Реферат: Жизнь и среда обитания
Ультрафиолет с длиной волны менее 0,29 мкм вызывает интенсивную денатурацию биополимеров и губителен для всего живого. Он задерживается озоновым слоем атмосферы, поверхности земли достигает лишь небольшая часть ультрафиолетовых лучей (0,3-0,4 мкм), в небольших количествах полезных животным и человеку. Без них растения приобретают чрезмерно вытянутую форму. Под их воздействием образуется витамин D.
Видимый свет состоит из голубых, зеленых, оранжевых и красных лучей (0,4-0,75 мкм) и составляет большую часть лучистой энергии. Зеленые растения осуществляют фотосинтез органических соединений за счет энергии видимой части спектра. Видимые лучи свободно проходят сквозь облака и воду, поэтому фотосинтез возможен и в пасмурную погоду, и в водоемах на глубине в десятки и сотни метров (у красных водорослей).
Наиболее благоприятны оранжево-красные лучи (0,6-0,7 мкм). Сине-фиолетовые лучи (0,4-0,5 мкм) поглощаются хлорофиллом, каротиноидами и другими компонентами клетки, но они вдвое менее эффективны, чем оранжево-красные. Наименьшую биологическую активность имеют зеленые лучи (0,5-0,6 мкм), они не поглощаются растениями, и большинство растений имеют зеленый цвет.
Инфракрасные лучи (более 0,75 мкм) не воспринимаются глазом человека, но на их долю приходится до 40% общего количества лучистой энергии. Они согревают растения и животных, хорошо поглощаются почвой и водой. Существенная часть инфракрасных лучей, поступающих от Солнца, а также собственное тепловое излучение Земли поглощаются углекислым и некоторыми другими газами, повышая температуру атмосферы и создавая парниковый эффект.
В зависимости от требовательности к количеству света растения могут быть светолюбивыми (хлебные злаки, береза) или теневыносливыми (лесные кустарники, мхи), в лесу они занимают различные экологические ниши — разные ярусы леса.
Животные используют солнце для географической ориентации. Некоторые насекомые способны различать ультрафиолетовые лучи, это позволяет им успешно ориентироваться на местности в облачную погоду. В связи с суточным световым ритмом у большинства животных активность приходится на дневное время, лишь некоторая часть организмов приспособлена к ночному образу жизни — они занимают свою экологическую нишу.
Хемотрофные и часть гетеротрофных организмов способны обходиться без света, они обитают в глубоких слоях почвы, пещерах и океанических глубинах. Для большинства организмов свет необходим, они приспособлены к определенному режиму освещенности. Для существ важны не только длина волны и интенсивность света, но и продолжительность его воздействия.
Фотопериодизм. Весной в организмах включаются физиологические процессы, приводящие к росту и цветению растений, у птиц просыпаются гнездовые инстинкты. С приближением осени растения сбрасывают листву, животные линяют и накапливают жир, птицы сбиваются в перелетные стаи, у насекомых наступает стадия покоя. Сигналом для всех этих изменений служит продолжительность дня, с астрономической точностью определяющая время года. Реакцию организмов на продолжительность дня называют фотопериодизмом.
Если сеянцы березы искусственно освещать более 15 часов в сутки, то они растут непрерывно, если же продолжительность облучения снизить до 10-12 часов, сеянцы сбрасывают листья и переходят в состояние зимнего покоя даже в очень теплом помещении. Изменение окраски и опадание осенних листьев происходит у деревьев в жесткие календарные сроки и не обнаруживает прямой зависимости от погоды. В Европейской части России начало сентября бывает теплее конца августа, тем не менее, листопад всегда начинается в сентябре. Многие листопадные деревья средней полосы — дуб, ива, граб, бук — в южных условиях с длинным днем становятся вечнозелеными.
Насекомые даже при высокой температуре с уменьшением продолжительности дня впадают в состояние зимнего покоя. Если гусеницу бабочки-капустницы содержать в условиях длинного дня, то из куколки быстро выходит бабочка, если продолжительность освещенности сократить до 14 часов в сутки, то даже летом формируется зимующая куколка, которая не раскрывается многие месяцы.
Широко распространенные виды в разных частях ареала по-разному реагируют на продолжительность дня. Рост и развитие личинок у бабочки стрельчатки щавелевой прекращается в районе Сухуми при длине дня 14,5 часов, Витебска — 18, Санкт-Петербурга — 19,5 часов.
Следование организмов ходу собственных биологических часов имеет решающее значение для выживания. Погода зачастую оказывается обманчивой: жаркая осень вдруг сменяется заморозками, а временные похолодания могут случиться и летом, но организмы с непременностью следуют календарю. Биологические часы некоторых растений способны "отсчитывать" годы. Предпосевной обработкой холодом удается сместить стрелки биологических часов семян на год вперед и достигнуть колошения озимых при весеннем посеве, а цветения и плодоношения двулетних растений — уже в первый год.
Изучение фотопериодизма в жизнедеятельности организмов позволило увеличить эффективность использования одомашненных растений и животных. При искусственном освещении в теплицах круглогодично выращиваются овощи, цветы, рассада, повышается яйценоскость на птицефермах.
Фотопериодизм у людей выражается в большей оптимальной продолжительности сна зимой (на 1-2 часа). Эта разница увеличивается при перемещении к полюсу (т.е. с удлинением ночи) и практически не зависит от климата.
Влажность. Биохимические реакции в клетках протекают в водной среде. Вода — прекрасный растворитель, она идеально приспособлена для транспорта питательных веществ, гормонов и вывода продуктов обмена. Поэтому регуляция количества воды в живых организмах составляет их важнейшую физиологическую функцию.
От наличия воды в экосистеме зависит характер ее флоры и фауны. При избытке воды развивается болотная растительность, а ее недостаток формирует пустынный ландшафт. Уровень влажности определяет интенсивность воздействия температурного фактора. Если влажность слишком низка или высока, температура оказывает особенно сильное влияние, а при оптимальной влажности существам легче переносить температуры, близкие к пределам выносливости.
Для обитания в засушливых условиях организмы имеют специальные приспособления. У засухоустойчивых растений развита корневая система (длина корней верблюжьей колючки достигает 16 м), многие из них имеют густое опушение, толстый восковой слой, препятствующие испарению. Саксаул в жаркий период утрачивает листья, осуществляя фотосинтез в зеленых стеблях; влаголюбивые растения в подобных условиях увядают и гибнут. Пустынные животные в качестве источника влаги запасают жир, при окислении которого образуется большое количество воды.
Абиотические факторы среды: температура, радиация, химическое загрязнение
Температура. Этот климатический фактор существенно определяет скорость биохимических реакций в клетках, влияя на большинство физиологических процессов от прохождения нервных импульсов до пищеварения. Слишком высокие или слишком низкие температуры губительны для организма. Высокая температура разрушает биополимеры, белки крови человека денатурируют уже при 41-42°С.
В связи с сезонными переменами климата существа наделены свойством акклимации — возможностью изменять пределы выносливости. С наступлением осени морозоустойчивость растений постепенно повышается (накоплением в клетках углеводов). Весной она резко снижается, и в случае заморозков растения могут погибнуть. У животных при акклимации к зиме меняется шерстяной или перьевой покров, увеличивается жировая прослойка, запасается бурый жир.
В теплое время года включаются физиологические механизмы, защищающие от перегрева, увеличивается количество испарений через покровы и дыхательную систему. Некоторые насекомые, пустынные грызуны и черепахи с наступлением жаркого периода впадают в летнюю спячку.
Птицы и млекопитающие наделены механизмом терморегуляции, поэтому способны переносить значительные перепады температур. Насекомые, пресмыкающиеся, многие звери и растения переходят с наступлением осени в состояние зимнего покоя. Для защиты от переохлаждения количество воды в их организмах снижается, накапливаются углеводы и глицерин. Обмен веществ замедляется. Частота сердечных сокращений у суслика около 300 ударов в минуту, во время спячки — всего 3 удара, температура тела понижается до +5°С. У травяных растений зимуют семена, корневые системы. Клещи, малярийные комары, мухи и многие бабочки зимуют на стадии взрослой особи, а непарный шелкопряд и различные виды тлей — на стадии яйца. Колорадский жук на зимовку уходит вглубь почвы более чем на 1 метр.
Некоторые существа способны к анабиозу — практически полной остановке обмена веществ. Организм полностью обезвоживается, клетки высыхают, меняют форму, но их внутреннее строение не нарушается. При восстановлении благоприятных условий жизнедеятельность возобновляется. Мухи, коловратки и нематоды выдерживают продолжительные понижения температуры до -190°С. В состоянии анабиоза энергия расходуется предельно экономно, резко повышается устойчивость организма.
Поддержание нормальной жизнедеятельности в неблагоприятных условиях требует от существ больших затрат энергии. Виды, обитающие в высоких широтах, наиболее приспособлены к перепадам температур. Тундровые песцы переносят колебания температур от +30°С до -55°С, даурская лиственница выдерживает температуру до -70°С (близ Верхоянска). Животные и растения тропических лесов приспособлены лишь к небольшому диапазону температур, снижение температуры до +5°С для них губительно. Отдельные виды бактерий и водорослей благополучно себя чувствуют в горячих источниках при температуре до +123°С. Однако для большинства организмов наиболее благоприятным является диапазон от +15°С до +30°С.
В воде благодаря ее высокой теплоемкости колебания температуры существенно меньше, чем на суше. Поэтому водные виды менее приспособлены к перепадам температур. Диапазон приспособленности некоторых видов антарктических рыб составляет всего 4°С (от -2°С до +2°С). С повышением температуры до 0°С интенсивность обмена веществ у них вырастает, а при +2°С резко падает, и рыбы впадают в тепловое оцепенение.
В популяциях теплокровных животных с продвижением на север уменьшаются выступающие части (вспомним рис. на с 209) и увеличиваются средние размеры тела. Так, европейский бурый медведь весит 150-280 кг, камчатский — 400-500 кг, а медведи Аляски и острова Вадьяк — около 800 кг. Дело в том, что теплопотери пропорциональны площади поверхности тела, их удельная величина (на килограмм веса) падает с увеличением объема животного (Sшара/Vшара = 3/r).
Многие северные виды животных наделены "чудесной сетью" кровеносных сосудов. В ластах китов и лапах птиц вены расположены вплотную к артериям. Тепло артерий передается венам и возвращается в тело, температура конечностей и теплопотери резко снижаются.
Арктические растения — с преобладанием стелющихся форм, их листья часто подушковидные. Благодаря такой конфигурации растения улавливают больше солнечного света и максимально используют тепло нагретой почвы.
Сообщества наземных организмов характеризуются широтной зональностью — сменой видов при продвижении от экватора к полюсам. Влажные тропические леса переходят в субтропики и далее в листопадный лес умеренного климата и низкорослую тундровую растительность. Типы природных сообществ определенных климатических зон называют биомами. Горные цепи и бассейны крупных рек способствуют проникновению теплолюбивых видов далеко на север. Горы защищают от холодных ветров, а водные массы служат резервуаром тепла, повышающим среднюю температуру почвы и воздуха. Вода обладает большой теплоемкостью, она запасает тепло и длительное время согревает окружающую среду. Создаваемый микроклимат формирует интересное сочетание видов, порой не характерных для данного биома.
Кроме климатических условий на организмы существенно влияют и другие абиотические факторы — радиационный фон и загрязняющие вещества.