Организмы и факторы среды

     Большое значение в теплорегуляции животных имеют размеры тела. Несмотря на то, что температура тела животных в принципе не зависит от их размеров, относительная теплопродукция у  мелких животных выше. Это связано  с тем, что с уменьшением размеров возрастает отношение поверхности тела к его объему, или массе (правило поверхности). Потери тепла происходят через поверхность, и для того чтобы не снизилась температура тела, животное должно производить тепло со скоростью, равной скорости его потери.

     Для гомойотермных животных, также как  и для пойкилотермных, важное значение имеют поведенческие способы  регуляции теплообмена, которые  очень разнообразны - изменение позы, поиск укрытий, сооружение нор и  гнезд, миграции и др.

     Вода - необходимое условие жизни на Земле. Жизнь возникла в море и  биохимические и физиологические  процессы жизнедеятельности всех организмов в конечном счете протекают в  воде, содержащейся в их органах, тканях и клетках. У наземных животных содержание воды в организме составляет от 45 до 95%.

     Наземные  животные окружены воздухом, содержание воды в котором ниже, чем в их собственном теле; поэтому все  они обычно теряют воду путем испарения, а также при выведении с водой конечных продуктов метаболизма. Дефицит влаги - одна из существенных особенностей наземно-воздушной среды. Вся эволюция наземных организмов происходила в условиях приспособления к добыванию и сохранению влаги.

     Режимы  влажности воздуха на суше очень разнообразны - от полного и постоянного насыщения воздуха водяными парами в некоторых районах тропиков до практически полного их отсутствия в сухом воздухе пустынь. Велика также суточная и сезонная изменчивость содержания водяных паров в атмосфере. Водообеспечение наземных организмов зависит также от режима выпадения осадков, наличия водоемов, запасов почвенной влаги и т.п. Все это привело к развитию у наземных организмов множества различных адаптаций к различным режимам водообеспечения.

     Наземные растения отличаются от наземных животных в двух существенных отношениях. Во-первых, надземные части растений испытывают такие же потери воды, как и животные, зато их подземные части (корни) непосредственно соприкасаются со средой, из которой с большей или меньшей легкостью (в зависимости от содержания воды в почве) они могут сразу же получить воду. Во-вторых, вода для растений в равной мере является и условием, и ресурсом, поскольку в основе питания растений лежит реакция между водой и двуокисью углерода в процессе фотосинтеза.

     Наземные  растения поглощают воду из почвы  специализированными органами - корнями  или ризоидами (мхи). Когда в непосредственной близости от корней запасы воды в почве  истощаются, корни увеличивают активную поверхность путем роста, так что корневая система растений постоянно находится в движении.

     У высших растений есть дополнительные пути поступления воды. Мхи, как и  лишайники, могут поглощать воду всей поверхностью. Семена поглощают  воду из почвы. Многие эпифиты (растения, живущие на поверхности других растений) поглощают воду из воздуха, насыщенного водяными парами (листьями, воздушными корнями). Поступившая в растение вода, расходуется на жизненные процессы.

     По  отношению к воде (влажности) выделяют ряд экологических групп. Гидатофиты - водные растения, целиком или почти целиком погруженные в воду (элодея, водяные лютики, валлиснерия и др.). Гидрофиты - наземно-водные растения, частично погруженные в воду. Растут по берегам водоемов, на болотах (тростник, калужница, частуха и др.). Гигрофиты - наземные растения, живущие в условиях повышенной влажности воздуха, часто на влажных почвах (бодяк, недотрога, рис, росянка и др.). Мезофиты - растения, живущие в условиях среднего увлажнения (различные древесные виды, кустарники, травянистые\ растения). Ксерофиты - растения, произрастающие в местах с недостаточным увлажнением (растения пустынь, степей, кустарниковых зарослей).

     Среди основных адаптаций растений в отношении  к водному фактору можно выделить следующие: 1) уменьшение потери воды (толстая восковая кутикула, опушенные листья, листья превращены в колючки или иглы, погруженные устьица, сбрасывание листьев); 2) увеличение поглощения воды (длинные корни, обширная корневая система); 3) запасание воды; 4) переживание неблагоприятного периода (в виде семян, луковиц или клубней).

     Животные  получают воду тремя основными путями: через питье, вместе с сочной пищей  и в результате метаболизма (окисление  и расщепление жиров, белков и  углеводов). Некоторые животные (главным  образом почвенные) могут впитывать воду через покровы (личинки насекомых). Удаление (потери) воды происходят путем испарения также через покровы или со слизистых оболочек дыхательных путей, а также путем выведения с продуктами метаболизма. Величина испарения воды зависит от влажности воздуха.

     Многие  животные могут совершенно обходиться без питьевой воды, получая влагу  другими способами. К этой группе относятся, например, многие пустынные  животные: антилопы, суслики, тушканчики, черепахи, различные насекомые - воду им заменяют зеленые растения.

     Выделяют  несколько экологических групп  животных по отношению к влаге - гигрофилы, ксерофилы и мезофилы.

Гигрофилы - влаголюбивые виды (многие лесные, околоводные); ксерофилы - сухолюбивые виды (открытых пространств, главным образом пустынные); мезофилы - виды, занимающие промежуточное положение по отношению к влажности между гигро- и ксерофилами.

     Регулирование водного баланса осуществляется поведенческими, морфологическими и  физиологическими адаптациями.

     К числу поведенческих приспособлений относятся: поиски водопоев, рытье нор и зарывание в грунт (почва, песок), выбор благоприятных местообитаний. К морфологическим адаптациям относятся особенности строения наружных покровов: ороговевшие покровы рептилий, раковины наземных моллюсков, эпикутикула у насекомых. Степень развития эпикутикулы зависит от режима влажности местообитаний насекомых и определяет их способность противостоять иссушению. Личинки, живущие в воде, почве, древесине и других влажных субстратах, как правило, полностью или частично лишены эпикутикулы. Возникновение ороговевшего эпидермиса у рептилий способствовало завоеванию ими суши. К физиологическим адаптациям относятся - образование метаболической воды, экономия воды при выделении продуктов метаболизма, выносливость к обезвоживанию, потоотделение и удаление воды со слизистых оболочек.

     В условиях недостатка влаги большое  значение у животных имеет использование  метаболической воды, образующейся в  результате окисления жиров и  некоторых других веществ. При полном "сгорании" 1 г жира образуется 1,07 г воды. Жир откладывается у животных в специально предназначенных местах: у верблюда - в горбах; у тушканчиков, песчанок, мышиных лемуров - в основании хвоста; у варана в хвосте. Запасы жира иногда значительны (у верблюда - до 110-120 кг). Верблюд может прожить без воды 45 дней.

     Экономия  воды при выведении продуктов  метаболизма достигается за счет всасывания как можно большего количества воды в пищеварительной и выделительной  системах (в зависимости от условий  среды). Испарение воды (потоотделение  через потовые железы или через слизистую), связанное с терморегуляцией, также обеспечивает регулирование водного обмена, но может быть причиной истощения водных ресурсов организма. Выносливость к обезвоживанию, как правило, выше у животных, подвергающихся тепловым перегрузкам. Для человека потеря воды, превышающая 10% массы тела, смертельна. Верблюды переносят потери воды до 27, овцы - до 23, собаки - до 17%.

     Амосферный  воздух имеет важнейшее значение для живых организмов, в первую очередь, как источник кислорода для дыхания и углекислого газа для фотосинтеза. Озоновый слой атмосферы защищает живые организмы от вредного космического излучения.

     Для существования наземных организмов особую важность имеют физические (плотность) и химические (газовый состав) особенности воздушной среды.

      Газовый состав воздуха в приземном  слое довольно однороден (азот - 78,1%, кислород - 21,0%, аргон - 0,9%, углекислый газ - 0,03% по объему).

     Потребность в кислороде считается фундаментальным свойством всего живого. Он поглощается через дыхательные поверхности (жабры, легкие, трахеи, поверхность тела) и в организме используется для окисления органических субстратов с выделением энергии, необходимой для обеспечения процессов метаболизма и терморегуляции. Однако жизнь зародилась в безкислородной среде и некоторые организмы и сейчас функционируют по анаэробному типу. Эволюция автотрофов способствовала повышению содержания кислорода в атмосфере и стимулировало развитие более эффективной (с точки зрения скорости метаболизма) аэробной жизни. Образовавшийся озоновый экран обеспечил выход организмов на сушу.

     В ряде случаев возникает недостаток свободного кислорода или даже его  отсутствие (апоксия). Дефицит кислорода (гипоксия - низкая доступность кислорода) характерен для сильно загрязненных водоемов, скоплений разлагающихся растительных остатков и др. Некоторые животные реагируют на это перестройкой вентиляции и кровообращения.

     Обитатели водной среды используют для дыхания кислород, поступающий в воду путем диффузии из атмосферного воздуха и за счет фотосинтетической деятельности водорослей. В насыщенной кислородом воде содержание кислорода примерно в 21 раз ниже, чем в воздухе. Растворимость кислорода в воде - 34,1 мл на 1 мл воды (при 15^oС и давлении 1 атм). Растворимость кислорода в воде повышается при понижении темпера-туры и солености, и повышении давления.

     Высокое содержание углекислого газа является условием нормального протекания фотосинтеза. В природе основным источником углекислого газа является почвенное дыхание, связанное с интенсивным дыханием почвенных микроорганизмов и животных. В современных условиях дополнительным источником углекислого газа является хозяйственная деятельность человека.

     Азот  для большинства наземных организмов представляет инертный газ, но некоторые прокариоты - азотфиксирующие бактерии и сине-зеленые водоросли используют азот для синтеза аммиака и затем аминокислот, а денитрифицирующие бактерии возвращают азот из нитратов почвы в атмосферу.

     Низкая  плотность воздуха определяет его  малую подъемную силу и незначительную опорность, поэтому обитатели наземно-воздушной  среды обладают собственной опорной  системой, поддерживающей тело: растения - механическими тканями, животные - твердым или гидростатическим скелетом. В качестве опоры служит и поверхность земли.

     Малая плотность воздуха определяет низкую сопротивляемость перемещению, что  способствовало развитию полета в некоторых  группах животных. К активному  полету способны 75% видов всех наземных животных.

     Свойства  грунта и рельеф местности влияют на условия жизни наземных организмов, в первую очередь растений. Свойства земной поверхности, оказывающие воздействие  на ее обитателей, объединяют названием эдафические факторы среды (от греч. эдафос - основание, почва). Среди свойств почвы, влияющих на существование наземных организмов, важнейшее значение имеют: кислотность, структура, соленость, количество зольных элементов.

     Рельеф  местности, или топография, влияет на горизонтальное и вертикальное распределение  живых организмов. Важнейшим топографическим  фактором является высота с изменением которой меняются физические условия  обитания организмов (температура, давление, концентрация газов и др.).

     Живые организмы находятся в значительной зависимости от погоды. Погода - состояние  атмосферы в определенном месте  в определенный момент или в ограниченный промежуток времени (сутки, месяц). Характеризуется метеорологическими элементами и их изменением. К метеорологическим элементам относятся: температура, давление, влажность воздуха, ветер, облачность и осадки, продолжительность солнечного сияния и т.д. Погодные условия оказывают влияние на суточную активность животных, фотосинтетическую активность растений, размножение, рост и др.

     Многолетний режим погоды называется климатом. Климат определяется географическими  условиями района. Разнообразие климатических условий создает необычайное разнообразие условий жизни на суше.