ч. и для человека, имеет в первую очередь информационное значение. Он необходим им для ориентации в пространстве. Уже у простейших организмов имеются в клетках  чувствительные к свету органеллы. Пчелы своим танцем показывают собратьям  путь полета к источнику пищи. Установлено, что фигуры танца (восьмерки) совпадают  с определенным направлением по отношению  к Солнцу. Доказана врожденная навигационная  ориентация птиц, выработанная в процессе естественного отбора в течение  длительной эволюции.

       Жизнь на планете с момента возникновения  осуществлялась в условиях ритмически изменяющейся среды. Суточная и сезонная смена комплекса факторов требовала  приспособления к ней всего живого. В процессе эволюции выработалась четкая соизмеримость и согласованность  биологических ритмов различных  форм жизни с периодами циклических  изменений комплекса природных  условий.

       И на клеточном и на биосферном уровне выработаны ритмы процессов разной длительности, и все они имеют  адаптивный смысл. Он заключается в  том, что ритмичность проявления жизнедеятельности организмов четко  согласуется с периодами наиболее благоприятных для них условий  внешней среды.

       Свет  – главный и постоянный первично-периодический  фактор, влияющий на организмы и  экосистемы с момента их зарождения. В эволюции за большинством групп  живых организмов синхронность их функционирования закрепилась именно за изменением светового  режима.

       Температура в жизни организмов Главным источником тепла на Земле является солнечное излучение, поэтому свет и тепло выступают сопряжено. Тепло один из наиболее важных факторов, определяющих существование развитие и распространение организмов по Земному шару. При этом важно не только количество тепла, но и распределение его в течение суток, вегетационного сезона, года. Приход тепла к разным участкам планеты, естественно, неодинаков, с удалением от экватора не только снижается поступление его, но и увеличивается амплитуда сезонных и суточных колебаний.

       Температурные пределы, в которых может протекать  жизнь, составляет всего 300°, от -200°С до +100°С, но для большинства организмов и физиологических процессов  этот диапазон еще уже – от 39°  в море (-3,3 – +35,6°С) до 125° на суше (-70 – +55°С). Нормальное строение и работа белка осуществляются при 0-+50°С.

       Значение  температуры заключается в том, что она изменяет скорость протекания физико-химических реакций в клетках, а это отражается на росте, развитии, размножении, поведении и во многом определяет географическое распространение  растений и животных

       Согласно  правилу Вант-Гоффа скорость химических реакций возрастает в 2-3 раза каждый раз при повышении температуры  на 10°С, а по достижении оптимальной  – начинает снижаться. Верхний (верхний  биологический нуль) и нижний пределы  называются, соответственно, верхней  и нижней летальной температурой. При выходе изменений температуры  за пределы выносливости организмов происходит их массовая гибель, т.к. происходит свертывание белка и разрушение ферментов. Так, с переходом через 50-60°С, как правило, створаживается простокваша, сваривается белок  яйца, погибает камбий у растений.

       Отбор и расселение видов в зонах  с разной теплообеспеченностью шел  в течение многих тысячелетий  в направлении максимального  выживания, как в условиях минимальных  температур, так и в условиях максимальных. По отношению к температуре все  организмы делятся на криофилы (холодолюбивые) и термофилы (теплолюбивые).

        Влага в жизни организмов Вода – основа протоплазмы клеток, тканей, растительных и животных соков. Только при наличии воды в организме протекают процессы фотосинтеза, терморегуляции, обменных процессов. Наиболее высоко содержание воды в периоды активной жизнедеятельности  и в молодом возрасте.

       В процессе эволюции у растений и животных выработались многочисленные сложные  приспособления, позволяющие поддерживать водный баланс и обеспечивать экономное  расходование воды. Растения пустынь  и степей приспособились к острому  дефициту влаги, болотные и влажно-тропические  растения – к избытку, а лесным видам необходима высокая влажность  воздуха и умеренная влажность  почв. Как и в отношении остальных  факторов, эти приспособления-адаптации  группируются в анатомо-морфологические, физиологические и поведенческие.

       Источниками влаги для растений служат запасы ее в почве и атмосфере (осадки, туманы, конденсаты), для наземных животных – вода в водоемах, водяные пары в атмосфере и сочная пища. При  анализе влияния влаги на живые  организмы важно учитывать сезонное распределение и температурный  режим среды обитания. Разные комбинации содержания воды и температуры в  среде обитания создают множество  разных ситуаций, благоприятных и  наоборот. Соотношение температуры  и влажности характеризует климат конкретной территории и важно для  выбора популяцией вида стации обитания.

       Атмосфера. Воздух – источник кислорода для дыхания и углекислого газа для фотосинтеза. Он защищает биосферу от вредных космических излучений и способствует сохранению тепла на Земле. С атмосферой связаны биогеохимические циклы, включающие газообразные компоненты: С, О, N, H2O. Ветер играет важную роль в расселении видов, распространяя семена и споры, способствуя опылению растений.

       Рельеф (топографический, или орографический, фактор) – очень важный фактор среды, хотя и косвеннодействующий. Он влияет на перераспределение света, тепла и влаги. В зависимости от высоты над уровнем моря, экспозиции склонов, расположения их по отношению к морю происходит смена условий местообитания, влияя на размещение растительности и животного населения. С рельефом связана высотная зональнасть

       Горный  рельеф - один из ведущих природных  факторов. Степень его влияния  связана с географической ориентацией  горного массива, протяженностью гор, близостью или удаленностью от океана.

       Прочие  физические факторы среды: атмосферное  электричество, огонь, шум, магнитное  поле Земли, ионизирующие излучения.

       Из  перечисленных факторов все большее  значение приобретают огонь (лесные пожары), шум (транспортный, строительный, промышленный), радиоактивное излучение. Все они обусловлены увеличением  влияния атропогенного фактора.

       Влияние абиотических факторов на организмы В разных условиях среды биологические процессы протекают с различной скоростью. Например, рост многих растений зависит от концентрации различных веществ (воды, углекислого газа, азота, ионов водорода).

       Действие  температурного фактора на живые  организмы (рис.):

    На  примере температуры видно, что  этот фактор переносится организмом лишь в определенных пределах. Организм погибает, если температура среды  слишком низка или слишком  высока. В среде, где температура  близка к этим крайним значениям, живые обитатели встречаются  редко. Однако их число увеличивается  по мере того, как температура приближается к среднему значению, которое является наилучшим (оптимальным) для данного  вида. Экологические факторы бывают разной интенсивности (в недостатке, в норме, или в избытке). Температура среды, например, бывает высокой, средней или низкой. Интенсивность фактора, при действии которого организм испытывает наиболее благоприятные воздействие на жизнедеятельность, называют оптимумом. Отклонением от оптимума, как в сторону понижения, так и в сторону повышения интенсивности фактора вызывают угнетенное состояние организма (бывают верхние и нижние границы выносливости по каждому фактору). На организм одновременно действуют не один, а несколько факторов (их комплекс). Если какой-либо фактор выходит за пределы выносливости организма, то существование этого организма становится невозможным даже при других благоприятных условиях. Факторы, выходящие за пределы максимума или минимума выносливости, называются ограничивающими факторами.