Температурный режим

Воздух

Вода

Протекание всех биохимических процессов в клетках и нормальное функционирование организма в целом возможно только при достаточном обеспечении его водой.

Дефицит влаги - одна из наиболее существенных особенностей наземно-воздушной среды. Вся эволюция наземных организмов шла под знаком приспособления к добыванию и сохранению влаги. Режимы влажности среды на суше очень разнообразны - от полного и постоянного насыщения воздуха водяными парами в тропиках до практического отсутствия в воздухе пустынь.

Водообеспечение наземных организмов зависит также от режима выпадения осадков, наличия водоемов, запросов почвенной влаги, грунтовых вод и т. д. В среднем 0,5% воды идет на фотосинтез, а остальная - на восполнение испарения и поддерживание внутреннего давления клеток.

Растения, содержание воды в тканях которых непостоянно и зависит от степени увлажнения окружающей среды, называются пойкилогидрическими. Они легко и быстро как теряют, так и поглощают воду, используя влагу росы, туманов, дождей, а в сухом состоянии находятся в анабиозе, что позволяет им обитать там, где короткие периоды увлажнения чередуются с длительными периодами сухости.

Гомойогидрические растения способны поддерживать относительное постоянство обводненности тканей. Для них характерно наличие в клетках крупной центральной вакуоли с запасом воды, что делает клетку менее зависимой от изменения внешних условий. Кроме того, побеги этих растений защищены малопроницаемой для влаги поверхностной тканью, а наличие устьиц позволяет регулировать процессы испарения. Хорошо развитая корневая система может непрерывно поглощать влагу из почвы. Однако все эти механизмы регуляции водного баланса развиты в различной степени, что определило существование разных по экологии групп растений, и обеспечило заселение ими самых дефицитных и самых богатых водой участков суши.

Водообеспечение наземных животных.

Животные получают воду через питье, вместе с сочной пищей и в результате метаболизма (окисления и расщепления жиров, белков и углеводов). Потери воды происходят через покровы и слизистые оболочки дыхательных путей, выведение мочи и не переваренных остатков пищи. Хотя животные могут выдерживать кратковременные потери воды, но в целом расход ее должен возмещаться. Потеря воды, превышающая 10% массы тела, для человека гибельна.

Способы регуляции водного баланса у животных разделяют на поведенческие, морфологические и физиологические. К поведенческому относят: активный поиск воды и мест обитания, рытье нор (в норах влажность воздуха близка к 100% даже когда на поверхности очень сухо).

Морфологические: образования, способствующие задержанию воды в теле (раковины улиток, роговые покровы рептилий и т. п.).

Физиологические: способность к образованию метаболической влаги, экономия воды при выделении мочи и кала, величина потоотделения, отдача воды со слизистых.

В целом запасы воды на Земле значительны: до 80% поверхности планеты занято водой, однако пресная вода составляет от этих запасов только 3%. При этом пресные водоемы распределены очень неравномерно. Например: 80% пресной воды на территории России сосредоточены в одном - единственном водоеме - озере Байкал. Последние годы возник острый дефицит пресной воды, связанный прежде всего с увеличением ее расходов в сельском хозяйстве (орошение) и в промышленности. Происходящее при этом загрязнение водоемов усугубляет дефицит. Все водоемы постоянно загрязняются естественным путем продуктами выделений и мертвыми остатками организмов, смывами с поверхности почвы. Однако это естественное природное загрязнение нейтрализуется процессами самоочищения водоемов, включающих растворение и разбавление, осаждение нерастворимых компонентов, поэтапную утилизацию основной массы органических и минеральных веществ всем комплексом населяющих водоем организмов.

Антропогенное загрязнение воды превышает естественные возможности водоемов к самоочищению.

Обычно все виды антропогенного загрязнения подразделяют на три типа: биологический, химический, физический.

Биологическое загрязнение. Основным источником являются бытовые сточные воды и стоки животноводства. При отсутствии или неисправности канализационных и очистных систем эти стоки привносят в водоемы массу мертвых органических веществ и живых организмов, в первую очередь микроорганизмов, в том числе и патогенных для человека и животных. Увеличение концентрации органических веществ создает в водоеме более комфортные условия для одних групп организмов и неблагоприятные для других. Это приводит к изменению видовой структуры биоценоза, нарушению равновесия в экосистеме и может привести к полной смене биоценоза.

Наличие в водоеме патогенных микробов создает условия для широкого распространения инфекционных заболеваний человека и животных при гигиеническом и пищевом использовании водоема и населяющих его организмов.

Химическое загрязнение. Основными источниками химического загрязнения являются растениеводство, промышленность, транспорт. Ядохимикаты и минеральные удобрения, различные токсические соединения, в том числе соли тяжелых металлов, поверхностно-активные вещества (ПАВ), в том числе синтетические моющие средства, нефть и нефтепродукты вызывают гибель значительной части организмов, нарушая структуру биоценоза, сбалансированность круговорота веществ в экосистеме, процессы самоочищения. Нефть и нефтепродукты, образуя на поверхности воды тонкую пленку (поверхностный слик), препятствуют нормальному газо- и водообмену, чем усугубляют токсическое воздействие. Различные химические вещества накапливаются в тканях организмов, включаются в круговорот веществ экосистем и проявляют свои токсические, мутагенные и другие свойства далеко от места первичного загрязнения, а также в продуктах питания.

Физическое загрязнение. Основными источниками этого вида загрязнения являются горнодобывающая и строительная промышленность. Сброшенные в водоем пустая порода и строительный мусор приводят к его обмелению и изменению характера донных отложений, а вследствие этого к изменению температурного и светового режимов, что неизбежно приводит к изменению биоценоза и нарушению равновесия экосистемы. Все вместе это может привести к зарастанию, заболачиванию и самоликвидации водоема.

Низкая плотность воздуха определяет его малую подъемную силу и незначительную опорность. Жизнь во взвешенном состоянии в воздухе невозможна. В то же время невозможна наземная жизнь без воздуха. Поэтому мы говорим о наземно-воздушной среде обитания. Все обитатели этой среды тесно связаны с поверхностью земли, которая служит им для прикрепления и опоры. Так как малая плотность воздуха создает низкое сопротивление передвижению, многие наземные животные приобрели способность к полету.

Благодаря вертикальным и горизонтальным передвижениям воздушных масс возможен пассивный полет ряда организмов, поэтому многие виды приспособились к анемохории - расселению с помощью воздушных потоков.

Растительный и животный мир нашей планеты эволюционировал при барометрическом давлении 740-760 мм рт. ст. (на уровне моря) и большинство современных видов приспособлено к данному атмосферному давлению. С высотой давление уменьшается, и на высоте 5800 м равно половине нормального, что ограничивает распространение видов в горах. В целом, все наземные организмы стенобатны, т. к. обычные колебания давления составляют долю атмосферы и даже для высоко полетных птиц не превышают нормального.

Газовый состав воздуха в приземной атмосфере по содержанию основных компонентов однороден (азот - 78,1%, кислород - 21%, аргон - 0,9%, углекислый газ - 0,03% - 0,04% по объему) благодаря постоянному перемешиванию конвекционными и ветровыми потоками.

Азот для большинства обитателей среды является инертным газом, но ряд микроорганизмов способен связывать его и вовлекать в биологический круговорот.

Кислород необходим для окислительных процессов в организмах. Благодаря постоянному высокому содержанию не является фактором, лимитирующим жизнь в наземной среде за исключением высокогорных районов.

Углекислый газ имеет чрезвычайно большое значение в связи с потреблением растениями в процессе фотосинтеза. Его содержание может изменяться в отдельных участках приземного воздуха в значительных пределах. Низкое содержание СО2 тормозит фотосинтез, излишнее - токсично.

Различные газообразные, капельно-жидкие и пылевидные примеси, поступающие в воздух, могут существенно влиять на живые организмы. Основным источником этого загрязнения атмосферы является производственная деятельность человека.

Антропогенные изменения атмосферы

Производственная деятельность человека приводит к изменениям в постоянном газовом составе атмосферы.

Увеличение концентрации СО2 в атмосфере происходит вследствие широкомасштабного сжигания топлива. К 2006 году его концентрация достигла 0,04%. Поскольку отраженные от поверхности Земли солнечные лучи задерживаются молекулами углекислого газа, то указанное увеличение концентрации привело к развитию так называемого "парникового эффекта" и повышению среднегодовой температуры на 0.8 градуса. Такое общее потепление на планете неизбежно приведет к таянию ледников и связанным с ним увеличением доли воды на поверхности планеты, длительному периоду погодной нестабильности.

О2 Годовой расход кислорода на Земле в 1000 раз превышает его образование зелеными растениями. И хотя изменений концентрации кислорода в атмосфере пока не наблюдается, экологи считают, что дальнейшее уменьшение площадей лесных массивов (особенно в экваториальном поясе) в сочетании с увеличением потребления неизбежно приведет к снижению доли кислорода в атмосфере.

О3. Начиная с 80-х годов прошлого века, в районе над Антарктидой зафиксированы разрушения озонового слоя, максимум которых достигал 10000 км². Точные причины этого явления неизвестны. Однако тот факт, что почти за столетие исследовательских работ в Антарктике подобные нарушения озонового слоя зафиксированы только в наши дни, позволяет предположить его антропогенные истоки.

АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОЗДУХА подразделяется на газообразное и физическое. Для контроля и характеристики загрязненности среды введен показатель предельно допустимых концентраций (ПДК) - максимального количества миллиграмм вещества в 1 кубическом метре воздуха.

ГАЗООБРАЗНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОЗДУХА происходит в результате выбросов в атмосферу промышленными предприятиями и транспортом различных газов. Наиболее распространенными из них являются:

- Сернистый газ (SО₂). Источники загрязнения: химическая и металлургическая промышленность, теплоэлектростанции, котельные, автотранспорт. Количество в дыме зависит от содержания серы в топливе. ПДК разовая - 0,5мг/м, среднесуточная - 0,15мг/м.³

- Окись углерода СО. Газ без цвета и запаха. Образуется при неполном сгорании топлива, присутствует во всех дымовых выбросах и выхлопных газах. Основные источники: домны, коксовые и газогенераторные производства, автотранспорт (в больших городах концентрация окиси углерода может достигать среднего значения 10мг/м3). ПДК разовая - 6мг/м³, суточная - 1мг/м³. Вступает в реакцию с гемоглобином, препятствуя его реакции с кислородом и вызывая удушье, действует на ЦНС, возможно хроническое отравление.

- Окислы азота (NO, N₂O₅, NO₂) - смесь непостоянного газового состава. Источники загрязнения: выбросы промышленных предприятий по производству азотных соединений, крупномасштабные взрывные работы. ПДК суточная 0,1 мг/м³, разовая - 0,3 мг/м³. При длительном вдыхании вызывает бронхиты, истощение, анемию, нарушение желудочной секреции, разрушение зубов, ухудшение состояния больных туберкулезом и лиц с сердечно-сосудистыми заболеваниями. В атмосфере, соединяясь с водяными парами, окислы азота превращаются в азотную и азотистую кислоту.

ФИЗИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОЗДУХА. Содержание в воздухе некоторого количества пыли (наземной, космической, морской) - явление естественное и не представляющее опасности для живых организмов благодаря процессам самоочищения воздуха, с одной стороны, и сформировавшимися в процессе эволюции системам защиты внутренней среды организмов от проникновения пыли - с другой.

Опасность представляют пылевые частицы, выбрасываемые промышленными предприятиями и транспортными средствами, способные благодаря своим размерам и низкой массе преодолевать барьерные системы организмов и длительное время находиться во взвешенном состоянии. Пылевое загрязнение воздуха не только накладывает отпечаток на внешний вид местности, но и изменяет микроклиматические условия, способствует развитию парникового эффекта. Многие химические соединения (свинца, марганца, мышьяка, фтора, ртути, углеводороды и др.), присутствующие в дымовых выбросах, могут вызывать хронические отравления. Но и нетоксические компоненты пыли могут вызывать поражение органов дыхания, кожи и глаз.

Температура отражает среднюю кинетическую скорость атомов и молекул в какой-либо системе. От температуры окружающей среды зависит температура организмов и, следовательно, скорость всех химических реакций, составляющих обмен веществ. Поэтому границы существования жизни - это температуры, при которых возможно нормальное строение и функционирование белков, в среднем от 0 до 50°С. Однако целый ряд организмов обладает специализированными ферментными системами и приспособлен к активному существованию при температуре тела, выходящей за указанные пределы.

Колебания температуры на земном шаре достаточно велики. В пустынях Африки и Австралии температура нередко превышает 50-60°С. Самая низкая температура на Земле достигает - 70-80°С. Эти крайне низкие и крайне высокие температуры неприемлемы для жизни подавляющего большинства организмов.

Температура является важнейшим фактором, в зависимости от которого происходит в процессе эволюции отбор организмов, приспособление их к различным температурным условиям. В ходе эволюции выработались механизмы, позволяющие регулировать обмен веществ при изменениях температуры окружающей среды. Источником теплообразования в клетках являются в основном два химических процесса: окислительные реакции и расщепление АТФ. Часть энергии, высвобождающейся при этих процессах, рассеивается в виде тепла. Это тепло может служить существенным источником повышения температуры тела организма.

Большинство видов не обладает достаточно высоким уровнем обмена веществ и не имеют механизмов, позволяющих удерживать образующееся тепло. Их жизнедеятельность и активность зависят, прежде всего, от тепла, поступающего извне, а температура тела - от внешних температур. Такие животные называются холоднокровными (пойкилотермными). К ним относятся беспозвоночные и часть позвоночных животных (рыбы, земноводные, пресмыкающиеся). У лягушек зимой температура тела близка к 0°С. В это время она способна совершать прыжки длиной 10-15 см. Летом при температуре 20-25°С она прыгает на 100 см и более. У ряда холоднокровных животных температура тела изменяется при двигательной активности. Так, у летающих насекомых во время полета температура тела повышается на 10°С и более.

Теплокровные (гомойотермные) животные способны поддерживать постоянную оптимальную температуру тела независимо от температуры среды.

Однако подобное приспособление носит ограниченный характер, так как при значительных температурных колебаниях среды механизмы сохранения постоянной температуры тела оказываются недостаточными.

И у теплокровных, и у холоднокровных животных в процессе эволюции выработались механизмы адаптации к изменениям температуры:

Физическая регуляция - изменение уровня теплоотдачи, способность удерживать тепло или, наоборот, рассеивать его избыток. Физическая терморегуляция осуществляется благодаря особым анатомическим и морфологическим чертам строения животных: волосяному и перьевому покрову, деталям устройства кровеносной системы, распределению жировых запасов, возможностям испарительной теплоотдачи и т. п.

Химическая регуляция - активное увеличение теплопродукции в ответ на понижение температуры среды.

Поведение организмов. Перемещаясь в пространстве или изменяя свое поведение более сложным образом, животные могут активно избегать крайних температурных воздействий.

Холоднокровные животные отличаются более низким уровнем обмена веществ по сравнению с теплокровными даже при одной и той же температуре тела. Так, пустынная игуана потребляет при температуре тела 37°С в 7 раз меньше кислорода, чем теплокровные грызуны таких же размеров. Из-за этого возможности химической терморегуляции у холоднокровных животных ничтожны. Также слабо развиты и возможности физической терморегуляции. В связи с этим холоднокровным животным особенно тяжело противостоять недостатку тепла. С понижением температуры среды все процессы жизнедеятельности сильно замедляются, и животные впадают в оцепенение (анабиоз). В таком неактивном состоянии они становятся холодоустойчивыми. Основные способы регуляции температуры тела у холоднокровных животных - поведенческие - перемена позы, активный поиск благоприятных микроклиматических условий, специализированные формы поведения, направленные на создание и поддержание нужного микроклимата (рытье нор, сооружение гнезд).

У теплокровных животных механизмы терморегуляции множественны и многообразны, что позволяет им поддерживать постоянную оптимальную температуру тела во все времена года. В противоположность холоднокровным, при действии холода у теплокровных животных окислительные процессы не ослабевают, а усиливаются, особенно в скелетных мышцах. Усиливается и обмен липидов, так как нейтральные жиры содержат основной запас химической энергии. Млекопитающие также обладают специализированной бурой жировой тканью (наиболее развита у животных холодных зон), при распаде которой, вся высвобождающаяся энергия рассеивается в виде тепла, т. е. обогревает организм. Естественно, что указанные механизмы терморегуляции требуют поступления в организм большого количества пищи. Для большинства активно зимующих теплокровных, страшны не морозы, а бескормица. При недостатке корма зимой химический тип терморегуляции невыгоден.

Физический тип терморегуляции экологически более выгоден, так как осуществляется не за счет дополнительной выработки тепла, а за счет его сохранения. К нему относят рефлекторное сужение и расширение кровеносных сосудов кожи, меняющие ее теплопроводность и температуру поверхности тела, изменение теплоизолирующих свойств меха и перьев, регуляцию испарительной теплоотдачи и т. п. Большое значение для поддержания температурного баланса имеет отношение поверхности тела к его объему, т. к. масштабы продуцирования тепла зависят от массы животного, а теплообмен идет через его покровы. Выступающие части тела имеют большую относительную поверхность, которая выгодна в условиях жаркого климата. При адаптации к холоду проявляется закон экономии поверхности, так как компактная форма тела с минимальным отношением площади к объему наиболее выгодна для сохранения тепла.

Поведенческие формы регуляции теплообмена важны как для теплокровных, так и для холоднокровных и также разнообразны – от изменения позы, поиска и сооружения укрытий до групповых действий: ближних и дальних миграций.

Дата добавления: 2014-10-23