§ 21. Абиотические факторы среды

СТРАНИЦА 198

Подумайте, результатом какого эволюционного явления (прогресса, регресса, идиоадаптации) является утрата некоторых органов чувств у глубоководных животных.

Животные, живущие в полной темноте, утрачивают органы зрения Животные, адаптированные к сумеречному освещению, обладают более высокой чувствительностью, но в ущерб цветовому и детальному предметному зрению. Видеть при слабом освещении нужно животным, ведущим ночной образ жизни, обитающим глубоко в воде и в пещерах. Эти условия не совсем сравнимы, потому что спектр приходящего света смещен в воде. Многие глубоководные животные специально адаптированы к господствующим условиям освещения. Максимумы поглощения у зрительных пигментов глубоководных рыб совпадают с длиной волны, максимально пропускаемой водой. Существует грань, за которой условия для зрения так тяжелы, что от глаз как от главного органа чувств приходится отказаться. У большинства животных, обитающих в пещерах, в глубине моря или же в мутной воде, глаза рудиментарные вследствие их регрессии.

СТРАНИЦА 199

Есть два комнатных растения. Одно из них имеет тёмно-зелёные широкие кожистые листья (например, фикус каучуконосный). Другое — нежные, мягкие светло-зелёные листья с красивыми, почти белыми или розовыми пятнами (например, бальзамин или Ванька мокрый). Какое из них вы поместите на южное (солнечное) окно, а какое — на западное или вглубь комнаты? Какое растение, на ваш взгляд, требует частого обильного полива, а какое спокойно перенесёт т редкий полив? Ответ обоснуйте.

В процессе эволюции организмы выработали приспособления к световому режиму местообитания.

Фикусы бенджамина хорошо растут на светлом месте, с защитой от прямых солнечных лучей в полдень. Отлично подойдет восточное окно, где солнце бывает утром или вечером. Лучший вариант – расположить вазон возле окна, на котором приспущена штора. Если окно находится в северной части, можно обойтись без дополнительной тени. На северном окне могут хорошо расти только сорта с темно-зелеными листьями, Умеренный, фикус не любит переувлажнения почвы, его необходимо хорошо подсушивать перед следующим поливом. Для обеспечения каучуконосному фикусу комфортных условий «проживания», необходимо использовать слабокислую или нейтральную почву

Ванька мокрый

Растение это любит, когда света много. Растение лучше разместить на солнечной стороне на подоконнике, недостаток света приведет к вытягиванию стеблей и даже к гибели цветка. Но от прямых палящих лучей может пострадать. Достаточно давать ему понежится под солнышком, Ванька мокрый охотнее всего развивается в легкой и рыхлой почве За увлажненностью почвы тщательней всего нужно следить в период вегетации. В это время потребление влаги увеличивается. Если допускать пребывание растения в сухом грунте – оно будет сильнее терять листья. Потому и называют это растение – ванька мокрый

СТРАНИЦА 199

Вспомните из курса биологии «Животные», какие особенности внутреннего строения животных обусловливают их теплокровность.

Сердце четырехкамерное. Имеется левая дуга аорты. Все органы и ткани тела снабжаются чистой артериальной кровью. Интенсивность процессов жизнедеятельности высокая, вырабатывается много тепла, поэтому млекопитающие — теплокровные (гомойотермные) животные (как и птицы). Поддержание и сохранение высокой температуры тела у гомойотермных животных происходит благодаря активному обмену веществ и хорошей тепловой изоляции, которая создаётся густым волосяным покровом, плотным оперением или толстым слоем подкожного жира.

Преимущество теплокровности заключается в том, что животное сохраняет активность вне зависимости от температуры окружающей среды. Особенно это полезно для поиска пищи в вечернее и ночное время. Возможно, млекопитающие приобрели эту особенность, когда жили бок о бок с древними пресмыкающимися и были вынуждены осваивать новые ниши, в частности ночной образ жизни, ведь ночью ящеры становились менее подвижными.

СТРАНИЦА 200

Приведите другие примеры адаптаций к низким температурам у животных.

С наступлением зимы холоднокровные организмы погружаются в состояние зимнего покоя, интенсивность обменных процессов падает, накапливаются запасные питательные вещества, ингибиторы роста и вещества, препятствующие промерзанию, и т. д. Некоторые млекопитающие и птицы (хомяки, сони, ежи, летучие мыши и т. д.) впадают в зимняюю спячку, для чего используют заранее приготовленные норы и дупла Замечено, что при продвижении на север у теплокровных животных увеличиваются размеры тела, так как при этом уменьшается относительная поверхность тела и, следовательно, снижается теплоотдача. Также у многих млекопитающих и птиц Северного полушария относи-тельные размеры конечностей и других выступающих частей тела увеличиваются к югу и уменьшаются к северу ареала для сокращения теплоотдачи в холодном климате. Некоторые виды успешно переносят предельно низкие температуры (от -65 до -70 °С) в состоянии анабиоза — временной обратимой остановки жизненных процессов. Находясь в анабиозе, организмы способны сохранять жизнеспособность долгое время.

При действии холода у теплокровных усиливаются окислительные процессы, особенно в мышцах. Вступает в действие химическая терморегуляция. Отмечается мышечная дрожь, приводящая к выделению дополнительного тепла. Особенно усиливается обмен липидов, так как в жирах содержится значительный запас химической энергии. Поэтому накопление жировых запасов обеспечивает лучшую терморегуляцию.

СТРАНИЦА 201

Вспомните, какую роль играет вода в клетках организмов.

Участие воды в химических реакциях

С точки зрения химии, вода в клетках является катализаторам, необходимым для протекания различных процессов. В качестве реагента, вода участвует во многих химических реакциях происходящих внутри клеток организма. Вода участвует в процессе гидролиза (разрушения с присоединением молекулы воды). При переваривании пищи происходит гидролиз жиров, белков и углеводов, при этом высвобождается энергия, обеспечивающая жизнедеятельность клеток. При гидролизе солей вода является источником электронов и протонов.

Для протекания внутриклеточных процессов необходимы два свойства воды — способность образовывать водородные связи и обратимая ионизация.

Транспорт веществ

В клетках организма именно вода выполняет транспортную функцию. Молекулы воды участвуют в процессах выведения продуктов жизнедеятельности клетки. Благодаря своим свойствам молекулы воды способны проникать в межклеточное пространство, принося питательные вещества к клеткам.

Вода — это основной компонент крови и лимфы. При ее нехватке сосуд становится ломким, а кровь густой. Это приводит к местным кровоизлияниям и тромбозу. Поддержание клеточной структуры Вода в жидком состоянии практически не сжимается. Это свойство позволяет молекулам воды поддерживать структуру клетки, кроме того создает оптимальное внутриклеточное давление. Это обеспечивает постоянную структуру органов и тканей.

Участие воды в терморегуляции

Молекула воды обладает большой теплоемкостью, что позволят ей поддерживать постоянную температуру внутри клеток организма. Кроме того, при расщеплении жиров освобождается большое количество энергии, которая также идет на поддержание температуры.

СТРАНИЦА 203

Используя текст параграфа, заполните таблицу.

Адаптации организмов к недостатку влажности

СТРАНИЦА 204

Вспомните, что такое гомеостаз, и объясните, почему в клетки морских животных и растений, произрастающих на засолённых почвах, попадает немного воды. Какую роль в этом процессе играет клеточная мембрана?

Гомеостаз – это саморегуляция, способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание динамического равновесия.

Для растений солёность почв — ограничивающий фактор, так как при высокой солёности затрудняется всасывание почвенного раствора корневыми волосками. Однако у некоторых видов в корневых волосках находятся вакуоли с повышенной концентрацией сока, что позволяет им всасывать почвенные растворы. Излишек солей такие растения выделяют наружу, где эти соли после высыхания образуют твёрдые кристаллические скопления.

Морские животные, наоборот, пьют и усваивают только морскую воду, которая характеризуется высоким осмотическим потенциалом. Мочи у таких животных мало, и она сильно концентрированная, а избыток солей удаляется из организма с помощью специальных солевых желёз или почек.

Причиной односторонней диффузии является разность концентраций раствора по обеим сторонам мембраны. Клетка представляет собой осмотическую систему: более концентрированный раствор – это внутриклеточное содержимое (вакуолярный сок), менее концентрированный – раствор в свободном пространстве клетки, роль проницаемой мембраны, разделяющей эти пространства, играют плазмалемма, мезоплазма. Диффузия воды через избирательно проницаемую мембрану называется осмосом; концентрация растворенных веществ в вакуоли служит мерой максимальной способности клетки поглощать воду.

СТРАНИЦА 204

• Приведите примеры адаптаций животных к высоким и низким температурам.

Температурные адаптации растений и животных

В природных условиях температура очень редко держится на уровне, благоприятном для жизни. Ответом на это является возникновение у растений и животных специальных приспособлений, которые ослабляют вредное действие колебаний температуры..

• Зимостойкость — стойкость растений к комплексу неблагоприятных факторов зимнего периода (чередования морозов и оттепелей, ледяной корки, вьмокания, выпревания и др.).

• Морозоустойчивость — способность клеток, тканей и целых растений без повреждений переносить действие морозов.

• Холодостойкость — свойство ранневесенних растений успешно произрастать при низких плюсовых температурах. Закаливание растений — формирование у растений способности успешно выдерживать неблагоприятные условия под влиянием специфических условий осеннего времени года..

• Состояние покоя — качественно новый этап растительного организма, в который переходят зимующие растения с наступлением неблагоприятных условий.

Температурные адаптации животных

По сравнению с растениями животные обладают более разнообразными возможностями регулировать температуру тела, а именно:

• путем химической терморегуляции — активным изменением величины теплопродукции повышением метаболизма;

• путем физической терморегуляции — изменением уровня теплоотдачи на основе развития теплозащитных покровов, особыми устройствами крoвеносной системы, распределением жировых запасов, особенно в бурой жировой ткани и т. п.

Кроме того, некоторые особенности поведения животных также cпособствуют существованию их в изменчивых условиях среды: выбор места с благоприятными микроклиматическими условиями — зарывание в песок, в норки, под камни (животные жарких степей и пустынь), активность в определенный период суток (змеи, тушканчики, суслики), сооружение хранилищ, гнезд и др.

Одно из самых важных прогрессивных приспособлений — способность к терморегуляции организма у млекопитающих и птиц, их теплокровность. Благодаря этому экологически важному приспособлению высшие животные относительно независимы от температурных условий среды.

Важное значение для поддержания температурного баланса имеет отношение поверхности тела к его объему, так как количество выработанного тепла зависит от массы тела, а теплообмен осуществляется через покровы.

• Объясните, почему для жизни организмов так важна вода.

В водной среде зародилась жизнь. Для многих видов растений и животных вода продолжает оставаться средой обитания, а обитатели суши также зависимы от воды. Вода является основной средой каждой клетки, где протекают все биохимические реакции организма.

1. вода - среда жизни, в которой живут организмы

2. вода - основа цитоплазмы клеток, из которых состоят организмы

3. вода - участник химических реакций в клетка (гидролиз, фотолиз и др.), без нее невозможен обмен веществ

4. вода - растворитель, а все вещества поступают в клетки в растворенном виде

5. вода создает среду для протекания реакций

6. вода выполняет транспортную функцию. перемещая вещества по клетке и по организму

7. вода обеспечивает упругость клеток. тургор

8. вода создает осмотическое давление

9. вода выполняет терморегуляторную функцию (испаряясь - охлаждает)

10. благодаря тому что лед легче воды, под ним зимой сохраняется жизнь в водоемах

11. вода - необходимый компонент пищи живых организмов, человек без воды может прожить не более 7 дней, без пищи - около 2 месяцев

• Приведите примеры адаптаций растений к недостатку влаги.

Уменьшение поверхности испарения. У кактусов листья превратились в колючки, корни глубоко уходят в землю.

Многолетние растения пустыни имеют сильно развитые корни, иногда очень длинные (например, у верблюжьей колючки до 16 м).

Мясистые стебли и листья у суккулентов

• Какие приспособления позволяют животным жить в условиях дефицита воды?

Большинство животных пустыни может обходиться без воды; источником влаги для грызунов, пресмыкающихся, насекомых и других мелких животных служит пища.

У некоторых животных вода образуется в организме в результате окислительных реакций. Поэтому характерные для многих обитателей пустыни обильные жировые отложения служат своеобразным резервом воды в организме, например горб у верблюда, подкожные отложения жира у грызунов. Защитой от испарения воды у животных служит малая проницаемость наружных покровов тела.

У некоторых животных вода образуется в организме в результате окислительных реакций. Поэтому характерные для многих обитателей пустыни обильные жировые отложения служат своеобразным резервом воды в организме, например горб у верблюда, подкожные отложения жира у грызунов. Защитой от испарения воды у животных служит малая проницаемость наружных покровов тела.

Иной тип приспособления к недостатку влаги наблюдается у многих растений и животных, обитающих в условиях периодической сухости. У них возникает состояние покоя, которое характеризуется остановкой роста и развития, резко сниженным обменом. Некоторые грызуны и черепахи с наступлением жаркого и сухого периода в пустыне, когда выгорает растительность, впадают в летнюю спячку.

• Какие особенности морфологии и физиологии организмов позволяют им жить в условиях повышенной солёности среды?

У некоторых видов в корневых волосках находятся вакуоли с повышенной концентрацией сока, что позволяет им всасывать почвенные растворы. Излишек солей такие растения выделяют наружу, где эти соли после высыхания образуют твёрдые кристаллические скопления. Морские животные, наоборот, пьют и усваивают только морскую воду, которая характеризуется высоким осмотическим потенциалом. Мочи у таких животных мало, и она сильно концентрированная, а избыток солей удаляется из организма с помощью специальных солевых желёз или почек.

2. Составьте план ответа на один из вопросов:

• морфологические адаптации растений к недостатку влаги.

Адаптация растений к таким экстремальным условиям в процессе длительной эволюции сформировала самые разные экологические приспособления. Это, прежде всего, господство ксерофитов, могущих экономно расходовать влагу при активной сосущей способности корней, проникающих на значительную глубину (верблюжья колючка, джузгун, черный саксаул и др.). В песчаных пустынях доминируют псаммофиты, имеющие приспособления против засыпания их песком. В пустынях широко развиты засоленные типы почв, на которых могут существовать лишь галофиты (солянки, сарсазан, солерос, лебеда, тамариск, белый саксаул и др.). Так, некоторые виды галофитов (тамариск) в Сахаре на фотосинтезирующих органах имеют специальные железы, выводящие избыток солей, у других — происходит сбрасывание соленасыщенных органов.. Температурные адаптации. Пойкилотермные живые организмы распространены во всех средах, занимая различные по температурным условиям местообитания, вплоть до самых экстремальных: практически они обитают во всем диапазоне температур, регистрируемом в биосфере. Сохраняя во всех случаях общие принципы температурных реакций (рассмотренные выше), разные виды и даже популяции одного вцда проявляют эти реакции в соответствии с особенностями климата, адаптируют ответы организма на определенный диапазон температурных воздействий. Это проявляется, в частности, в формах устойчивости к теплу и холоду: виды, обитающие в более холодном климате, отличаются большей устойчивостью к низким температурам и меньшей к высоким; обитатели жарких регионов проявляют обратные реакции

Арктические (полярные) пустыни — это наземные экосистемы, развивающиеся в экстремальных экологических условиях, характеризующихся дефицитом тепла, повсеместным распространением многолетней мерзлоты и наземным оледенением, видовой бедностью сообществ и др. Климат здесь очень суровый, причем низкие температуры воздуха сочетаются с сильными ветрами и значительной влажностью воздуха. Здесь особый режим солнечной радиации, для которого характерны продолжительная полярная ночь и полярный день, что требует особых адаптаций организмов для своей жизнедеятельности. Свободные ото льда участки суши покрыты разреженной растительностью, представленной преимущественно лишайниками и мхами. Низкая продуктивность растительности служит одной из причин бедности животного мира (лемминги, песец, белый медведь, изредка — северный олень). Малоподвижных придонных рыб, часто встречающихся, или постоянно живущих, при длительном дефиците кислорода (линь, карась, карп и др.), то у них биохимические адаптации к нехватке кислорода на тканевом уровне обеспечивают чрезвычайно длительное существование в этих экстремальных экологических условиях.

СТРАНИЦА 205

Заполните таблицу по предложенному образцу.

Биоритмы на разных уровнях организации живой материи.

СТРАНИЦА 207

Вспомните, какие физиологические процессы, протекающие в организме человека, связаны с лунными ритмами.

Луна, вращаясь вокруг Земли, влияет на Землю на физическом плане – приливы и отливы водных ресурсов Земли следуют в ее ритме. Естественно, что Луна так же влияет и на человека, который в основном состоит из воды. Лунные ритмы воздействует на психику человека и как следствие на его поведение.

Так в новолуние настроение меняется от подавленности до спокойствия, в полнолуние – от эмоционального подъема до тревожности, раздражительности и агрессивности, в зависимости от индивидуальных особенностей личности. Луна является управителем двухчасового ритма последовательной активности 12-ти органов человека (суточный режим работы каждого из внутренних органов), что было подмечено китайской народной медициной. Причем активизация органов подчиняется внутренним биологическим часам. При энергетическом возбуждении организма происходит взаимодействие главных органов, подстройка их друг под друга, и под изменения окружающей среды. Полный цикл энергетического возбуждения органов завершается примерно за 24 часа.

СТРАНИЦА 209

Заполните таблицу по предложенному образцу.

Адаптивные ритмы

Подумайте, почему именно длина светового дня является важнейшим фактором, влияющим на физиологические процессы и поведение животных.

С изменением длины светового дня меняется количество поступающей солнечной энергии. Солнечное излучение является основным источником энергии для всех процессов, происходящих на Земле.

Солнечная энергия непосредственно животными не усваивается, и, тем не менее, она является источником их жизнедеятельности, Кроме того, что солнечная энергия — источник жизни животных, она играет огромную роль в их жизни за СЧЕТ следующих процессов.

Солнечный свет определяет суточный фотопериодизм жизни животных и их распределение по экологическим нишам. Различают животных, ведущих дневной и ночной образ жизни, что исключает конкуренцию за источники пищи. Большое значение свет играет и в жизни людей. Так, у некоторых людей наблюдается повышенная работоспособность в утренние часы («жаворонки»), а у других — в ночные часы («совы»). Солнечным днем эмоциональный настрой большинства людей значительно более высокий, чем в пасмурные или дождливые дни и т. д.

Солнечный свет позволяет животным легко ориентироваться в окружающей среде; свет эволюционно способствовал развитию органов зрения.

Свет определяет и сезонный фотопериодизм, с которым связано изменение в ходе физиологических процессов (с наступлением осени интенсифицируется накопление запасных веществ в организме, меняется характер покровов и т. д.). Организмы, для которых характерны миграции (например, перелетные птицы), готовятся к ним и мигрируют, несмотря на наличие тепла и кормовой базы

СТРАНИЦА 210

Подумайте, почему явления, связанные с фотопериодизмом, сильнее выражены у организмов, которые обитают в средних и северных широтах.

Способность реагировать на изменение длины дня обеспечивает заблаговременные физиологические перестройки и пригнанность цикла к сезонным сменам условий. Ритм дня и ночи выступает как сигнал предстоящих изменений климатических факторов, обладающих сильным непосредственным воздействием на живой организм (температуры, влажности и др.).длина светового дня, кроме времени года, зависит от географического положения местности. Короткодневные виды живут и произрастают в основном в низких широтах, а длиннодневные – в умеренных и высоких. Сезонный фотопериодизм ярко наблюдается в широтах со сменой времен года (в средних и северных широтах). Весной дни становятся длиннее, температура воздуха повышается, поэтому в растениях начинается сокодвижение, почки набухают и раскрываются. С наступлением осени, которая растениями воспринимается изменением не температуры, а длины светового дня, начинается закладка почек, подготовка к зиме, к листопаду, происходит формирование прочного древесного покрова у древесных и кустарниковых форм. Для эфемеров — растений с коротким сроком жизни — ранней весной начинается интенсивный период жизнедеятельности, который к наступлению неблагоприятного периода высоких температур и засухи завершается, и растения в форме луковиц и других приспособлений «пережидают» время до наступления благоприятного периода.

СТРАНИЦА 212

Заполните таблицу по предложенному образцу.

Адаптации организмов к неблагоприятным условиям

СТРАНИЦА 213

• В чём проявляется универсальность биоритмов?

Биоритмы свойственны практически всем живым существам и отмечаются на всех уровнях организации живой природы — от клетки до биосферы. Это свидетельствует о том, что биоритмы — одно из наиболее общих свойств живых систем.

• Каковы причины биоритмов? Приведите примеры биоритмов, связанных с внешними причинами.

Ритмические изменения присущи целому ряду явлений неживой природы. Астрономические явления — вращение Земли вокруг своей оси (земные сутки) или вокруг Солнца (земной год) — приводят к ритмичным процессам на нашей планете: происходит закономерная смена дня и ночи, времён года и т. д. С этими изменениями связаны колебания климатических абиотических факторов (температуры, освещённости, влажности, давления и т. п.). Следовательно, организмы существовали ранее, эволюционировали и существуют в настоящее время в «поле» этих ритмических изменений.

• Объясните, что такое физиологические биоритмы. Расскажите об их значении и приведите примеры.

Физиологические биоритмы являются рабочими циклами отдельных систем организма и обусловлены внутренними процессами самого организма. К ним относятся дыхание, сокращение мышц, деление клеток, нервные импульсы, сокращение сердца.

• Расскажите об адаптивных биоритмах, приведите примеры.

Адаптация — это согласование функционального состояния организма и условий окружающей среды. Адаптация организмов к окружающей среде в ходе эволюции шла в направлении как совершенствования их структурной организации, так и согласования деятельности различных функциональных систем. Исключительная стабильность периодичности изменения освещённости, температуры, влажности, геомагнитного поля и других параметров окружающей среды, обусловленных движением Земли и Луны вокруг Солнца, позволила живым системам в процессе эволюции выработать устойчивые к внешним воздействиям временные программы, проявлением которых служат биоритмы. Такие ритмы закреплялись в ходе эволюции в генетической структуре организмов.

Адаптивные ритмы делят на суточные, приливно-отливные, годичные.

• Что такое фотопериодизм? Что является его причиной и как он влияет на жизнь организмов?

Фотопериодизм — реакция организма на будущие события.

Фотопериод — важный сигнальный фактор, который управляет ритмической суточной и сезонной активностью животных и регулирует многие физиологические процессы. Весной с увеличением продолжи-тельности дня у зверей и птиц усиливается активность половых желёз, у птиц возникают гнездовые инстинкты, теплокровные животные линяют, у растений распускаются листья и цветки. Сокращение длины светового дня осенью вызывает противоположные сезонные изменения: птицы отлетают на юг; некоторые животные впадают в спячку, у многих шерстяной покров заменяется на более плотный; у растений опадают листья. Сокращение продолжительности светового дня является сигналом к близкому наступлению холодов, и организм заранее к ним готовится.

2. Составьте план рассказа о значении биологических часов для человека.

1. Как работают биологические часы человека

2. Периоды суточной активности организма

3. Сова и жаворонок