Особенность наземно воздушной среды обитания является. Наземно-воздушная среда жизни, ее характеристика и формы адаптации к ней. Отличия водной и наземно-воздушной среды
Сравнение основных экологических факторов, играющих лимитирующую роль в наземно-воздушной и водной средах
Составлено по: Степановских А.С.. Указ. соч. С. 176.
Большие колебания температуры во времени и пространстве, а также хорошая обеспеченность кислородом обусловили появление организмов с постоянной температурой тела (теплокровных). Для поддержания стабильности внутренней среды теплокровных организмов, населяющих наземно-воздушную среду (наземные организмы ), требуются повышенные энергетические затраты.
Жизнь в наземной среде возможна лишь при высоком уровне организации растений и животных, адаптированных к специфическим влияниям важнейших экологических факторов этой среды.
В наземно-воздушной среде действующие экологические факторы имеют ряд характерных особенностей: более высокая интенсивность света в сравнении с другими средами, значительные колебания температуры и влажности в зависимости от географического положения, сезона и времени суток.
Рассмотрим общую характеристику наземно-воздушной среды обитания.
Для газообразной среды обитания характерны низкие значения влажности, плотности и давления, высокое содержание кислорода, что определяет особенности дыхания, водообмена, передвижения и образа жизни организмов. Свойства воздушной среды влияют на строение тел наземных животных и растений, их физиологические и поведенческие особенности, а также усиливают или ослабляют действие других экологических факторов.
Газовый состав воздуха отличается относительно большим постоянством (кислород - 21 %, азот - 78 %, углекислый газ - 0,03 %) как на протяжении суток, так и в разные периоды года. Это обусловлено интенсивным перемешиванием слоев атмосферы.
Поглощение кислорода организмами из внешней среды происходит всей поверхностью тела (у простейших, червей) или специальными органами дыхания - трахеями (у насекомых), легкими (у позвоночных). У организмов, живущих в условиях постоянного недостатка кислорода, имеются соответствующие приспособления: повышенная кислородная емкость крови, более частые и глубокие дыхательные движения, большой объем легких (у обитателей высокогорья, птиц).
Одна из важнейших и преобладающих форм первостепенного биогенного элемента углерода в природе - углекислый газ (диоксид углерода). Припочвенные слои атмосферы обычно более богаты углекислым газом, чем ее слои на уровне крон деревьев, и это в определенной мере компенсирует недостаток света для мелких растений, живущих под пологом леса.
Углекислый газ поступает в атмосферу главным образом в результате естественных процессов (дыхание животных и растений. Процессы горения, извержении вулканов, деятельность почвенных микроорганизмов и грибов) и хозяйственной деятельности человека (сжигание горючих веществ в области теплоэнергетики, на промышленных предприятиях и на транспорте). Количество углекислого газа в атмосфере изменяется в течение суток и по сезонам. Суточные изменения связаны с ритмом фотосинтеза растений, а сезонные - с интенсивностью дыхания организмов, преимущественно почвенных микроорганизмов.
Низкая плотность воздуха обусловливает малую подъемную силу, в связи с чем наземные организмы имеют ограниченные размеры и массу и обладают собственной опорной системой, поддерживающей тело. У растений это разнообразные механические ткани, а у животных - твердый или (реже) гидростатический скелет. Многие виды наземных организмов (насекомые и птицы) приспособились к полету. Однако для подавляющего большинства организмов (за исключением микроорганизмов) пребывание в воздухе связано только с расселением или поиском пищи.
С плотностью воздуха также связано сравнительно низкое давление на суше. Наземно-воздушная среда обладает низким атмосферным давлением и низкой плотностью воздуха, поэтому большинство активно летающих насекомых и птиц занимают нижнюю зону - 0...1000 м. Однако отдельные обитатели воздушной среды могут постоянно жить и на высотах 4000...5000 м (орлы, кондоры).
Подвижность воздушных масс способствует быстрому перемешиванию атмосферы и равномерному распределению различных газов, например кислорода и углекислого газа, вдоль поверхности Земли. В нижних слоях атмосферы постоянно происходят вертикальные (восходящие и нисходящие) и горизонтальные перемещения воздушных масс различной силы и направления. Благодаря такой подвижности воздуха возможен пассивный полет ряда организмов: спор, пыльцы, семян и плодов растений, мелких насекомых, пауков и т. п.
Световой режим создается суммарной солнечной радиацией, достигающей земной поверхности. От световых условий конкретного местообитания зависят морфологические, физиологические и другие признаки наземных организмов.
Световые условия практически везде в наземно-воздушной среде благоприятны для организмов. Главную роль играет не само по себе освещение, а суммарная величина солнечной радиации. В тропическом поясе суммарная радиация в течение года постоянна, но в умеренных широтах длина светового дня и интенсивность солнечной радиации зависят от времени года. Большое значение имеют также прозрачность атмосферы и угол падения солнечных лучей. Из поступающей фотосинтетически активной радиации 6-10% отражается от поверхности различных насаждений (рис. 9.1). Цифрами на рисунке обозначена относительная величина солнечной радиации в процентах от суммарной величины на верхней границе растительного сообщества. При разных погодных условиях до поверхности Земли доходит 40...70 % солнечной радиации, поступающей на верхнюю границу атмосферы. Деревья, кустарники, посевы растений затеняют местность, создают особый микроклимат, ослабляя солнечную радиацию.
Рис. 9.1 . Ослабление солнечной радиации (%):
а - в редком сосновом лесу; б - в посевах кукурузы
У растений наблюдается непосредственная зависимость от интенсивности светового режима: они растут, где позволяют климатические и почвенные условия, приспосабливаясь к световым условиям данного место обитания. Все растения по отношению к уровню освещенности делятся на три группы: светолюбивые, тенелюбивые и теневыносливые. Светолюбивые и тенелюбивые растения различаются по величине экологического оптитимума освещенности (рис. 9.2).
Светолюбивые растения - растения открытых, постоянно освещаемых местообитаний, оптимум жизнедеятельности которых наблюдается в условиях, полного солнечного освещения (степные и луговые злаки, растения тундр и высокогорий, прибрежные растения, большинство культурных растений открытого грунта, многие сорняки).
Рис. 9.2 . Экологические оптимумы отношения к свету растений трех видов: 1- тенелюбивого; 2 - светолюбивого; 3 - теневыносливого
Тенелюбивые растения - растения, произрастающие только в условиях сильного затенения, которые в условиях сильной освещенности не растут. В процессе эволюции эта группа растений адаптировалась к условиям, свойственным нижним затененным ярусам сложных растительных сообществ - темнохвойных и широколиственных лесов, влажных тропических лесов и т.п. Тенелюбивость этих растений обычно сочетается с высокой потребностью в воде.
Теневыносливые растения лучше растут и развиваются при полной освещенности, однако способны адаптироваться и к условиям разного уровня затемнения.
У представителей животного мира отсутствует непосредственная зависимость от светового фактора, которая наблюдается у растений. Тем не менее свет в жизни животных играет большую роль при зрительной ориентации в пространстве.
Мощным фактором, регулирующим жизненный цикл ряда животных, служит длина светового дня (фотопериод). Реакция на фотопериод синхронизует активность организмов с временами года. Например, многие млекопитающие начинают готовиться к зимней спячке задолго до наступления холодов, а перелетные птицы улетают на юг уже и в конце лета.
Температурный режим играет гораздо большую роль в жизни обитателей суши, чем в жизни обитателей гидросферы, поскольку отличительной чертой наземно-воздушной среды является большой диапазон температурных колебаний. Температурный режим отличается значительными колебаниями во времени и пространстве и обусловливает активность протекания биохимических процессов. Биохимические и морфофизиологические приспособления растений и животных предназначены для защиты организмов от неблагоприятного воздействия колебаний температур.
Каждый вид имеет собственный диапазон наиболее благоприятных для него значений температуры, который называется температурным оптимумом вида. Разница диапазонов предпочитаемых значений температуры у разных видов очень велика. Наземные организмы обитают в более широком температурном диапазоне, чем обитатели гидросферы. Нередко ареалы эвритермных видов простираются с юга на север через несколько климатических зон. К примеру, серая жаба населяет пространство от Северной Африки до Северной Европы. К эвритермным животным относятся многие насекомые, земноводные, а из млекопитающих - лисица, волк, пума и др.
Длительно покоящиеся (латентные ) формы организмов, такие, как споры некоторых бактерий, споры и семена растений, способны выдерживать значительно отклоняющиеся от нормы значения температур. Попадая в благоприятные условия и достаточную питательную среду, эти клетки могут вновь стать активными и начать размножаться. Приостановка всех жизненных процессов организма носит название анабиоза . Из состояния анабиоза организмы могут возвратиться к нормальной активности в том случае, если не нарушена структура макромолекул в их клетках.
Температура непосредственно влияет на рост и развитие растений. Являясь организмами неподвижными, растения должны существовать при том температурном режиме, который создается в местах их произрастания. По степени адаптации к температурным условиям все виды растений можно разделить на следующие группы:
- морозоустойчивые - растения, произрастающие в областях с сезонным климатом, с холодными зимами. Во время сильных морозов надземные части деревьев и кустарников промерзают, но сохраняют жизнеспособность, накапливая в своих клетках и тканях вещества, которые связывают воду (различные сахара, спирты некоторые аминокислоты);
- неморозостойкие - растения, переносящие низкие температуры, но гибнущие как только в тканях начинает образовываться лед (некоторые вечнозеленые субтропические виды);
- нехолодостойкие - растения, которые сильно повреждаются или гибнут при температурах выше точки замерзания воды (растения дождевых тропических лесов);
- теплолюбивые - растения сухих местообитаний с сильной инсоляцией (солнечной радиацией), которые переносят получасовое нагревание до +60 °С (растения степей, саванн, сухих субтропиков);
- пирофиты - растения, устойчивые к пожарам, когда температура кратковременно повышается до сотен градусов Цельсия. Это растения саванн, сухих жестколистных лесов. Они имеют толстую кору, пропитанную огнеупорными веществами, надежно защищающую внутренние ткани. Плоды и семена пирофитов имеют толстые, одревесневшие покровы, которые растрескиваются при пожаре, что помогает семенам попасть в почву.
По сравнению с растениями животные обладают более разнообразными возможностями регулировать (постоянно или временно) температуру собственного тела. Одно из важных приспособлений животных (млекопитающих и птиц) к температурным колебаниям - это способность к терморегуляции организма, их теплокровность, благодаря чему высшие животные относительно независимы от температурных условий окружающей среды.
В мире животных наблюдается связь размеров и пропорции тела организмов с климатическими условиями их обитания. В пределах вида или однородной группы близких видов животные с более крупными размерами тела распространены в более холодных областях. Чем крупнее животное, тем легче ему поддерживать постоянную температуру. Так, среди представителей пингвинов самый мелкий пингвин - пингвин галапагосский - обитает в экваториальных районах, а самый крупный - пингвин императорский - в материковой зоне Антарктиды.
Влажность становится важным лимитирующим фактором на суше, так как дефицит влаги - одна из наиболее существенных особенностей наземно-воздушной среды. Наземные организмы постоянно сталкиваются с проблемой потери воды и нуждаются в ее периодическом поступлении. В процессе эволюции наземных организмов вырабатывались характерные приспособления к добыванию и сохранению влаги.
Режим влажности характеризуют осадки, влажность почвы и воздуха. Дефицит влаги - одна из наиболее существенных особенностей наземно-воздушной среды жизни. С экологической точки зрения вода служит лимитирующим фактором в наземных местообитаниях, так как ее количество подвержено сильным колебаниям. Режимы влажности среды на суше разнообразны: от полного и постоянного насыщения воздуха водяными парами (тропический пояс) до практически полного отсутствия влаги в сухом воздухе пустынь.
Главным источником воды для растительных организмов служит почва.
Помимо поглощения почвенной влаги корнями растения также способны поглощать воду, выпадающую в виде небольших дождей, туманов, парообразную влагу воздуха.
Большую часть поглощенной воды растительные организмы теряют в результате транспирации, т. е. испарения воды с поверхности растений. Растения защищаются от обезвоживания, либо запасая воду и препятствуя испарению (кактусы), либо увеличивая долю подземных частей (корневых систем) в общем объеме растительного организма. По степени адаптации к тем или иным условиям влажности все растения подразделяются на группы:
- гидрофиты - наземно-водные растения, произрастающие и свободно плавающие в водной среде (тростник по берегам водоемов, калужница болотная и другие растения на болотах);
- гигрофиты - наземные растения в районах с постоянно высокой влажностью (обитатели тропических лесов - эпифитные папоротники, орхидеи и др.)
- ксерофиты - наземные растения, приспособившиеся к значительным сезонным колебаниям содержания влаги в почве и воздухе (обитатели степей, полупустынь и пустынь - саксаул, верблюжья колючка);
- мезофиты - растения, занимающие промежуточное положение между гигрофитами и ксерофитами. Наиболее распространены мезофиты в умеренно влажных зонах (береза, рябина, многие луговые и лесные травы и др.).
Погодные и климатические особенности характеризуются суточными, сезонными и многолетними колебаниями температуры, влажности воздуха, облачности, осадков, силы и направления ветра и т.д. что определяет разнообразие условий жизни обитателей наземной среды. Климатические особенности зависят от географических условий района, однако часто более важен микроклимат непосредственного местообитания организмов.
В наземно-воздушной среде условия жизни осложняются существованием погодных изменений . Погода - это непрерывно меняющееся состояние нижних слоев атмосферы примерно до высоты 20 км (граница тропосферы). Изменчивость погоды - это постоянное изменение таких факторов среды, как температура и влажность воздуха, облачность, осадки, сила и направление ветра и т. д.
Многолетний режим погоды характеризует климат местности . В понятие климата входят не только среднемесячные и среднегодовые значения метеорологических параметров (температура воздуха, влажность, суммарная солнечная радиация и т. д.), но и закономерности их суточных, месячных и годовых изменений, а также их повторяемость. Основные климатические факторы - это температура и влажность. Следует отметить, что растительность оказывает значительное влияние на уровень значений климатических факторов. Так, под пологом леса влажность воздуха всегда выше, а колебания температуры меньше, чем на открытой местности. Различается и световой режим этих мест.
Почва служит твердой опорой для организмов, которую не может им обеспечить воздух. Кроме того, корневая система поставляет растениям водные растворы необходимых минеральных соединений из почвы. Важное значение для организмов имеют химические и физические свойства почвы.
Рельеф местности создает разнообразие условий жизни для наземных организмов, определяя микроклимат и ограничивая свободное перемещение организмов.
Влияние почвенно-климатических условий на организмы привело к образованию характерных природных зон - биомов . Так называют наиболее крупные наземные экосистемы, соответствующие основным климатическим зонам Земли. Особенности больших биомов определяются в первую очередь группировкой входящих в них растительных организмов. Каждой из физико-географических зон присущи определенные соотношения тепла и влаги, водный и световой режим, тип почв, группировки животных (фауна) и растений (флора). Географическое распределение биомов носит широтный характер и связано с изменением климатических факторов (температура и влажность) от экватора к полюсам. При этом наблюдается определенная симметрия в распределении различных биомов обоих полушарий. Основные биомы Земли: тропический лес, тропическая саванна, пустыня, степь умеренной зоны, листопадный лес умеренной зоны, хвойный лес (тайга), тундра, арктическая пустыня.
Почвенная среда жизни . Среди рассматриваемых нами четырех сред жизни почва выделяется тесной связью живого и неживого компонентов биосферы. Почва - это не только среда обитания организмов, но и продукт их жизнедеятельности. Можно считать, что почва возникла в результате совместного действия климатических факторов и организмов, особенно растений, на материнскую породу, т. е. на минеральные вещества верхнею слоя земной коры (песок, глину, камни и пр.).
Итак, почвой называют слой вещества, лежащий поверх горных пород, состоящий из исходного материала - подстилающего минерального субстрата - и органической добавки, в которой организмы и продукты их жизнедеятельности перемешаны с мелкими частицами измененного исходного материала. Структура и пористость почвы во многом определяют доступность питательных веществ растениям и почвенным животным.
В состав почвы входят четыре важных структурных компонента:
Минеральная основа (50...60 % общего состава почвы);
Органическое вещество (до 10 %);
Воздух (15...25%);
Вода (25...35%).
Органическое вещество почвы, которое образуется при разложении мертвых организмов или их частей (например, опавших листьев), называется гумусом , который образует верхний плодородный слой почвы. Важнейшее свойство почвы - плодородие - зависит от мощности гумусового слоя.
Каждому типу почв соответствуют определенный животный мир и определенная растительность. Совокупность почвенных организмов обеспечивает непрерывный круговорот веществ в почве, в том числе образование гумуса.
Почвенная среда обитания имеет свойства, сближающие ее с водной и наземно-воздушной средами. Как и в водной среде, в почвах невелики колебания температуры. Амплитуды ее значений быстро затухают с увеличением глубины. При избытке влаги или_ углекислоты повышается вероятность дефицита кислорода. Сходство с наземно-воздушной средой обитания проявляется через наличие пор, заполненных воздухом. К специфическим свойствам, присущим только почве, относится высокая плотность. Большую роль в образовании почвы играют организмы и продукты их жизнедеятельности. Почва наиболее насыщенная живыми организмами часть биосферы.
В почвенной среде лимитирующими факторами обычно являются недостаток тепла и недостаток или избыток влаги. Лимитирующими факторами могут быть также и недостаток кислорода или избыток углекислоты. Жизнь многих почвенных организмов тесно связана с их размерами. Одни свободно передвигаются в почве, другим необходимо разрыхлять ее для движения и поиска пищи.
Контрольные вопросы и задания
1.В чем особенность наземно-воздушной среды как экологического пространства?
2. Какими приспособлениями для жизни на суше обладают организмы?
3. Назовите экологические факторы, наиболее значимые для
наземных организмов.
4. Охарактеризуйте особенности почвенной среды обитания.
Наземно-воздушная среда обитания является значительно более сложной по своим экологическим условиям, чем водная среда. Для жизни на суше, как растениям, так и животным, потребовалось выработать целый комплекс принципиально новых адаптационных приспособлений.
Плотность воздуха в 800 раз меньше чем плотность воды, поэтому жизнь во взвешенном состоянии в воздухе практически невозможна. Только бактерии, споры грибов и пыльца растений регулярно присутствуют в воздухе, и способны переносится на значительные расстояния воздушными течениями, однако у всех главная функция жизненного цикла – размножение осуществляется на поверхности земли, где имеются питательные вещества. Обитатели суши вынуждены обладать развитой опорной системой,
поддерживающей тело. У растений это разнообразные механические ткани, животные обладают сложным костным скелетом. Малая плотность воздуха определяет низкую сопротивляемость передвижению. Поэтому многие наземные животные смогли использовать в ходе своей эволюции экологические выгоды данной особенности воздушной среды и приобрели способность к кратковременному или длительному полёту. Возможностью перемещаться в воздухе обладают не только птицы и насекомые, но даже отдельные млекопитающие и рептилии. В целом, активно летать или планировать за счёт воздушных течений могут не менее 60 % видов наземных животных.
Жизнь многих растений во многом зависит от движения воздушных потоков, так как именно ветром разносится их пыльца и происходит опыление. Такой способ опыления называется анемофилией . Анемофилия свойственна для всех голосеменных растений, а среди покрытосеменных, ветроопыляемые составляют не менее 10 % от общего количества видов. Для многих видов свойственна анемохория – расселение с помощью воздушных потоков. При этом перемещаются не половые клетки, а зародыши организмов и молодые особи – семена и мелкие плоды растений, личинки насекомых, мелкие пауки и др. Анемохорные семена и плоды растений обладают либо очень маленькими размерами (например семена орхидей), либо различными крыловидными и парашютовидными придатками, благодаря которым возрастает способность к планированию. Пассивно переносимые ветром организмы получили собирательное название аэропланктона по аналогии с планктонными обитателями водной среды.
Малая плотность воздуха обуславливает очень низкое давление на суше, по сравнению с водной средой. На уровне моря оно составляет 760 мм рт. ст. По мере возрастания высоты, давление уменьшается и на высоте примерно 6000 м составляет только половину от той величины, которая обычно наблюдается у поверхности Земли. Для большинства позвоночных животных и растений это верхняя граница распространения. Низкое давление в горах приводит к уменьшению обеспеченности кислородом и обезвоживанию животных за счёт увеличения частоты дыхания. В целом, подавляющее большинство наземных организмов в гораздо большей степени чувствительны к изменению давления, чем водные обитатели, так как обычно колебания давления в наземной среде не превышают десятые доли атмосферы. Даже крупные птицы, способные подниматься на высоты более 2 км попадают в условия, в которых давление не более чем на 30 % отличается от приземного.
Кроме физических свойств воздушной среды, для жизни наземных организмов весьма важны также её химические особенности. Газовый состав воздуха в приземном слое атмосферы повсеместно однороден, за счёт постоянного перемешивания воздушных масс конвекционными и ветровыми потоками. На современном этапе эволюции атмосферы Земли, в составе воздуха преобладает азот (78 %) и кислород (21 %), далее следуют инертный газ аргон (0.9 %) и углекислый газ (0.035 %). Более высокое содержание кислорода в наземно-воздушной среде обитания, по сравнению с водной средой, способствует возрастанию у наземных животных уровня обмена веществ. Именно в наземной среде возникли физиологические механизмы, на основе высокой энергетической эффективности окислительных процессов в организме, обеспечивающие млекопитающим и птицам возможность поддерживать на постоянном уровне температуру своего тела и двигательную активность, что дало им возможность обитать те только в тёплых, но и в холодных регионах Земли. В настоящее время кислород, по причине своего высокого содержания в атмосфере, не принадлежит к числу факторов ограничивающих жизнь в наземной среде. Однако в почве при определённых условиях может возникнуть его дефицит.
Концентрация углекислого газа может изменяться в приземном слое в достаточно значительных пределах. Например, при отсутствии ветра в крупных городах и промышленных центрах содержание этого газа может в десятки раз превышать концентрацию в естественных ненарушенных биоценозах, за счёт его интенсивно выделения при сжигании органического топлива. Повышенные концентрации углекислого газа могут возникать также в зонах вулканической активности. Высокие концентрации СО 2 (более 1 %) токсичны для животных и растений, однако низкое содержание этого газа (менее 0.03 %) тормозит процесс фотосинтеза. Основным природным источником СО 2 является дыхание почвенных организмов. Углекислый газ поступает из почвы в атмосферу, причём особенно интенсивно его выделяют умеренно влажные, хорошо прогреваемые почвы со значительным количеством органического материала. Например, почвы букового широколиственного леса выделяют от 15 до 22 кг/га углекислоты в час, песные песчаные почвы – не более 2 кг/га. Наблюдаются суточные изменения в содержании углекислого газа и кислорода в приземных слоях воздуха, обусловленные ритмом дыхания животных и фотосинтеза растений.
Азот, представляющий собой основной компонент воздушной смеси, для большинства обитателей наземно-воздушной среды является недоступным к непосредственному усвоению в силу своих инертных свойств. Только некоторые прокариотические организмы, среди которых клубеньковые бактерии и сине-зеленые водоросли обладают способностью поглощать азот из воздуха и вовлекать его в биологический круговорот веществ.
Важнейшим экологическим фактором в наземных местообитаниях является солнечный свет. Всем живым организмам для своего существования необходима энергия, поступающая из вне. Основным её источником является солнечный свет, на долю которого приходится 99.9 % в общем балансе энергии на поверхности Земли, а 0.1 % – это энергия глубинных слоёв нашей планеты, роль которой достаточна высока только в отдельных районах интенсивной вулканической деятельности, например в Исландии или на Камчатке в Долине гейзеров. Если принять солнечную энергию достигающую поверхности атмосферы Земли за 100 %, то около 34 % отражается обратно в Космическое пространство, 19 % поглощается при прохождении через атмосферу, и только 47 % достигает наземно-воздушных и водных экосистем в виде прямой и рассеянной лучистой энергии. Прямая солнечная радиация – это электромагнитное излучение с длинами волн от 0.1 до 30.000 нм. Доля рассеянной радиации в виде отражённых от облаков и поверхности Земли лучей возрастает с уменьшением высоты стояния Солнца над горизонтом и при возрастании содержания в атмосфере частиц пыли. Характер воздействия солнечных лучей на живые организмы зависит от их спектрального состава.
Ультрафиолетовые коротковолновые лучи с длинами волн менее 290 нм губительны для всего живого, т.к. обладают способностью ионизировать, расщеплять цитоплазму живых клеток. Эти опасные лучи на 80 – 90 % поглощаются озоновым слоем, расположенным на высотах от 20 до 25 км. Озоновый слой, представляющий собой совокупность молекул О 3 , образуется в результате ионизации молекул кислорода и является, таким образом, продуктом фотосинтетической деятельности растений в глобальном масштабе. Это своеобразный ""зонтик"" прикрывающий наземные сообщества от губительного ультрафиолета. Предполагается, что он возник около 400 млн. лет назад, за счёт выделения кислорода при фотосинтезе океанических водорослей, что дало возможность развиваться жизни на суше. Длинноволновые ультрафиолетовые лучи с длиной волн от 290 до 380 нм также обладают высокой химической активностью. Длительное и интенсивное их воздействие наносит вред организмам, но малые дозы многим из них необходимы. Лучи с длинами волн около 300 нм вызывают образование витамина D у животных, с длинами от 380 до 400 нм – приводят к появлению загара как защитной реакции кожи. В область видимых солнечных лучей, т.е. воспринимаемых человеческим глазом, входят лучи с длинами волн от 320 до 760 нм. В пределах видимой части спектра находится зона фотосинтетически активных лучей – от 380 до 710 нм. Именно в данном диапазоне световых волн осуществляется процесс фотосинтеза.
Свет и его энергия, во многом определяющая температуру среды конкретного местообитания, влияют на газообмен и испарение воды листьями растений, стимулирует работу ферментов синтеза белков и нуклеиновых кислот. Растениям свет необходим для образования пигмента хлорофилла, формирования структуры хлоропластов, т.е. структур ответственных за фотосинтез. Под влиянием света происходит деление и рост клеток растений, их цветение и плодоношение. Наконец, от интенсивности света в конкретном местообитании зависит распространение и численность определённых видов растений, а, следовательно, и структура биоценоза. При низкой освещённости, например под пологом широколиственного или елового леса, или в утренние и вечерние часы, свет становится важным лимитирующим фактором, способным ограничивать фотосинтез. В ясный летний день на открытом местообитании или в верхней части кроны деревьев в умеренных и низких широтах освещённость может достигать 100.000 люкс, тогда как для успеха протекания фотосинтеза достаточно и 10.000 люкс. При очень большой освещённости начинается процесс обесцвечивания и разрушения хлорофилла, что существенно замедляет выработку первичного органического вещества в процессе фотосинтеза.
Как известно, в результате фотосинтеза поглощается углекислый газ и выделяется кислород. Однако в процессе дыхания растения днём, и в особенности ночью, кислород поглощается, а CO 2 , наоборот, выделяется. Если постепенно увеличивать интенсивность света, то соответственно будет возрастать и скорость фотосинтеза. Со временем наступит такой момент, когда фотосинтез и дыхание растения будут точно уравновешивать друг друга и выработка чистого биологического вещества, т.е. не потреблённого самим растением в процессе окисления и дыхания для своих нужд, прекратиться. Данное состояние, при котором суммарный газообмен CO 2 и O 2 равен 0 называется точкой компенсации .
Вода – это одно из абсолютно необходимых веществ для успешного течения процесса фотосинтеза и её недостаток отрицательно сказывается на течении множества клеточных процессов. Даже недостаток влаги в почве в течение нескольких дней может привести к серьёзным потёрям в урожае, т.к. в листьях растений начинает накапливаться вещество препятствующее росту тканей – абсцизовая кислота.
Оптимальной для фотосинтеза большинства растений умеренного пояса является температура воздуха около 25 ºС. При более высоких температурах скорость фотосинтеза замедляется в связи с ростом затрат на дыхание, потерей влаги в процессе испарения для охлаждения растения и уменьшением потребления CO 2 в связи со снижением газообмена.
У растений возникают различные морфологические и физиологические адаптации к световому режиму наземно-воздушной среды обитания. По требованиям к уровню освещения все растения принято делить на следующие экологические группы.
Светолюбивые или гелиофиты – растения открытых, постоянно хорошо освещаемых местообитаний. Листья гелиофитов обычно мелкие или с рассечённой листовой пластинкой, с толстой наружной стенкой клеток эпидермиса, нередко с восковым налётом для частичного отражения избыточной световой энергии или с густым опушением позволяющим эффективно рассеивать тепло, с большим количеством микроскопических отверстий – устьиц, с помощью которых происходит газо- и влагообмен со средой, с хорошо развиты механическими тканями и тканями способными запасать воду. Листья некоторых растений из данной группы обладают фотометричностью, т.е. способны менять своё положение в зависимости от высоты Солнца. В полдень листья располагаются ребром к светилу, а утром и вечером – параллейно к его лучам, что предохраняет их от перегрева и позволяет использовать свет и солнечную энергию в необходимой мере. Гелиофиты входят в состав сообществ практически всех природных зон, но наибольшее их количество встречается в экваториальной и тропической зоне. Это растения дождевых тропических лесов верхнего яруса, растения саванн Западной Африки, степей Ставрополья и Казахстана. Например, к ним принадлежат кукуруза, просо, сорго, пшеница, гвоздичные, молочайные.
Тенелюбивые или сциофиты – растения нижних ярусов леса, глубоких оврагов. Они способны обитать в условиях значительного затенения, которое для них является нормой. Листья сциофитов располагаются горизонтально, обычно они имеют тёмно-зелёный цвет и более крупные размеры, по сравнению с гелиофитами. Клетки эпидермиса крупные, но с более тонкими наружными стенками. Хлоропласты крупные, но число их в клетках невелико. Число устьиц на единицу площади меньше чем у гелиофитов. К тенелюбивым растениям умеренной климатического пояса принадлежат мхи, плауны, травы из семейства имбирные, кислица обыкновенная, майник двулистный и др. Также к ним относятся многие растения нижнего яруса тропической зоны. Мхи как растения самого низкого лесного яруса, могут жить при освещённости до 0.2 % от общей на поверхности лесного биоценоза, плауны – до 0.5 %, а цветковые могут нормально развиваться только при освещенности не менее 1 % от общей. У сциофитов с меньшей интенсивностью протекают процессы дыхания и влагообмена. Интенсивность фотосинтеза быстро достигает максимума, но при значительном освещении начинает снижаться. Компенсационная точка располагается в условиях пониженной освещённости.
Теневыносливые растения могут переносить значительное затенение, но хорошо растут и на свету, адаптированы к значительной сезонной динамике освещённости. К этой группе принадлежат луговые растения, лесные травы и кустарники, растущие в затенённых участках. На интенсивно освещаемых участках они растут быстрее, но вполне нормально развиваются и при умеренном освещении.
Отношение к световому режиму меняется у растений на протяжении их индивидуального развития – онтогенеза. Проростки и молодые растения многих луговых трав и деревьев являются более теневыносливыми, чем взрослые особи.
В жизни животных видимая часть светового спектра также играет довольно важную роль. Свет для животных – это необходимое условие зрительной ориентации в пространстве. Примитивные глазки многих беспозвоночных представляют собой просто отдельные светочувствительные клетки, позволяющие воспринимать некоторые колебания освещённости, чередование света и тени. Пауки могут различать контуры движущихся предметов на расстоянии не более 2 см. Гремучие змеи способны видеть инфракрасную часть спектра и в состоянии охотиться в полной темноте, ориентируясь на тепловые лучи жертвы. У пчёл видимая часть спектра сдвинута в более коротковолновую область. Они воспринимают как цветные значительную часть ультрафиолетовых лучей, но не различают красных. Способность к восприятию цветовой гаммы зависит от того, при каком спектральном составе активен данный вид. Большинство млекопитающих ведущих сумеречный или ночной образ жизни плохо различают цвета и видят мир в чёрно-белых тонах (представители семейств собачьи и кошачьи, хомяки и др.). Жизнь в сумерках приводит к увеличению размеров глаз. Огромные глаза, способные улавливать ничтожные доли света, свойственны ведущим ночной образ жизни лемурам, долгопятам, совам. Наиболее совершенными органами зрения обладают головоногие моллюски и высшие позвоночные. Они могут адекватно воспринимать форму и размеры предметов, их цвет, определять расстояние до объектов. Самое совершенное объёмное бинокулярное зрение характерно для человека, приматов, хищных птиц – сов, соколов, орлов, грифов.
Положение Солнца является важным фактором навигации различных животным в период дальних миграций.
Условия обитания в наземно-воздушной среде осложнены погодными и климатическими изменениями. Погода – это непрерывно меняющееся состояние атмосферы около земной поверхности до высоты примерно 20 км (верхняя граница тропосферы). Изменчивость погоды проявляется в постоянных колебаниях значений важнейших факторов среды, таких как температура и влажность воздуха, количество жидкой воды выпадающей на поверхность почвы за счёт атмосферных осадков, степень освещённости, скорость ветрового потока и др. Для погодных характеристик свойственны не только достаточно очевидные сезонные изменения, но и непериодические случайные колебания в течение относительно коротких промежутков времени, а также и в суточном цикле, что в особенности негативно сказывающиеся на жизни обитателей суши, так как к этим колебаниям чрезвычайно трудно выработать эффективные адаптации. На жизнь обитателей крупных водоёмов суши и морей погода влияет в значительно меньшей степени, затрагивая только поверхностные биоценозы.
Многолетний режим погоды характеризует климат местности. В понятие климата входят не только осреднённые за длительный временной интервал значения важнейших метеорологических характеристик и явлений, но и их годовой ход, а также вероятность отклонения от нормы. Климат зависит, прежде всего, от географических условий региона – широты местности, высоты над уровнем моря, близостью к Океану и др. Зональное разнообразие климатов зависит также от влияния муссонных ветров, несущих теплые влажные воздушные массы с тропических морей на континенты, от траекторий движения циклонов и антициклонов, от влияния горных массивов на движение воздушных масс, и от многих других причин, создающих чрезвычайное разнообразие условий жизни на суше. Для большинства наземных организмов, в особенности для растений и мелких осёдлых животных, важны не столько крупномасштабные особенности климата той природной зоны, в которой они живут, а те условия, которые создаются в их непосредственном местообитании. Такие локальные модификации климата, создающиеся под влиянием многочисленных явлений имеющих локальное распространение, называют микроклиматом . Широко известны различия между температурой и влажностью лесных и луговых местообитаний, на северных и южных склонах холмов. Устойчивый микроклимат возникает в гнездах, дуплах, пещерах и норах. Например в снежной берлоге белого медведя, к моменту появления детёныша, температура воздуха может на 50 °С превышать температуру окружающей среды.
Для наземно-воздушной среды, свойственны значительно большие колебания температуры в суточном и сезонном цикле, чем для водной. На обширных пространствах умеренных широт Евразии и Северной Америки, находящихся на значительном отдалёнии от Океана, амплитуда температуры в годовом ходе может достигать 60 и даже 100 °С, за счёт очень холодной зимы и жаркого лета. Поэтому основу флоры и фауны в большинстве континентальных районов составляют эвритермные организмы.
Литература
Основная – Т.1 – с. 268 – 299; – c. 111 – 121; Дополнительная ; .
Вопросы для самопроверки:
1. В чём состоят основные физические отличия наземно-воздушной среды обитания
от водной?
2. От каких процессов зависит содержание углекислого газа в приземном слое атмосферы
и в чём состоит его роль в жизни растений?
3. В каком диапазоне лучей светового спектра осуществляется фотосинтез?
4. Каково значение озонового слоя для обитателей суши, как он возник?
5. От каких факторов зависит интенсивность фотосинтеза растений?
6. Что такое точка компенсации?
7. В чём состоят характерные особенности растений-гелиофитов?
8. В чём состоят характерные особенности растений-сциофитов?
9. Какова роль солнечного света в жизни животных?
10. Что такое микроклимат и как он формируется?
Наземно-воздушная среда – самая сложная по экологическим условиям. Жизнь на суше потребовала таких приспособлений, которые оказались возможными лишь при достаточно высоком уровне организации растений и животных.
4.2.1. Воздух как экологический фактор для наземных организмов
Низкая плотность воздуха определяет его малую подъемную силу и незначительную спорность. Обитатели воздушной среды должны обладать собственной опорной системой, поддерживающей тело: растения – разнообразными механическими тканями, животные – твердым или, значительно реже, гидростатическим скелетом. Кроме того, все обитатели воздушной среды тесно связаны с поверхностью земли, которая служит им для прикрепления и опоры. Жизнь во взвешенном состоянии в воздухе невозможна.
Правда, множество микроорганизмов и животных, споры, семена, плоды и пыльца растений регулярно присутствуют в воздухе и разносятся воздушными течениями (рис. 43), многие животные способны к активному полету, однако у всех этих видов основная функция их жизненного цикла – размножение – осуществляется на поверхности земли. Для большинства из них пребывание в воздухе связано только с расселением или поиском добычи.
Рис. 43. Распределение членистоногих воздушного планктона по высоте (по Дажо, 1975)
Малая плотность воздуха обусловливает низкую сопротивляемость передвижению. Поэтому многие наземные животные использовали в ходе эволюции экологические выгоды этого свойства воздушной среды, приобретя способность к полету. К активному полету способны 75 % видов всех наземных животных, преимущественно насекомые и птицы, но встречаются летуны и среди млекопитающих и рептилий. Летают наземные животные в основном с помощью мускульных усилий, но некоторые могут и планировать за счет воздушных течений.
Благодаря подвижности воздуха, существующим в нижних слоях атмосферы вертикальным и горизонтальным передвижениям воздушных масс возможен пассивный полет ряда организмов.
Анемофилия – древнейший способ опыления растений. Ветром опыляются все голосеменные, а среди покрытосеменных анемофильные растения составляют примерно 10 % всех видов.
Анемофилия наблюдается в семействах буковых, березовых, ореховых, вязовых, коноплевых, крапивных, казуариновых, маревых, осоковых, злаков, пальм и во многих других. Ветроопыляемые растения имеют целый ряд приспособлений, улучшающих аэродинамические свойства их пыльцы, а также морфологические и биологические особенности, обеспечивающие эффективность опыления.
Жизнь многих растений полностью зависит от ветра, и расселение совершается с его помощью. Такая двойная зависимость наблюдается у елей, сосен, тополей, берез, вязов, ясеней, пушиц, рогозов, саксаулов, джузгунов и др.
У многих видов развита анемохория – расселение с помощью воздушных потоков. Анемохория характерна для спор, семян и плодов растений, цист простейших, мелких насекомых, пауков и т. п. Пассивно переносимые потоками воздуха организмы получили в совокупности названиеаэропланктона по аналогии с планктонными обитателями водной среды. Специальные адаптации для пассивного полета – очень мелкие размеры тела, увеличение его площади за счет выростов, сильного расчленения, большой относительной поверхности крыльев, использование паутины и т. п. (рис. 44). Анемохорные семена и плоды растений обладают также либо очень мелкими размерами (например, семена орхидей), либо разнообразными крыловидными и парашютовидными придатками, увеличивающими их способность к планированию (рис. 45).
Рис. 44. Приспособления к переносу воздушными потоками у насекомых:
1 – комарик Cardiocrepis brevirostris;
2 – галлица Porrycordila sp.;
3 – перепончатокрылое Anargus fuscus;
4 – хермес Dreyfusia nordmannianae;
5 – личинка непарного шелкопряда Lymantria dispar
Рис. 45. Приспособления к переносу ветром у плодов и семян растений:
1 – липа Tilia intermedia;
2 – клен Acer monspessulanum;
3 – береза Betula pendula;
4 – пушица Eriophorum;
5 – одуванчик Taraxacum officinale;
6 – рогоз Typha scuttbeworhii
В расселении микроорганизмов, животных и растений основную роль играют вертикальные конвекционные потоки воздуха и слабые ветры. Сильные ветры, бури и ураганы также оказывают существенное экологическое воздействие на наземные организмы.
Малая плотность воздуха обусловливает сравнительно низкое давление на суше. В норме оно равно 760 мм рт. ст. С увеличением высоты над уровнем моря давление уменьшается. На высоте 5800 м оно равняется лишь половине нормального. Низкое давление может ограничивать распространение видов в горах. Для большинства позвоночных верхняя граница жизни около 6000 м. Снижение давления влечет за собой уменьшение обеспеченности кислородом и обезвоживание животных за счет увеличения частоты дыхания. Примерно таковы же пределы продвижения в горы высших растений. Несколько более выносливы членистоногие (ногохвостки, клещи, пауки), которые могут встречаться на ледниках, выше границы растительности.
В целом все наземные организмы гораздо более стенобатны, чем водные, так как обычные колебания давления в окружающей их среде составляют доли атмосферы и даже для поднимающихся на большую высоту птиц не превышают 1 / 3 нормального.
Газовый состав воздуха. Кроме физических свойств воздушной среды, для существования наземных организмов чрезвычайно важны ее химические особенности. Газовый состав воздуха в приземном слое атмосферы довольно однороден в отношении содержания главных компонентов (азот – 78,1 %, кислород – 21,0, аргон – 0,9, углекислый газ – 0,035 % по объему) благодаря высокой диффузионной способности газов и постоянному перемешиванию конвекционными и ветровыми потоками. Однако различные примеси газообразных, капельно-жидких и твердых (пылевых) частиц, попадающих в атмосферу из локальных источников, могут иметь существенное экологическое значение.
Высокое содержание кислорода способствовало повышению обмена веществ у наземных организмов по сравнению с первично-водными. Именно в наземной обстановке, на базе высокой эффективности окислительных процессов в организме, возникла гомойотермия животных. Кислород, из-за постоянно высокого его содержания в воздухе, не является фактором, лимитирующим жизнь в наземной среде. Лишь местами, в специфических условиях, создается временный его дефицит, например в скоплениях разлагающихся растительных остатков, запасах зерна, муки и т. п.
Содержание углекислого газа может изменяться в отдельных участках приземного слоя воздуха в довольно значительных пределах. Например, при отсутствии ветра в центре больших городов концентрация его возрастает в десятки раз. Закономерны суточные изменения содержания углекислоты в приземных слоях, связанные с ритмом фотосинтеза растений. Сезонные обусловлены изменениями интенсивности дыхания живых организмов, преимущественно микроскопического населения почв. Повышенное насыщение воздуха углекислым газом возникает в зонах вулканической активности, возле термальных источников и других подземных выходов этого газа. В высоких концентрациях углекислый газ токсичен. В природе такие концентрации встречаются редко.
В природе основным источником углекислоты является так называемое почвенное дыхание. Почвенные микроорганизмы и животные дышат очень интенсивно. Углекислый газ диффундирует из почвы в атмосферу, особенно энергично во время дождя. Много его выделяют почвы умеренно влажные, хорошо прогреваемые, богатые органическими остатками. Например, почва букового леса выделяет СО 2 от 15 до 22 кг/га в час, а неудобренная песчаная всего 2 кг/га.
В современных условиях мощным источником поступления дополнительных количеств СО 2 в атмосферу стала деятельность человека по сжиганию ископаемых запасов топлива.
Азот воздуха для большинства обитателей наземной среды представляет инертный газ, но ряд прокариотических организмов (клубеньковые бактерии, азотобактер, клостридии, сине-зеленые водоросли и др.) обладает способностью связывать его и вовлекать в биологический круговорот.
Рис. 46. Склон горы с уничтоженной растительностью из-за выбросов сернистого газа окрестными промышленными предприятиями
Местные примеси, поступающие в воздух, также могут существенно влиять на живые организмы. Это особенно относится к ядовитым газообразным веществам – метану, оксиду серы, оксиду углерода, оксиду азота, сероводороду, соединениям хлора, а также к частицам пыли, сажи и т. п., засоряющим воздух в промышленных районах. Основной современный источник химического и физического загрязнения атмосферы антропогенный: работа различных промышленных предприятий и транспорта, эрозия почв и т. п. Оксид серы (SО 2), например, ядовит для растений даже в концентрациях от одной пятидесятитысячной до одной миллионной от объема воздуха. Вокруг промышленных центров, загрязняющих атмосферу этим газом, погибает почти вся растительность (рис. 46). Некоторые виды растений особо чувствительны к SО 2 и служат чутким индикатором его накопления в воздухе. Например, многие лишайники погибают даже при следах оксида серы в окружающей атмосфере. Присутствие их в лесах вокруг крупных городов свидетельствует о высокой чистоте воздуха. Устойчивость растений к примесям в воздушной среде учитывают при подборе видов для озеленения населенных пунктов. Чувствительны к задымлению, например, обыкновенная ель и сосна, клен, липа, береза. Наиболее устойчивы туя, тополь канадский, клен американский, бузина и некоторые другие.
4.2.2. Почва и рельеф. Погодные и климатические особенности наземно-воздушной среды
Эдафические факторы среды. Свойства грунта и рельеф местности также влияют на условия жизни наземных организмов, в первую очередь растений. Свойства земной поверхности, оказывающие экологическое воздействие на ее обитателей, объединяют названиемэдафические факторы среды (от греч. «эдафос» – основание, почва).
Характер корневой системы растений зависит от гидротермического режима, аэрации, сложения, состава и структуры почвы. Например, корневые системы древесных пород (березы, лиственницы) в районах с многолетней мерзлотой располагаются на небольшой глубине и распростерты вширь. Там, где нет многолетней мерзлоты, корневые системы этих же растений менее распростерты и проникают вглубь. У многих степных растений корни могут доставать воду с большой глубины, в то же время у них много и поверхностных корней в гумусированном горизонте почвы, откуда растения поглощают элементы минерального питания. На переувлажненной, плохо аэрированной почве в мангровых зарослях многие виды имеют специальные дыхательные корни – пневматофоры.
Можно выделить целый ряд экологических групп растений по отношению к разным свойствам почв.
Так, по реакции на кислотность почвы различают: 1) ацидофильные виды – растут на кислых почвах с рН менее 6,7 (растения сфагновых болот, белоус); 2)нейтрофильные – тяготеют к почвам с рН 6,7–7,0 (большинство культурных растений); 3)базифильные – растут при рН более 7,0 (мордовник, лесная ветреница); 4)индифферентные – могут произрастать на почвах с разным значением рН (ландыш, овсяница овечья).
По отношению к валовому составу почвы различают: 1) олиготрофные растения, довольствующиеся малым количеством зольных элементов (сосна обыкновенная); 2)эвтрофные, нуждающиеся в большом количестве зольных элементов (дуб, сныть обыкновенная, пролесник многолетний); 3)мезотрофные, требующие умеренного количества зольных элементов (ель обыкновенная).
Нитрофилы – растения, предпочитающие почвы, богатые азотом (крапива двудомная).
Растения засоленных почв составляют группу галофитов (солерос, сарсазан, кокпек).
Некоторые виды растений приурочены к разным субстратам: петрофиты растут на каменистых почвах, апсаммофиты заселяют сыпучие пески.
Рельеф местности и характер грунта влияют на специфику передвижения животных. Например, копытные, страусы, дрофы, живущие на открытых пространствах, нуждаются в твердом грунте для усиления отталкивания при быстром беге. У ящериц, обитающих на сыпучих песках, пальцы окаймлены бахромкой из роговых чешуй, которая увеличивает поверхность опоры (рис. 47). Для наземных обитателей, роющих норы, плотные грунты неблагоприятны. Характер почвы в ряде случаев влияет на распределение наземных животных, роющих норы, зарывающихся в грунт для спасения от жары или хищников либо откладывающих в почву яйца и т. д.
Рис. 47. Вееропалый геккон – обитатель песков Сахары: А – вееропалый геккон; Б – нога геккона
Погодные особенности. Условия жизни в наземно-воздушной среде осложняются, кроме того,погодными изменениями. Погода – это непрерывно меняющееся состояние атмосферы у земной поверхности до высоты примерно 20 км (граница тропосферы). Изменчивость погоды проявляется в постоянном варьировании сочетания таких факторов среды, как температура и влажность воздуха, облачность, осадки, сила и направление ветра и т. п. Для погодных изменений наряду с закономерным чередованием их в годовом цикле характерны непериодические колебания, что существенно усложняет условия существования наземных организмов. На жизнь водных обитателей погода влияет в значительно меньшей степени и лишь на население поверхностных слоев.
Климат местности. Многолетний режим погоды характеризуетклимат местности. В понятие климата входят не только средние значения метеорологических явлений, но также их годовой и суточный ход, отклонения от него и их повторяемость. Климат определяется географическими условиями района.
Зональное разнообразие климатов осложняется действием муссонных ветров, распределением циклонов и антициклонов, влиянием горных массивов на движение воздушных масс, степенью удаления от океана (континентальность) и многими другими местными факторами. В горах наблюдается климатическая поясность, во многом аналогичная смене зон от низких широт к высоким. Все это создает чрезвычайное разнообразие условий жизни на суше.
Для большинства наземных организмов, особенно мелких, важен не столько климат района, сколько условия их непосредственного местообитания. Очень часто местные элементы среды (рельеф, экспозиция, растительность и т. п.) так изменяют в конкретном участке режим температуры, влажности, света, движения воздуха, что он значительно отличается от климатических условий местности. Такие локальные модификации климата, складывающиеся в приземном слое воздуха, называют микроклиматом. В каждой зоне микроклиматы очень разнообразны. Можно выделить микроклиматы сколь угодно малых участков. Например, особый режим создается в венчиках цветков, что используют обитающие там насекомые. Широко известны различия температуры, влажности воздуха и силы ветра на открытом пространстве и в лесу, в травостое и над оголенными участками почвы, на склонах северной и южной экспозиций и т. п. Особый устойчивый микроклимат возникает в норах, гнездах, дуплах, пещерах и других закрытых местах.
Осадки. Помимо водообеспечения и создания запасов влаги, они могут играть и другую экологическую роль. Так, сильные ливневые дожди или град оказывают иногда механическое воздействие на растения или животных.
Особенно многообразна экологическая роль снегового покрова. Суточные колебания температур проникают в толщу снега лишь до 25 см, глубже температура почти не изменяется. При морозах в -20-30 °C под слоем снега в 30–40 см температура лишь ненамного ниже нуля. Глубокий снежный покров защищает почки возобновления, предохраняет от вымерзания зеленые части растений; многие виды уходят под снег, не сбрасывая листвы, например ожика волосистая, вероника лекарственная, копытень и др.
Рис. 48. Схема телеметрического изучения температурного режима рябчика, находящегося в подснежной лунке (по А. В. Андрееву, А. В. Кречмару, 1976)
Мелкие наземные зверьки ведут и зимой активный образ жизни, прокладывая под снегом и в его толще целые галереи ходов. Для ряда видов, питающихся подснежной растительностью, характерно даже зимнее размножение, которое отмечено, например, у леммингов, лесной и желтогорлой мыши, ряда полевок, водяной крысы и др. Тетеревиные птицы – рябчики, тетерева, тундряные куропатки – зарываются в снег на ночевку (рис. 48).
Крупным животным зимний снеговой покров мешает добывать корм. Многие копытные (северные олени, кабаны, овцебыки) питаются зимой исключительно подснежной растительностью, и глубокий снежный покров, а особенно твердая корка на его поверхности, возникающая в гололед, обрекают их на бескормицу. При кочевом скотоводстве в дореволюционной России огромным бедствием в южных районах был джут – массовый падеж скота в результате гололедицы, лишавшей животных корма. Передвижение по рыхлому глубокому снегу также затруднено для животных. Лисы, например, в снежные зимы предпочитают в лесу участки под густыми елями, где тоньше слой снега, и почти не выходят на открытые поляны и опушки. Глубина снежного покрова может ограничивать географическое распространение видов. Например, настоящие олени не проникают на север в те районы, где толща снега зимой более 40–50 см.
Белизна снежного покрова демаскирует темных животных. В возникновении сезонной смены окраски у белой и тундряной куропаток, зайца-беляка, горностая, ласки, песца, по-видимому, большую роль сыграл отбор на маскировку под цвет фона. На Командорских островах наряду с белыми много голубых песцов. По наблюдениям зоологов, последние держатся преимущественно вблизи темных скал и незамерзающей прибойной полосы, а белые предпочитают участки со снежным покровом.
Жизнь на суше потребовала таких приспособлений, которые оказались возможными только у высокоорганизованных живых организмов. Наземно-воздушная среда более сложная для жизни, она отличается высоким содержанием кислорода, малым количеством водяных паров, низкой плотностью и т.д. Это сильно изменило условия дыхания, водообмена и передвижения живых существ.
Низкая плотность воздуха определяет его малую подъемную силу и незначительную опорность. Организмы воздушной среды должны иметь собственную опорную систему, поддерживающую тело: растения – разнообразные механические ткани, животные – твердый или гидростатический скелет. Кроме этого, все обитатели воздушной среды тесно связаны с поверхностью земли, которая служит им для прикрепления и опоры.
Малая плотность воздуха обеспечивает низкую сопротивляемость передвижения. Поэтому многие наземные животные приобрели способность к полету. К активному полету приспособилось 75% всех наземных, преимущественно насекомые и птицы.
Благодаря подвижности воздуха, существующим в нижних слоях атмосферы вертикальным и горизонтальным потокам воздушных масс возможен пассивный полет организмов. В связи с этим у многих видов развита анемохория – расселение с помощью воздушных потоков. Анемохория характерна для спор, семян и плодов растений, цист простейших, мелких насекомых, пауков и т.д. Пассивно переносимые потоками воздуха организмы получили в совокупности название аэропланктона.
Наземные организмы существуют в условиях сравнительно низкого давления, обусловленного малой плотностью воздуха. В норме оно равно 760 мм ртутного столба. С увеличением высоты над уровнем моря давление уменьшается. Низкое давление может ограничивать распространенность видов в горах. Для позвоночных животных верхняя граница жизни – около 60 мм. Снижение давления влечет за собой уменьшение обеспеченности кислородом и обезвоживание животных за счет увеличения частоты дыхания. Примерно такие же пределы продвижения в горах имеют высшие растения. Несколько более выносливы членистоногие, которые могут встречаться на ледниках, выше границы растительности.
Газовый состав воздуха. Кроме физических свойств воздушной среды, для существования наземных организмов очень важны ее химические свойства. Газовый состав воздуха в приземном слое атмосферы довольно однороден в отношении содержания главных компонентов (азот – 78,1%, кислород – 21,0%, аргон – 0,9%, углекислый газ – 0,003% от объема).
Высокое содержание кислорода способствовало повышению обмена веществ у наземных организмов по сравнению с первичноводными. Именно в наземной обстановке, на базе высокой эффективности окислительных процессов в организме, возникла гомойтермия животных. Кислород из-за постоянного его высокого содержания в воздухе не является лимитирующим фактором жизни в наземной среде.
Содержание углекислого газа может изменяться в отдельных участках приземного слоя воздуха в довольно значительных пределах. Повышенное насыщение воздуха СО? возникает в зонах вулканической активности, возле термальных источников и других подземных выходов этого газа. В высоких концентрациях углекислый газ токсичен. В природе такие концентрации встречаются редко. Низкое содержание СO 2 тормозит процесс фотосинтеза. В условиях закрытого грунта можно повысить скорость фотосинтеза, увеличив концентрацию углекислого газа. Этим пользуются в практике тепличного и оранжерейного хозяйства.
Азот воздуха для большинства обитателей наземной среды является инертным газом, но отдельные микроорганизмы (клубеньковые бактерии, азотбактерии, сине-зеленые водоросли и др.) обладают способностью связывать его и вовлекать в биологический круговорот веществ.
Дефицит влаги – одна из существенных особенностей наземно-воздушной среды жизни. Вся эволюция наземных организмов шла под знаком приспособления к добыванию и сохранению влаги. Режимы влажности среды на суше очень разнообразны – от полного и постоянного насыщения воздуха водяными парами в некоторых районах тропиков до практически полного их отсутствия в сухом воздухе пустынь. Также значительна суточная и сезонная изменчивость содержания водяных паров в атмосфере. Водообеспеченность наземных организмов зависит также от режима выпадения осадков, наличия водоемов, запасов почвенной влаги, близости фунтовых вод и т.д.
Это привело к развитию у наземных организмов адаптации к различным режимам водообеспечения.
Температурный режим. Следующей отличительной чертой воздушно-наземной среды являются значительные температурные колебания. В большинстве районов суши суточные и годовые амплитуды температур составляют десятки градусов. Устойчивость к температурным изменениям среды у наземных обитателей очень различна, в зависимости от того, в каком конкретном местообитания проходит их жизнь. Однако в целом наземные организмы значительно более эвритермны по сравнению с водными организмами.
Условия жизни в наземно-воздушной среде осложняются, кроме того, существованием погодных изменений. Погода – непрерывно меняющиеся состояния атмосферы у заемной поверхности, до высоты примерно в 20 км (граница тропосферы). Изменчивость погоды проявляется в постоянном варьировании сочетания таких факторов среды, как температура, влажность воздуха, облачность, осадки, сила и направление ветра и т.д. Многолетний режим погоды характеризует климат местности. В понятие «Климат» входят не только средние значения метеорологических явлений, но также их годовой и суточный ход, отклонение от него и их повторяемость. Климат определяется географическими условиями района. Основные климатические факторы – температура и влажность – измеряются количеством осадков и насыщенностью воздуха водяными парами.
Для большинства наземных организмов, особенно мелких, не столько важен климат района, сколько условия их непосредственного обитания. Очень часто местные элементы среды (рельеф, экспозиция, растительность и т.д.) так изменяют в конкретном участке режим температур, влажности, света, движения воздуха, что он значительно отличается от климатических условий местности. Такие модификации климата, складывающиеся в приземном слое воздуха, называются микроклиматом. В каждой зоне микроклимат очень разнообразен. Можно выделить микроклиматы очень небольших участков.
Световой режим наземно-воздушной среды также обладает некоторыми особенностями. Интенсивность и количество света здесь наиболее велики и практически не лимитируют жизнь зеленых растений, как в воде или почве. На суше возможно существование чрезвычайно светолюбивых видов. Для подавляющего большинства наземных животных с дневной и даже ночной активностью зрение представляет собой один из основных способов ориентации. У наземных животных зрение имеет важное значение для поисков добычи, многие виды обладают даже цветным зрением. В связи с этим у жертв возникают такие приспособительные особенности, как защитная реакция, маскирующая и предупреждающая окраска, мимикрия и т.д. У водных обитателей такие адаптации развиты значительно меньше. Возникновение ярко окрашенных цветков высших растений также связано с особенностями аппарата опылителей и в конечном счете – со световым режимом среды.
Рельеф местности и свойства грунта – также условия жизни наземных организмов и, в первую очередь, растений. Свойства земной поверхности, оказывающие экологическое воздействие на ее обитателей, объединяются «эдафическими факторами среды» (от греческого «эдафос» – «почва»).
По отношению к разным свойствам почв можно выделить целый ряд экологических групп растений. Так, по реакции на кислотность почвы различают:
1) ацидофильные виды – растут на кислых почвах с рН не менее 6,7 (растения сфагновых болот);
2) нейтрофильные – склонны расти на почвах с рН 6,7–7,0 (большинство культурных растений);
3) базифильные – растут при рН более 7,0 (мордовник, лесная ветренница);
4) индиферентные – могут произрастать на почвах с разным значением рН (ландыш).
Отличаются растения и по отношению к влажности почвы. Определенные виды приурочены к разным субстратам, например, петрофиты растут на каменистых почвах, пасмофиты заселяют сыпучие пески.
Рельеф местности и характер грунта влияют на специфику передвижения животных: например, копытных, страусов, дроф, живущих на открытых пространствах, твердом грунте, для усиления отталкивания при беге. У ящериц, обитающих в сыпучих песках, пальцы окаймлены бахромой из роговых чешуек, увеличивающих опоры. Для наземных обитателей, роющих норы, плотный грунт неблагоприятен. Характер почвы в определенных случаях влияет на распределение наземных животных, роющих норы или зарывающихся в грунт, или откладывающих яйца в почву и т.д.
В наземно-воздушной среде особенно большое влияние на организмы оказывает температура. Поэтому у обитателей холодных и жарких районов Земли выработались различные приспособления для сохранения тепла или, наоборот, для отдачи его избытка.
Приведи несколько примеров.
Температура растения вследствие нагревания солнечными лучами может быть выше температуры окружающего его воздуха и почвы. При сильном испарении температура растения становится ниже температуры воздуха. Испарение через устьица - регулируемый растением процесс. При повышении температуры воздуха она усиливается, если возможна быстрая подача необходимого количества воды к листьям. Это спасает растение от перегрева, понижая его температуру на 4-6, а иногда на 10-15 °С.
При сокращении мышц освобождается значительно больше тепловой энергии, чем при функционировании любых других органов и тканей. Чем мощнее и активнее мускулатура, тем больше тепла может генерировать животное. По сравнению о растениями животные обладают более разнообразными возможностями регулировать, постоянно или временно, температуру собственного тела.
Переменой позы животное может усилить или ослабить нагревание тела за счет солнечной радиации. Например, пустынная саранча в прохладные утренние часы подставляет солнечным лучам широкую боковую поверхность тела, а в полдень - узкую спинную. В сильную жару животные прячутся в тень, скрываются в норах. В пустынях днем, например, некоторые виды ящериц и змей взбираются на кусты, избегая соприкосновения с раскаленной поверхностью почвы. К зиме многие животные ищут убежища, где ход температур более сглажен по сравнению с открытыми местами обитания. Еще более сложны формы поведения общественных насекомых: пчел, муравьев, термитов, которые строят гнезда с хорошо регулируемой внутри них температурой, почти постоянной в период активности насекомых.
Густой мех млекопитающих, перьевой и особенно пуховый покров птиц позволяют сохранять вокруг тела прослойку воздуха с температурой, близкой к температуре тела животного, и тем самым уменьшить теплоизлучение во внешнюю среду. Теплоотдача регулируется наклоном волос и перьев, сезонной сменой меха и оперения. Исключительно теплый зимний мех животных Заполярья позволяет им в холода обходиться без повышения обмена веществ и снижает потребность в пище.
Назови известных тебе обитателей пустыни.
В пустынях Средней Азии небольшой кустарник - саксаул. В Америке - кактусы, в Африке - молочаи. Животный мир небогат. Преобладают рептилии - змеи, вараны. Встречаются скорпионы, млекопитающих мало(верблюд).
1. Продолжи заполнение таблицы «Среды обитания живых организмов» (см. домашнее задание к § 42).
