Влияние температуры на организмы

Теплота – одна из характеристик жизнедеятельности организмов. Поэтому температурные условия оказываются важнейшим экологическим фактором среды. Количественные значения температуры характеризуется широкими географическими, сезонными и суточными различиями. Особенно значительно выражена разница температурных режимов при переходе от одной климатической зоне к другой. На температурные условия конкретной местности влияют такие факторы как близость моря, рельеф и т.д. Более сглаженными являются температурные условия почвы и океана.

Влияние температуры на живые организмы выражается в действии ее на скорость обменных процессов. Отсюда становится понятным, что жизненные функции живого организма могут проникать только в определенных интервалах температур. Верхний температурный порог жизни определяется температурой свертывания белков. Необратимые изменения структуры белков возникают при температуре порядка 60 градусов по Цельсию. У более сложно организованных организмов тепловая гибель обычно происходит при более низких температурах. Основная причина – нарушение обменных процессов. Поэтому у большинства животных гибель наступает раньше, чем начинают коагулировать белки (при t = 42-43⁰С).

Нарушение метаболических процессов наступает и при очень низких температурах. Причем, в каждом организме снижение температуры может вести к широкому диагнозу ответных возможностей организма. В определении нижнего придела температуры важное значение имеют структурные изменения в клетках и тканях, связанные с замерзанием клеточной воды.

Постоянно происходящий обмен тепла организма со средой зависит от ряда факторов и складывается из двух противоположных процессов: притока тепла и отдачи его. Баланс этих процессов и определяет температуру тела организма. По принципиальным особенностям теплообмена различают две крупные экологические группы организмов:

- Пойкилотермные - хладнокровные

- Гомойотермные - теплокровные

К первой группе относят все таксоны органического мира, кроме двух классов позвоночных: птиц и млекопитающих. Название группы определяет их основную характеристику – неустойчивость температуры тела. Она меняется с изменением температуры окружающей среды. У этих организмов низкий уровень метаболизма и поэтому, главным поступлением источника тепловой энергии служит зависимость температуры тела от среды. Но естественно, что полного соответствия температуры тела и среды практически не бывает. В целом свойство изменять скорость обменных реакций ведет к «пассивной устойчивости» этих организмов. Мы знаем, что такие организмы переходят в состояние оцепенения и в пассивном состоянии могут переносить довольно сильное повышение температуры или ее понижение. Кроме того, у этих животных есть и способность приспосабливаться к температурным условиям среды за счет поведения. Например, активный выбор мест с наиболее благоприятным микроклиматом и смена поз. Поэтому эти организмы могут сохранять жизнь в широких диапазонах изменения температуры. Пойкилотермные организмы распространены во всех средах, занимая разные температурные места обитания, вплоть до экстремальных.

Ко второй группе относят два класса высших позвоночных – птицы и млекопитающие. Принципиальное отличие теплообмена этих животных заключается в том, что приспособления к меняющимся температурным условиям среды основаны у них на функционировании комплекса регуляторных механизмов для поддержания теплового гомеостаза внутренней среды организма. Благодаря этому все биохимические и физиологические процессы протекают в оптимальных температурных условиях. Рассматриваемый тип теплообмена базируется на высоком уровне метаболизма. Интенсивность обмена веществ у птиц и млекопитающих на 1-2 порядка выше, чем у других живых организмов при оптимальной температуре среды.

 

Свет. Энергия солнца.

Свет, как экологический абиотический фактор имеет важнейшее значение. Строго говоря, чаще всего под термином «свет» понимается весь диапазон солнечного излучения. Он распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн, представляющий собой поток энергии в пределах длин волн от 150 до 4000 нм. Для организмов важны следующие характеристики: длина волны воспринимаемого излучения, его интенсивность и продолжительность действия. Например, в зависимости от интенсивности освещения все растения подразделяются на светолюбивые, тенелюбивые и теневыносливые. Границы областей воздействия не четки, в общем случае их можно представить следующим образом:

- λ меньше 150 нм – ионизирующее излучение (радиация)

- λ =150-400 нм (~7%) – ультрафиолетовое излучение

- λ =390-400 – 700-760 нм (48%) - видимый свет

- λ =760 и более (45%) – инфракрасное излучение

За пределами ИК радиации располагается область, так называемой, дальней ИК – мощного фактора теплого режима среды, ее биологическое действие рассмотрено выше.

Как известно, не вся солнечная радиация достигает поверхности Земли, поступление ее есть величина относительно постоянная, она слегка варьирует по сезонам года. Проходя через атмосферу часть солнечной радиации, рассеивается молекулами газов воздуха и водяными парами, часть отражается от облаков, часть отражается озоновым слоем (УФ до λ = 320-340 нм).

С участием света у растений и животных протекают следующие важнейшие процессы:

- фотосинтез – образование органического вещества за счет энергии света в клетках растений, водорослей, бактерий;

- транспирация – испарение воды листьями растений, что обеспечивает восходящий поток воды от корней к листьям;

- фотопериодизм – осуществление биологических ритмов, как реакция организма на длину дня;

- зрение у животных – одна из главнейших сенсорных функций, позволяющая вести активный образ жизни;

- синтез пигментов и витаминов – витамин D у млекопитающих, витамины и фитопигменты у растений.

Преимущественное значение для фотосинтеза имеют лучи с λ = 380-710 нм. Этот диапазон называют областью физиологически активной радиации – ФАР. Кроме того, видимая часть спектра важная для ориентации животных в окружающей среде. Зрительная ориентация свойственна большинству дневных животных и используется как источник информации о внешних условиях. Эффективность восприятия зрительных сигналов различна: от простых светочувствительных клеток до сложно устроенных глаз.

Специфическое значение светового фактора заключается в том, что динамика условий освещения оказывает влияние на периодичность явлений в жизнедеятельности организмов. Чаще всего это явление называется биологические ритмы (смена дня и ночи, сезонные изменения). Ритмичность общих проявлений жизнедеятельности характерна всем живым существам. По современным представлениям в основе периодических процессов лежит внутренняя программа, на которую воздействует сложный комплекс внешних условий. Свет представляет собой первичный фактор (но не единственный).

Суточные ритмы – свойственны большинству видов животных и растений. Однако, общий характер активности животных в большинстве случаев определяется такими условиями, как тип питания, взаимоотношения с хищниками, конкурентами, суточные изменения абиотических факторов и т.д. Режим освещения, в данном случае, выступает в роли сигнального фактора, который определяет время начала и окончания активности. Суточные ритмы соответствуют 24 часовому отрезку времени. При детальном изучении явлений суточной активности было показано, что сигнальная роль фотопериода отчетливо проявляется и в условиях неизменной освещенности. Например, при постановке эксперимента: когда подопытные организмы содержали в полной темноте (или при постоянном дне) весь период у них четко прослеживался суточный ритм, свойственный данному виду в естественной обстановке. Однако, при более тщательном изучении было установлено, что время цикла при этом было не 24 часа, а несколько меньше – 22 часа. Таким образом, было доказано, что в основе суточных ритмов жизнедеятельности лежат наследственно закрепленные циклы физиологических процессов с периодом, близким к 24 часам. Циклические процессы такого рода получили название циркадных (циркадианных) ритмов. Характерная особенность этих ритмов – несовпадение их периода с полными астрологическими сутками. В следствии было доказано, что в основе механизма суточной ритмики лежат два основных принципа:

- наличие наследственной программы с периодом около суток;

- и возможностью влияния освещения на реализацию этой программы.

Считают, что несовпадение циркадных ритмов с длительностью астрономических суток открывает возможность сдвига ритмов активности в соответствии со сменой условий в каждом конкретном районе и в разные периоды года. И вот именно в таких случаях основное влияние проявляют внешние «датчики» времени. Чем обусловлен механизм суточных и циркадных циклов до сих пор изучается.

Сезонные ритмы. Большинство организмов, обитающих в условиях сезонной смены климатических режимов, характеризуется наличием периодических сезонных процессов, охватывающих комплекс физиологических систем и обеспечивающих биологически значимые изменения форм деятельности.

У растений это связано с сезонным характером репродукции, определенными сроками образования семян, формированием клубней и других форм запасания питательных веществ зимой, обеспечивающих начало активной вегетации на следующий год. Установлено, что эти процессы имеют генетический запрограммированный характер,

У большинства животных также различные физиологические и биологические процессы проявляются сезонно: размножении, линька, миграция и др. Эволюционно сезонность этих явлений возникла, как приспособление к циклическим изменениям климатических условий.

Отсюда можно сделать вывод о том, что закономерная повторяемость сезонных состояний также формируется в результате взаимодействия врожденных сезонных циклов с информацией о состоянии внешних условий.

Врожденные биологические циклы с окологодовой периодичностью названы цирканными ритмами. Как и циркадные, они основываются на системе свободного времени по принципу биологических часов. В природных условиях эта система находится под контролем внешних факторов.

 

Вода и минеральные соли

Как известно от количества воды и растворенных в ней солей в значительной степени зависит внутриклеточный и межклеточный обмен. Водный обмен организма со средой складывается из двух противоположных процессов: поступление ее в организм и выделение. Водный обмен теснейшим образом связан с обменом солей.

У растений ~5% воды используется для фотосинтеза, 0, 5% всасывается клетками для поддержания тургора, а остальная вода выделяется в процессе испарения листьями. Этот процесс называется транспирацией.

Животные получают влагу в виде питья. Выделение – идет с мочой, экскрементами, путем испарения. Для животных также важным источником воды является пища; при этом значение ее в водном обмене не исчерпывается содержанием воды в тканях кормовых объектов. В процессе окисления органических веществ образуется, так называемая, метаболическая вода. Таким образом, в живых организмах вода присутствует в двух формах: свободной и связанной (около 5% воды связано с белками).

Вода в живых организмах выполняет следующие функции:

1. Она является лучшим из всех известных растворителей. Многие химические реакции в клетке являются ионными, поэтому протекают только в водной среде.

2. Вода как реагент участвует во многих химических реакциях: полимеризации, гидролиза, фотосинтеза и др.

3. Вода является терморегулятором и термостабилизатором.

4. Транспортная функция воды осуществляется в процессе движения вместе с водой растворенных в ней веществ.

5. Структурная функция состоит в том, что у растений вода поддерживает тургор, у некоторых животных является гидростатическим скелетом и др.

Значительные колебания условий обеспечения влагой в разных средах, географических районах вызвало эволюционное становление широкого круга приспособлений к различным условиям.

Экологическое значение воды не ограничивается наличием скоплений ее в водоемах разного типа. В наземной среде роль играют и осадки, и влажность воздуха, и влажность местообитания и т.д. и здесь, как известно, условия водно-солевого обмена не стабильны. Выработка приспособлений к дефициту влаги – это одно из направлений эволюции при освоении различными группами организмов наземной среды. В настоящее время в зависимости от требований к показаниям влажности растения делят на несколько групп:

- гидрофиты – растения увлажненных мест и даже водоемов: тростник, калужница и др.

- гигрофиты – растения в местах с повышенной влажностью воздуха: папирус, рис, росянка, бодяг, недотрога.

- мезофиты – не требуют сильной увлажненности: растения с хорошо развитой корневой системой.

- ксерофитов – обитателей сухих биотопов. В зависимости от способов приспособления к условиям засухи они делятся на:

- суккуленты – способные запасать влагу: кактусы, алоэ и т.д.

-склерофиты – способные к обезвоживанию без патологических последствий, они имеют «сухой» внешний вид: саксаул, оливковое дерево и т.п.

У представителей фауны еще сложнее выражена зависимость от условий влаги. Например: амфибии – позвоночные, которые приспособлены к обитанию в местах с повышенным влагосодержанием.

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться: