Книга: Биология. Общая биология. 11 класс. Базовый уровень

22. Абиотические факторы среды

22. Абиотические факторы среды

Вспомните!

Что такое среда обитания?

Какие факторы относят к факторам неживой природы?

В процессе исторического развития организмы приспосабливаются к определённому комплексу абиотических факторов, которые становятся обязательными условиями их существования. При этом в процессе жизнедеятельности организмы сами участвуют в формировании абиотической (неживой) среды. В ходе фотосинтеза растения поглощают углекислый газ и выделяют в атмосферу кислород, животные-фильтраторы очищают воду, зелёные насаждения препятствуют эрозии почвы, а растения из семейства бобовых обогащают почву азотом – подобных примеров можно приводить множество.

Рассмотрим влияние основных абиотических факторов на живые организмы.

Температура. Температура – один из важнейших абиотических факторов, который действует всегда и везде. Именно температура обусловливает скорость биохимических реакций и влияет на большинство физических процессов.

Хотя оптимальный температурный режим для большинства видов находится в пределах от +15 до +30 °С, существуют организмы, которые способны выдерживать очень высокие или низкие температуры. Например, некоторые бактерии и водоросли обитают в горячих источниках при температуре +85–87 °С. Хорошо выдерживают перепады температуры покоящиеся стадии развития организмов – цисты, куколки насекомых, споры бактерий, семена растений.

Все беспозвоночные и большинство позвоночных животных являются холоднокровными организмами, которые не способны поддерживать постоянную температуру своего тела. Их температура зависит от теплового режима окружающей среды. Поэтому в холодное время года активность таких животных сильно снижается. Птицы и млекопитающие – теплокровные животные, они имеют практически постоянную температуру тела, не зависящую от температуры окружающей среды. Поддержание высокой температуры тела у теплокровных организмов обеспечивается высоким уровнем обмена веществ, совершенной терморегуляцией и хорошей теплоизоляцией.

Так как температура подвержена суточным и сезонным колебаниям, организмы вынуждены приспосабливаться к подобным изменениям. В холодное время года у млекопитающих развивается более густой и длинный мех, в подкожной жировой клетчатке активно накапливается жир, который обеспечивает теплоизоляцию, у птиц зимой увеличивается масса перьев. У некоторых животных выработались поведенческие адаптации к сезонному снижению температуры: миграции, перелёты, рытьё нор и поиск убежищ. В пустынях, где днём температура почвы может достигать +60–70 °С, животные зарываются в песок или прячутся в норы. У растений в жаркое время года усиливается испарение с поверхности листьев.

Влажность. Вода необходима для жизни всем живым организмам. Причём если для наземных животных и растений особенно опасна потеря влаги, то для организмов, обитающих в воде, наоборот, избыток воды в организме может нарушить солевой баланс. Поэтому у водных организмов возникают различные приспособления для выведения лишней воды, например сократительные вакуоли у инфузории туфельки.

Для наземных живых организмов влажность – это один из важнейших факторов, который определяет их распространение. В течение жизни вода неизбежно теряется организмом, поэтому её запасы надо постоянно пополнять. В зависимости от экологических условий у организмов выработались разнообразные приспособления для снабжения себя водой и экономии влаги. У таких засухоустойчивых растений, как верблюжья колючка, саксаул, пустынная полынь очень глубокая корневая система (рис. 67). Другие растения пустынь и полупустынь имеют узкие жёсткие листья, покрытые восковым налётом, что значительно снижает потери воды при испарении. Некоторые растения – суккуленты (кактусы, молочаи) обладают сильно развитой водозапасающей тканью, а их листья превращены в колючки или чешуйки (рис. 68). Интересны адаптации некоторых степных растений, которые успевают за короткий влажный весенний период вырасти и отцвести. Засушливое время года они переживают в виде семян, луковиц, клубней.

Животные, обитающие в условиях пониженной влажности, тоже имеют определённые приспособления. Многие из них никогда не пьют и используют только ту жидкость, которая находится в пище. Препятствует испарению влаги плотный хитиновый покров наземных членистоногих. В процессе эволюции, перейдя к наземному существованию, полностью утратили кожные железы пресмыкающиеся. Ряд животных (насекомые, верблюды, сурки) используют для жизнедеятельности метаболическую воду, которая образуется при расщеплении жира. У паукообразных в ходе приспособления к экономии влаги изменился обмен веществ – выделяются обезвоженные продукты метаболизма (почти сухие кристаллы мочевой кислоты).

Рис. 67. Корневая система верблюжьей колючки

Большое значение для животных засушливых областей имеют приспособительные особенности поведения – поиск укрытий, ночной образ жизни. При большой сухости воздуха многие пустынные животные прячутся в норы и плотно закрывают в них вход. Воздух в замкнутом помещении быстро насыщается водяными парами, что препятствует дальнейшей потере влаги организмом. В период засухи многие грызуны, черепахи, змеи, некоторые насекомые впадают в спячку.

Свет. Основной источник энергии для живых организмов – это солнечный свет. Его биологическое влияние зависит от интенсивности, продолжительности действия, спектрального состава, суточной и сезонной периодичности.

Рис. 68. Кактусы – растения, обладающие сильно развитой водозапасающей тканью

Ультрафиолетовая часть спектра способствует образованию у животных витамина D. Эти лучи воспринимают органы зрения насекомых, а у растений ультрафиолет обеспечивает синтез пигментов и витаминов. Видимая часть спектра наиболее значима для организмов. Благодаря освещённости животные ориентируются в пространстве, а у растений осуществляется фотосинтез. Инфракрасные лучи – источник тепловой энергии, который очень важен для холоднокровных организмов.

В зависимости от требований к условиям освещённости растения подразделяют на светолюбивые, теневыносливые и тенелюбивые. Светолюбивые растения – это обитатели открытых местностей, они плохо переносят даже незначительное затенение (например, растения степей, белая акация). При рассеянном свете в затенённых местах растёт большинство папоротников и мхов, а рекордсменом по обитанию в затемнённых условиях являются морские водоросли.

Важным фактором в жизни растений и животных является продолжительность светового дня и смена сезонов года. Изменение длины светового дня для многих организмов служит сигналом для изменения физиологической активности. Это явление называют фотопериодизмом. В процессе эволюции у животных и растений выработались определённые биологические ритмы – суточные и сезонные. От длины дня зависят сроки цветения и созревания плодов у растений, миграция птиц, смена шёрстного покрова у млекопитающих, начало брачного сезона, подготовка к зимней спячке и т. д. Существенно отличается образ жизни ночных и дневных животных. У растений в определённые часы открываются и закрываются цветки.

Ритмический характер имеют многие биохимические и физиологические процессы в организме человека. Известно более ста различных параметров, которые изменяются с ритмом в 24 часа (температура тела, артериальное давление, выделение гормонов и др.). Исследование биоритмов человека очень важно для организации оптимального режима труда и отдыха, разработки мер профилактики и лечения различных заболеваний.

Распространение тех или иных видов определяют не только свет, влажность и температура, но и другие абиотические параметры среды. Например, в прибрежной полосе океана могут обитать только определённые виды растений, выдерживающие повышенную засолённость почвы, а ветер влияет на расселение и миграцию пауков и летающих насекомых.

Растения

Наиболее характерные представители тенелюбивых растений – водоросли, обитающие в толще воды. Свет, проходя через толщу воды, постепенно рассеивается, поэтому водоросли, обитающие на разных глубинах, обладают различным набором пигментов. Значительно возрастает роль вспомогательных пигментов, появление которых маскирует основной фотосинтетический пигмент – хлорофилл. В результате вместо характерной для растений зелёной окраски водоросли могут иметь и другие цвета.

Наиболее глубоководные растения – это красные водоросли (багрянки), многочисленная группа (около 4 тыс. видов) в основном морских обитателей. Внешне красные водоросли очень разнообразны: есть одноклеточные, колониальные, нитчатые, пластинчатые; расчленённые талломы некоторых напоминают кораллы или вегетативные органы высших растений. Многоклеточные формы прикрепляются к камням, ракушкам нитевидными выростами – ризоидами.

Окраска водорослей (от розовой до тёмно-красной) определяется своеобразным набором пигментов. Кроме хлорофилла а и b, присутствует хлорофилл d, более не встречающийся ни у каких растений, каротиноиды, а также синий пигмент (фикоцианин) и красный (фикоэритрин). Толща воды поглощает оранжево-красные лучи, пропуская сине-зелёные, которые могут быть использованы красно-бурыми пигментами. Благодаря наличию красного пигмента водоросли этой группы могут поселяться на значительной глубине (до 200 м), недоступной для большинства других водорослей. Хроматофоры (хлоропласты) багрянок имеют форму дисков.

Из красных водорослей добывают агар-агар, который используют в пищевой промышленности для приготовления желе, мармелада, пастилы и других продуктов, при производстве бумаги, в микробиологических лабораториях (для приготовления питательных сред).

Животные

Амниоты: жизнь в условиях дефицита влаги. Настоящие первичноназемные позвоночные (рептилии, птицы, млекопитающие) образуют группу амниот. Круглоротые, рыбы и амфибии относятся к первичноводным животным – анамниям. Амниоты обладают принципиальными отличиями от анамний. Это связано с особенностями их водного обмена и отражает способность амниот развиваться в наземно-воздушной среде в условиях дефицита влаги. Вспомним основные характерные черты этой группы позвоночных животных.

Защита организма от потери влаги через испарение с поверхности кожи привела к образованию в эпидермисе рогового вещества, т. е. к ороговению кожи. У всех амниот (кроме млекопитающих) резко сокращается число кожных желёз. Такая кожа становится мало проницаемой для воды и газов. Функция дыхания практически целиком переходит к лёгким. Лёгкие располагаются глубоко в полости тела, и к ним ведут особые воздухоносные пути – трахея и бронхи. С изменением дыхательной системы меняется и кровеносная. Появление полной или неполной перегородки в желудочке приводит к обособлению второго, лёгочного круга кровообращения.

В выделительной системе амниот функционируют не туловищные (первичные), а тазовые (вторичные) почки. Строение этих почек обеспечивает экономию воды. Нефроны тазовых почек имеют длинные извитые канальцы, на протяжении которых происходит обратное всасывание воды из мочи в кровь.

Все амниоты имеют внутреннее оплодотворение. Развивающийся эмбрион защищён зародышевыми оболочками.