Среды жизни

Размещено на http://www.allbest.ru

ЛЕКЦИЯ: СРЕДЫ ЖИЗНИ

1. Водная среда

Организмы освоили четыре среды жизни, существенно различающиеся по специфике физико-химических условий: водную, наземно-воздушную, почву, живые организмы.

Водная среда является первой, самой древней и наиболее обширной средой жизни (71% площади земного шара). Жизнь в ней распространилась по всей ее толще. Водная среда более однородна, чем суша, и по разнообразию форм (150000 видов животных и 10000 видов растений) значительно уступает наземно-воздушной среде

Вода обладает рядом уникальных термодинамических свойств, связанных с малыми размерами молекулы, ее полярностью и наличием водородных связей. среда жизнь водный воздушный почва организм

Свойства воды:

1) высокая удельная теплоёмкость (на нагревание 1 мл воды на 1 °С расходуется 1 кал тепла) - в 4 раза большая, чем удельная теплоемкость воздуха. Как следствие - водоёмы аккумулируют тепло (Мировой океан поглощают солнечной энергии в 2 раза больше, чем суша).

2) высокая скрытая теплота парообразования (при испарении 1 г воды поглощается 536 кал). Как следствие - водоемы не перегреваются, а медленно нагреваются, а отдавая тепло медленно остывают, чем в значительной степени ослабляют годовые, суточные и даже часовые колебания температурных режимов.

3) изменение плотности. При замерзании вода уменьшает свою плотность (лед легче воды, его плотность меньше единицы), что предохраняет водоемы от сплошного промерзания, так как их поверхность покрывается льдом. Процесс замерзания сопровождается выделением значительного количества тепла, которое замедляет образование ледяного покрова. Наибольшей плотностью вода обладает при температуре 4 °С, чем обеспечивается процесс перемешивания и замерзания водных масс.

4) практически несжимаема. Её состояние на дне океана мало чем отличается от состояния в поверхностных слоях.

5) самое большое поверхностное натяжение. Благодаря силам когезии вода легко передвигается по сосудам, а мелкие организмы удерживаются или легко скользят по ее поверхности.

6) слабая испаряемость.

7) универсальный растворитель (в биосфере никогда не бывает химически чистой).

Специфику водной среды составляют подвижность воды, большая плотность, свет, малое содержание кислорода, температурный режим, соленость, наличие взвешенных частиц.

1) Подвижность. Определяет перемешивание вод, выравнивание температурного режима, обеспечение гидробионтов кислородом и питательными веществами, а также в некоторой степени возможность их перемещения.

2) Плотность. По плотности вода примерно в 800 раз превосходит воздушную среду, а давление на каждые 10 м глубины возрастает на 1 атм, достигая в придонных слоях глубоководных водоемов до 1000 атм. Плотность воды позволяет растениям со слабым развитием механической ткани и бесскелетным формам животных находиться во взвешенном состоянии.

3) Свет. Это лимитирующим фактор, ограничивающий распространение растений в водной толще. Океаническая толща по мере поглощения света водой (красные лучи поглощаются у самой поверхности, а наиболее глубоко проникают сине-зеленые лучи) делится на следующие зоны:

а) освещенная, или эуфотическая, зона (до 200 м в чистых водоемах). Это зона фотосинтеза;

б) сумеречная, или дисфотическая, зона (до 1000-1500 м);

в) тёмная, или афотическая, зона (глкбже 2000 м).

При недостатке света зелёные водоросли с глубиной сменяются бурыми (содержат хлорофилл и пигменты фикофеин и фукоксантин), а они - красными (хлорофиллы а и b, каротины, ксантофилы, фикоэритрин и фикоцианин). Для животных, низших растений, бактерий, живущих в темной толще воды, характерно явление свечения - биолюминесценции (окисление люциферинов с помощью белковых катализаторов люцифераз.

Освещенность водоемов зависит от количества взвешенных минеральных и органических частиц, а также от сезона года.

4) Малое содержание кислорода (до 10 мл в 1 л). В атмосфере - в 21 раз больше. Основные источники кислорода - фотосинтез и диффузия из воздуха. Диффундирует кислород очень медленно (10 м за 11 лет). Концентрация повышается от экватора к полюсам (уменьшается температура) и уменьшается с глубиной, повышением температуры, солености воды и при замерзании.

Недостатка в углекислом газе растения не испытывают (в 60 раз больше, чем в атмосфере). Содержание СО₂, постепенно увеличивается с глубиной.

5) Устойчивый температурный режим. Среднегодовая температура поверхностных слоев экваториальных вод около 27°С, полярных вод -- около 0°С. С глубиной температура воды в океанах постепенно падает и на глубине 1 км не превышает 4°С, а на глубже колеблется от -1,8 до +2 °С.

Зона между верхними слоями воды с выраженными сезонными колебаниями температуры и нижними слоями воды с постоянным тепловым режимом - термоклин (наиболее выражен в теплых морях).

6) Соленость. Определяется содержанием карбонатов, сульфатов, хлоридов и др. Концентрация солей в 1 л воды пресноводных водоемов не превышает 0,5‰, в морях и океанах - до 35‰. Так как пресноводные организмы гипертоничны по отношению к среде им постоянно угрожает излишнее обводнение в результате осмоса, они не потребляют воду и имеют хорошо развитую выделительную систему. Гидробионты солёных водоемов, наоборот, гипотоничны по отношению к среде и во избежание обезвоживания путем оттока воды, вынуждены постоянно пить солёную воду. По причине этих биологических особенностей пресноводные виды не могут жить в морях, а морские - не переносят опреснения.

2. Наземно-воздушная среда

Включает часть атмосферы и поверхность земли, которая служит местом прикрепления, размножения растений и животных. Воздух не может обеспечить организму твёрдой опоры и наземные организмы обладают опорной системой (механические ткани у растений, скелеты у животных). Опорой и одновременно источником воды и минеральных веществ для наземных растений служит почва. Малая плотность воздуха определяет его малую подъемную силу. Воздух оказывает слабое сопротивление передвижению организмов по земле, благоприятствует полёту в воздухе, но затрудняет подъем по вертикали.

С высотой давление воздуха понижается, обеспеченность кислородом уменьшается, что ведет к учащению дыхания и обезвоживанию (высота 6 км - верхняя граница жизни животных).

Среда неоднородна по горизонтали и вертикали и прерывна. Физическими барьерами служат горы, реки, пустыни.

Специфические особенности: хорошая обеспеченность светом, постоянство и высокое содержании кислорода (до 21%), азота (78,1%) и других газов, постоянное движение воздушных масс (ветер, бури, ураганы), осадки (ливневые или моросящие дожди, снег), значительные колебания температурного режима.

Количество тепла, как и количество выпадающих осадков, зависит от широты местности, сезона года и даже времени суток. Влажность в наземно-воздушной среде - важный лимитирующий фактор.

Распределения солнечной энергии по широте и высоте, неравномерность увлажнения (на суше) определяют явление географической зональности и вертикальной поясности. Годовая температура понижается при движении с юга на север на каждые 100 км (или 1° широты) на 0,5 °С, а с поднятием в горы - на 0,6 °С на каждые 100 м. Зональный характер носят основные природные процессы: климатические, гидрологические, геохимические, эдафические, геоморфологические, биогеографические и др.

В соответствии с явлением зональности и поясности хорошо выражена дифференциация географической оболочки Земли. В северном полушарии выделяют природные зоны: ледовую, тундровую, лесотундровую, хвойных лесов, или таежную, широколиственных лесов, лесостепную, степную, полупустынную, пустынную умеренную, субтропических лесов, пустынную тропическую, саванную и экваториальных лесов. От подножья гор к вершинам, подобно широтной зональности, проявляется вертикальная поясность. Зоны и пояса отличаются определенным сочетанием тепла и влаги, характерным типом почв.

Природными особенностями зон и поясов в значительной степени определяются биоразнообразие, образ жизни и характер адаптации организмов.

3. Почва как среда жизни

Образование почвы связано с литогенным процессом, ведущим к образованию глинистых минералов, и процессом биогенным, способствующим образованию гумуса - устойчивого органического вещества. Сначала влажные участки суши заселялись цианобактериальными, затем альгобактериальными и альгогрибными сообществами. Почва как корнеобитаемая система начала формироваться с появлением сосудистых растений. Она примерно 450 млн лет назад сменила древнюю кору выветривания.

Твёрдые частицы почвы окружены воздухом и водой, поэтому она обладает рядом специфических физических свойств и существенно отличается от других сред жизни. От горных пород почва отличается особым качественным свойством - плодородием. Почва обладает определенными водно-воздушным и температурным режимами и рядом специфических свойств.

Почва соприкасается с подстилающей горной породой, атмосферой, поверхностными и подземными водами. Между почвой и этими природными телами, а также растениями и животными происходит постоянный обмен веществом и энергией.

Почва является трёхфазной системой:

1) Твёрдая фаза почвы подразделяется на:

а) органическую;

б) минеральную;

в) органоминеральную;

2) Воздушная фаза подразделяется на:

а) газообразную;

б) парообразную;

3) Водная фаза почвы включает в себя воду:

а) свободную:

- гравитационная (скапливается в крупных порах, удерживается в почве с силой менее 0,3 атм., просачивается сквозь почву под действием силы тяжести (нисходящий ток), легко доступна животным и растениям. Дойдя до водонепроницаемого слоя, вода начинает накапливаться над ним и становится грунтовой);

- капиллярная (заполняет почвенные поры диаметром 0,2-8,0 мкм, легко испаряется, передвигается по порам (восходящий ток) и используется растениями);

б) сорбционно связанная:

- гигроскопическая (сорбируется почвой из паров, находящихся в воздухе. Она окружает почвенные частицы в виде пленки, прочно удерживается силами притяжения этих частиц, не передвигается и недоступна для использования);

- рыхлосвязанная, или плёночная (располагается на поверхности плёнки гигроскопической воды, заметно утолщая ее, может переходить от почвенных частиц с более толстой пленкой к частицам, у которых пленка тоньше (плёночное передвижение))

Размещено на http://www.allbest.ru

Почвенная влага представляет собой раствор. Его состав и концентрация зависят от характера почвы. Важнейшим показателем почвенной среды является реакция рН почвенного раствора.

Известковые, засолённые почвы имеют рН почвенного раствора >7, а сфагнумовые торфяники - <4. Кислотность существенно влияет на рост растений и жизнь животных.

Для водного, воздушного и температурного режимов почвы, а следовательно, для жизни организмов, большое значение имеют сложение, структура и порозность почвы:

1) Сложение почвы. Отражает степень и характер её плотности и порозности. Сложение определяется гранулометрическим составом почвенных компонентов, химическим составом и влажностью. Наиболее благоприятны для жизни организмов почвы с рыхлым сложением в отличие от почв плотного и очень плотного сложения.

2) Структура почвы. Определяется степенью выраженности отдельностей (агрегатов), которые имеют разную форму (кубовидную, призмовидную, плитовидную) и величину (от 1 мм до 10 см). Агрегирование определяется физическими процессами, корневой системой растений, жизнедеятельностью почвенных организмов, наличием в почве гумуса, глинистого вещества, ионов кальция и магния, гидроксидов железа и алюминия, зависит также от механического состава почвы и степени ее обработки. Структурные почвы обладают благоприятным водно-воздушным режимом и максимально наполнены жизнью.

3) Порозность почвы, или скважность. Характеризуется наличием полостей (пор) между частицами почвы и зависит от структуры почвы, ее плотности. Количество пор и их размеры уменьшаются с глубиной. Порозностью обеспечивается циркуляция воды и воздуха, жизнь и передвижение животных в почве. Почва с низкой порозностью менее всего пригодна для жизни.

Почвенный воздух содержит всегда меньше кислорода и больше углекислоты, чем воздух атмосферный. Количество кислорода уменьшается с глубиной, повышением влажности и температуры почвы. При пониженных температурах кислород более интенсивно заполняет пространства между почвенными частицами. Количество углекислого газа с глубиной, как правило, возрастает. При избыточном увлажнении, гниении растительных остатков в почве могут создаваться анаэробные условия, накапливаться аммиак, сероводород, метан и другие токсические газы.

Большое значение имеет температурный режим почвы. Основным источником тепла является солнечная радиация. Некоторое количество тепла почва получает от воздуха в результате разложения органических остатков и из недр земли. Резкие температурные колебания затрагивают только самые верхние ее слои и на глубине более 1 м заметно сглаживаются. Почва обладает способностью поглощать тепло, но ее теплоемкость значительно ниже теплоемкости воды.

4. Живые организмы как среда жизни

В процессе развития живых организмов сформировалась особая биотическая среда. Предпосылками для её возникновения послужила гомеостазированность организмов. Явление проживания в среде организма получило широкое распространение.

Особенности организма как среды:

1) постоянство физико-химических параметров;

2) неограниченный запас пищи;

3) укрытие от потенциальных врагов;

4) ограниченное жизненное пространство;

5) недостаточное обеспечение кислородом;

6) защитные реакции организма хозяина.

5. Биологические ритмы

Живые организмы для распределения своих функций во времени и «программирования» жизненных циклов используют естественную периодичность абиотических факторов, чтобы как можно более оптимально использовать благоприятные условия.

Многие формы поведения организмов повторяются с регулярными интервалами. Главный признак ритмических процессов - их повторяемость. Ритмы, регистрируемые в живом мире, именуются биологическими. Биологические ритмы - это регулярные количественные и связанные с ними качественные изменения биологических процессов, происходящие на разных уровнях организации живого: молекулярно-генетическом, клеточном, тканевом, органном, организменном, популяционно-биосферном. По степени зависимости от внешних условий биоритмы разделяют на экзогенные и эндогенные.

Экзогенные ритмы регулируются внешними факторами (зависят от ритмики геофизических и космических факторов: фотопериодизма, температуры окружающей среды, атмосферного давления, ритма космического излучения, гравитации и т.д.).

Эндогенные ритмы задаются внутренними часами, или водителями ритма. Эндогенные активные ритмы совершаются при постоянных внешних условиях, лежащих в нормальных пределах для жизнедеятельности. К ним относятся многие микроритмы и все экологические ритмы.

Следует отметить, что большинство биологических ритмов смешанные, т.е. частично эндогенные и частично экзогенные.

В условиях относительного постоянства геофизических факторов установлены ритмы жизнедеятельности с периодом не строго в 24 ч, а несколько большими или меньшими. Такие околосуточные ритмы, легко синхронизирующиеся с суточными геофизическими факторами называются циркадными (или циркадианными - от лат. circa - около, dies -день), или околосуточными ритмами.

Ритмичность биологических процессов определяют биологические, или физиологические часы. Биологические часы - это способность организмов реагировать на интервалы времени и явления, связанные с этими интервалами.

Надежный сигнал, по которому организмы умеренной зоны упорядочивают во времени свою активность, - это длина дня, или фотопериод.

Фотопериодизм - реакция организмов на суточный ритм освещения, соотношение длительности дня и ночи, выражающаяся в изменении процессов роста и развития.

Явление фотопериодизма было открыто в 1920 г. американскими учеными К. Гертнером и Г. Аллардом на растениях табака.

У растений цветение, образование плодов или семян, листопад и прорастание семян тесным образом связаны с сезонными изменениями длины дня и температуры. Некоторым растениям нужен длинный день (растения длинного дня, зацветание и плодоношение которых наступает при 8-12-часовом освещении), другим - короткий (для цветения нужна продолжительность дня 12 ч и более), а некоторые - зацветают независимо от длины дня (растения нейтральные в отношении фотопериода).

Размещено на Allbest.ru