Влияние среды на организм

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Экология»

на тему «Влияние среды на организм»

Современная экология - самостоятельная научная отрасль, включающая в себя большое число разделов и подразделов и изучающая широкий спектр вопросов. При этом одной из основных задач экологии, начиная с ее становления как науки, является изучение взаимоотношений между живыми организмами и окружающей средой.

Живые организмы образуют живое вещество биосферы или биоту Земли. В настоящее время описано около 2 млн видов организмов, при этом фактическое многообразие жизни на планете оценивается в 10-20 млн видов.

Живые организмы и их объединения - открытые системы. Организмы постоянно создают из беспорядка упорядоченность. В них создается и поддерживается физическое и химическое неравновесие, на котором основана работоспособность живых систем. В процессе индивидуального развития (онтогенеза), так же как и в процессе эволюционного развития (филогенеза), все время образуются новые структуры, т. е. достигается состояние более высокой упорядоченности. Это кажущееся противоречие с законом возрастания энтропии (вторым законом термодинамики) объясняется тем, что организмы - не изолированные, а открытые системы (биосистемы), непрерывно обменивающиеся веществом и энергией с окружающей средой. Обмен веществ, с точки зрения, термодинамики необходим для того, чтобы препятствовать увеличению энтропии, обусловленному необратимыми процессами в системе. Живые организмы питаются "отрицательной энтропией", т. е. переносят упорядоченность (отрицательную энтропию) из питательных веществ в самих себя. Таким образом, живые организмы могут создавать внутри себя упорядоченность только за счет того, что они уменьшают упорядоченность в окружающей их среде.

На протяжении всей жизни (отногенеза) и эволюции (филогенеза) биосистемы находятся в постоянном взаимодействии со средой обитания, образуя систему "организм - среда".

Среда - это часть природы, окружающая живые организмы и оказывающая на них прямое или косвенное воздействие. Из среды организмы получают все необходимое для жизни и в нее выделяют продукты метаболизма. Среда каждого организма слагается из элементов неорганической и органической природы.

Выделяют абиотическую среду, биотическую, биогенную, биологическую, географическую, геологическую, антропогенную, техногенную, культурную и др. Так, биологическая среда - совокупность живых организмов, в системе которых находится рассматриваемый организм; биотическая среда - силы и явления природы, обязанные своим происхождением жизнедеятельности ныне живущих организмов; биогенная среда - совокупность биологической и биотической сред.

На Земле живые организмы освоили четыре основные среды обитания: водную, в которой возникла и распространилась жизнь, наземно-воздушную, почву и сами живые организмы, каждый из которых представляет место обитания населяющих его паразитов или симбионтов.

Приспособление организмов к среде называется адаптацией.

Адаптации возникают в процессе эволюции видов и проявляются на всех уровнях организации. Степень адаптации, или уровень приспособленности организмов к определенным условиям среды, контролируется естественным отбором.

В понятие "среда обитания" входит совокупность абиотических и биотических условий жизни организмов. Отдельные элементы среды, воздействующие на организмы, называются экологическими факторами, среди которых выделяют абиотические, биотические и антропогенные факторы.

Абиотические факторы - это все свойства неживой природы (температура, свет, давление, влажность, радиоактивное излучение, ветер, течения, рельеф местности), которые прямо или косвенно влияют на живые организмы. Выделяют следующие группы абиотических факторов: климатические (свет, температура, влага, воздух, ветер), эдафогенные (почва и рельеф) и химические (газовый состав, солевой состав воды).

Биотические факторы - это различные формы воздействия живых организмов друг на друга. Окружающий органический мир - обязательная составляющая часть среды каждого живого организма. Среди биотических факторов выделяют фитогенные (растительные), зоогенные (животные) и др. Типы исторически сложившихся взаимоотношений между организмами разнообразны (см. главу "Биоценозы. Межвидовые взаимоотношения в биоценозах"). организм среда обитания вещество биосфера

Антропогенные факторы - это различные формы деятельности человеческого общества, которые приводят к изменению природы как среды обитания других видов или непосредственно воздействуют на живые организмы. В настоящее время практически не осталось природных систем, не затронутых хозяйственной деятельностью человека. В связи с техническим прогрессом и ростом народонаселения воздействие антропогенного фактора на природу будет в дальнейшем катастрофически усиливаться. Среди видов антропогенного воздействия на биоту можно выделить загрязнение, прямое истребление организмов, урбанизацию, рекреацию, общую трансформацию среды обитания организмов и др. (см. главу "Человек и окружающая среда. Антропогенное воздействие на природу").

Влияние факторов среды определяется прежде всего их воздействием на обмен веществ организмов. Поэтому все экологические факторы по их действию можно разделить на прямодействующие и косвеннодействующие. Так, химическое воздействие хлорфторуглеродов на озоновый слой приводит к его ослаблению (истощению), что, в свою очередь, ведет к губительному воздействию коротковолнового ультрафиолетового излучения на живые организмы. Другой пример - действие пестицидов на хищников через пищевые цепи.

Растения, с одной стороны, могут использоваться другими организмами (в том числе и человеком в пищу, с другой стороны, в процессе фотосинтеза выделяют кислород и влияют на процесс дыхания других организмов. Организмы могут косвенно влиять на другие организмы через продукты метаболизма, удобряя почву.

Каждый экологический фактор характеризуется определенными количественными показателями, например силой и диапазоном действия.

Большинство экологических факторов, например температура или влажность, изменчиво в пространстве и времени, при этом степень изменчивости какого-либо фактора зависит от особенностей среды обитания. Так, температура той или иной местности зависит от господствующих ветров, особенностей топографии, высоты над уровнем моря, близости водоемов, облачного покрова. Среднесуточная температура на экваторе меняется в зависимости от сезона очень слабо, тогда как в более высоких широтах она колеблется в значительно большей степени.

С течением времени любые условия существования, или экологические факторы, изменяются, но в одних случаях они подвержены более сильным изменениям, в других - менее сильным. Выделяют три основных типа изменений среды обитания:

циклические (регулярно-периодические) - повторяющиеся периодически: при смене времен года, при приливах и отливах, при поочередном наступлении светлого и темного времени суток;

направленные, при которых направление изменения остается стабильным в течение продолжительного периода времени: прогрессирующая эрозия берегов, накопление донных осадков в эстуариях рек, похолодание или потепление климата и др.;

хаотические (нерегулярные) - без определенного направления и периодичности (аритмия): непредсказуемые изменения времени возникновения и траекторий циклонов и ураганов, пожары и др.

В природе наблюдается соответствие между организмами и изменяющейся средой, в том числе. Во взаимоотношениях организмов и среды, включая ответные реакции организмов на воздействие различных экологических факторов, можно выделить ряд общих закономерностей.

Закон Рулье. Краеугольным камнем науки о жизни растений и животных Рулье полагает выдвинутый и разработанный им «закон действенности жизненных начал» («закон общения», «закон двойственности причин» и т. д.). Этому универсальному закону, который Рулье склонен распространить и на неживую природу, подчиняются все организмы. «Всякое явление в животном теле может быть вызвано причиною двоякого рода - или условиями устройства и жизни самого животного, или условиями внешними, посреди которых оно живет. Более причин быть не может...». «Ни одно органическое существо не живет само по себе: каждое вызывается к жизни и живет только постольку, поскольку находится во взаимодействии с относительно внешним для него миром. Это закон общения или двойственности жизненных начал, показывающий, что каждое живое существо получает возможность к жизни частию из себя, частию из внешности».

Курс общей зоологии, который Рулье читал студентам естественного и математического отделений, охватывал очень широкий круг вопросов. Это была своеобразная энциклопедия биологических знаний под общим заголовком «Систематика», в которую входили такие разделы, как «Зоогнозия», «Зооэтика» и «Зообиология».

Изложение зоогнозии Рулье начинает с формулировки своего «первого основного генетического закона». Это «закон общения», имеющий всеобщее значение. Расшифровывая первый закон, Рулье выделяет ряд частных положений, вытекающих из него. 1. В процессе развития животного от яйца («среда безразличия») наблюдается постепенное усложнение, диференцировка, специализация органов. «Это закон выделения или обособления орудий...» 2. Каждый орган в своем развитии проходит ряд этапов, поэтому «...все животные, имея существенно одинаковые орудия, должны проходить относительно развития последних одинаковые, последовательные ряды, и тем длиннейшие, тем многочисленнейшие, чем сами стоят на высшей точке организации...». Каждое данное состояние развивающегося органа у высших животных может и должно быть пределом его развития у низко организованных. Но, как бы предваряя значительно более позднюю критику «Основного биогенетического закона» Мюллера - Геккеля, Рулье тут же замечает, что в эмбриональном развитии человека дело обстоит далеко не так просто. В тот момент, когда какой-либо орган у человеческого зародыша стоит на стадии рыбы или гада, все прочие органы могут быть на совершенно иных стадиях. Наконец, отмечаются еще два частных закона - орган может недоразвиться («закон задержки и остановки развития») и орган не может переразвиться («закон невозможных переразвитий »).

«Второй основной генетический закон» - закон сближения однородных элементов. Здесь рассматриваются такие вопросы, как симметрия, образование полостей, центростремительная закладка органов.

В «Третьем основном генетическом законе» подробно разбирается на эмбриологическом, анатомическом и физиологическом материале «закон уравновешивания органов». Это - старое положение о соотношении и корреляции органов.

Очень интересны «приложения». В одном из них Рулье демонстрирует как, опираясь на закон уравновешивания органов, можно воссоздать по одному зубу и одному позвонку облик такого ископаемого животного как ихтиозавр. Другое приложение посвящено удивительно и изящной характеристике строения класса птиц в связи с образом жизни и - особенностями среды. Если исключить некоторые, очень небольшие детали, неверные или устаревшие, эта характеристика по полноте, стройности и сжатости может и сейчас служить образцом прекрасного монографического описания.

Рулье также рассматривает буквально все проблемы эволюции. Посмотрим теперь, как он изображает фактический ход эволюции:

Первые животные все без исключения жили в воде, на что ясно указывают особенности их строения. Очень серьезное доказательство зарождения и первоначального развития жизни в водной среде Рулье видит в том, что «...главным законом населения нашей планеты растениями и животными есть та же последовательность в постепенном изменении форм и перехождении из одной среды в другую, которому следуют животные и ныне в отдельном своем развитии». Подобно тому, говорит Рулье, как многие насекомые и лягушки проходят первые стадии развития в воде, так и первые животные первоначально жили в воде, сменившись потом земноводными и сухопутными. «Здесь два ясные параллельные ряда - один доисторических животных, другой - представленный развитием нынешних животных. Это - генетический ряд. К ним должно прибавить еще и третий, представляемый вполне развитыми нынешними животными, как существами, окончившими превращение, и которые ясно морские, и притом формы относительно низшей, нежели нынешние».

После окончания космической, безжизненной эпохи Земли, когда температура на ее поверхности стала ниже 60° Реомюра, началась эпоха «доисторической жизни», которую можно разделить на три периода.

В первом из них появились древнейшие животные «...исключительно морские, и притом формы относительно низшей, нежели нынешние». На последнее обстоятельство указывает и широкое распространение среди них сидячего образа жизни. Эти животные отличались малым разнообразием, «...как ныне в полярных странах».

Животные первого периода были относительно однообразны, что вызывалось однообразием внешних условий. «Сходные же условия вызывали и сходные органические существа». К концу периода наблюдалось изменение и диференцировка физических условий, что создавало предпосылку для увеличения разнообразия животных. В это время, например, рыбы, наряду с признаками своего класса, обнаруживают признаки класса более высоко организованного-класса «гад». «Некогда историческое появление органических существ на земле шло тем же путем постепенно нарастающего разнообразия, который мы замечаем ныне в развитии растения или животного: чем ближе к первоначальному времени появления существ, чем ближе к первому началу бытия отдельного существа нашего времени - там менее разнообразия, тем все возможные существа сходнее между собой, и очевидно потому, что все они, и растения и животные, образуются из одной, первоначально безразличной формы - клеточки. Развитие есть постепенное выделение разнообразий и противоположностей. Во внешних явлениях постепенное развитие предмета и нарастающее разнообразие его тождественны».

Начался второй период в истории жизни на Земле. Однообразие внешних условий сменилось многочисленными местными различиями. Появилось больше суши, возникло разнообразие климатов. «Вместе с тем являлись новые отделы растений и животных, постепенно более и более разнообразящихся как по географическому положению, так и по течению времен года».

Во втором периоде впервые обнаруживаются остатки однодольных растений. «В животных же не явилось ни одной новой основной формы, продолжали только существовать предшествовавшие, изменяясь конечно, в видах и часто в родах, и явился новый класс позвоночных - гады, предуготовленный первым периодом. Гады же, в свою очередь, распались на новые формы, служившие предвестниками последовавших за ними различных порядков нынешних гад (голокожих, или лягушек, ящериц, змей и черепах), птиц и зверей».

В течение всего второго периода наблюдалось «выделение» новых видов и новых групп из класса гадов. Эволюция этого класса прослежена Рулье по тем временам удивительно подробно. Конечно, есть у него здесь и ошибки, вроде безоговорочного признания «крылоящериц» (Pterodactyli) предками птиц. Но в целом нарисованная картина очень точна.

Заключая описание второго периода, Рулье дает ему общую характе-ристику: «Каждый геологический период обнимает время переворотов и преобразования форм, но это особенно справедливо относительно второго, который перенес морскую организацию животных на сушу: это преимущественно период переходных форм, напоминающий нам феодальное время истории человека, когда одни формы отживали и предуготовляли новые, и когда потому явления имели чудное сочетание отжившего и начинающего жить».

Третий период, или «третичный» ознаменовался большим событием - в это время «...показывались впервые звери, дотоле неизвестные и ныне уже не существующие...», которые «... постепенно переходили в формы, ныне живущие». Наряду с возникновением новых родов, многие роды исчезли совершенно. Вообще «третичное» время характерно в истории животных рядом особенностей. Вымерли, исчезли с лица Земли виды, имевшие очень узкое распространение. Виды ныне существующие принадлежат к родам, ранее широко распространенным. Современные роды были распространены далее к северу, чем в наше время. «Под конец третичной эпохи, когда климаты распались...», наступил ледниковый период, который привел к массовому вымиранию целого ряда животных.

Рулье прекрасно понимал, что представление об эволюции животного царства было бы не полным без указания места, занимаемого в ней человеком. В 1850 году с кафедры императорского Московского университета говорить на такую тему было, конечно, более, чем рисковано. Тем не менее, Рулье нашел в себе мужество упомянуть и об этом. В своих лекциях он неоднократно замечает: «...если бы тогда жил человек...», подчеркивая тем самым возникновение его в более поздние времена. После описания «третичного» периода и упоминания о наступившем оледенении, Рулье прямо указывает, что человек появился, когда условия жизни стали тождественными, или, во всяком случае, близкими современным. Более детального рассмотрения вопроса трудно было бы от Рулье требовать, тем более, что даже за такие глухие намеки он подвергся серьезным гонениям со стороны официальных чиновников науки.

Такова общая картина развития животного царства, нарисованная Рулье на примере позвоночных.

В жизненном процессе взаимодействие человека со средой обитания и ее составляющих между собой основано на передаче между элементами системы потоков масс вещества, энергии всех видов и информации В соответствии с законами сохранения жизни Куражковского Ю.Н. “Жизнь не может существовать только в процессе движения через живое тело потоков вещества, энергии и информации”…

Человеку эта потоки необходимы для удовлетворения своих потребностей в пище, воде, воздухе, солнечной энергии, информации об окружающей среде. В то же время человек выделяет в жизненное пространство потоки энергии, связанные с его сознательной деятельностью (механической, интеллектуальной энергии), а также потоки масс вещества в виде отходов биологического процесса, потоки тепловой энергии и т.д.

Обмен потоками вещества и энергии характерен и для процессов происходящих без участия человека. Естественная среда обеспечивает поступление на нашу планету потоков солнечной энергии, что создает в свою очередь потоки растительной и животной масс в биосфере, потоки адиабатических веществ (воздух, вода), потоки энергии различных видов, в том числе при стихийных явлениях в природной среде. Для техносферы характерны потоки всех видов сырья и энергии, многообразие потоков продукции и людских резервов; потоки отходов (выбросы в атмосферу, сбросы в водоёмы, жидкие и твёрдые отходы, различные энергетические воздействия). Последние возникают в соответствии с Законом о неустранимости отходов и побочных воздействий производств: “В любом хозяйственном цикле образуются отходы и побочные эффекты, они не устранимы и могут быть переведены из одной физико-химической формы в другую или перемещены в пространстве”. Техносфера способна также создавать спонтанно значительные потоки масс и энергий при взрывах, пожарах, при разрушении строительных конструкций, при авариях на транспорте и т.п.

Социальная среда потребляет и генерирует все виды потоков, характерные для человека как для личности, кроме того, социум создаёт информационные потоки при передаче знаний, при управлении обществом, при сотрудничестве с другими общественными формациями. Социальная среда создаёт потоки всех видов, направленные на преобразование естественного и техногенного миров, формирует негативные явления в обществе, связанные с курением, потреблением алкоголя, наркотиков и т.п.

Максимально и минимально переносимые значения экологического фактора - это критические точки, за пределами которых наступает смерть. Пределы выносливости между критическими точками называют экологической валентностью вида по отношению к конкретному фактору среды. Иногда употребляют термин "экологическая толерантность", обозначающий устойчивость вида (предел выносливости) к определенному экологическому фактору.

Каждый вид имеет определенную экологическую валентность, зону оптимума и пессимума к различным факторам среды. Так, например некоторые рыбы обитают в полярных водах при температурах между -1 и -2oС, тогда как другие населяют тропические мелководья, прогретые до 40oС. Существуют водоросли, которые живут и размножаются при температурах свыше 70oС, но существуют также мхи и лишайники, которые в состоянии выдержать охлаждение до -70oС. Даже среди близкородственных видов существуют значительные различия в экопреферендуме. Так из трех видов бокоплавов, живущих в британских реках, один встречается в местах (эстуариях), где соленость не падает ниже 25%, другой - с соленостью от 10 до 20%, третий - обитатель пресных вод.

Широкие диапазоны толерантности, или широкую экологическую валентность к абиотическим факторам обычно обозначают приставкой "эври-". Эвритермные виды - выносящие значительные колебания температуры, эврибатные - широкий диапазон давления, эвригалинные - разную степень засоления среды, эвритопные - встречающися в различных типах местообитаний.

Узкие диапазоны толерантности, или узкую экологическую валентность обозначают приставкой "стено-" (стенотермные, стенобатные, стеногалинные, стенотопные виды). Виды со средними диапазонами толерантности обозначают приставкой "олиго-".

В широком смысле слова виды, для существования которых необходимы строго определенные экологические условия, называют стенобионтными, а виды с широким диапазоном толерантности - эврибионтными. Последние также называются видами с широкой экологической пластичностью, или экологически пластичными видами.

Закон равнозначности всех условий жизни. В целом, поскольку любой фактор может оказаться в минимуме, лишь их оптимальная совокупность обеспечивает процветание видов. Согласно закону равнозначности всех условий жизни, все условия среды, или экологические факторы, необходимые для жизни, играют равнозначную роль.

Правило взаимодействия факторов. Это правило тесно связано с предыдущим законом. Один и тот же фактор в сочетании с другим оказывает неодинаковое экологическое воздействие. Жару легче переносить в сухом, а не во влажном воздухе. Угроза замерзания значительно выше при морозе с сильным ветром, чем в безветренную погоду.

Закон неоднозначного действия фактора на различные функции организма. Согласно этому закону, любой экологический фактор неодинаково влияет на функции организма: оптимум для одних процессов, например, дыхания, не есть оптимум для других, например, пищеварения, и наоборот. Оптимум для одних процессов может являться пессимумом для других. Так, температура воздуха от 40 до 45oС у холоднокровных животных увеличивает скорость обменных процессов, но тормозит двигательную активность, и животные впадают в тепловое оцепенение. Для многих рыб температура воды, оптимальная для созревания половых продуктов, неблагоприятна для икрометания, которое происходит при другом температурном интервале.

Закон относительной независимости адаптаций. Экологические валентности вида по отношению к разным факторам среды могут быть очень разнообразными. По отношению к одним экологическим факторам валентность вида может широкой, по отношению к другим - узкой. Высокая адаптированность к одному из экологических факторов не дает такой же степени приспособления к другим условиям жизни. Набор экологических валентностей по отношению к разным факторам среды составляет экологический спектр вида.

Правило экологической индивидуальности. В вечно меняющейся среде жизни каждый вид организмов по своему адаптирован. Это выражается правилом экологической индивидуальности: каждый вид специфичен по экологическим возможностям адаптации, двух идентичных видов не существует.

Правило соответствия условий среды жизни генетической предопределенности организма. Вид существует до тех пор (может существовать до тех пор) и постольку, поскольку окружающая его среда соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к ее колебаниям и изменениям.

Разнообразие ответных реакций на действие факторов среды у отдельных особей вида. Степень толерантности, экологическая валентность, зоны оптимума и пессимума отдельных особей в пределах вида часто не совпадают. Эта изменчивость определяется в первую очередь генетическими различиями, а также половыми и возрастными особенностями. Для различных стадий развития насекомых, часто различающихся по средам обитания, существуют различные экопреферендумы в отношении температуры, влажности, освещенности, кислотности почвы и т.д. Особи разного пола одного вида часто обладают различной степенью толерантности к различным экологическим факторам, например антропогенным. У видов с широкими ареалами экологические различия между особями носят популяционно-географический характер.

Закон максимума биогенной энергии (энтропии) Вернадского-Бауэра. Любая биологическая или биокосная система, находясь в динамическом равновесии с окружающей средой и эволюционно развиваясь, увеличивает свое воздействие на среду. Давление растет до тех пор, пока не будет строго ограниченно внешними факторами, либо не наступит эволюционно-экологическая катастрофа.

Живые организмы, обитающие на Земле, адаптированы к специфическим влияниям важнейших экологических факторов - свету, температуре, влажности, воздуху, эдафическим и климатическим факторам.

Свет

Свет является одним из важнейших экологических факторов, особенно в наземно-воздушной среде. Во-первых, свет - это первичный источник энергии для всего живого; во-вторых, это фактор ограничивающий, т.к. слишком мало или слишком много света одинаково может привести к гибели организма; в третьих, свет является исключительно важным регулятором дневной или сезонной активности огромного количества организмов, как растительных, так и животных.

На солнечную радиацию, как основной источник энергии для живых организмов, приходится около 99,9% в общем балансе энергии Земли. Если принять солнечную энергию, достигающую Земли, за 100%, то примерно 19% ее поглощается при прохождении через атмосферу, 34% отражается обратно в космическое пространство и 47% достигает земной поверхности в виде прямой и рассеянной радиации. На ультрафиолетовую часть спектра приходится от 1 до 5%, на видимую - от 16 до 45% и на инфракрасную - от 49 до 84% потока радиации, падающего на Землю.

Среди ультрафиолетовых лучей до поверхности Земли доходят только длинноволновые, а коротковолновые, губительные для всего живого, практически полностью поглощаются на высоте около 25 км озоновым экраном (в настоящее время, правда, необходимо учитывать процесс разрушения озонового слоя). Длинноволновые ультрафиолетовые лучи, вредны для организмов в больших дозах, а небольшие дозы необходимы многим (оказывают мощное бактерицидное действие и вызывают образование витамина D у животных). Инфракрасные лучи оказывают тепловой действие.

Видимая радиация несет приблизительно 50% суммарной энергии. Видимый свет для фототрофных и гетеротрофных организмов имеет разное экологическое значение.

Для фотоавтотрофов солнечное излучение является единственным источником энергии. В результате фотосинтеза зеленые растения, а также водоросли и некоторые бактерии преобразуют энергию Солнца в химическую энергию органических соединений. Пурпурные и зеленые бактерии, имеющие бактериохлорофиллы, способны поглощать свет в длинноволновой части. Это позволяет им существовать даже при наличии только невидимых инфракрасных лучей.

На суше для высших автотрофных растений условия освещения практически везде благоприятны, и они растут повсюду, где позволяют климатические и почвенные условия. Водоросли обитают главным образом в водоемах, но встречаются и на суше - на скалах, на стволах деревьев, на поверхности почвы и др.

В водной среде света гораздо меньше, чем в наземно-воздушной. С глубиной быстрое убывание количества света связано с поглощением его водой. При этом лучи света с разной длиной волны поглощаются неодинаково. Соответственно сменяют друг друга с глубиной разные группы водорослей - зеленые, бурые и красные - специализированные на улавливании света с разной длиной волны.

Поглощение света зависит от степени прозрачности воды. Поэтому граница зоны фотосинтеза еще определяется чистотой водоема. В самых чистых водах зона фотосинтеза простирается до глубины 200 м, сумеречная зона - до 1500 м, глубже солнечный свет не проникает.

Помимо источника энергии, свет используется растениями и для других жизненных процессов - газообмене, размножении, обмене веществ, формообразовании. Свет вызывает в органах растений, например, движения типа искривлений, направленные на оптимальное использование света листьями (фототропизм).

Световой режим любого местообитания характеризуется интенсивностью прямого и рассеянного света, количеством света (годовой суммарной радиацией), его спектральным составом, а также альбедо - отражательной способностью поверхности, на которую падает свет.

Перечисленные элементы светового режима зависят от географического положения, высоты над уровнем моря, от рельефа, состояния атмосферы, характера земной поверхности, растительности, от времени суток, сезона года, солнечной активности и глобальных изменений в атмосфере.

По требованию к условиям освещения растения принято делить на экологические группы:

светолюбивые, или гелиофиты (от греч. "гелиос" - солнце, "фитон" - растение) - растения открытых, постоянно хорошо освещаемых местообитаний; таковы растения пустынь, степей, тундр, безлесных горных вершин;

тенелюбивые, или сциофиты /скиофиты/ (от греч. "сциа" - тень) - растения, которые в природе никогда не растут на открытых местах; это растения нижних ярусов тенистых лесов, пещер и глубоководные растения; они плохо переносят сильное освещение прямыми солнечными лучами (примеры - ветреница дубравная, майник двулистный, сочевичник весенний и др.);

теневыносливые, или факультативные гелиофиты, - растения, которые могут жить при полном солнечном освещении, но переносят и некоторое затенение; они легче других растений перестраиваются под влиянием изменяющихся условий освещения; к этой группе относятся многие растения, обычно произрастающие на лугах, лесных полянах, вырубках, ряд опушечных и даже некоторые типичные степные растения.

Для растений каждой экологической группы, особенно для гелиофитов и сциофитов, характерны общие приспособительные особенности (строение, форма и интенсивность окраски листьев, содержание в них хлорофилла, длинна междоузлий и др).

Наиболее общая адаптация растений к максимальному использованию фотосинтетически активной солнечной радиации - пространственная ориентация листьев. Различают три способа расположения листьев: вертикальное, горизонтальное и диффузное. При вертикальном расположении листьев, как, например, у многих злаков и осок, солнечный свет полнее поглощается в утренние и вечерние часы - при более низком стоянии солнца; при горизонтальной ориентации листьев полнее используются лучи полуденного солнца; при диффузном расположении листьев в разных плоскостях солнечная радиация в течение дня утилизируется наиболее полно. На севере, где высота стояния солнца меньше, больше встречается растений с вертикальным расположением листьев, на юге - с горизонтальным.

Свет в жизни гетеротрофов не является столь необходимым фактором, как для фотоавтотрофов. Однако в жизни животных световая часть спектра солнечного излучения играет важную роль.

Среди животных различают светолюбивые виды, или фотофилы, и тенелюбивые виды, или фотофобы; а также эврифотные, выносящие широкий диапазон освещенности, и стенофотные, переносящие узкоограниченные условия освещенности.

Свет для животных, в первую очередь, необходимое условие зрительной ориентации в пространстве. Рассеянные, отраженные от предметов лучи, воспринимаемые органами зрения животных, дают им значительную часть информации о внешнем мире. Человек получает более 90% информации о внешнем мире через зрительный анализатор.

В процессе эволюции происходило постепенное усложнение зрительных аналиаторов. Наиболее совершенные органы зрения - глаза позвоночных, головоногих моллюсков и насекомых. Они позволяют воспринимать форму и размеры предметов, их цвет, определять расстояние.

Отдельные виды животных могут сильно различаться по способности воспринимать разные лучи солнечного спектра. Для человека область видимых лучей - от фиолетовых до темно-красных. Некоторые животные, например гремучие змеи, видят инфракрасную часть спектра и ловят добычу в темноте.

Цветовое зрение широко распространено у позвоночных, ракообразных, насекомых и паукообразных. Способность к различению цвета, помимо наличия специальных фоторецепторов (колбочек), в значительной мере зависит от того, при каком спектральном составе излучения существует или активен вид. Большинство млекопитающих, ведущих происхождение от предков с сумеречной и ночной активностью, плохо различают цвета и видят все в черно-белом изображении.

Особенности зрения животных зависят от характера местообитания и образа жизни. У постоянных обитателей пещер (троглобионтов) или почвенных животных (педобионтов) глаза могут быть полностью или частично редуцированы (жужелицы, протеи, крот, слепыш и др.). Многие глубоководные животные лишены глаз. В ряде случаев у глубоководных организмов выработалось способность к биолюминесценции (холодное свечение) за счет окисления сложных органических соединений (ночесветки, глубоководные рыбы, головоногие моллюски и др.). Биолюминесценция используется как средство для коммуникаций, а также хищниками для привлечения жертв и жертвами для отпугивания хищников.

Важное значение для животных и для растений играет продолжительность освещения и ритм чередования темного и светлого периодов суток. Реакция организмов на сезонные изменения длины дня называется фотопериодизмом.

Температура

Температура - одно из важнейшее средовых условий, влияющих на жизнедеятельность организмов. Температура влияет на энергетику всех жизненных процессов. Так как в основе всех реакций живого организма, зависящих от температуры, в конечном счете лежат биохимические процессы, для них применимо правило зависимости скорости реакции от температуры - закон Вант-Гоффа, согласно которому при повышении температуры на 10?С реакция ускоряется в 2-3 раза.

Температура определяет границы существования жизни, при этом нормальное функционирование белков, как основных составляющих жизни, возможно в среднем от 0 до 50oC. При этом ряд организмов за счет биохимических и физиологических адаптаций сохраняют активное существование при температуре, выходящей за указанные пределы. Среди них - сине-зеленые водоросли, которые существуют даже при +85,2oC в Северной Америке и при +77oС в горячих ключах на Камчатке. Клетки дрожжевых грибков не теряют жизнеспособности при +90oC. В латентном состоянии температурные границы существования еще более расширяются. Так, споры некоторых бактерий выдерживают в течение нескольких минут нагревание до +180oC. В лабораторных условиях семена, пыльца и споры растений, нематоды, коловратки, цисты простейших, личинки насекомых и некоторые другие организмы после обезвоживания переносили температуры, близкие к абсолютному нулю - до -271,16oC, возвращаясь затем к активной жизни. Также в обезвоженном состоянии личинки насекомых в течение нескольких минут выдерживали температуру +102-104oC, сухие мхи могли существовать при температуре +100oC, а обезвоженные тихоходки и коловратки в течение 15 минут жили при температуре +151oC. Таких экстремальные температурные условия перечисленные организмы выдерживают в состоянии анабиоза, при котором приостанавливаются все жизненные процессы.

В ходе эволюции у живых организмов выработались разнообразные приспособления, позволяющие регулировать метаболизм при изменениях температуры окружающей среды. Это достигается несколькими путями:

различными биохимическими и физиологическими перестройками (понижение точки замерзания растворов тела за счет биоантифризов; изменение набора, концентрации и активности ферментов и др.)

поддержанием температуры тела на более стабильном уровне, независимо от температуры среды, за счет высокого уровня метаболизма; тепло, вырабатываемое живыми организмами как побочный продукт биохимических реакций, может служить существенным источником повышения температуры их тела.

По отношению к температуре живые организмы делятся на несколько экологических групп.

Виды, предпочитающие холод, относятся к экологической группе криофилов. Они могут сохранять активность при температуре клеток в их организме до -8-10oС. Криофилия характерна для различных наземных организмов: бактерий, грибов, лишайников, мхов, членистоногих и других организмов, обитающих в условиях низких температур: в Арктике и Антарктике, в тундре, высокогорьях.

Виды, которые имеют оптимум жизнедеятельности в области высоких температур, относятся к группе термофилов. Термофилия характерна для многих групп микроорганизмов, нематод, личинок насекомых, клещей и других организмов, обитающих в аридных областях, в разлагающихся органических остатках и т.д.

Хорошо известна классификация организмов на гомойотермных и пойкилотермных. Гомойотермные - организмы, поддерживающие внутреннюю температуру тела на относительно постоянном уровне, при изменении температуры окружающей среды. Пойкилотермные - организмы, у которых температура тела широко варьирует в зависимости от температуры среды.

Существует также деление организмов на эндотермов и эктотермов. Эктотермные - организмы, получающие свое тепло из окружающей среды. Эндотермные - организмы, производящие большую часть собственного тепла в результате протекающего в его теле окислительного метаболизма. Все растения и подавляющее большинство животных относятся к эктотермным организмам, а настоящие эндотермные организмы - только птицы и млекопитающие.

Существуют примеры, несколько нарушающие подобные классификации. Многие организмы, относимые к пойкилотермным, наделены определенной способностью к регулированию температуры тела. Например, насекомые (пчелы, шмели) перед полетом разогревают тело до 35-40oС благодаря незаметным мышечным сокращениям; у ночных бабочек перед полетом начинают дрожать крылья, что приводит к повышению температуры тела до 37-39oC. У акул и тунцов во время быстрого крейсерского плавания температура тела на 5-10oС выше, чем температура воды. В то же время некоторые птицы и млекопитающие, т.е. гомойотермные животные, при необычно низких температурах ослабляют или приостанавливают эндотермическую регуляцию температуры тела. Во время зимней спячки или оцепенения (в неблагоприятный период) у гомойотермных животных температура тела понижается. Этот особый случай гомойотермии получил название - гетеротермия, при которой животные могут значительно изменять интенсивность метаболизма и активность в зависимости от климатических условий. К гетеротермным животным относятся некоторые птицы - колибри, стрижи, и млекопитающие - сурки, суслики, ежи, летучие мыши и др.

В любом случае, эктотермные организмы, в отличие от эндотермных, более зависимы от температуры внешней среды. У эктотермов, для каждого отдельного вида, после холодового угнетения нормальный обмен веществ восстанавливается при определенной температуре, которая называется температурным порогом развития. Чем больше температура среды превышает пороговую, тем интенсивнее протекает развитие и, следовательно, тем скорее завершается прохождение отдельных стадий и всего жизненного цикла организма.

Устойчивость к температурным изменениям среды у наземных организмов очень различна и во многом зависит от того, в каком конкретном местообитании они существуют. Однако в целом наземные организмы значительно более эвритермны по сравнению с водными.

Температурный режим водоемов более стабилен, чем на суше, что связано с высокой теплоемкостью воды. Амплитуда годовых колебаний температуры в верхних слоях океана не более 10-15oС, в континентальных водоемах - 30-35oС. Для глубоких слоев воды характерно постоянство температуры. Нижний предел температуры воды даже в сильно соленых частях океанов (полярные воды, глубоководные слои) не опускается ниже -2oC. В связи с более устойчивым температурным режимом воды среди гидробионтов (обитателей водной среды), по сравнению с обитателями суши, чаще встречается стенотермность. Эвритермные виды встречаются в основном в мелких континентальных водоемах и на литорали морей. Понижение температуры воды вызывает у ряда пресноводных рыб спячку (карась, осетровые).

Живые организмы имеют различные адаптации к температурному режиму, отражающие уровень организации, характер местообитаний и образ жизни.

Растения, будучи неподвижными организмами, вынуждены существовать при тепловом режиме тех местообитаний, в которых они произрастают.

Растения умеренно холодного и умеренно теплого поясов эвритермны. Они переносят в активном состоянии колебания температур до 60oC. В латентном состоянии эта амплитуда может достигать 90oС и более. Растения дождевых тропических лесов стенотермны. Они не переносят ухудшения теплового режима и даже положительные температуры +5-+8oС для них губительны. Еще более стенотермны некоторые криофильные зеленые и диатомовые водоросли, а также цианобактерии, живущие на поверхности снегов высокогорий и арктических широт. Активная жизнь, в том числе размножение этих организмов, происходит при температуре, близкой к 0oC, когда поверхность снега оттаивает, чему способствует окраска водорослей (красная, зеленая, синяя, желтая, бурая), поглощающих солнечные лучи.

Растения отличаются очень слабыми возможностями регуляции собственной температуры. К ним относятся: биохимические, физиологические и некоторые морфологические перестройки. Тепло, образующееся в процессе метаболизма, быстро отдается растениями окружающей среде благодаря большой излучающей поверхности и трате на транспирацию. Основное значение в жизни растений имеет тепло, получаемое извне.

Температура растения вследствие нагревания солнечными лучами может быть выше температуры окружающего воздуха и почвы. У многих растений пустынь в полдень перегрев листьев достигает до 10-12oС по сравнению с окружающим воздухом. У подушковидного кактуса эта разница достигает 24oС.

Для высокогорных, тундровых и арктических растений характерна приземистость, подушковидные формы, прижатость листьев розеточных и полурозеточных побегов к субстрату, что является адаптациями к лучшему использованию тепла в условиях его недостатка.

К основным адаптациям растений против перегрева относятся - транспирация, охлаждающее тело; отражение и рассеивание лучей густым опушением или глянцевитой поверхностью листьев; положение листьев по отношению к полуденным лучам; мелкие размеры листьев, их слабая окраска; повышение термоустойчивости протоплазмы в результате закаливания.

В отличие от растений животные, обладающие мускулатурой, производят гораздо больше тепла. При сокращении мышц освобождается значительно больше тепловой энергии, чем при функционировании любых других органов и тканей. По сравнению с растениями животные обладают более разнообразными возможностями регулировать температуру тела.

К основным способам температурных адаптаций у животных относятся:

химическая терморегуляция - активное увеличение теплопродукции в ответ на понижение температуры среды;

физическая терморегуляция - изменение уровня теплоотдачи, способность удерживать тепло или рассеивать его избыток с помощью различных морфологических приспособлений (волосяной и перьевой покровы, распределение жировых запасов, строение кровеносной системы, испарение);

поведение животных - активное избегание крайних температур за счет перемещений в пространстве.

Способность к терморегуляции различна у гомойотермных и пойкилотермных животных. Последние отличаются более низким уровнем метаболизма и, следовательно, незначительной возможностью химической терморегуляции. Правда, некоторые пойкилотермные животные способны поддерживать оптимальную температуру тела за счет работы мышц. У некоторых видов змей температура тела выше температуры среды на 5-7oC, за счет спазматических сокращений мускулатуры, что приводит к усилению энергетического обмена и в конечном счете к разогреванию тела этих животных. Однако у пойкилотермных животных с прекращением двигательной активности тепло перестает вырабатываться и быстро рассеивается по причине несовершенства механизмов физической терморегуляции.

Основные способы регуляции температуры у пойкилотермных животных - поведенческие. К ним относятся: перемена позы, активный поиск благоприятных микроклиматических условий, смена мест обитания, различные формы поведения, направленные создание нужного микроклимата (рытье нор, сооружение гнезд и т.д.). Так, например, сложное поведение общественных насекомых, строящих гнезда, обеспечивает им надежную терморегуляцию в их жилищах в течение нескольких поколений. Рыжие лесные муравьи за счет мышечной активности и скопления в ранневесенний период при внешней температуре от 0 до 13oC поддерживают температуру в гнезде на уровне 26-30oC, что требуется для развития расплода. Когда температура в месте скопления муравьев превосходит оптимальный уровень они рассредоточиваются.

Выживать при низких температурах пойкилотермным животным помогают биологические антифризы, которые понижают точку замерзания плазмы крови. У насекомых, например, при низких температурах роль антифриза играет глицерин. Содержание глицерина в тканях насекомых меняется в зависимости от сезона: зимой его концентрация возрастает, а летом падает. Так у гусениц одной из галлообразующих бабочек в середине зимы концентрация глицерина в жидкостях организма достигает 40%, что составляет 19% всего веса тела; это позволяет им переохлаждаться до -38oC.

У гомойотермных животных очень высокая способность к химической терморегуляции. Они отличаются высокой интенсивностью метаболизма и выработкой большого количества тепла. Постоянная температура тела у теплокровных поддерживается в результате усиления продукции тепла при понижении температуры окружающей среды и увеличения теплоотдачи организма при увеличении внешней температуры.

Физическая терморегуляция экологически более выгодна, поскольку осуществляется не за счет дополнительной выработки тепла, а за счет сохранения его в теле животного. Этот способ терморегуляции осуществляется при помощи рефлекторного сужения и расширения кровеносных сосудов кожи, противоточного теплообмена при кровоснабжении отдельных органов, теплоизолирующих покровов (волос, перьев), испарительной теплоотдачи. У животных холодного климата теплоизолирующие свойства также выполняет слой подкожного жира (жировая клетчатка).

В жизни некоторых теплокровных животных имеет большое значение спячка - состояние пониженной биологической активности в неблагоприятных условиях, в частности температурных. При этом температура тела животного снижается до уровня температуры окружающей среды. В этот период температура влияет на метаболизм гомойотермных животных таким же образом, как и на пойкилотермных.

Большое значение в теплорегуляции животных имеют размеры тела. Несмотря на то, что температура тела животных в принципе не зависит от их размеров, относительная теплопродукция у мелких животных выше. Это связано с тем, что с уменьшением размеров возрастает отношение поверхности тела к его объему, или массе (правило поверхности). Потери тепла происходят через поверхность, и для того чтобы не снизилась температура тела, животное должно производить тепло со скоростью, равной скорости его потери.

Для гомойотермных животных, также как и для пойкилотермных, важное значение имеют поведенческие способы регуляции теплообмена, которые очень разнообразны - изменение позы, поиск укрытий, сооружение нор и гнезд, миграции и др.

Влажность

Вода - необходимое условие жизни на Земле. Жизнь возникла в море и биохимические и физиологические процессы жизнедеятельности всех организмов, в конечном счете, протекают в воде, содержащейся в их органах, тканях и клетках. У наземных животных содержание воды в организме составляет от 45 до 95%.

Наземные животные окружены воздухом, содержание воды в котором ниже, чем в их собственном теле; поэтому все они обычно теряют воду путем испарения, а также при выведении с водой конечных продуктов метаболизма. Дефицит влаги - одна из существенных особенностей наземно-воздушной среды. Вся эволюция наземных организмов происходила в условиях приспособления к добыванию и сохранению влаги.

Режимы влажности воздуха 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. Велика также суточная и сезонная изменчивость содержания водяных паров в атмосфере. Водообеспечение наземных организмов зависит также от режима выпадения осадков, наличия водоемов, запасов почвенной влаги и т.п. Все это привело к развитию у наземных организмов множества различных адаптаций к различным режимам водообеспечения.

Наземные растения отличаются от наземных животных в двух существенных отношениях. Во-первых, надземные части растений испытывают такие же потери воды, как и животные, зато их подземные части (корни) непосредственно соприкасаются со средой, из которой с большей или меньшей легкостью (в зависимости от содержания воды в почве) они могут сразу же получить воду. Во-вторых, вода для растений в равной мере является и условием, и ресурсом, поскольку в основе питания растений лежит реакция между водой и двуокисью углерода в процессе фотосинтеза.

Наземные растения поглощают воду из почвы специализированными органами - корнями или ризоидами (мхи). Когда в непосредственной близости от корней запасы воды в почве истощаются, корни увеличивают активную поверхность путем роста, так что корневая система растений постоянно находится в движении.

У высших растений есть дополнительные пути поступления воды. Мхи, как и лишайники, могут поглощать воду всей поверхностью. Семена поглощают воду из почвы. Многие эпифиты (растения, живущие на поверхности других растений) поглощают воду из воздуха, насыщенного водяными парами (листьями, воздушными корнями). Поступившая в растение вода, расходуется на жизненные процессы.

По отношению к воде (влажности) выделяют ряд экологических групп. Гидатофиты - водные растения, целиком или почти целиком погруженные в воду (элодея, водяные лютики, валлиснерия и др.). Гидрофиты - наземно-водные растения, частично погруженные в воду. Растут по берегам водоемов, на болотах (тростник, калужница, частуха и др.). Гигрофиты - наземные растения, живущие в условиях повышенной влажности воздуха, часто на влажных почвах (бодяк, недотрога, рис, росянка и др.). Мезофиты - растения, живущие в условиях среднего увлажнения (различные древесные виды, кустарники, травянистые\ растения). Ксерофиты - растения, произрастающие в местах с недостаточным увлажнением (растения пустынь, степей, кустарниковых зарослей).