Наземно-воздушная среда и экологические условия обитания организмов

Наземно-воздушная среда характеризуется особенностями экологических условий, сформировавших специфические приспособления у сухопутных растений и животных, что выразилось в разнообразии морфологических, анатомических, физиологических, биохимических и поведенческих адаптаций.

Низкая плотность атмосферного воздуха затрудняет поддержание формы тела, потому у растений и животных образовалась опорная система. У растений это механические ткани (лубяные и древесинные волокна), которые обеспечивают сопротивление статическим и динамическим нагрузкам: ветру, дождю, снежному покрову. Напряженное состояние клеточной стенки (тургор), вызванное накоплением в вакуолях клеток жидкости с высоким осмотическим давлением обусловливает упругость листьев, стеблей трав, цветков. У животных опору телу создает гидроскелет (у круглых червей), наружный скелет (у насекомых), внутренний (у млекопитающих).

Низкая плотность среды облегчает передвижение животных. Многие наземные виды способны к полету (активному или планирующему) - птицы и насекомые, есть и представители млекопитающих, амфибий и рептилий. Полет связан с передвижением и поиском добычи Активный полет возможен за счет модифицированных передних конечностей, развитых грудных мышц. У планирующих животных образовались между передними и задними конечностями сформировались кожные складки, которые растягиваются и играют роль парашюта.

Высокая подвижность воздушных масс сформировала у растений древнейший способ опыления растений ветром (анемофилия) характерную для многих растений средний полосы и расселения с помощью ветра. Эта экологическая группа организмов (аэропланктон) адаптировалась благодаря большой относительной площади поверхности за счет парашютиков, крыльев, выростов и даже паутины, либо за счет очень мелких размеров.

Низкое атмосферное давление, которое в норме составляет 760 мм ртутного столба (или 101 325 Па), малые перепады давления, сформировали почти у всех обитателей суши чувствительность к сильным перепадам давления. Верхняя граница жизни для большинства позвоночных животных - около 6 000 м. Снижение атмосферного давления с повышением высоты над уровнем моря уменьшает растворимость кислорода в крови. Это увеличивает частоту дыхания, а в результате частое дыхание приводит к обезвоживанию организма. Эта простая зависимость не характерна только для редких видов птиц и некоторых беспозвоночных.

Газовый состав наземно-воздушной среды отличается высоким содержанием кислорода (более чем в 20 раз выше, чем в водной среде). Это позволяет животным иметь очень высокий уровень обмена веществ. Поэтому только на суше могла возникнуть гомойтермность (способность поддерживать постоянную температуру тела, в основном, за счет внутренней энергии).

Значение температуры в жизни организмов определяется влиянием на скорость биохимических реакций. Повышение температуры (до 60^°С) окружающей среды вызывает у организмов денатурацию белков. Сильное понижение температуры приводит к понижению скорости обмена веществ и как критическое состояние – замерзание воды в клетках (кристаллы льда в клетках нарушают целостность внутриклеточных структур). В основном на суше живые организмы могут существовать только в пределах 0^° - +50^°, т.к. эти температуры совместимы с протеканием основных процессов жизнедеятельности. Однако каждый вид имеет свое верхнее и нижнее летальное значение температуры, значение температурного угнетения и температурного оптимума.

Организмы, жизнедеятельность и активность которых зависят от внешнего тепла (микроорганизмы, грибы, растения, беспозвоночные, круглоротые, рыбы, земноводные, пресмыкающиеся) называются пойкилотермами. Среди них есть стенотермы (криофилы - приспособлены небольшим перепадам низких температур и термофилы - приспособлены небольшим перепадам высоких температур) и эвритермы, которые могут существовать при пределах большой температурной амплитуде. Приспособления к перенесению низких температур, позволяющие регулировать обмен веществ в течение длительного времени, осуществляется у организмов двумя способами: а) способность к биохимическим и физиологическим перестройкам - накопление антифризов, которые понижают точку замерзания жидкостей в клетках и тканях и следовательно препятствуют образованию льда; изменение набора, концентрации и активности ферментов, изменение; б) выносливость к замерзанию (холодостойкость) - это временное прекращение активного состояния (гипобиоз или криптобиоз) или накопление в клетках глицерина, сорбита, маннита, которые препятствуют кристаллизации жидкости.

У эвритермов хорошо развита способность перехода в латентное состояние при значительных отклонениях температуры от оптимального значения. После холодового угнетения организмы при определенной температуре восстанавливают нормальный обмен веществ, а это значение температуры называется температурным порогом развития, или биологическим нулем развития.

В основе сезонных перестроек у видов – эвритермов, имеющих широкое распространение, лежит акклимация (сдвиг температурного оптимума), когда происходит инактивация одних генов и включение других, отвечающих за замену одних ферментов другими. Это явление обнаруживается в разных частях ареала.

У растений метаболическое тепло крайне ничтожно, поэтому их существование определяется температурой воздуха в пределах местообитания. Растения адаптируются к перенесению достаточно больших колебаний температуры. Главным при этом является транспирация, охлаждающая поверхность листьев при перегреве; уменьшение листовой пластинки, подвижность листа, опушение, восковой налет. К холодным условия растения приспосабливаются с помощью формы роста (карликовость, подушковидный рост, шпалерность), окраски. Все это относится к физической терморегуляии. Физиологическая терморегуляция – это опад листвы, отмирание наземной части, перевод свободной воды в связанное состояние, накопление антифризов и т. д.).

Пойкилотермные животные имеют возможность испарительной терморегуляции, связанной с их перемещением в пространстве (земноводные, рептилии). Они выбирают наиболее оптимальные условия, производят много внутреннего (эндогенного) тепла в процессе сокращения мускулатуры или мышечной дрожи (разогревают мышцы во время передвижения). Животные имеют поведенческие адаптации (поза, укрытия, норы, гнезда).

Гомойтермные животные (птицы и млекопитающие) имеют постоянную температуру тела и мало зависят от температуры окружающей среды. Для них характерны адаптации, основанные на резком повышении окислительных процессов в результате совершенства нервной, кровеносной, дыхательной и других систем органов. У них существует биохимическая терморегуляция (при понижении температуры воздуха усиливается обмен липидов; усиливаются окислительные процессы, особенно в скелетных мышцах; есть специализированная бурая жировая ткань, в которой вся освобождающаяся химическая энергия идет на образование АТФ, а на обогревание организма; увеличивается объем потребляемой пищи). Но такая терморегуляция имеет климатические ограничения (невыгодна зимой, в полярных условия, летом в тропическом и экваториальном поясах).

Экологически выгодна физическая терморегуляция(рефлек-торное сужение и расширение кровеносных сосудов кожи, теплоизоляционное действие меха и перьев, противоточный теплообмен), т.к. осуществляется за счет сохранения тепла в теле (Чернова, Былова, 2004).

Поведенческая терморегуляция гомойтермов характеризуется разнообразием: изменение позы, поиски укрытий, сооружение сложных нор, гнезд, миграции, групповое поведение и пр.

Важнейшим экологическим фактором для организмов является свет. Процессы, протекающие под действием света - это фотосинтез (используется 1-5% падающего света), транспирация (используется 75% падающего света расходуется на испарение воды), синхронизация жизнедеятельности, движение, зрение, синтез витаминов.

Морфология растений и структура растительных сообществ организованы для наиболее эффективного восприятия солнечной энергии. Светоприемная поверхность растений Земного шара в 4 раза больше, чем поверхность планеты (Акимова, Хаскин, 2000). Для живых организмов имеет значение длина волн, т.к. лучи разной длины имеют разное биологическое значение: инфракрасное излучение (780 – 400 нм) действует на тепловые центры нервной системы, регулируя окислительные процессы, двигательные реакции и др, ультрафиолетовые лучи (60 - 390 нм) действуя на покровные ткани, способствуют выработке различных витаминов, стимулируют рост и размножение клеток.

Особое значение имеет видимый свет, т.к. для растений важен качественный состав света. В спектре лучей выделяют фотосинтетическую активную радиацию (ФАР). Длина волн этого спектра лежит в пределах 380 – 710 (370- 720 нм).

Сезонная динамика освещенности связана с закономерностями астрономического характера, сезонной климатической ритмикой данной местности и на разных широтах выражена по разному. Для нижних ярусов на эти закономерности налагается и фенологическое состояние растительности. Большое значение имеет суточный ритм изменения освещенности. Ход радиации нарушается изменениями состояния атмосферы, облачности и др. (Горышина,1979).

Растение представляет собой непрозрачное тело, которое частично отражает свет, поглощает и пропускает. В клетках и тканях листьев есть различные образования которые обеспечивают поглощение и пропускание света Для повышения продуктивности растения увеличивают общую площадь и количество фотосинтезирующих элементов, что достигается многоэтажным расположением листьев на растении; ярусным расположением растений в сообществе.

По отношению к силе освещения выделяют три группы: светолюбивые, тенелюбивые, теневыносливые, которые отличаются анатомо-морфологическими адаптациями (у светолюбивых растений листья - мельче, подвижные, опушенные, имеют восковой налет, толстую кутикулу, кристаллические выключения и др. у тенелюбивых - листья крупные, хлоропласты крупные и многочисленные); физиологическими адаптациями (разные значения световой компенсации).

Реакция на длину светового дня (продолжительность освещения) называется фотопериодизмом. У растений такие важные процессы как цветение, образование семян, рост, переход в состояние покоя, листопад связан с сезонными изменениями длины дня и температурой. Для цветения одних растений нужна длина дня свыше 14 часов, для других достаточно 7 часов, третьи цветут независимо от длины дня.

Для животных свет информационное значение. Прежде всего по суточной активности животные делятся на дневных, сумеречных, ночных. Органом, помогающим ориентироваться в пространстве, являются глаза. У разных организмов разное стереоскопическое зрение - у человека общее зрение 180^°- стереоскопическое-140^°, у кролика - общее 360^°, стереоскопическое20^°. Бинокулярное зрение в основном характерно для хищных животных (кошачьих и птиц). Кроме того, реакцией на свет определяется фототаксис (движение на свет),

размножение, навигация (ориентирование на положение Солнца), биолюминенценция. Свет является сигналом для привлечения особей другого пола.

Важнейшим экологическим фактором в жизни наземных организмов является вода. Она необходима для поддержания структурной целостности клеток, тканей, всего организма, т.к. является основной частью протоплазмы клеток, тканей, растительных и животных соков. Благодаря воде осуществляются биохимические реакции, поступление питательных веществ, газообмен, выделение и др. Содержание воды в организме растений и животных достаточно высокое (в листьях трав - 83-86%, листьях деревьев - 79-82%. стволах деревьев 40-55%, в телах насекомых - 46-92%, земноводных – до 93%, млекопитающих - 62-83%).

Существование в наземно-воздушной среде ставит перед организмами важную проблему сохранения воды в теле. Поэтому форма и функции растений и животных суши приспособлены к защите от иссушения. В жизни растений важно поступление воды, проведение ее и транспирация, водный баланс, (Вальтер, 1031,1937, Шафер, 1956). Изменения водного баланса лучше всего отражает сосущая сила корней.

Растение может всасывать воду из почвы до тех пор, пока сосущая сила корней может конкурировать с сосущей силой почвы. Сильно разветвленная корневая система обеспечивает большую площадь соприкосновения поглощающей части корня с почвенными растворами. Общая протяженность корней может достигать 60 км. Сосущая сила корней меняется в зависимости от погоды, от экологических свойств. Чем больше всасывающая поверхность корней, тем больше поглощается воды.

По регуляции водного баланса растения делятся на пойкилогидрические (водоросли, мхи, папоротники, некоторые цветковые) и гомойгидрические (большинство высших растений).

По отношению к водному режиму выделяют экологические группы растений.

1. Гигрофиты - наземные растения, обитающие во влажных местообитаниях с высокой влажностью воздуха и почвенным водоснабжением. Характерными признаками гигрофитов являются толстые слаборазветвленные корни, воздухоносные полости в тканях, открытые устьица.

2. Мезофиты-растения умеренно увлажненных местообитаний. Способность переносить почвенную и атмосферную засуху у них ограничены. Могут встречаться в засушливых местообитаниях - быстро развиваясь за короткий период. Характерна хорошо развитая корневая система с многочисленными корневыми волосками, регуляция интенсивности транспирации.

3. Ксерофиты - растения сухих местообитаний. Это засухоустойчиваые растения, сухотерпцы. Степные ксерофиты могут терять без ущерба до 25 % воды, пустынные - до 50% содержащейся в них воды (для сравнения лесные мезофиты увядают при потере 1% содержащейся в листьях воды). По характеру анатомо-морфологических и физиологических адаптаций, обеспечивающих активную жизнь этих растений при дефиците влаги, ксерофиты делятся на суккуленты (имеют мясистые и сочные листья и стебли, способны накапливать в тканях большое количество воды, развивают небольшую сосущую силу и впитывают влагу атмосферных осадков) и склерофиты (сухие на вид растения, интенсивно испаряющие влагу, имеют узкие и мелкие листья, которые иногда сворачиваются в трубочку, способны выдерживать сильное обезвоживание, сосущая сила корней может быть до нескольких десятков атмосфер).

У разных групп животных в процессе приспособления к условиям наземного существования главным было предотвращение потерь воды. Животные получают воду разными способами – через питье, с сочной пищей, в результате метаболизма (за счет окисления и расщепления жиров, белков и углеводов). Некоторые животные могут впитывать воду через покровы из влажного субстрата или воздуха. Потери воды происходят в результате испарения с покровов, испарения со слизистых оболочек дыхательных путей, выделения мочи и непереваренных остатков пищи. Животные, получающие воду через питье, зависят от расположения водоемов (крупные млекопитающие, многие птицы).

Важным фактором для животных является влажность воздуха, т.к. этот показатель определяет величину испарения с поверхности тела. Именно поэтому для водного баланса организма животных имеет значение строение покровов тела. У насекомых уменьшение испарения воды с поверхности тела обеспечивает почти непроницаемая кутикула и специализированные органы выделения (мальпигиевы трубочки), выделяющие почти нерастворимый продукт обмена, и дыхальца, уменьшающие потери воды через систему газообмена - через трахеи и трахеолы.

У амфибий основная масса воды в организм поступает через проницаемую кожу. Проницаемость кожи регулируется гормоном, который выделяется задней долей гипофиза. Амфибии выделяют очень большое количество разбавленной мочи, гипотоничной по отношению к жидкостям тела. В засушливых условиях амфибии могут уменьшать потери воды с мочой. Кроме того, эти животные могут накапливать воду в мочевом пузыре и подкожных лимфатических пространствах.

Рептилии обладают множеством адаптаций разного уровня - морфологических (потере воды препятствует ороговевшая кожа), физиологических (легкие, расположенные внутри тела, что снижает потери воды), биохимических (в тканях образуется мочевая кислота, которая выводится без большой потери влаги, ткани способны переносить повышение концентрации солей на 50%).

У птиц скорость испарения невелика (кожа относительно непроницаема для воды, отсутствуют потовые железы и перья). Птицы теряют воду (до 35% веса тела за сутки) при дыхании из-за высокой вентиляции в легких и высокой температурой тела. У птиц есть процесс реабсорбции воды из части воды из мочи и фекалий. У некоторых морских птиц (пингвины, олуши, бакланы, альбатросы), которые питаются рыбой и пьют морскую воду, есть солевые железы, расположенные в глазницах, с помощью которых выводится избыток солей из организма.

У млекопитающих органами выделения и осморегуляции служат парные сложно устроенные почки, которые снабжаются кровью и регулируют состав крови. Это обеспечивает постоянный состав внутриклеточной и внутритканевой жидкости. Относительно стабильное осмотическое давление крови поддерживается за счет баланса между поступлением воды с питьем и потерей воды с выдыхаемым воздухом, потом, выделяемыми калом и мочой. Ответственным за тонкую регуляцию осмотического давления является антидиуретический гормон (АДГ), который выделяется из задней доли гипофиза.

Среди животных выделяют группы: гигрофилов, у которых механизмы регуляции водного обмена слабо развиты или вообще отсутствуют (это влаголюбивые животные, нуждающиеся в высокой влажности среды - ногохвостки, мокрицы, комары, другие членистоногие, наземные моллюски и амфибии); ксерофилов, имеющих хорошо развитые механизмы регуляции водного обмена и приспособления к удержанию воды в теле, обитающих в засушливых условиях; мезофилов, обитающих в условиях умеренной влажности.

Косвенно действующим экологическим фактором в наземно-воздушной среде является рельеф. Все формы рельефа влияют на распространение растений и животных через изменение гидротермического режима или почвенно-грунтового увлажнения.

В горах на разной высоте над уровнем моря изменяются климатические условия, следствием чего является высотная поясность. Географическая изоляция в горах способствует образованию эндемиков, сохранению реликтовых видов растений и животных. Речные поймы способствую продвижению на север более южных группировок растений и животных. Большое значение имеет экспозиция склонов, которая создает условия для распространения на север по южным склонам теплолюбивых сообществ, а по северным склонам на юг холодолюбивых сообществ («правило предварения», В.В. Алехина).

Почва существует только в наземно-воздушной среде и формируется в результате взаимодействия возраста территории, материнской породы, климата, рельефа, растений и животных, деятельности человека. Экологическое значение имеет механический состав (размер минеральных частиц), химический состав (рН водного раствора), засоление почв, почвенное богатство. Характеристики почв также действуют на живые организмы как косвенные факторы, изменяя термо-гидрологический режим, вызывая у растений (в первую очередь) приспособления к динамике этих условий и влияя на пространственную дифференциацию организмов.

Дата добавления: 2015-05-10