Свет, температура и влажность: экологические группы организмов, приспособления и фотопериодизм
Свет как экологический фактор
Свет — важнейший абиотический фактор, служащий, с одной стороны, единственным источником энергии для фотосинтеза (то есть практически для всей жизни на Земле), а с другой — сигнальным фактором, регулирующим суточные и сезонные ритмы организмов. Для организмов важны три характеристики света: интенсивность (количество энергии), спектральный состав (длина волны) и продолжительность освещения (длина дня). Разные диапазоны спектра играют разную биологическую роль: видимый свет (400–750 нм) используется в фотосинтезе и зрении, ультрафиолетовое излучение в малых дозах необходимо для синтеза витамина D у животных, а в больших — губительно для живых клеток, инфракрасное излучение воспринимается организмами в основном как тепло.
Экологические группы растений по отношению к свету
По отношению к освещённости растения делят на три экологические группы. Светолюбивые растения (гелиофиты) — обитатели открытых пространств, степей, лугов, верхнего яруса леса; имеют мелкие, часто рассечённые листья с толстой кутикулой, ориентированные ребром к прямым солнечным лучам во избежание перегрева (например, злаки, сосна). Тенелюбивые растения (сциофиты) — обитатели нижних ярусов густого леса; имеют крупные тонкие листья тёмно-зелёного цвета с высоким содержанием хлорофилла, расположенные горизонтально для максимального улавливания рассеянного света (кислица, папоротники, многие мхи). Теневыносливые растения — занимают промежуточное положение, способны существовать как при хорошем освещении, так и в тени (ель, дуб, копытень).
Фотопериодизм
Фотопериодизм — реакция организмов на изменение продолжительности светового дня (соотношения длины дня и ночи), служащая для них сигналом о смене сезона и запускающая соответствующие физиологические перестройки. По типу реакции на длину дня растения делят на длиннодневные (зацветают при длинном летнем дне — рожь, пшеница, редис — типичные для умеренных и высоких широт), короткодневные (зацветают при коротком дне — хризантема, георгин, рис, соя — характерны для более южных широт) и нейтральные к длине дня (например, некоторые сорта томатов, одуванчик). У животных фотопериодизм регулирует линьку, накопление жира, миграции, впадение в спячку и размножение — например, увеличение длины дня весной запускает у птиц гормональную перестройку, приводящую к началу гнездования, а сокращение дня осенью служит сигналом к отлёту перелётных птиц или подготовке к зимней спячке у млекопитающих. Значение фотопериодизма в том, что в отличие от температуры, которая может колебаться непредсказуемо, длина дня в данной точке земного шара в данную календарную дату — величина строго постоянная и потому служит наиболее надёжным сигналом наступления сезона.
Температура как экологический фактор
Температура определяет скорость всех биохимических процессов в организме и, соответственно, границы возможности существования жизни (в норме от −70 до +55°C, хотя отдельные термофильные микроорганизмы выдерживают гораздо более высокие, а споры и семена — гораздо более низкие температуры в состоянии анабиоза). По способу регуляции температуры тела организмы делят на две большие группы.
Пойкилотермные и гомойотермные организмы
Пойкилотермные (холоднокровные) организмы — большинство животных (беспозвоночные, рыбы, земноводные, пресмыкающиеся) — не способны поддерживать постоянную температуру тела, которая изменяется вслед за температурой среды; их активность и интенсивность обмена веществ напрямую зависят от внешней температуры, что заставляет их впадать в оцепенение или спячку при похолодании. Гомойотермные (теплокровные) организмы — птицы и млекопитающие — способны поддерживать постоянную температуру тела независимо от температуры среды за счёт высокого уровня обмена веществ и совершенных механизмов терморегуляции (теплоизоляция — шерсть, перья, подкожный жир; физиологические механизмы — потоотделение, учащённое дыхание, сужение и расширение кровеносных сосудов), что даёт им возможность заселять самые разные климатические зоны, включая приполярные области.
Приспособления организмов к температуре
У организмов выработался целый ряд приспособлений к неблагоприятным температурам: физиологические (накопление жира, снижение точки замерзания жидкостей тела за счёт антифризных белков у некоторых полярных рыб), морфологические (правило Бергмана: у теплокровных животных в пределах вида особи из более холодных областей обычно крупнее — это уменьшает отношение поверхности тела к его объёму и снижает теплоотдачу; правило Аллена: у животных холодных областей выступающие части тела — уши, конечности, хвост — короче) и поведенческие (миграции в более тёплые регионы, спячка, зимний сон, укрытия в норах и под снегом, стайное скучивание для сохранения тепла).
Влажность как экологический фактор
Вода — необходимый компонент любой живой клетки, и доступность влаги (влажность воздуха, количество осадков, доступность почвенной воды) — один из важнейших лимитирующих факторов, особенно для наземных организмов, вынужденных постоянно бороться с потерей воды путём испарения. По отношению к водному режиму растения делят на несколько экологических групп.
Экологические группы растений по отношению к влажности
| Группа | Характеристика и приспособления | Примеры |
|---|---|---|
Гидрофиты | Водные растения, полностью или почти полностью погружённые в воду | Элодея, ряска, кувшинка |
Гигрофиты | Растения избыточно увлажнённых местообитаний, слабо приспособлены к перенесению засухи | Papyrus, калужница, рис |
Мезофиты | Растения умеренно увлажнённых мест обитания, наиболее распространённая группа | Большинство луговых и лесных трав, злаки |
Ксерофиты | Растения засушливых мест обитания с приспособлениями к экономии и запасанию воды | Кактусы, полынь, саксаул, верблюжья колючка |
Ксерофиты выработали разнообразные приспособления для экономии влаги: суккуленты (кактусы, алоэ, агавы) запасают воду в мясистых стеблях или листьях; склерофиты (ковыль, саксаул) уменьшают испарение за счёт мелких жёстких листьев, часто превращённых в колючки, густого опушения, воскового налёта, глубокой корневой системы, способной доставать воду с большой глубины.
Экологические группы животных по отношению к воде
Аналогично у животных выделяют гидробионтов (постоянных обитателей водной среды — рыбы, большинство ракообразных), гигрофилов (влаголюбивых животных, обитающих во влажных местах — амфибии, мокрицы, комары) и ксерофилов (животных сухих мест обитания, способных подолгу обходиться без воды или получающих её из пищи — верблюды, тушканчики, некоторые пустынные жуки и рептилии, способные к метаболической выработке воды при окислении жиров).
Комплексное действие абиотических факторов
На практике свет, температура и влажность действуют на организм не изолированно, а совместно, часто усиливая или ослабляя эффект друг друга. Например, сочетание высокой температуры и низкой влажности (аридный климат) создаёт особенно жёсткие условия для растений, требующие комплекса ксероморфных приспособлений сразу к обоим факторам; а короткий световой день в сочетании с понижением температуры осенью служит надёжным двойным сигналом для подготовки организмов к зиме.
Типичные ошибки
Частая ошибка — путать причину фотопериодической реакции: растения и животные реагируют именно на продолжительность освещения (длину дня), а не на количество получаемой световой энергии или температуру, поэтому фотопериодизм остаётся надёжным сигналом сезона даже в пасмурную погоду. Другая ошибка — считать, что теплокровность (гомойотермия) — однозначное эволюционное преимущество перед холоднокровностью; на самом деле у пойкилотермных организмов есть свои преимущества (меньшие энергетические затраты на поддержание температуры тела), что позволяет им существовать при гораздо меньшем количестве пищи, чем требуется теплокровным животным сравнимого размера. Также нередко путают гигрофитов и гидрофитов — первые растут на избыточно увлажнённой почве, но не в самой толще воды, тогда как вторые обитают непосредственно в воде.
Краткий словарь терминов
Фотопериодизм — реакция организмов на изменение продолжительности светового дня.
Пойкилотермные организмы — животные с непостоянной температурой тела, зависящей от температуры среды.
Гомойотермные организмы — животные, способные поддерживать постоянную температуру тела.
Ксерофиты — растения, приспособленные к жизни в условиях недостатка влаги.
Гигрофиты — растения избыточно увлажнённых местообитаний.
Правило Бергмана — закономерность увеличения размеров тела теплокровных животных в холодных широтах.
Суккуленты — растения, запасающие воду в мясистых листьях или стеблях.
Заключение
Свет, температура и влажность — три важнейших абиотических фактора, определяющих границы распространения организмов и порождающих разнообразные экологические группы и приспособления, от гелиофитов и сциофитов до ксерофитов и гидробионтов. Особую роль среди них играет фотопериодизм — надёжный сигнальный механизм, синхронизирующий жизненные циклы организмов со сменой сезонов. Рассмотрев влияние неживой природы, перейдём к следующей группе факторов — взаимоотношениям организмов друг с другом, то есть к биотическим факторам среды.
