Экологические адаптации организмовк световому режиму

Наземно-воздушная среда обитания.

Для наземно-воздушная среды характерны: низкая плот­ность воздуха, большие колебания температуры (годовые амплитуды до 100 градусов), высокая подвижность атмо­сферы. Лимитирующими факторами чаще всего являются недостаток или избыток тепла и влаги. В отдельных случаях, например под пологом леса, недостаток света.

Всем живым организмам для осуществления процессов жизнедеятельности необходима энергия, поступающая извне. Основным источником ее является солнечная радиация, на которую приходится 99,9% в общем балансе энергии Земли. На видимые лучи приходится примерно половина всей, посту­пающей на Землю, лучистой энергии. Остальные 50% составляют невидимые инфракрасные лучи, около 1% - ультрафиолетовые. Среди ультрафиолетовых (УФЛ) до поверхности Земли доходят только длинноволновые (290-380 нм), а коротковолновые, губительные для всего живого, поглощаются на высоте 20-26 км озоновым экраном - слоем атмосферы, содержащим молекулы О₃. Длинновол­новые УФЛ имеют высокую химическую активность. В диапазоне 250-300 нм УФЛ оказывают мощное бактери­цидное действие и у животных вызывают образование из стеролов вит. D; при длине волны 200-400 нм у человека насту­пает загар, который является защитной реакцией кожи. Инфракрасные лучи с длиной волны более 750 нм оказывают тепловое действие; их используют животные с непостоянной температурой тела.

Видимая радиация несет приблизительно 60% суммарной энергии. С областью видимой радиации, воспринимаемой человеческим глазом, почти совпадает ФР - физиологическая радиация (длина волны 300-800 нм), в пределах которой выделяют ФАР - область фотосинтетически активной радиа­ции (380-710 нм). Область ФР можно условно разделить на ряд зон: ультрафиолетовую (менее 400 нм), сине-фиолетовую (400-500нм), желто-зеленую (500-600 нм), оранжево-красную, (600-700 нм), дальнюю красную (более 700 нм).

Зеленым растениям свет нужен для образования хлоро­филла, формирования гранальной структуры хлоропластов; он регулирует работу устьичного аппарата, влияет на газо­обмен и транспирацию, активизирует ряд ферментов, стимулирует биосинтез белков и нуклеиновых кислот. Свет влияет на деление и растяжение клеток, ростовые процессы, и на развитие растений, определяет сроки цветения и плодоношения, но самое большое значение свет имеет в воздушном питании растений, в использовании ими солнеч­ной энергии в процессе фотосинтеза. С этим связаны основные адаптации растений по отношению к свету. Об этом свидетель­ствует весь ход эволюции наземных высших растений. Фотоавтотрофы способны ассимилировать СО₂, используялучистую энергию Солнца и преобразуя ее в энергию химических связей в органических соединениях. На суше длявысших фотоавтотрофных растений условия освещения практически везде благоприятны, и они растут повсюду, где позволяют климатические и почвенные условия, приспосабли­ваясь к световому режиму данного местообитания. В жизни растений большое значение имеет и количество падающего света, т. е. интенсивность освещения. Она меняется в боль­ших пределах в разные месяцы вегетационного периода в зависимости от широты местности.

У растений возникают различные морфологические и физиологические адаптации к световому режиму местооби­таний.

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

1. Светолюбивые (световые) или гелиофиты — растения открытых, постоянно хорошо освещаемых мест обитания. Примеры: луговые травы (костер безостый, тимофеевка луговая, райграс высокий), из лесных растений (ветреница лютичная, гусиный лук, хохлатки).

2. Тенелюбивые (теневые), или сциофиты — растения нижних ярусов тенистых лесов, пещер и глубоководные растения; они плохо переносят сильное освещение прямыми
солнечными лучами. Примеры: кислица, майник двулистый, марьянник лесной, вороний глаз, копытень.

3. Теневыносливые, или факультативные гелиофиты, - могут переносить большее или меньшее затенение, но хорошо растут и на свету. Примеры: мятлик луговой, ежа сборная,
земляника и др.

Для животных солнечный свет не является таким необхо­димым фактором, как для зеленых растений. Поскольку все гетеротрофы в конечном счете существуют за счет энергии, накопленной растениями. Тем не менее и в жизни животных световая часть спектра солнечного излучения играет важную роль. Разные виды животных нуждаются в свете определен­ного спектрального состава, интенсивности и длительности освещения. Отклонения от нормы подавляют их жизнедея­тельность и приводят к гибели. Различают виды светолюбивые (фотофилы) и тенелюбивые (фотофобы); эврифотные, выносящие широкий диапазон освещенности и стенофотные, переносящие узкоограниченные условия освещенности.

Свет для животных необходимое условие видения, зри­тельной ориентации в пространстве. Рассеянные, отраженные от окружающих предметов лучи, воспринимаемые органами зрения животных, дают им значительную часть информации о внешнем мире. Развитие зрения у животных шло парал­лельно с развитием нервной системы.

Животные ориентируются с помощью зрения во время дальних перелетов и миграций. Птицы, например, с пора­зительной точностью выбирают направление полета, преодо­левая иногда многие тысячи километров от гнездовий до мест зимовок. отсутствуют все видимые проявления жизни. Анабиоз позволяет организмам пережить холодное время года. Анабиоз сопровождается значительными потерями воды (до 75%). При наступлении благоприятных условий организмы выходят из состояния анабиоза и процессы жизнедеятель­ности возобновляются.

При адаптации к холоду проявляется закон экономии поверхности, так как компактная форма тела с минимальным отношением площади к объему наиболее выгодна для сохранения тепла. Связь размеров и пропорций тела животных с климатическими условиями их обитания была подмечена еще в XIX в. Согласно правилу К. Бергмана крупные виды, принадлежащие к определенной систематичес­кой группе гомойотермных животных, живут в наиболее холодных климатах, а мелкие - в теплом климате. Суть этого правила в необходимости поддержания для гомойотермных животных постоянной внутренней температуры тела. Потери тепла происходят, главным образом, через поверхность тела. Чем крупнее животное и, следовательно, меньше отношение поверхность/объем, тем меньше и потери тепла через тепло­отдачу. Известно, что из всех геометрических фигур с равным объемом наименьшую поверхность имеет шар. Животным выгоднее иметь массивное тело, максимально приближаясь к форме шара.

Д. Аллен в 1877 г. подметил, что у многих млекопитающих и птиц северного полушария относительные размеры конеч­ностей и различных выступающих частей тела (хвостов, ушей, клювов) увеличиваются к югу. Терморегуляционное значение отдельных участков тела далеко не равноценно. Выступающие части имеют большую относительную поверх­ность, которая выгодна в условиях жаркого климата. У мно­гих млекопитающих особое значение для поддержания теплового баланса имеют уши, снабженные большим коли­чеством кровеносных сосудов.

Адаптации организмов к водному режиму наземно-воздушной среды. Протекание всех биохимических процессов в клетках и нормальное функционирование организма в целом возможно только при достаточном обеспечении его водой - необходимым условием жизни.

Вся эволюция наземных организмов шла под знаком приспособления к добыванию и сохранению влаги. Режимы влажности среды на суше очень разнообразны - от полного и постоянного насыщения воздуха водяными парами до прак­тически полного их отсутствия в сухом воздухе пустынь.

У животных различают три механизма регулирования вод­ного баланса: морфологический - через форму тела, покровы; физиологический - посредством высвобождения воды из жиров, белков и углеводов (метаболическая вода), через испарение и органы выделения; поведенческий - выбор предпочтительного расположения в пространстве.

Пустынные животные имеют особый тип обмена веществ, при котором вода образуется в организме при поедании сухого корма (грызуны). Источником воды служит и жир, накапли веющийся у некоторых животных в больших количествах (верблюды, курдючные овцы). Копытные способны в поисках воды пробегать огромные расстояния. Многие мелкие животные на период засухи впадают в анабиоз.

Растения избегают обезвоживания либо посредством запа­сания воды в теле и защиты ее от испарения (суккуленты), либо через увеличение доли подземных органов (корневых систем) в общем объеме тела. Уменьшению испарения способ­ствуют также различного рода покровы (волоски, плотная кутикула, восковой налет). При избытке воды механизмы ее экономии слабо выражены. Наоборот, некоторые растения способны выделять избыточную воду через листья, в капельно-жидком виде («плач растения»).

Адаптации растений засушливых мест обитания - прони­кание корней на значительные глубины (верблюжья колюч­ка); разветвленная корневая система; уменьшение площади листовых пластинок или их видоизменения в колючки (как­тусы); уменьшение количества устьиц; накопление воды в органах и экономное ее использование; переживание засуш­ливого периода в виде подземных побегов (корневищ, луковиц)и т. д.

Экологические группы растений по отношению к воде:

- Гидатофиты - это водные растения, целиком или почти целиком погруженные в воду. Среди них - цветковые, кото­рые вторично перешли к водному образу жизни (элодея,
рдесты, водяные лютики, валлиснерия и др.). Вынутые из воды, эти растения быстро высыхают и погибают. У них редуцированы устьица и нет кутикулы.

Листовые пластинки у гидатофитов, как правило, тонкие, без дифференцировки мезофила, часто рассеченные, что спо­собствует более полному использованию ослабленного в воде солнечного света и усвоению С0₂. Нередко выражена разнолистность - гетерофиллия; у многих видов есть плавающие листья, имеющие световую структуру. Поддерживаемые водой побеги часто не имеют механических тканей, в них хорошо развита аэренхима.

Корневая система цветковых гидатофитов сильно редуци­рована, иногда отсутствует совсем или утратила свои основ­ные функции (у рясок). Поглощение воды и минеральных солей происходит всей поверхностью тела.

- Гидрофиты - это растения наземно-водные, частично погруженные в воду, растущие по берегам водоемов, на мелко­водья, на болотах. К ним можно отнести тростник обыкно­венный, калужницу болотную и другие виды. У них лучше, чем у гидатофитов, развиты проводящие и механические ткани. У гидрофитов есть эпидермис с устьицами, интен­сивность транспирации очень высока, и они могут расти только при постоянном интенсивном поглощении воды.

Гигрофиты - наземные растения, живущие в условиях повышенной влажности воздуха и часто на влажных почвах. Теневые гигрофиты - это растения нижних ярусов сырых лесов в разных климатических зонах (цирцея альпийская, многие тропические травы). Из-за высокой влажности возду- ха у них может быть затруднена транспирация.

К световым гигрофитам относятся и виды открытых место­обитаний умеренной полосы, растущие на постоянно влаж­ных почвах и во влажном воздухе (папирус, рис, подмарен­ник болотный и др.).

Мезофиты могут переносить непродолжительную и не очень сильную засуху. Это растения, произрастающие при среднем увлажнении, умеренно теплом режиме и достаточно хорошей обеспеченности минеральным питанием. К мезофи­там можно отнести деревья верхних ярусов тропических лесов, древесные породы лесов умеренного пояса, кустарники, травянисты растения, растения заливных лугов.

Ксерофиты растут в местах с недостаточным увлажнением и имеют приспособления, позволяющие добывать воду при ее недостатке, ограничивать испарение воды или запасать ее на время засухи. Ксерофиты подразделяются на два типа:

- суккуленты - сочные растения с сильно развитой водозапасающей паренхимой в разных органах. Стеблевые суккуленты - кактусы; листовые суккуленты - алоэ, агавы,
молодило; корневые суккуленты - аспарагус, кислица.

Листья, а в случае их редукции стебли суккулентов имеют толстую кутикулу. Устьица погруженные, открываются в щель, где задерживаются водяные пары. Днем они закрыты. Это помогает суккулентам сберегать накопленную влагу, но зато ухудшает" газообмен. Поэтому многие суккуленты при открытых устьицах поглощают СО₂, который только на следующий день перерабатывают в процессе фотосинтеза;

- склерофиты - это растения, наоборот, сухие на вид (ковыли, злаки), часто с узкими и мелкими листьями, иногда свернутыми в трубочку. Листья могут быть также рассечен­ными, покрытыми волосками или восковым налетом. Хорошо развита склеренхима, поэтому растения без вредных последствий могут терять до 25% влаги не завядая. В клетках преобладает связанная вода. Сосущая сила корней до нескольких десятков атмосфер, что позволяет успешно добывать воду из почвы. При недостатке воды резко снижают транспирацию.