Экологический фактор – это определённое условие или элемент среды, которое оказывает специфическое воздействие на организм. Экологические факторы подразделяются на абиотические, биотические и антропогенные. Влажность относится к абиотическим факторам. Абиотическими факторами называют всю совокупность факторов неорганической среды, влияющих на жизнь и распространение животных и растений (температура, влажность, свет и т.д.).
Вода физиологически необходима любой протоплазме и с экологической точки зрения является лимитирующим фактором как в наземных, так и в водных местообитаниях, если там её количество подвержено резким изменениям (приливы, отливы) или происходит её потеря организмом в сильно солёной воде осмотическим путём.
В наземно-воздушной среде этот абиотический фактор характеризуется величиной количества осадков, влажности, иссушающими свойствами воздуха и доступной площадью водного запаса.
Количество атмосферных осадков обусловлено физико-географическими условиями и неравномерно распределено на земном шаре. Для организмов важнейшим лимитирующим фактором является распределение осадков по сезонам года. В умеренных широтах при достаточном количестве годовых осадков их неравномерное распределение может привести к гибели растений от засухи или, наоборот, от переувлажнения. В тропической зоне организмам приходится переживать влажные и сухие сезоны, регулирующие их сезонную активность при постоянной температуре.
Адаптированные к условиям пустыни растения содержат ингибитор прорастания, который вымывается при определенном количестве осадков, достаточном для вегетации, и только тогда прорастают. Начинается кратковременное «цветение пустыни» (обычно весной).
Влажность воздушной среды измеряется обычно в показателях относительной влажности, то есть в виде процента реального давления водяного пара от давления насыщенного пара при той же температуре. Отсюда возникает способность влажности изменять эффекты температуры: понижение влажности по сравнению с некоторым пределом при данной температуре ведёт к иссушающему действию воздуха.
Иссушающее действие воздуха наиболее важное экологическое значение имеет для растений. Большинство растений всасывает воду корневой системой из почвы. Иссушение почвы затрудняет всасывание. Адаптация растений к этим условиям – увеличение всасывающей силы и активной поверхности корней (увеличение корневой системы).
У растений 0,5% воды всасывается клетками, расходуя на фотосинтез, а 97 – 99% уходит на транспирацию – испарение через листья. При достатке воды и питательных веществ рост растений пропорционален транспирации, а ее эффективность будет наивысшей. Эффективность транспирации – это отношение прироста вещества (чистой продукции) к количеству транспирированной воды. Измеряется в граммах сухого вещества на 1000 см 3 воды. Для большинства растений она равна двум, то есть на получение каждого грамма живого вещества тратится 500 грамм воды. Форма адаптации для этого фактора – не снижение транспирации, а прекращение роста в период засухи.
Доступный запас воды, то есть такой воды, которую способна поглощать корневая система растений, зависит прежде всего от количества осадков в данном районе и водопроницаемости поверхностных отложений. Даже при большом количестве осадков высокая проницаемость песчаных и песчано-гравийных отложений приведёт к быстрой фильтрации воды в глубину, осушая почву. Если естественный источник не обеспечивает достаточный запас доступной влаги, прибегают к искусственным способам его пополнения (орошению).
Способы регуляции водного баланса у животных подразделяются на поведенческие, морфологические и физиологические.
К поведенческим способам относятся перемещение в более влажные места, периодическое посещение водопоя, переход к ночному образу жизни и прочее.
К морфологическим способам относится задерживание воды в теле: раковины наземных улиток, роговые покровы у рептилий.
Физиологические способы направлены на образование метаболической воды, являющейся результатом обмена веществ и позволяющей обходиться без питьевой воды. Она используется насекомыми и такими животными как, как верблюд, овца, собака, которые могут выдержать потерю воды в количестве, соответственно, 27, 23 и 17%. Человек погибает уже при 10%-ной потере воды. Пойкилотермные (хладнокровные) животные более выносливы, так как им не приходится использовать воду на охлаждение, как теплокровным.
Совместно с температурой влажность образуют климат того или иного пространства. Высокая влажность в течение года сглаживает сезонные колебания температур - это морской климат; высокая сухость воздуха приводит к резким колебаниям температур – континентальный климат. Разнообразие климата, к примеру, на просторах России создает большое разнообразие экологических условий, и как следствие, флора и фауна нашей страны отличаются широким видовым разнообразием.
Вода имеет большое значение. Об этом свидетельствуют следующие факты:
- ? жизнь зародилась в воде;
- ? многие биохимические процессы протекают в водных растворах;
- ? вода является реагентом (процесс фотосинтеза и др.);
- ? вода является средой обитания;
- ? от содержания воды зависит термоустойчивость растений;
- ? вода играет поглотительную роль и осуществляет транспорт веществ в организме;
- ? вода имеет формообразующее значение (тургор).
от 96% - медуза, 85-95% - «сочные» органы растений (плоды, листья, выполняющие водозапасающую функцию, корни) до 15-7% у спор, семян злаковых и некоторых масличных культур. Тело человека содержит около 64% воды, а головной мозг - более 70%. Сохранение жизни при потере воды в результате метаболических процессов различно: у млекопитающих - 10-15% общего веса (исключение составляет верблюд - 39% и домовая мышь - 40%), у ящерицы - до 46%, дождевых червей, улиток - 60-80%, а у лишайников - более 95%.
Основным источником для организмов являются осадки, важное значение имеет их характер. Так, снег регулирует тепловой и водный режим почв, оптимизирует существование большинства растений и животных при колебании температур, позволяет переносить холодный периоды куропаткам и грызунам под снегом. К числу вредных последствий следует отнести искривление и поломку стволов и ветвей деревьев, а при образовании наста приводит к ранениям животных.
Лед и град часто приводят к негативным последствиям. При образовании льда в межклеточниках происходит увеличение концентрации клеточного сока, обезвоживание и механическое повреждение клеток. Град приводит к уменьшению объема кроны, поломке ветвей, ранению и гибели животных. Ожеледь образуется после оттепели на поверхности древесных растений в виде ледяной корки, сдавливая и повреждая мягкие живые ткани коры. Роса и туман могут усваиваться некоторыми видами растений (вельвичия в пустыне Намиб, имеющая листья 10-12 м, усваивает ими влагу). Кроме этого, определяют интенсивность транспирации. Дождь играет большую роль в водоснабжении, омывает от пыли листовую поверхность, регулирует содержание влаги в почве, влияет на процессы деградации почв, роста овражно-балочной системы и т.д. Количество осадков и интенсивность испарения определяет тип климата: аридный (сухой) и гумидный (влажный). Низкое значение относительной влажности воздуха усиливает испарение.
Большое значение имеет характер распределения осадков в течение года, определяющий состав фитоценоза. Концентрация в почвенной влаге веществ, определяющая физиологическую сухость, фактическое количество воды, используемое растениями (крона сосны удерживает и испаряет до 14%, а ели - 36% влаги).
Выделяют следующие экологические группы растений по отношению к влаге.
Ксерофиты (от греч. xerox - сухой, phyton - растение) - растения, обитающие в условия недостаточного увлажнения (аридные местообитания, условия физиологической сухости и увлажненные местообитания с температурой ниже порога развития). Но комплексу приспособлений выделяют склерофиты (от греч. skleros - твердый) - растения засушливых местообитаний, экономно расходующие воду. Для них характерны адаптации: уменьшение площади листовой поверхности за счет расчлененности листовой поверхности (полынь) и сворачивании листьев в трубку (ковыль), ориентация листьев параллельно солнечным лучам (акация, сосна), уменьшение нагрева за счет повышения альбедо (отражательной способности) благодаря обилию мертвых, заполненных воздухом, кроющих волосков или кутикулы, устьица погруженного типа, разветвленная корневая система поверхностного типа, наличие у семян толстых покровов, пропитывающихся при продолжительном дожде. У некоторых растений в семенах водорастворимые ингибиторы вымываются основательно пропитывающем почву дождем. Период покоя семян может сильно варьировать, что увеличивает вероятность прорастания в оптимальный период увлажнения. Большая скорость прохождения вегетативного и, особенно, репродуктивного периода, что позволяет использовать кратковременный период увлажнения для обеспечения непрерывности существования, наличие большого количества мертвых механических тканей, повышение осмотического давления клеточного сока для увеличения сосущей силы корней.
Суккуленты (от греч. succulentes - сочный) - растения засушливых местообитаний, способные к запасанию влаги в органах: стеблевые - кактусы и кактусовидные молочаи, листовые - очиток, алоэ, агава. Характерные адаптации: корневая система поверхностного типа, уменьшение транспирации за счет уменьшения соотношения поверхности по сравнению с объемом (шарообразность), наличие кутикулы, эфиромасличных выделений, малого количества устьиц, закрытых днем (компенсация недостатка углекислого газа за счет «САМ-путь» фотосинтеза, наличие водозапасающей ткани и образование концентрированного клеточного сока, где вода находится в частично связанном состоянии, выработка биологически активных веществ, повышающих сопротивляемость организма.
Гемиксерофиты (от греч. hemi - половина) - растения имеющие относительно ксерофитный облик, потерю влаги компенсируют за счет корневой системы, достигающей уровня грунтовых вод (у верблюжьей колючки - 15 м, черного саксаула - 25 м, североафриканского тамариска - до 30 м).
Мезофиты (от греч. mesos - средний) - растения достаточно увлажненных местообитаний. Могут переносить кратковременную засуху. Адаптации представляют гамму промежуточных форм между ксерофитами и гигрофитами. В классификации А. Шинникова (1950) выделено пять групп мезофитов:
- 1) вечнозеленые мезофиты влажных тропических лесов: вегетатиру- ют круглый год, отсутствие сезонных адаптаций, крупные кожистые листья с гидатодами (выделяют избыток воды (филодендрон, фикус));
- 2) зимне-зеленые деревяннистые мезофиты или тропофиты (от греч. tropos - поворот): преимущественно растения тропических и субтропических саванн. Характерен период летнего покоя и листопад- ность, хорошо выражены покровные ткани (баобаб);
- 3) летне-зимние деревяннистые мезофиты: растения умеренного пояса, надземная масса которых отмирает. Характерно наличие почек возобновления. Проводящая и механические ткани развиты в средней степени, кутикула развита слабо или отсутствует (тимофеевка луговая, клевер луговой, ясменник душисты, копытень европейский);
- 4) летне-зеленые травянистые мезофиты (от греч. ephemeres - маленький);
- 5) эфемеры и эфемероиды (от греч. ephemeros - однодневный). К первым относятся однолетники (веснянка весенняя, бурячок маленький), ко вторым - двух- и многолетники (тюльпан, гусиный лук, ферула). Для них характерно наличие видоизмененных органов, контрактильных (втягивающих) корней.
Гигрофиты (от греч. hydros - влажный) - растения избыточно увлажненных местообитаний (побережья рек, влажные леса). К ним относятся:
- ? теневые, растущие под пологом леса (недотрога обыкновенная, цирцея пражская, кислица обыкновенная);
- ? световые, открытых местообитаний (папирус, росянка круглолистная, подмаренник болотный, калужница болотная);
- ? водно-наземные, произрастающие на мелководьях и в условиях переувлажненных мест суши (тростник обыкновенный, частуха подорожниковая, стрелолист, сусак зонтичный).
Для них характерны, как правило, крупные (с большой площадью) листовые пластинки, слабая, неглубоко уходящая корневая система, наличие гидатод (водяные устьица) и выделение воды при отсутствии испарения, что позволяет увеличить поступление минеральных веществ, высокая обводненность тканей (80%) и слабая регуляция при ее потере, что объясняет быструю увядаемость этих растений в букетах, редукция механических тканей, разнолистовость (гетерофилия) на одном растении у стрелолиста, поручейника. Также имеет место положительный водный баланс.
Гидрофиты (от греч. hydor- вода) - водные растения (плавающие (ряска, рдест плавающий) и укореняющиеся виды (телорез, водокрас, кувшинка белая, кубышка желтая)). Для них характерны следующие адаптации: поглощение воды и минеральных веществ осуществляются всей поверхностью тела, что приводит к редукции и изменению функции корневой системы (препятствует переворачиванию при волнении воды и ветре), редукции проводящих и механических тканей из-за большой плотности водной среды и приобретение растением пластичности, увеличение плотности расположения устьиц у плавающих (до 700 мм 2 у кувшинки и ряски) и отсутствие у погруженных листьев, наличие аэренхимы - запасающей ткани, в которой аккумулируется углекислый газ (0,4-0,6%) и кислород (до 26%), используемые в процессах метаболизма, явление гетерофилии или разнолистовости, преобладание вегетативного размножения над генеративным из-за сокращения благоприятного теплого периода.
Влажность воздуха и условия водоснабжения влияют на продолжительность жизни у животных, не способных экономно расходовать влагу (квакша) и не оказывают существенного влияния на ксерофилов (газель, жук-чернотелка). Влажность оказывает влияние на активность организма и поведение. Например, жуки-ксилофаги, дождевые черви и другие становятся более активными, срабатывает рефлекс «бегства» при уменьшении влажности среды.
Среди животных выделяют следующие экологические группы:
- 1) гидрофильные или водные, т.е. живущие в воде постоянно;
- 2) гигрофильные - животные избыточно увлажненных местообитаний с воздухом близким к насыщению водными парами. Адаптации к предотвращению потери влаги, как правило, отсутствуют (брюхоногие моллюски, дождевые черви);
- 3) мезофильные - способные переносить умеренно влажные условия и смену сухого и влажного сезонов года (большинство животных гумидных и умеренно-аридных зон умеренного пояса);
- 4) ксерофильные - животные сухих местообитаний, пустынь, прибрежных песчаных дюн, насекомые - обитатели зерновых амбаров, платяная моль и другие.
Приспособления к засушливым местообитаниям:
- ? наружные покровы (хитин членистоногих, кожа с чешуями у пресмыкающихся, перьевой покров у птиц, волосяной покров и сальные железы у млекопитающих);
- ? внутреннее расположение органов дыхания у млекопитающих (трахеи насекомых, легкие позвоночных) для уменьшения испарения;
- ? повышенная концентрация солей в моче (у кенгуровой крысы, обитающей в пустыне в 18 раз выше, чем в крови, что позволяет ей обходиться без питьевой воды;
- ? наличие особых солевых желез (рептилии, некоторые птицы);
- ? выделение аммиака, в отличии от водных животных, происходит не с мочой, а в связанном виде (мочевина у млекопитающих, а у рептилий и птиц более рентабельными соединениями - мочевой кислотой, выделяемой в виде кристаллов). Животные способны осуществлять длительные миграции на водопой (сайгак, калан, птицы рябка и саджа);
- ? отложения жира для получения метаболической воды в результате ее расщепления (верблюд, некоторые грызуны и др.);
- ? удовлетворение потребностей в воде за счет соков растений;
- ? способность впадать в состояние анабиоза во время сухого периода (улитка Helix desertorum способна в течение четырех лет сохранять жизнеспособность в спячке при повышенной сухости);
- ? потребление воды через кутикулу, причем даже из ненасыщенного парами воды воздуха (колорадский жук, постельный клоп, мучной хрущак).
ВЛАЖНОСТЬ КАК ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКТОР Биология. 11 класс Е.А. Белова, Г.Г. Юхневич 2012 Влажность как абиотический фактор среды Роль воды в жизни живых организмов является универсальным растворителем для гидрофильных веществ, поэтому участвует в обмене веществ как среда для биохимических реакций в клетке непосредственно участвует в некоторых биохимических реакциях как субстрат (гидролиз, фотосинтез) обусловливает тургор клеток, а у некоторых животных (круглые и кольчатые черви) служит гидростатическим скелетом выполняет транспортную функцию (передвижение веществ) в организме благодаря высокой удельной теплоемкости, теплопроводности и теплоте парообразования, обеспечивает поддержание теплового баланса в организме и предотвращает его перегрев служит средой обитания для водных организмов 1. Влажность как абиотический фактор среды 2 Экологические группы растений по отношению к влаге и их адаптации Классификация наземных растений по отношению к влаге Гигрофиты живут на сильно увлажнённых почвах и при высокой влажности воздуха Мезофиты обитают в условиях умеренного увлажнения Ксерофиты обитают в засушливых местах Суккуленты запасают воду в своих тканях и органах, а затем экономно ее расходовать Склерофиты со сниженной транспирацией и способностью активно добывать воду при её недостатке в почве 2. Адаптации растений к различному водному режиму 3 тонкие листовые пластинки с постоянно открытыми устьицами, есть специфические «водяные устьица», через которые выделяется вода в капельно - жидком состоянии; слабо развита механическая ткань, кутикула и эпидермис (возможна кутикулярная транспирация); в мезофилле листьев имеются крупные межклетники, у некоторых видов в корнях и стеблях возможно наличие аэренхимы – ткани, запасающей воздух в межклетниках; слабо развита корневая система (корни тонкие, часто без корневых волосков); 2. Адаптации растений к различному водному режиму Особенности строения гигрофитов 4 Среди гигрофитов выделяют: теневые – это растения нижних ярусов сырых лесов в разных климатических зонах. Из - за высокой влажности воздуха у них может быть затруднена транспирация, поэтому для улучшения водного обмена на листьях развиваются гидатоды, или водяные устьица, выделяющие капельно - жидкую воду. Листья часто тонкие, с теневой структурой, со слабо развитой кутикулой, содержат много свободной и малосвязанной воды. При наступлении даже непродолжительной и несильной засухи в тканях создается отрицательный водный баланс, растения завядают и могут погибнуть. световым – это растения открытых местообитаний, растущие на постоянно влажных почвах и во влажном воздухе (папирус, рис, сердечники, подмаренник болотный, росянка и др.) . 5 2. Адаптации растений к различному водному режиму Примеры растений - гигрофитов Бодяк огородный - гигрофит Росянка является болотным растением и любит влажную почву и влажный воздух Многие папоротники и мхи являются не только тенелюбивыми, но и влаголюбивыми растениями 2. Адаптации растений к различному водному режиму 6 Во ́ дные расте ́ ния – растения, необходимое условие жизни которых – пребывание в воде. Одни из них погружены в воду полностью или большей своей частью (гидатофи ́ ты), они держатся на незначительных глубинах пресных и солёных вод или плавают на поверхности. Другие погружены в воду только нижней частью (гидрофи ́ ты), переживают временную засуху или требуют, чтобы только корни их были обильно увлажнены; это мелководные, прибрежные и болотные формы. Ряска малая и лилия водная являются гидатофитами. Рогоз широколистный является гидрофитом. 7 2. Адаптации растений к различному водному режиму Характеристика ксерофитов способны длительно выдерживать недостаточное увлажнение; ограничивают затраты воды на транспирацию; активно добывают воду при её недостатке в почве; запасают воду в тканях и органах на время засухи. 8 2. Адаптации растений к различному водному режиму Суккуленты (от лат. succulentus – сочный) – многолетние растения, способные запасать воду в своих тканях и органах, а затем экономно ее расходовать. Типы суккулентов в зависимости от того, в каких органах запасается вода листовые стеблевые корневые 2 . Адаптации растений к различному водному режиму 9 Листовые суккуленты можно встретить в засушливых областях Центральной Америки (агава), Африки и Средней Азии (алоэ), на сухих песчаных почвах в нашей республике (очиток, молодило) Агава Алое Молодило Очиток едкий и очиток скрипун 2 . Адаптации растений к различному водному режиму 10 Стеблевые суккуленты широко представлены в американских пустынях (виды сем. Кактусовые) и засушливых областях Африки (виды сем. Молочайные). У стеблевых суккулентов листья редуцированы до колючек (кактусы). Функция фотосинтеза перешла к стеблю, который приобрёл зелёный цвет. Кактусы Молочай трехгранный (эуфорбия) 2. Адаптации растений к различному водному режиму 11 Корневые суккуленты обычно встречаются в пустынях, где они не только приспособились переживать засуху, но и противостоят сильным ветрам и животным. Корневая система таких суккулентов обычно клубневидная или реповидная. Корни развиваются вблизи поверхности земли для того, чтобы до последней капли впитать даже самое малое количество попавшей на них влаги. Стебли и листья корневых суккулентов обычно недолговечны и засыхают при наступлении более засушливого сезона, тогда как их защищенные слоем почвы корни способны выжить и сохранить упругость тканей на протяжении длительного времени. 2. Адаптации растений к различному водному режиму Сейба мелколистная - небольшое дерево из баобабовых, растущее в Мексике, имеет на корнях вздутия диаметром до 30 см, губчатая паренхима которых накапливает влагу. 12 Склерофиты (от греч. scleros – твердый) – растения со сниженной транспирацией и способностью активно добывать воду при её недостатке в почве. Они не запасают влагу на период засухи, а добывают ее и экономно расходуют. Типичными представителями склерофитов являются ковыль, саксаул, а также полынь горькая, бессмертник песчаный, вереск. Ковыль Саксаул Полынь горькая Бессмертник песчаный Вереск 2. Адаптации растений к различному водному режиму 13 Существуют другие формы растений приспособленные расти при недостатке влаги в пустыне: однолетники, избегающие жару тем, что приспособлены расти только в период с достаточной влажностью; пустынные кустарники, сбрасывающие листья во время засушливого периода. 14 2. Адаптации растений к различному водному режиму Мезофиты – растения, обитающие в условиях умеренного увлажнения. Они способны переносить кратковременный недостаток влаги. К ним относится большинство лиственных древесных растений, луговые и многие лесные травы, злаки, сорняки, почти все культурные растения умеренной зоны. 2. Адаптации растений к различному водному режиму 15 Люпин Береза повислая Перец сладкий Яблоня домашняя 2. Адаптации растений к различному водному режиму Большинство культурных растений произрастающих в нашей стране являются мезофитами. 16 Пшеница мягкая и василек синий Гортензия метельчатая Цинния Флокс метельчатый Адаптации животных к различному водному режиму Типы адаптаций животных в зависимости от водного режима морфологические физиологические поведенческие 3. Адаптации животных к различному водному режиму 17 К морфологическим адаптациям относятся приспособления, задерживающие воду в теле животных. Насекомые, паукообразные имеют многослойную хитинизированную кутикулу Ящерица прыткая Жуки - бронзовки У рептилий есть роговой покров тела (роговые чешуи и пластинки) Паук 3 . Адаптации животных к различному водному режиму Морфологические адаптации животных 18 У наземных моллюсков есть раковины У птиц тело покрыто перьями У млекопитающих тело покрыто шерстью 3. Адаптации животных к различному водному режиму Морфологические адаптации животных 19 К физиологическим адаптациям относятся особенности процессов жизнедеятельности, восполняющие дефицит влаги в организме. Котята пьют воду Амфибии поглощают воду кожными покровами Грызуны в пустыне добывают воду, поедая растения с сочными побегами 3. Адаптации животных к различному водному режиму Физиологические адаптации животных 20 Некоторые животные могут получать воду за счёт окисления жиров. Поэтому обильные отложения жира (горб верблюда) служат своеобразными резервуарами химически связанной воды. Двугорбый верблюд 3. Адаптации животных к различному водному режиму Физиологические адаптации животных 21 Поведенческие адаптации заключаются в том, что большинство животных активны в поисках воды. Способность совершать далекие миграции к водопою характерна для антилоп, сайгаков, куланов. Некоторые животные в сухой период переходят на ночной образ жизни или впадают в летнюю спячку (суслики, сурки, черепахи) . Антилопы гну на водопое Черепахи впадают в спячку 3. Адаптации животных к различному водному режиму Поведенческие адаптации животных 22 Наземных животных по отношению к водному режиму разделяют на экологические группы: гигрофилы – влаголюбивые животные, нуждающиеся в высокой влажности среды (мокрицы, комары, наземные моллюски, амфибии); мезофилы – животные, обитающие в условиях умеренной влажности; ксерофилы – сухолюбивые животные, не переносящие высокой влажности (верблюд, пустынные грызуны, пресмыкающиеся и другие). 3. Адаптации животных к различному водному режиму 23 Животные в пустыне по разному приспособлены к недостатку влаги. У жуков - чернотелок наблюдается удивительная способность к усиленному образованию при недостатке влаги метаболической воды в результате расщепления углеводов. Питаясь пылевидными остатками растений, жуки - чернотелки извлекают из них метаболическую воду, что позволяет им существовать в условиях почти полного отсутствия воды. В ожидании капли конденсационной влаги жуки подолгу замирают в своеобразной позе, с поднятой вершиной брюшка. Жуки - чернотелки 3. Адаптации животных к различному водному режиму 24
В наземных условиях влажность чаще других экологических факторов лимитирует рост и развитие организмов. Объясняется это тем, что вода играет большую роль в их жизни. Она является универсальным растворителем, средой для биохимических реакций в клетке. Молекулы воды могут непосредственно участвовать в реакциях как субстрат (гидролиз, фотосинтез). Являясь основным структурным компонентом клеток, вода обусловливает их тургор. У некоторых животных (круглые и кольчатые черви) она служит гидростатическим скелетом. Обладая высоким поверхностным натяжением, вода выполняет транспортную функцию (передвижение веществ) в организме. Благодаря высокой удельной теплоемкости, теплопроводности и теплоте парообразования вода обеспечивает поддержание теплового баланса в организме и предотвращает его перегрев. Она служит средой обитания для водных организмов.
Из курса географии вы уже знаете, как сильно различается увлажненность наземных местообитаний в разных географических зонах. Она зависит от годового количества осадков. Имеет значение распределение их по временам года, запас почвенной влаги и грунтовых вод.
Недостаточная или избыточная увлажненность среды — главная экологическая проблема наземных обитателей. Степень увлажненности среды влияет на внешний облик и внутреннее строение организмов. В связи с этим выделяют различные экологические группы растений и животных.
Экологические группы растений по отношению к влаге и их адаптации
В наземной среде обеспеченность местообитаний водой и ее доступность весьма нестабильны. Выработка адаптаций к дефициту влаги — ведущее направление эволюции растений при освоении суши. По отношению к влаге принято делить все наземные растения на три экологические группы: гигрофиты, ксерофиты, мезофиты. Эти группы различаются между собой специфическими приспособлениями к водному режиму среды.
Гигрофиты (от греч. hygros — влажный, phyton — растение) — растения, живущие на сильно увлажненных почвах и при высокой влажности воздуха. Представителями гигрофитов являются: пушица, рис, тростник, калужница болотная, многие осоки, папирус и др. Они встречаются во всех климатических зонах.
Гигрофиты имеют приспособления для интенсивной транспирации. У них тонкие листовые пластинки с постоянно открытыми устьицами. У некоторых растений есть специфические водяные устьица. Через них вода выделяется в капельно-жидком состоянии.
У гигрофитов слабо развиты механическая ткань, кутикула и эпидермис. В мезофилле листьев имеются крупные межклетники. У некоторых видов в корнях и стеблях возможно наличие аэренхимы (от греч. aer — воздух, enchyma — ткань) — ткани, запасающей воздух (болотные гигрофиты). Слабо развита корневая система (корни тонкие, часто без корневых волосков). Гигрофиты не способны перенести даже небольшой недостаток влаги в почве и быстро увядают.
Ксерофиты (от греч. xerox — сухой, phyton — растение) — растения, приспособившиеся к жизни в засушливых местах (степи, пустыни, полупустыни, саванны, высокогорья). Они способны длительно выдерживать недостаточное увлажнение.
У ксерофитов приспособленность к сухим местообитаниям связана с ограничением затрат воды на транспирацию. У одних представителей она сопровождается активным добыванием воды при ее недостатке в почве. А у других — способностью запасать воду в тканях и органах на время засухи. В зависимости от типа адаптаций выделяют две формы ксерофитов — суккуленты и склерофиты.
Суккуленты (от лат. succulentus — сочный) — многолетние растения, способные запасать воду в своих тканях и органах, а затем экономно ее расходовать. В зависимости от того, в каких органах запасается вода, различают три типа суккулентов: листовые, стеблевые и корневые.
Листовые суккуленты накапливают воду в мясистых листьях. Из курса географии вы знаете, что листовые суккуленты встречаются в засушливых областях Центральной Америки (агава), Африки (алоэ). В наших широтах их можно встретить на сухих песчаных почвах (очиток, молодило). Стеблевые суккуленты имеют сильно развитые водозапасающие ткани в коре и сердцевине стебля. Они широко представлены в американских пустынях (кактусы) и засушливых областях Африки (молочаи). Корневые суккуленты запасают воду в тканях подземных частей растений. Растущее в Мексике невысокое дерево сейба мелколистная имеет на корнях вздутия диаметром до 30 см, в которых накапливается вода.
Суккуленты интенсивно всасывают воду поверхностными корнями и запасают ее в паренхиме вегетативных органов. Почвенная влага из глубоких слоев почвы для них недоступна. Эпидермис у этих растений покрыт мощной кутикулой. Часто имеется восковой налет или густое опушение. Немногочисленные устьица погруженного типа днем чаще всего закрыты. У стеблевых суккулентов листья редуцированы до колючек (кактусы). Функция фотосинтеза перешла к стеблю, который приобрел зеленый цвет.
Склерофиты (от греч. scleros — твердый) — растения со сниженной транспирацией и способностью активно добывать воду при ее недостатке в почве — полынь, саксаул, бодяк, ковыль, чертополох. Они не запасают влагу на период засухи, а добывают ее и экономно расходуют. Обитают склерофиты преимущественно в степях и пустынях, засушливых местообитаниях умеренной зоны.
Склерофиты имеют сухие жесткие листья и стебли, покрытые толстой кутикулой. Из-за сильного развития механических тканей при водном дефиците у них не наблюдается увядания. Они могут переносить глубокое обезвоживание и без заметного ущерба терять 25-75 % водного запаса (гигрофиты вянут при потере 1-2 % воды).
В силу высокого осмотического давления клеточного сока у склерофитов развивается большая сосущая сила, поэтому их называют «растениями-насосами». Корни склерофитов уходят глубоко в землю (у верблюжьей колючки длина главного корня достигает 15 м). Некоторые представители образуют разветвленную поверхностную корневую систему (степные злаки).
В периоды засух транспирация уменьшается за счет ряда морфологических адаптаций. Во-первых
, у склерофитов мелкие, часто в виде игл или колючек, листья. Они имеют восковой налет или опушение и устьица погруженного типа. Во-вторых
, клетки склерофитов способны удерживать воду благодаря высокой
вязкости цитоплазмы.
Мезофиты (от греч. mesos — средний) — растения, обитающие в условиях умеренного увлажнения. Они способны переносить кратковременный недостаток влаги. К ним относится большинство лиственных древесных растений. Мезофитами являются луговые и многие лесные травы, злаки, сорняки, почти все культурные растения умеренной зоны. Это наиболее распространенная экологическая группа растений.
По сравнению с гигрофитами и ксерофитами мезофиты имеют адаптивные признаки промежуточного характера. У них умеренно развита корневая система. На корнях имеются корневые волоски, в листьях — небольшое количество устьиц. В зависимости от обеспеченности влагой устьица могут в любое время открываться или за крываться.
В семенах у мезофитов, обитающих в степях и пустынях, содержится ингибитор (замедлитель) прорастания. Он вымывается лишь при количестве осадков, достаточном для вегетации. Такое приспособление предотвращает прорастание семян и гибель проростков в период засухи.
Адаптации животных к различному водному режиму
Сухопутные животные для восполнения потери воды вследствие выделения и испарения нуждаются в периодическом ее потреблении. В зависимости от водного режима у них выработались разные типы адаптаций: физиологические, морфологические и поведенческие.
К физиологическим адаптациям относятся особенности процессов жизнедеятельности, восполняющие дефицит влаги в организме. Например, млекопитающие пьют воду, земноводные поглощают ее кожными покровами. Мелкие животные пустынь (грызуны, пресмыкающиеся, членистоногие) добывают воду, поедая растения с сочными побегами.
Есть животные, которые могут получать воду за счет окисления жиров (окисление 100 г жира дает 105 г воды). Поэтому обильные отложения жира — горб верблюда, курдюк овцы — служат своеобразными резервуарами химически связанной воды.
К морфологическим адаптациям относятся приспособления, задерживающие воду в теле животных. Насекомые и паукообразные имеют многослойную хитинизированную кутикулу. У пресмыкающихся есть роговой покров тела (роговые чешуи и пластинки). У наземных моллюсков — раковины. У птиц тело покрыто перьями, а у млекопитающих — шерстью.
Поведенческие адаптации заключаются в том, что большинство животных активны в поисках воды. Они периодически посещают места водопоя. Порой им приходится мигрировать на сухой период в районы с большей влажностью. Способность совершать далекие миграции к водопою характерна для антилоп, сайгаков, куланов. Некоторые животные в сухой период переходят на ночной образ жизни или впадают в летнюю спячку (суслики, сурки, черепахи).
Вода влияет на скорость обмена веществ, участвует в терморегуляции, выполняет транспортную функцию в организме. По отношению к увлажненности среды обитания выделяют экологические группы наземных растений: гигрофиты, ксерофиты (суккуленты, склерофиты), мезофиты. Животные для регуляции водного баланса выработали физиологические, морфологические и поведенческие адаптации.
Первоначально все организмы были водными. Завоевав сушу, не утратили зависимости от воды. Составной частью всех живых организмов является вода. Влажность - это количество водяного пара в воздухе. Без влажности или воды нет жизни.
Влажность - это параметр характеризующий содержание водяного пара в воздухе. Абсолютная влажность - это количество водяного пара в воздухе и зависит от температуры и давления. Это количество называется относительной влажностью (т.е. соотношение количества водяного пара в воздухе к насыщенному количеству пара при определенных условиях температуры и давления.)
В природе существует суточный ритм влажности. Влажность колеблется по вертикали и горизонтали. Этот фактор наряду со светом и температурой играет большую роль в регулировании активности организмов и их распространении. Влажность изменяет и эффект температуры.
Важным экологическим фактором является иссушение воздуха. Особенно для наземных организмов, имеет огромное значение иссушающие действие воздуха. Животные приспосабливаются, передвигаясь в защищенные места и активный образ жизни ведут ночью.
Растения поглощают воду из почвы и почти полностью (97-99%) испаряется через листья. Этот процесс называется транспирацией. Испарение охлаждает листья. Благодаря испарению идет транспорт ионов, через почву к корням, транспорт ионов между клетками и т.д.
Определенное количество влажности совершенно необходима для наземных организмов. Многие из них для нормальной жизнедеятельности нуждаются в относительной влажности 100%, и наоборот организм находящийся в нормальном состоянии, не может жить долгое время в абсолютно сухом воздухе, ибо он постоянно теряет воду. Вода есть необходимая часть живого вещества. Поэтому потеря воды в известном количестве приводит к гибели.
Растения сухого климата приспосабливается морфологическими изменениями, редукцией вегетативных органов, особенно листьев.
Наземные животные также приспосабливаются. Многие из них пьют воду, другие всасывают ее через покровы тела в жидком или парообразном состоянии. Например, большинство амфибий, некоторые насекомые и клещи. Большая часть животных пустынь никогда не пьет, они удовлетворяют свои потребности за счет воды, поступившей с пищей. Другие животные получает воду в процессе окисления жиров.
Вода для живых организмов совершенно необходима. Поэтому организмы распространяются по местообитанию в зависимости от своих потребностей: водные организмы в воде живут постоянно; гидрофиты могут жить только в очень влажных средах.
С точки зрения экологической валентности гидрофиты и гигрофиты относятся к группе стеногигров. Влажность сильно влияет на жизненные функции организмов, например, 70% относительная влажность была очень благоприятным для полевого созревания и плодовитости самок перелетной саранчи. При благоприятном размножении они причиняют огромный экономический урон посевам многих стран.
Для экологической оценки распространения организмов пользуются показателем сухости климата. Сухость служит селективным фактором для экологической классификации организмов.
Таким образом, в зависимости от особенностей влажности местного климата виды организмов распределяются по экологическим группам:
- 1. Гидатофиты - это водные растения.
- 2. Гидрофиты - это растения наземно-водные.
- 3. Гигрофиты - наземные растения живущие в условиях повышенной влажности.
- 4. Мезофиты - это растения, произрастающие при среднем увлажнении
- 5. Ксерофиты - это растения произрастающие с недостаточным увлажнением. Они в свою очередь делятся на: суккуленты - сочные растения (кактусы); склерофиты - это растения с узкими и мелкими листьями, и свернутыми в трубочки. Они также делятся на эуксерофиты и стипаксерофиты. Эуксерофиты - это степные растения. Стипаксерофиты - это группа узколистных дерновинных злаков (ковыль, типчак, тонконог и др.). В свою очередь мезофиты также делятся на мезогигрофиты, мезоксерофиты и т.д.
Уступая по своему значению температуре, влажность относится тем не менее к основным экологическим факторам. На протяжении большей части истории живой природы органический мир был представлен исключительно водными нормами организмов. Составной частью огромного большинства живых существ является вода, и для осуществления размножения или слияния гамет почти все они нуждаются в водной среде. Сухопутные животные вынуждены создавать в своем теле искусственную водную среду для оплодотворения, а это приводят к тому, что последнее становится внутренним.
Влажность - это количество водяного пара в воздухе. Его можно выразить в граммах на кубический метр.
