Абиотические факторы и их влияние на живые организмы

Размещено на http://allbest.ru

ПЛАН

Введение

1. Основные абиотические факторы внешней среды

1.1 Свет

1.2. Химизм среды обитания

1.3. Температура среды

2. Другие абиотические факторы

Заключение

Литература

ВВЕДЕНИЕ

Жизнь каждого организма протекает в сообществе с особями своего вида и с другими видами. Благополучие существ неразрывно связано и с природными условиями. К одной среде организмы в состоянии приспособиться, другая для их существования оказывается невозможной. Окружающая нас жизнь - это упорядоченная и устойчивая система взаимоотношений, соответствующая плану Творца о создаваемом мире, претерпевшему ряд перемен по причине грехопадения человека, совокупность организмов, чутко реагирующих на внешние условия изменениями в популяциях.

В своей работе я хочу рассказать о закономерностях жизнедеятельности различных сообществ живых существ в разнообразных условиях внешней среды, о факторах, определяющих устойчивость, развитие и смену биологических систем.

1. ОСНОВНЫЕ АБИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ

Абиотические факторы обусловлены свойствами неорганического окружения. Сюда относятся компоненты климата: свет, температура, влажность, давление, подводные течения и ветра, долгота дня, смена времен года; химический состав воздуха, воды и почвы, наличие в почве питательных веществ, ее водопроницаемость и влагоемкость; радиационный фон.

1.1 СВЕТ

Свет в форме солнечной радиации обеспечивает все жизненные процессы на Земле. Для организмов важны длина волны воспринимаемого излучения, его интенсивность и продолжительность воздействия (длина дня, или фотопериод). Ультрафиолетовые лучи с длиной волны более 0,3 мкм составляют примерно 40% лучистой энергии, достигающей земной поверхности. В небольших дозах они необходимы животным и человеку. Под их воздействием в организме образуется витамин D. Насекомые зрительно различают ультрафиолетовые лучи и пользуются этим для ориентации на местности в облачную погоду. Наибольшее влияние на организм оказывает видимый свет с длиной волны 0,4-0,75 мкм. Энергия видимого света составляет около 45% общего количества лучистой энергии, падающей на Землю. Видимый свет менее всего ослабляется при прохождении через плотные облака и воду. Поэтому фотосинтез может идти и при пасмурной погоде, и под слоем воды определенной толщины. Но все же на синтез биомассы расходуется лишь от 0,1 до 1% приходящей солнечной энергии.

В зависимости от условий обитания растения адаптируются к тени - теневыносливые растения или, напротив, к яркому солнцу - светолюбивые растения. К последней группе относятся хлебные злаки.

Чрезвычайно важную роль в регуляции активности живых организмов и их развития играет продолжительность воздействия света - фотопериод. В умеренных зонах, выше и ниже экватора, цикл развития растений и животных приурочен к сезонам года и подготовка к изменению температурных условий осуществляется на основе сигнала длины дня, которая в отличие от других сезонных факторов в определенное время года в данном месте всегда одинакова. Фотопериод представляет собой как бы пусковой механизм, последовательно включающий физиологические процессы, приводящие к росту, цветению растений весной, плодоношению летом и сбрасыванию ими листьев осенью, а также к линьке и накоплению жира, миграции и размножению у птиц и млекопитающих, наступлению стадии покоя у насекомых.

Кроме сезонных изменений смена дня и ночи определяет суточный ритм активности, как целых организмов, так и физиологических процессов. Способность организмов ощущать время, наличие у них «биологических часов»- важное приспособление, обеспечивающее выживание особи в данных условиях среды. Инфракрасное излучение составляет 45% от общего количества лучистой энергии, падающей на Землю. Инфракрасные лучи повышают температуру тканей растений и животных, хорошо поглощаются объектами неживой природы, в том числе водой.

Для продуктивности растений, т.е. образования органического вещества, наиболее важен такой показатель, как суммарное прямое солнечное излучение, получаемое за длительные промежутки времени (месяцы, год). В условиях быстрого роста населения особое значение приобретает селекционная работа по выведению наиболее продуктивных сортов культурных растений и охрана окружающей среды от вредных последствий производственной деятельности человека.

Сигнальная роль света проявляется как у растений, так и у животных. Это связано с тем, что смена дня и ночи, изменения длины светового дня в разные сезоны года в средних и высоких широтах - наиболее устойчивые характеристики динамики свойств среды обитания. Поэтому эволюционные преимущества получали те группы организмов, у которых процессы, связанные» например, со сменой времен года, оказались ориентированы именно на этот, самый надежный фактор внешней среды.

Действительно, если бы, например, у птиц средней полосы гормональные системы, регулирующие развитие половы к желез и физиологическую подготовку к размножению, включались только при повышении температуры и появлении обилия насекомых, то ко времени вылупления птенцов, уменьшившееся количество насекомых не могло бы обеспечить их выкармливание.

То же касается таких сезонных явлений в жизни большинства животных, как линька, весенние и осенние миграции, в том числе перелеты птиц, накопление жира к сезону бескормицы и т.п. Поэтому зимующие вне мест гнездования птицы прилетают к местам гнездовий из года в год, почти независимо от температурных условий каждого года, в одно и то же время с точностью до нескольких дней; линька у млекопитающих наступает ежегодно в одно и то же время. Резкие отклонения погодных условий от среднемноголетних, конечно, приводят к повышению смертности, например побелевших зайцев, в годы, когда устойчивый снежный покров ложится необычно поздно.

Вместе с тем, очевидно, что процессы, требующие длительной физиологической и биохимической подготовки, для увеличения шансов вида на выживание должны завершаться к моменту возникновения оптимальных условий с максимальной вероятностью, что и обеспечивается привязкой запуска этих процессов к предельно устойчивому по своей динамике фактору среды - длительности светового дня, изменяющейся даже не столько в геологическом, сколько в астрономическом времени, сравнимом со временами эволюции звезд.

Хорошо известно явление фотопериодизма и у растений. Цветение и формирование плодов, подготовка к сбрасыванию листвы к зиме, смена циклов развития у растений средних и высоких широт регулируются также длиной светового дня. В тропической и субтропической зоне, где длина дня почти не меняется в течение года, сигнальная роль этого фактора в регуляции сезонных явлений в жизни животных и растений не проявляется или почти не проявляется. Суточный цикл освещенности не менее важен в жизни животных и растений. В зависимости от эволюционно сложившихся взаимоотношений в экосистемах одни животные характеризуются дневной активностью (большинство птиц, многие млекопитающие, пресмыкающиеся и земноводные, многие насекомые), другие - ночной (большинство хищных млекопитающих, ночные насекомые), третьи - сумеречной (совы, летучие мыши). Для некоторых животных нижним фактором, определяющим их поведение, оказывается лунный свет.

Например, нападения комаров максимально интенсивны утром и вечером, при восходе и заходе Солнца; однако при полнолунии они активны всю ночь (рис. 1).

Рис. 1. Схема изменений кривой ночного нападения комаров в природе в зависимости от фаз луны (1 - новолуние, 2 - конец пер-вой четверти, 3 - полнолуние, 4 - конец третьей четверти. Время полной темноты - за-темненная часть рисунка)

1.2. ХИМИЗМ СРЕДЫ ОБИТАНИЯ

Живые организмы, существуя за счет обмена веществ с окружающей средой, естественно, сильно зависят от ее химического состава. В то же время, преобразуя органические и неорганические вещества среды, сами они могут в значительной мере изменять его. Взаимодействие неживых и живых компонентов биосферы целиком определяет особенности Земли как планеты, имеющей жизнь. Весь свободный кислород атмосферы создан процессом фотосинтетического разложения воды растениями, огромные толщи известняков и других органогенных осадочных пород созданы деятельностью живых организмов, запасы ка-меи кого угли, нефти и газа в земной коре - результат деятельности живых организмов минувших эпох.

Впечатляющие масштабы этого взаимодействия в геологическом времени, в конечном счете, зависят от текущего обмена веществ между живыми организмами и средой обитания в актуальном времени. Как отдельные организмы и виды, так и экосистемы более или менее сильно зависят от химического состава среды обитания. Особенно сильно это влияние среды сказывается на водных организмах, постоянно находящихся в растворителе (воде), являющемся основой внутриклеточных и межклеточных жидкостей растений и животных.

С момента возникновения первых живых клеток в первичном океане эволюция постоянно решает задачу отделения внутренней среды от внешней с одновременным сохранением связи по элементам и соединениям, необходимым для жизнедеятельности. На клеточном уровне эта задача решалась созданием полупроницаемых мембран, включением в них специальных белков, белково-липидных и гликозидных комплексов, избирательно проницаемых для отдельных веществ или активно, с затратой энергии, переносящих жизненно важные ионы против градиента концентрации.

На уровне организмов уменьшение зависимости от химического состава среды обитания достигалось возникновением все более совершенных покровных тканей, часто снабженных выделением защитной слизи железами, слоем мертвых ороговевших клеток, чешуей разных видов.

От простейших и кишечнополостных до рыб водные организмы демонстрируют постепенное совершенствование биохимических, физиологических и морфологических механизмов, уменьшающих их зависимость от химического состава среды обитания и активно регулирующих обмен между внутренней и внешней средой. По многим элементам внутренняя среда водных организмов существенно отличается от состава морской воды.

Так, концентрация фосфора, кремния и цинка в них примерно в тысячу раз выше, чем в морской воде, серы, железа, меди и йода - в сто, калия, мышьяка, бора и фтора - в десять раз. Дополнительная сложность для водных обитателей заключается в поддержании осмотического давления в клетках, уравновешивающего осмотическое давление водной среды. Для большинства первично океанских групп животных и растений эта проблема практически не существует, концентрация большинства ионов в их клетках соответствует их содержанию в морской воде, и работа всех ферментных и регуляторных систем клеток оптимально осуществляется при именно таком ионном составе.

Однако переход к жизни в опресненной или пресной воде, как и освоение водоемов с повышенной концентрацией солей, требовал создания специальных механизмов само регуляции - удержания солей в клетках у пресноводных организмов, активного выброса солей и предотвращения их проникновения в клетки для обитателей водоемов с соленостью, существенно превышающей концентрацию растворенных в клеточных жидкостях вещества.

Например, у костистых рыб жидкости тела гипотоничны по отношению к морской и гипертоничны по отношению к пресной воде. При самых совершенных покровах, почти исключающих проницаемость для воды и солей, дыхание жабрами делает неизбежным постоянный контакт их водо- и солепроницаемых тканей с водной средой. Гипертоничная морская вода обезвоживает организм рыб, «вытягивая» воду из жабр, гипотоничная пресная вода, наоборот, как бы «накачивает» организм рыбы. Постоянство концентрации солей в жидкостях тола у морских рыб обеспечивается тем, что соленая вода поступает через пищеварительный тракт, а почки активно выделяют избыточные ионы во внешнюю среду имеете с продуктами обмена веществ. У пресноводных рыб почки, наоборот, непрерывно выделяют избыточную воду, удерживая ионы.

Поэтому у так называемых проходных рыб, размножающихся в пресной воде, а большую часть жизни проводящих в море (большинство лососевых и осетровых) и хождение половозрелых рыб в реки, как и выход молоди в море, требует длительного и постепенного перехода во все более (или менее) опресненную воду в месте впадения реки в море, во время которого происходит перестройка выделительной системы.

Интересно, что поддержание оптимальной концентрации ионов в жидкостях тела за счет механизмов активной осморегуляции развилось у рыб, прошедших в эволюции этап приспособления к жизни в пресных водах, и лишь впоследствии частично вернувшихся в море, костных рыб. У первично морских хрящевых рыб (акулы, скаты) осморегуляция осуществляется за счет поддержания повышенной концентрации в крови мочевины, что позволяет им иметь оптимальную для физиологических процессов концентрацию основных ионов наиболее экономным спо-собом, требующим меньше энергетических затрат на поддержание градиента концентрации ионов.

Подобные механизмы осморегуляции в условиях слабосоленых или пресных вод есть во многих группах водных организмов, виды, приобретшие их, не очень многочисленны, поэтому видовое разнообразие жизни в морских водах значительно выше, чем в пресных. Зависимость числа видов от солености воды особенно хорошо видна при сравнении видового разнообразия трех морей, связанных проливами, не представляющими препятствий для миграции любых морских обитателей - Средиземного, Черного и Азовского (табл. 1)

Таблица 1. Число видов животных, населяющих моря

Среди наземных организмов более других от химического состава среды обитания зависят растения. Водоросли и водные высшие растения целиком погружены в полный раствор различных неорганических и органических веществ, наземные своей корневой системой непосредственно взаимодействуют с почвой и почвенными растворами.

В течение эволюции у наземных растений выработались разнообразные биохимические, физиологические и морфологические приспособления как к обеспечению водой, так и к избирательному поглощению корневыми волосками необходимых ионов и выведению лишних не только по градиенту концентрации, но и против него. Это обеспечивается существованием, как и у животных, специальных белков-переносчиков, работающих с затратой энергии макроэргических фосфатов, при гидролизе освобождающих достаточную для большинства биохимических реакций энергию. Корневые выделения растений содержат, кроме того, некоторые регуляторные вещества, подавляющие развитие одних растений и стимулирующие развитие других. Это явление аллелопаптии широко распространено среди растений и, по-видимому, в значительной степени определяет видовой состав различных растительных ассоциаций.

У многих растений отмечается видовая специфичность в реакциях на содержание в почвенных растворах определенных ионов или соединений. Известны растения, предпочитающие почвы с высоким содержанием соединений азота, питрофилы (малина, крапива двудомная и многие другие), кальцин (ветреница лесная, таволга обыкновенная и др.), а также предпочитающие почву с присутствием ионов меди, цинка, железа, ванадия и других металлов, часто редких и ценных. Это их свойство используется иногда при поиске месторождений соответствующих металлов.

Особую группу растений составляют принадлежащие к разным семействам виды, приспособленные к обитанию на почвах с высоким содержанием растворимых солей, солончаках, так называемые галофиты. Одни из них активно возвращают в почву избыточные соли корневой системой, другие выделяют их листьями. Во всех случаях работа механизмов выведения солей требует больших энергетических затрат, поэтому галофиты отличаются медленным ростом и накоплением биомассы, а экосистемы засоленных земель - низкой продуктивностью.

Для эффективности работы биохимических механизмов избирательного поглощения и выделения ионов очень важна оптимальная для каждого вида растений концентрация ионов водорода в почвенных растворах. Для большинства видов этот оптимум лежит в области нейтральной или слабощелочной реакции, хотя многие виды хорошо себя чувствуют и на слабокислых почвах. Вся совокупность химических свойств почв в значительной мере определяет видовой состав и продуктивность разных растительных ассоциаций и, следовательно, тип и конкретные особенности различных экосистем.

1.3. ТЕМПЕРАТУРА СРЕДЫ

В первом приближении можно полагать, что жизнь возможна при температурах существования воды в жидкой фазе, то есть в пределах от 0 до 100'С, поскольку биохимические реакции в клетках протекают в водных растворах. Это, однако, не совсем верно. Главные факторы, определяющие температурные пределы активной жизнедеятельности или сохранения жизнеспособности организмов - температурная устойчивость белкой, клеточных мембран и других макромолекулярных комплексов клетки, а также сбалансированность биохимических реакций в процессах клеточного метаболизма. Белки - сложные биополимеры, функциональная активность которых зависит от пространственной структуры молекулы, которая поддерживается многими связями - сильными (ковалентными и ионными) и слабыми, в том числе водородными, чувствительными к температуре. При низких температурах эти связи устойчивы, поэтому адаптация к жизни при температурах, близких к нулю, достигается в основном за счет смещения температурного оптимума активности ферментов и согласования его у всего комплекса ферментов и регуляторных механизмов.

Это путь, требовавший в эволюции, по-видимому, немалого времени, но успешно пройденный представителями многих групп микроорганизмов, растений и животных. Во всяком случае, флора и фауна полярных морей достаточно разнообразны, причем активная жизнь там продолжается вплоть до температуры замерзания морской воды, достигающей -1,9°С.

У некоторых рыб, способных жить при такой температуре, синтезируются специальные белки-антифризы, снижающие точку замерзания жидкостей тела рыбы до 2С. Это предотвращает замерзание крови и клеточных растворов, гипотоничных по отношению к морской воде.

Задача создания белков и мембран, способных сохранять молекулярную структуру при температурах, близких к + 100°С, возможно, не решаема принципиально. Во всяком случае, не существует организмов, способных к активной жизни при столь высоких температурах» Лишь единичные виды микроорганизмов и сине-зеленых «водорослей» могут жить в водах горячих источников при температуре порядка - 80С и даже 90С, отдельные виды растений способны переживать временное нагревание надземных частей до +60С, некоторые виды насекомых, обитающих в пустынях, могут переносить нагревание до 50С.

Многие растения и животные полярных областей способны длительно переживать в неактивном состоянии глубокое, иногда до - 60С, промораживание. Адаптации к переживанию сильных холодов практически всегда связаны с уменьшением содержания воды в клетках, более или менее глубоким высушиванием тканей и накоплением в клетках веществ, снижающих точку замерзании жидкостей. Обычно это глицерин, некоторые сахара, иногда дополняемые белками-антифризами. Гибель клеток при глубоком замораживании практически всегда связана с образованием в них кристаллов льда, которые разрушают внутриклеточные структуры. Поэтому организмы, способные переносить сильное высушивание, в таком сухом состоянии легко переносят замораживание не только до температур, встречающихся в самых суровых зимних условиях, но даже до температуры жидкого азота, - 196С.

Легко переносят глубокое замораживание сухие семена и споры растений.

Наиболее совершенные приспособления к изменениям температуры среды возникли у высших классов позвоночных - птиц и млекопитающих, обладающих постоянной температурой тела. Это свойство гомойотермности обеспечивается существованием термоизолирующих внешних покровов (перья, шерсть), иногда - мощным слоем подкожного жира, а также способностью в широких пределах изменять интенсивность и характер обменных процессов, идущих с выделением тепла. В зависимости от комплекса температурных, кормовых и других условий, к которым в процессе эволюции, оказались, приспособлены разные виды гомойотермных животных, у некоторых них температура тела может временно снижаться. Это касается не только мелких животных, таких как самые мелкие насекомоядные - землеройки или некоторые летучие мыши, в тех случаях, когда сбор пищи на несколько часов затруднен, а температура среды требует значительных энергетических затрат на поддержание постоянной температуры тела. В подобной ситуации зимой оказываются и некоторые крупные копытные, корма которых обладают небольшой энергетической ценностью, и тепло потери при постоянной температуре тела не компенсируются теплопродукцией.

В особо морозные дни лоси и многие другие олени «отстаиваются» в наиболее защищенных от ветра местах, практически прекращая питаться. При этом у них заметно снижается температура тела и уровень потребления кислорода. В таких критических ситуациях, когда сбор корма требует слишком больших, не окупаемых получаемой с пищей энергией затрат на передвижение и выработку тепла, у таких животных включается биохимический механизм регуляции уровня обмена, подобный механизму зимней спячки, но не столь глубокой, как у настоящих зимоспящих млекопитающих.

2. ДРУГИЕ АБИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

В истории эволюции и текущей жизни отдельных видов и экосистем весьма значительная роль принадлежит всему комплексу климатических факторов. Изменения в распределении климатических зон на земном шаре в истории планеты были одной из ведущих причин изменений характера эволюционных процессов, стимулируя формирование новых групп животных и растений всё более совершенной организацией. Современное распределение климатических зон определяет флору и фауну различных биогеографических биомов - тундры, тайги, смешанных лесов, степей, тропических лесов и т.д.

Внутри каждой климатической зоны обнаруживается множество вариантой локальных климатических условий. В зависимости от удаленности от моря, особенностей рельефа, ветров, грунтов и других конкретных характеристик местности на одних территориях сезонные изменения климатических условий достаточно стабильны, на других значительно отличаются в разные годы. Близкорасположенные участки, например лесистый овраг с ручьем и окружающая степь, часто сильно отличаются по микроклиматическим условиям. Весь комплекс макро- и микроклиматических факторов, включая влажность, температуру, силу и на-правление ветров, высоту и сроки существования снежного покрова, сумму и временное распределение осадков, в решающей степени определяет возможности существования не только определенных видов, но и экосистем того или иного типа и их вариантов.

Многие абиотические факторы играют, как и свет, дополнительную роль в жизни разных видов - сигнальную. Так, атмосферное давление и температура воздуха у некоторых видов перелетных птиц влияют на точное время прилета к местам гнездования. Даже такой редко регистрируемый фактор, как инфразвук, может выступать в роли сигнального фактора: некоторые морские животные, например медузы, чувствуют инфразвуковые колебания воды, порождаемые волнением в зоне приближающегося шторма, и опускаются из поверхностных слоев воды на глубины, слабо подверженные влиянию поверхностных волн. Таким образом, каждый вид растений и животных, каждая экосистема постоянно находятся под воздействием сложного комплекса абиотических факторов среды обитания. Роль и «вес» разных факторов различны для видов, которые в разной степени достигли в течение своей эволюции большей или меньшей независимости от отдельных факторов среды.

Например, снег как абиотический фактор играет важную роль не только в экосистемах приполярных зон, но и в зоне умеренного климата, где снеговой покров относительно тонок и держится сравнительно недолго. Обыкновенная полевка и степная пеструшки, питающиеся преимущественно вегетативными частями растений, напротив, в многоснежные зимы, оказываются лучше защищены, от хищников и воздействия тяжёлых температур на поверхности, поскольку ведут подснежный» образ жизни.

Для экосистемы, состоящей из множества видов разного эволюционного уровня, влияние всего комплекса биотических факторов всегда представляет собой сложную систему взаимодействий, в которой, например, микроклимат на поверхности почвы в большой мере зависит от видового состава и степени развития верхних ярусов растительности, норы роющих животных изменяют условия аэрации и дренирования почвы и влияют на условия существования растительности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

абиотический жизнедеятельность экосистема

Для экосистемы, состоящей из множества видов разного эволюционного уровня, влияние всего комплекса биотических факторов всегда представляет собой сложную систему взаимодействий, в которой, например, микроклимат на поверхности почвы в большой мере зависит от видового состава и степени развития верхних ярусов растительности, норы роющих животных изменяют условия аэрации и дренирования почвы и влияют на условия существования растительности.

Полный учет всех взаимовлияний абиотических и биотических фак-торов в природных экосистемах оказывается почти невозможным, поэтому в реальных условиях приходится ограничиваться анализом лишь наиболее важных факторов, определяющих не конкретные особенности, а только тип экосистемы.

Это позволяет определять более или менее надежно только направление изменений экосистемы как ее возможной реакции на определенные изменения абиотических условий, в частности, вызванные человеческой деятельностью. Конкретный ход таких изменений всегда должен отслеживаться в реальном времени системой мониторинга природной среды - регулярного контроля параметров экосистем.

ЛИТЕРАТУРА

1. Химия окружающей среды/Под ред. Дж. О.М. Бокрис-М: Химия 1982г.

2. Шустов С.Б., Шустова Л.В. Химические основы экологии. М: Просвещение,1995г.

3. Экология. Учебное пособие. М: Знание 1997г.

Размещено на Allbest.ru