Основные абиотические факторы и их влияние на организмы

Физиологические адаптации. Вырабатываемое живыми организмами  тепло как побочный продукт биохимических  реакций может служить источником повышения температуры их тела. Поэтому  многие организмы, используя физиологические  процессы, могут в определенных пределах менять температуру своего тела. Эту  способность называют терморегуляцией. 

Имеются организмы  с непостоянной температурой тела —  пойкилотермные (холоднокровные) и  организмы с постоянной температурой — гомойотермные (теплокровные). Пойкилотермия  свойственна всем микроорганизмам, растениям и беспозвоночным животным. Гомойотермия характерна только для представителей двух высших классов позвоночных — птиц и млекопитающих (в том числе человека). Частный случай гомойотермии — гетеротермия — характерен для животных, которые впадают в оцепенение или спячку при наступлении неблагоприятного периода года (сурки, суслики, ежи, летучие мыши и др.). В активном состоянии они способны поддерживать высокую температуру тел, а в неактивном — пониженную, что сопровождается замедлением обмена веществ. Отметим также, что в жаркое время года включаются физиологические механизмы, препятствующие перегреву. Так, у растений усиливается транспирация (испарение) воды с поверхности листьев. 

Эффективным механизмом регуляции теплообмена у животных является испарение воды посредством  потоотделения или через слизистые  оболочки полости рта и верхних  дыхательных путей. Так как теплота  парообразования воды велика (2300 кДж/кг), этим путем выводится из организма много избыточного тепла. Способность к потоотделению у разных видов весьма различна. Так, человек при сильной жаре может выделить до 12 л пота в день, отводя при этом тепла в 10 раз выше нормы. У некоторых животных испарение осуществляется только через слизистые оболочки рта. У собаки, для которой одышка — основной способ испарительной терморегуляции, частота дыхания при этом доходит до 400 вдохов в минуту. 

Эффективные температуры  развития пойкилотермных организмов. По окончании зимнего времени  и, соответственно, холодового угнетения  нормальный обмен веществ восстанавливается  для каждого вида при достижении лишь определенной температуры, которая  называется температурным порогом  развития. Развитие протекает тем  интенсивнее, чем больше температура  среды превышает пороговую. Следовательно, для осуществления генетической программы развития пойкилотермным организмам (например, культурным растениям) необходимо получить извне определенное количество тепла. Последнее измеряется суммой эффективных температур. Эффективная температура — разница между температурой среды и температурным порогом развития организмов. При этом для каждого вида она имеет верхние пределы, так как слишком высокие температуры уже не стимулируют, а тормозят развитие. 

Отметим, что и  порог развития, и сумма эффективных  температур для каждого вида свои. Прежде всего они, зависят от исторической приспособленности вида к условиям жизни. Так, семена клевера (умеренный климат) прорастают при температуре почвы от 0 до 1 °С, а для семян финиковой пальмы необходимо предварительное прогревание почвы до 30 °С. 

Сумму эффективных  температур S определяют по формуле 

S = (tc-tn)n, 

где tc — температура  окружающей среды, °С; 

tn — температура  порога развития, °С; 

n — число часов  или дней, при которых tc > tn. 

Сроки цветения растений зависят от того, за какой период они набирают сумму необходимых  температур. Так, для зацветания мать-и-мачехи под Санкт-Петербургом, например, S = 77, земляники — 500, а желтой акации — 700 °С. 

Расчеты эффективных  температур необходимы в практике сельского  и лесного хозяйства, при борьбе с вредителями, интродукции (внедрении) новых видов и т.п., поскольку  они дают основу для составления  прогнозов. 

Влажность. Протекание всех биохимических процессов в  клетках и нормальное функционирование организма в целом возможны только при достаточном обеспечении его водой. Она является одновременно и климатическим, и эдафическим (средообразующим) фактором, поскольку многим организмам, особенно растениям, вода требуется в определенном состоянии и в атмосфере, и в почве. В растениях вода присутствует в двух формах: свободной и связанной (в последнем случае ее водород химически связан в тканях растений). 

Об исключительно  важном биологическом значении воды свидетельствует тот факт, что  тела живых организмов в основном состоят из воды. В растениях ее от 40 до 90%. В стволах деревьев содержится 50—55%, их листьях — 79—82%, листьях  трав — 83—86%, плодах томатов и огурцов  — 94—95%, в водорослях — 96—98%. Растения погибают при потере около 50% воды. 

Организм новорожденного состоит из воды приблизительно на 75%. В теле взрослого человека ее содержание достигает 63%. При этом стекловидное тело глаза содержит 99% воды, кровь - 92, жировая ткань - 29, кости скелета - 22, зубная эмаль - 0,2% воды. Для человека необходимо постоянно поддерживать и обновлять запасы воды в своем  организме, потребляя в сутки  не менее 2—3 л воды. Обезвоживание  организма на 10% уже опасно, а на 25 — смертельно для человека. Таким  образом, удовлетворение потребностей в воде и борьба против ее возможных  потерь составляют для сухопутных обитателей важнейшие экологические задачи. Вся эволюция наземных организмов шла  под знаком приспособления к добыванию  и сохранению влаги. Вода для живых  организмов служит и «универсальным растворителем»: именно в растворенном виде транспортируются питательные  вещества, гормоны, выводятся вредные  продукты обмена и др. 

Два абиотических фактора  — температура и количество осадков (дождя или снега) — определяют размещение по земной поверхности основных наземных биомов — очень крупных  экосистем (степь, тайга, тундра, пустыня  и др.). Режим температуры и  осадков на некоторой территории в течение достаточно долгого  периода времени называют климатом. 

Известно, что климат в разных районах планеты неодинаков. Годовая сумма осадков меняется от практически 0 до 2500 мм и более. Среднегодовая  температура также варьирует  от отрицательных величин до почти 38°С. Разные режимы температуры и осадков сочетаются между собой различным образом. 

Отметим, что действие многих абиотических факторов, включая  рельеф, ветер, тип почв и т.д., проявляется  опосредованно — через температуру  и (или) влажность. Вследствие этого на небольшом участке земной поверхности климатические условия могут существенно отличаться от средних для данного региона в целом. Такие локальные (местные) условия называются микроклиматом. Он формируется, например, на опушке леса, склоне холма, берегу озера, в норе и т.п. 

Физические свойства воды — плотность, удельная теплоемкость, растворенные в ней соли и газы, водородный показатель рН, а также  ее движение являются для обитателей водной среды экологическими факторами  их приспособления и выживания. 

Классификация организмов по отношению к влажности (а следовательно, и распределение по различным местообитаниям) включает следующие группы: 1) организмы водные, или гидрофильные (гидрофиты) - живут постоянно в воде; 2) организмы гигрофильные (гигрофиты) — могут жить только в очень влажных местообитаниях с воздухом, насыщенным или близким к насыщению (нижние ярусь| серых лесов, заболоченные участки). К этой группе относятся и большинство взрослых особей амфибий (например, лягушки), кровососущие комары, дождевые черви и многие другие представители почвенной фауны; 3) организмы мезофильные (мезофиты), отличающиеся умеренной потребностью в воде или во влажности атмосферы и могущие переносить смену сухого и влажного сезонов. К ним относится большое количество животных умеренного пояса и большинство культурных растений; 4) виды ксерофильные (ксерофиты), живущие в сухих местообитаниях с недостатком воды как в воздухе, так и в почве (пустыни и прибрежные дюны). Среди животных эта группа представлена многочисленными насекомыми, они отличаются особенной адаптацией к сухости. Отдельный вид улиток может оставаться жизнеспособным более четырех лет, впадая в летнюю спячку, когда становится слишком сухо. 

Животные способны получать воду разными путями: через  кишечный тракт у видов, пьющих воду; путем использования воды, содержащейся в пище; посредством проникновения  воды через кожный покров у амфибий; наконец, используя метаболическую воду, образующуюся при окислении  жиров. Верблюды способны переносить потери воды до 27% массы тела, поскольку  при окислении 100 г жиров образуется до 110 г воды. 

Потери воды организмами  связаны с транспирацией и  испарением через кожный покров, с  дыханием, а также с выделением мочи и экскрементов. Хотя животные способны выдерживать кратковременные  потери воды, но в целом расход ее должен возмещаться приходом. Подчеркнем, что обезвоживание приводит к  гибели быстрее, нежели голодание. 

Атмосферный воздух. Представляя собой физическую смесь  газов различной природы, воздух имеет для всего живущего исключительное значение. Он является той материальной средой, с которой тесно связана  жизнедеятельность практически  всех организмов. С позиции экологии, воздух — это не только газовая  оболочка планеты, но и газовая компонента почвы, растворенные газы природных  вод и тканевых жидкостей организмов. Подобно другим экологическим факторам, воздух, воздействуя физически и  химически на земную кору, обусловливает  важнейшие геологические процессы, которые протекают на поверхности  планеты. 

Состав чистого  сухого воздуха практически одинаков во всех местностях земного шара: (в  объемных процентах): азот — 78,01; кислород — 20,95; аргон — 0,93; диоксид углерода — 0,032% об. Помимо аргона воздух содержит малые количества других благородных газов (неона, гелия, криптона, ксенона), а также водорода, озона, диоксида серы, оксида углерода (II), аммиака и др. В воздухе имеются также водяной пар (до 4%), количество которого определяется температурой эфирные масла и другие выделения растений. 

Обладая низкой плотностью, довольно высоким содержанием кислорода  и относительно малым количеством  водяных паров, воздух во многом определяет особенности передвижения и образа жизни сухопутных живых существ, а также их дыхания и водообмена. Напомним, что наземно-воздушная  среда обитания была освоена организмами  в ходе эволюции значительно позднее, нежели водная. 

Относительно низкая плотность воздуха и связанные  с ней малая подъемная сила и незначительная опорность потребовала  для обитателей наземно-воздушной  среды создания собственной опорной  системы, которая поддерживает тело. Для растений это разнообразные  механические ткани, для животных —  как правило, твердый скелет. Тем  не менее наземные организмы имеют предельные размеры и массу. Известно, что самые крупные сухопутные животные значительно меньше, нежели гиганты водной среды. 

Низкая плотность  воздуха обусловливает и сравнительно низкое давление на суше (на уровне моря оно равно 760 мм рт. ст.). Так как  с увеличением высоты давление уменьшается, а с ним и количество кислорода, низкое давление ограничивает распространение  видов живых организмов в горах: для большинства позвоночных  животных верхняя граница жизни  — около 6000 м. Примерно таковы же пределы  продвижения в горы высших растений. 

Поскольку малая  плотность воздуха обусловливает  и низкую сопротивляемость передвижению в нем, многие наземные животные (до 75% видов) в ходе эволюции приобрели  способность к полету. Летают наземные животные (преимущественно птицы  и насекомые) в основном с помощью  мускульных усилий, но некоторые могут  и планировать. 

Жизнь во взвешенном состоянии невозможна; и хотя многие животные, микроорганизмы, споры, семена и пыльца растений способны длительно  находиться в воздухе, основная функция  жизненного цикла организмов — размножение  — осуществляется только на поверхности  земли. 

Кроме физических средств  воздушной среды для существования  наземных организмов весьма важны многие ее компоненты. 

Кислород является жизненно необходимым для абсолютного  большинства живых организмов. Только анаэробные бактерии могут развиваться  в бескислородной среде. Благодаря  кислороду протекают экзотермические реакции, в результате которых высвобождается необходимая для жизнедеятельности организмов энергия. В химически связанном состоянии кислород входит в состав многих важных органических и минеральных соединений живых организмов. Первостепенна роль кислорода в процессах дыхания животных и растительных организмов: при содержании его в воздухе на уровне 14% многие млекопитающие гибнут. 

Важным экологическим  аспектом является повышение растворимости  кислорода в воде по мере уменьшения ее температуры. Фауна водных бассейнов  полярных и приполярных широт  весьма обильна и разнообразна, главным образом вследствие повышенного содержания кислорода в холодной воде. Напротив, в теплых водах тропических бассейнов пониженная концентрация растворенного кислорода ограничивает дыхание, затрудняет жизнедеятельность и соответственно снижает численность водных животных. 

Диоксид углерода СО2, является одной из важнейших и преобладающих форм первостепенного биогенного элемента углерода в природе. Обладая особыми физическими и химическими свойствами, он является циркулирующей формой неорганического углерода. Вследствие относительно небольшого количества этого газа в воздухе даже небольшие колебания в его содержании заметно отражаются на процессе фотосинтеза.