Абиотические факторы

К числу абиотических факторов относят климатические условия, которые в различных частях земного шара тесно связаны с солнечным излучением.

Солнечный свет является основным источником энергии, которая используется для всех жизненных процессов на Земле. Благодаря энергии солнечных лучей в зеленых растениях происходит фотосинтез, в результате которого обеспечивается питание всех гетеротрофных организмов.

Солнечное излучение неоднородно по своему составу. В нем различают ультрафиолетовые (менее 0,40 мкм) лучи, видимые (0,40-0,75 мкм), инфракрасные (длина волны более 0,75 мкм). Инфракрасные лучи составляют около 45 % лучистой энергии, достигающей Земли, и являются главным источником тепла, поддерживающего температуру окружающей среды. Видимые лучи составляют около 50 % лучистой энергии, которая особенно необходима растениям для процесса фотосинтеза, а также для обеспечения видимости и ориентации в пространстве всех живых существ. Хлорофилл поглощает преимущественно оранжево-красные (0,6-0,7 мкм) и сине-фиолетовые (0,5 мкм) лучи. Растения используют на фотосинтез менее 1 % солнечной энергии, остальная ее часть рассеивается в виде тепла или отражается.

Большая часть ультрафиолетового излучения с длиной волны менее 0,29 мкм задерживается своеобразным «экраном» — озоновым слоем атмосферы, который образуется под воздействием этих же лучей. Это излучение является губительным для живого. Ультрафиолетовые лучи с большей длиной волны (0,3-0,4 мкм) достигают поверхности Земли и в умеренных дозах оказывают благоприятное воздействие на животных — стимулируют синтез витамина D, пигментов кожи (загар).

Большинство животных способны воспринимать световые раздражения. Уже у некоторых простейших могут быть светочувствительные органоиды (стигма у эвглены зеленой), с помощью которых они способны реагировать на световое воздействие (фототаксисы). Почти все многоклеточные обладают разнообразными светочувствительными органами.

По требовательности к интенсивности освещения различают светолюбивые, теневыносливые и тенелюбивые растения.

Светолюбивые растения могут нормально развиваться только при полном освещении. Они широко распространены в сухих степях и полупустынях, где растительный покров редкий и растения не затеняют друг друга (тюльпан, гусиный лук). К светолюбивым растениям относятся и хлебные злаки, растения безлесных склонов (чабрец, шалфей) и др.

Теневыносливые растения лучше растут при прямом освещении солнечными лучами, однако способны выносить и затенение. Это в основном лесообразующие породы (береза, осина, сосна, дуб, ель) и травянистые растения (зверобой, земляника и др.).

Тенелюбивые растения не выносят прямого солнечного излучения и нормально развиваются в условиях затенения. К таким растениям относятся лесные травы — кислица, мхи и др. При вырубке леса некоторые из них могут погибать.

Ритмические изменения активности светового потока, связанные с вращением Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца, заметно отражаются на живой природе. Продолжительность светового дня неодинакова в различных частях земного шара. На экваторе она постоянна на протяжении всего года и равна 12 ч. По мере передвижения от экватора к полюсам длительность светового дня изменяется. В начале лета световой день достигает максимальной длины, затем постепенно уменьшается, в конце декабря становится самым коротким и снова начинает увеличиваться.

Реакция организмов на продолжительность светового дня, выражающаяся в изменении интенсивности физиологических процессов, называется фотопериодизмом. С фотопериодизмом связаны основные приспособительные реакции и сезонные изменения у всех живых организмов. Совпадение периодов жизненного цикла с соответствующим временем года (сезонный ритм) имеет огромное значение для существования видов. Роль пускового механизма сезонных изменений (от весеннего пробуждения до зимнего покоя) играет длина светового дня как наиболее постоянное изменение, предвещающее смену температур и других экологических условий. Так, увеличение длины светового дня стимулирует деятельность половых желез у многих животных и определяет начало брачного периода. Укорочение светового дня осенью ведет к затуханию функции половых желез, накоплению жира, развитию пышного меха у животных, перелетам птиц. Аналогично у растений с удлинением светового дня связано образование гормонов, влияющих на цветение, оплодотворение, плодоношение, образование клубней и т. д. Осенью эти процессы затухают.

В зависимости от реакции на длину светового дня растения делят на длиннодневные, цветение которых наступает при продолжительности светлого периода суток 12 и более часов (рожь, овес, ячмень, картофель и др.); короткодневные, у которых цветение наступает, когда день становится коротким — менее 12 ч (это растения преимущественно тропического происхождения — кукуруза, соя, просо, георгины и др.) и нейтральные, цветение которых не зависит от длины светового дня (горох, гречиха и др.).

На основе фотопериодизма у растений и животных в процессе эволюции выработались специфические изменения интенсивности физиологических процессов, повторяющиеся с годичной периодичностью, которые называются сезонными ритмами. Изучив закономерности суточных ритмов, связанных со сменой дня и ночи, и сезонных ритмов, человек использует эти знания для круглогодичного выращивания в искусственных условиях овощей, цветов, птиц, повышения яйценоскости кур и т. п.

Суточная ритмичность у растений проявляется в периодическом открытии и закрытии цветков (хлопчатник, лен, душистый табак), усилении или ослаблении физиологических и биохимических процессов фотосинтеза, скорости деления клеток. Суточные ритмы, проявляющиеся в периодическом чередовании активности и отдыха, характерны и для животных, и для человека. Всех животных можно подразделить на дневных и ночных. Большинство из них проявляет наибольшую активность днем (жаворонки, волки, зайцы и др.), однако некоторые (летучие мыши, совы, крыланы и др.) приспособились к жизни только в ночных условиях. Ряд животных постоянно обитает в полной темноте (аскарида, крот и др.).

У человека обнаружены суточные колебания свыше трехсот показателей. Так, температура тела выше в дневные часы, достигает максимального значения к 18 часам, а ночью снижается. Самый низкий уровень температуры наблюдается между 1 часом ночи и 5 часами утра. Артериальное давление днем выше, а ночью ниже. В дневное время выше свертываемость крови, в периферической крови увеличено содержание кровяных пластинок, эритроцитов, лейкоцитов, адреналина. У большинства людей наивысшая биоэлектрическая активность мозга наблюдается утром (с 8 до 12 ч) и вечером (между 17 и 19 ч). Людей, способных к наиболее активной работе утром, называют «жаворонками». Однако встречаются лица, у которых наиболее высокая работоспособность приходится на вечерние и даже ночные часы (их называют «совами»). Большинство людей может работать производительнее в дневное время суток, поэтому в ночные смены снижается производительность труда и внимание, что приводит к повышению травматизма.

К нарушению привычных суточных ритмов приводит и преодоление на воздушном транспорте больших расстояний, когда происходит перемещение пассажиров на несколько часовых поясов. Для сохранения высокой работоспособности в таких условиях необходимо заблаговременно вырабатывать новый суточный биоритм.

Важным абиотическим фактором среды является температура, от которой в значительной степени зависит существование, развитие и распространение живых существ. Колебания температуры на земном шаре достигают широких пределов: от +50 … +60 °С в пустынях до -70 … -80 °С в Антарктиде, однако жизнь существует и в таких экстремальных условиях (водоросли в горячих источниках, пингвины в Антарктиде). Многие низшие организмы способны выдерживать очень низкие температуры благодаря высокой концентрации в цитоплазме их клеток солей, глицерина, сахара и сниженного количества воды. У большинства же организмов процессы жизнедеятельности протекают при температурах от -4 °С до +40… +45 °С.

Всех животных подразделяют на холоднокровных (пойкилотермных) и теплокровных (гомойотермных). У холоднокровных (рыбы, земноводные, пресмыкающиеся и беспозвоночные) температура тела непостоянна и зависит от температуры окружающей среды. У некоторых холоднокровных (например, у насекомых) при интенсивном сокращении мышц во время полета температура тела может повышаться на 10 и более градусов. Теплокровные животные (птицы и млекопитающие) и человек способны поддерживать постоянную температуру тела благодаря интенсивному обмену веществ, появлению теплоизолирующих покровов (перья, мех, подкожная жировая клетчатка) и выработке в процессе эволюции особых механизмов ее регуляции (потовые железы, нервные механизмы регуляции). Важную роль в интенсификации обменных процессов у гомойотермных организмов сыграли такие ароморфозы, как четырехкамерное сердце и совершенные органы дыхания. Надо помнить, что эта способность носит ограниченный характер, так как при значительных колебаниях температуры внешней среды возможен перегрев или переохлаждение организма, что чревато серьезными последствиями. Одним из приспособлений животных к колебаниям температуры является миграция — переселение в более благоприятные условия (перелеты птиц, миграции рыб, насекомых).

Многие виды холоднокровных животных приобрели способность переживать неблагоприятные условия (высокую или низкую температуру, отсутствие воды, пищи) в состоянии оцепенения. Это состояние характеризуется неподвижностью животного, прекращением питания, резким снижением всех физиологических функций. Некоторые насекомые, рыбы и земноводные впадают в оцепенение при температурах ниже +10 °С, а другие — только при температуре, близкой к нулю. Вмерзшие в лед лягушки после оттаивания возвращаются к активной жизнедеятельности. Даже ряд млекопитающих (ежи, барсуки) впадают в зимнюю спячку. Пониженный уровень обмена веществ поддерживается у них за счет запасов энергии (жира), накопленных ранее. Грызуны, черепахи и другие животные пустынь впадают в спячку на несколько летних месяцев, что обусловлено преимущественно нехваткой воды.

Наиболее глубокое оцепенение наблюдается при анабиозе — такое состояние живых организмов, при котором все жизненные процессы почти прекращены или настолько снижены, что видимые проявления жизни отсутствуют. В состоянии анабиоза повышается устойчивость организмов ко многим неблагоприятным факторам: недостатку кислорода и влаги, действию ядовитых веществ и ионизирующих излучений и др. Чаще всего анабиоз вызывают изменения температуры и влажности среды. Так, при пересыхании луж впадают в анабиоз многие бактерии, простейшие и низшие ракообразные. Многие паразитические бактерии и простейшие при этом покрываются плотными оболочками и образуют споры (бактерии) или цисты (простейшие). В таком состоянии они могут сохранять жизнеспособность в течение нескольких лет.

Важным лимитирующим абиотическим фактором внешней среды является влажность, так как без воды не может существовать ни один организм. Вода является в первую очередь универсальным растворителем, а все обменные процессы в клетках протекают в растворах; вода непосредственно участвует в биохимических реакциях. Ее содержание в клетках достигает 70-90 %.

Источником воды для растений и животных служат атмосферные осадки, водоемы, подземные воды, роса и туман. Влажность воздуха определяется содержанием в нем водяного пара. Наибольшая влажность отмечается на побережьях морей и океанов (до 100 %), а наименьшая — в пустынях (2-4 %).

Недостаток влаги служит лимитирующим фактором, определяющим границы жизни и ее зональное распределение. При недостатке воды у животных и растений вырабатываются приспособления для ее добывания и сохранения. У растений засушливых мест могут быть глубокие корни (у верблюжьей колючки до 16 м), мелкие листья, покрытые толстой кутикулой, содержащие относительно мало устьиц (иногда листья видоизменены в колючки). У полупустынных растений (кактусы, молочаи) имеются сочные мясистые стебли с сильно развитой водозапасающей тканью. Одним из приспособлений для снижения потерь воды является листопад.

У животных также выработался ряд приспособлений к недостатку влаги. Мелкие животные (грызуны, пресмыкающиеся, членистоногие) довольствуются водой, поступающей вместе с пищей. Резервуаром воды для ряда животных засушливых районов служат отложения жира (горб у верблюда, курдюк у овец, жировое тело у насекомых), при окислении которого образуется необходимое количество воды. Ряд животных пустынных районов обладает способностью к длительному быстрому бегу (антилопы, куланы, сайгаки), позволяющей им совершать дальние миграции на водопой. Некоторые виды (преимущественно грызуны) перешли к ночному образу жизни, тем самым избегая перегрева и большого испарения воды.

Соленость среды обитания является важным экологическим фактором и зависит от концентрации растворимых солей. Минеральные соли почвы служат источником питания растений (удобрения), однако их избыток, наблюдающийся на засоленных почвах, действует на растения губительно (солончаки). В природе преобладают животные, приспособленные к обитанию только в пресной воде (карповые рыбы) или только в соленой (сельдеобразные рыбы). Однако отдельные виды животных в разные периоды развития живут в разных условиях солености (взрослые угри обитают в пресных водоемах, а их личинки — в морях, лососевые рыбы — наоборот).

К важным абиотическим факторам внешней среды можно отнести барометрическое давление и состав атмосферного воздуха.

Большинство живых существ на нашей планете приспособлено к существованию при барометрическом давлении 720-740 мм рт. ст. (на уровне Мирового океана). По мере подъема на высоту давление воздуха падает, что неблагоприятно сказывается на снабжении организмов кислородом.

Главной составной частью воздуха является кислород (21 %), который необходим для нормального протекания окислительных процессов в клетках большинства живых существ (аэробов). Некоторые организмы (в основном бактерии) могут существовать в бескислородной среде (анаэробы). Даже один и тот же организм на разных этапах своего развития может менять отношение к кислороду. Так, яйца аскариды для своего развития нуждаются в кислороде, а взрослые паразиты приспособились к существованию в бескислородной среде (кишечник человека).

Содержание диоксида углерода составляет всего 0,03 — 0,04 %, но он имеет существенное значение для жизни на Земле, так как непосредственно используется в процессе фотосинтеза. Больше всего в атмосфере содержится азота (70,09 %), однако он не имеет особого биологического значения, так как непосредственно не усваивается растениями. В атмосфере содержится также небольшое количество инертных газов, газообразных и пылевидных примесей, микроорганизмов.