Жизнь и среда обитания

Основы экологии

Абиотические факторы среды: температура, радиация, химическое загрязнение

Температура. Этот климатический фактор существенно определяет скорость биохимических реакций в клетках, влияя на большинство физиологических процессов от прохождения нервных импульсов до пищеварения. Слишком высокие или слишком низкие температуры губительны для организма. Высокая температура разрушает биополимеры, белки крови человека денатурируют уже при 41-42°С.

В связи с сезонными переменами климата существа наделены свойством акклимации — возможностью изменять пределы выносливости. С наступлением осени морозоустойчивость растений постепенно повышается (накоплением в клетках углеводов). Весной она резко снижается, и в случае заморозков растения могут погибнуть. У животных при акклимации к зиме меняется шерстяной или перьевой покров, увеличивается жировая прослойка, запасается бурый жир.

В теплое время года включаются физиологические механизмы, защищающие от перегрева, увеличивается количество испарений через покровы и дыхательную систему. Некоторые насекомые, пустынные грызуны и черепахи с наступлением жаркого периода впадают в летнюю спячку.

Птицы и млекопитающие наделены механизмом терморегуляции, поэтому способны переносить значительные перепады температур. Насекомые, пресмыкающиеся, многие звери и растения переходят с наступлением осени в состояние зимнего покоя. Для защиты от переохлаждения количество воды в их организмах снижается, накапливаются углеводы и глицерин. Обмен веществ замедляется. Частота сердечных сокращений у суслика около 300 ударов в минуту, во время спячки — всего 3 удара, температура тела понижается до +5°С. У травяных растений зимуют семена, корневые системы. Клещи, малярийные комары, мухи и многие бабочки зимуют на стадии взрослой особи, а непарный шелкопряд и различные виды тлей — на стадии яйца. Колорадский жук на зимовку уходит вглубь почвы более чем на 1 метр.

Некоторые существа способны к анабиозу — практически полной остановке обмена веществ. Организм полностью обезвоживается, клетки высыхают, меняют форму, но их внутреннее строение не нарушается. При восстановлении благоприятных условий жизнедеятельность возобновляется. Мухи, коловратки и нематоды выдерживают продолжительные понижения температуры до -190°С. В состоянии анабиоза энергия расходуется предельно экономно, резко повышается устойчивость организма.

Поддержание нормальной жизнедеятельности в неблагоприятных условиях требует от существ больших затрат энергии. Виды, обитающие в высоких широтах, наиболее приспособлены к перепадам температур. Тундровые песцы переносят колебания температур от +30°С до -55°С, даурская лиственница выдерживает температуру до -70°С (близ Верхоянска). Животные и растения тропических лесов приспособлены лишь к небольшому диапазону температур, снижение температуры до +5°С для них губительно. Отдельные виды бактерий и водорослей благополучно себя чувствуют в горячих источниках при температуре до +123°С. Однако для большинства организмов наиболее благоприятным является диапазон от +15°С до +30°С.

В воде благодаря ее высокой теплоемкости колебания температуры существенно меньше, чем на суше. Поэтому водные виды менее приспособлены к перепадам температур. Диапазон приспособленности некоторых видов антарктических рыб составляет всего 4°С (от -2°С до +2°С). С повышением температуры до 0°С интенсивность обмена веществ у них вырастает, а при +2°С резко падает, и рыбы впадают в тепловое оцепенение.

В популяциях теплокровных животных с продвижением на север уменьшаются выступающие части (вспомним рис. на с 209) и увеличиваются средние размеры тела. Так, европейский бурый медведь весит 150-280 кг, камчатский — 400-500 кг, а медведи Аляски и острова Вадьяк — около 800 кг. Дело в том, что теплопотери пропорциональны площади поверхности тела, их удельная величина (на килограмм веса) падает с увеличением объема животного (Sшара/Vшара = 3/r).

Многие северные виды животных наделены "чудесной сетью" кровеносных сосудов. В ластах китов и лапах птиц вены расположены вплотную к артериям. Тепло артерий передается венам и возвращается в тело, температура конечностей и теплопотери резко снижаются.

Арктические растения — с преобладанием стелющихся форм, их листья часто подушковидные. Благодаря такой конфигурации растения улавливают больше солнечного света и максимально используют тепло нагретой почвы.

Сообщества наземных организмов характеризуются широтной зональностью — сменой видов при продвижении от экватора к полюсам. Влажные тропические леса переходят в субтропики и далее в листопадный лес умеренного климата и низкорослую тундровую растительность. Типы природных сообществ определенных климатических зон называют биомами. Горные цепи и бассейны крупных рек способствуют проникновению теплолюбивых видов далеко на север. Горы защищают от холодных ветров, а водные массы служат резервуаром тепла, повышающим среднюю температуру почвы и воздуха. Вода обладает большой теплоемкостью, она запасает тепло и длительное время согревает окружающую среду. Создаваемый микроклимат формирует интересное сочетание видов, порой не характерных для данного биома.

Кроме климатических условий на организмы существенно влияют и другие абиотические факторы — радиационный фон и загрязняющие вещества.

Радиационный фон. Высокоэнергетичная радиация способна ионизировать атомы, поэтому ее называют ионизирующим излучением. Часть этого излучения приходит из космического пространства, другая — от радиоактивных пород планеты. Это ядра гелия (альфа-частицы), поток электронов (бета-частицы), гамма- и рентгеновское излучение. Радиационный фон ионизирующего излучения в разных местах планеты отличается в 3-4 раза. Меньше всего он на поверхности моря, а максимален на вершинах гранитных гор из-за меньшей толщины атмосферы и большего количества радионуклидов в гранитных породах.

Наиболее чувствительны к радиации высокоорганизованные животные и особенно человек. Даже небольшое повышение естественного фона приводит к заметному возрастанию частоты мутаций. У высших растений чувствительность к радиации прямо пропорциональна размеру клеточного ядра, содержащего генетическую информацию. У животных определяющую роль играет ранимость отдельных систем. Даже низкие дозы вызывают у млекопитающих повреждение быстро делящейся ткани костного мозга, поскольку в период деления генетический материал особенно уязвим. Неделящиеся нервные клетки повреждаются лишь при высоких уровнях облучения.

Рассеянные в окружающей среде радионуклиды попадают в организмы также при движении по пищевым цепям (почва--растение--растительноядное животное--хищник). Если скорость их радиоактивного распада меньше скорости поступления, то радиоактивные вещества накапливаются в воде, почве, воздухе, постепенно обедняя видовой состав биоценозов. В костной ткани живых существ накапливаются изотопы стронция и цезия, в щитовидной железе — изотопы йода. В зонах с повышенной радиацией благополучно существуют только синезеленые — их находят даже вблизи ядерных реакторов.

Химическое загрязнение. В современном мире важным антропогенным фактором являются загрязняющие вещества, быстро уничтожающие флору и фауну на огромных территориях.

В процессе медеплавления в окружающей среде накапливается сернистый ангидрид, вызывающий кислотные дожди. Вредным отходом теплоэнергетики является диоксид углерода. Другие производства дают ядовитые оксиды азота, соединения меди, ртути, фосфора. Особенно много токсичных выбросов в выхлопных газах автомашин. Экосистемы обширных районов разрушаются утечками нефти при добыче и транспортировке. В результате борьбы с сельскохозяйственными вредителями в почве и воде накапливаются пестициды (лат.pestis вредитель +caedere убивать): инсектициды (лат. insectum насекомое) и гербициды (лат. herbum трава) — средства против насекомых и сорняков. Эти вещества ухудшают свойства почвы и воды — жизненно важных природных компонентов.

Вопросы

1. Почему экстремальная температура сильно воздействует на жизнедеятельность организмов? По какой причине птицы и млекопитающие способны переносить значительные перепады температур?
2. Почему водные виды приспособлены к узкому диапазону температур?
3. Что называют акклимацией? Приведите примеры.
4. Почему радиация особенно опасна для высокоорганизованных существ?