Экологическая роль основных абиотических факторов

Солнечное излучение. Солнечное излучение – основной источник энергии для экосистемы. Энергия Солнца распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Для организмов важны длина волны воспринимаемого излучения, его интенсивность и продолжительность воздействия.

Около 99% всей энергии солнечной радиации составляют лучи с длиной волны к = 170... 4000 нм, в том числе 48% при­ходится на видимую часть спектра (к = 390... 760 нм), 45% — на близкую инфракрасную (к = 760... 4000 нм) и около 7% — на ультрафиолетовую (к < 400 нм).

Преимущественное значение для фотосинтеза имеют лучи с X = 380... 710 нм. Длинноволновая (дальняя инфракрасная) солнечная радиация (к > 4000 нм) незначительно влияет на процессы жизнедеятельности организмов. Ультрафиолетовые лучи с к > 320 нм в малых дозах необ­ходимы животным и человеку, так как под их действием в ор­ганизме образуется витамин D. Излучение с к < 290 нм губи­тельно для живого, но до поверхности Земли оно не доходит, поглощаясь озоновым слоем атмосферы.

При прохождении через атмосферный воздух солнечный свет отражается, рассеивается и поглощается. Чис­тый снег отражает примерно 80—95% солнечного света, за­грязненный — 40—50%, черноземная почва — до 5%, сухая светлая почва — 35—45%, хвойные леса — 10—15%. Однако освещенность земной поверхности существенно колеблется в зависимости от времени года и суток, географической широ­ты, экспозиции склона, состояния атмосферы и т. п.

Вследствие вращения Земли периодически чередуются светлое и темное время суток. Цветение, прорастание семян у растений, миграция, зимняя спячка, размножение животных и многое другое в природе связаны с длительностью фотопери­ода (длиной дня). Необходимость в свете для растений обуслов­ливает быстрый их рост в высоту, ярусную структуру леса. Водные растения распространяются преимущественно в по­верхностных слоях водоемов.

Прямое или рассеянное солнечное излучение не требуется лишь небольшой группе живых существ – некоторым видам грибов, глубоководных рыб, почвенных микроорганизмов и т.п.

К наиболее важным физиологическим и биохимическим процессам, осуществляемым в живом организме, благодаря наличию света, можно отнести следующие:

1. Фотосинтез (1-2% падающей на Землю солнечной энергии используется для фотосинтеза);

2. Транспирация (около 75 % - для транспирации, обеспечивающей охлаждение растений и движение по ним водных растворов минеральных веществ);

3. Фотопериодизм (обеспечивает синхронность жизненных процессов в живых организмах периодически меняющимся условиям среды);

4. Движение (фототропизм у растений и фототаксис у животных и микроорганизмов);

5. Зрение (одна из главных анализирующих функций животных);

6. Прочие процессы (синтез витамина Д у человека на свету, пигментация и т.п.).

Основу биоценозов средней полосы России, как и большинства наземных экосистем, составляют продуценты. Использование ими солнечного света ограничивается рядом естественных факторов и, в первую очередь, температурными условиями. В связи с этим выработались особые приспособительные реакции в виде ярусности, мозаичности листьев, фенологических различий и т.п. По требовательности к условиям освещения растения делятся на световые или светолюбивые (подсолнечник, подорожник, томат, акация, дыня), теневые или несветолюбивые (лесные травы, мхи) и теневыносливые (щавель, вереск, ревень, малина, ежевика).

Растения формируют условия существования других видов живых существ. Именно поэтому так важна их реакция на условия освещения. Загрязнение окружающей среды приводит к изменению освещенности: снижению уровня солнечной инсоляции, уменьшению количества фотосинтетически активной радиации (ФАР-часть солнечной радиации с длиной волны от 380 до 710 нм), изменению спектрального состава света. В итоге это разрушает ценозы, основанные на приходе солнечного излучения в определенных параметрах.

Температура. Для естественных экосистем нашей зоны температурный фактор наряду со светообеспечением является определяющим для всех жизненных процессов. Активность популяций зависит от времени года и времени суток, т.к. в каждый из этих периодов свои температурные условия.

Температура главным образом связана с солнечным излучением, но в ряде случаев определяется энергией геотермальных источников.

При температуре ниже точки замерзания живая клетка физически повреждается образующимися кристаллами льда и гибнет, а при высоких температурах происходит денатурация ферментов. Абсолютное большинство растений и животных не выдерживает отрицательных температур тела. Верхний температурный предел жизни редко поднимается выше 40–45 °С.

В диапазоне между крайними границами скорость ферментативных реакций (следовательно, и интенсивность обмена веществ) удваивается с повышением температуры на каждые 10°С.

Значительная часть организмов способна контролировать (поддерживать) температуру тела, причем в первую очередь наиболее жизненно важных органов. Такие организмы называют гомойотермными — теплокровными (от греч. homoios — подобный, therme — теплота), в отличие от пойкилотермных — холоднокровных (от греч. poikilos — различный, переменчивый, разнообразный), имеющих непостоянную температуру, зависящую от температуры окружающей среды.

Пойкилотермные организмы в холодное время года или суток снижают уровень жизненных процессов вплоть до анабиоза. В первую очередь это касается растений, микроорганизмов, грибов и пойкилотермных (холоднокровных) животных. Активность сохраняют только гомойотермные (теплокровные) виды. Гетеротермные организмы, находясь в неактивном состоянии, имеют температуру тела не на много выше температуры внешней среды; в активном состоянии - достаточно высокую (медведи, ежи, летучие мыши, суслики).

Терморегуляция гомойотермных животных обеспечивается особым типом обмена веществ, идущим с выделением в организме животных тепла, наличием теплоизолирующих покровов, размерами, физиологией и т.д.

Что же касается растений, то они выработали в процессе эволюции ряд свойств:

• холодостойкость – способность переносить длительное время низкие положительные температуры (от О°С до +5°С);

• зимостойкость – способность многолетних видов переносить комплекс зимних неблагоприятных условий;

• морозостойкость – способность переносить длительное время отрицательные температуры;

• анабиоз – способность переносить период длительного недостатка экологических факторов в состоянии резкого снижения обмена веществ;

• жаростойкость – способность переносить высокие (св. +38°…+40°С) температуры без существенных нарушений обмена веществ;

• эфемерность – сокращение онтогенеза (до 2-6 мес.) у видов, произрастающих в условиях короткого периода благоприятных температурных условий.

В водной среде благодаря высокой теплоемкости воды изменения температуры менее резкие и условия более стабильные, чем на суше. Известно, что в регионах, где температура в течение суток, а также в разные сезоны сильно меняется, разнообразие видов меньше, чем в регионах с более постоянными суточными и годовыми температурами.

Температура, как и интенсивность света, зависит от географической широты, сезона, времени суток и экспозиции склона. Действие экстремальных температур (низких и высо­ких) усиливается сильными ветрами.

Изменение температуры по мере подъема в воздушной среде или погружения в водную среду называют температурной стратификацией. Обычно и в том и в другом случае наблюдает­ся непрерывное снижение температуры с определенным гради­ентом. Тем не менее, существуют и иные варианты. Так, в лет­ний период поверхностные воды нагреваются сильнее глубин­ных. В связи со значительным уменьшением плотности воды по мере нагрева начинается ее циркуляция в поверхностном нагретом слое без смешения с более плотной, холодной водой нижерасположенных слоев. В результате между теплым и хо­лодным слоями образуется промежуточная зона с резким градиентом температуры. Все это влияет на размещение в воде живых организмов, а также на перенос и рассеивание поступающих примесей.

Подобное явление встречается и в атмосфере, когда охлажденные слои воздуха смещаются вниз и располагаются под теплыми слоями, т. е. имеет место температурная инверсия, способствующая накоплению загрязняющих веществ в приземном слое воздуха.

Инверсии способствуют некоторые особенности рельефа, например, котлованы и долины. Она возникает при наличии на определенной высоте веществ, например аэрозолей, нагре­ваемых непосредственно за счет прямого солнечного излуче­ния, что вызывает более интенсивное прогревание верхних воздушных слоев.

В почвенной среде суточная и сезонная стабильность (колебания) температуры зависят от глубины. Значитель­ный градиент температур (а также влажности) позволяет обитателям почвы обеспечивать себе благоприятную среду путем незначительных перемещений. Наличие и численность живых организмов могут влиять на температуру. Например, под пологом леса или под листья­ми отдельного растения имеет место иная температура.

Осадки, влажность. Вода обязательна для жизни на Земле, в экологическом плане она уникальна. При практически одинаковых географических условиях на Земле существуют и жаркая пустыня, и тропический лес. Различие состоит только в годовом количестве осадков: в пер­вом случае 0,2–200 мм, а во втором 900–2000 мм.

Осадки, тесно связанные с влажностью воздуха, представляют собой результат конденсации и кристаллизации водяных паров в высоких слоях атмосферы. В приземном слое воздуха образуются росы, туманы, а при низких температурах наблю­дается кристаллизация влаги – выпадает иней.

Одна из основных физиологических функций любого организма – поддержание на достаточном уровне количества воды в теле. В процессе эволюции у организмов сформировались разнообразные приспособления к добыванию и экономному расходованию воды, а также к переживанию засушливого периода. Одни животные пустыни получают воду из пищи, другие за счет окисления своевременно запасенных жиров (например, верблюд, способный путем биологического окисления из 100 г жира получить 107 г метаболической воды); при этом у них минимальна водопроницаемость наружных покровов те­ла, ческой засушливости характерно впадение в состояние покоя с минимальной интенсивностью обмена веществ.

Наземные растения получают воду главным образом из почвы. Малое количество осадков, быстрый дренаж, интенсивное испарение либо сочетания этих факторов ведут к иссушению, а избыток влаги — к переувлажнению и заболачиванию почв.

Баланс влаги зависит от разницы между количеством выпавших осадков и количеством воды, испарившейся с поверхностей растений и почвы, а также путем транспирации^]. В свою очередь процессы испарения непосредственно зависят от отно­сительной влажности атмосферного воздуха. При влажности, близкой к 100%, испарение практически прекращается, и если дополнительно понижается температура, то начинается об­ратный процесс — конденсация (образуется туман, выпадают роса, иней).

Помимо отмеченного, влажность воздуха как экологиче­ский фактор при своих крайних значениях (повышенной и по­ниженной влажности), усиливает воздействие (усугубляет) действие температуры на организм.

Насыщение воздуха парами воды редко достигает макси­мального значения. Дефицит влажности — разность между максимально возможным и фактически существующим насы­щением при данной температуре. Это один из важнейших эко­логических параметров, поскольку характеризует сразу две величины: температуру и влажность. Чем выше дефицит влажности, тем суше и теплее, и наоборот.

Режим осадков — важнейший фактор, определяющий миграцию загрязняющих веществ в природной среде и вымы­вание их из атмосферы.

По отношению к водному режиму выделяют следующие экологические группы живых существ:

• гидробионты – обитатели экосистем, весь жизненный цикл которых проходит в воде;

• гигрофиты – растения влажных мест обитания (калужница болотная, купальница европейская, рогоз широколистный);

• гигрофилы – животные, обитающие в очень сырых частях экосистем (моллюски, амфибии, комары, мокрицы);

• мезофиты – растения умеренно увлажненных мест обитания;

• ксерофиты – растения сухих мест обитания (ковыли, полыни, астрагалы);

• ксерофилы – обитатели засушливых территорий, не переносящие повышенную увлажненность (некоторые виды пресмыкающихся, насекомых, пустынные грызуны и млекопитающие);

• суккуленты – растения наиболее засушливых местообитаний, способные накапливать значительные запасы влаги внутри стебля или листьев (кактусы, алоэ, агава);

• склерофиты – растения очень засушливых территорий, способные выдерживать сильную обезвоженность (верблюжья колючка обыкновенная, саксаул, саксагыз);

• эфемеры и эфемероиды - однолетние и многолетние травянистые виды, имеющие укороченный цикл, совпадающий с периодом достаточного увлажнения.

Влагопотребление растений может быть охарактеризовано следующими показателями:

• засухоустойчивость – способность переносить пониженную атмосферную и (или) почвенную засуху;

• влагоустойчивость – способность переносить переувлажнения;

• коэффициент транспирации - количество воды, расходуемое на образование единицы сухой массы (для капусты белокачанной 500-550, для тыквы-800);

• коэффициент суммарного водопотребления – количество воды, расходуемое растением и почвой на создание единицы биомассы (для луговых трав – 350–400 м³ воды на одну тонну биомассы).

Нарушение водного режима, загрязнение поверхностных вод опасно, а в некоторых случаях губительно для ценозов. Изменение круговорота воды в биосфере может привести к непредсказуемым последствиям для всех живых организмов.

Подвижность среды. Причинами возникновения движения воздушных масс (ветра) являются в первую очередь неодинаковый нагрев земной поверхности, вызывающий перепады давления, а также вращение Земли. Ветер направлен в сторону более прогретого воздуха.

Ветер — важнейший фактор распространения на большие расстояния влаги, семян, спор, химических примесей и т. п. Он способствует как снижению околоземной концентрации пыле- и газообразных веществ вблизи места их поступления в атмосферу, так и повышению фоновых концентраций в воздушной среде вследствие выбросов далеких источников, включая трансграничный перенос.

Ветер ускоряет транспирацию (испарение влаги наземными частями растений), что особенно ухудшает условия существования при низкой влажности. Кроме того, он косвенно влия­ет на все живые организмы суши, участвуя в процессах выветривания и эрозии.

Подвижность в пространстве и перемешивание водных масс способствуют поддержанию относительной гомогенности (однородности) физических и химических характеристик вод­ных объектов. Средняя скорость поверхностных течений лежит в пределах 0,1—0,2 м/с, достигая местами 1 м/с, у Гольфстрима — 3 м/с.

Давление. Нормальным атмосферным давлением считает­ся абсолютное давление на уровне поверхности Мирового оке­ана 101,3 кПа, соответствующее 760 мм рт. ст. или 1 атм. В пределах земного шара существуют постоянные области вы­сокого и низкого атмосферного давления, причем в одних и тех же точках наблюдаются сезонные и суточные его колебания. По мере увеличения высоты относительно уровня океана дав­ление уменьшается, снижается парциальное давление кислорода, усиливается транспирация у растений.

Периодически в атмосфере образуются области пониженного давления с мощными воздушными потоками, перемещающимися по спирали к центру, которые называют циклонами. Для них характерно большое количество осадков и неустойчивая погода. Противоположные природные явления называют антициклонами. Они характеризуются устойчивой погодой, слабыми ветрами и в ряде случаев температурной ин­версией. При антициклонах порой возникают неблагоприят­ные метеорологические условия, способствующие накоплению в приземном слое атмосферы загрязняющих веществ.

Различают также морское и континентальное атмосферное давление.

Давление в водной среде возрастает по мере погружения. Благодаря значительно (в 800 раз) большей, чем у воздуха, плот­ности воды на каждые 10 м глубины в пресноводном водоеме дав­ление увеличивается на 0,1 МПа (1 атм). Абсолютное давление на дне Марианской впадины превышает 110 МПа (1100 атм).

Ионизирующие излучения. Ионизирующим называют излучение, образующее пары ионов при прохождении через ве­щество; фоновым — излучение, создаваемое природными ис­точниками. Оно имеет два основных источника: космическое излучение и радиоактивные изотопы, и элементы в минералах земной коры, возникшие некогда в процессе образования вещества Земли. Из-за большого периода полураспада ядра многих первозданных радиоактивных элементов сохранились в недрах Земли до настоящего времени. Главнейшие из них — калий-40, торий-232, уран-235 и уран-238. Под воздействием космического излучения в атмосфере постоянно образуются все новые ядра радиоактивных атомов, главные из которых — углерод-14 и тритий.

Радиационный фон ландшафта — одна из непременных со­ставляющих его климата. В формировании фона принимают участие все известные источники ионизирующего излучения, однако вклад каждого из них в общую дозу облуче­ния зависит от конкретной географической точки. Человек как обитатель природной среды получает основную часть облу­чения от естественных источников радиации, и избежать этого невозможно. Все живое на Земле подвергается излучению из Космоса. Горные ландшафты благодаря значительной высоте над уровнем моря характеризуются повышенным вкладом косми­ческого излучения. Ледники, выполняя функцию поглощаю­щего экрана, задерживают в своей массе излучение подсти­лающих коренных пород. Обнаружены различия в содержа­нии радиоактивных аэрозолей над морем и сушей. Суммарная радиоактивность морского воздуха в сотни и тысячи раз мень­ше, чем континентального.

На Земле есть районы, где мощность экспозиционной дозы в десятки раз превышает средние значения, например, районы месторождений урана и тория. Такие места называют урано­выми и ториевыми провинциями. Стабильный и относительно более высокий уровень излучения наблюдается в местах выхо­да гранитных пород.

Биологические процессы, сопровождающие образование почв, существенно влияют на накопление в последних радиоак­тивных веществ. При малом содержании гумусовых веществ их активность слабая, тогда как черноземы всегда отличались более высокой удельной активностью. Особенно она высока у черноземных и луговых почв, расположенных близко к гра­нитным массивам. По степени возрастания удельной актив­ности почвы ориентировочно можно расположить в следую­щем порядке: торфяные; черноземные; почвы степной зоны и лесостепи; почвы, развивающиеся на гранитах.

Влияние периодических колебаний интенсивности косми­ческого излучения у земной поверхности на дозу облучения живых организмов практически не существенно.

Во многих районах земного шара мощность экспозицион­ной дозы, обусловленная излучением урана и тория, достигает уровня облучения, существовавшего на Земле в геологически обозримое время, при котором шла естественная эволюция живых организмов. В целом ионизирующее излучение более губительно воздействует на высокоразвитые и сложные орга­низмы, причем человек отличается особой чувствительностью. Некоторые вещества распределяются в организме равномерно, например углерод-14 или тритий, а другие накапливаются в определенных органах. Так, радий-224, -226, свинец-210, полоний-210 аккумулируются в костных тканях. Сильное воз­действие на легкие оказывает инертный газ радон-220, порой выделяющийся не только из залежей в литосфере, но и из минералов, добытых человеком и применяемых в качестве строительных материалов. Радиоактивные вещества могут накапливаться в воде, поч­ве, осадках или в воздухе, если скорость их поступления превы­шает скорость радиоактивного распада. В живых организмах накопление радиоактивных веществ происходит при их попадании с пищей.