Основные абиотические факторы и их влияние на организмы

Основные абиотические факторы и их влияние на организмы 

Существует ряд  экологических факторов абиотической природы, влияние которых на живые  организмы почти везде практически  одинаково. К ним, например, относится  сила тяготения (гравитация), являющаяся константой среды жизни, одним из важнейших ее условий. Она определяет форму тел организмов, особенно многоклеточных. Диоксид углерода в атмосфере  и гидросфере определяет явление  фотосинтеза В основу всей жизни. Однако в связи с тем, что действие их не создает локальных различий в условиях жизни, оно во многих работах, которые направлены на практические цели, не рассматриваются. В каждой среде обитания на организмы действует своя совокупность абиотических факторов. Некоторые из них играют важную роль во всех трех основных средах (в воде, почве и на суше) или в двух. Рассмотрим важнейшие из них, мысленно обособив от остальных. 

Солнечный свет»  Условия жизни организмов определяются общим потоком излучения в  окружающей их среде. Организмы, которые  живут на поверхности планеты  или вблизи нее, воспринимают поток  энергии, состоящий из солнечного излучения  и длинноволнового теплового  излучения от соседних тел. Именно эти  два фактора обусловливают климатические  условия среды — температуру, скорость испарения воды, движения воздуха и воды. 

Характеристика солнечной  радиации. Солнечная радиация, поступающая  на поверхность Земли, составляет около 99,8% в общем балансе энергии  планеты. Она поддерживает тепловой баланс Земли, обеспечивает водный обмен  организмов, создание и превращение  органического вещества автотрофным  звеном биосферы. Все это в конечном итоге делает возможным формирование среды, которая способна удовлетворить  жизненные потребности организмов. 

Излучение Солнца, приходящее к верхней границе биосферы, равно. 8,3 Дж/см2 в 1 мин. Эта величина носит название солнечной постоянной. Примерно 19% солнечной энергии поглощается при прохождении через атмосферу (облаками, аэрозолями, диоксидом углерода, водяными парами, озоном и кислородом), 34% отражается обратно в космическое пространство. Следовательно, лишь 47% ее достигает земной поверхности в виде прямой и рассеянной радиации. Прямая солнечная радиация (24%) — это совокупность электромагнитного излучения с длинами волн от 0,1 до 30000 нм. Рассеянная радиация (23%) представляет собой отраженные лучи, т.е. это рассеянная небосводом диффузная радиация. 

Совокупность прямой и рассеянной компонент солнечной  радиации называют суммарной радиацией, ее численное значение в средних  широтах может достигать 4,6 кДж/см2 в сутки (около 3,2 Дж/см2 в 1 мин). Суммарная радиация создает для ее обитателей так называемый световой режим. 

Излучение, которое  достигает почвы или растительного  покрова, подразделяется на коротковолновое (300—4000 нм) и длинноволновое (более 4000 нм). Ультрафиолетовые лучи короче 290 нм, губительные для живых организмов, поглощаются озоновым слоем и до поверхности планеты практически не доходят. 

Наибольшее значение для жизнедеятельности организмов имеет коротковолновая радиация; она в свою очередь условно  разделяется на ультрафиолетовую (менее 400 нм), видимую (400—760 нм) и близкую  инфракрасную (760—4000 нм) радиацию. 

Длинноволновые УФ-лучи, которые обладают большой энергией фотонов, характеризуются высокой химической активностью. В больших дозах они вредны для организмов, в малых необходимы многим из них. УФ-лучи в диапазоне 250—300 нм оказывают мощное бактерицидное действие, а при длине волны 200—400 нм вызывают у человека загар, который является защитной реакцией кожи. 

В пределах видимого участка спектра выделяют фотосинтетически активную радиацию (длина волн 380—710 нм), ее энергия поглощается пигментами листа и имеет решающее значение в жизни растений. обеспечивая фотосинтез. 

Важными с экологической  точки зрения характеристиками света  являются продолжительность воздействия (длина дня), интенсивность (в энергетических величинах), спектральный состав лучистого  потока. 

Адаптационные ритмы  жизни. Из-за осевого вращения Земли  и движения вокруг Солнца развитие жизни на планете происходило  в условиях регулярной смены дня  и ночи, а также чередования  времен года. Подобная ритмичность  создает в свою очередь периодичность, т.е. повторяемость условий, в жизни  большинства видов. При этом вполне закономерно изменяется и действие большого числа экологических факторов: освещенности, температуры, влажности, давления атмосферного воздуха, всех компонентов  погоды. Проявляется регулярность в  повторении как критических для  выживания периодов, так и благоприятных. 

К указанным ритмам организмы приспособлены таким  образом, что их физиологическое  состояние и поведение изменяются в полном соответствии с циклическими изменениями внешней среды. Для  жизнедеятельности разных видов  организмов выделяют суточные, годовые  и приливо-отливные ритмы. 

Суточные ритмы  приспосабливают организмы к  смене дня и ночи. При этом суточный ритм может влиять на многие процессы в организме. Так, у человека около  ста физиологических характеристик подчиняются суточному циклу: кровяное давление, температура тела, частота сокращения сердца, ритм дыхания, выделение гормонов и многие другие. Отметим, что постоянные нарушения суточной ритмики организма человека в условиях ночного бодрствования, космических полетов, подводного плавания и т.п. представляют собой опасность для здоровья. 

Годовые ритмы приспосабливают  организмы к сезонной смене условий. Благодаря этому, например, самые  уязвимые для многих видов процессы размножения и выращивания молодняка  приходятся на наиболее благоприятный  сезон. 

Имеющие место кратковременные  изменения погоды (зимние оттепели, летние заморозки) не нарушают, как  правило, годовых ритмов растений и  животных. Поэтому следует подчеркнуть, что основным экологическим периодом, на который реагируют организмы  в своих годовых циклах, является не случайное изменение погоды, а  фотопериод, т.е. изменение в соотношении  дня и ночи. 

Общеизвестно, что  длина светового дня закономерно  изменяется      в течение  года, и именно это служит весьма точным сигналом приближения весны, лета, осени и зимы. Способность  организмов реагировать на изменение  длины дня называется фотопериодизмом. 

В процессе эволюции выработались характерные временные  циклы с определенной последовательностью  и длительностью периодов размножения, роста, подготовки к зиме, т.е. биологические  ритмы жизнедеятельности организмов в определенных условиях среды. Чередование  света и темноты растения воспринимают листьями. Под влиянием продолжительности  дня в растениях образуются гормоны, которые влияют на цветение, образование  клубней, корнеплодов. Животным также  свойственен фотопериодизм. Так, наступление  и прекращение брачного периода, плодовитость, линька, наступление  зимней спячки, миграция происходят под  влиянием этого явления. 

Приливо-отливные ритмы. Виды организмов, обитающие в прибрежной или донной части мелководья (на литорали), в которую свет проникает  до дна, находятся в условиях очень  сложной периодичности внешней  среды. На 24-часовой цикл колебания  освещенности и других факторов накладывается  еще чередование приливов и отливов. В течение лунных суток (24 ч 50 мин) наблюдаются 2 прилива и 2 отлива. Дважды в месяц (новолуние и полнолуние) сила приливов достигает максимальной величины. 

Этой сложной ритмике  подчинена жизнь организмов, обитающих  в прибрежной зоне. Так, самки рыбы атерина в самый высокий прилив откладывают икру у кромки воды, закатывая ее в песок. При отливе икра остается созревать в нем. Выход  мальков происходит через полмесяца, он совпадает со временем следующего высокого прилива. 

Интенсивность света  влияет на первичное продуцирование органического вещества фотоавтотрофами. При этом фотосинтетическая деятельность как у наземных, так и у водных фотоавтотрофов связана с интенсивностью света линейной зависимостью вплоть до оптимального уровня светового насыщения. 

Ультрафиолетовые  лучи имеют самую высокую энергию  квантов и соответственно наибольшую фотохимическую активность. У растений и животных УФ-лучи способствуют синтезу некоторых биологически активных соединений, например витаминов. 

Видимый свет для  фототрофных и гетеротрофных  организмов имеет разное экологическое  значение. У зеленых растений сформировался  светопоглотительный пигментный комплекс, способствующий осуществлению процесса фотосинтеза, возникновению яркой  окраски цветков, которая привлекает опылителей. Свет влияет на деление  и растяжение клеток, ростовые процессы и на развитие растений, определяет сроки цветения и плодоношения. Для  животных чрезвычайно важна роль видимого света, его спектральных участков и плоскости поляризации в  целях пространственной ориентации, в регуляции многих физиолого-биохимических  процессов. 

Инфракрасные, или  тепловые, лучи несут основное количество (до 45%) тепловой энергии. При этом наиболее легко поглощается тепло водой, количество которой в организмах, как известно, весьма значительно. В  свою очередь это приводит к нагреванию всего организма, что имеет особенно важное значение для холоднокровных животных (например, рептилий). В отношении растений важнейшая функция ИК-лучей состоит в осуществлении транспирации, с помощью которой из листьев водяными парами отводится излишек тепла, а также создаются условия для проникновения диоксида углерода через устьица листьев в процессе фотосинтеза. 

Элементы светового  режима весьма переменчивы; они зависят  от географического положения, высоты над уровнем моря, от рельефа, состояния  атмосферы, характера земной поверхности, состояния и структуры растительности, от времени суток, сезона года, солнечной  активности и глобальных изменений, которые могут происходить в  атмосфере. 

Температура. Из всего  комплекса факторов температура  занимает по своей значимости второе место после света почти во всех средах обитания. Экологическое  значение тепла состоит прежде всего в том, что температура окружающей среды определяет температуру организмов, она также оказывает непосредственное влияние на скорость и характер протекания всех химических реакций, определяющих обмен веществ. Ко многим из них может быть применим закон Вант-Гоффа, согласно которому при повышении температуры на 10°С они ускоряются в 2—3 раза. 

Температурными границами  существования жизни на Земле  являются такие, когда еще сохраняются  свойства, нормальное строение и функционирование прежде всего молекул ферментных белков. В среднем, это интервал температур от около 0 до 50°С. Температура влияет на количество потребляемой пищи, а также на плодовитость, она определяет предпочтительность местообитания, длительность развития и число поколений в году. 

Температурные условия  среды теснейшим образом связаны  с действием солнечного света, но определяются не только им. Существенное влияние на температурный режим  местности оказывают свето- поглотительная способность почвы, ее теплопроводность, теплоемкость, ночное выхолаживание, влагоемкость, а также облачность, ближние теплые или холодные морские течения. Из-за аккумуляции тепла почвой и водоемами весной и летом и постепенной отдачи его с наступлением осени и зимы значительно сглаживаются сезонные перепады температур в средних и высоких широтах, у морских берегов, в результате чего огромные массы воды являются резервуаром летнего тепла. Выравнивание температурных контрастов происходит также на протяжении суток, при смене дня и ночи. 

Любой организм способен существовать лишь в определенном диапазоне  температуры, ограниченном нижней и  верхней летальной (смертельной) температурой. Оптимальной будет Та температура, которая наиболее благоприятна для жизнедеятельности и роста. Для каждого вида можно определить также температуры оцепенения от жары и от холода. Большинство организмов, встречающихся в районах с континентальным климатом, относится к эвритермным. 

Адаптации организмов к температуре. Живые организмы  в ходе длительной эволюции выработали разнообразные приспособления, которые  позволяют регулировать обмен веществ при изменениях температуры окружающей среды. Это достигается: 1) различными биохимическими и физиологическими перестройками в организме, к которым относятся изменение концентрации и активности ферментов, обезвоживание, понижение точки замерзания растворов тела и т.д.; 2) поддержанием температуры тела на более стабильном температурном уровне, чем температура среды обитания, что позволяет сохранить сложившийся для данного вида ход биохимических реакций. 

Рассмотрим некоторые  виды адаптаций организмов. 

Биохимические адаптации  к температуре. Многие растения и  животные при постепенной подготовке успешно переносят в состоянии  глубокого покоя или анабиоза предельно низкие температуры: некоторые  насекомые переносят понижение  температуры до — 45 °С, лиственница в районе Верхоянска выдерживает от —50 до —70 °С. Эта холодостойкость обусловлена способностью клеток накапливать вещества с криопротекторными (холодозащитными) свойствами: глицерин, сахароза и др. Такие изменения пределов выносливости под влиянием предшествующих условий называют акклимацией. 

Морфологические адаптации. Температура среды оказывает  влияние на форму и строение растительных и животных организмов, т.е. их морфологию. Согласно правилу Бергмана, если два  близких вида теплокровных животных отличаются размерами, то более крупный  обитает в более холодном, а  мелкий — в теплом климате. Это  обусловлено тем, что с увеличением  размера тел животных при продвижении  на север уменьшается относительная  поверхность тела, а значит, и  теплоотдача. Отметим также, что  у теплокровных животных выступающие  части тела (например, уши у зайца, лисы) в холодном климате короче, чем в теплом, поэтому в первом случае они отдают в окружающую среду  меньше тепла (правило Д. Аллена).