Температурные адаптации растений
Функциональная деятельность живых биологических cистем существенно зависит от температурного уровня окружающей среды. В первую очередь это касается организмов, не способных поддерживать постоянную температуру тела (все растения и многие животные). Именно у таких организмов (пойкилотермных) повышение температуры до определенного предела значительно ускоряет физиологические процессы: темпы роста и развития (у насекомых, пресмыкающихся), прорастание семян, рост листьев и побегов, цветение и т. д.
Чрезмерное повышение температуры вызывает гибель организмов вследствие тепловой денатурации белковых молекул, необратимых изменений структуры биологических коллоидов клетки, нарушения деятельности ферментов, резкого усиления гидролитических процессов, дыхания и др. С другой стороны, заметное снижение температуры ниже О °С может вызвать гибель клеток и всего организма.
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. Это, в частности, комплекс свойств и адаптивных приспособлений, которые формируют соответствующий уровень зимостойкости и морозоустойчивости растений.
· Зимостойкость - стойкость растений к комплексу неблагоприятных факторов зимнего периода (чередования морозов и оттепелей, ледяной корки, вьмокания, выпревания и др.). Обусловливается и обеспечивается переходом растений в состояние органического покоя, размещением почек в защищенных местах, накоплением энергетического материала (крахмала, жиров), сбрасыванием листьев, адаптивными реакциями организмов.
· Морозоустойчивость - способность клеток, тканей и целых растений без повреждений переносить действие морозов. Благодаря многим физиолого-биохимическим приспособлениям и свойствам у морозоустойчивых растений образование льда происходит при более низкой температуре, чем у менее морозоустойчивых, и сопровождается меньшими повреждениями.
· Холодостойкость - свойство ранневесенних растений (эфемеров и эфемероидов) успешно произрастать при низких плюсовых температурах. Этот термин используется также для характеристики теплолюбивых растений (кукуруза, огурцы, арбузы).
Зимо- и морозоустойчивость характерны для растений только в зимний период, когда они успели закалиться и перейти в состояние покоя. В период же вегетации (летом) все растения не способны выдерживать даже кратковременное воздействие небольших морозов.
· Закаливание растений - формирование у растений способности успешно выдерживать неблагоприятные условия под влиянием специфических условий осеннего времени года. Имеет двухфазный характер. Во время первой происходит накопление углеводов, перераспределение питательных веществ между органами, чему способствует относительно теплая и солнечная погода. Во второй фазе при постепенном снижении температуры увеличивается количество осмотически активных веществ в вакуолях, уменьшается количество воды, изменяется состояние цитоплазмы - растения переходят в состояние покоя.
· Состояние покоя - качественно новый этап растительного организма, в который переходят зимующие растения с наступлением неблагоприятных условий. Характеризуется прекращением видимого роста и сведением к минимуму жизнедеятельности, отмиранием и опадением листьев и надземных органов травянистых многолетников, образованием чешуек на почках, толстого слоя кутикулы и коры на стеблях. В тканях и клетках накопляются ингибиторы, которые тормозят ростовые и формообразовательные процессы, что делает растения неспособными к прорастанию даже в самых благоприятных искусственно созданных условиях, а также во время случайных осенних и ран незимних потеплений.
Различают период (состояние) глубокого, или органического покоя, обусловленного соответствующей подготовкой и внутренним ритмом развития растительного организма, и период вынужденного покоя, в котором растения пребывают после глубокого покоя, когда их рост вынужденно сдерживается еще неблагоприятными условиями - низкой температурой, недостатком питательных веществ. Вынужденный покой легко прервать, создав растению благоприятные условия.
Из состояния глубокого покоя растения выходят с трудом, так как длительность его у большинства из них значительна - до конца января - февраля. Выход растений из этого состояния возможен только после его окончания и свершения в организме соответствующих биохимических и физиологических превращений, вызванных влиянием периода минусовых температур определенной длительности. После окончания периода покоя в растениях заметно увеличивается количество нуклеиновых кислот, исчезают ингибиторы роста и появляются ауксины - стимуляторы ростовых процессов.
Способность переходить в состояние покоя - необходимый этап онтогенеза растений, внутренне обусловленный ритмичностью физиолого-биохимических процессов. Это свойство возникло у растений в процессе эволюции как приспособительная реакция в ответ на периодические изменения температурных условий внешней среды.
Многие растения переходят в состояние покоя не только зимой, но и в летнее время. Это ранневесенние цветущие растения (тюльпаны, крокусы, пролески). Большое количество растений тропических районов, пустынь и полупустынь также переходит в состояние летнего покоя. Состояние покоя разной длительности характерно и для свежесобранных семян и плодов, клубней, луковиц, корнеплодов.
Существуют методы и приемы, с помощью которых можно вывести растения из состояния глубокого покоя. Это теплые ванны (37-39° С), обработка парами эфира, накалывание основы почек иглой и др.
Термальные изменения среды обитания организмов оказывают не только отрицательное, но и положительное влияние. Многие виды растений, чтобы перейти к цветению и полностью завершить свой жизненный цикл, нуждаются в периоде низких температур обычно небольшой длительности на определенном этапе онтогенеза. Примерами стимулятивного действия низких температур являются:
1. Процесс яровизации - переход проросших семян озимых культур холодовым воздействием в состояние развития (образование репродуктивных органов).
2. Стратификация - воздействие на хранящиеся в определенных условиях влажности семена низкой температурой с целью подготовки их к прорастанию. В естественных условиях подготовка семян с твердыми оболочками к прорастанию осуществляется в ссенне-зим-ний период, т. е. с обязательным воздействием на них периода низких и минусовых температур.
3. Образование цветковых стрелок прорастающими луковицами возможно только в случае предварительного их нахождения при низких температурах.
4. Понижение температуры в сочетании с другими факторами инициирует переход многолетних растений в состояние органического покоя, которое наиболее эффективно для успешного перенесения совокупности неблагоприятных факторов зимы.
Скорость прохождения этапов жизненного цикла растений и животных, их рост и развитие существенно зависят от температуры. Так, нормальный обмен веществ у растений и пойкилотермных животных после холодового угнетения (зимней спячки, периода покоя) восстанавливается при определенной для каждого вида температуре, которая называется температурным порогом развития. Чем более температура среды превышает пороговую, тем интенсивнее протекает развитие организма. Для оценки количества тепла, получаемого растением для завершения периода вегетации или прохождения жизненного цикла животных от яйца или икринки до взрослой особи, используют показатель суммы эффективных температур (Σt), получаемой суммированием ежедневных превышений среднесуточной температуры воздуха определенной ее величины, соответствующей температурному порогу развития.
Пороговой температурой начала вегетации большинства представителей растительности умеренной зоны считают достижение среднесуточной температуры 5 °С, для культурных растений - 10 °С, для теплолюбивых - 15 °С, для личинок большинства животных - О °С.
От посева до созревания семян разные растения требуют разной суммы эффективных температур, значение которой может заметно меняться от климатической ситуации и биологических свойств организма (таб.):
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.
На связь размеров и пропорций тела животных с температурно-климатическими условиями указывает правило Бергмана, согласно которому из двух близких видов теплокровных, отличающихся размерами, более крупный обитает в более холодном климате, а также правило Аллепа, по которому у многих млекопитающих и птиц северного полушария относительные размеры конечностей и других выступающих частей (ушей, клювов, хвостов) увеличиваются к югу и уменьшаются к северу (для уменьшения теплоотдачи в холодном климате).
Вопрос 1. Что такое абиотические факторы среды?
Абиотические факторы
- это факторы неживой природы, - свет, температура, влажность, геомагнитное поле Земли, гравитация, состав водной, воздушной, почвенной среды, роза ветров в данном регионе, микроэлементный состав почв и воды.
Вопрос 2. Какие приспособления существуют у растений и животных к изменениям температуры окружающей среды?
По отношению к температуре окружающей среды живые организмы делят на две группы: пойкйлотермные, температура тела которых зависит от окружающей среды и гомойотермные, поддерживающие постоянную температуру тела независимо от ее колебаний во внешней среде.
Пойкилотермный организм не только получает теплоту из среды, но и отдает ее в пространство. За счет процессов обмена веществ животные с непостоянной температурой тела могут некоторое время регулировать температуру тела (пресмыкающиеся, пчелы и др.), но такие возможности крайне ограничены. Кроме того, у пойкилотермных организмов выработались определенные структурные, физиологические и поведенческие реакции, позволяющие избежать резких изменений температуры тела.
У животных существует много приспособлений для борьбы с переохлаждением или перегревом.
С наступлением зимы растения и пойкилотермные животные (животные с непостоянной температурой тела) впадают в состояние зимнего покоя, который характеризуется снижением интенсивности обмена веществ. В осенний период в тканях запасается большое количество жиров и углеводов; количество воды в клетках уменьшается, накапливаются сахара и глицерин, препятствующие замерзанию. Подготовка к состоянию зимнего покоя начинается заблаговременно. У растений сбрасывается листва, наблюдается одревеснение побегов и утолщение их пробкового слоя, зимующие почки водных растений опускаются на дно водоемов, птицы отлетают в более теплые края и т.п.
В жаркое время года включаются физиологические механизмы, защищающие организм от перегрева. У растений усиливается испарение воды через устьица, что приводит к снижению температуры листьев. У растений и животных также выработались разнообразные приспособления, позволяющие избежать вредных последствий перегрева у растений - это густое опушение, придающее листьям светлую окраску и усиливающее отражение падающего света, вертикальное положение листьев, свертывание листовых "пластинок (у злаков), уменьшение поверхности листа, развитие колючек (кактусы), способность к запасанию большого количества воды, развитая корневая система и др. Эти особенности строения одновременно обусловливают уменьшение потери воды растениями. У животных в этих условиях также усиливается испарение воды через дыхательную систему и кожные покровы. Кроме того, пойкилотермные животные избегают перегрева путем выработки приспособительного поведения: выбирают места обитания с наиболее благоприятным микроклиматом. В жаркое время они скрываются в норах или под камнями, проявляя активность в определенное время суток. Гораздо меньше зависят от температурных условий среды гомойотермные животные (животные с постоянной температурой тела), что позволило им освоить практически все места обитания - от полюсов до экватора. Однако для большинства живых организмов оптимальной является температура от 15 до 30 °С.
Основные способы регуляции температуры тела у пойкилотермных животных - поведенческие: изменение позы, поиск благоприятных микроклиматических условий, смена мест обитания, рытье нор и т.п. Например, пустынная саранча в прохладные утренние часы подставляет солнечным лучам широкую боковую поверхность тела, а в полдень - узкую спинную. В жаркие часы дня многие животные прячутся в тень или норы, некоторые виды пресмыкающихся взбираются на кусты, чтобы избежать соприкосновения с раскаленной поверхностью почвы. В ряде случаев низшие растения и животные с непостоянной температурой тела переживают жаркое время года в состоянии анабиоза.
Вопрос 3. Укажите, какая часть спектра видимого излучения Солнца наиболее активно поглощается хлорофиллом зеленых растений.
Излучение Солнца выполняет по отношению к живой природе двоякую функцию. Во-первых, это источник тепла, от количества которого зависит активность жизни на данной территории; во-вторых, свет служит сигналом, определяющим активность процессов жизнедеятельности, а также ориентиром при передвижении в пространстве. Для животных и растительных организмов большое значение имеют длина волны воспринимаемого излучения, его интенсивность и продолжительность воздействия (длина светового периода суток, или фотопериод). Видимый, или белый, свет составляют около 45% общего количества лучистой энергии, падающей на Землю. Ультрафиолетовые лучи составляют около 10% всей лучистой энергии. Невидимые для человека, они воспринимаются органами зрения насекомых и служат им для ориентации на местности в пасмурную погоду. Лучи ультрафиолетовой части спектра необходимы и для нормальной жизнедеятельности человека. Под их воздействием в организме образуется витамин D.
Наибольшее значение для организмов имеет видимый свет с длиной волны от 0,4 до 0,75 мкм. Энергия видимого света используется для процессов фотосинтеза в клетках растений. При этом листьями особенно сильно поглощаются оранжево-красные (0,66-0,68 мкм) и сине-фиолетовые (0,4-0,5 мкм) лучи.
Вопрос 4. Расскажите о приспособлениях живых организмов к недостатку воды.
Вода - необходимый компонент клетки, поэтому ее количество в том или ином местообитании определяет характер растительности и животного мира в данной местности.
Растения выработали ряд приспособлений к периодическому недостатку влаги. Это резкое сокращение вегетационного периода (до 4-6 недель) и длительный период покоя, который растения переживают в виде семян, луковиц, клубней и т.д. (тюльпаны, гусиный лук, мак и др.). Такие растения называются эфемерами и эфемероидами. Другие, не прекращающие роста в сухой период, имеют сильно развитую корневую систему, по массе намного превосходящую надземную часть. Уменьшение испарения достигается уменьшением листовой пластинки, ее опушением, сокращением числа устьиц, преобразованием листа в колючки, развитием водонепроницаемого воскового налета. Некоторые виды, например саксаулы, теряют листву, и фотосинтез осуществляют зеленые ветви. Многие растения способны запасать воду в тканях стебля или корня (кактус, африканские пустынные молочаи, степная таволга). Выживанию в условиях сухого периода способствуют и высокое осмотическое давление клеточного сока, препятствующее испарению, и способность терять большое количество воды (до 80%) без потери жизнеспособности.
Пустынные животные имеют особый тип обмена веществ, при котором вода образуется в организме при поедании сухого корма (грызуны). Источником воды служит и жир, накапливающийся 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 (рис. 7).
Рис. 7. Двоякодышащая рыба протоптер переживает засуху (от 6-9 месяцев
до 4 лет) в состоянии анабиоза в коконе из выделяемой им слизи (А).
После дождей или при помещении кокона в воду протоптер оживает (Б, В).
Вопрос 5. Охарактеризуйте влияние различных видов ионизирующего излучения на животный и растительный организмы.
Наиболее губительное действие ионизирующее излучение оказывает на высокоразвитые и сложные организмы, причем человек отличается особой чувствительностью к подобному воздействию. Большая доза, полученная организмом за короткий промежуток времени (минуты, часы), нанимается острой в противоположность хроническим дозам, которые организм мог бы выдерживать на протяжении всего жизненного цикла. Любое превышение уровня излучения над фоновым или даже естественный высокий фон может повысить частоту мутаций. У высших растений чувствительность к ионизирующему излучению прямо пропорциональна размеру клеточного ядра. У животных такой простой зависимости нет. Для них наибольшее значение имеет чувствительность определенных органов и систем. Так, млекопитающие чувствительны даже к низким дозам вследствие легкой повреждаемости облучением костного мозга и эпителия кишечника. Радиоактивные вещества могут накапливаться в почве, воде, воздухе и и телах самих живых организмов; передаваться и аккумулироваться при передаче» по пищевой цепи.
В опрос 6. Каково влияние загрязняющих веществ на состояние биогеоценозов?
Влияние загрязняющих веществ на состояние биогеоценозов выражается в изменении свойств почв (закислении, переходе в растворимое состояние токсичных элементов); в изменении свойств воды (повышении минерализации, повышении концентрации нитратов и фосфатов, насыщении поверхностно активными веществами); изменении соотношения элементов в почве и воде, что часто приводит к ухудшению условий развития растений и животных. Как следствие, нарушается структура биоценоза, обедняется видовой состав. Численность многих растений и животных исчезают, а других, наоборот, увеличивается. Например, при загрязнении водоёма химическими реагентами происходит его заорастание, исчезают многие животные и т.д.
Приспособление организмов к среде
Организмы в течение жизни испытывают влияние факторов, сильно удаляющихся от оптимума. Им приходится переносить жару, засуху, морозы, голод. Приспособления.
1. анабиоз (мнимая смерть). Почти полная остановка обмена веществ. – мелкие организмы. При анабиозе организмы теряют до ½ или даже ¾ заключённой в тканях воды У беспозвоночных часто наблюдается явление диапаузы – пережидание неблагоприятных температурных условий, остановившись в своём развитии (стадия яйца, куколки у насекомых и т.д.).
2. скрытая жизнь. Высшие растения не могут выжить, в случае если клетка высохнет. В случае если частичное обезвоживание – выживет. (зимний покой растений, спячка животных, семена в почве,
3. Постоянство внутренней среды, несмотря на колебания внешней среды. Постоянная температура тела, влаги (кактусы). Но много тратится энергии.
4. Избегание неблагоприятных условий. (гнезда, зарываются в снег, перелет птиц)
Примеры: Семена лотоса в торфе 2000лет., бактерии в льдах Антарктиды. У пингвинов температура 37-38, у северных оленей 38-39. кактусы. Мокрицы в Среднеазиатских сухих степях, Суслик серцебиение 300 ударов и 3.
Эволюционная адаптация
Виды адаптации:
Морфологические (защита от вымерзания: эпифиты – растут на других растениях, фанерофиты- почки защищены яешуйками (деревья, кустарники), криптофиты почки в почве, терофиты – однолетние растения. У животных – запасы жира, масса.
Физиологическая адаптация . : акклиматизация, высвобождение воды из жиров.
Поведенческая – выбор предпочтительного положения в пространстве.
Физическая – регулирование теплоотдачи. Химическая – поддержание температуры тела.
Эволюционная адаптация растений и животных к разным факторам среды легла в основу классификации видов.
1) По отношению к физическиме факторам среды
а) влияние температуры на организмы
Пределами толерантности для любого вида являются минимальная и максимальная летальные температуры. Большинство живых существ способно жить при температуре от 0 до 50ºС, что обусловлено свойствами клеток и межклеточной жидкости. Адаптация животных к температуре среды шла в 2 направлениях:
– пойкилотермные животные (холоднокровные) – их температура тела меняется в широких пределах исходя из температуры окружающей среды (беспозвоночные, рыбы, земноводные, пресмыкающиеся). Их приспособлением к изменениям температуры является впадение в анабиоз.
– гомойотермные животные (теплокровные) – животные, имеющие постоянную температуру тела (птицы (около 40ºС) и млекопитающие, в т.ч. человек (36–37ºС)). Гомойотермные животные могут выдерживать температуру ниже 0ºС. Для этих организмов характерно явление теплорегуляции .
Теплорегуляция (терморегуляция) – способность человека, млекопитающих и птиц поддерживать температуру мозга и внутренних органов в узких определённых границах, несмотря на значительные колебания температуры внешней среды и собственную теплопродукцию.При перегревании – происходит расширение кожных капилляров, и с поверхности тела происходит теплоотдача,– увеличивается потоотделение, за счёт испарения температура тела охлаждается (человек, обезьяны, непарнокопытные),– у непотеющих животных происходит тепловая одышка (испарение влаги происходит с поверхности ротовой полости и языка).При охлаждении– происходит сужение кожных сосудов, теплоотдача от них уменьшается,– поднимаются перья и волосы и шерсть на поверхности тела, в результате увеличивается воздушная прослойка между ними, являющаяся теплоизолирующей.
Вместе с тем, для теплокровных животных характерны постоянные приспособления к повышенным или пониженным температурам:
1) Варьирование размеров тела. В соответствии с правилом Бергмана : у теплокровных животных размер тела особей в среднем больше у популяций, живущих в более холодных частях ареала распространения вида. Это связано с уменьшением отношения:
.
Чем меньше это отношение, тем меньше теплоотдача.
2) Наличие шерстного и перьевого покрова. У животных, живущих в более холодных областях, увеличивается количество подшерстка, пуха, пуховых перьев у птиц. В условиях сезонности возможна линька, когда в зимнем шерстном покрове больше пуха и подшёрстка, а в летнем – только остевые волосы.
3) Жировая прослойка. Является теплоизолирующей. Особенно распространена у морских животных, обитающих в холодных морях (моржи, тюлени, киты и т.д.)
4) Жировой покров . Покров перьев водоплавающих птиц специальным водонепроницаемым покровом, препятствующим проникновению воды и слипанию перьев, ᴛ.ᴇ. сохраняется воздушная теплоизолирующая прослойка между перьями.
5) Зимняя спячка. Спячка
– состояние пониженной жизнедеятельности и обмена веществ, сопровождающееся торможением нервных реакций. Перед впадением в спячку животные накапливают в организме жир и укрываются в убежищах. Спячка сопровождается замедлением дыхания, сердцебиения и др.
Размещено на реф.рф
процессов. Температура тела снижается до 3–4ºС. Некоторые животные (медведи) сохраняют нормальную t тела (это зимний сон
). В отличие от анабиоза холоднокровных животных, во время спячки теплокровные животные сохраняют способность контролировать физиологическое состояние с помощью нервных центров и поддерживать гомеостаз на новом уровне.
6) Миграции животных (характерны для и теплокровных, и холоднокровных) – сезонное явление. Примером являются перелёты птиц.
Адаптация растений к температуре. Большинство растений может существовать при температуре от 0 до 50ºС. При этом активная жизнедеятельность осуществляется при температурах от 10 до 40 ºС. В этом диапазоне температур может происходить фотосинтез. Вегетационный период растений – период со среднесуточными температурами выше +10ºС.
По способу адаптации к изменениям температуры растения делятся на 3 группы:
– фанерофиты (деревья, кустарники, лианы) – сбрасывают все зелёные части на холодный период, а их почки остаются зимой над поверхностью снега и защищаются покровными чешуйками;
– криптофиты (геофиты) – также теряют всю видимую растительную массу на холодный период, сохраняя почки в клубнях, луковицах или корневищах, скрытых в почве.
– терофиты – однолетние растения, отмирающие с наступлением холодного сезона, выживают лишь семена или споры.
б) влияние освещённости на организмы
Свет - ϶ᴛᴏ первичный источник энергии, без которого невозможна жизнь на Земле. Свет участвует в фотосинтезе, обеспечивая создание органических соединений из неорганических веществ растительностью Земли. По этой причине влияние света в большей степени важно для растений. В фотосинтезе участвует часть спектра (от 380 до 760 нм) – область физиологически активной радиации.
По отношению к освещённости выделяются 3 группы растений:
– светолюбивые – для таких растений оптимумом является яркий солнечный свет – травянистые растения степей и лугов, древесные растения верхних ярусов.
– тенелюбивые – для этих растений оптимумом является слабая освещённость – растения нижних ярусов таёжных ельников, лесостепных дубрав, тропических лесов.
– теневыносливые – растения, имеющие широкий диапазон толерантности к свету и могут развиваться как при яркой освещённости, так и в тени.
Свет имеет большое сигнальное значение и является основой фотопериодизма.
Фотопериодизм - ϶ᴛᴏ реакция организма на сезонные изменения длины дня. От фотопериодизма зависит время зацветания и плодоношения у растений, начало периода спаривания у животных, время начала миграции у перелётных птиц. Фотопериодизм широко используется в с/х.
в) влияние условий увлажнения на организмы
Условия увлажнения зависят от двух факторов:– количество осадков; – испаряемость (количество влаги, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ может испариться при данной температуре)
По отношению к влаге все растения делятся на 4 группы:
– гидатофиты – водные растения целиком или большей частью погруженные в воду. Οʜᴎ бывают прикреплены корнями к грунту (кувшинка), другие не прикреплены (ряска);
– гидрофиты – водные растения, прикреплённые к почве и погруженные в воду только нижними своими частями (рис, рогоз);
– гигрофиты – растения влажных местообитаний. Не имеют приспособлений, ограничивающих расход воды (травянистые растения лесной зоны);
– мезофиты – растения, переносящие незначительную засуху (большинство древесных растений, злаковые растения степей);
– ксерофиты – растения сухих степей и пустынь, имеющие приспособления к недостатку влаги:
а) склерофиты – растения с большой корневой системой, способной всасывать влагу из почвы с большой глубины, и с мелкими листьями или листьями, преобразованными в колючки, что способствует снижению площади испарения (верблюжья колючка);
б) суккуленты – растения, способные накапливать влагу в мясистых листьях и стеблях (кактусы, молочаи).
– эфемеры – растения, проходящие свой жизненный цикл за очень короткий срок (период дождей или таяния снегов) и к периоду засухи образующие семена (маки, ирисы, тюльпаны).
Приспособления животных к засухе:
– поведенческие способы (миграция) – характерны для животных саванн в Африке, Индии, Южной Америке;
– образование защитных покровов (раковины улиток, роговые покровы рептилий);
– впадение в анабиоз (рыбы, земноводные в африканских и австралийских пересыхающих водоёмах);
– физиологические способы – образование метаболической воды (воды, образующейся в результате обмена веществ за счёт переработки жиров) – верблюды, черепахи, овцы.
г) влияние движения воздуха на организмы. Движение воздушных масс должна быть в виде их вертикального перемещения – конвекции, или в виде ветра, т. е. горизонтального перемещения. Движение воздуха способствует расселению спор, пыльцы, семян, микроорганизмов. Анемохоры – приспособления для распространения ветром (парашутики одуванчика, крылья семян клёна и т.д.). Угнетающее действие ветер может оказывать на птиц и других летающих животных
д) влияние движения воды на организмы. Основные виды движения воды – волны и течения.Учитывая зависимость отскорости течения:
– в спокойных водах – у рыб сплюснутое с боков тело (лещ, плотва)
– в быстротекущих водах – тело рыб округлое в сечении (форель).
Вода – плотная среда, в связи с этим в целом все водные животные имеют обтекаемую форму тела: как рыбы, так и млекопитающие (тюлени, киты, дельфины), и даже моллюски (кальмары, осьминоги). Самая совершенная морфологическая адаптация к движению в воде – у дельфина, в связи с этим он может развивать в воде очень большие скорости и выполнять сложные маневры.
2) химические факторы среды
а) Химические факторы воздушной среды
Состав атмосферы:‣‣‣ азот –78,08%;‣‣‣ кислород – 20,95 %;‣‣‣ аргон, неон и другие инертные газы – 0,93 %;‣‣‣ углекислый газ – 0,03 %;‣‣‣ прочие газы 0,01.
Лимитирующим фактором является содержание углекислого газа и кислорода. В приземном слое атмосферы содержание углекислого газа находится в минимуме толерантности, а кислорода – в максимуме толерантности растений по этим факторам.
Адаптация к недостатку кислорода:
а) У почвенных животных и животных, живущих в глубоких норах.
б) У высокогорных животных: – повышение объёма крови,– увеличенное количество эритроцитов (кровяных клеток, переносящих кислород),– повышенное содержание гемоглобина в эритроцитах,– повышенное сродство гемоглобина к кислороду, ᴛ.ᴇ. 1 молекула гемоглобина может переносить больше молекул кислорода, чем у равнинных животных.(ламы, альпаки, горные козлы, снежные барсы, яки, горные куропатки, фазаны).
в) У ныряющих и полуводных животных: – повышенный относительный объём лёгких,– больше объём и давление воздуха в лёгких при вдыхании,– приспособления, характерные для горных животных.(дельфины, киты, тюлени, каланы, морские змеи и черепахи, опуши).
г) у водных животных (гидробионтов) - ϶ᴛᴏ приспособления к использованию кислорода из водного раствора: – наличие жаберного аппарата͵ имеющего большую площадь поверхности,– густая сеть кровеносных сосудов в жабрах, обеспечивающих наиболее полное всасывание кислорода из раствора,– увеличенная поверхность тела, которая является у многих беспозвоночных важным каналом диффузионного поступления кислорода.Рыбы, моллюски, ракообразные).
б) Химические факторы водной среды
а) содержание СО 2 (повышенное содержание углекислого газа в воде может привести к гибели рыб и др.
Размещено на реф.рф
водных животных; с другой стороны при растворении в воде СО 2 , образуется слабая угольная кислота , легко образующая карбонаты (соли угольной кислоты), являющиеся основой скелетов и раковин водных животных);
б) кислотность среды (инструментом поддержания кислотности являются карбонаты, водные организмы имеют очень узкий диапазон толерантности к этому показателю)
в) солёность воды – содержание растворенных сульфатов, хлоридов, карбонатов, измеряется в промилле ‰ (грамм солей на литр воды). В океане 35 ‰. Максимальная солёность в Мёртвом море (270 ‰). Пресноводные виды не могут обитать в морях, а морские – в реках. При этом, такие рыбы, как лосось, сельдь всю жизнь проводят в море, а для нереста поднимаются в реки.
3. Эдафические факторы – почвенные условия произрастания растений.
а) физические:– водный режим,– воздушный режим,– тепловой режим,– плотность,– структура.
б) химические:– реакция почвы,– элементарный химический состав почвы, – бменная способность.
Важнейшее свойство почвы – плодородие - ϶ᴛᴏ способность почвы удовлетворять потребность растений в питательных веществах, воздухе, биотической и физико-химической среде и на этой базе обеспечивать урожай сельскохозяйственных структур, а также биогенную продуктивность диких форм растительности.
Приспособление растений к засолению:
Солеустойчивые растения называют галофитами (солерос, полыни, солянки) – эти растения произрастают на солонцах и солончаках.
Приспособление организмов к среде - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Приспособление организмов к среде" 2017, 2018.
Все химические процессы, протекающие в организме, зависят от температуры. Изменения тепловых условий, часто наблюдаемые в природе, глубоко отражаются на росте, развитии и других проявлениях жизнедеятельности животных и растений. Различают организмы с непостоянной температурой тела пойкилотермные и организмы с постоянной температурой тела гомойтермные. Пойкилотермные животные целиком зависят от температуры окружающей среды, тогда как гомойтермные способны поддерживать постоянную температуру тела независимо от изменений температуры окружающей среды. Подавляющее большинство наземных растений и животных в состоянии активной жизнедеятельности не переносит отрицательной температуры и погибает. Верхний температурный предел жизни неодинаков для разных видов редко выше 4045 С. Некоторые цианобактерии и бактерии обитают при температурах 7090 С, в горячих источниках могут жить и некоторые моллюски (до 53 С). Для большинства наземных животных и растений оптимум температурных условий колеблется в довольно узких пределах (1530 С). Верхний порог температуры жизни определяется температурой свертывания белков, поскольку необратимое свертывание белков (нарушение структуры белков) возникает при температуре около 60 С.
Пойкилотермные организмы в процессе эволюции выработали различные приспособления к изменяющимся температурным условиям среды. Главным источником поступления тепловой энергии у пойкилотермных животных внешнее тепло. У пойкилотермных организмов выработались различные приспособления к низкой температуре. Некоторые животные, например, арктические рыбы, обитающие постоянно при температуре 1,8 С, содержат в тканевой жидкости вещества (гликопротеиды), препятствующие образованию кристаллов льда в организме; у насекомых накапливается для этих целей глицерин. Другие животные, наоборот, увеличивают теплопродукцию организма за счет активного сокращения мускулатуры так они повышают температуру тела на несколько градусов. Третьи регулируют свой теплообмен за счет обмена тепла между сосудами кровеносной системы: сосуды, выходящие из мышц, тесно соприкасаются с сосудами, идущими от кожи и несущими охлажденную кровь (такое явление свойственно холодноводным рыбам). Адаптивное поведение проявляется в том, что многие насекомые, рептилии и амфибии выбирают места на солнце для обогрева или меняют различные позы для увеличения поверхности обогрева.
У ряда холоднокровных животных температура тела может меняться в зависимости от физиологического состояния: к примеру, у летающих насекомых внутренняя температура тела может подниматься на 1012 С и более вследствие усиленной работы мышц. У общественных насекомых, особенно у пчел, развился эффективный способ поддержания температуры путем коллективной терморегуляции (в улье может поддерживаться температура 3435 С, необходимая для развития личинок).
Пойкилотермные животные способны приспосабливаться и к высоким температурам. Это происходит также разными способами: теплоотдача может происходить за счет испарения влаги с поверхности тела или со слизистой верхних дыхательных путей, а также за счет подкожной сосудистой регуляции (например, у ящериц скорость тока крови по сосудам кожи увеличивается при повышении температуры).
Наиболее совершенная терморегуляция наблюдается у птиц и млекопитающих гомойтермных животных. В процессе эволюции они приобрели способность поддерживать постоянную температуру тела благодаря наличию четырехкамерного сердца и одной дуги аорты, что обеспечило полное разделение артериального и венозного кровотока; высокого обмена веществ; перьевого или волосяного покрова; регуляции теплоотдачи; хорошо развитой нервной системы приобрели способность к активной жизни при разной температуре. У большинства птиц температура тела несколько выше 40 oС, а у млекопитающих несколько ниже. Весьма важное значение для животных имеет не только способность к терморегуляции, но и адаптивное поведение, постройка специальных убежищ и гнезд, выбор места с более благоприятной температурой и т.п. Они также способны приспосабливаться к низким температурам несколькими путями: кроме перьевого или волосяного покрова, теплокровные животные с помощью дрожи (микросокращения внешне неподвижных мышц) уменьшают теплопотери; при окислении бурой жировой ткани у млекопитающих образуется дополнительная энергия, поддерживающая обмен веществ.
Приспособление теплокровных к высоким температурам во многом сходно с аналогичными приспособлениями холоднокровных потоотделение и испарение воды со слизистой рта и верхних дыхательных путей, у птиц только последний способ, так как у них нет потовых желез; расширение кровеносных сосудов, расположенных близко к поверхности кожи, что усиливает теплоотдачу (у птиц этот процесс протекает в неоперенных участках тела, например через гребень). Температура, как и световой режим, от которого она зависит, закономерно меняется в течение года и в связи с географической широтой. Поэтому все приспособления более важны для обитания при отрицательных температурах.
Термический гомеостаз является важнейшим условием нормального функционирования животного организма.
В первую очередь это относится к теплокровным животным. Ферментные системы организма теплокровных животных сохраняют свою активность в строго определенном диапазоне температур с оптимумом, близким к физиологической температуре тела. Для большинства теплокровных животных зоны умеренного климата температуры тела свыше 40° С губительны. Именно с этого уровня температур начинается процесс денатурации белков, в который раньше других вовлекаются белки со свойствами катализаторов, т. е. ферменты. По отношению к понижению температур эти вещества более терпимы. После охлаждения до 4° С и последующего восстановления температурных условий ферменты восстанавливают свою активность.
Однако отрицательные температуры губительны для теплокровного организма по другой причине. Основной составной частью организма животных (не менее 50% от живой массы) является вода. Так, у рыб содержание воды в теле достигает 75%, у птиц - 70%, быков на откорме - около 60%. Даже тело человека примерно на 63-68% состоит из воды.
Поскольку протоплазма клеток представляет собой водную фазу, то при отрицательных температурах вода из жидкого состояния переходит в твердое. Образование кристаллов воды в составе протоплазмы клеток и в межклеточной жидкости оказывает повреждающее воздействие на клеточные и субклеточные мембраны. Животные тем лучше переносят воздействие отрицательных температур, чем меньше в их теле воды, и прежде всего свободной, не связанной с белками воды.
Как правило, с приближением зимы относительное содержание воды в теле животных уменьшается. Особенно заметны эти изменения у пойкилотермных животных. Их зимостойкость осенью существенно возрастает. Например, жужелица Pterostichus brevicornis с Аляски в зимнее время выдерживает температуру -87° С в течение нескольких часов. В летнее время эти жуки погибают уже при температуре -6…-7 С.
Другим способом адаптации пойкилотермных к отрицательным температурам является накопление антифризов в биологических жидкостях.
Исследования крови костистых рыб, обитающих за полярным кругом, показали, что одного глицерина недостаточно для активной жизни холоднокровных животных в условиях Арктики. У этих рыб имеет место высокая осмоляльность крови (300-400 миллиосмоль). Последнее обстоятельство понижает температуру замерзания крови до -0,8°С. Однако температура воды в Северном Ледовитом океане в зимнее время составляет -1,8°С. Поэтому одной осмоляльности крови для выживания в таких условиях также недостаточно.
В составе тела арктических рыб обнаружены и выделены специфические гликопротеины со свойствами антифриза. В концентрации 0,6% гликопротеины в 500 раз более эффективно предотвращают образование льда в воде по сравнению с хлористым натрием.
У гомойотермных животных понятие температурного постоянства достаточно условно. Так, колебания температуры тела у млекопитающих представляют существенную величину, превышающую у отдельных представителей 20°С.
Обращает на себя внимание то, что относительно широкий диапазон колебаний температуры тела свойствен по большей части животным, обитающим в теплом климате. У северных животных гомойотермия имеет более жесткий характер.
Популяции животных, принадлежащих к одному виду, но обитающих в разных климатических условиях, имеют ряд отличительных особенностей. Животные из высоких широт имеют большие размеры тела по сравнению с представителями того же вида, но обитающими в районах с жарким климатом. Это общебиологическое правило, и оно хорошо просматривается в пределах многих видов (кабаны, лисы, волки, зайцы, олени, лоси и др.). Географический диморфизм продиктован тем, что увеличение размеров тела приводит к относительному уменьшению поверхности тела и, следовательно, к снижению потерь тепловой энергии. Более мелкие представители того же вида демонстрируют более высокий относительный обмен веществ и энергии, большую относительную площадь тела. Поэтому на единицу массы тела они затрачивают больше энергии и больше энергии теряют через покровы тела. В умеренном и жарком климате мелкие и средние животные имеют преимущества перед своими более крупными собратьями.
Обитатели пустынь, саванн и джунглей экваториальной зоны адаптированы к жизни при чрезвычайно высоких температурах. В пустынях экваториальной зоны песок нагревается до 100°С. Но и в таких экстремальных температурных условиях можно наблюдать активную жизнь животных.
Пауки и скорпионы сохраняют пищевую активность при температуре воздуха до 50°С. Сырная муха Piophila casei выдерживает температуру 52°С. Пустынная саранча выживает и при более высоких температурах - вплоть до 60°С.
В более высоких широтах имеются экологические ниши с температурой среды, существенно превышающей температуру воздуха. В горячих источниках Исландии и Италии при температуре 45-55°С обитают многоклеточные (личинка мухи Scatella sp.), коловратки и амебы. Еще большую устойчивость к высоким температурам демонстрируют яйца артемии (Artemia saliva). Они сохраняют жизнеспособность после 4-часового нагревания до 83°С.
Из представителей класса рыб лишь карпозубик (Cyprinodon nevadensis) проявляет широкие адаптивные способности к экстремальным температурам. Он живет в горячих источниках Долины Смерти (штат Невада), где вода имеет температуру 42°С. В зимнее время он попадается в водоемах, где вода остывает до 3°С.
Однако больше всего поражают своими адаптивными способностями к воздействию экстремальных температур коловратки и тихоходки. Эти представители животного царства выдерживают нагревание до 15°С и охлаждение до -273°С. Адаптационные механизмы уникальной резистентности к высоким температурам у беспозвоночных не изучены.
Приспособленность позвоночных животных к высоким температурам среды не столь высока, как у беспозвоночных. Тем не менее в безводной пустыне обитают представители всех классов этого типа позвоночных, за исключением рыб. У большинства пустынных пресмыкающихся фактически имеет место гомойотермия. Их температура тела в течение суток изменяется в узком диапазоне. Например, у сцинка средняя температура тела равна 33°С (±1°), у воротниковой ящерицы Crataphytus collaris - 38°С, а у игуаны еще выше - 39-40°С.
Летальными температурами тела для этих жителей пустыни являются такие значения: для сцинка - 43°С, для воротниковой ящерицы - 46,5°С, для игуаны - 42°С. Активность дневных и ночных животных приходится на разные температурные диапазоны. Поэтому физиологическая температура тела и летальная температура тела у этологически различающихся групп животных неодинаковы. Для ночных видов критическим уровнем температуры тела является температура в 43-44°С, для дневных - на 5-6°С выше.
Считается, что летальные температуры у рептилий приводят в начале к нарушениям функций нервной системы, а затем к гипоксии вследствие неспособности гемоглобина крови связывать и транспортировать кислород.
У птиц - обитателей пустыни - температура тела при активных действиях на солнце повышается на 2-4°С и доходит до 43-44°С. В состоянии физиологического покоя она составляет 39-40°С. Такая динамика температуры тела выявлена при температуре воздуха 40°С и выше у воробья, кардинала, козодоя, страуса.
Млекопитающие, несмотря на наличие совершенного механизма терморегуляции, также манипулируют температурой собственного тела. Верблюд в состоянии покоя имеет довольно низкую ректальную температуру - около 33°С. Однако в экстремальных условиях (физическая работа на фоне температуры среды свыше 45°С) температура тела животного поднимается до 40°С, т. е. на 7°С, без заметного влияния на его физиологическое состояние и поведение.