4. Значение физических и химических факторов среды в жизни организма

Температура - важнейший из ограничивающих факторов. Пределами толерантности для любого вида являются максимальная и минимальная летальные температуры, за преде­лами которой вид смертельно поражают жара или холод. Все живые существа способны жить при температуре между 0 и 50°С, что обусловлено свойствами протоплазмы клеток, но различные приспособительные механизмы, выработанные эволюцией, значительно расширяют эти возможности как в сторону высоких, так и низких температур. Поэтому интервал выживания, особенно популяции в целом, может быть и значительно шире указанного, между так называемыми нижней и верхней «границами стойкости» (по М. Ламотту), В этом интервале можно выделить «оптимальный интервал», в котором организмы чувствуют себя комфортно и численность популяции растет, а за его пределами они оказываются сначала в условиях «пониженной жизнедеятельности», где организм чувствуют себя угнетенно, а затем погибают либо от холода (за нижней границей стойкости), либо от жары (за верхней границей стойкости). Этот пример влияния температуры на организмы иллюстрирует общий закон биологической стойкости (по М. Ламотту), применимый к любому из важнейших лимитирующих факторов: величина «оптимального интервала» характеризует величину «стойкости» организма, т. е. величину его толерантности к этому фактору, или «экологическую валентность».

Все животные подразделяются на пойкилотермных, т. е. температура их собственного тела меняется с изменением температуры окружающей среды, и гомойотермных, т. е. имеющих постоянную температуру тела, не зависящую от внешней среды. В животном мире резко преобладают первые: земноводные, пресмыкающиеся, насекомые и др. Значительно меньше гомойотермных животных: млекопитающие (в том числе человек) и птицы. Что касается наземных растений, то температура в их жизни имеет не меньшее значение: они погибают уже при температуре, близкой к 50°С, а при температурах ниже 0° часть растений выживает благодаря специальным приспособлениям.

Известны морфологические приспособления растений и животных к низким температурам, так называемые жизненные формы растений и животных. Растения приспосабливаются таким образом, чтобы уберечь свои почки от мороза под снегом, в почве и т. п. (по Раункеру), а животные увеличивают массу тела, запасая на зиму вещества, поэтому даже животные одного вида на севере крупнее, чем на юге (правило Бергмана).

У животных большее значение имеют физиологические адаптации, простейшая из которых - акклиматизация - физиологическое приспособление к перенесению жары или холода. Более радикальным способом защиты от холода является миграция в теплые края, зимовка - впадение зимой в спячку. Большинство животных зимой находится в неактивном состоянии, а насекомые - вообще останавливаются в своем развитии, наступает период диапаузы.

Свет - это первичный источник энергии, без которого невозможна жизнь на Земле. Важнейшая его энергетическая функция - участие в фотосинтезе. Однако свет не только энергетический ресурс, но и важнейший экологический фактор.

Важное значение для растений имеет интенсивность освещения. По отношению к освещенности они подразделяются на светолюбивые (не выносят тени), тенелюбивые (не выносят яркого солнечного света) и теневыносливые (имеют широкий диапазон толерантности к свету).

Свет имеет большое сигнальное значение и вызывает регуляторные адаптации организмов. Самый надежный сигнал - длина дня, т. е. фотопериод. Фотопериодизм - это реакция организма на сезонные изменения длины дня, всегда одинаковой в данном месте, в данное время, что позволяет всем организмам определиться со временем цветения, созревания и т. п. на данной широте. Развитие природы, благодаря фотопериодизму, происходит в соответствии с биоклиматическим законом Хопкинса: сроки наступления различных природных явлений (фенодат) зависят от широты, долготы местности и ее высоты над уровнем моря.

У человека и животных внешние суточные ритмы переходят во врожденные свойства вида и становятся внутренними ритмами, отличаясь обычно от 24 часов на 15-20 минут, поэтому их называют циркадными (в переводе - близкие к суткам). Эти ритмы помогают организму чувствовать время, и такую его способность называют «биологическими часами».

Вода - входит в состав клеток организмов, выступает как абиотический экологический фактор, влияет на другие факторы при совокупном воздействии на организм, и, наконец, является средой обитания для многих животных и растений. Вода является лимитирующим фактором как в наземных, так и в водных местообитаниях.

В наземно-воздушной среде этот абиотический фактор характеризуется:

количеством атмосферных осадков, но для организмов важнее равномерность их распределения по сезонам года, которое в умеренных широтах может привести к засухе или переувлажнению, в тропиках - к чередованию влажных и сухих сезонов;

влажностью воздушной среды, которая способна изменять эффекты температуры: понижение влажности ниже некоторого предела при данной температуре ведет к иссушающему действию воздуха;

иссушающее действие воздуха приводит к иссушению почвы, что затрудняет всасывание воды корневой системой растений. Адаптация растений - увеличение всасывающей силы и глубины корневой системы;

транспирацией- испарением воды растениями через листья, на что уходит 97-99% воды. Эффективность транспирации оценивается отношением прироста вещества к количеству транспирированной воды (в граммах сухого вещества на 1000 см³ воды), которая для большинства растений равна двум.

По способу адаптации растений к влажности выделяют несколько экологических групп: гигрофиты; мезофиты (древесные, травянистые и другие растения); ксерофиты (суккуленты: алоэ, кактусы) и др.

У животных по отношению к воде также выделяются свои экологические группы: гигрофилы (влаголюбивые) и ксерофилы (сухолюбивые), промежуточная группа - мезофилы. Способы регуляции водного баланса поведенческие (посещение водопоя, переход на ночной образ жизни), морфологические (раковины наземных улиток), физиологические (образование метаболической воды: собаки и др.).

Воздушная среда имеет малые плотности и подъемную силу, незначительную спорность. Поэтому в ней нет постоянно живущих организмов - все они связаны с землей, а воздушную среду используют только для перемещения или для поиска добычи. Воздушная среда оказывает на организмы физическое и химическое воздействие.

Физические факторы воздушной среды: движение воздушных масс и атмосферное давление. Движение воздушных масс конвективное и ветровое обеспечивают расселение семян, спор и пыльцы растений. Атмосферное давление оказывает существенное влияние на жизнь позвоночных животных - они не могут жить выше 6000 м над уровнем моря.

Химические факторы воздушной среды обусловлены однородным в качественном и количественном отношении составом атмосферы: в наземных условиях содержание кислорода находится в максимуме, а углекислого газа - в минимуме толерантности растений, в почве - наоборот - кислород становится лимитирующим фактором для аэробов - редуцентов, замедляет разложение органики. В воде кислорода в 20 раза меньше, чем в атмосфере, и здесь он является лимитирующим фактором.

Пожары по своему экологическому воздействию разделяются на верховые и низовые. Верховые уничтожают всю pacтительность и большинство животных, и необходимы десятки лет, чтобы снова вырос лес. Низовые пожары обладают избирательностью, стимулируют процессы разложения мертвое органики и превращение минеральных веществ в форму, доступную для питания растений, ослабляют опасность верховых пожаров. Человек использует искусственные низовые палы как фактор управления средой в целях обновления и оздоровления лесов умеренной зоны.

Биогенные вещества (биогенные соли и элементы) являются лимитирующими факторами и ресурсами среды организмов. Растения получают их из почвы, а животные человек - с пищей. Их разделяют на макроэлементы и микроэлементы.

Биогенные макроэлементы это те, которых требуется opгaнизмам в относительно больших количествах: фосфор, азот калий, кальций, сера и магний. Основной источник азота атмосферный воздух, фосфора - горные породы и отмершие организмы. Фосфор - это необходимый элемент протоплазмы, его в организме в процентном отношении содержится больше, чем в исходных природных источниках, поэтому он является лимитирующим фактором, по значимости он второй после воды. Калий играет важную роль в работе нервной системы человека и животных, в росте растений. Кальций - составная часть скелета организмов. Сера входит в состав аминокислот витаминов, обеспечивает хемосинтез. Магний - необходима часть молекул хлорофилла и рибосом организмов. Биогенные микроэлементы тоже необходимы организмам, но в очень малых количествах. Входят в состав ферментов и нередко бывают лимитирующими факторами: железо, марганец, медь, цинк, бор, кремний, молибден, хлор, ванадий и кобальт. Весь этот набор микроэлементов необходим как растениям, так, животным и человеку.