Приспособления у растений и животных к абиотическим факторам среды
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.
Источник
Укажите какая часть спектра видимого излучения солнца наиболее активно поглощается хлорофиллом
Подробное решение Раздел стр. 234 по биологии для учащихся 9 класса, авторов С.Г. Мамонтов, В.Б. Захаров, И.Б. Агафонова, Н.И. Сонин 2016
Вопрос 1. Что такое абиотические факторы среды? Перечислите основные абиотические факторы.
Абиотические факторы — это прямо или косвенно действующие на организм факторы неживой природы — свет, температура, влажность, химический состав воздушной, водной и почвенной среды и др. (т.е. свойства среды, возникновение и воздействие которых прямо не зависит от деятельности живых организмов).
Вопрос 2. Какую роль для жизнедеятельности организмов играют ультрафиолетовые лучи?
Ультрафиолетовые лучи с длиной волны более 0,3 мкм составляют 10 % 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.
Вопрос 3. Какую часть спектра видимого излучения солнца наиболее активно поглощает хлорофилл зелёных растений?
Синий (0,4–0,5 мкм) и красный (0,6–0,7 мкм) свет особенно сильно поглощается хлорофиллом.
Вопрос 4. Приведите примеры теневыносливых и светолюбивых растений, произрастающих в вашей местности.
К теневыносливым растениям относят ландыш майский, брусника обыкновенная, бузина черная, черника обыкновенная, смородина черная, купена лекарственная, манжетка обыкновенная.
А к светолюбивым — мать-и-мачеха, клевер ползучий, мелисса лекарственная, лаванда узколистная, бессмертник итальянский
Вопрос 5. Докажите, что световой режим играет важную роль в жизнедеятельности организмов.
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 сигналом для подготовки к изменению температурных условий служит продолжительность светового дня, которая, в отличие от других сезонных факторов, в определённое время года в данном месте всегда одинакова. Фотопериод представляет собой как бы пусковой механизм, включающий физиологические процессы, последовательно приводящие к росту и 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. Изменение длины дня воспринимается органами зрения у животных или специальными пигментами в листьях растений.
Вопрос 6. Какие приспособления в условиях недостатка воды развиваются у растений; у животных?
Для растений и животных, обитающих в зонах с недостаточной степенью увлажнения, характерно наличие эффективных приспособлений к неблагоприятным условиям засушливости. У растений мощно развита корневая система, повышено осмотическое давление клеточного сока, способствующее удержанию воды в тканях, утолщена кутикула листа, сильно уменьшена или превращена в колючки листовая пластинка. У некоторых растений, например у саксаула, листья утрачиваются, а фотосинтез осуществляется зелёными стеблями. При отсутствии воды рост пустынных растений прекращается, в то время как влаголюбивые растения в таких условиях увядают и гибнут. Кактусы способны запасать большие количества воды в тканях и экономно её расходовать.
У пустынных животных также есть целый ряд физиологических приспособлений, позволяющих переносить недостаток воды. Мелкие животные – грызуны, пресмыкающиеся, членистоногие – извлекают воду из пищи. Источником воды служит и жир, накапливающийся у некоторых животных в больших количествах (горб у верблюдов). В жаркое время года многие животные (грызуны, черепахи) впадают в спячку, продолжающуюся несколько месяцев. К началу лета растения-эфемеры после кратковременного периода цветения сбрасывают листья, иногда у них полностью отмирают надземные части, сохраняют только луковицы и корневища до следующего вегетационного периода.
Вопрос 7. Холоднокровных животных по-другому называют пойкилотермными, а теплокровных — гомойотермными. Используя дополнительные источники информации, объясните происхождение этих терминов.
Пойкилотермные животные-от греческого означает пойкилос — различный и терм-тепло, что означает, что температура таких животных меняется в зависимости от температуры окружающей среды. А гомойтермные — от греческого хомойс — подобный, одинаковый и терм — тепло, что означает, что такие животные сохраняют относительно постоянной температуру тела при изменении температуры окружающей среды.
Вопрос 8. Какое адаптивное значение имеет у животных зимняя или летняя спячка?
В состоянии спячки многие животные переживают неблагоприятные для себя условия, такие как нехватка пищи, высокая или низкая температура. Накапливая значительный запас жира в своем теле, а также за счет пониженного уровня обмена веществ, животное таким образом предохраняется от действия неблагоприятных факторов среды.
Вопрос 9. Используя дополнительные источники информации, приведите примеры других абиотических факторов, действующих на живые организмы.
Ветер способен даже изменять внешний вид растений, особенно в тех местообитаниях, например в альпийских зонах, где лимитирующее воздействие оказывают другие факторы. Экспериментально показано, что в открытых горных местообитаниях ветер лимитирует рост растений: когда построили стену, защищавшую растения от ветра, высота растений увеличилась. Большое значение имеют бури, хотя их действие сугубо локально. Ураганы и обычные ветры способны переносить животных и растения на большие расстояния и тем самым изменять состав сообществ.
Атмосферное давление, по-видимому, не является лимитирующим фактором непосредственного действия, однако оно имеет прямое отношение к погоде и климату, которые оказывают непосредственное лимитирующее воздействие.
Рассмотрим далее факторы водной среды.
Водные условия создают своеобразную среду обитания организмов, отличающуюся от наземной прежде всего плотностью и вязкостью. Плотность воды примерно в 800 раз, а вязкость примерно в 55 раз выше, чем у воздуха. Вместе с плотностью и вязкостью важнейшими физико-химическими свойствами водной среды являются: температурная стратификация, то есть изменение температуры по глубине водного объекта и периодические изменения температуры во времени, а также прозрачность воды, определяющая световой режим под ее поверхностью: от прозрачности зависит фотосинтез зеленых и пурпурных водорослей, фитопланктона, высших растений.
Как и в атмосфере, важную роль играет газовый состав водной среды. В водных местообитаниях количество кислорода, углекислого газа и других газов, растворенных в воде и потому доступных организмам, сильно варьируется во времени. В водоемах с высоким содержанием органических веществ кислород является лимитирующим фактором первостепенной важности. Несмотря на лучшую растворимость кислорода в воде по сравнению с азотом, даже в самом благоприятном случае в воде содержится меньше кислорода, чем в воздухе, примерно 1% по объему. На растворимость влияют температура воды и количество растворенных солей: при понижении температуры растворимость кислорода растет, при повышении солености — снижается. Запас кислорода в воде пополняется благодаря диффузии из воздуха и фотосинтезу водных растений. Кислород диффундирует в воду очень медленно, диффузии способствует ветер и движение воды. Как уже упоминалось, важнейшим фактором, обеспечивающим фотосинтетическую продукцию кислорода, является свет, проникающий в толщу воды. Таким образом, содержание кислорода меняется в воде в зависимости от времени суток, времени года и местоположения.
Содержание углекислого газа в воде также может сильно варьироваться, но по своему поведению углекислый газ отличается от кислорода, а его экологическая роль мало изучена. Углекислый газ хорошо растворяется в воде, кроме того, в воду поступает СО2, образующийся при дыхании и разложении, а также из почвы или подземных источников. В отличие от кислорода углекислый газ вступает в реакцию с водой:
Кислотность — концентрация водородных ионов (рН) — тесно связана с карбонатной системой. Значение рН изменяется в диапазоне от 0 до 14: при рН=7 среда нейтральная, при рН 7 — щелочная. Если кислотность не приближается к крайним значениям, то сообщества способны компенсировать изменения этого фактора — толерантность сообщества к диапазону рН весьма значительна. Кислотность может служить индикатором скорости общего метаболизма сообщества. В водах с низким рН содержится мало биогенных элементов, поэтому продуктивность здесь крайне мала.
Соленость — содержание карбонатов, сульфатов, хлоридов и т.д. — является еще одним значимым абиотическим фактором в водных объектах. В пресных водах солей мало, из них около 80 % приходится на карбонаты. Содержание минеральных веществ в мировом океане составляет в среднем 35 г/л. Организмы открытого океана обычно стеногалинны, тогда как организмы прибрежных солоноватых вод в общем эвригалинны. Концентрация солей в жидкостях тела и тканях большинства морских организмов изотонична концентрации солей в морской воде, так что здесь не возникает проблем с осморегуляцией.
Течение не только сильно влияет на концентрацию газов и питательных веществ, но и прямо действует как лимитирующий фактор. Многие речные растения и животные морфологически и физиологически особым образом приспособлены к сохранению своего положения в потоке: у них есть вполне определенные пределы толерантности к фактору течения.
Гидростатическое давление в океане имеет большое значение. С погружением в воду на 10 м давление возрастает на 1 атм (105 Па) . В самой глубокой части океана давление достигает 1000 атм (108 Па) . Многие животные способны переносить резкие колебания давления, особенно, если у них в теле нет свободного воздуха. В противном случае возможно развитие газовой эмболии. Высокие давления, характерные для больших глубин, как правило, угнетают процессы жизнедеятельности.
Рассмотрим далее эдафические факторы.
Почвой называют слой вещества, лежащий поверх горных пород земной коры. Русский ученый — естествоиспытатель Василий Васильевич Докучаев в 1870 году первым рассмотрел почву как динамическую, а не инертную среду. Он доказал, что почва постоянно изменяется и развивается, а в ее активной зоне идут химические, физические и биологические процессы. Почва формируется в результате сложного взаимодействия климата, растений, животных и микроорганизмов. Советский академик почвовед Василий Робертович Вильямс дал еще одно определение почвы — это рыхлый поверхностный горизонт суши, способный производить урожай растений. Рост растений зависит от содержания необходимых питательных веществ в почве и от ее структуры.
В состав почвы входят четыре основных структурных компонента: минеральная основа (обычно 50-60 % общего состава почвы), органическое вещество (до 10 %), воздух (15-25 %) и вода (25-30 %).
Минеральный скелет почвы — это неорганический компонент, который образовался из материнской породы в результате ее выветривания.
Свыше 50 % минерального состава почвы занимает кремнезем SiO2, от 1 до 25 % приходится на глинозем Al2О3, от 1 до 10 % — на оксиды железа Fe2О3, от 0,1 до 5 % — на оксиды магния, калия, фосфора, кальция. Минеральные элементы, образующие вещество почвенного скелета, различны по размерам: от валунов и камней до песчаных крупинок — частиц диаметром 0,02-2 мм, ила — частиц диаметром 0,002-0,02 мм и мельчайших частиц глины размером менее 0,002 мм в диаметре. Их соотношение определяет механическую структуру почвы. Она имеет большое значение для сельского хозяйства. Глины и суглинки, содержащие примерно равное количество глины и песка, обычно пригодны для роста растений, так как содержат достаточно питательных веществ и способны удерживать влагу. Песчаные почвы быстрее дренируются и теряют питательные вещества из-за выщелачивания, но их выгоднее использовать для получения ранних урожаев, так как их поверхность высыхает весной быстрее, чем у глинистых почв, что приводит к лучшему прогреванию. С увеличением каменистости почвы уменьшается ее способность удерживать воду.
Органическое вещество почвы образуется при разложении мертвых организмов, их частей и экскрементов. Не полностью разложившиеся органические остатки называются подстилкой, а конечный продукт разложения — аморфное вещество, в котором уже невозможно распознать первоначальный материал, — называется гумусом. Благодаря своим физическим и химическим свойствам гумус улучшает структуру почвы и ее аэрацию, а также повышает способность удерживать воду и питательные вещества.
Одновременно с процессом гумификации жизненно важные элементы переходят их органических соединений в неорганические, например: азот — в ионы аммония NH4+, фосфор — в ортофосфатионы H2PO4-, сера — в сульфатионы SO42-. Этот процесс называется минерализацией.
К абиотическим факторам среды обитания живых организмов относятся также факторы рельефа (топография). Влияние топографии тесно связано с другими абиотическими факторами, так как она может сильно сказываться на местном климате и развитии почвы.
Главным топографическим фактором является высота над уровнем моря. С высотой снижаются средние температуры, увеличивается суточный перепад температур, возрастают количество осадков, скорость ветра и интенсивность радиации, понижаются атмосферное давление и концентрации газов. Все эти факторы влияют на растения и животных, обуславливая вертикальную зональность.
Горные цепи могут служить климатическими барьерами. Горы служат также барьерами для распространения и миграции организмов и могут играть роль лимитирующего фактора в процессах видообразования.
Среди абиотических факторов особого внимания заслуживает огонь или пожар. В настоящее время экологи пришли к однозначному мнению, что пожар надо рассматривать как один из естественных абиотических факторов наряду с климатическими, эдафическими и другими факторами.
Источник