Факторы живой природы вода температура

Температура как экологический фактор: описание, нормативные показатели

Окружающая среда оказывает влияние на организмы, обитающие на Земле. Температура, свет, влажность — это экологические факторы среды. Их изменения приводят к смене биологических свойств живых организмов. Меняется география обитания, размножение, питание.

Факторы среды

К экологическим факторам относят условия вокруг, оказывающие воздействие на организмы. Различают абиотические факторы неживой природы и биотические. Биотические факторы — взаимодействие живых организмов, которые влияют на их вид. Также на живые организмы влияют антропогенные факторы — последствия человеческой деятельности.

Живые организмы умеют приспосабливаться к изменениям — это называется адаптацией. Внешний вид организма, отражающий его взаимодействие с окружающей средой, является жизненной формой.

К биотическим экологическим факторам относится температура при условии возникновения особого микроклимата или среды обитания. Физические и химические изменения окружающей среды относятся к абиотическим.

Температура как экологический фактор

Относительное постоянство температуры является основным условием существования живых организмов. Основной источник тепла — солнечное излучение. Физиологические процессы происходят только при определенной температуре.

Воздействие температуры зависит от географического расположения конкретного вида. Климат определяет растения и животных, которые обитают в данной местности. Во Вселенной диапазон температур достаточно большой. Жизнь может существовать только от -200 до + 100 о С. Но большинство видов обитают в гораздо более узком температурном режиме.

Для строения белков требуется температура от 0 до +50 о С. Некоторые организмы могут существовать за этими пределами. Температура как экологический фактор характеризуется сезонными и суточными колебаниями. Изменения температуры, выходящие за диапазон, при котором живые организмы могут существовать, приводит к их массовой гибели. Менее значимое изменение влияет на рост, развитие и поведение многих животных.

Терморегуляции организмов

Свет и температура как экологические факторы влияют на приспосабливаемость живых организмов. Это происходит благодаря биохимическим и физиологическим перестройкам организма и поддержания ими постоянной температуры тела. Различают два вида организмов:

Пойкилотермные организмы меняют температуру тела в зависимости от окружающей среды. К ним относятся растения, грибы, рыбы, земноводные, пресмыкающиеся и беспозвоночные. Они впадают в оцепенение при низких или слишком высоких температурах.

Гомойотермные умеют поддерживать относительно постоянную температуру тела при изменении условий окружающей среды. Некоторые теплокровные умеют при снижении температуры впадать в оцепенение, при этом их температура тела тоже становится близкой к нулю. Это наблюдается у некоторых птиц и мелких грызунов. Сезонная спячка характерна для медведей, ежей, сусликов и летучих мышей.

Биохимическая адаптация растений

Температура — важнейший экологический фактор для растений. При изменении окружающей среды растения не могут уйти в другую местность, поэтому они приспосабливаются другим образом.

Большинство растений для адаптации к слишком низким или высоким температурам повышают концентрацию сока, накапливают сахара в клетках, снижают теплоотдачу, повышают уровень антоцианов.

При воздействии высококритичных температур в цитоплазме растений увеличивается количество защитных веществ, концентрация органических кислот, солей и слизи. Благодаря этому снижается риск свертывания цитоплазмы и происходит нейтрализация токсичных веществ.

У растений, приспособленных к снижению температуры, накапливаются углеводы, чаще всего глюкоза, в клетках, уменьшается количество воды. Это способствует снижению точки замерзания.

Физиологическая адаптация растений

Изменения температуры, экологического фактора среды, заставляют живые организмы приспосабливаться следующим образом:

• снижение собственных размеров, увеличение репродуктивных органов;
• формирование укороченных побегов;
• сохранение отмерших листьев на кронах;
• опушение побегов;
• покрытие листьев воском;
• оплетение корнями теплых камней;
• погружение части растения в почву.

Также физиологической защитой от изменения температуры является усиленное испарение воды. Такую форму защиты растения используют в жарких влажных районах. В пустынях и степях короткий цикл развития защищает от воздействия высоких температур. Весь цикл происходит весной, а лето растения переживают в состоянии покоя луковиц или корневищ. Мхи и лишайники при высоких температурах впадают в состояние анабиоза.

Морфологическая адаптация растений к температуре

Температура как экологический фактор заставляет растения приспосабливаться к высоким и низким температурам окружающей среды.

В субтропическом и тропическом поясе растения усиливают отражение солнечных лучей. Этому способствует светлая блестящая окраска. Таким образом растения снижают воздействие высокой температуры. Отдельные особи способны уменьшать поверхность, поглощающую свет, за счет колючек, рассеченных или свернутых листьев. Вертикальные листья снижают перегрев растения. Лист может поворачиваться в течение суток, чтобы избежать прямых солнечных лучей.

В холодном климате для сохранения тепла формируются карликовые формы растений. Деревья могут достигать в высоту 50 см. Кусты принимают стелющуюся форму. Высокогорные и арктические растения имеют форму подушки. Они менее чувствительны к ветру, хорошо укрываются под снегом зимой и максимально используют тепло почвы летом.

Биохимические адаптации животных

Такие экологические факторы, как свет, температура, влажность, оказывают влияние на адаптационные механизмы животных. Разнообразие адаптационных факторов появилось благодаря пойкилотермным и гомойотермным организмам.

У хладнокровных животных для исключения замерзания в крови накапливаются так называемые биологические антифризы. Их формирование позволяет понизить точку замерзания и не погибнуть в критических условиях. У рыб вещества называются гликопротеиды, у насекомых накапливается глицерин или высокая концентрация глюкозы.

Теплокровные животные избегают переохлаждения за счет увеличения обмена веществ. Жировые запасы способствуют появлению дополнительной энергии, которая тратится на обогрев организма. У некоторых млекопитающих, например, у бурого медведя, есть особая жировая ткань — бурый жир. Он богат митохондриями и кровеносными сосудами.

Физиологическая адаптация животных к температуре

На процесс адаптации к новым условиям влияет температура как экологический фактор. Кратко процесс можно описать следующими словами: у хладнокровных животных процессы жизнедеятельности зависят от окружающей среды, у теплокровных регулируются внутри организма.

Теплообмен у хладнокровных животных происходит благодаря особенностям кровеносной системы. Сосуды, мышцы и кожа тесно соприкасаются между собой, кровь кожи нагревается и уходит к мышцам, согревая их. Если температура окружающей среды увеличивается, то ускоряется кровоток.

У всех животных перегрев снимается за счет испарения влаги с поверхности тела. У некоторых испарение интенсивнее происходит через слизистые и верхние дыхательные пути. Такой способ присущ теплокровным животным с шерстью.

При снижении температуры окружающей среды животные, в том числе и человек, ощущают мышечную дрожь. Отдельные виды их впадают в спячку. Если животное обладает редкой и короткой шерстью, то терморегуляция происходит посредством расширения и сужения сосудов кожи.

Морфологическая адаптация животных

Температура как экологический фактор оказывает влияние на животных и морфологическую адаптацию. Замечено, что хладнокровные животные тем крупнее, чем ближе к экватору. Теплокровные же — наоборот. Их размер увеличивается по мере приближения к арктическому полюсу.

Чем больше поверхность тела, тем интенсивнее отдача тепла в окружающее пространство. По этой причине южные животные обладают длинными ушами, длинным хвостом и конечностями. Это особенно видно при рассмотрении близких видов грызунов.

Уменьшению потерь тепла способствуют различные покровы тела: у пресмыкающихся — роговый покров, у птиц — перья, у млекопитающих — мех. Сохранению тепла при понижении экологического фактора — температуры воды — у животных севера, обитающих в воде, способствует подкожный жир. Важную роль играет цвет кожного покрова. Светлая окраска тропических животных позволяет избегать перегревания.

Поведенческие адаптации животных

Поведенческие адаптации зависят от температуры как экологического фактора. У хладнокровных животных выделяют следующие типы поведенческих реакции:

• выбор мест с наилучшей температурой;
• смена позы.

Хладнокровные животные отыскивают места, где достаточно солнечного света. После нагрева тела они перемещаются в тень или прячутся в норах. Температуру тела они поддерживают за счет мышечных сокращений.

Теплокровные животные выбирают места для защиты от холода или жары. Характерны массовые скопления животных для поддержания тепла, сезонные миграции, умение создавать норы и зарываться в снег. В норе, вырытой под снегом, температура может быть выше на 15-18 о С, чем вокруг. Для многих животных северных широт характерны запасание корма, спячка и миграция.

Отклонение температуры от нормативных показателей приводит к необратимым последствиям для организма. Поведенческая адаптация характерна только для животных. Растения этот фактор не используют.

Разнообразие температурных условий на Земле

Вегетационный период растений зависит от того, в каком поясе они обитают. В тропическом поясе он длится круглый год, в умеренном — от весны до осени, в полярном поясе Северного полушария — до 2 месяцев.

На полюсе Северного полушария зимняя температура — 71,2 о С. В Южном полушарии наименьшая зафиксированная температура -89,2 о С. Самые жаркие места находятся в Африке, в районе экватора. Температура в тени достигает 58 о С, а почва прогревается до 70-80 о С. В пределах одного пояса проявляются различия температурных условий. Более темные почвы лучше прогреваются. Летом в лесу прохладнее, чем на открытой местности.

Каждый вид живых существ выбирает приемлемый температурный режим. Для одного и того же растения в разный период жизни требуется разное количество тепла.

Источник

Воздействие воды на живые организмы

Возможность существования жизни на Земле возникла благодаря уникальной роли воды как универсального растворителя; вода достаточно хорошо растворяет как органические, так и неорганические вещества, что обеспечивает высокую скорость протекания биохимических реакций внутри живых организмов и химических реакций в окружающей среде. Уникальные свойства позволили воде играть в клетке роль не только растворителя, но и терморегулятора, а также поддерживать структуру клеток и осуществлять транспортировку веществ и т. д. У наземных животных содержание воды в организме составляет от 45 до 95%.

Роль воды в клеточных процессах

Вода участвует в реакции фотосинтеза – главного процесса, создавшего на Земле органическое вещество. В ходе фотосинтеза водород из состава воды входит в структуру органических веществ, а свободный кислород выделяется в атмосферу. Вода участвует в гидролизе – разрушении органических веществ с присоединением воды. Например, гидролиз жиров, белков и углеводов происходит при переваривании пищи, а при гидролизе АТФ (аденозинтрифосфат – вещество в ядре клетки, играющее исключительно важную роль в обмене энергии и веществ в организмах) выделяется энергия, обеспечивающая жизнедеятельность клеток

В жидком состоянии вода практически не сжимаема и поэтому служит гидростатическим скелетом клетки. За счёт осмоса вода создаёт избыточное давление внутри растительных клеток, обеспечивающее упругость клеточной стенки и поддержание её формы. У растений благодаря капиллярному эффекту, характерному для воды, осуществляется подъём по сосудам от корня к другим частям растворённых в воде минеральных солей. Выведение, перемещение продуктов обмена веществ в растворённом виде у животных также происходит благодаря свойствам воды.

Роль воды в терморегуляции

Вследствие своей большой теплоёмкости вода обеспечивает примерное постоянство температуры внутри клетки. Вода может переносить большое количество теплоты, отдавая её там, где температура тканей ниже, и забирая там, где температура более высокая. Также при испарении воды происходит значительное охлаждение из-за того, вода обладает высокой удельной теплотой испарения, на которое расходуется много энергии.

Вода – единственное вещество на Земле (кроме ртути), для которого зависимость удельной теплоёмкости от температуры имеет минимум около +37°С. Вследствие этого нормальная температура большинства теплокровных животных находится в диапазоне температур 32–39°С.

Вода как абиотический фактор

Абиотические факторы – это все свойства неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на живые организмы.

Наземные животные окружены воздухом, содержание воды в котором ниже, чем в их собственном теле; поэтому все они обычно теряют воду путём испарения, а также при выведении с водой конечных продуктов метаболизма. Дефицит влаги – одна из существенных особенностей наземно-воздушной среды. Вся эволюция наземных организмов происходила в условиях приспособления к добыванию и сохранению влаги.

Режимы влажности воздуха на суше очень разнообразны, велика также суточная и сезонная изменчивость содержания водяных паров в атмосфере. Режим выпадения осадков, наличие водоёмов, запасов почвенной влаги и т. п. – всё это привело к развитию у наземных организмов способности адаптироваться к различным режимам водообеспечения.

По отношению к воде (влажности) выделяют ряд экологических групп растений: гидатофиты (водные растения, целиком или почти целиком погруженные в воду); гидрофиты (наземно-водные растения, частично погруженные в воду); гигрофиты (наземные растения, живущие в условиях повышенной влажности воздуха); мезофиты (растения, живущие в условиях среднего увлажнения) и ксерофиты (растения, произрастающие в местах с недостаточным увлажнением).

Среди основных механизмов адаптаций растений к водному фактору можно выделить следующие: уменьшение потери воды (толстая восковая кутикула, опушённые листья, листья превращены в колючки или иглы, погруженные устьица, сбрасывание листьев); увеличение поглощения воды (длинные корни, обширная корневая система); запасание воды; переживание неблагоприятного периода (в виде семян, луковиц или клубней).

Животные получают воду при потреблении жидкости и сочной пищи и в результате метаболизма (окисление и расщепление жиров, белков и углеводов). Удаление (потери) воды происходит путём испарения также через покровы или со слизистых оболочек дыхательных путей, а также путем выведения с продуктами метаболизма. Величина испарения воды зависит от влажности воздуха. Многие животные могут совершенно обходиться без питьевой воды, получая влагу другими способами. К этой группе относятся, например, многие пустынные животные: антилопы, суслики, тушканчики, черепахи, различные насекомые – воду они получают, поедая зелёные растения.

По отношению к влаге также выделяют несколько экологических групп животных: гигрофилы (влаголюбивые виды); ксерофилы (сухолюбивые виды); мезофилы (виды, занимающие промежуточное положение).

Регулирование водного баланса осуществляется поведенческими, морфологическими и физиологическими адаптациями. В условиях недостатка влаги большое значение у животных имеет использование метаболической воды, образующейся в результате окисления жиров и некоторых других веществ. Экономия воды при выведении продуктов метаболизма достигается всасыванием как можно большего её количества в пищеварительной и выделительной системах (в зависимости от условий среды). Испарение воды (потоотделение через потовые железы или через слизистую), связанное с терморегуляцией, также обеспечивает регулирование водного обмена, но может быть причиной истощения водных ресурсов организма.

Биосфера обладает самым незначительным суммарным объёмом из всех видов воды, включенных в мировой водный запас. Биологическая вода содержится в тканях растений, животных, микроорганизмов, однако водообмен в биосфере происходит наиболее интенсивно, на порядки быстрее, чем в окружающей организмы среде.

Разнообразие организмов в водах. Бактериальные сообщества

В водной среде обитают около 150 тыс. видов животных (примерно около 7% общего количества на Земле) и 10 тыс. видов растений (8%). Следовательно, вода как среда жизни не отличается видовым разнообразием. Однако бо́льшая часть невидимых нам организмов: бактерии, микроводоросли и грибы не может обитать в среде без значительного количества воды. Наибольшем разнообразием бактерий характеризуются почвы. Учитывая, что почвы тесно связаны с поверхностными и поземными водами, разнообразие бактериальных сообществ в водоёмах всегда сравнимо с разнообразием бактериальных сообществ почв. В последнее время, когда растёт загрязнение природных вод, разнообразие бактериальных, грибных, микроводорослевых сообществ в природных водоёмах напрямую связано с процессами самоочищения вод. Именно эти невидимые глазу организмы осуществляют очистку воды от самых опасных загрязняющих веществ, включая ксенобиотики (вещества, в определённых концентрациях токсичные для живых организмов).

Токсичность, биоиндикация, биотестирование

Под токсичностью понимают способность веществ вызывать нарушения физиологических функций организма, что в свою очередь приводит к нарушению метаболизма или, в тяжелых случаях, к гибели. Степень токсичности веществ принято характеризовать величиной токсической дозы – количеством вещества (отнесённым, как правило, к единице массы животного или человека), вызывающим определенный токсический эффект. Чем меньше токсическая доза, тем выше токсичность вещества. Различают средне смертельные (ЛД₅₀), абсолютно смертельные (ЛД₁₀₀), минимально смертельные (ЛД_0-10) и другие дозы. Цифры в индексе отражают вероятность (%) летального исхода в группе подопытных организмов.

Существуют два принципиально разных направления изучения загрязнённости природных вод по их действию на живые организмы: биоиндикация и биотестирование. Биоиндикация – оценка качества воды по живущим в ней организмам (видовому составу, разнообразию, численности), биотестирование – оценка качества воды по реакции организма (организмов) в стандартизованных условиях лабораторного опыта (поведенческие реакции, выживаемость, плодовитость, продукция).

Биоиндикация осуществляется на различных уровнях организации биосферы: макромолекулы, клетки, органа, организма, популяции, биоценоза. Поиск обобщённых показателей оценки состояния природных объектов является одной из ведущих современных проблем. Однако к настоящему времени отсутствует единая, достаточно полная и сбалансированная комплексная методика оценки качества воды. На основе гидробиологических индексов созданы многие классификации качества вод.

В последние десятилетия для оценки состояния водных объектов всё шире применяется биотестирование.

Биотестирование представляет собой методический приём оценки качества окружающей среды по реакциям или характеристикам подопытных организмов с известными и поддающимися учёту характеристиками. Для целей биотестирования применяются биологические системы любого уровня сложности (биохимическая система, выделенный элемент клеточной структуры или орган, функциональные или структурные элементы целого организма, выборки, популяции и сообщества организмов). Показателем токсического действия служат степень изменения какого-либо из параметров, определенного биохимическими или биофизическими методами.

При проведении опытов по биотестированию необходимо иметь в виду, что отсутствие проявлений какого-либо эффекта токсичности при испытаниях проб не свидетельствует, однако, об отсутствии потенциально токсичных компонентов в их составе. В высокосапробных (содержащих большие концентрации органических веществ) водах присутствие токсикологически нейтральных органических соединений приводит к связыванию потенциальных токсикантов, например, тяжёлых металлов. В результате происходит известная в экотоксикологии «маскировка» токсичности. Это явление можно рассматривать в качестве врéменного благоприятного эффекта от смешения стоков разной химической природы. Однако не исключено, что может произойти разложение связывающих компонентов, что повысит биодоступность токсикантов с соответствующими биологическими и экологическими последствиями.

Влияние воды на биоценозы

Водные организмы, реагируя на поступление загрязняющих веществ извне, способны перестраивать свои биоценозы таким образом, чтобы снять эту нагрузку и привести качество воды в исходное состояние. Этот процесс, называемый самоочищением водных объектов, наблюдается повсеместно. Однако загрязнение не должно превышать некоего критического уровня, после достижения которого экосистема переходит в угнетённое состояние и частично или полностью утрачивает способность обеспечивать самоочищение водного объекта. Процессы, происходящие в природных системах, активно используются человеком в очистных сооружениях с блоками биологической очистки.

Время перестройки водных биоценозов может изменяться от суток (и даже часов) до десятилетий. Наиболее мобильной частью водных экосистем являются бактериальные сообщества, которые в течение часов могут изменить свою продукцию и видовую структуру, приспосабливаясь к новым условиям.

Так, загрязнение органическим веществом водного объекта приводит к уменьшению видового разнообразия гидробионтов, к возрастанию роли консументов 1-го порядка, среди которых преобладают глотатели и собиратели детрита, и снижению роли консументов 2-го порядка (хищного зообентоса). В целом, органическое загрязнение приводит к преобладанию детритных пищевых цепей, резкому увеличению скорости деструкции органического вещества, значительному отклонению её от равновесного состояния.

Изменения в структуре биоценозов в связи со сменой нагрузки могут происходить в течение различных периодов времени. Они происходят по разным причинам – как естественным (ураганы, бурные паводки, пожары в бассейне реки), так и антропогенным (загрязнение, подкисление водной среды и т.п.). Изменение всегда направлено на утилизацию поступившего «излишка» органики или на трансформацию органического токсиканта до соединений, безвредных для гидробионтов. При снижении действия дополнительного фактора нагрузки структура биоценозов может возвращаться к прежнему состоянию или стать стабильной, но качественно иной.

Источник