Температурные границы существования видов

В среднем активная жизнедеятельность организмов требует довольно узкого диапазона температур, ограниченного критическими порогами замерзания воды и тепловой денатурации белков, примерно в пределах от 0 до +50 °C. Границы оптимальных температур соответственно должны быть еще более узкими. Однако реально эти границы преодолеваются в природе у многих видов за счет специфических адаптаций. Существуют экологические группы организмов, оптимум которых сдвинут в сторону низких или высоких температур.

Криофилы – виды, предпочитающие холод и специализированные к жизни в этих условиях. Свыше 80 % земной биосферы относится к постоянно холодным областям с температурой ниже +5 °C – это глубины Мирового океана, арктические и антарктические пустыни, тундры, высокогорья. Обитающие здесь виды обладают повышенной холодостойкостью. Основные механизмы этих адаптаций биохимические. (Мелкая тресковая рыба сайка в Северном Ледовитом океане плавает в водах с температурой не выше +5 °C, а нерестится зимой в переохлажденных водах у побережья. Глубоководные рыбы в приполярных районах все время находятся в переохлажденном состоянии).

Термофилы – это экологическая группа видов, оптимум жизнедеятельности которых приурочен к области высоких температур. Термофилией отличаются многие представители микроорганизмов, растений и животных, встречающихся в горячих источниках, на поверхности прогреваемых почв, в разлагающихся органических остатках при их саморазогревании и т. п.

 

Температура тела живых существ по-разному зависит от температуры окружающей среды. Баланс тепл а в организме складывается из его прихода и расхода. Источники поступления тепловой энергии делятся:

- Внешнее, или экзогенное, тепло организм получает от более нагретых воды, воздуха, окружающих предметов, прямой солнечной радиации. При этом большую роль играют площадь покровов и их теплопроводность.

- Внутреннее, или эндогенное, тепло вырабатывается как обязательный атрибут обмена веществ. Любой организм выделяет в окружающую среду тепло в результате своей жизнедеятельности. Для характеристики организмов по

основным источникам используемого тепла

- Эктотермия – это жизнь преимущественно за счет нагревания из внешней среды,

- эндотермия – за счет тепла, вырабатываемого самим организмом.

 

В зависимости от температуры тела, выделяют:

- Пойкилотермные организмы (от греч. – различный и тепло) – это холоднокровные животные с непостоянной внутренней температурой тела, меняющейся в зависимости от температуры окружающей среды. К ним относятся все беспозвоночные, а из позвоночных – рыбы, земноводные и пресмыкающиеся. Их температура тела, как правило, выше температуры внешней среды на 1–2° С или равна ей. При повышении или понижении температуры среды за пределы оптимальных величин эти организмы впадают в оцепенение или гибнут. Отсутствие совершенных терморегуляционных механизмов у пойкилотермных животных обусловлено относительно слабым развитием нервной системы и низким уровнем обмена веществ.

- Гомойотермные организмы – теплокровные животные, температура которых более или менее постоянна и, как правило, не зависит от температуры окружающей среды. К ним относятся млекопитающие и птицы, у которых постоянство температуры связано с более высоким по сравнению с пойкилотермными организмами уровнем обмена веществ. Кроме того, у них существует термоизоляционный слой (оперение, мех, жировой слой). Температура их относительно высокая: у млекопитающих она составляет 36–37° С, а у птиц в состоянии покоя – до 40–41° С.

- Среди истинно гомойотермных животных выделяют группу гетеротермных. В нее входят виды, впадающие в спячку или временное оцепенение. Эти виды в активном состоянии поддерживают постоянную температуру тела на высоком уровне, а в неактивном – пониженную, что сопровождается замедлением обмена веществ. Таковы сурки, суслики, летучие мыши, сони, ежи, колибри, стрижи и др.

 

Тепловой режим.

Температура является важным экологическим фактором, влияет на существование, развитие и распространение организмов. При этом, значение имеет не только абсолютное количество тепла, но и распределение его во времени, то есть тепловой режим. Тепловой режим растений складывается из температурных условий, которым свойственна та или иная продолжительность и смена в определенной последовательности в сочетании с другими факторами. У животных он также в сочетании с рядом других факторов обусловливает их суточную и сезонную активность. Тепловой режим сравнительно постоянен в течение всего года лишь в тропических зонах. К северу и югу суточные и сезонные колебания температуры возрастают по мере удаления от экватора.

Растения и животные, приспосабливаясь к ним, проявляют различную потребность в тепле в разные периоды. К примеру, прорастание семян протекает при более низких температурах, чем последующий их рост, периоду цветения необходимо больше тепла, чем периоду созревания плодов.

У разных организмов биологические процессы при оптимальных температурах подчиняются правилу Вант-Гоффа, согласно которому скорость химических реакций возрастает в 2–3 раза при повышении температуры на каждые 10° С. Для растений, как и животных, важным является общее количество тепла, которое они могут получить из окружающей среды. Температуры, лежащие выше нижнего порога развития и не выходящие за пределы верхнего, получили название эффективных температур. Количество тепла, необходимого для развития, определяется суммой эффективных температур, или суммой тепла.

У растений имеются различные анатомо-морфологические и физиологические приспособления, сглаживающие вредное влияние высоких и низких температур: интенсивность транспирации (при понижении температуры испарение воды через устьица протекает менее интенсивно и в результате уменьшается теплоотдача и, наоборот); накопление в клетках солей, изменяющих температуру свертывания плазмы, свойство хлорофилла препятствовать проникновению наиболее горячих солнечных лучей. Накопление у морозоустойчивых растений в клетках сахара и других веществ, увеличивающих концентрацию клеточного сока, делает растение более выносливым и имеет большое значение для их терморегуляции.

Влияние теплового режима прослеживается и у животных. По мере удаления от полюсов к экватору размеры близких в систематическом отношении животных с непостоянной температурой тела увеличиваются, а с постоянной – уменьшаются. Это положение отражает правило Бергмана. Одна из причин такого явления – повышение температуры в тропиках и субтропиках. У мелких форм относительная поверхность тела возрастает и увеличивается теплоотдача, что отрицательно сказывается в умеренных и высоких широтах прежде всего на животных с непостоянной температурой тела. Температура тела организмов оказывает существенное формообразующее влияние. Под действием теплового фактора у них формируются такие морфологические признаки как отражательная поверхность; жировые отложения, пуховый, перьевой и шерстный покровы у птиц, и млекопитающих. В Арктике, высоко в горах большинство насекомых имеют темную окраску, что способствует усиленному поглощению солнечных лучей. У животных с постоянной температурой тела в холодных климатических зонах наблюдается тенденция к уменьшению площади выступающих частей тела – правило Аллена, поскольку они отдают в окружающую среду наибольшее количество тепла (рисунок 3.2). У млекопитающих при низких температурах относительно сокращаются размеры хвоста, конечностей, ушей, лучше развивается волосяной покров. Так, размеры ушей у песца (обитателя тундры) небольшие, они увеличиваются у лисицы, типичной для умеренных широт, и становятся довольно большими у фенека (обитателя пустынь Африки). В целом, по отношению к температуре анатомо-морфологические изменения как у растений, так и у животных, в первую очередь направлены на регулирование уровня теплопотерь. В ходе длительного исторического развития, приспосабливаясь к периодическим изменениям температурных условий, организмы, в том числе, обитающие в лесах, выработали различную потребность к теплу в разные периоды жизни.

Тепловой режим влияет и на распределение растений и животных по земному шару. Они исторически приспособлены к определенным тепловым режимам. Поэтому температурный фактор имеет непосредственное отношение к распространению растений и животных. Он в той или иной степени обусловливает заселенность разных природных зон организмами. В 1918 г. А. Холкинс сформулировал биоклиматический закон. Он установил, что существует закономерная, довольно тесная связь развития фенологических явлений с широтой, долготой и высотой над уровнем моря. Суть этого закона состоит в том, что по мере продвижения на север, восток и в горы время наступления периодических явлений (как цветения, плодоношения, сбрасывания листвы) в жизнедеятельности организмов запаздывает на 4 дня на каждый градус широты, 5 градусов долготы и примерно на 100 м высоты. Отмечается связь между границами распространения растений и животных с числом дней в году, имеющих определенную среднюю температуру. Например, изолинии со среднесуточной температурой свыше 7° С в течение более 225 дней в году совпадают с границей распространения бука в Европе. Однако при этом большое значение имеют не среднесуточные температуры, а колебания их в комплексе с другими экологическими факторами, экоклиматическими и микроклиматическими условиями.

 

Распределение тепла связано с различными факторами: наличием водоемов (вблизи них амплитуда температурных колебаний меньше); особенностями рельефа, топографии местности. Так, на северных и южных склонах холмов, оврагов наблюдаются довольно большие температурные различия. Рельеф местности, определяя экспозицию склонов, влияет на степень их прогреваемости. Это приводит к формированию на южных и северных склонах несколько различающихся растительных ассоциаций и животных группировок. На юге тундры лесная растительность встречается на склонах в долинах рек, в поймах или на холмах среди равнины, так как именно эти места наиболее сильно прогреваются.

 

С изменением температуры воздуха изменяется и температура почвы. Различные почвы в зависимости от цвета, структуры, увлажнения, экспозиции прогреваются по-разному. Нагреванию, как и охлаждению поверхности почвы, препятствует растительный покров. Днем температура воздуха под пологом леса всегда ниже, чем на открытых пространствах, а ночью в лесу теплее, чем в поле. Это сказывается на видовом составе животных: даже в одной местности они нередко бывают различны.

 

2. ГАЗОВЫЙ СОСТАВ АТМОСФЕРЫ. ЗНАЧЕНИЕ КИСЛОРОДА, УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА. ГАЗООБМЕН Р и Ж

Атмосфера — это газовая оболочка, которая окружает. Землю. Наличие атмосферы — одно из самых важных условий жизни на планете. Без еды человек может обходитися месяц, без воды — неделю, а без воздуха не проживет и нескольких минут.

Функции атмосферы:

1) Терморегулирующая – погода и климат на Земле зависит от распределения тепла, давления.

2) Жизнеобеспечивающая.

3) В тропосфере происходит глобальные вертикальные и горизонтальные перемещения воздушных масс определяющий круговорот воды, теплообмен.

4) Практически все поверхности геологические процессы обусловлены взаимодействием атмосферы, литосферы и гидросферы.

5) Защитная – атмосфера защищает землю от космоса, солнечной радиации и метеоритной пыли.

 

Атмосфера состоит из следующих слоев:

нижнего приземного слоя – тропосферы, стратосферы, мезосферы, ионо- и экзосферы

Древняя и современная атмосфера резко отличаются по составу. В прошлом атмосфера формировалась, в основном, из вулканических газов и состояла из образующихся в земных недрах летучих веществ: Н2, паров Н2О, СО2, СН4. Свободный азот как продукт вулканической деятельности, соединяясь с водородом, который был в избытке, превращался в аммиак. С появлением фотосинтезирующих организмов состав атмосферы стал меняться, и произошел переход от бескислородной в кислородную атмосферу, с чем связаны основные этапы биологической эволюции. Главными составляющими атмосферу газами становятся азот, кислород, аргон, углекислый газ.

В атмосферном воздухе содержится: азота – 78,08%, кислорода – 20,95%,

аргона – 0,93%, углекислого газа – 0,03%. Остальные химические элементы и соединения – неон, гелий, водород, метан, криптон, сероводород, фтористый и хлористый водород, угарный газ, оксиды азота, йод, сернистый газ, ксенон, др. составляют менее 0,1%. Важнейшими компонентами атмосферы являются азот и углекислый газ. Необходим для дыхания, жизнедеятельности всех организмов кислород, обязательный компонент различных окислительных реакций. Большая роль из газов атмосферы принадлежит озону .

Озон – трехатомный кислород (О3) присутствует в атмосфере от поверхности Земли до высоты 70 км. В приземных слоях воздуха он образуется под влиянием случайных факторов (грозовые разряды). Озон чрезвычайно ядовит, ПДК его в воздухе равна 0,00001%. Однако благодаря ему стало возможным существование жизни на Земле. В более высоких слоях атмосферы (стратосфере) озон образуется в результате воздействия ультрафиолетовой радиации Солнца на молекулы кислорода. Основная масса озона сосредоточена в стратосфере, и поэтому ее часто называют озоносферой. Слой максимальной концентрации озона – озоновый экран находится на высоте 20–25 км. Этот газ поглощает солнечную радиацию, при этом наиболее интенсивно – в ультрафиолетовой части, которая губительна для животных и растений. Благодаря озоновому экрану наиболее активная в биологическом отношении часть солнечной радиации не может губительно воздействовать на живые организмы. Всего озоновый слой поглощает около 13% солнечной энергии.

Уменьшение озона в стратосфере, разрушение озонового слоя, которое наблюдается в последнее время, связано с антропическими факторами. Наиболее существенную роль в этом играют химические соединения хлор-фтор-углероды (ХФУ), которые широко используются с разными целями: как хладагенты в холодильниках и кондиционерах, пенообразующие агенты в огнетушителях, очистители электронных приборов, при химической чистке одежды, производстве пенопластиков, в аэрозольных смесях. Ранее хлор–фтор–углероды рассматривались как идеальные для практического применения химические вещества, поскольку они стабильны и не активны, не токсичны. Но сейчас известно, что они опасны для атмосферного озона. Когда ХФУ поднимаются до высоты 25 км, где концентрация озона максимальная, они подвергаются интенсивному воздействию ультрафиолетового излучения. Оно разрушает молекулы ХФУ, которые распадаются на компоненты, обладающие высокой реакционной способностью. Таким является, в частности, атомарный хлор – один атом хлора может разрушить до ста тысяч молекул озона. Сейчас выброс ХФУ в атмосферу исчисляется миллионами тонн, и действие только этих ХФУ будет продолжаться довольно длительное время.