Влияние температуры на жизнедеятельность организмов.

В процессе эвлюции каждый вид приспособился к существованию в условиях определенного диапазона температур и при определенном температурном режиме. Это обусловлено тем, чтообменные реакции являются ферментативными, а каждый фермент действует в строго определенном диапазоне температур.

По этой причине граница существования жизни определяется температурой, при которой возможно нормальное строение и функционирование белков. В естественных условиях крайние пределы простираются от - 70 до , а в условиях эксперимента от почти абсолютного нуля () до + .

Поскольку температура сказывается на характере и скорости протекания всех жизненно важных физико- химических процессов в клетках, то ее влияние проявляется на ходе роста, развития, размножения организмов, их форме, размерах, физиологических и поведенческих реакциях, а также на численности и распространении. Проиллюстрируем это несколькими примерами. Так холодостойкие (или криофильные) деревья и кустарники в Якутии не вымерзают при температуре минус .Некоторые животные (черви, моллюски, членистоногие) сохраняют активность при температуре минус , когда жидкость тела находится в переохлажденном состоянии. Их антиподы – термофилы не переносят низких температур и нередко гибнут уже при .

Таким образом, общие закономерности воздействия температуры на живые организмы проявляются в их способности существовать в определенном диапазоне температур. Этот диапазон ограничен нижней и верхней летальной температурами. Температура, наиболее благоприятная для жизнедеятельности, называется оптимальной. Температурный оптимизм большинства организмов находится в пределах + , в умеренных и холодных зонах России оптимальны температуры от + , а у обитателей жарких и сухих районов температурный оптимум достигает + , в отдельных случаях + .

В зависимости от интервала температуры организмы делятся на эвритермные (большинство обитателей континентальных районов) и стенотермные. Однако температурный оптимум у разных видов и даже на разных стадиях развития у одного бывает неодинаков (для яиц бабочки озимой совки, например, оптимаотна температура + , гусениц , куколок ). Минимальную и максимальную температуру называют соответственно нижним и верхним порогом развития или нижним и верхним биологическим нулем. Температуры, лежащие выше нижнего порога развития, и не выходящие за пределы верхнего, получили название эффективных температур. Зная сумму эффективных температур вида (его температурныю константу С) и сумму тепла той или иной местности (С1), можно определить возможность существования вида. Так, если С1/С больше или равно 1, то вид может существовать при данной температуре, если для насекомых С1/С >2, то возможно 2 или более поколений.

Развитие эндотермных животных в меньшей степени зависит от температуры окружающей среды, хотя и им свойственны определенные оптимум, пессимум и пороги существования в целом. Так, молодняк мышевидных грызунов осенью и зимой развиваются в 10 раз медленнее, но к моменту полового созревания оказывается крупнее, чем в летний период. Это проявляется и у других видов, в т.ч. и человека.

Влияние температуры проявляется в ряде морфологических адаптаций. Так в Арктике и высокогорье (где мало тепла) распространены стелющиеся, подушковидные и розеточные растения, избегающие отрицательного воздействия низких температур под снегом. Для растений и экзотермных животных сумма эффективных температур величина постоянная, если другие факторы находятся в оптимуме. Так, земляника зацветает при сумме эффективных температур . Икра рыбы форели при развивается 205 дней, при - 82 дня, а при - 41 день. Сильные холода и чрезвычайная жара вызывают иногда сбрасывание намболее чувствительных частей тела у растений (цветки, зявязь) или приводят в состояние вынужденного покоя.

Морфологические адаптации к температуре довольно четко проявляются и у животных, у которых формируются такие признаки, как отражательная поверхность тела, пуховой, перьевой или волосяной покров, жировые отложения. Так у большинства Арктики и высокогорий окраска темная, а у обитателей низких широт поверхность блестящая, отражательная. Эндотермные (теплокровные) животные высоких широт, как правило, крупнее родственных видов, обитающих в жарком климате. Это способствует относительному уменьшению теплоотдачи, поскольку уменьшается относительная поверхность тела. У хладнокровных животных наблюдается обратная закономерность (правило Бергмана).

В соответствии с температурой среды варьируют также размеры выступающих частей тела. У видов, живущих в более холодном климате, конечности, уши и хвост, как правило, меньше, чем у родственных видов из более теплых мест (правило Аллена). Третье правило, известное как правило Глогера, гласит, что окраска животных в холодном и сухом климате сравнительно светлее, чем теплом и влажнм. Кроме того, у видов теплых стран вес органов, связанных с обменом веществ (сердце, почки, печень), меньше, чем у особей того же вида, живущих в более холодных зонах. Как общая закономерность наблюдается запаздывание сроков развития фенологических явлений на 4 дня с продвижением на каждый градус широты и 5 градусов долготы (биоклиматический закон А.Хопкинса).

апции проявляются и на уровне физико-химических процессов, протекающих в клетках, тканях и органах. Так при понижении температуры в клетках растений повышается концентрация растворов, увеличивается осмотическое давление клеточного сока, уменьшается содержание свободной и увеличивается количество связанной воды. Важным приспособлением к низким температурам является и отложение запасных питательных веществ (жиров, масел, гликогена, аскогена, аскорбиновой кислоты), которые придают цитоплазме устойчивость к замерзанию и другим неблагоприятным воздействиям зимнего периода.

Суточные и сезонные колебания температуры, масштабы которых возрастают с удалением от экватора, привели к формированию ряда адаптаций, которые осуществляются активным, пассивным путем и избеганием неблагоприятных воздействий. В целом по степени адаптации к условиям дефицита тепла растения делят на 3 группы:

- нехолодостойкие - растения дождевых тропических лесов;

- неморозостойкие - субтропические виды, которые выносят охлаждения до ;

- морозоустойчивые - растения, произрастающие в областях с сезонным климатом.

По степени адаптации растений к высоким температурам выделяют:

- нежаростойкие – повреждаются уже при t (водные);

- жаровыносливые- до - обитатели сухих мест;

- жароустойчивые –до - прокариоты. Некоторые растения регулярно испытывают влияние пожаров – пирофиты.

У животных регуляторные механизмы выражены лучше и по их характеру выделяют пойкилотермный, гомойотермный и гетеротермный типы теплообмена:

Теплокровные животные являются преимущественно эвритермными, а среди хладнокровных больше стенотермных.

4.3.4. Роль влажности в жизни наземных организмов.

 

Вода является важным экологическим фактором, причем одновременно климатическим и эдафическим. Она служит основной частью цитоплазмы и тканевых жидкостей растений и животных, которые на 40-99% состоят из воды. Вода с растворенными в ней веществами определяет осмотическое давление клеочных и тканевых жидкостей и межклеточный обмен. В водных растворах протекают реакции обмена, транспортиуются питательные вещества и удаляются продукты обмена. У растений она обеспечивает фотосинтез и транспирацию, у наземных животных газообмен; влажность среды часто лимитирует распространение и численность организмов на нашей планете.

По этой причине проблема обеспечения организмов достаточным количеством влаги является важнейшей для любого организма. Человек, например, без особых негативных последствий может потерять почти все жиры, половину белков, значительную часть минеральных компонентов, но потеря 10-12 % воды создает угрозу организму, а потеря 20% - смертельна. В связи с этим у животных выработался ряд морфологических, физиологических, а у высших животных и поведенческих адаптаций, обеспечивающих экономное расходование влаги. Их характер определяется содержанием влаги в окружающей среде (абсолютная и относительная влажность), ее физическими и химическими параметрами, а также климатом и погодой. Большое значение для организмов имеет и дефицит насыщения воздуха водяными парами, который возрастает с повышением температуры.

Важным в жизни организмов является распределение влаги по сезонам в течение года и ее суточные колебания, которые определяют периодичность активной жизни организмов, влияют на продолжительность их развития, плодовитость и смертность. Так, в высоких широтах даже обильные осадки холодного сезона недоступны растениям, а в теплое время порой незначительное их количество оказывается жизненно необходимым.

Источниками влаги для наземных организмов являются атмосферные осадки, количество которых зависит от общеклиматической характеристики региона. Их общее количество и соотношение с испаряемостью отражает водообеспеченность растений и животных. В тех регионах, где испаряемость превышает количество осадков и ощущается недостаток влаги, сложились аридные и семиаридные условия, а где обеспеченность влагой достаточна – гумидные. Наряду с этими показателями важное значение имеет водообеспеченность важнейших жизненных периодов и условия увлажнения конкретных местообитаний. В итоге воздействия этих факторов сформировались:

- эвригигробионтные оранизмы, существующие при значительном колебании влажности;

- стеногигробионтные, существующие при строго опренделенной влажности (высокой, средней или низкой). Таким образом, влажность и водный режим оказывают существенное влияние на жизнедеятельность организмов.

Нормальное функционирование растений возможно лишь при достаточном обеспечении их водой. Низшие растения влагу поглощают всей поверхностью, мхи - ризоидами, а высшие растения – корнями (и некоторыми специализированными органами), в которых развивается сосущая сила до 60 атм. Поглощенная вода трансформируетсяот клетки в клетке, а затем по сосудам во все органы, где расходуется на фотосинтез (0,5%), транспирацию и поддержание тургора. При достаточной обеспеченности влагой говорят, что водный баланс уравновешен, хотя это равновесие может и нарушаться (кратковременно или на более длительный период). По приспособленности растений к колебаниям водного баланса различают пойкилогидридные и гомойогидридные виды.

Животные воду получают при питье, с сочной пищей, некоторые через покровы, а ряд видов обходятся метаболической водой. Потери же ее происходят при выведении продуктов обмена, а также при дыхании и теплообмене. В целом животных по отношению к водному режиму можно разделить на 3 экологические группы, которые, однако, выражены менее четко, чем у растений:

- гигрофилы – со слабым развитием или полным отсутствием механизмов регуляции водного обмена. Они не могут удерживать влагу, вынуждены постоянно пополнять ее запасы и, как следствие, населяют места с высокой влажностью;

- мезофиллы – обитают в условиях умеренного увлажнения (50-80%) и сравнительно легко переносят ее колебания (большинство наземных видов);

- ксерофилы – сухолюбивые животные с хорошо развитыми механизмами регуляции водного обмена и приспособлением к удержанию воды в теле. Это так называемые «чистые типы», а чаще всего приспособления осуществляются сочетанием всех возможных путей адаптации.