3. Влага в жизни организмов

Вода – основа протоплазмы клеток, тканей, растительных и животных соков. Только при наличии воды в организме протекают процессы фотосинтеза, терморегуляции, обменных процессов. Наиболее высоко содержание воды в периоды активной жизнедеятельности (табл. 1) и в молодом возрасте.

Но и в состоянии покоя растения не теряют влагу полностью. В сухих лишайниках содержится до 5-7% воды, в зерновках злаков – 12-14%. Независимо от климата и почвенных условий в течение года всегда можно выделить такие периоды в развитии растений, за исключение растений влажных тропиков, когда они испытывают дефицит влаги. При остальных благоприятных условиях он сильно сказывается на росте и развитии растений, обусловливает их низкорослость и бесплодие.

В процессе эволюции у растений и животных выработался многочисленные сложные приспособления, позволяющие поддерживать водный баланс и обеспечивать экономное расходование воды. Растения пустынь и степей приспособились к острому дефициту влаги, болотные и влажно-тропические растения – к избытку, а лесным видам необходима высокая влажность воздуха и умеренная влажность почв. Как и в отношении остальных факторов, эти приспособления-адаптации группируются в анатомо-морфологические, физиологические и поведенческие.

По отношению к влажности различают эвригигробионтные и стеногигробионтные организмы. Первые живут в широком диапазоне содержания влаги, а для вторых она должна быть либо высокой, либо низкой, либо промежуточной между первыми двумя. Это относится и к растениям и к животным, несмотря на то, что вторые имеют возможность отыскивать места с оптимальной влажностью. И те и другие могут легко переносить дефицит влаги (копытные, верблюд, варан, пищуха-сеноставка, из растений: лишайники, суккуленты, многие злаки, полыни, и т.д.), а могут и вовсе не выносить сухости (земноводные, пресмыкающиеся, ластоногие, из растений: все плавающие растения, сфагновые мхи, многие папоротники, из высших: недотрога обыкновенная – быстро теряет тургор, калужницы, адокса мускусная, и др.).

По способу регулирования водного режима своего тела растения делятся на пойкилогидрические (пойкилогидридные) и гомойгидрические (гомогидридные). У первых содержание воды в тканях непостоянно и зависит от влагообеспеченности биотопа (наземные водоросли, лишайники (!), мхи, тропические папоротники, из высших растений – пустынная осока (C. physodes). У них нет анатомических приспособлений, защищающих от испарения. У большинства отсутствуют устьица и транспирация равна испарению. Тела у них высыхают до воздушно-сухого состояния, а во влажную погоду напитываются водой и зеленеют. У вторых (большинство покрытосеменных растений) содержание воды более-менее постоянно при любой погоде – они регулируют испарение путем закрывания устьиц и складывания листьев, в оболочках клеток у них содержатся водонепроницаемые вещества (кутин, суберин).

Гидатофиты – это водные растения, целиком или почти целиком погруженные в воду.

Гидрофиты – это растения наземно-водные, частично погруженные в воду, растущие по берегам водоемов, на мелководьях, на болотах.

Гигрофиты – наземные растения, живущие в условиях повышенной влажности воздуха и часто на влажных почвах. Среди них различают теневые и световые.

Мезофиты могут переносить непродолжительную и не очень сильную засуху.

Ксерофиты растут в местах с недостаточным увлажнением и имеют приспособления, позволяющие добывать воду при ее недостатке, ограничивать испарение воды или запасать ее на время засухи. Ксерофиты подразделяются на два основных типа: суккуленты и склерофиты.

Суккуленты– сочные растения с сильно развитой водозапасающей паренхимой в разных органах.

Склерофиты– это растения, наоборот, сухие на вид, часто с узкими и мелкими листьями, иногда свернутыми в трубочку. Склерофиты можно подразделить на две группы: эуксерофитов и стипаксерофитов.

Кроме названных экологических групп растений, выделяют еще целый ряд смешанных или промежуточных типов.

Среди животных тоже можно выделить три экологических группы, но из-за подвижного образа жизни они выражены неявно. Среди ряда групп животных можно выделить гигрофилов и ксерофилов, т. е. влаголюбивые и сухолюбивые виды. Промежуточную группу составляют мезофилы. Среди насекомых, например, гигрофильны кровососущие комары, которые активны преимущественно в вечерние и утренние часы, а днем – либо в пасмурную погоду, либо только в тени, под пологом леса, т. е. при повышенной влажности воздуха. Ксерофильны жуки-скакуны, пустынные жуки-чернотелки, пустынная саранча и др.

Способы регуляции водного баланса у животных разнообразнее, чем у растений. Их можно разделить на поведенческие, морфологические и физиологические.

К числу поведенческих приспособлений относятся поиски водопоев, выбор мест обитания, рытье нор и т. п. В норах влажность воздуха приближается к 100 %, даже когда на поверхности очень сухо. Это снижает необходимость испарения через покровы, экономит влагу в организме.

К морфологическим способам поддержания нормального водного баланса относятся образования, способствующие задержанию воды в теле: раковины наземных улиток, ороговевшие покровы рептилий, развитие эпикутикулы у насекомых и т. п. У пустынных жуков-чернотелок срастаются и прирастают к телу надкрылья, вторая пара крыльев редуцируется и между телом и надкрыльями образуется камера, куда выходят дыхальца насекомого. Эта камера открывается наружу лишь небольшой узкой щелью, воздух в ней насыщен водяными парами. Части тела, соприкасающиеся с внешней средой, защищены непроницаемой для воды эпикутикулой.

Физиологические приспособления к регуляции водного обмена – это способность к образованию метаболической влаги, экономии воды при выделении мочи и кала, развитие выносливости к обезвоживанию организма, величина потоотделения и отдачи воды со слизистых.

4. Ветер. Ветер играет важную роль в переносе семян растений и покоящихся зачатков животных. Плоды и семена растений могут иметь специальные приспособления к переносу ветром. Ветер также имеет значение при опылении некоторых растений. Обычно ветроопыляемые растения растут большими группами, многие деревья и кустарники цветут до распускания листьев.

Ветер оказывает и формообразующее влияние на растения. Он может ломать ветви деревьев, а ураганы ломают деревья у основания или вырывают с корнем. Обширные ветровальные участки наблюдаются в лесах умеренного пояса, преимущественно еловых, поскольку корни ели не идут глубоко в землю.

Ветер способствует формированию флагообразных форм деревьев, особенно у верхней границы их произрастания: в горах и у пределов леса на севере. По направлению этих флагообразных деревьев можно судить о направлении преобладающих ветров.

При заселении островов ветер играет двойственную роль. Во-первых, он способствует переносу на остров диаспор растений, а также различных крылатых беспозвоночных животных. Одновременно ветер уносит с острова различные не очень хорошо летающие, но крылатые формы. В результате отбора в таких местообитаниях появляются либо бескрылые формы, либо животные, умеющие затаиться при порыве ветра.

Влияние лесных сообществ на скорость ветра велико. В лесу скорость ветра значительно замедляется. Аналогичное влияние, хотя и не столь значительное оказывают и другие растительные сообщества.

5. Газовый состав атмосферы. Газовый состав атмосферы в природе значительно меняется только возле вулканов, где возрастает содержание газов, вредных для жизни животных и растений. В высокогорьях уменьшается общее давление атмосферы и парциальное давление кислорода. Животные приспосабливаются к уменьшению кислорода при помощи увеличения гемоглобина в крови. Растения приспосабливаются к жизни в высокогорьях увеличением содержания хлорофилла в листьях.

Лекция №5. «Абиотические факторы (эдафические, гидрологические, орографические)»

Эдафические факторы

Эдафическими факторами являются особенности почв и снежного покрова.

Химические свойства субстрата. Химическим свойствами субстрата являются, прежде всего, его кислотность, содержание легкорастворимых солей и питательных веществ.

1. Кислотность почвы, выражаемая концентрацией водородных ионов рН существенна для животных и особенно для растений. Каждый вид растений существует при определенных показателях рН и имеет свой оптимум этой величины. То есть существуют виды растений, предпочитающие сильнокислые почвы, нейтральные или щелочные. Почвенные беспозвоночные также требовательны к рН почвы. Дождевые черви, например, не переносят рН ниже 4,4. Наземные моллюски, имеющие раковины, живут при рН 7-8.

2. Богатство почв. Из химических элементов, получаемых растениями из почвы наибольшее экологическое значение имеют азот, фосфор и калий. Они потребляются в значительных количествах и поэтому их не хватает чаще других.

По содержанию основных питательных веществ почвы могут быть бедными, средними и богатыми. Соответственно, растения, живущие на этих почвах олиготрофными (бедные почвы), мезотрофные (средние) и эвтрофными (богатые).

Некоторые растения могут быть названы нитратными, они обычно бывают хорошо развиты на почвах, богатых солями азота. Таковы пырей ползучий, пшеница, крапива двудомная, хмель, иван-чай и др.

По отношению к кальцию все растения подразделяются на кальциефобы (избегающие кальция) и кальциефилы (приуроченные к богатым кальцием почвам). Некоторые растения безразличны к кальцию. Во флоре центральной части ЕТР к числу кальциефилов относят костер речной, люцерну серповидную, лиственницу сибирскую, бук и ясень. Кальциефобами являются сфагновые мхи, щавель кислый, виды щучки, настоящий каштан.

3. Легкорастворимые соли. На почвах, богатых легкорастворимыми солями произрастают растения, именуемые галофитами. Некоторые особенности их строения позволяют им произрастать даже там, где соли образуют сплошной слой на поверхности почвы. С засоленными почвами связаны и некоторые виды животных. Только в Средней Европе к солонцам и солончакам приурочены около 20 видов жуков, встречающихся исключительно или почти исключительно на этих почвах.

Не менее интересна группа растений галофитов (от греческого слова «гальс» — соль). Они растут на засоленной почве: по берегам морей или в засушливом климате (в зоне степей, полупустынь и пустынь).

Физическое строение почв. Физические особенности субстрата также оказывают весьма существенное воздействие на обитающих на них и в них растений и животных.

Ярким примером приспособления к субстрату являются растения и животные-псаммофилы (живущие на песках). Песок – подвижный субстрат, имеющий рыхлую структуру. Растения песков способны давать придаточные корни при засыпании нижних частей их стеблей и переносить обнажение корневых систем при перевевании песков на другое место. У многих из них имеются длинные корневища, скрепляющие субстрат. Именно при помощи растений происходит закрепление песков.

Животные, обитающие на песках, обладают способность быстро в них зарываться. К таким животным относятся некоторые виды ящериц и змей, ряд насекомых. На лапках многих псаммофилов имеются щеточки из волосков или роговые чешуйки, увеличивающие их поверхность. Это приспособление для рытья нор и быстрого перемещения по песку. Многие обитатели песков могут передвигаться в толще песка на значительные расстояния.

Твердый глинистый субстрат также способствует появлению приспособлений у животных. Считается, что появление копыт у млекопитающих было связано с передвижением по твердому субстрату.

Снежный покров. Значение снежного покрова в жизни растений и животных многообразно. Он укрывает поверхность почвы и тем самым способствует сохранению тепла в почве. В многоснежных районах возможно подснежное развитие растений, которые потом зацветают ранней весной. В тундрах высота снежного покрова часто определяет высоту древесной и кустарниковой растительности. Выше снега побеги зимой не выживают, поэтому деревья и кустарники имеют высоту, совпадающую с высотой снежного покрова в данном месте. Так образуются стланниковые и карликовые формы.

Животных по отношению к снежному покрову разделяют на хионофобов – «снегоненавистников», ведущих надснежный образ жизни и хионофилов – «снеголюбов», которые обитают под снегом. Малоснежные зимы создают неблагоприятные условия хионофилам (кротам, полевкам), которые могут массово гибнуть и благоприятные условия хионофобам (копытным животным), которые легче передвигаются по маломощному снежному покрову.

Многие животные при выпадении снега мигрируют. Некоторые переходят на другие корма (например, зайцы зимой питаются ветками, а летом – травами).

Влажность грунта. Влажность грунта также влияет на распространение организмов. Грунт может быть физически сухим, влажным в той или иной степени и физиологически сухим. Мы говорим о физиологически сухом грунте тогда, когда грунт содержит влагу, которая не может быть усвоена растениями и животными. Так почвы солончаков обычно влажные, но из-за высокого осмотического давления растворов солей влага почти не может быть усвоена растениями. Физиологически сухими являются почвы тундр, которые насыщены очень холодной водой.

Гидрологические факторы