|
Все живое на Земле связано со средой обитания, которая включает
разнообразные географические области и населяющие их сообщества живых организмов.
По характеру действия связи организма со средой могут быть абиотическими
(сюда относятся факторы неживой природы — физические и химические условия среды)
и биотическими (факторы живой природы — межвидовые и внутривидовые взаимоотношения).
Жизнедеятельность организмов невозможна без постоянного притока
энергии извне. Ее источником является Солнце. Вращение Земли вокруг своей оси приводит
к неравномерному распределению энергии Солнца, его теплового излучения. В связи
с этим атмосфера над сушей и океаном нагревается неодинаково, а различия в температуре
местности и давлении вызывают перемещения воздушных масс, изменение влажности воздуха,
что влияет на ход химических реакций, физических превращений и прямо или косвенно
— на все биологические явления (характер расселения жизни, биоритмы и т. п.). Регулирующее
влияние на плотность жизни оказывает комплекс факторов: свет, температура, вода,
минеральные питательные вещества и др. Эволюция жизни осуществлялась в направлении
эффективного приспособления к этим факторам: 'колебаниям влажности, освещения, температуры,
ветра, силы тяжести и др. Взаимосвязи организмов между собой и со средой обитания
изучает наука экологи
я. Рассмотрим значение, отдельных экологических
факторов.
Свет — основной источник энергии на Земле. Природа света двойственна: с одной
стороны он представляет собой поток элементарных физических частиц — корпускул,
или фотонов, не имеющих заряда, с другой — обладает волновыми свойствами. Чем меньше
длина волны фотона, тем выше его энергия, и наоборот. Энергия фотонов служит источником
обеспечения энергетических потребностей растений при фотосинтезе, поэтому зеленое
растение не может существовать без света.
Свет (освещенность) представляет собой мощный стимул активности организмов — фотопериодизма
в жизни растений (рост, цветение, опадание листвы) и животных (линька, накопление
жира, миграции и размножение птиц и млекопитающих, наступление стадии покоя — диапаузы,
поведенческие реакции и др.). Продолжительность светового дня зависит от географической
широты. С этим связано существование растений длинного дня, цветение которых наступает
при продолжительности светлого периода суток 12 ч и более (картофель, рожь, овес,
пшеница и др.), и растений короткого дня с фотопериодом 12 ч и менее (большинство
тропических цветковых растений, соя, просо, конопля, кукуруза и многие другие растения
умеренной зоны). Но есть растения, цветение которых не зависит от длины дня (томаты,
одуванчик и др.). Ритмы освещенности вызывают у животных различную активность в
дневное и ночное время суток или в сумерки, а также сезонные явления: весной — подготовку
к размножению, осенью — к зимней спячке, линьку.
Коротковолновая радиация Солнца (290 нм) представляет собой ультрафиолетовые
лучи (УФ). Большая часть их поглощается слоем озона в верхних участках атмосферы;
на Землю проникают УФ-лучи с меньшей энергией (300—400 нм), которые губительны для
многих микроорганизмов и их спор; в организме человека и животных эти лучи активируют
синтез витамина Д из холестерина и образование пигментов кожи и глаза. Средневолновая
радиация (600—700 нм) представляет собой оранжевую часть спектра и поглощается растением
при фотосинтезе.
Как проявление приспособительных реакций на смену дня и ночи у
животных и человека наблюдается суточная ритмичность интенсивности обмена веществ,
частоты дыхания, сердечных сокращений и уровня кровяного давления, температуры тела,
клеточных делений и т.д. У человека выявлено более ста физиологических процессов
биоритмологического характера, благодаря которым у здоровых людей наблюдается согласованность
различных функций. Исследование биоритмов имеет большое значение для разработки
мер, облегчающих адаптацию человека к новым условиям при дальних перелетах, переселении
людей в районы Сибири, Дальнего Востока, Севера, Антарктиды.
Считают, что нарушение регуляторных механизмов по поддержанию внутренней среды организма
(гомеостаза) — последствие урбанизации и индустриализации: чем дольше организм
изолирован от внешних климатических факторов и находится в комфортных условиях микроклимата
помещения, тем заметнее снижаются его приспособительные реакции к перемене погодных
факторов, нарушается способность к терморегуляции, чаще возникают расстройства сердечно-сосудистой
деятельности.
Биологический эффект фотонов состоит в том, что их энергия в организме животных
вызывает возбужденное состояние электронов в молекулах пигментов (порфиринов, каротиноидов,
флавинов), которые возникший избыток своей энергии передают другим молекулам, и
таким путем запускается цепь химических превращений. Белки и нуклеиновые кислоты
поглощают УФ-лучи с длиной волны 250—320 нм, что может вызвать генетический эффект
(генные мутации); лучи меньшей длины волны (200 нм и меньше) не только возбуждают
молекулы, но и могут их разрушить.
В последние годы большое внимание уделяется изучению процесса фотореактивации —
способности клеток Микроорганизмов ослаблять и полностью устранять повреждающий
эффект УФ-облучения ДНК, если облученные клетки выращивать затем не в темноте, а
на видимом свету. Фотореактивация — явление универсальное, осуществляется при участии
специфических клеточиых ферментов, действие которых активируется квантами света
определенной длины волны.
Температура оказывает регулирующее влияние на многие процессы жизни растений и животных,
изменяя интенсивность обмена веществ. Активность клеточных ферментов лежит в пределах
от 10 до 40 °С, при низких температурах реакции идут замедленно, но при достижении
оптимальной температуры активность ферментов восстанавливается. Пределы выносливости
организмов в отношении температурного фактора для большинства видов не превышают
40—45 °С, пониженные температуры оказывают менее неблагоприятное воздействие на
организм, чем высокие. Жизнедеятельность организма осуществляется в пределах от
-4 до 45 °С. Однако небольшая группа низших организмов способна обитать в горячих
источниках при температуре 85 °С (серные бактерии, синезеленые водоросли, некоторые
круглые черви), многие низшие организмы легко выдерживают очень низкие температуры
(их устойчивость к замерзанию объясняется высокой концентрацией солей и органических
веществ в цитоплазме).
У каждого вида животных, растений и микроорганизмов выработались
необходимые приспособления как к высоким, так и к низким температурам. Так, многие
насекомые при наступлении холодов скрываются в почве, под корой деревьев, в трещинах
скал, лягушки зарываются в ил на дне водоемов, некоторые наземные животные впадают
в спячку и оцепенение. Приспособление от перегрева в жаркое время года у растений
выражается в увеличении испарения воды через устьица, у животных — в виде испарения
воды через дыхательную систему и кожные покровы. Животные, не обладающие системой
активной терморегуляции (холоднокровные, или пойкилотермные), колебания внешней
температуры переносят плохо, поэтому их ареалы на суше относительно ограничены
(амфибии, рептилии). С наступлением холодов у них снижается обмен веществ, потребление
пищи и кислорода, они погружаются в спячку или впадают в состояние анабиоза
(резкое замедление жизненных процессов при сохранении способности к оживлению),
а при благоприятных погодных условиях пробуждаются и снова начинают активную жизнь.
Споры и семена растений, а среди животных — инфузории, коловратки, клопы, клещи
и др. — могут много лет находиться в состоянии анабиоза. Теплокровность у млекопитающих
и птиц дает им возможность переносить неблагоприятные условия в активном состоянии,
пользуясь убежищами, поэтому они в меньшей степени зависят от окружающей среды.
В период чрезмерного повышения температуры в условиях пустыни животные приспособились
переносить жару путем погружения в летнюю спячку. Растения пустынь и полупустынь
весной за очень короткий срок завершают вегетацию и после созревания семян сбрасывают
листву, вступая в фазу покоя (тюльпаны, мятлик луковичный, иерихонская роза и др.).
Вода. Энергией Солнца вода поднимается с поверхности морей и океанов и возвращается
на Землю в виде разнообразных осадков, оказывая разностороннее влияние на организмы.
Вода — важнейший компонент клетки, на ее долю приходится 60—80% ее массы. Биологическое
значение воды обусловлено ее физико-химическими свойствами. Молекула воды полярна,
поэтому она способна притягиваться к различным другим молекулам и ослаблять интенсивность
взаимодействия между зарядами этих молекул, образуя с ними гидраты, т. е. выступать
в качестве растворителя. Многие, вещества вступают в разнообразные химические реакции
только в присутствии воды.
Диэлектрические свойства, наличие связей между молекулами обусловливают
большую теплоемкость воды, что создает в живых системах “тепловой буфер”, предохраняя
неустойчивые структуры клетки от повреждения при местном кратковременном освобождении
тепловой энергии. Поглощая тепло при переходе из жидкого в газообразное состояние,
вода производит охлаждающий; эффект испарения, используемый организмами для регуляции
температуры тела. Благодаря большой теплоемкости вода играет роль основного терморегулятора
климата. Ее медленное нагревание и охлаждение регулируют колебания температуры океанов
и озер: летом и днем в них накапливается тепло, которое они отдают зимой и ночью.
Стабилизации климата способствует также постоянный обмен диоксидом углерода между
воздушной и водной оболочками земного шара и горными породами, а также растительным
и животным миром. Вода выполняет транспортную роль в перемещении веществ почвы сверху
вниз и в обратном направлении. В почве они служит средой обитания для одноклеточных
организмов (амебы, жгутиковые, инфузории, водоросли).
В зависимости от режима влаги растения в местах и обычного произрастания
подразделяются на гигрофиты-растения избыточного увлажненных мест, мезофиты-растения
достаточно увлажненных мест и ксерофиты - растения сухих местообитаний. Есть
еще группа водных цветковых растений — гидрофиты, которые обитают в водной
среде (стрелолист, элодея, роголистник). Недостаток влаги служит ограничивающим
фактором, определяющим границы жизни и ее зональное распределение. При недостатке
воды у животных и растений вырабатываются приспособления к ее добыванию и сохранению.
Одна из функций листопада — приспособление против избыточной потери воды. У растений
засушливых мест листья мелкие, иногда в форме чешуек (в этом случае стебель принимает
на себя функцию фотосинтеза); той же цели служит распределение устьиц на листе,
которое может уменьшать испарение воды. Животные в условиях сильно пониженной влажности
во избежание потери воды активны ночью, днем они скрываются в норах и даже впадают
в оцепенение или спячку. Грызуны не пьют воду, а пополняют ее с растительной пищей.
Своеобразным резервуаром воды для животных пустынь являются жировые отложения (горб
у верблюда, подкожные отложения жира у грызунов, жировое тело у насекомых), из которых
поступает вода, образующаяся в организме при окислительных реакциях в ходе расщепления
жира. Таким образом, все факты приспособленности организмов к условиям жизни — яркая
иллюстрация целесообразности в живой природе, возникшей под влиянием естественного
отбора.
Ионизирующее излучение. Излучение с очень высокой
энергией, которое способно приводить к образованию пар положительных и отрицательных
ионов, называется ионизирующим. Его источником являются радиоактивные вещества,
содержащиеся в горных породах; кроме того, оно поступает из космоса. Из трех видов
ионизирующего излучения, имеющих важное экологическое значение, два представляют
собой корпускулярное излучение (альфа- и бета-частицы), а третье— электромагнитное
(гамма.-излучение и близкое ему рентгеновское излучение). Гамма-излучение легко
проникает в живые ткани; это излучение может пройти сквозь организм, не оказав никакого
воздействия, или же может вызвать ионизацию на большом отрезке своего пути.
В целом ионизирующее излучение оказывает на более высокоразвитые
и сложные организмы наиболее , губительное действие; человек отличается особой чувствительностью.
Загрязняющие вещества. Эти вещества можно разделить на две группы: природные соединения, являющиеся
отходами технологических процессов, и искусственные соединения, не встречающиеся
в природе.
К 1-й группе относятся сернистый ангидрид, углекислый газ, оксиды
азота, углерода, углеводороды, соединения меди, цинка и ртути и др., минеральные
удобрения.
Во 2-ю группу входят искусственные вещества, обладающие специальными
свойствами, удовлетворяющими потребности человека: пестициды, используемые
для борьбы с животными——вредителями сельскохозяйственных культур, антибиотики, применяемые
в медицине и ветеринарии для лечения инфекционных заболеваний. К пестицидам относятся
инсектициды — средства для борьбы с вредными насекомыми и гербициды
-—. средства для борьбы с сорняками. Все они обладают определенной токсичностью
(ядовитостью) для человека. К абиотическим факторам относятся также атмосферные
газы, минеральные вещества, барометрическое давление, движение воздушных масс и
гидросферы (течение), минеральная основа почвы, соленость воды и почвы.
Остановимся на значении минеральных элементов . Ряд неорганических веществ
находится в организме в составе солей, а при диссоциации образуют ионы (катионы
и анионы): Na+, Mg2+, РО43-, Сl-, К+, Са2+, СО32-, NO3-. Значение ионного состава
в клетке выявляется на многих сторонах ее жизнедеятельности. Например, калий избирательно
взаимодействует с сократительным белком мышц — миозином, снижая вязкость клеточного
сока и вызывая расслабление мышц. Кальций усиливает вязкость цитоплазмы и стимулирует
мышечное сокращение, снижает порог возбудимости нервов и освобождается из мембранной
системы при мышечном сокращении. В больших дозах кальций потребляется моллюсками
и позвоночными, которым он необходим для роста раковины и костей. Натрия много у
животных преимущественно во внеклеточной жидкости, а калия — внутри клетки; их взаимоперемещение
создает разность электрических потенциалов между жидкостями внутри и вне клеток,
что лежит в основе передачи нервных импульсов.
Ионы магния оказывают влияние на агрегацию рибосом: при снижении
их концентрации рибосома распадается на две части. Магний входит в состав молекулы
хлорофилла и некоторых ферментов. Для осуществления фотосинтеза растениям необходимы
Mn, Fe, Cl, Zn; для азотистого обмена — Мо, В, Со, Сu, Si. В состав молекулы гемоглобина
входит железо, в состав гормона щитовидной железы — йод. Цинк участвует во
многих реакциях гидролиза, разрывая связи между атомами углерода и кислорода. Отсутствие
или недостаток Na+, Mg2+, К+, Са2+, ведет к потере возбудимости клетки
и ее гибели.
В природных условиях недостаток тех или других микроэлементов приводит
к развитию эндемичных (свойственных только определенной местности) заболеваний человека:
эндемического зоба (недостаток йода в питьевой воде), флюороза и крапчатости зубов
(избыточное поступление в организм фтора) и др. Недостаток меди в травах, произрастающих
на болотистых и торфяных почвах, ведет к анемии у крупного рогатого скота, расстройству
пищеварительной системы, поражению центральной нервной системы, изменению цвета
шерсти и т. д.
Нежелателен также избыток микроэлементов. В частности, в некоторых
местностях известен стронциевый рахит и хронический молибденовый токсикоз у животных
понос у крупного рогатого скота, падение удоя, изменение цвета шерсти). Многие вопросы
о роли микроэлементов в возникновении тех или иных физиологических нарушений изучены
пока недостаточно.
|