Влажность как абиотический фактор среды. Влажность как фактор среды. Значение воды в организме. Приспособления организмов к различным условиям влажности

Вода - самое pacпространенное на поверхности Земли химическое соединение и вместе с тем наиболее удивительное. Она - единственное вещество, встречающееся в природе одновременно во всех трех агрегатных состояниях - твердом, жидком и газообразном. Вода - универсальный растворитель.

Вода - очень прочное химическое соединение. Она имеет самое большое из всех жидкостей поверхностное натяжение, что обусловливает ее высокую капиллярность.

Газообразная вода - водяной пар - легче воздуха, благодаря чему возможно образование облаков, перенос воды в атмосфере и выпадение осадков. Большая тепловая буферность геосфер в значительной мере обусловлена такими свойствами воды, как высокая удельная теплоемкость, высокая скрытая теплота плавления и испарения. Свойства

многих веществ, растворенных в воде, а также молекулярных биологических структур, существенно зависят от конфигураций гидратных комплексов связанной воды.

Вода является важнейшим экологическим фактором для живых организмов и их постоянной составной частью, что отражено в таблице.

С экологической точки зрения вода - лимитирующий фактор как в наземныхтак и водных местообитаниях, если ее количество подвержено резким изменениям (приливы, отливы) или происходит ее потеря организмом в сильно соленой воде осмотическим путем.

В наземно-воздушной среде этот абиотический фактор характеризуется количеством осадков, значением влажности, иссушающими свойствами воздуха и доступной площадью водного запаса.

Число атмосферных осадков обусловлено физико-географическими условиями и неравномерно на земном шаре. Но для организмов важнейшим лимитирующим фактором является распределение осадков по сезонам года. В умеренных широтах даже при достаточном количестве годовых осадков их неравномерное распределение может привести к гибели растений от засухи или, наоборот, переувлажнения. В тропической

зоне организмам приходится переживать влажные и сухие сезоны, регулирующие их сезонную активность при постоянной почти круглый год температуре.

Адаптированные к условиям пустыни растения содержат ингибитор прорастания, который вымывается лишь при определенном количестве осадков, достаточном для вегетации (например, 10 мм), и только тогда прорастает. Начинается кратковременное «цветение пустыни» (обычно весной).

Влажность воздушной среды - количество водяных паров, содержащихся в единице объема воздуха при данной температуре. Однако чаще используется понятие относительной влажности, т. е. отношение абсолютной влажности к тому количеству водяных паров, которые смогут насытить данное пространство при данной температуре.

Отсюда способность влажности изменять эффекты температуры: понижение влажности ниже некоторого предела при данной температуре ведет к иссушающему действию воздуха, имеющему наиболее важное экологическое значение для растений.

Подавляющее большинство растений всасывает воду корневой системой из почвы.

Иссушение почвы затрудняет всасывание. Адаптация растений к таким условиям - увеличение всасывающей силы и активной поверхности корней. Величина этой силы у корней умеренной зоны от 2 до 4 ⋅ 106 Па, а у растений сухих областей - до 6 ⋅ 106 Па.

Как только выбрана доступная вода в данном объеме, корни растут далее вглубь и в стороны, и корневая система может достигнуть, например, у злаков длины 13 км на 1000 см3 почвы (без корневых волосков) (рис. 5.9).

Вода расходуется на фотосинтез, всего около 0,5 % всасывается клетками, а 97- 99 % уходит на транспирацию - испарение через листья. При достаточном количестве воды и питательных веществ рост растений пропорционален транспирации, а ее эффективность будет наивысшей. Эффективность транспирации - отношение прироста (чистой продукции) к количеству транспирированной воды. Измеряется в граммах сухого вещества на 1000 г воды. Для большинства растений, даже для большинства засухоустойчивых, она равна двум, т. е. на получение каждого грамма живого вещества тратится 500 г воды. Основная форма адаптации - не снижение транспирации, а прекращение роста в период засухи.

В зависимости oт способов адаптации растений к влажности выделяют несколько экологических групп: гигрофиты - наземные растения, живущие в очень влажных почвах и условиях повышенной влажности (рис, папирус, папоротник, рогоз, осоки, кислица, клюква, болотные растения); мезофиты - переносят незначительную засуху (древесные растения различных климатических зон, травянистые растения дубрав, большинство культурных растений и др.); ксерофиты - растения пустынь, сухих сте-

пей, саванн, сухих субтропиков, песчаных дюн и сухих, сильно нагреваемых склонов, способные накапливать влагу в мясистых листьях и стеблях - суккуленты (алоэ, кактусы и др.), а также склерофиты - обладающие большой всасывающей силой корней и способные снижать транспирацию растения с узкими мелкими листьями (полынь холодная, эдельвейс эдельвейсовидный, ковыли, типчак и др.).

Структурные и физиологические особенности гигрофитов призваны постоянно удалять избыточную влагу. Это осуществляется интенсивной транспирацией, которая мало отличается от физического испарения. Избыточная влага удаляется также путем гуттации - выделения воды через специальные выделительные клетки, расположенные по краю листа. Избыточная влага затрудняет аэрацию, а следовательно, дыхание

и всасывающую деятельность корней, поэтому удаление излишков влаги представляет собой борьбу растений за доступ к воздуху.

Структурные и физиологические особенности ксерофитов нацелены на преодоление постоянного или временного недостатка влаги в почве или воздухе. Решение данной проблемы осуществляется тремя способами: 1) эффективным добыванием (всасыванием) воды; 2) экономным ее расходованием; 3) способностью переносить большие потери воды.

Интенсивное добывание воды из почвы достигается ксерофитами благодаря хорошо развитой корневой системе. По общей массе корневые системы ксерофитов примерно в 10, а иногда в 300-400 раз, превышают надземные части. Длина корней может достигать 10-15 м, а у саксаула черного - 30-40 м, что позволяет растениям использовать влагу глубоких почвенных горизонтов, а в отдельных случаях - и грунтовых вод. Встречаются и поверхностные, хорошо развитые корневые системы, при-

способленные к поглощению скудных атмосферных осадков, орошающих лишь верхние горизонты почвы.

Экономное расходование влаги ксерофитами обеспечивается тем, что листья у них мелкие, узкие, жесткие, с толстой кутикулой, многослойным толстостенным эпидермисом и большим количеством механических тканей, поэтому даже при большой потере воды листья не теряют упругости и тургора. Клетки листа мелкие, плотно упакованные, благодаря чему сильно сокращается внутренняя испаряющая поверхность.

Кроме того, у ксерофитов повышенное осмотическое давление клеточного сока, благодаря чему они могут всасывать воду даже при больших водоотнимающих силах почвы.

К физиологическим адаптациям относится и высокая водоудерживающая способность клеток и тканей, обусловленная большой вязкостью и эластичностью цитоплазмы, значительной долей связанной воды в общем водном запасе и т. д. Это позволяет ксерофитам переносить глубокое обезвоживание тканей (до 75 % всего водного запаса) без потери жизнеспособности. Кроме того, одной из биохимических основ засухо устойчивости растений является сохранение активности ферментов при глубоком обезвоживании.

Мезофиты занимают промежуточное положение между гигрофитами и ксерофитами. Они распространены в умеренно влажных зонах с умеренно теплым режимом и достаточно хорошей обеспеченностью минеральным питанием. К мезофитам относятся растения лугов, травянистого покрова лесов, лиственные деревья и кустарники из областей умеренно влажного климата, а также большинство культурных растений и сорняки. Для мезофитов характерна высокая экологическая пластичность, позволяющая им адаптироваться к меняющимся условиям внешней среды. Специфичные пути регуляции водообмена позволили растениям занять самые различные по экологическим условиям участки суши.

Многообразие способов приспособления лежит, таким образом, в основе распространения растений на Земле, где дефицит влаги является одной из главных проблем экологической адаптации.

12. Адаптации животных к водному режиму .

По отношению к воде среди животных вы-

деляют следующие экологические группы: гигрофилы (влаголюбивые) (мокрицы, ногохвостки, наземные планарии, комары, наземные моллюски и амфибии); ксерофилы (сухолюбивые) (верблюды, пустынные грызуны, пресмыкающиеся), а также промежуточную группу - мезофилы (многие насекомые, птицы, млекопитающие).

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

Поведенческие приспособления включают поиск водоемов, выбор мест обитания, рытье нор и т. д. В норах влажность воздуха приближается к 100 %, что снижает испарение через покровы, экономит влагу в организме.

К морфологическим способам поддержания нормального водного баланса относятся образования, способствующие задержанию воды в теле: раковины наземных моллюсков, отсутствие кожных желез и ороговение покровов пресмыкающихся, хитинизированная кутикула насекомых и др.

Физиологические приспособления регуляции водного обмена можно разделить на три группы: 1) способность ряда видов к образованию метаболической воды и довольствованию влагой, поступающей с пищей (многие насекомые, мелкие пустынные грызуны); 2) способность к экономии влаги в пищеварительном тракте за счет всасывания воды стенками кишечника, а также образования высококонцентрированной мочи

(овцы, тушканчики); 3) в наиболее экстремальных случаях дефицита влаги - прекращение терморегуляторной отдачи влаги (влагоотдачи), как это происходит у верблюдов, не имеющих доступа к воде. В такой ситуации отключается потоотделение и резко сокращается испарение с дыхательных путей.

Значение воды в жизни растений переоценить трудно. Она необходима для поддержания структурной целостности клеток, тканей, всего организма. Все жизненные процессы в растениях проходят в водной среде. Вода участвует в процессе фотосинтеза, в транспорте минеральных веществ. На создание 1 части органического вещества растение тратит около 400 частей воды. Количество воды, которое поступает к растениям, определяет весь ход обмена веществ, обеспечивает не только нарастание биомассы, но и особенности анатомии и морфологии растения. Для водорослей вода является средой обитания, а для сухопутных растений - важный экологическим фактором.

В природе, как известно, вода встречается в виде атмосферных паров, капельно-жидком и твердо-кристаллическом состоянии. Влажность в разных точках земного шара неодинакова. Больше всего осадков выпадает в экваториальной зоне (от 10 ° южной широты до 10 ° северной широты). Обычно, количество осадков и в этой зоне разная, но преобладают территории с обильными дождями. Особенно много осадков выпадает в верховьях Амазонки и на островах Малайского архипелага (Юго-Восточная Азия). Здесь количество осадков достигает иногда 12 000 мм в год. В Европе наиболее влажным местом является Црквице на берегу Адриатического моря (4620 мм в год), в России это район Батуми (2500 мм в год), на Украине - Карпаты (1000 - 1200 мм в год). Но, в то же время, в тропиках есть регионы, где количество осадков очень маленькая - они даже не могут смочить поверхность почвы. Так, в перуанской пустыне и Ливийской пустыне осадки не выпадают вообще.

Важным условием, которое влияет на распределение осадков, является температура. С понижением температуры от экватора к полюсу уменьшается интенсивность испарения и влагоемкость воздуха. В холодных зонах воздуха не способно содержать много водяных паров. В теплых, наоборот, может конденсироваться большое количество пар из воды, выпадающей в виде дождя. Большую роль в перераспределении осадков по земной поверхности играет наличие больших водных пространств. Чем ближе море или океан, тем больше выпадает осадков. На этот же перераспределение влияет наличие горных систем. Скажем, на побережье Тихого океана в Перу и, частично, Чили является пустыня Атакама, где по несколько лет не бывает дождей. Она образовалась благодаря горным хребтам, которые задерживают дождевые облака, поступающих из океана. Нечто похожее наблюдается и у нас в Украине в Закарпатье, где выпадает несколько больше дождей, чем в расположенном на востоке Прикарпатье. Конечно, это не приводит к образованию пустынь, но определенная задержка влаги происходит, что отразилось, в некоторой степени, на формировании растительных сообществ, расположенных к востоку от гор.

При изучении экологии растений в том или ином районе земной суши следует помнить о разном количестве осадков в течение года. В экваториальной зоне есть два периода дождя март - апрель и октябрь - ноябрь. Но в Африке в бассейне реки Конго, при очень большом количестве годовых осадков (до 2230 мм), очень сухие периоды года (июль - август), когда дожди не выпадают. В средних широтах, в том числе и в Украине, максимальное количество осадков чаще приходится на июль - сентябрь и январь - февраль.

Растения по-разному поглощают воду в течение вегетационного периода. Наибольшая ее количество поглощаемого при наличии влажной почвы, хорошо развитой транспируючои поверхности и теплого, сухого воздуха. Для примера можно привести сосновые леса, растущие на высоких песчаных дюнах в умеренном климате. В таких экологических условиях высокой степени транспирации наблюдается только в период вегетации непосредственно после дождя. Большое количество влаги поглощается после летних ливней, но этот процесс прекращается через несколько дней после того, как заканчивается комбинированное действие силы тяжести и поглощающей способности корней, в результате чего наступает точка устойчивого увядания.

Влажность почвы, при которой растения начинают сохнуть, называется влажностью увядания. Запасы воды, который остались после наступления точки устойчивого увядания, труднодоступные и называются мертвым запасом.

Для песчаных почв мертвый запас составляет 1 - 3%, супесчаных - 5 - 7%, суглинистых - 12 - 15%. На песчаных почвах Полесья, где уровень грунтовых вод расположен ниже 3 - 5 м, в зону капиллярного поднятия сосна обыкновенная опускает тяжи корневой системы, и обеспечивают ее влагой. Рост деревьев происходит, главным образом, именно в короткие пислядощови периоды. Однако, в большей части лесов вода содержится в почве более длительный промежуток времени. Она аккумулируется за счет как таяние снега, так и дождей. Кроме этого, корневые системы деревьев способны достигать уровня грунтовых вод. Поэтому в таких условиях транспирация, а также и рост деревьев может происходить более длительный промежуток времени.

Циклоны, которые формируются над хорошо прогретым океаном, забирают большое количество водного пара и относят его в континентальные районы, в том числе и к нам. Это происходит зимой. Летом циклоническая деятельность снижается. В континентальных районах повышается температура, образуются мощные потоки поднятия, которые также несут влагу.

Океан является главным резервуаром воды на Земле, ведь в нем содержится 91,55% всей земной воды (табл. 5.1). В живых организмах (главным образом в производителях, то есть растениях) содержится значительное ее количество - 1,1 х кг млрд, тон, но от общего ее количества на планете это составляет менее 0,0001%.

По данным Μ. И. Будыко, ежегодное общее испарения с океана составляет 448 тыс. Км3 воды, а с суши, особенно за счет транспирации растительного покрова - 71 тыс. Км3. Вследствие осадков в сушу попадает 109 тыс. Км3 воды, на океан - 411 тыс. Км3. Кстати, из общего количества осадков на суше, 37 тыс. Км3 стекает снова в океан. Таким образом, в природе происходит постоянный круговорот воды, который определяет, наряду с другими факторами, климат территорий, а также создает условия жизни и жизнедеятельности растениям (рис. 5.1).

Таблица 5.1

Масса воды в гидросфере и ее составляющие

Рис. 5.1. Круговорот воды в биогеоценозах суши

(По А. А. Молчановым, 1964)

Испарения с земной поверхности необходимо рассматривать в комплексе с осадками. Для водного баланса любой территории важно не столько абсолютные величины осадков и испарения, сколько соотношение между ними.

Если величина суммы годовых осадков превышает величину испарения за этот же период, то эта территория относится к гумидных зоны, в противном случае - к аридной.

Примерно на 1/3 поверхности суши наблюдается нехватка воды, при этом, в половине этой площади отмечается крайне засушливая ситуация с годовой суммой осадков ниже 250 мм и испарением более 1000 мм. Малое количество осадков, сама по себе, еще не говорит о ариднисть территории: холодные полярные зоны также бедны осадки, но они не являются аридных, поскольку и испарения здесь очень низкое. Крайне влажные регионы с высокими уровнями осадков занимают менее 9% поверхности суши. Значительные засушливые территории расположены, главным образом, между 15 ° и 30 ° северной и южной широты и за высокими горными цепями. С удалением от моря наблюдается постепенный переход от гумидных зоны в аридной (рис. 5.2). Для последней характерны засуха и засоленность почв и вод. Впрочем, соотношение годовых осадков и испарения - это довольно грубая указание на влажность или засушливость территории. Для растений важно, чтобы влага поступала именно в то время, когда они наиболее нуждающимся, то есть в течение вегетационного периода. Для более объективного заключения, по оценке климата на определенной территории, необходимо составлять климатические диаграммы по материалам метеорологических наблюдений в течение года.

Рис. 5.2. Схема изменения климата, растительности и почв вдоль профиля через основные ландшафты Европейской части Росы с северной о запада на юго-восток

(По Г. М. Высоцким и Г. Ф. Морозовым, 1934)

Примечание: черным цветом указано гумусовый горизонт, полосками - илювий горизонт.

Примером преобладание испарения влаги над количеством осадков могут быть пустыни Средней Азии, которые охватывают часть Казахстана, южную половину Арало-Каспийской низменности и простираются до высоких гор на востоке. На юге они заходят в Афганистан. Осадки в южной части среднеазиатских пустынь выпадают, главным образом зимой, а летом их совсем не бывает. Годовая сумма осадков - не превышает 250 мм, однако на значительных площадях она сокращается до 100 мм и меньше. С низкой температурой зимой связана низкое испарение: 1000 - 1400 (до 2500) мм, благодаря чему в песчаных пустынях, даже там где грунтовые воды залегают очень глубоко, развивается , заметна растительность. В пустынях Средней Азии определенные растительные формации связаны с количеством осадков и особенностями их распределения в течение года, а также с почвообразующими субстратами:

Эфемеровой пустыня на лессовидных, суглинистых почвах;

Растительные группировки каменистых гипсофитнои пустыне

Формации галофитов на глинистых почвах;

Псамофитова пустыня на песчаных почвах.

Так, например, эфемеровых пустыни занимают огромные площади к западу от озера Балхаш (Голодная степь) (табл. 5.2). В течение марта и апреля во регионе каждые 4-5 дней идут дожди, хорошо смачивают верхние горизонты почвы. В конце мая почву высыхает и прогревается на глубину 10 см до + 30 ° С и выше. Весной здесь быстро развиваются виды растений, которые образуют подземные многолетние органы (клубные, луковицы, корневища). Это осока гостии (Carex hostii), мятлик бульбастий (Poa bulbosa L.), герань бульбаста (Geranium tuberosum L.), а также виды родов или змиячка (Scorzonera), звездочки (Gagea), тюльпан (Тиlира) и др. Весенняя пустыня напоминает цветущий луг - растительный покров полностью смыкается, а у растений отсутствуют ксероморфные признаки. В некоторых местах можно заметить гигантскую травянистое растение семейства зонтичных - ферулы вонючую (Ferula foetida), которая достигает в высоту до 2 м. Цветы на этом растении появляются через 6-7 лет после прорастания семян. После плодоношения она отмирает. Но именно в особенностях корня ферулы проявляется приспособления данного вида к засушливым условиям. Растение формирует мощный стержневой корень диаметром 17 - 29 см, который проникает на глубину всего 20 см. Далее он разделяется на многочисленные боковые корни, которые, в свою очередь, растут горизонтально до 2 м в длину, а затем углубляются вертикально на 80 - 100 см. Таким образом, корни одного растения пронизывают до 4 м3 грунта. Такое строение корней обеспечивает растению возможность получения воды из поверхностных и более влажных глубоких горизонтов почвы, а мощный стержневой корень помогает переносить безвологи периоды года. Другим примером приспособления к засушливого климата мятлик бульбастий, луковицы которого теряют способности к прорастанию и через 8 лет хранения в сухом состоянии. Но с конца апреля в течение последующих 9 месяцев пустыня выглядит полностью вымершей. Исключение составляют два мелких травянистых виды афаноплеура волосистолиста (Aphonopleura capillifolia ) и двучленных пузырчатый (Diarthron vesiculosum). Цветы у них появляются тогда, когда солнце выжжет все живое и грунт без воды становится твердым, как камень. При этом, двучленных пузырчатый не иссякает до осени (этот экологический феномен недостаточно изучен).

Таблица 5.2

Динамика содержания воды в почве Голодной степи весной (влажность, %)

На типичном примере среднеазиатских пустынь четко видно, что большая часть фитомассы ее растений сконцентрирована в почве. Это свойственно даже достаточно большим деревьям. В эфемеров корневая система слабая и расположена в верхнем слое почвы. Другие виды имеют как горизонтально распространены корни, так и те, которые проникают глубоко и достигают нижних горизонтов почвы, содержащие доступную для растений влагу даже летом. Таким образом, определенная обеспеченность водой гарантирована для данных видов в течение года. Интенсивность транспирации пустынных растений определяется именно объемом поглощенной воды. При достаточном количестве влаги растения энергично транспирують, что уже само по себе является признаком интенсивного газообмена и интенсивного фотосинтеза и продуцирования органического вещества. Наибольшее количество влаги на транспирацию растения тратят в июле. В течение лета, с ухудшением условий водоснабжения и ростом водного дефицита, скорость испарения снижается. Это проявляется в том, что все виды уменьшают транспируючы площадь путем сброса части листа.

По степени и характеру обеспечения влагой растения пустынь разделяют на четыре группы:

гидрофиты, связанные с грунтовыми водами, которые залегают относительно высоко от поверхности, или даже выходят на поверхность;

фреатофиты, которые развиваются в мисцезростаннях с более низким расположением грунтовых вод;

трихогидрофиты, корневая система которых не достигает уровня грунтовых вод, но проникает в капиллярного края;

омброфиты, которые питаются исключительно дождевой водой.

Таким образом, в водном режиме растений очень важное значение играет влажность почвы. Именно с него растения получают наибольшее количество воды.

Количество влаги в почве, ее доступность определяют ход многих физиологических процессов растений, ритм их развития, влияют на их вид.

Потребление растениями воды из почвы зависит от впитывающей способности их корневой системы, от состояния почвенной влаги, от сил, удерживающих воду в почве. Вся почвенная влага делится на доступную и недоступную для растений:

До доступной относится гравитационная (заполняет промежутки между частицами почвы) и капиллярная (содержится в капиллярах почвы). Последняя поставляет наибольшую долю воды к растениям;

До недоступной влаги почвы относятся: пленочная (адсорбционная), что покрывает грунтовые частицы, гигроскопична и коллоидная.

Различные почвы по-разному удерживают влагу. Наибольшую влагоемкость имеют глинистые почвы, наименьшую - песчаные (табл. 5.3). Скорость капиллярного подъема находится в противоположной зависимости от размера частиц: чем они меньше, тем большей высоты достигает капиллярный подъем, но тем медленнее он происходит. Доступность влаги почвы ограничивают некоторые факторы:

Низкая температура почвы;

Высокая концентрация легкорастворимых солей;

Высокая кислотность почвы;

Недостаток почвенного воздуха;

Отсутствие кислорода в грунтовой воде.

Таблица 5.3

Зависимость высоты подъема воды от механического состава почвы

(По А. А. Роде, 1963)

При изучении экологической роли воды следует всегда помнить о балансе между поступлением и расходованием воды. Поступление чаще происходит через корневую систему, а ущерба для - за счет транспирации. Если поступление влаги не компенсирует расходы, то растение погибает. Это происходит при недостатке влаги в почве, болезнях растений, повышении температуры, суховеи. В зависимости от продолжительности действия того или иного негативного фактора в растениях происходят различные изменения, которые и приводят сначала к замедлению их развития, а затем и гибели:

Снижается тургор клеток:

Останавливается деление клеток и их рост; устьица закрываются и прекращается поступление СО2 к растениям;

Снижается интенсивность фотосинтеза;

Увеличивается интенсивность дыхания;

Расходуются органические вещества;

Транспирация очень замедляется;

Замедляется и полностью прекращается поступление питательных веществ из почвы;

Происходит отмирание сосущих корней и тому подобное.

В разные периоды жизни растения по-разному переносят нехватку влаги, такой период называется критическим. Большинство растений наиболее уязвима в период образования генеративных органов. Различные растения в одних и тех же условиях по-разному переносят отсутствие почвенной влаги. Это зависит от сосущей силы клеток корневой системы. Например, высоким осмотическим давлением клеток корней отличаются растения тундры, растущие на засоленных почвах и в засушливых регионах. Один и тот же вид, что растет в тундре и средних широтах имеет севере сосущие силу, большую на 10 - 20%. Имеет значение размер корневой системы. Так, однолетние сеянцы дуба имеют общую длину корней 114 м, ясеня - 186 м, тогда как длина надземной частей составляет 20 - 25 см. У некоторых растений пшеницы в период созревания семян общая длина корней достигает 64 - 80 км. Важна также глубина проникновения корней в почве. Например, длина корней верблюжьей колючки (рис. 5.3) за люцерны может достигать водоносных горизонтов на глубине 18 м. При достижении горизонта происходит развитие корневой системы на глубине.

Рис. 5.3. Корневая система верблюжьей колючки и сосны обыкновенной (а - сфагновом болоте, б - на песчаной почве)

Другой фактор, который определяет водный баланс растений - ее расходы, происходящие во время транспирации. У растений выработались защитные приспособления от высоких температур и недостатка воды:

Способность устьиц закрываться при недостатке воды или их глубокое расположение в листьях;

Сбрасывания листьев и отдельных побегов (джузган, саксаул)

Уменьшение площади транспирации (в ковыля листья скручиваются в трубочку)

Частичная или полная редукция листьев (колючки у кактусов и верблюжьей колючки, шиловидные вырасти в белого саксаула, чешуйки в можжевельника казацкого)

Возникновение приспособлений, уменьшающих испарение или задерживают Транспирацийний влагу (густые волоски на листьях коровяка, глянцевая поверхность листьев в брусники, блестящие чешуйки у лоха серебристого, испарения эфирного масла для снижения нагрева листа, кристаллы минеральных солей в солянок, образование воскового и смолистого покрова для уменьшения испарения, образования плотных покровных тканей)

Регулирование испарения путем суточных движений побегов и листьев (молокан дикий)

Перестройка жизненных ритмов (эфемероиды)

Периодическое приостановления и возобновления развития несколько раз в течение вегетационного периода (некоторые виды осок)

Способность накапливать влагу в своих вегетативных органах (алоэ, кактусы).

Таким образом, в процессе эволюции у растений выработались различные приспособления к условиям существования, связанных с влагой. Поэтому их стали разделять на определенные группы по требовательности к влаге.

Гидрофиты (от греч. Higros - вода, phiton - растение) - растения, которые растут в водной среде.

Это растения, которые растут частично или полностью погруженными в воду, например ряска, рогоз, стрелолист, кувшинки, кувшины. Поскольку в воде создаются специфический температурный режим, режим освещения и насыщенности газами и питательными веществами, в гидрофитов выработались специфические приспособления:

Развитая относительно большая поверхность листьев;

Все органы покрытые слизью для предотвращения вымывания солей;

Слабо развитые механические ткани;

Все органах имеют воздушные объемы;

Слабо развитые покровные ткани, облегчает поглощение из воды газов и питательных веществ;

Погружены в воду листья имеют типичную теневую строение, а расположенные на поверхности - световую;

Слабое развитие корневой системы, до полного исчезновения;

Сильно развито вегетативное размножение.

Гигрофиты - (от греч. Hidros - влажный, phiton - растение) - наземные растения, которые растут в условиях высокой влажности (почвы или воздуха).

Имеют преимущественно тонкие большие листовые пластинки со слаборазвитой кутикулой, слаборазвитую корневую систему, тонкие стебли. Растут на заболоченных территориях, во влажных лесах, поймах рек, по берегам рек и водоемов. Среди знакомых нам растений это - ольха черная, клюква болотная, вахта (вахта) трехлистной, калужница болотная, фиалка болотная, осоки, болотные ивы. Поскольку они плохо регулируют транспирацию, то очень трудно выдерживают засуху. К их гибели приводит осушительная мелиорация.

Мезофиты (от греч. Mesos - средний, промежуточный, phiton - растение) - экологическая группа растений, которая растет в условиях средней увлажненности.

Отличаются разнообразием форм и не имеют таких специфических морфолого-анатомических признаков, как ксерофиты и гигрофиты. К этой группе можно отнести множество растений: ель, бук, брусника, грушанки, копытень европейский, тимофеевка, овсяница, ландыш, осина, береза, липа, клен, овес, картофель, яблоня и др. Эти растения преобладают в умеренных климатических условиях.

Ксерофиты (от греч. Xeros - сухой, промежуточный, phiton - растение) - растения засушливых мест, приспособленные к жизни в условиях длительной или сезонной почвенной и атмосферной засухи.

Имеют специальные приспособления, которые препятствуют испарению воды и предотвращают перегрев растений. Долгое время господствовала теория немецкого ученого А. Шимпера о том, что ксерофиты экономно расходуют воду, то есть им свойственна низкая интенсивность транспирации. Но в 1952 г.. Советский ученый Н. А. Максимов доказал, что основная разница между мезофит и ксерофитами заключается не в интенсивности транспирации, а в способности засухоустойчивых растений выдерживать обезвоживание в период засухи. Растут они в степях, пустынях. Из знакомых видов этой группы растений относятся дуб пушистый, сосна крымская, ковыль, полынь, мятлик. На севере Украины ксерофиты встречаются в верховьях песчаных дюн (шалфей, различные виды полыни). Ксерофиты делятся на две группы:

суккуленты (от греч. Succulentus - сочный)

склерофиты (от греч. Skleros - твердый, жесткий).

Некоторые особенности суккулентов обсуждались при характеристике температуры, как экологического фактора. В части суккулентов листья превратилось в колючки или чешуйки. Функции ассимиляции выполняют зеленые стебли. В листовых форм, наоборот, стебли отсутствуют. Побеги и листья у суккулентов чаще голые, покрытые толстым кутинизованим эпидермисом и восковой пленкой. Корни у них растут быстро, достигают значительных размеров, распространены в поверхностном слое почвы. Корневая поглощающая сила в суккулентов низкая. Для растений этой группы характерен своеобразный обмен веществ. В процессе дыхания сахара распадаются не в СО2 и Н2О, как у большинства растений, а накапливаются промежуточные вещества - органические кислоты. Днем эти кислоты распадаются с выделением углекислого газа, который тут же поглощается самим растением. Ассимиляционные ткани представлены, главным образом, трубчатой паренхимой, в середине которой находится водозапасаюча паренхима.

К склерофиты относятся саксаул, различные виды ковыля и полыни, верблюжья колючка. Благодаря большому количеству механических тканей эти растения твердые, могут терять до 25% своей влажности. Корневая система обладает высокой поглощающей силу. По строению она разная, но чаще идет очень глубоко в водоносных слоев почвы. Типичный склерофиты - низкорослое растение с длинными корнями. Например, верблюжья колючка высотой до 1 м, а ее корневая система длиной до 30 м. Листья или редуцированы или мелкое, покрыто плотной кожурой, часто опушенные, может скручиваться. Выращивание ксерофитов в теплом, но влажном климате приводит к более интенсификации роста, увеличение размеров листьев. Вместо колючек может развиваться мягкие листья. Это указывает на то, что в неблагоприятные условия роста эти растения были вытеснены другими видами.

В пределах одной природно-климатической зоны и в пределах конкретных фитоценозов также происходит распределение растений на группы по требовательности к влаге. Примером может быть видовой состав лесных фитоценозов степной зоны Украины. В его состав входят:

Ксерофиты - сосна обыкновенная, гледичия трьохколючкова, белая акация, лох, дуб пушистый, сосна крымская, айлант;

Мезоксерофиты - береста (пробковая форма), шиповник, миндаль, терн;

Ксеромезофиты - дуб обыкновенный, паслен, ясень обыкновенный, груша, яблоня;

Мезофиты - граб, лещина, ильм, липа обыкновенная, клен остролистный, лиственница сибирская, клен явор;

Мезогигрофиты - тополь белый и черный, осина, береза пушистая, крушина ломкая, калина, бузина черная;

Гигрофиты - ива белая, ива ломкая, ольха черная, черемуха.

Интересные экологические особенности имеет распространенная древесная порода лесов Полесья Украины - сосна обыкновенная (Pinus sylvestris). Она успешно растет в разных (по влажности почв и глубиной грунтовых вод) экологических условиях - от вершин песчаных дюн на зандровых равнинах к олиготрофных и мезотрофных болот (рис. 5.4). То есть, как там, где уровень грунтовых вод залегает на глубине 4 - 5 м и более, так и там, где он выходит на поверхность. Обычно, сосну обыкновенную относят к ксерофитов, что объясняется ее способностью достаточно хорошо переносить значительную сухость воздуха и расти на сухих почвах. Например, данная древесина успешно создает насаждения в условиях степи Украины. Но, поскольку она растет даже в самых бедных по питательным веществам грунтовых условиях (борах) и при самых разных режимах увлажнения, то ее можно отнести практически к любой, из приведенных выше, групп растений. Однако, наиболее продуктивные, сомкнутые насаждения сосна формирует при размещении уровня грунтовых на 1,5 - 2 м ближе поверхности почвы, чем это отмечается для тех условий, где растут типичные ксерофиты.

Рис. 5.4. Зависимость роста сосны на песчаных почвах виж глубины залегания грунтовых вод

(По П. С. Погребняком)

А1 - сосняк лишайниковый (Pinetum cladinosum) с лишайниковым покровом

А2 - сосняк зеленомошный (Pinetum hylocomiosum) с брусникой (Vaccinium vitis-idaea)

А3 - сосняк черничный (Pinetum myrtillosum) с примесью березы с глубиной залегания грунтовых вод 1 - 2 м А4 - сосняк буяхово-багновий (Pinetum uligino-ledosum) на торфянисто-глеево-подзолистых почвах А5 - верховые болота с редкими соснами на торф "пьяных почвах

Растения приспосабливаются не только к общей влажности местности, но и сезонных и более коротких ее колебаний. По приспособлением к кратковременным колебаниям условий водоснабжения и испарения Г. Вальтер разделил наземные растения на две группы:

Пойкилогидрични, с непостоянным содержанием воды в тканях;

Гомойогидрични. которые способны поддерживать относительно постоянный содержание воды в тканях.

К первой группе относятся бактерии, сине-зеленые водоросли, лишайники, некоторые виды мхов и споровых сосудистых растений, небольшое количество покрытосеменных. Это прокариоты или эукариоты, которые имеют мелкие клетки без центральной вакуоли. При высыхании они сокращаются без изменений ультраструктур протоплазмы и, таким образом, без потери жизнеспособности. С потерей воды различные жизненные функции, например фотосинтез и дыхание, слабеют. Данные растения всасывают воду из влажного субстрата или после увлажнения их дождем, росой и туманом капиллярным способом и при этом набухают. Когда растение набухает, в ней восстанавливаются нормальные метаболические процессы.

Ко второй группе относится большинство растений. их клетки имеют большую центральную вакуоль и, благодаря наличию внутреннего водной среды, протоплазма становится менее зависимой от внешних условий. Но такая клетка, а потому и растение в целом, потеряла способность к высыханию. Растения, отнесенные к группе, должны расти в местах с более или менее постоянным источником влаги.

Обсуждая влажность, как экологический фактор, нужно обратить внимание на то, что не только влага влияет на растения, но и растения в значительной степени определяют влажность фитоценоз. Давно уже известно, что леса влияют на влажность воздуха в фитоценозе и на прилегающих территориях, на влажность почвы, на уровень залегания грунтовых вод.

Во время дождя влага задерживается на листьях, побегах, стволах деревьев. При слабом дожде крона елей задерживает 80% осадков, а сосны - 60 %. Лиственные деревья задерживают гораздо меньше дождевой влаги. Даже в густом буковом лесу около 50% дождевой воды достигает почвы. В травяных фитоценозах также задерживается достаточно много влаги. Например, на лугах Санкг-Петербургской области в почву доходит лишь треть осадков. Часть влаги идет на смачивание вегетативных органов растений, а часть - концентрируется на их поверхности в виде капель.

Влажность воздуха в лесных фитоценозах несколько выше, чем на прилегающих площадях за счет значительной транспирации влаги растениями, уменьшение силы ветра, снижение высоких температур, уменьшение испарения с поверхности почвы. Летом в густых лиственных насаждениях влажность у поверхности почвы, выше, чем на лесосеке, почти на 15 - 20% (Молчанов, 1961). В травянистых сообществах это явление наблюдается лишь частично, в небольшом слое воздуха у поверхности почвы. Влажность воздуха значительно колеблется в зависимости от типа леса. Так, в чистых сосняках летом на супесчаной почве она бывает на 10 - 12% выше, чем в трудовых дубравах. В лесу относительная влажность воздуха с высотой уменьшается, в кронах достигает какого-то постоянного значения и наименьших значений - при выходе из крон. Специфические условия влажности воздуха (наряду с другими экологическими условиями) в лесных фитоценозах тропических лесов объясняют наличие в них эпифитов.

Они имеют приспособления для добычи питательных веществ и воды из окружающей среды (например, губчатые покровы корней, которые легко впитывают воду, специальные образования из листьев и побегов для задержания воды и т.д.).

Фитоценозами транспируеться очень большое количество влаги. Лес, в некоторых условиях может испарять воды больше, чем ее приходится в течение года. Например, зрелый буковый лес за вегетационный период транспируе в атмосферу от 3600 до 5400 т воды с 1 га. Это своеобразный насос, работа которого влияет на гидрологический режим не только территории, где он растет, а и прилегающих территорий. Например, многочисленные представители эвкалиптовых отличаются способностью интенсивно впитывать и испарять влагу. Они даже называются "дерева- насосы". Подсчитано, что в течение года одно дерево эвкалипта способно испарить до 14 тонн воды. Эту их способность используют для осушения болотистых территорий. Самым известным примером является высадка эвкалиптов для осушения Колхидской низменности (Кавказское побережье Черного моря) во время борьбы с малярией в СССР.

В сухих климатических зонах лесные насаждения используют с целью задержания снега, перевод поверхностного стока в внутрипочвенный, благодаря чему увеличивается влажность почвы.

В Украине существует большое количество болот и заболоченных земель (особенно на Полесье) где образуются специфические фитоценоз и растут различные гигрофитни растения.

Болото - это участок земной поверхности, характеризующееся избыточным увлажнением, накоплением неразложившихся органического вещества и наличием влаголюбивой растительности.

Болота образуются при зарастании водоемов, заболачивание лесов и лесных пожарищ, лук и тому подобное. По рельефными условиями возникновения и водно-минеральным питанием болота делятся на:

низменные (эвтрофные)

переходные (мезотроны)

верховые (олиготрофные).

Низменные (эвтрофные) болота характеризуются наиболее богатыми почвами. Растительный покров здесь богатый и разнообразный и состоит из березы пушистой, ольхи клейкой (черной), кустовых ив, тростника, Куги, хвощей, осок, вахты, сабельника, зеленых гипновых мхов и т. Верховые (олиготрофные) болота бедные минеральными элементы питания, развиваются преимущественно в пределах лесной зоны. С гигрофитов здесь распространены сосна обыкновенная, береза пушистая, некоторые виды осок, пушица влагалищная, клюква, сфагновые мхи. Последние являются основой верховых болот. Сфагновые мхи способны впитывать воду. Примерно половина клеток сфагнума пустые. Именно они наполняются водой, увеличивая массу растения в 20 - 50 раз. Стебель этого мха растет вверх, достигая длины более 150 см. Непрерывный рост и высокая влагоемкость сфагнума является важным экологическим фактором. Он заставляет цветочные растения верховых болот приспособиться к нарастанию болота в высоту. Здесь способны расти только те растения, корневища которых могут также нарастать в высоту, или те, которые могут образовывать дополнительные корни на своих побегах (рис. 5.5). Но фитоценоз, образованные на верховых болотах, характеризуются малой биомассой и небольшим растительным разнообразием. Растения, в том числе и древесные, низкорослые, а плотность насаждений ниже средней. Переходные (мезотрофные) болота характеризуются умеренным минеральным питанием и занимают промежуточное положение между низменными и верховыми. Для растительного покрова характерны береза пушистая, сосна, некоторые осоки, грязь, клюква, пушица влагалищная и сфагновые мхи.

Рис. 5.5. Особенности строения растений верховых болот

(По берет, 1927)

а - росянка круглолистная со сфагнового покрова, уровень расположения ее розетки ежегодно повышается на 3 см

б - ель в возрасте 9 лет, ствол которой похоронен под мхом на глубину 20 см

Распределение фитоценозов на земном шаре подчинен определенным закономерностям, которые зависят от соотношения экологических факторов. Достаточно полное представление об обеспеченности растительности определенной территории влагой дают различные коэффициенты, учитывающие несколько климатических показателей, в том числе и количество осадков или влажность. К ним относится гидротермический коэффициент Г. Т. Селянинова (ГТК), который определяется как отношение суммы осадков за вегетационный период к сумме активных температур (более + 10 ° С) за то же время:

где R - сумма осадков за период, коды t °> 10 ° С;

Σ (t °> 10 ° С) - сумма активных температур выше 10 ° С.

То есть, при расчете гидротермического коэффициента Селянинова учитываются две характеристики экологических условий - количество осадков и температура воздуха. Скажем, северная граница степи совпадает со значением ГТК = 1, для пустыни ГТК = 0,5, для широколиственных лесов ГТК = 1,5. Таким образом, для зоны избыточного увлажнения ГТК> 1,5, при колебании ГКТ в пределах от 1 до 1,5 создаются достаточные условия увлажнения; при значениях ГКТ от 0,7 до 1 ощущается недостаток влаги.

Обобщая характеристику влажности как экологического фактора, следует отметить, что в почти одинаковых географических условиях на Земле существуют и сухие пустыни, и тропические леса (рис. 5.6). Различия проявляются в количестве осадков, которые выпадают на территории в течение года от 0,2 - 200 мм в пустыне до 900 - 2000 мм в тропиках. В первом случае, растительный покров характеризуется небольшим количеством видов и их низкой производительностью, во втором - создаются сложные по структуре, многочисленные по видовым разнообразием и огромные по биомассе фитоценоз.

Рис. 5.6. Зависимость типов растительности от климатических условий

(По Μ. И. Николайкиним, Н. Е. Николайкиною, А. П. Мелехов, 2004)

Таким образом, именно влажность является одним из факторов окружающей среды, которые определяют тип растительного группировки. В процессе эволюции растения выработали ряд специфических приспособлений, направленных как на максимальное использование воды, так и на ее избыток или недостаток. Кроме того, водная среда - это среда обитания большой и важной группы низших растений водорослей.

В наземных условиях влажность чаще других экологических факторов лимитирует рост и развитие организмов. Объясняется это тем, что вода играет большую роль в их жизни. Она является универсальным растворителем, средой для биохимических реакций в клетке. Молекулы воды могут непосредственно участвовать в реакциях как субстрат (гидролиз, фотосинтез). Являясь основным структурным компонентом клеток, вода обусловливает их тургор. У некоторых животных (круглые и кольчатые черви) она служит гидростатическим скелетом. Обладая высоким поверхностным натяжением, вода выполняет транспортную функцию (передвижение веществ) в организме. Благодаря высокой удельной теплоемкости, теплопроводности и теплоте парообразования вода обеспечивает поддержание теплового баланса в организме и предотвращает его перегрев. Она служит средой обитания для водных организмов.

Из курса географии вы уже знаете, как сильно различается увлажненность наземных местообитаний в разных географических зонах. Она зависит от годового количества осадков. Имеет значение распределение их по временам года, запас почвенной влаги и грунтовых вод.

Недостаточная или избыточная увлажненность среды — главная экологическая проблема наземных обитателей. Степень увлажненности среды влияет на внешний облик и внутреннее строение организмов. В связи с этим выделяют различные экологические группы растений и животных.

Экологические группы растений по отношению к влаге и их адаптации

В наземной среде обеспеченность местообитаний водой и ее доступность весьма нестабильны. Выработка адаптаций к дефициту влаги — ведущее направление эволюции растений при освоении суши. По отношению к влаге принято делить все наземные растения на три экологические группы: гигрофиты, ксерофиты, мезофиты. Эти группы различаются между собой специфическими приспособлениями к водному режиму среды.

Гигрофиты (от греч. hygros — влажный, phyton — растение) — растения, живущие на сильно увлажненных почвах и при высокой влажности воздуха. Представителями гигрофитов являются: пушица, рис, тростник, калужница болотная, многие осоки, папирус и др. Они встречаются во всех климатических зонах.

Гигрофиты имеют приспособления для интенсивной транспирации. У них тонкие листовые пластинки с постоянно открытыми устьицами. У некоторых растений есть специфические водяные устьица. Через них вода выделяется в капельно-жидком состоянии.

У гигрофитов слабо развиты механическая ткань, кутикула и эпидермис. В мезофилле листьев имеются крупные межклетники. У некоторых видов в корнях и стеблях возможно наличие аэренхимы (от греч. aer — воздух, enchyma — ткань) — ткани, запасающей воздух (болотные гигрофиты). Слабо развита корневая система (корни тонкие, часто без корневых волосков). Гигрофиты не способны перенести даже небольшой недостаток влаги в почве и быстро увядают.

Ксерофиты (от греч. xerox — сухой, phyton — растение) — растения, приспособившиеся к жизни в засушливых местах (степи, пустыни, полупустыни, саванны, высокогорья). Они способны длительно выдерживать недостаточное увлажнение.

У ксерофитов приспособленность к сухим местообитаниям связана с ограничением затрат воды на транспирацию. У одних представителей она сопровождается активным добыванием воды при ее недостатке в почве. А у других — способностью запасать воду в тканях и органах на время засухи. В зависимости от типа адаптаций выделяют две формы ксерофитов — суккуленты и склерофиты.

Суккуленты (от лат. succulentus — сочный) — многолетние растения, способные запасать воду в своих тканях и органах, а затем экономно ее расходовать. В зависимости от того, в каких органах запасается вода, различают три типа суккулентов: листовые, стеблевые и корневые.

Листовые суккуленты накапливают воду в мясистых листьях. Из курса географии вы знаете, что листовые суккуленты встречаются в засушливых областях Центральной Америки (агава), Африки (алоэ). В наших широтах их можно встретить на сухих песчаных почвах (очиток, молодило). Стеблевые суккуленты имеют сильно развитые водозапасающие ткани в коре и сердцевине стебля. Они широко представлены в американских пустынях (кактусы) и засушливых областях Африки (молочаи). Корневые суккуленты запасают воду в тканях подземных частей растений. Растущее в Мексике невысокое дерево сейба мелколистная имеет на корнях вздутия диаметром до 30 см, в которых накапливается вода.

Суккуленты интенсивно всасывают воду поверхностными корнями и запасают ее в паренхиме вегетативных органов. Почвенная влага из глубоких слоев почвы для них недоступна. Эпидермис у этих растений покрыт мощной кутикулой. Часто имеется восковой налет или густое опушение. Немногочисленные устьица погруженного типа днем чаще всего закрыты. У стеблевых суккулентов листья редуцированы до колючек (кактусы). Функция фотосинтеза перешла к стеблю, который приобрел зеленый цвет.

Склерофиты (от греч. scleros — твердый) — растения со сниженной транспирацией и способностью активно добывать воду при ее недостатке в почве — полынь, саксаул, бодяк, ковыль, чертополох. Они не запасают влагу на период засухи, а добывают ее и экономно расходуют. Обитают склерофиты преимущественно в степях и пустынях, засушливых местообитаниях умеренной зоны.

Склерофиты имеют сухие жесткие листья и стебли, покрытые толстой кутикулой. Из-за сильного развития механических тканей при водном дефиците у них не наблюдается увядания. Они могут переносить глубокое обезвоживание и без заметного ущерба терять 25-75 % водного запаса (гигрофиты вянут при потере 1-2 % воды).

В силу высокого осмотического давления клеточного сока у склерофитов развивается большая сосущая сила, поэтому их называют «растениями-насосами». Корни склерофитов уходят глубоко в землю (у верблюжьей колючки длина главного корня достигает 15 м). Некоторые представители образуют разветвленную поверхностную корневую систему (степные злаки).

В периоды засух транспирация уменьшается за счет ряда морфологических адаптаций. Во-первых , у склерофитов мелкие, часто в виде игл или колючек, листья. Они имеют восковой налет или опушение и устьица погруженного типа. Во-вторых , клетки склерофитов способны удерживать воду благодаря высокой
вязкости цитоплазмы.

Мезофиты (от греч. mesos — средний) — растения, обитающие в условиях умеренного увлажнения. Они способны переносить кратковременный недостаток влаги. К ним относится большинство лиственных древесных растений. Мезофитами являются луговые и многие лесные травы, злаки, сорняки, почти все культурные растения умеренной зоны. Это наиболее распространенная экологическая группа растений.

По сравнению с гигрофитами и ксерофитами мезофиты имеют адаптивные признаки промежуточного характера. У них умеренно развита корневая система. На корнях имеются корневые волоски, в листьях — небольшое количество устьиц. В зависимости от обеспеченности влагой устьица могут в любое время открываться или за крываться.

В семенах у мезофитов, обитающих в степях и пустынях, содержится ингибитор (замедлитель) прорастания. Он вымывается лишь при количестве осадков, достаточном для вегетации. Такое приспособление предотвращает прорастание семян и гибель проростков в период засухи.

Адаптации животных к различному водному режиму

Сухопутные животные для восполнения потери воды вследствие выделения и испарения нуждаются в периодическом ее потреблении. В зависимости от водного режима у них выработались разные типы адаптаций: физиологические, морфологические и поведенческие.

К физиологическим адаптациям относятся особенности процессов жизнедеятельности, восполняющие дефицит влаги в организме. Например, млекопитающие пьют воду, земноводные поглощают ее кожными покровами. Мелкие животные пустынь (грызуны, пресмыкающиеся, членистоногие) добывают воду, поедая растения с сочными побегами.

Есть животные, которые могут получать воду за счет окисления жиров (окисление 100 г жира дает 105 г воды). Поэтому обильные отложения жира — горб верблюда, курдюк овцы — служат своеобразными резервуарами химически связанной воды.

К морфологическим адаптациям относятся приспособления, задерживающие воду в теле животных. Насекомые и паукообразные имеют многослойную хитинизированную кутикулу. У пресмыкающихся есть роговой покров тела (роговые чешуи и пластинки). У наземных моллюсков — раковины. У птиц тело покрыто перьями, а у млекопитающих — шерстью.

Поведенческие адаптации заключаются в том, что большинство животных активны в поисках воды. Они периодически посещают места водопоя. Порой им приходится мигрировать на сухой период в районы с большей влажностью. Способность совершать далекие миграции к водопою характерна для антилоп, сайгаков, куланов. Некоторые животные в сухой период переходят на ночной образ жизни или впадают в летнюю спячку (суслики, сурки, черепахи).

Вода влияет на скорость обмена веществ, участвует в терморегуляции, выполняет транспортную функцию в организме. По отношению к увлажненности среды обитания выделяют экологические группы наземных растений: гигрофиты, ксерофиты (суккуленты, склерофиты), мезофиты. Животные для регуляции водного баланса выработали физиологические, морфологические и поведенческие адаптации.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влажность как экологический фактор

Влажность является также одним из важнейших экологических факторов. Будучи самым распространенным веществом на Земле, вода играет важную роль для живых организмов, является необходимым условием жизни и ее количество может быть лимитирующим фактором окружающей среды. Вода является основным компонентом клеток, растворителем, транспортным средством для переноса питательных веществ, с ее участием происходят биохимические реакции в организмах. вода биохимический влажность

Как физическое тело вода имеет ряд аномальных свойств, что обусловлено ее молекулярным строением. Например, при замерзании вода не сжимается, как большинство жидкостей, а расширяется. Поэтому плотность льда меньше плотности воды (максимальная плотность воды при + 4 ° С) предупреждается промерзания водоемов до дна. Кроме того, вода имеет высокую диэлектрическую проницаемость, то есть високополярним растворителем, и высокую теплоемкость, поэтому является важным терморегулятором. Летом водоемы поглощают теплоту, в зимой отдают ее в окружающую среду. Поэтому в местностях, в которых расположены крупные водоемы, не бывает резких колебаний температуры зимой и летом, днем и ночью.

Поскольку вода является средой обитания для многих организмов, важны такие ее свойства как плотность, содержание растворенных газов, прозрачность, кислотность и т.п.. Содержание растворенного в воде кислорода может быть лимитирующим фактором и он зависит от ряда факторов, в частности температуры, давления, течения и т.д..

Особенно чувствительными к изменению влажности и количества воды являются растения. При необходимости в воде выделяют следующие экологические группы растений:

Гидратофиты, которые живут только в воде, они полностью или почти полностью погружены в воду. Без воды они быстро погибают; Гидрофиты есть наземно-водные растения, которые могут быть частично погружены в воду, например, растут на берегах водоемов, болотах и т.д.;

Гигрофиты есть наземные растения, которые могут существовать в условиях повышенной влажности воздуха и на влажных почвах;

Мезофиты, которые выдерживают непродолжительное и не очень сильную засуху. Эти растения довольно многочисленны и распространены;

Ксерофиты, которые могут переносить длительную засуху, находясь в активном состоянии благодаря способности регулировать водный обмен, например, растения пустынь и т.д..

Животные также чувствительны к количеству воды, которая находится в их организме. В организм животных вода поступает во время питья, с пищей и в результате обменных процессов, в частности в результате окисления жиров. В случае, когда воды в организм животных поступает меньше, чем тратится, он чувствует водный дефицит. Обезвоживание организма может быть причиной его гибели. Так что вода осуществляет не только непосредственное влияние на физиологию организмов, но и изменяет другие экологические факторы, такие, как температура, аэрация почвы, усвоения растениями элементов питания и т.п.. Кроме того, вода является средой жизни значительного количества организмов.

Воды в природе огромное количество. Совокупность всей воды называют водной средой или гидросферой Итак, гидросфера - это непрерывный водная оболочка Земли, которая является совокупностью океанов, морей, континентальных вод и ледовых слоев. Гидросфера, которая является одним из важнейших элементов окружающей среды, играет решающую роль во многих процессах, проходящих в природе. Воде принадлежит важная роль в истории развития нашей планеты, так как с ней связано зарождение и развитие живого вещества, и как следствие, и всей биосферы.

Если рассмотреть составные части гидросферы,(То моря и океаны (Мировой океан) занимают около 71% земной поверхности, в них содержится 1,37 х 109 км3 воды, что составляет 94% всей гидросферы. Суммарная площадь всех континентальных водоемов составляет ~ 3% площади всего материка. В континентальных ледниках накоплено ~ 1,7% запасов гидросферы, а их площадь составляет около 10% площади континентов. Значительные количества воды, около (Ю-П) хЮ3 км3, является составной частью живых организмов, населяющих Землю.

Вода в природе находится в круговороте. Круговорот воды - это процесс непрерывного, взаимосвязанного перемещения воды на Земле, который проходит под воздействием солнечной энергии, силы тяжести, жизнедеятельности живых организмов и хозяйственной деятельности человека.

Под действием тепловой энергии Солнца с поверхности океана и континентов ежегодно испаряется ~ 525х103 км3 воды, что соответствует 1030 мм атмосферных осадков в год. Часть воды возвращается в Мировой океан в виде атмосферных осадков, формируя звено малого круговорота воды в природе. Вторая часть воды в виде атмосферных осадков переносится воздушными массами на континенты, образуя звено большого круговорота воды в природе, где участвуют испарения с поверхности суши и атмосферные осадки, а также речной сток, частично возвращается в Мировой океан. Большой и малый круговороты воды в природе обеспечивают единство всей воды гидросферы.

Хотя различные части гидросферы связаны друг с другом процессами круговорота воды в природе, однако скорость их естественного возобновления неодинакова. Имеющиеся данные о различные части гидросферы, их водного баланса позволили вычислить активность водообмена, который проходит в процессе круговорота воды. Во активностью водообмена понимают скорость обновления отдельных водных ресурсов гидросферы. Она выражается количеством лет, которые необходимы для их полного обновления.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Свойства воды и ее роль в качестве экологического фактора. Аридные и гумидные условия. Водный баланс организмов. Вода как среда их обитания. Экология водных организмов. Характеристика редких водных животных, занесенных в Красную книгу Краснодарского края.

курсовая работа , добавлен 18.07.2014


Изучение специфической среды (определенная пища, хищники, температура, соленость воды) к которой приспособлен каждый вид на Земле. Особенности света, как экологического фактора. Характеристика температуры и влажности, как важных экологических факторов.

контрольная работа , добавлен 19.07.2010


Вода в атмосфере, на поверхности и в глубине земли, ее физическое состояние: испарение, конденсация и экологическая очистка. Зависимость человека от круговорота воды и его влияние на этот процесс. Этапы стандартной очистки и дезинфекции сточных вод.

курсовая работа , добавлен 29.08.2014


Влажность как экологический фактор. Кислотные дожди: их причина и вредное влияние, последствия выпадений для водоёмов. Особо охраняемые природные территории. Государственные природные заповедники, примеры. Малый и большой круговорот воды в биосфере.

контрольная работа , добавлен 22.10.2012


Общее понятие про биосферу. Круговорот веществ, роль и место человека в биосфере. Основные группы организмов в круговороте веществ. Вода как важнейший фактор среды обитания. Загрязнение воды и его последствия. Значение почвы, ее состав и свойства.

реферат , добавлен 09.11.2010


Происхождение воды на Земле: теории ее появления. Соотношение площадей суши и Мирового океана на нашей планете. Примеры содержания воды в клетках разных организмов, их тканях и органах. Круговорот воды в биосфере. Свойства воды, значение в жизни человека.

контрольная работа , добавлен 02.04.2010


Характеристика большого и малого круговоротов (воды, углерода, кислорода, азота, фосфора, серы, неорганических катионов), их особенности, взаимосвязи, структура потоков и их значение. Антропогенный круговорот ксенобиотиков (ртути, свинца, хрома).

реферат , добавлен 10.03.2012


Круговорот воды в природе, поверхностные и грунтовые воды. Проблемы водоснабжения, загрязнение водных ресурсов. Методические разработки: "Водные ресурсы планеты", "Исследование качества воды", "Определение качества воды методами химического анализа".

дипломная работа , добавлен 06.10.2009


Физиолого-гигиеническое и эпидемиологическое значение воды; нормы водопотребления. Заболевания, связанные с биологическим качеством и химическим составом воды. Условия, необходимые для возникновения эпидемии. Государственные стандарты качества воды.

презентация , добавлен 07.11.2014


Кругооборот химических веществ из неорганической среды. Сущность большого (геологического) круговорота. Описание циркуляции веществ в биосфере на примере углерода, азота, кислорода, фосфора и воды. Антропогенные воздействия на окружающую природную среду.

Влажность воздуха отражает содержание водяных паров на единицу объема (абсолютная влажность). Этот показатель может быть выражен и отношением количества водяных паров к их количеству, насыщаемому воздух при данной температуре (относительная влажность,%). Влажность воздуха определяет поступление воды в организм через покровы, а также условия потери воды этим путем и с поверхности дыхательных путей. Вода имеет первостепенное значение в функционировании живых организмов. Это оснавная среда биохимических реакций, необходимая составная часть протоплазмы. Питательные вещества циркулируют в организме главным образом в виде водных растворов; в таком же виде транспортируются, а в значительной степени выносятся из организма продукты диссимиляции.

Вода является одновременно и климатическим, и эдафическим (средообразующим) фактором, поскольку многим организмам, особенно растениям, вода требуется в определенном состоянии и в атмосфере, и в почве. В растениях вода присутствует в двух формах: свободной и связанной (в последнем случае водород химически связан в тканях растений).

Об исключительно важном биологическом значении воды свидетельствует тот факт, что тела живых организмов в основном состоят из воды. В растениях ее от 40 до 90%. В стволах деревьев содержится 50-55%, их листьях - 79-82%, листьях трав - 83-86%, плодах томатов и огурцов - 94-95%, в водорослях - 96-98%. Растения погибают при потере около 50% воды.

В теле взрослого человека ее содержание достигает 63%. При этом стекловидное тело глаза содержит 99% воды, кровь - 92, жировая ткань - 29, кости скелета - 22, зубная эмаль - 0,2% воды. Для человека необходимо постоянно поддерживать и обновлять запасы воды в своем организме, потребляя в сутки не менее 2-3 л воды. Обезвоживание организма на 10% уже опасно, а на 25 - смертельно для человека. Таким образом, удовлетворение потребностей в воде и борьба против ее возможных потерь составляют для сухопутных обитателей важнейшие экологические задачи. Вода для живых организмов служит и «универсальным растворителем»: именно в растворенном виде транспортируются питательные вещества, гормоны, выводятся вредные продукты обмена и др.

На небольшом участке земной поверхности климатические условия могут существенно отличаться от средних для данного региона в целом. Такие локальные (местные) условия называются микроклиматом. Он формируется, например, на опушке леса, склоне холма, берегу озера, в норе и т.п.

Физические свойства воды - плотность, удельная теплоемкость растворенные в ней соли и газы, водородный показатель рН, а также ее движение являются для обитателей водной среды экологическими факторами их приспособления и выживания.

Классификация организмов по отношению к влажности (а следовательно, и распределение по различным местообитаниям) включает следующие группы: 1) организмы водные, или гидрофильные (гидрофиты ) - живут постоянно в воде; 2) организмы гигрофшгьные (гигрофиты ) - могут жить только в очень влажных местообитаниях с воздухом, насыщенным или близким к насыщению (нижние ярусы серых лесов, заболоченные участки). К этой группе относятся и боль­шинство взрослых особей амфибий (например, лягушки), кровососущие комары, дождевые черви и многие другие представители почвенной фауны; 3) организмы мезофилъные (мезофиты ), отличающиеся умеренной потребностью в воде или во влажности атмосферы и могущие переносить смену сухого и влажного сезонов. К ним относится большое количество животных умеренного пояса и болышшство культурных растений; 4) виды ксерофильные (ксерофиты ), живущие в сухих местообитаниях с недостатком воды как в воздухе, так и в почве (пустыни и прибрежные дюны). Среди животных эта группа представлена многочисленными насекомыми, они отличаются особенной адаптацией к сухости. Отдельный вид улиток может оставаться жизнеспособным более четырех лет, впадая в летнюю спячку, когда становится слишком сухо.

Животные способны получать воду разными путями: через кишечный тракт у видов, пьющих воду; путем использования воды, содержащейся в пище; посредством проникновения воды через кожный покров у амфибий; наконец, используя метаболическую воду, образующуюся при окислении жиров. Верблюды способны переносить потери воды до 27% массы тела, поскольку при окислении 100 г жиров образуется до 110 г воды.

Потери воды организмами связаны с транспирацией и испарением через кожный покров, с дыханием, а также с выделением мочи и экскрементов. Хотя животные способны выдерживать кратковременные потери воды, но в целом расход ее должен возмещаться приходом. Обезвоживание приводит к гибели быстрее, нежели голодание.

Популяции и сообщества в географических градиентах. Концепция континуума. Границы экосистем. Экотон и краевой эффект. Ценоклин. Экоклин. Градиентный анализ. (не нашла про ценоклин и экоклин, если кто-нить знает, то расскажите где взять можно)

Географическая популяция – совокупность особей одного вида (или подвида), населяющих территорию с однородными условиями существования и обладающих общим морфологическим типом и единым ритмом жизненных явлений и динамики населения. Например, обыкновенная белка в долине р.Енисей имеет три географические популяции, характерные для:

Кедрово-лиственничо-елового леса;

Лиственничного леса;

Редкостойная лиственничная тайга северного типа.

Все три популяции отличаются плодовитостью, ведущим типом питания, характерной многолетней динамикой численности.

Границы сообществ редко бывают четко выраженными, поскольку соседние биоценозы постепенно переходят один в другой. В результате возникает довольно обширная пограничная (краевая) зона, отличающаяся особыми условиями.

Растения и животные, характерные для каждого из соприкасающихся сообществ, проникают на соседние территории, создавая при этом специфическую «опушку», пограничную полосу - экотон. В нем как бы переплетаются тидичные условия соседствующих биоценозов, что способствует произрастанию растений, характерных для обоих био­ценозов. В свою очередь это привлекает сюда и разнообразных живот­ных из-за относительного обилия корма. Так возникает пограничный или краевой эффект - увеличение разнообразия и плотности организ­мов на окраинах (опушках) соседствующих сообществ и в переходных поясах между ними.

На опушках происходит более быстрая смена растительности, чем в стабильном биоценозе. Вспышки массового размножения вредителей наиболее часто наблюдаются на опушках, в переходных зонах (экотонах) между лесами и степями (в лесостепях), между лесом и тундрой (в лесотундрах) и т.д. Для агробиоценозов, т.е. искусственно созданных и регулярно поддерживаемых человеком биоценозов культурных полей, также характерно вышеуказанное размещение насе­комых-вредителей. Они концентрируются в основном в краевой полосе, а центр поля заселяют в меньшей степени. Указанное явление связано с тем, что в переходной полосе резко обостряется конкуренция между отдельными видами растений, а это в свою очередь снижает у последних уровень защитных реакций против насекомых.

Континуум экологический (от лат. continuum - непрерывное), непрерывный ряд постепенно, по сравнению с резкими переходами, напр., от суши к воде, изменяющихся местообитаний биологич. сообществ на протяжении обширных географич. районов, экологич. условия к-рых варьируют в случае от холода к теплу, от засушливости к влажности, от резко выраженной сезонности климата к его умеренности и др. Понятие о К. может использоваться при изучении границ экосистем, экологич. рядов, распределения особей внутри сообществ. Впервые представление о К. было дано Л. Г. Раменским (1910).

Экоклин - постепенная смена биотопов, генетически и фенотипически приспособленных к конкретной среде обитания, сходом изменения какого-то отдельного фактора среды (обычно климатического), а потому составляющих непрерывный ряд форм без заметных перерывов постепенности. Экоклин невозможно разделить на экотипы. Например, длина ушей лисиц и мн. др., их признаки изменяются с севера на юг настолько постепенно, что очень затруднительно выделить четкие морфологические группы, которые бы естественно объединялись в подвиды.

Градиентный анализ экосистемы - способ анализа сообществ, основанный на распределении популяции по одно- или многомерному градиенту экологич. условий или по оси. При этом место сообщества определяется по частоте распределения, показателям сходства или др. статистическим данным. Границы распределения видов вдоль градиентов не резкие, а размытые. Изменения крнкурентоспособности вдоль грдиента могут обусловить резкие границы. Выбор градиента почти всегда субъективен. Этот метод применяют при сравнении сообществ, располагающихся вдоль какого-то градиента среды (или времени – сукцессионный ряд). Иногда последовательность разновозрастных сообществ в сходных местообитаниях называют хроноклиной, а вдоль какого-то экологического градиента – топоклиной.