Влажность как абиотический фактор среды
В наземных условиях влажность чаще других экологических факторов лимитирует рост и развитие организмов.
Объясняется это тем, что вода играет большую роль в их жизни. Она является универсальным растворителем, средой для биохимических реакций в клетке. Молекулы воды могут непосредственно участвовать в реакциях как субстрат (гидролиз, фотосинтез).
Являясь основным структурным компонентом клеток, вода обусловливает их тургор. У некоторых животных (круглые и кольчатые черви) она служит гидростатическим скелетом.
Обладая высоким поверхностным натяжением, вода выполняет транспортную функцию (передвижение веществ) в организме. Благодаря высокой удельной теплоемкости, теплопроводности и теплоте парообразования вода обеспечивает поддержание теплового баланса в организме и предотвращает его перегрев.
Она служит средой обитания для водных организмов.
Из курса географии вы уже знаете, как сильно различается увлажненность наземных местообитаний в разных географических зонах.
Она зависит от годового количества осадков. Имеет значение распределение их по временам года, запас почвенной влаги и грунтовых вод.
Недостаточная или избыточная увлажненность среды — главная экологическая проблема наземных обитателей. Степень увлажненности среды влияет на внешний облик и внутреннее строение организмов.
В связи с этим выделяют различные экологические группы растений и животных.
Экологические группы растений по отношению к влаге и их адаптации
В наземной среде обеспеченность местообитаний водой и ее доступность весьма нестабильны.
Выработка адаптаций к дефициту влаги — ведущее направление эволюции растений при освоении суши.
По отношению к влаге принято делить все наземные растения на три экологические группы: гигрофиты, ксерофиты, мезофиты.
Эти группы различаются между собой специфическими приспособлениями к водному режиму среды.
Гигрофиты
Гигрофиты (от греч. hygros — влажный, phyton — растение) — растения, живущие на сильно увлажненных почвах и при высокой влажности воздуха.
Представителями гигрофитов являются: пушица, рис, тростник, калужница болотная, многие осоки, папирус и др. Они встречаются во всех климатических зонах.
Гигрофиты имеют приспособления для интенсивной транспирации.
У них тонкие листовые пластинки с постоянно открытыми устьицами. У некоторых растений есть специфические водяные устьица. Через них вода выделяется в капельно-жидком состоянии.
У гигрофитов слабо развиты механическая ткань, кутикула и эпидермис.
В мезофилле листьев имеются крупные межклетники. У некоторых видов в корнях и стеблях возможно наличие аэренхимы (от греч. aer — воздух, enchyma — ткань) — ткани, запасающей воздух (болотные гигрофиты).
Слабо развита корневая система (корни тонкие, часто без корневых волосков). Гигрофиты не способны перенести даже небольшой недостаток влаги в почве и быстро увядают.
Ксерофиты
Ксерофиты (от греч. xerox — сухой, phyton — растение) — растения, приспособившиеся к жизни в засушливых местах (степи, пустыни, полупустыни, саванны, высокогорья).
Они способны длительно выдерживать недостаточное увлажнение.
У ксерофитов приспособленность к сухим местообитаниям связана с ограничением затрат воды на транспирацию. У одних представителей она сопровождается активным добыванием воды при ее недостатке в почве.
А у других — способностью запасать воду в тканях и органах на время засухи. В зависимости от типа адаптаций выделяют две формы ксерофитов — суккуленты и склерофиты.
Суккуленты
Суккуленты (от лат. succulentus — сочный) — многолетние растения, способные запасать воду в своих тканях и органах, а затем экономно ее расходовать. В зависимости от того, в каких органах запасается вода, различают три типа суккулентов: листовые, стеблевые и корневые.
Листовые суккуленты накапливают воду в мясистых листьях.
Из курса географии вы знаете, что листовые суккуленты встречаются в засушливых областях Центральной Америки (агава), Африки (алоэ). В наших широтах их можно встретить на сухих песчаных почвах (очиток, молодило). Стеблевые суккуленты имеют сильно развитые водозапасающие ткани в коре и сердцевине стебля. Они широко представлены в американских пустынях (кактусы) и засушливых областях Африки (молочаи).
Корневые суккуленты запасают воду в тканях подземных частей растений. Растущее в Мексике невысокое дерево сейба мелколистная имеет на корнях вздутия диаметром до 30 см, в которых накапливается вода.
Суккуленты интенсивно всасывают воду поверхностными корнями и запасают ее в паренхиме вегетативных органов.
Почвенная влага из глубоких слоев почвы для них недоступна. Эпидермис у этих растений покрыт мощной кутикулой. Часто имеется восковой налет или густое опушение.
Немногочисленные устьица погруженного типа днем чаще всего закрыты. У стеблевых суккулентов листья редуцированы до колючек (кактусы). Функция фотосинтеза перешла к стеблю, который приобрел зеленый цвет.
Склерофиты
Склерофиты (от греч. scleros — твердый) — растения со сниженной транспирацией и способностью активно добывать воду при ее недостатке в почве — полынь, саксаул, бодяк, ковыль, чертополох. Они не запасают влагу на период засухи, а добывают ее и экономно расходуют. Обитают склерофиты преимущественно в степях и пустынях, засушливых местообитаниях умеренной зоны.
Склерофиты имеют сухие жесткие листья и стебли, покрытые толстой кутикулой.
Из-за сильного развития механических тканей при водном дефиците у них не наблюдается увядания. Они могут переносить глубокое обезвоживание и без заметного ущерба терять 25-75 % водного запаса (гигрофиты вянут при потере 1-2 % воды).
В силу высокого осмотического давления клеточного сока у склерофитов развивается большая сосущая сила, поэтому их называют «растениями-насосами».
Корни склерофитов уходят глубоко в землю (у верблюжьей колючки длина главного корня достигает 15 м). Некоторые представители образуют разветвленную поверхностную корневую систему (степные злаки).
В периоды засух транспирация уменьшается за счет ряда морфологических адаптаций. Во-первых, у склерофитов мелкие, часто в виде игл или колючек, листья.
Они имеют восковой налет или опушение и устьица погруженного типа. Во-вторых, клетки склерофитов способны удерживать воду благодаря высокой
вязкости цитоплазмы.
Мезофиты
Мезофиты (от греч. mesos — средний) — растения, обитающие в условиях умеренного увлажнения. Они способны переносить кратковременный недостаток влаги. К ним относится большинство лиственных древесных растений.
Мезофитами являются луговые и многие лесные травы, злаки, сорняки, почти все культурные растения умеренной зоны. Это наиболее распространенная экологическая группа растений.
По сравнению с гигрофитами и ксерофитами мезофиты имеют адаптивные признаки промежуточного характера. У них умеренно развита корневая система. На корнях имеются корневые волоски, в листьях — небольшое количество устьиц. В зависимости от обеспеченности влагой устьица могут в любое время открываться или за крываться.
В семенах у мезофитов, обитающих в степях и пустынях, содержится ингибитор (замедлитель) прорастания.
Он вымывается лишь при количестве осадков, достаточном для вегетации. Такое приспособление предотвращает прорастание семян и гибель проростков в период засухи.
Адаптации животных к различному водному режиму
Сухопутные животные для восполнения потери воды вследствие выделения и испарения нуждаются в периодическом ее потреблении. В зависимости от водного режима у них выработались разные типы адаптаций: физиологические, морфологические и поведенческие.
К физиологическим адаптациям относятся особенности процессов жизнедеятельности, восполняющие дефицит влаги в организме.
Например, млекопитающие пьют воду, земноводные поглощают ее кожными покровами. Мелкие животные пустынь (грызуны, пресмыкающиеся, членистоногие) добывают воду, поедая растения с сочными побегами.
Есть животные, которые могут получать воду за счет окисления жиров (окисление 100 г жира дает 105 г воды). Поэтому обильные отложения жира — горб верблюда, курдюк овцы — служат своеобразными резервуарами химически связанной воды.
К морфологическим адаптациям относятся приспособления, задерживающие воду в теле животных.
Насекомые и паукообразные имеют многослойную хитинизированную кутикулу. У пресмыкающихся есть роговой покров тела (роговые чешуи и пластинки). У наземных моллюсков — раковины.
У птиц тело покрыто перьями, а у млекопитающих — шерстью.
Поведенческие адаптации заключаются в том, что большинство животных активны в поисках воды. Они периодически посещают места водопоя.
Порой им приходится мигрировать на сухой период в районы с большей влажностью.
Способность совершать далекие миграции к водопою характерна для антилоп, сайгаков, куланов. Некоторые животные в сухой период переходят на ночной образ жизни или впадают в летнюю спячку (суслики, сурки, черепахи).
Вода влияет на скорость обмена веществ, участвует в терморегуляции, выполняет транспортную функцию в организме.
По отношению к увлажненности среды обитания выделяют экологические группы наземных растений: гигрофиты, ксерофиты (суккуленты, склерофиты), мезофиты. Животные для регуляции водного баланса выработали физиологические, морфологические и поведенческие адаптации.
Обитающие в пустынях пресмыкающиеся и млекопитающие, как правило, ведут ночной образ жизни. Объясните приспособительное значение такого суточного ритма.
Приспособленность организмов к различным условиям
1. Абиотические факторы среды, адаптация организмов к ним.
Закон оптимума.
К абиотическим факторам среды относятся факторы неживой природы, прямо или косвенно воздействующие на живые организмы. Эти факторы подразделяются на:
- — климатические,
- — почвенные (эдафические),
- — топографические и др.
Рассмотрим наиболее важные абиотические факторы в свете влияния на живые организмы.
Влияние света.
Свет является одним из ведущих факторов обеспечения жизнедеятельности организмов и в целом жизни на Земле.
Он служит источником энергии для живых организмов. Только при участии света активируются процессы органического синтеза в зеленых частях растений (фотосинтез). С участием световой энергии происходят процессы транспирации.
Активностью Солнца определяются суточные ритмы. Зрение у животных основано на явлениях светоотражения и т.п.
С другой стороны, свет является и лимитирующим фактором, так как прямое его воздействие на протоплазму может быть смертельно для организма.
Количество солнечного света распределено по планете не равномерно. Однако, живые организмы существуют повсюду. Это говорит о способности всего живого к адаптации – приспособлении организмов к условиям окружающей среды.
У растений уровень освещения определяет процессы роста, поворот частей растения к свету (фототропизм).
Адаптация растений к условиям освещенности проявляется в наличии следующих групп:
— Гелиофиты – предпочитающие освещенные участки;
— Сциофиты – произрастающие в затененной местности;
— Теневыносливые – факультативные гелиофиты, способные существовать при различном уровне освещения.
У животных уменьшение длительности светового дня приводит к появлению сезонных поведенческих особенностей: зимней спячке, миграциям и др.
2. Влияние температуры.
Температура воздуха, воды, почвы также напрямую связана с энергией Солнца – главным источником тепла на Земле. Сила и характер солнечного излучения зависят от географического положения и являются важными климатическими факторами среды, влияющими на видовой состав живых организмов той или иной климатической зоны.
Температурный фактор характеризуется ярко выраженными как сезонными так и суточными колебаниями.
Температура является лимитирующим фактором, так как выход показателей за нижние и верхние границы, допустимые для жизнедеятельности организмов, приводят к их гибели.
Температурный режим влияет на скорость протекания физикохимических процессов в клетках, на анатомо-морфологические особенности организмов, их рост, развитие, поведение, распространение.
Температурный оптимум большинства живых организмов находится в пределах 20-25 ºС, хотя некоторые приспособились к более низким и высоким температурам.
Адаптация к определенному температурному режиму проявляется в анатомо-физиологических особенностях, на основании которых организмы разделяются на:
- — Криофилы (холодолюбивые), способные сохранять жизнедеятельность в рамках температуры до -8, -10ºС;
- — теплолюбивые.
В зависимости от широты интервала температуры, в которой данный вид может существовать, организмы подразделяются на эвритермные (выдерживающие широкие интервалы температур) и стенотермные (живущие в пределах узких температурных рамок).
Беспозвоночные, рыбы, амфибии и рептилии лишены способности поддерживать определенную температуру тела.
Их называют пойкилотермными ( от лат. пойкилос – разный).
Птицы и млекопитающие способны поддерживать достаточно постоянную температуру тела независимо от окружающей температуры.
Эти животные называются гомойотермными ( от лат. хомоус – подобный).
