Жизнь на суше потребовала таких приспособлений, которые оказались возможными только у высокоорганизованных живых организмов. Наземно-воздушная среда более сложная для жизни, она отличается высоким содержанием кислорода, малым количеством водяных паров, низкой плотностью и т.д. Это сильно изменило условия дыхания, водообмена и передвижения живых существ.
Низкая плотность воздуха определяет его малую подъемную силу и незначительную опорность. Организмы воздушной среды должны иметь собственную опорную систему, поддерживающую тело: растения – разнообразные механические ткани, животные – твердый или гидростатический скелет. Кроме этого, все обитатели воздушной среды тесно связаны с поверхностью земли, которая служит им для прикрепления и опоры.
Малая плотность воздуха обеспечивает низкую сопротивляемость передвижения. Поэтому многие наземные животные приобрели способность к полету. К активному полету приспособилось 75% всех наземных, преимущественно насекомые и птицы.
Благодаря подвижности воздуха, существующим в нижних слоях атмосферы вертикальным и горизонтальным потокам воздушных масс возможен пассивный полет организмов. В связи с этим у многих видов развита анемохория – расселение с помощью воздушных потоков. Анемохория характерна для спор, семян и плодов растений, цист простейших, мелких насекомых, пауков и т.д. Пассивно переносимые потоками воздуха организмы получили в совокупности название аэропланктона.
Наземные организмы существуют в условиях сравнительно низкого давления, обусловленного малой плотностью воздуха. В норме оно равно 760 мм ртутного столба. С увеличением высоты над уровнем моря давление уменьшается. Низкое давление может ограничивать распространенность видов в горах. Для позвоночных животных верхняя граница жизни – около 60 мм. Снижение давления влечет за собой уменьшение обеспеченности кислородом и обезвоживание животных за счет увеличения частоты дыхания. Примерно такие же пределы продвижения в горах имеют высшие растения. Несколько более выносливы членистоногие, которые могут встречаться на ледниках, выше границы растительности.
Газовый состав воздуха. Кроме физических свойств воздушной среды, для существования наземных организмов очень важны ее химические свойства. Газовый состав воздуха в приземном слое атмосферы довольно однороден в отношении содержания главных компонентов (азот – 78,1%, кислород – 21,0%, аргон – 0,9%, углекислый газ – 0,003% от объема).
Высокое содержание кислорода способствовало повышению обмена веществ у наземных организмов по сравнению с первичноводными. Именно в наземной обстановке, на базе высокой эффективности окислительных процессов в организме, возникла гомойтермия животных. Кислород из-за постоянного его высокого содержания в воздухе не является лимитирующим фактором жизни в наземной среде.
Содержание углекислого газа может изменяться в отдельных участках приземного слоя воздуха в довольно значительных пределах. Повышенное насыщение воздуха СО? возникает в зонах вулканической активности, возле термальных источников и других подземных выходов этого газа. В высоких концентрациях углекислый газ токсичен. В природе такие концентрации встречаются редко. Низкое содержание СO 2 тормозит процесс фотосинтеза. В условиях закрытого грунта можно повысить скорость фотосинтеза, увеличив концентрацию углекислого газа. Этим пользуются в практике тепличного и оранжерейного хозяйства.
Азот воздуха для большинства обитателей наземной среды является инертным газом, но отдельные микроорганизмы (клубеньковые бактерии, азотбактерии, сине-зеленые водоросли и др.) обладают способностью связывать его и вовлекать в биологический круговорот веществ.
Дефицит влаги – одна из существенных особенностей наземно-воздушной среды жизни. 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 некоторых районах тропиков до практически полного их отсутствия в сухом воздухе пустынь. Также значительна суточная и сезонная изменчивость содержания водяных паров в атмосфере. Водообеспеченность наземных организмов зависит также от режима выпадения осадков, наличия водоемов, запасов почвенной влаги, близости фунтовых вод и т.д.
Это привело к развитию у наземных организмов адаптации к различным режимам водообеспечения.
Температурный режим. Следующей отличительной чертой воздушно-наземной среды являются значительные температурные колебания. В большинстве районов суши суточные и годовые амплитуды температур составляют десятки градусов. Устойчивость к температурным изменениям среды у наземных обитателей очень различна, в зависимости от того, в каком конкретном местообитания проходит их жизнь. Однако в целом наземные организмы значительно более эвритермны по сравнению с водными организмами.
Условия жизни в наземно-воздушной среде осложняются, кроме того, существованием погодных изменений. Погода – непрерывно меняющиеся состояния атмосферы у заемной поверхности, до высоты примерно в 20 км (граница тропосферы). Изменчивость погоды проявляется в постоянном варьировании сочетания таких факторов среды, как температура, влажность воздуха, облачность, осадки, сила и направление ветра и т.д. Многолетний режим погоды характеризует климат местности. В понятие «Климат» входят не только средние значения метеорологических явлений, но также их годовой и суточный ход, отклонение от него и их повторяемость. Климат определяется географическими условиями района. Основные климатические факторы – температура и влажность – измеряются количеством осадков и насыщенностью воздуха водяными парами.
Для большинства наземных организмов, особенно мелких, не столько важен климат района, сколько условия их непосредственного обитания. Очень часто местные элементы среды (рельеф, экспозиция, растительность и т.д.) так изменяют в конкретном участке режим температур, влажности, света, движения воздуха, что он значительно отличается от климатических условий местности. Такие модификации климата, складывающиеся в приземном слое воздуха, называются микроклиматом. В каждой зоне микроклимат очень разнообразен. Можно выделить микроклиматы очень небольших участков.
Световой режим наземно-воздушной среды также обладает некоторыми особенностями. Интенсивность и количество света здесь наиболее велики и практически не лимитируют жизнь зеленых растений, как в воде или почве. На суше возможно существование чрезвычайно светолюбивых видов. Для подавляющего большинства наземных животных с дневной и даже ночной активностью зрение представляет собой один из основных способов ориентации. У наземных животных зрение имеет важное значение для поисков добычи, многие виды обладают даже цветным зрением. В связи с этим у жертв возникают такие приспособительные особенности, как защитная реакция, маскирующая и предупреждающая окраска, мимикрия и т.д. У водных обитателей такие адаптации развиты значительно меньше. Возникновение ярко окрашенных цветков высших растений также связано с особенностями аппарата опылителей и в конечном счете – со световым режимом среды.
Рельеф местности и свойства грунта – также условия жизни наземных организмов и, в первую очередь, растений. Свойства земной поверхности, оказывающие экологическое воздействие на ее обитателей, объединяются «эдафическими факторами среды» (от греческого «эдафос» – «почва»).
По отношению к разным свойствам почв можно выделить целый ряд экологических групп растений. Так, по реакции на кислотность почвы различают:
1) ацидофильные виды – растут на кислых почвах с рН не менее 6,7 (растения сфагновых болот);
2) нейтрофильные – склонны расти на почвах с рН 6,7–7,0 (большинство культурных растений);
3) базифильные – растут при рН более 7,0 (мордовник, лесная ветренница);
4) индиферентные – могут произрастать на почвах с разным значением рН (ландыш).
Отличаются растения и по отношению к влажности почвы. Определенные виды приурочены к разным субстратам, например, петрофиты растут на каменистых почвах, пасмофиты заселяют сыпучие пески.
Рельеф местности и характер грунта влияют на специфику передвижения животных: например, копытных, страусов, дроф, живущих на открытых пространствах, твердом грунте, для усиления отталкивания при беге. У ящериц, обитающих в сыпучих песках, пальцы окаймлены бахромой из роговых чешуек, увеличивающих опоры. Для наземных обитателей, роющих норы, плотный грунт неблагоприятен. Характер почвы в определенных случаях влияет на распределение наземных животных, роющих норы или зарывающихся в грунт, или откладывающих яйца в почву и т.д.
Наземно-воздушная среда характеризуется огромным разнообразием условий существования, экологических ниш и заселяющих их организмов. Надо отметить, что организмы играют первостепенную роль в формировании условий наземно-воздушной среды жизни, и прежде всего - газового состава атмосферы. Практически весь кислород земной атмосферы имеет биогенное происхожение.
Основными особенностями наземно-воздушной среды является большая амплитуда изменения экологических факторов, неоднородность среды, действие сил земного тяготения, низкая плотность воздуха. Комплекс физико-географических и климатических факторов, свойственных определенной природной зоне, приводит к эволюционному становлению морфофизиологических адаптаций организмов к жизни в этих условиях, многообразию форм жизни.
Атмосферный воздух воздух отличается низкой и изменчивой влажностью. Это обстоятельство во многом лимитировало (ограничивало) возможности освоения наземно-воздушной среды, а также направляло эволюцию водно-солевого обмена и структуры органов дыхания.
Состав воздуха. Один из главных абиотических факторов наземной (воздушной) среды обитания - состав воздуха, естественной смеси газов, сложившейся в ходе эволюции Земли. Состав воздуха в современной атмосфере находится в состоянии динамического равновесия, зависящего от жизнедеятельности живых организмов и геохимических явлений глобального масштаба.
Воздух, лишенный влаги и взвешенных частиц, имеет на высоте уровня моря практически одинаковый состав во всех местностях земного шара, а также на протяжении суток и в разные периоды года. Однако в различные эпохи существования планеты состав воздуха был различен. Считается, что наиболее сильно изменялось содержание диоксида углерода и кислорода (рис. 3.7). Роль кислорода и диоксида углерода подробно показана в разд. 2.2.
Азот, присутствующий в атмосферном воздухе в наибольшем количестве, в газообразном состоянии для абсолютного большинства организмов, особенно для животных, является нейтральным. Только для ряда микроорганизмов (клубеньковых бактерий, азотобактеров, синезеленых водорослей и др.) азот воздуха служит фактором жизнедеятельности. Эти микроорганизмы усваивают молекулярный азот, а после отмирания и минерализации снабжают высшие растения доступными формами этого химического элемента.
Присутствие в воздухе иных газообразных веществ или аэрозолей (твердых или жидких частиц, находящихся в воздухе во взвешенном состоянии) в каких-либо заметных количествах изменяет привычные условия среды обитания, влияет на живые организмы.
2.2. Адаптации наземных организмов к среде
Аэропланктон (анемохория).
Растений: ветроопыление, строение стебля, формы листовых пластин, виды соцветий, окраска, размеры.
Образование флаговых форм деревьев. Корневая система.
Животных: дыхание, форма тела, покровы, поведенческие реакции.
Почва как среда
Почва является результатом деятельности живых организмов. Заселявшие наземно-воздушную среду организмы приводили к возникнвению почвы как уникальной среды обитания. Почва представляет собой сложную систему, включающую твердую фазу (минеральные частицы), жидкую фазу (почвенная влага) и газообразную фазу. Соотношение этих трех фаз и определяет особенности почвы как среды жизни.
Важной особенностью почвы является также наличие определенного количества органического вещества. Оно образуется в результате отмирания организмов и входит в состав их экскретов (выделений).
Условия почвенной среды обитания определяют такие свойства почвы как ее аэрация (то есть насыщенность воздухом), влажность (присутствие влаги), теплоемкость и термический режим (суточный, сезонный, разногодичный ход температур). Термический режим, по сравнению с наземно-воздушной средой, более консервативный, особенно на большой глубине. В целом, почва отличается довольно устойчивыми условиями жизни.
Вертикальные различия характерны и для других свойств почвы, например, проникновение света, естественно, зависит от глубины.
Многие авторы отмечают промежуточность положения почвенной среды жизни между водной и наземно-воздушной средами. В почве возможно обитание организмов, обладающих как водным, так и воздушным типом дыхания. Вертикальный градиент проникновения света в почве еще более выражен, чем в воде. Микроорганизмы встречаются по всей толще почвы, а растения (в первую очередь, корневые системы) связаны с наружными горизонтами.
Для почвенных организмов характерны специфические органы и типы движения (роющие конечности у млекопитающих; способность к изменению толщины тела; наличие специализированных головных капсул у некоторых видов); формы тела (округлая, вольковатая, червеобразная); прочные и гибкие покровы; редукция глаз и исчезновение пигментов. Среди почвенных обитателей широко развита сапрофагия - поедание трупов других животных, гниющих остатков и т.д.
Состав почв. Почва - слой веществ, лежащих на поверхности земной коры. Она представляет собой продукт физического, химического и биологического преобразования горных пород (рис. 3.8) и является трехфазной средой, включающей твердые, жидкие и газообразные компоненты, находящиеся в следующих соотношениях (в %):
минеральная основа обычно 50-60% от общего состава
органическое вещество.......................... до 10
вода...................................................... 25-35
воздух.................................................. 15-25
В данном случае почва рассматривается среди прочих абиотических факторов, хотя на самом деле она является важнейигам звеном, связывающим абиотические и биотические факторы среды обитания.
Минеральный неорганический состав п о ч-в ы. Горная порода под действием химических и физических факторов природной среды постепенно разрушается. Образующиеся части различны по размеру - от валунов и камней до крупных песчинок и мельчайших частиц глины. Механические и химические свойства почвы в основном зависят от мелкого грунта (частицы менее 2 мм), который принято подразделять в зависимости от размера 8 (в мкм) на следующие системы:
песок............................................... 5 = 60-2000
алеврит (иногда называемый «пылью») 5 = 2-60
глину.. ".............................................. 8 менее 2
Структура почвы определяется относительным содержанием в ней песка, алеврита, глины и обычно иллюстрируется диаграммой - «треугольником почвенной структуры» (рис. 3.9).
Значение почвенной структуры становится понятным при сравнении свойств чистого песка и глины. «Идеальной» почвой считается состав, содержащий равные количества глины и песка в сочетании с частицами промежуточных размеров. В таком случае образуется пористая, крупчатая структура. Соответствующие почвы называют суглинками. Они имеют достоинства двух крайних типов почв без их недостатков. Большая часть минеральных компонентов представлена в почве кристаллическими структурами. Песок и алеврит состоят в основном из инертного минерала - кварца (SiO 2), называемого кремнеземом.
Глинистые минералы в большинстве встречаются в виде мельчайших плоских кристаллов, часто шестигранной формы, состоящих из слоев гидроокиси алюминия или глинозема (А1 2 О 3) и слоев силикатов (соединений силикат-ионов SiO^" с катионами, например, алюминия А1 3+ или железа Fe 3+ , Fe 2+). Удельная поверхность кристаллов очень велика и составляет 5-800 м 2 на 1 г глины, что способствует удержанию воды и питательных веществ в почве.
В целом считается, что свыше 50% минерального состава почвы составляет кремнезем (SiO 2), 1-25% - глинозем (А1 2 О 3), 1-10% - оксиды железа (Fe 3 O 4), 0,1-5% - оксиды магния, калия, фосфора, кальция (MgO, K 2 O, Р 2 О 3 , СаО). В сельском хозяйстве почвы делят на тяжелые (глины) и легкие (пески), чем отражают величину усилий, необходимых для обработки почвы сельскохозяйственными орудиями. Ряд дополнительных характеристик минерального состава почвы будет изложен в разд. 7.2.4.
Общее количество воды, которое может быть удержано почвой, складывается из гравитационной, физически связанной, капиллярной, химически связанной и парообразной воды (рис. 3.10).
Гравитационная вода может свободно просачиваться вниз через почву, достигая уровня грунтовых вод, что ведет к вымыванию различных питательных веществ.
Физически связанная (гигроскопическая) вода адсорбируется на частицах почвы в виде тонкой прочно связанной пленки. Ее количество зависит от содержания твердых частиц. В глинистых почвах такой воды значительно больше (около 15% веса почвы), чем в песчаных (около 0,5%). Гигроскопическая вода наименее доступна растениям. Капиллярная вода удерживается вокруг почвенных частиц за счет сил поверхностного натяжения. При наличии узких пор или канальцев капиллярная вода может подниматься от уровня грунтовых вод вверх, играя центральную роль в регулярном снабжении растений влагой. Глины удерживают больше капиллярной воды, чем пески.
Химически связанная вода и парообразная практически недоступны корневой системе растений.
По сравнению с составом атмосферного воздуха из-за дыхания организмов с глубиной уменьшается содержание кислорода (до 10%) и увеличивается концентрация диоксида углерода (достигая 19%). В течение года и суток состав почвенного воздуха сильно меняется. Тем не менее почвенный воздух постоянно обновляется и пополняется за счет атмосферного.
Заболачивание почвы обусловливает вытеснение воздуха водой, и условия становятся анаэробными. Так как микроорганизмы и корни растений продолжают выделять СО 2 , образующий с водой Н 2 СО 3 , то замедляется обновление гумуса и накапливаются гуминовые кислоты. Все это повышает кислотность почвы, которая, наряду с истощением запасов кислорода, неблагоприятно отражается на почвенных микроорганизмах. Длительные анаэробные условия ведут к отмиранию растений.
Характерный для заболоченных почв серый оттенок придает восстановленная форма железа (Fe 2+), окисленная форма (Fe 3+) окрашивает почву в желтый, красный и коричневый цвета.
Биота почв.
По степни связи с почвой как средой обитания животных объединяют в экологические группы:
Геобионты – обитатели почвы, которые подразделяются на:
ризобионты – животные, связанные с корнями;
сапробионты – обитатели разлагающихся органических веществ;
копробионты – беспозвоночные – обитатели навоза;
ботробионты – обитатели нор;
планофилы – животные, которым свойственно частое перемещение.
Геофилы – животные, часть цикла развития обязательно проходит в почве. (саранчовые,комары-долгунцы, ряд жуков, перепончетокрылых)
Геоксены – Животные посещающие почву для временного укрытия, убежища.
Животные, обитающие в почве, по-разному используют ее. Мелкие - простейшие, коловратки, брюхоресничные – обитают в пленке воды, обволакивающей почвенные частицы. Это геогидробионты . Они мелки, уплощенной или удлиненной формы. Дышат кислородом, растворенным в воде, при недостатке влаги им характерно оцепенение, инцистирование, образование коконов. Остальные обитатели дышат кислородом воздуха – это геоатмобионты .
Почвенных животных подразделяют по размерам на группы:
наннофауна – животные размером до 0,2 мм; микрофауна – животные размером 0,1-1,0 мм почвенные микроорганизм, бактерии, грибы, простейшие (микроводоемы)
мезофауна - размером более 1,0 мм; ; нематоды,мелкие личинки насекомых, клещи, ногохвостки.
Макрофауна – от 2 до 20 мм личинки насекомых, многоножки, энхитреиды, дождевые черви.
мегафауна – позвоночные животные: землерои.
Животные нор.
Наиболее типичными обитателями почвы являются: простейшие, нематоды, дождевые черви, энхитреиды, голые слизни и другие брюхоногие моллюски, клещи и пауки, многоножки (двупарноногие и губоногие), насекомые – взрослые и их личинки (отряды коллемболы, двухвостки, щетинохвостки, двукрылые, жесткокрылые, перепончатокрылые и др.). Педобионты выработали разнообразные приспособления к обитанию в почве как во внешнем строении, так и во внутреннем.
Передвижение. Геогидробионты имеют те же приспособления для передвижения, что и водные обитатели. Геоатмобионты передвигаются по естественным скважинам, и сами прокладывают ходы. Движение мелких животных в скважинах не отличается от движения по поверхности субстрата. Недостатком образа жизни скважников является их высокая чувствительность к высыханию субстрата, зависимость от физических свойств почвы. В плотных и каменистых почвах их численность невелика. Подобный способ передвижения характерен для мелких членистоногих. Ходы прокладываются животными либо путем раздвигания почвенных частиц (червями, личинками двукрылых) либо путем измельчения почвы (характерно для личинок многих видов насекомых). Животные второй группы часто имеют приспособления для отгребания почвы.
Морфофизиологическими приспособлениями к обитанию в почве являются: потеря пигмента и зрения у глубокопочвенных обитателей; отсутствие эпикутикулы либо присутствие ее на отдельных участках тела; для многих (дождевые черви, энхитреиды) неэкономная система выведения продуктов обмена из организма; разнообразные варианты наружно-внутреннего оплодотворения у ряда обитателей; для червей - дыхание всей поверхностью тела.
Экологические приспособления проявляются в выборе наиболее подходящих условий для обитания. Выбор мест обитания осуществляется посредством вертикальных миграций по почвенному профилю, смены стаций обитания.
Особенность наземно-воздушной среды – организмы, обитающие здесь, окружены воздухом – газообразной средой, характеризующейся низкой влажностью, плотностью, давлением и высоким содержанием кислорода.
Большинство животных передвигается по твердому субстрату – почве, а растения укореняются в ней.
У обитателей наземно-воздушной среды выработались приспособления:
1) органы, обеспечивающие усвоение атмосферного кислорода (устьица у растений, легкие и трахеи у животных);
2) сильное развитие скелетных образований, поддерживающих тело в воздушной среде (механические ткани у растений, скелет у животных);
3) сложные приспособления для защиты от неблагоприятных факторов (периодичность и ритмика жизненных циклов, механизмы терморегуляции и др.);
4) установилась тесная связь с почвой (корни у растений и конечности у животных);
5) характерна большая подвижность животных в поисках пищи;
6) появились летающие животные (насекомые, птицы) и переносимые ветром семена, плода, пыльца.
Экологические факторы наземно-воздушной среды регулируются макроклиматом (экоклиматом). Экоклимат (макроклимат) – климат больших территорий, характеризующийся определенными свойствами приземного слоя воздуха. Микроклимат – климат отдельных местообитаний (ствол дерева, нора животного и т.д.).
41.Экологические факторы наземно-воздушной среды.
1) Воздух:
Характеризуется постоянством состава (21% кислорода, 78% азота, 0,03% СО 2 и инертные газы). Является важным экологическим фактором, т.к. без атмосферного кислорода невозможно существование большинства организмов, СО 2 используется для фотосинтеза.
Передвижение организмов в наземно-воздушной среде осуществляется в основном по горизонтали, по вертикали перемещаются лишь некоторые насекомые, птицы и млекопитающие.
Воздух оказывает огромное значение на жизнедеятельность живых организмов посредством ветра – перемещение воздушных масс из-за неравномерного прогревания атмосферы Солнцем. Влияние ветра :
1) иссушает воздух, является причиной снижения интенсивности водного обмена у растений и животных;
2) участвует в опылении растений, разносит пыльцу;
3) снижает разнообразие летающих видов животных (сильный ветер мешает в полете);
4) вызывает изменения в строении покровов (образуются плотные покровы, предохраняющие растения и животных от переохлаждения и потери влаги);
5) участвует в расселении животных и растений (разносит плоды, семена, мелких животных).
2) Атмосферные осадки:
Важный экологический фактор, т.к. от наличия осадков зависит водный режим среды:
1) осадки изменяют влажность воздуха и почву;
2) обеспечивают доступную воду для водного питания растений и животных.
а) Дождь:
Наиболее важны сроки выпадения, частота выпадения, продолжительность.
Пример: обилие дождей в период похолодания не дает растениям необходимой влаги.
По характеру дожди:
- ливневые – неблагоприятны, т.к. растения не успевают всасывать воду, также образуются потоки, смывающие верхний плодородный слой почвы, растения, мелких животных.
- моросящие – благоприятны, т.к. обеспечивают увлажнение почвы, питание растений и животных.
- затяжные – неблагоприятны, т.к. вызывают наводнения, паводки и затопления.
б) Снег:
Благоприятно влияет на организмы в зимний период, т.к.:
а) создает благоприятный температурный режим почвы, защищает организмы от переохлаждения.
Пример: при температуре воздуха -15 0 С температура почвы под 20см слоем снега не ниже +0,2 0 С.
б) создает зимой среду для жизнедеятельности организмов (грызунов, куриных птиц и т.д.)
Приспособления животных к зимним условиям:
а) увеличивается опорная поверхность ног для хождения по снегу;
б) миграции и впадение в спячку (анабиоз);
в) переход на питание определенными кормами;
г) смена покровов и др.
Отрицательное влияние снега :
а) обилие снега ведет к механическим повреждениям у растений, выпреванию растений и их вымоканию во время таяния снега весной.
б) образование наста и гололедицы (затрудняет газообмен животных и растений, находящихся под снегом, создает трудности для добывания корма).
42.Влажность почв.
Основной фактор для водного питания первичных продуцентов – зеленых растений.
Виды почвенной воды:
1) Гравитационная вода – занимает широкие промежутки между частицами почвы и под действием силы тяжести уходит в более глубокие слои. Растения легко ее усваивают, когда она находится в зоне корневой системы. Запасы в почве пополняются осадками.
2) Капиллярная вода – заполняет мельчайшие пространства между частицами почвы (капилляры). Не перемещается вниз, удерживается силой сцепления. Из-за испарения с поверхности почвы образует восходящий ток воды. Хорошо усваивается растениями.
1) и 2) воды доступные для растений.
3) Химически связанная вода – кристаллизационная вода (гипс, глина и т.д.). Недоступна для растений.
4) Физически связанная вода – также недоступна для растений.
а) пленочная (рыхлосвязанная) – ряды диполей, последовательно облекающих друг друга. Удерживаются на поверхности почвенных частиц силой от 1 до 10 атм.
б) гигроскопическая (прочносвязанная) – окутывает почвенные частицы тонкой пленкой и удерживается силой от 10000 до 20000 атм.
Если в почве находится только недоступная вода, растение вянет и погибает.
Для песка КЗ = 0,9%, для глины = 16,3%.
Общее количество воды – КЗ = степень обеспеченности растения водой.
43.Географическая зональность наземно-воздушной среды.
Для наземно-воздушной среды характерна вертикальная и горизонтальная зональность. Каждая зона характеризуется специфическим экоклиматом, составом животных и растений, территорией.
Климатические зоны → климатические подзоны → климатические провинции.
Классификация Вальтера:
1) Экваториальная зона – находится между 10 0 северной широты и 10 0 южной широты. Имеет 2 дождливых сезона, соответствующих положению Солнца в зените. Годовое количество осадков и влажность велики, месячные колебания температуры незначительны.
2) Тропическая зона – находится севернее и южнее экваториальной, до 30 0 северной и южной широты. Характерны летний дождливый период и зимняя засуха. Количество осадков и влажность уменьшается по мере удаления от экватора.
3) Зона сухих субтропиков – находится до 35 0 широты. Сумма осадков и влажность незначительны, годовые и суточные колебания температур весьма существенны. Редко бывают заморозки.
4) Переходная зона – характерны сезоны зимних дождей, жаркое лето. Заморозки бывают чаще. Средиземноморье, Калифорния, юг и юго-запад Австралии, юго-запад Южной Америки.
5) Умеренная зона – отличается циклоническими осадками, количество которых уменьшается по мере удаления от океана. Годовое колебание температур резкое, лето жаркое, зима морозная. Разделяют на подзоны:
а) подзона теплого умеренного климата – зимний период практически не выделяется, все времена года более или менее влажные. Южная Африка.
б) подзона типичного умеренного климата – холодная непродолжительная зима, прохладное лето. Центральная Европа.
в) подзона аридного умеренного климата континентального типа – характерны резкие температурные контрасты, небольшая сумма осадков, незначительная влажность воздуха. Центральная Азия.
г) подзона бореального, или холодного умеренного климата – лето прохладное и влажное, зима длится половина года. Север Северной Америки и Северная Евразия.
6) Арктическая (антарктическая) зона – характеризуется выпадением незначительного количества осадков в виде снега. Лето (полярный день) короткое и холодное. Эта зона переходит в полярную область, в которой существование растений невозможно.
Для Беларуси характерен умеренно континентальный климат с дополнительным увлажнением. Отрицательные стороны климата Беларуси:
Неустойчивая погода весной и осенью;
Мягкая, с продолжительными оттепелями весна;
Дождливое лето;
Поздние весенние и ранние осенние заморозки.
Несмотря на это в Беларуси произрастает около 10000 видов растений, обитает 430 видов позвоночных животных и около 20000 видов беспозвоночных животных.
Вертикальная зональность – от низменностей и оснований гор до вершин гор. Подобна горизонтальной с некоторыми отклонениями.
44.Почва как Среда жизни. Общая характеристика.
Наземно-воздушная среда жизни самая сложная по экологическим условиям. В ходе эволюции была освоена значительно позднее, чем водная. Жизнь на суше потребовала таких приспособлений, которые стали возможными только при достаточно высоком уровне организации организмов. Для наземно-воздушной среды характерны низкая плотность воздуха, большие колебания температуры и влажности, более высокая интенсивность солнечной радиации в сравнении с другими средами, подвижность атмосферы.
Низкая плотность и подвижность воздуха определяют его малую подъёмную силу и незначительную опорность. Организмы наземной среды должны обладать опорной системой, поддерживающей тело: растения – механическими тканями, животные – твёрдым или гидростатическим скелетом.
Малая подъёмная сила воздуха определяет предельную массу и размеры наземных организмов. Самые крупные животные суши значительно меньше гигантов водной среды – китов. Животные размером и массой современного кита не могли бы жить на суше, так как были бы раздавлены собственной тяжестью.
Малая плотность воздуха обусловливает низкую сопротивляемость передвижению. Поэтому многие животные приобрели способность к полёту: птицы, насекомые, некоторые млекопитающие и рептилии.
Благодаря подвижности воздуха возможен пассивный полёт некоторых видов организмов, а также пыльцы, спор, плодов и семян растений. Расселение с помощью воздушных потоков получило название анемохории . Пассивно переносимые потоками воздуха организмы называют аэропланктоном . Для них характерны очень мелкие размеры тела, наличие выростов и сильного расчленения, использование паутины и т.п. Семена и плоды анемохорных растений также имеют очень мелкие размеры (семена орхидных, кипрея и др.) или различные крыловидные (клён, ясень) и парашютовидные (одуванчик, мать-и-мачеха) придатки.
У многих растений перенос пыльцы осуществляется с помощью ветра, например у голосеменных, буковых, берёзовых, вязовых, злаковых и др. Способ опыления растений с помощью ветра называют анемофилией . Ветроопыляемые растения имеют множество приспособлений, обеспечивающих эффективность опыления.
Ветры, дующие с большой силой (бури, ураганы) ломают деревья, нередко выворачивая их с корнем. Постоянно дующие в одном направлении ветры вызывают различные деформации роста деревьев, служат причиной образования флагообразных форм крон.
В районах, где постоянно дует сильный ветер, как правило, беден видовой состав мелких летающих животных, так как они не способны сопротивляться мощным воздушным потокам. Так, на океанических островах с постоянными сильными ветрами преобладают птицы и насекомые, утратившие способность к полёту. Ветер усиливает потерю организмами влаги и тепла, под его влиянием быстрее наступают иссушение и охлаждение организмов.
Малая плотность воздуха обусловливает сравнительно низкое давление на суше (760 мм рт. ст.). С увеличением высоты над уровнем моря давление уменьшается, что может ограничивать распространение видов в горах. Снижение давления влечёт за собой уменьшение обеспеченности кислородом и обезвоживание животных за счёт увеличения частоты дыхания. Поэтому для большинства позвоночных и высших растений верхняя граница жизни около 6000 м.
Газовый состав воздуха в приземном слое атмосферы довольно однороден. Он содержит азот – 78,1%, кислород – 21%, аргон – 0,9%, углекислый газ – 0,03%. Кроме этих газов в атмосфере есть в незначительном количестве неон, криптон, ксенон, водород, гелий, а также разнообразные ароматические выделения растений и различные примеси: диоксид серы, оксиды углерода, азота, физические примеси. Высокое содержание кислорода в атмосфере способствовало повышению обмена веществ у наземных организмов и появлению теплокровных (гомойотермных) животных. Дефицит кислорода может возникать в скоплениях разлагающихся растительных остатков, запасах зерна, недостаток кислорода могут испытывать корневые системы растений на заболоченных или слишком уплотнённых почвах.
Содержание углекислого газа может изменяться в отдельных участках приземного слоя воздуха в довольно значительных пределах. При отсутствии ветра в больших городах концентрация его может возрастать в десятки раз. Закономерны суточные и сезонные изменения содержания углекислоты в приземном слое воздуха, обусловленные изменениями интенсивности фотосинтеза и дыхания организмов. В высоких концентрациях углекислый газ токсичен, а его низкое содержание понижает интенсивность фотосинтеза.
Азот воздуха для большинства организмов наземной среды представляет инертный газ, но многие прокариотные организмы (клубеньковые бактерии, азотобактер, клостридии, цианобактерии и др.) обладают способностью связывать его и вовлекать в биологический круговорот.
Многие примеси, поступающие в воздух в основном в результате деятельности человека, могут существенно влиять на организмы. Например, оксид серы ядовит для растений даже в очень низких концентрациях, вызывает разрушение хлорофилла, повреждает структуру хлоропластов, угнетает процессы фотосинтеза и дыхания. Повреждаемость растений токсичными газами неодинакова и зависит от их анатомо-морфологических, физиологических, биологических и других особенностей. Например, особо чувствительны к промышленным газам лишайники, ель, сосна, дуб, лиственница. Наиболее устойчивы тополь канадский, тополь бальзамический, клён ясенелистный, туя, бузина красная и некоторые другие.
Световой режим. Солнечная радиация, достигающая поверхности Земли, является основным источником энергии для поддержания теплового баланса планеты, водного обмена организмов, создания органического вещества растениями, что в конечном счёте делает возможным формирование среды, способной удовлетворять жизненные потребности организмов. В состав солнечной радиации, достигающей поверхности Земли, входят ультрафиолетовые лучи с длиной волны 290–380 нм, видимые лучи – 380–750 нм и инфракрасные лучи с длиной волны 750–4000 нм. Ультрафиолетовые лучи имеют высокую химическую активность и в больших дозах вредны для организмов. В умеренных дозах в диапазоне 300–380 нм они стимулируют деление и рост клеток, способствуют синтезу витаминов, антибиотиков, пигментов (например, у человека – загар, у рыб и земноводных – тёмная икра), повышают устойчивость растений к заболеваниям. Инфракрасные лучи оказывают тепловое действие. Фотосинтезирующие бактерии (зелёные, пурпурные) способны поглощать инфракрасные лучи в диапазоне 800–1100 нм и существовать только за их счёт. Примерно 50% солнечной радиации приходятся на видимый свет, который в жизни автотрофных и гетеротрофных организмов имеет разное экологическое значение. Зелёным растениям свет нужен для процесса фотосинтеза, образования хлорофилла, формирования структуры хлоропластов. Он влияет на газообмен и транспирацию, на строение органов и тканей, на рост и развитие растений.
Для животных видимый свет необходим для ориентирования в окружающей среде. У некоторых животных зрительное восприятие распространяется на ультрафиолетовую и ближнюю инфракрасную части спектра.
Световой режим любого местообитания определяется интенсивностью прямого и рассеянного света, его количеством, спектральным составом, а также отражательной способностью поверхности, на которую падает свет. Указанные элементы светового режима очень изменчивы и зависят от географической широты местности, высоты стояния солнца над горизонтом, длины дня, состояния атмосферы, характера земной поверхности, рельефа, времени суток и сезона года. В связи с этим у наземных организмов в течение длительного процесса эволюции возникли различные адаптации к световому режиму местообитаний.
Адаптации растений. По отношению к условиям освещения выделяют три основные экологические группы растений: светолюбивые (гелиофиты); тенелюбивые (сциофиты); теневыносливые.
Гелиофиты – растения открытых хорошо освещаемых местообитаний. Они не переносят затенения. Примером их могут быть степные и луговые растения верхнего яруса сообщества, виды пустынь, альпийских лугов и т.д.
Сциофиты – не переносят сильного освещения прямыми солнечными лучами. Это растения нижних ярусов тенистых лесов, пещер, расщелин скал и др.
Теневыносливые растения имеют широкую экологическую валентность по отношению к свету. Они лучше растут при высокой интенсивности освещения, но хорошо переносят и затенение, легче других растений адаптируются к изменяющимся условиям освещённости.
Каждой рассмотренный группе растений свойственны определённые анатомо-морфологические, физиологические и сезонные адаптации к условиям светового режима.
Одно из наиболее наглядных различий внешнего облика светолюбивых и тенелюбивых растений – неодинаковые размеры листьев. У гелиофитов они обычно мелкие или с рассечённой листовой пластинкой. Особенно хорошо это видно при сравнении родственных видов, растущих в разных условиях освещённости (фиалка полевая и лесные фиалки, колокольчик раскидистый, растущий на лугах, и колокольчик лесной и др.). Тенденция к увеличению размеров листьев по отношению ко всему объёму растений наглядно выражена у травянистых растений елового леса: кислицы обыкновенной, майника двулистного, вороньего глаза и др.
У светолюбивых растений, чтобы уменьшить поступление солнечной радиации, листья располагаются вертикально или под острым углом к горизонтальной плоскости. У тенелюбивых растений листья располагаются преимущественно горизонтально, что позволяет им получать максимальное количество падающего света. Поверхность листа у многих гелиофитов блестящая, способствующая отражению лучей, покрытая восковым налётом, толстой кутикулой или густым опушением.
Листья тенелюбивых и светолюбивых растений отличаются также анатомическим строением. У световых листьев больше механических тканей, листовая пластинка толще, чем у теневых. Клетки мезофилла мелкие, располагаются плотно, хлоропласты в них мелкие и светлые, занимают постенное положение. Мезофилл листа дифференцирован на столбчатую и губчатую ткани.
У сциофитов листья более тонкие, кутикула отсутствует или слабо развита. Мезофилл не дифференцирован на столбчатую и губчатую ткань. Элементов механических тканей и хлоропластов в теневых листьях меньше, но они более крупные, чем у гелиофитов. Побеги у светолюбивых растений часто с укороченными междоузлиями, сильно ветвящиеся, нередко розеточные.
Физиологические адаптации растений к свету проявляются в изменении ростовых процессов, интенсивности фотосинтеза, дыхания, транспирации, состава и количества пигментов. Известно, что у светолюбивых растений при недостатке света наблюдается вытягивание стеблей. В листьях тенелюбивых растений хлорофилла содержится больше, чем в светолюбивых, поэтому они имеют более насыщенную тёмно-зелёную окраску. Интенсивность фотосинтеза у гелиофитов максимальна при высокой освещённости (в пределах 500–1000 лк и более), а у сциофитов – при малом количестве света (50–200 лк).
Одной из форм физиологической адаптации растений к недостатку света является переход некоторых видов на гетеротрофное питание. Примером таких растений являются виды тенистых еловых лесов – гудайера ползучая, гнездовка настоящая, подъельник обыкновенный. Они живут за счёт мёртвых органических остатков, т.е. являются сапрофитами.
Сезонные адаптации растений к условиям освещённости проявляются в местообитаниях, где световой режим периодически изменяется. В этом случае растения в разные сезоны могут проявлять себя то как светолюбивые, то как теневыносливые. Например, весной в лиственных лесах листья побегов сныти обыкновенной имеют световую структуру и отличаются высокой интенсивностью фотосинтеза. Листья летних побегов сныти, развивающиеся после облиствения деревьев и кустарников, имеют типичную теневую структуру. Отношение к световому режиму у растений может изменяться в процессе онтогенеза и в результате комплексного влияния экологических факторов. Проростки и молодые растения многих луговых и лесных видов более теневыносливы, чем взрослые особи. Требования к световому режиму иногда меняются у растений, когда они оказываются в иных климатических и эдафических условиях. Например, лесные таёжные виды – черника, майник двулистный – в лесотундре и тундре хорошо растут на открытых местообитаниях.
Одним из факторов, регулирующих сезонное развитие организмов, является длина дня. Способность растений и животных реагировать на длину дня получила название фотопериодической реакции (ФПР), а круг явлений, регулируемых длиной дня, называется фотопериодизмом . По типу фотопериодической реакции выделяют следующие основные группы растений:
1. Растения короткого дня , которым для перехода к цветению требуется меньше 12 часов света в сутки. Это, как правило, выходцы из южных областей (хризантемы, георгины, астры, табак и др.).
2. Растения длинного дня – для цветения им нужна длина дня 12 и более часов (лён, овёс, картофель, редис).
3. Нейтральные к длине дня растения. Для них длина дня безразлична, цветение наступает при любой его длине (одуванчик, томаты, горчица и др.).
Длина дня влияет не только на прохождение растением генеративных фаз, но и на их продуктивность, устойчивость к инфекционным заболеваниям. Она также играет важную роль в географическом распространении растений и регулировании их сезонного развития. Виды, распространённые в северных широтах, преимущественно длиннодневные, а в тропиках и субтропиках в основном короткодневные или нейтральные. Однако эта закономерность не абсолютна. Так, в горах тропической и субтропической зон встречаются длиннодневные виды. Многие сорта пшеницы, льна, ячменя и других культурных растений, происходящие из южных районов, имеют ФПР длинного дня. Исследования показали, что при понижении температуры растения длинного дня могут нормально развиваться в условиях короткого дня.
Свет в жизни животных. Свет животным необходим для ориентации в пространстве, влияет также на процессы обмена веществ, на поведение, на жизненный цикл. Полнота зрительного восприятия окружающей среды зависит от уровня эволюционного развития. У многих беспозвоночных имеются лишь светочувствительные клетки, окружённые пигментом, а у одноклеточных – светочувствительный участок цитоплазмы. Наиболее совершенны глаза позвоночных, головоногих моллюсков и насекомых. Они позволяют воспринимать форму и размеры предметов, цвет, определять расстояние. Объёмное зрение характерно для человека, приматов, некоторых птиц (орлов, соколов, сов). Развитие зрения и его особенности зависят также от экологических условий и образа жизни конкретных видов. У обитателей пещер глаза могут быть полностью или частично редуцированы, как, например, у слепых жуков жужелиц, протеев и др.
Различные виды животных способны выдерживать освещение определённого спектрального состава, длительности и силы. Различают светолюбивые и тенелюбивые, эврифотные и стенофотные виды. Ночные и сумеречные млекопитающие (полёвки, мыши и др.) выносят прямое освещение солнцем всего в течение 5–30 мин, а дневные – несколько часов. Однако на ярком солнечном свету даже пустынные виды ящериц не могут долго выдерживать облучения, так как за 5–10 мин температура их тела поднимается до +50–56ºС и животные погибают. Освещение яиц многих насекомых ускоряет их развитие, но до определённых пределов (неодинаковых для различных видов), после чего развитие прекращается. Приспособлением к защите от излишней солнечной радиации являются пигментированные покровы некоторых органов: у рептилий – брюшная полость, органы размножения и др. Животные избегают чрезмерного облучения, уходя в убежища, скрываясь в тени и т.д.
Cуточные и сезонные смены светового режима определяют не только изменения активности, но и периоды размножения, миграции, линьки. Появление ночных и исчезновение дневных насекомых утром или вечером происходят при определённой для каждого вида яркости освещения. Например, мраморный хрущ появляется через 5–6 мин после захода солнца. Время пробуждения певчих птиц меняется в разные сезоны. В зависимости от освещённости меняются места охоты птиц. Так, дятлы, синицы, мухоловки днём охотятся в глубине леса, а утром и вечером – на открытых местах. Животные ориентируются с помощью зрения во время перелётов и миграций. Птицы с поразительной точностью выбирают направление полёта, ориентируясь по солнцу и звёздам. Такая их врождённая способность создаётся естественным отбором как система инстинктов. Способность к такой ориентации свойственна также и другим животным, например, пчёлам. Пчёлы, нашедшие нектар, передают другим информацию о том, куда лететь за взятком, используя в качестве ориентира солнце.
Световой режим ограничивает географическое распространение некоторых животных. Так, длинный день в течение летних месяцев в Арктике и умеренной зоне привлекает туда птиц и некоторых млекопитающих, так как позволяет им добыть нужное количество корма (синицы, поползни, свиристели и др.), а осенью они откочёвывают на юг. Обратное влияние оказывает световой режим на распространение ночных животных. На севере они редки, а на юге даже преобладают над дневными видами.
Температурный режим. От температурных условий зависит интенсивность всех химических реакций, составляющих обмен веществ. Поэтому границы существования жизни – это температуры, при которых возможно нормальное функционирование белков, в среднем от 0 до +50ºС. Однако эти пороги неодинаковы для разных видов организмов. Благодаря наличию специализированных ферментных систем некоторые организмы приспособились жить при температуре, выходящей за указанные пределы. Виды, приспособленные к жизни в холодных условиях, относят к экологической группе криофилов . У них в процессе эволюции возникли биохимические адаптации, которые позволяют поддерживать клеточный метаболизм при низких температурах, а также противостоять замерзанию или повышать устойчивость к нему. Противостоять замерзанию помогает накопление в клетках специальных веществ – антифризов, которые препятствуют образованию кристаллов льда в организме. Такие адаптации выявлены у некоторых арктических рыб семейства нототениевых, тресковых, которые плавают в водах Северного ледовитого океана, с температурой тела –1,86ºС.
Предельно низкая температура, при которой ещё возможна активность клеток, зафиксирована у микроорганизмов – до –10–12ºС. Устойчивость к замерзанию у некоторых видов связана с накапливанием в их теле органических веществ, таких, как глицерин, манит, сорбит, которые препятствуют кристаллизации внутриклеточных растворов, что позволяет переживать критические морозные периоды в неактивном состоянии (оцепенения, криптобиоза). Так, некоторые насекомые в таком состоянии выдерживают зимой до –47–50ºС. К криофилам относятся многие бактерии, лишайники, грибы, мхи, членистоногие и др.
Виды, оптимум жизнедеятельности которых приурочен к области высоких температур, относят к экологической группе термофилов .
Наиболее устойчивы к высоким температурам бактерии, многие из которых могут расти и размножаться при +60–75ºС. Некоторые бактерии, обитающие в горячих источниках, растут при температурах +85–90ºС, а у одного из видов архебактерий обнаружена способность к росту и делению при температурах, превышающих +110ºС. Спорообразующие бактерии могут выдерживать в неактивном состоянии +200ºС в течение десятков минут. Термофильные виды есть также среди грибов, простейших, растений и животных, но уровень их устойчивости к высоким температурам ниже, чем у бактерий. Высшие растения степей и пустынь могут переносить кратковременные нагревания до +50–60ºС, но фотосинтез у них тормозится уже температурами, превышающими +40ºС. При температуре тела +42–43ºС у большинства животных тепловая гибель наступает.
Температурный режим в наземной среде изменяется в широких пределах и зависит от множества факторов: широты местности, высоты над уровнем моря, близости водоёмов, времени года и суток, состояния атмосферы, растительного покрова и т.д. В ходе эволюции организмов выработались разнообразные приспособления, позволяющие регулировать обмен веществ при изменении температуры окружающей среды. Это достигается двумя путями: 1) биохимическими и физиологическими перестройками; 2) поддержанием температуры тела на более стабильном уровне, чем температура окружающей среды. Жизнедеятельность большинства видов зависит от тепла, поступающего извне, а температура тела – от хода внешних температур. Такие организмы называют пойкилотермными . К ним относятся все микроорганизмы, растения, грибы, беспозвоночные животные и большинство хордовых. Только птицы и млекопитающие способны поддерживать постоянную температуру тела независимо от температуры окружающей среды. Их называют гомойотермными .
Адаптации растений к температурному режиму. Устойчивость растений к изменениям температуры среды различна и зависит от конкретного местообитания, где протекает их жизнь. Высшие растения умеренно тёплого и умеренно холодного поясов эвритермны . Они переносят в активном состоянии колебания температуры от – 5 до +55ºС. В то же время есть виды, имеющие очень узкую экологическую валентность по отношению к температуре, т.е. являются стенотермными . Например, растения тропических лесов не переносят даже температуры +5–+8ºС. Некоторые водоросли на снегу и льду живут только при 0ºС. То есть потребности в тепле у различных видов растений неодинаковы и варьируют в довольно широких пределах.
Виды, обитающие в местах с постоянно высокими температурами, в процессе эволюции приобрели анатомо-морфологические и физиологические адаптации, направленные на предотвращение перегрева.
К основным анатомо-морфологическим адаптациям относятся: густое опушение листьев, блестящая поверхность листьев, способствующая отражению солнечных лучей; уменьшение площади листьев, их вертикальное положение, свёртывание в трубочку и др. Некоторые виды способны выделять соли, из которых на поверхности растений образуются кристаллы, отражающие падающие на них лучи солнца. В условиях достаточного увлажнения эффективным средством от перегрева является устьичная транспирация. Среди термофильных видов в зависимости от степени их устойчивости к высоким температурам можно выделить
1) нежаростойкие растения – повреждаются уже при +30–40ºС;
2) жаровыносливые – переносят получасовое нагревание до +50–60ºС (растения пустынь, степей, сухих субтропиков и др.).
Растения в саваннах и сухих жестколистных лесах регулярно испытывают влияние пожаров, когда температура может повышаться до сотен градусов. Устойчивые к пожарам растения называют пирофитами . Они имеют на стволах толстую корку, пропитанную огнеупорными веществами. Плоды и семена их имеют толстые, часто одревесневшие покровы.
Жизнь многих растений проходит в условиях низких температур. По степени адаптации растений к условиям крайнего дефицита тепла можно выделить следующие группы:
1) нехолодостойкие растения – сильно повреждаются или гибнут при температурах, не достигающих точки замерзания воды. К ним относятся растения тропических областей;
2) неморозостойкие растения – переносят низкие температуры, но гибнут, как только в тканях начинает образовываться лёд (некоторые вечнозелёные субтропические растения).
3) морозоустойчивые растения произрастают в областях с холодными зимами.
Повышают устойчивость к низким температурам такие морфологические адаптации растений, как низкорослость и особые формы роста – стелющиеся, подушкообразные, которые позволяют использовать микроклимат приземного слоя воздуха летом и быть защищёнными снежным покровом зимой.
Более существенное значение для растений имеют физиологические механизмы адаптации, повышающие их устойчивость к холоду: листопад, отмирание надземных побегов, накопление в клетках антифризов, уменьшение содержания воды в клетках и др. У морозоустойчивых растений в процессе подготовки к зиме в органах накапливаются сахара, протеины, масла, уменьшается содержание воды в цитоплазме и повышается её вязкость. Все эти изменения снижают точку замерзания тканей.
Многие растения способны сохранять жизнеспособность в промёрзшем состоянии, например фиалка альпийская, хрен арктический, мокрица, маргаритка, ранневесенние эфемероиды в лесной зоне и др.
Мхи и лишайники способны переносить длительное промерзание в состоянии анабиоза. Большое значение в адаптации растений к низким температурам имеет возможность сохранения нормальной жизнедеятельности путём снижения температурных оптимумов физиологических процессов и нижних температурных границ, при которых эти процессы возможны.
В умеренных и высоких широтах в связи с сезонным изменением климатических условий у растений в годичном цикле развития чередуются активные и покоящиеся фазы. Однолетние растения после завершения вегетации переживают зиму в виде семян, а многолетние переходят в состояние покоя. Различают глубокий и вынужденный покой. Растения, находящиеся в состоянии глубокого покоя, не реагируют на благоприятные тепловые условия. После окончания глубокого покоя растения готовы к возобновлению развития, но в природе зимой оно невозможно из-за низких температур. Поэтому эту фазу называют вынужденным покоем.
Адаптации животных к температурному режиму. По сравнению с растениями животные обладают более разнообразными возможностями регулировать температуру своего тела благодаря способности перемещаться в пространстве и производить гораздо больше собственного внутреннего тепла.
Основные пути адаптации животных:
1) химическая терморегуляция – это рефлекторное увеличение теплопродукции в ответ на понижение температуры среды, базируется на высоком уровне метаболизма;
2) физическая терморегуляция – осуществляется за счёт способности удерживать тепло благодаря особым чертам строения (наличие волосяного и перьевого покрова, распределение жировых запасов и др.) и изменения уровня теплоотдачи;
3) поведенческая терморегуляция – это поиск благоприятных местообитаний, перемена позы, сооружение убежищ, гнёзд и др.
Для пойкилотермных животных основным способом регулирования температуры тела является поведенческий. В сильную жару животные прячутся в тень, норы. По мере приближения зимы ищут убежища, строят гнёзда, снижают свою активность. Некоторые виды способны поддерживать оптимальную температуру тела за счёт работы мышц. Например, шмели разогревают тело специальными мышечными сокращениями, что даёт им возможность кормиться в прохладную погоду. Некоторые пойкилотермные животные избегают перегрева, усиливая потерю тепла через испарение. Например, лягушки, ящерицы в жаркую погоду начинают тяжело дышать или держат рот открытым, усиливая испарение воды через слизистые оболочки.
Гомойотермные животные отличаются очень эффективной регуляцией поступления и отдачи тепла, что позволяет им поддерживать постоянную оптимальную температуру тела. Механизмы терморегуляции у них очень разнообразны. Им свойственна химическая терморегуляция , отличающаяся высокой интенсивностью обмена веществ и выработкой большого количества тепла. В отличие от пойкилотермных животных, у теплокровных при действии холода окислительные процессы не ослабевают, а усиливаются. У многих животных образуется дополнительное тепло за счёт мышечной и жировой ткани. У млекопитающих есть специализированная бурая жировая ткань, в которой вся освобождающаяся энергия идёт на обогревание организма. Она наиболее развита у животных холодного климата. Поддержание температуры тела за счёт возрастания выработки тепла требует большого расхода энергии, поэтому животные при усилении химической регуляции нуждаются в большом количестве пищи либо тратят много жировых запасов. Поэтому усиление химической регуляции имеет пределы, обусловленные возможностью добывания корма. При недостатке корма зимой такой путь терморегуляции экологически невыгоден.
Физическая терморегуляция экологически более выгодна, так как адаптация к холоду осуществляется за счёт сохранения тепла в теле животного. Факторами её являются кожные покровы, густой мех млекопитающих, перьевой и пуховой покров птиц, жировые отложения, испарение воды путём потоотделения или через слизистые оболочки полости рта и верхних дыхательных путей, размеры и форма тела животного. Для уменьшения теплоотдачи выгоднее крупные размеры тела (чем крупнее тело, тем меньше его поверхность на единицу массы, а, следовательно, и теплоотдача, и наоборот). По этой причине особи близкородственных видов теплокровных животных, обитающие в холодных условиях, имеют более крупные размеры, чем те, которые распространены в тёплом климате. Эта закономерность получила название правила Бергмана . Регулирование температуры осуществляется также через выступающие части тела – ушные раковины, конечности, хвосты, органы обоняния. В холодных районах, они, как правило, меньше по размерам, чем в более тёплых (правило Аллена ). Для гомойотермных организмов важное значение имеют также поведенческие способы терморегуляции , которые очень разнообразны – от изменения позы и поисков укрытий до сооружения сложных убежищ, гнёзд, осуществления ближних и дальних миграций. Некоторые теплокровные животные в целях терморегуляции используют групповое поведение . Например, пингвины в сильный мороз сбиваются в плотную кучу. Внутри такого скопления температура поддерживается около +37ºС даже в самые сильные морозы. Верблюды в пустыне в сильную жару также сбиваются в кучу, но этим достигается предотвращение сильного нагревания поверхности тела.
Сочетание различных способов химической, физической и поведенческой терморегуляции позволяет теплокровным животным поддерживать постоянную температуру тела в широком диапазоне колебаний температурного режима окружающей среды.
Водный режим. Нормальная жизнедеятельность организма возможна только при достаточном обеспечении его водой. Режимы влажности в наземно-воздушной среде очень разнообразны – от полного насыщения воздуха водяными парами во влажных тропиках до почти полного отсутствия влаги в воздухе и в почве пустынь. Например, в Синайской пустыне годовое количество осадков составляет 10–15 мм, а в Ливийской пустыне (в Асуане) их не бывает вовсе. Водоснабжение наземных организмов зависит от режима выпадения осадков, наличия запасов почвенной влаги, водоёмов, уровня грунтовых вод, рельефа местности, особенностей циркуляции атмосферы и т. д. Это привело к развитию у наземных организмов множества адаптаций к различным режимам влажности местообитаний.
Адаптации растений к водному режиму. Низшие наземные растения поглощают воду из субстрата погружёнными в него частями таллома или ризоидами, а влагу из атмосферы – всей поверхностью тела.
Среди высших растений мхи поглощают воду из почвы ризоидами или нижней частью стебля (сфагновые мхи), а большинство других – корнями. Поступление воды в растение зависит от величины сосущей силы клеток корня, степени разветвлённости корневой системы и глубины проникновения корней в почву. Корневые системы очень пластичны и реагируют на изменение условий, в первую очередь увлажнения.
При недостатке влаги в поверхностных горизонтах почвы у многих растений корневые системы проникают глубоко в почву, но слабо ветвятся, как, например, у саксаула, верблюжьей колючки, сосны обыкновенной, василька шероховатого и др. У многих злаков, наоборот, корневые системы сильно ветвятся и разрастаются в поверхностных слоях почвы (у ржи, пшеницы, ковылей и др.). Поступившая в растение вода проводится по ксилеме по всем органам, где расходуется на жизненные процессы. В среднем 0,5% идёт на фотосинтез, а остальное – на восполнение потерь от испарения и поддержание тургора. Водный баланс растения остаётся уравновешенным в том случае, если поглощение воды, её проведение и расходование гармонично согласованы друг с другом. В зависимости от способности регулировать водный баланс своего тела наземные растения делят на пойкилогидридные и гомойогидридные .
Пойкилогидридные растения не способны активно регулировать свой водный баланс. У них нет приспособлений, способствующих удержанию воды в тканях. Содержание воды в клетках определяется влажностью воздуха и зависит от её колебания. К пойкилогидридным растениям относятся наземные водоросли, лишайники, некоторые мхи и папоротники тропических лесов. В засушливый период эти растения высыхают почти до воздушно-сухого состояния, но после дождя вновь «оживают» и зеленеют.
Гомойогидридные растения способны поддерживать на относительно постоянном уровне содержание воды в клетках. К ним относится большинство высших наземных растений. У них в клетках есть крупная центральная вакуоль, благодаря чему всегда имеется запас воды. Кроме того, транспирация регулируется устьичным аппаратом, а побеги покрыты эпидермой с малопроницаемой для воды кутикулой.
Однако способности растений регулировать свой водный обмен неодинаковы. В зависимости от их приспособленности к условиям влажности местообитаний выделяют три основные экологические группы: гигрофиты, ксерофиты и мезофиты.
Гигрофиты – это растения влажных местообитаний: болот, сырых лугов и лесов, берегов водоёмов. Они не выносят водного дефицита, на уменьшение влажности почвы и воздуха реагируют быстрым завяданием или угнетением роста. Листовые пластинки у них широкие, не имеющие толстой кутикулы. Клетки мезофилла располагаются рыхло, между ними имеются крупные межклетники. Устьица у гигрофитов обычно широко раскрыты и располагаются нередко с обеих сторон листовой пластинки. В связи с этим интенсивность транспирации у них очень высокая. У некоторых растений сильно увлажнённых местообитаний избыток воды удаляется через гидатоды (водяные устьица), расположенные по краю листа. Избыточное увлажнение почвы приводит к уменьшению содержания в ней кислорода, что затрудняет дыхание и всасывающую функцию корней. Поэтому корни гигрофитов располагаются в поверхностных горизонтах почвы, они слабо ветвятся, и на них мало корневых волосков. В органах многих травянистых гигрофитов хорошо развита система межклетников, по которым поступает атмосферный воздух. У растений, обитающих на сильно переувлажнённых почвах, периодически заливаемых водой, образуются особые дыхательные корни, как, например, у болотного кипариса, или опорные, как у мангровых древесных растений.
Ксерофиты способны в активном состоянии переносить значительную продолжительную сухость воздуха и почвы. Они широко распространены в степях, пустынях, сухих субтропиках и т.д. В зоне умеренного климата поселяются на сухих песчаных и супесчаных почвах, на повышенных участках рельефа. Способность ксерофитов переносить недостаток влаги обусловлена их анатомо-морфологическими и физиологическими особенностями. По этим признакам их делят на две группы: суккуленты и склерофиты .
Суккуленты – многолетние растения с сочными мясистыми листьями или стеблями, в которых сильно развита водозапасающая ткань. Различают листовые суккуленты – алоэ, агавы, очитки, молодило и стеблевые, у которых листья редуцированы, а наземные части представлены мясистыми стеблями (кактусы, некоторые молочаи). Отличительной особенностью суккулентов является способность запасать большое количество воды и крайне экономно её расходовать. Интенсивность транспирации у них очень низкая, так как устьиц очень мало, они часто погружены в ткань листа или стебля и днём обычно закрыты, что помогает им ограничивать расход воды. Закрывание устьиц днём приводит к затруднению процессов фотосинтеза и газообмена, поэтому у суккулентов выработался особый путь фотосинтеза, при котором частично используется углекислый газ, выделяющийся в процессе дыхания. В связи с этим интенсивность фотосинтеза у них невелика, с чем связаны медленный рост и довольно низкая конкурентоспособность. Для суккулентов характерно низкое осмотическое давление клеточного сока, за исключением тех, которые растут на засолённых почвах. Корневые системы у них поверхностные, сильно разветвлённые и быстро растущие.
Склерофиты – это растения жёсткие, сухие на вид благодаря большому количеству механической ткани и слабой обводнённости листьев и стеблей. Листья у многих видов мелкие, узкие или редуцированы до чешуек, колючек; часто имеют густое опушение (кошачья лапка, лапчатка серебристая, многие полыни и др.) или восковой налёт (василёк русский и др.). Корневые системы у них хорошо развиты и нередко по общей массе во много раз превышают надземные части растений. Успешно выдерживать недостаток влаги склерофитам помогают и разнообразные физиологические адаптации: высокое осмотическое давление клеточного сока, устойчивость к обезвоживанию тканей, высокая водоудерживающая способность тканей и клеток, обусловленная высокой вязкостью цитоплазмы. Многие склерофиты используют для вегетации наиболее благоприятные периоды года, а при наступлении засухи резко снижают процессы жизнедеятельности. Все перечисленные свойства ксерофитов способствуют повышению их засухоустойчивости.
Мезофиты произрастают в средних условиях увлажнения. Они более требовательны к влаге, чем ксерофиты, и менее, чем гигрофиты. Ткани листа мезофитов дифференцированы на столбчатую и губчатую паренхиму. Покровные ткани могут иметь некоторые ксероморфные черты (редкое опушение, утолщённый слой кутикулы). Но они менее ярко выражены, чем у ксерофитов. Корневые системы могут глубоко проникать в почву или располагаться в поверхностных горизонтах. по своим экологическим потребностям мезофиты – очень разнообразная группа. Так, среди луговых и лесных мезофитов есть виды с повышенным влаголюбием, для которых свойственны высокое содержание воды в тканях и довольно слабая водоудерживающая способность. Таковы лисохвост луговой, мятлик болотный, луговик дернистый, голокучник Линнея и многие другие.
В местообитаниях с периодическим или постоянным (небольшим) недостатком влаги мезофиты имеют признаки ксероморфной организации и повышенную физиологическую устойчивость к засухе. Примером таких растений являются дуб черешчатый, клевер горный, подорожник средний, люцерна серповидная и др.
Адаптации животных. По отношению к водному режиму среди животных можно выделить гигрофилы (влаголюбивые), ксерофилы (сухолюбивые) и мезофилы (предпочитающие средние условия увлажнения). Примером гигрофилов являются мокрицы, комары, ногохвостки, стрекозы и др. Все они не выносят значительного водного дефицита и плохо переносят даже кратковременную засуху. Ксерофильны вараны, верблюды, пустынная саранча, жуки-чернотелки и др. Они заселяют самые засушливые местообитания.
Животные получают воду через питьё, пищу и за счёт окисления органических веществ. В питьевой воде нуждаются многие млекопитающие и птицы (слоны, львы, гиены, ласточки, стрижи и др.). Без питьевой воды могут обходиться такие пустынные виды, как тушканчики, африканские песчанки, американская кенгуровая крыса. Исключительно за счёт метаболической воды живут гусеницы платяной моли, амбарный и рисовый долгоносики и многие другие.
Для животных характерны способы регулирования водного баланса: морфологический, физиологический, поведенческий .
К морфологическим способам поддержания водного баланса относятся образования, способствующие удержанию воды в теле: раковины наземных улиток, ороговевшие покровы пресмыкающихся, слабая водопроницаемость покровов у насекомых и др. Показано, что проницаемость покровов насекомых не зависит от структуры хитина, а определяется тончайшим восковым слоем, покрывающим его поверхность. Разрушение этого слоя резко повышает испарение через покровы.
К физиологическим приспособлениям регуляции водного обмена относятся способность к образованию метаболической влаги, экономия воды при выделении мочи и фекалий, выносливость к обезвоживанию организма, изменение потоотделения и отдачи воды через слизистые. Экономия воды в пищеварительном тракте достигается всасыванием воды кишечником и образованием практически обезвоженных фекалий. У птиц и рептилий конечным продуктом азотистого обмена является мочевая кислота, для выведения которой практически не расходуется вода. Активная регуляция потоотделения и испарения влаги с поверхности дыхательных путей широко используется гомойотермными животными. Например, у верблюда в наиболее экстремальных случаях дефицита влаги прекращается потоотделение и резко сокращается испарение с дыхательных путей, что ведёт к удержанию воды в организме. Испарение, связанное с необходимостью терморегуляции, может служить причиной обезвоживания организма, поэтому многие мелкие теплокровные животные в сухом и жарком климате избегают воздействия жары и экономят влагу, укрываясь под землёй.
У пойкилотермных животных повышение температуры тела вслед за нагреванием воздуха позволяет избегать излишних потерь воды, однако они не могут полностью избежать потерь на испарение. Поэтому и для холоднокровных животных основной путь сохранения водного баланса при жизни в аридных условиях – это избегание излишних тепловых нагрузок. Поэтому в комплексе приспособлений к водному режиму наземной среды большое значение имеют поведенческие способы регуляции водного баланса. К ним относятся специальные формы поведения: рытьё нор, поиски водоёмов, выбор мест обитания и др. Это особенно важно для травоядных и зерноядных животных. Для многих из них наличие водоёмов – обязательное условие заселения засушливых районов. Например, распределение в пустыне таких видов, как капский буйвол, водяной козёл, некоторых антилоп, полностью зависит от наличия водопоев. Многие рептилии и мелкие млекопитающие обитают в норах, где относительно низкая температура и высокая влажность способствуют водному обмену. Птицы нередко используют дупла, тенистые кроны деревьев и т.п.
Любая среда обитания – это сложная система, которая отличается своим уникальным набором абиотических и биотических факторов, которые, по сути, и формируют эту среду. Эволюционно наземно-воздушная среда возникла позднее водной, что связано с химическими преобразованиями состава атмосферного воздуха. Большая часть организмов, имеющих ядро обитает в наземной среде, что связано с большим разнообразием природных зон, физических, антропогенных, географических и других, определяющих факторов.
Характеристика наземно-воздушной среды
Эта среда состоит из верхних слоев почвы (до 2 км в глубь ) и нижних атмосферы (до 10 км ). Среда отличается большим разнообразием разных форм жизни. Среди беспозвоночных можно отметить: насекомых, немногочисленные виды червей и моллюсков, конечно преобладают позвоночные животные. Высокое содержание кислорода в воздухе, обусловило эволюционное изменение системы органов дыхания и наличие более интенсивного обмена веществ.
Атмосфера обладает недостаточной и часто изменчивой влажностью, что часто лимитирует распространения живых организмов. В регионах с высокой температурой и небольшой влажность у эукариота возникают разнообразные идиоадаптации, целью которых является сохранение жизненно необходимого уровня воды (преобразование листов растения в иголки, накопление жира в горбах верблюда).
Для наземных животных характерным является явление фотопериодизма , таким образом большая часть животных активны только днем или только ночью. Также для наземной среды характерна значительная амплитуда колебаний температуры, влажности и интенсивности света. Изменение этих факторов связано с географическим расположением, сменой сезонов, временем суток. В связи с невысокой плотностью и давлением атмосферы сильно развилась и усложнилась мышечная и костная ткани.
У позвоночных появились сложные конечности, адаптированные для поддержания тела и передвижения по твердому субстрату в условиях не большой плотности атмосферы. У растений прогрессивная корневая система, позволяющая закрепится в почве и транспортировать вещества на значительную высоту. Также у наземных растений развиты механические, основные ткани, флоэма и ксилема. Большинство растений имеют адаптации, защищающие их от избыточной транспирации.
Почва
Хотя почву и относят к наземно-воздушной среде обитания, она сильно отличается от атмосферы по своим физическим свойствам:
- Большая плотность и давление.
- Недостаточное количество кислорода.
- Невысокая амплитуда колебаний температуры.
- Низкая интенсивность света.
В связи с этим подземные обитатели имеют свои адаптации, отличимые от наземных животных.
Водная среда обитания
Среда, включающая в себя всю гидросферу, как соленые так и пресные водоемы. Эта среда характеризуется меньшим разнообразием жизни и своими особыми условиями. Ее населяют, мелкие беспозвоночные, что образуют планктон, хрящевые и костные рыбы, черви моллюски, немногочисленные виды млекопитающих
Концентрация кислорода значительно зависит от глубины. В местах соприкосновения атмосферы и гидросферы кислорода и света значительно больше чем на глубине. Высокое давление, что на больших глубинах в 1000 раз превышает атмосферное, обусловливает форму тела большинство подводных обитателей. Амплитуда изменения температуры небольшая, поскольку теплоотдача воды значительно меньшая чем у земной поверхности.
Отличия водной и наземно-воздушной среды
Как уже было сказано, основные отличительные черты разных сред обитания определяются абиотическими факторами . Наземно-воздушная среда отличается большим биологическим разнообразием, высокой концентрацией кислорода, изменчивой температурой и влажностью, которые и являются основными лимитирующими факторами расселения животных и растений. Биологические ритмы зависят от длительности светового дня, сезона и природной-климатической зоны. В водной среде большинство питательных органических веществ размещены в толще воды или на ее поверхности, лишь не большая доля располагается на дне, в наземно-воздушной среде все органические вещества расположены на поверхности.
Наземные жители отличаются лучшим развитием сенсорных систем и нервной системы в целом, также значительно изменились опорно-двигательная, кровеносная и дыхательная системы. Сильно отличаются кожные покровы, поскольку они функционально разные. Под водой распространены низшие растения (водоросли), которые в большинстве случаев не имеют настоящих органов, к примеру органами крепления служат ризоиды. Распространение водных жителей часто связано с теплыми подводными течениями. На ряду с отличиями этих сред обитания, существуют животные, которые приспособились для жизни к обеим. К таким животным относятся Земноводные.
