Биология. Учебное пособие для 10 класса учреждений общего среднего образования с русским языком обучения (с электронным приложением для повышенного уровня)
 Скачать 6.77 Mb.
|
|
§ 4. Лимитирующие факторы среды Вспомните, как изменяется жизнедеятельность организма при изменении силы воздействия экологического фактора. Как вы думаете? Как определить фактор среды, от которого зависит жизнедеятельность организма при одновременном воздействии всех экологических факторов? Вы узнаете о лимитирующем факторе, который определяет жизнедеятельность организма в его среде обитания. Исходя из описанных ранее закономерностей воздействия факторов среды на организм, можно предвидеть реакцию организма на опреде- ленную силу воздействия фактора. Однако в природе все факторы среды воздействуют на организм одновременно и с разной силой. Причем сила воздействия отдельного фактора зависит от сочетания и количественно- го значения силы воздействия других факторов. Проверим знания §3-1 Правообладатель Народная асвета 20 Глава 1. Организм и среда Взаимодействие факторов среды. В среде обитания экологические факторы не только влияют на организмы, но и взаимодействуют друг с другом. При этом наблюдается усиление или ослабление силы воздей- ствия одного фактора под влиянием другого. Высокую температуру легче переносить при низкой, а не высокой влажности воздуха. А угроза обморожения выше на морозе с сильным ветром, чем в безветренную погоду. Таким образом, один и тот же фактор в сочетании с другими оказывает неодинаковое воздействие на организм. И наоборот, один и тот же экологический эффект для организма может быть достигнут разными путями. Факторы среды воздействуют на организм комплексно, и может на- блюдаться частичная взаимозаменяемость воздействия одного экологи- ческого фактора другим. Но взаимная компенсация факторов имеет пре- делы и полностью заменить один из необходимых организму факторов другим невозможно. Зеленое растение нельзя вырастить в полной темноте даже при самой высокой концентрации углекислого газа. Оно не будет расти на дистил- лированной (не содержащей минеральных веществ) воде при самых опти- мальных световом и тепловом режимах. Эта закономерность получила на- звание п р и н ц и п а н е з а м е н и м о с т и ф а к т о р о в: действие одного фак- тора может быть изменено другим, но не заменено им. В природной среде в результате взаимодействия различных факторов их воздействие на ор- ганизм может компенсироваться, суммироваться и взаимно усиливаться. Компенсация факторов для организма наблюдается в основном в пре- делах экосистемы. Именно в экосистеме усиление или ослабление силы воздействия одного фактора может компенсировать недостаток или из- быток силы воздействия другого фактора. Например, для растений сни- жение температуры может частично компенсировать недостаток влаги в почве. Это происходит в результате ослабления транспирации и умень- шения расходования воды растениями при низкой температуре. Примером простого суммирования факторов является одновремен- ное неблагоприятное воздействие на человека и животных высокой тем- пературы и недостатка воды. При недостаточном поступлении воды в организм высокая температура, повышающая потоотделение, будет до- полнительно ускорять процесс его обезвоживания на то количество воды, которое выделяется из организма в результате ее испарения. Экологические факторы могут взаимно усиливать действие друг дру- га. Примером может служить одновременное неблагоприятное воздей- ствие на организм человека радиоактивного излучения и повышенного содержания нитратов в питьевой воде. В этом случае в несколько раз Правообладатель Народная асвета 21 увеличивается угроза здоровью по сравнению с воздействием каждого из этих факторов в отдельности. В условиях комплексного воздействия факторов среды на организм часто бывает трудно определить, какой из них играет главную роль в жизни организма в данной среде. Понятие о лимитирующих факторах. Факторы среды, влияющие на организм, обладают разной силой воздействия. Но организм в один и тот же момент не может проявлять разный уровень жизнедеятельности в ответ на действие каждого из этих факторов. Например, если для рас- тения температура находится в зоне оптимума, освещенность — в зоне нормальной жизнедеятельности, а влажность — в зоне пессимума, при- ближаясь к экологическому минимуму, то данное растение не будет расти и развиваться, хотя света и тепла достаточно. Его жизнедеятельность будет ограничивать недостаток влаги. Если произвести полив, то растение вновь начнет расти. В то же время, если после достижения оптимума по влажности температура повысится и окажется в зоне пессимума, прибли- жаясь к экологическому максимуму, то рост растения прекратится из-за избытка тепла. Следовательно, в данной ситуации жизнедеятельность растения угнетается избыточной дозой экологического фактора. Лимитирующий (ограничивающий) фактор — фактор, наиболее от- клонившийся от своего оптимального значения в пределах выносливости или вышедший за эти переделы. Он определяет уровень жизнедеятельности организма в данной среде. Понятие «лимитирующий фактор» применимо не только к абиотическим факторам, но и ко всем экологическим фак- торам. Нередко в качестве лимитирующего фактора выступают конку- рентные отношения (биотические факторы) или влияние человека (ан- тропогенные факторы). Если изменить силу воздействия лимитирующего фактора, то жизнедеятельность организма изменится. Значит, выявление лимитирующих факторов может иметь большое практическое значение, поскольку позволяет управлять жизнедеятельностью организмов. Это интересно. Для теплолюбивых растений (персик, лимон, апельсин) лимитирующим фактором является низкая температура, и они погибают при отрицательной температуре воздуха, несмотря на оптимальное содержание элементов питания в почве, оптимальную влажность и освещенность. Факто- ром, ограничивающим распространение оленей, является глубина снежного покрова, определяющая доступность пищи. Каждая хозяйка знает, что дрож- жи надо активировать (на самом деле размножить), оставляя в теплой воде с достаточным количеством сахара, потому что холодная вода и недостаток углеводов для дрожжей являются лимитирующими факторами. § 4. Лимитирующие факторы среды Правообладатель Народная асвета 22 Глава 1. Организм и среда Определение лимитирующих факторов дает человеку отправную точ- ку при исследовании сложных ситуаций в хозяйственной деятельности. А также помогает понять многие явления и принципы распределения ор- ганизмов в природе. Основное внимание следует уделять тем факторам, ко- торые наиболее важны для организма на данном этапе его жизненного цик- ла. Тогда удастся довольно точно предсказать результат изменений среды. Чтобы сохранить исчезающий вид в определенном регионе, нужно выяснить, не выходят ли лимитирующие факторы среды за пределы вы- носливости его организмов. Особенно это важно в период размножения и развития. Изменяя силу воздействия факторов, ограничивающих раз- множение особей, можно добиться повышения их численности. Таким способом удастся сохранить исчезающий вид. Выявление лимитирующих факторов очень важно и в практике сельского хозяйства. Так, направив основные усилия на их устранение, можно быстро и эффективно повы- сить урожайность культурных растений или продуктивность домашних животных. Повторим главное. В природе все факторы среды воздействуют на организм как единый комплекс. Воздействие отдельного фактора за- висит от сочетания и количественного значения абсолютной силы других факторов. При этом жизнедеятельность организма определя- ет лимитирующий фактор — фактор, который наиболее отклонился от своего оптимального значения по сравнению с другими факторами среды. Изменяя силу этого фактора, можно управлять жизнедеятель- ностью организмов в природе и хозяйстве. Ключевые вопросы. 1. Что такое компенсация воздействия фактора на организм под влиянием других факторов среды? Приведите примеры. 2. Укажите факторы, которые могут усиливать холод: высокая влажность, слабый ветер, облачность, низкая влаж- ность, сильный ветер. 3. Как определить лимитирующий фактор? Какое это имеет зна- чение в природе и хозяйстве? Сложные вопросы. 1. Какое из указанных значений температуры (25 C; 18 С; 12 C; 14 C; 33 C) будет ограничивать рост растения, если его пределы выносливости к температуре составляют 12—55 С? До какого из указанных значений нужно повысить температуру, чтобы наблюдался максимальный рост данного растения? 2. Какие из экологических факторов, по вашему мнению, с наибольшей вероятностью могут стать лимитирующими для урожайности картофеля? Почему? Как это можно использовать в сельском хозяйстве? 3. Какой фактор будет лимитирующим для комнатных растений (например, орхидеи)? Как можно уменьшить его действие, чтобы сохранить комнатные растения, если вашей семье необходимо уехать в отпуск на 10 дней? Проверим знания Правообладатель Народная асвета 23 § 5. Свет в жизни организмов. Фотопериод и фотопериодизм § 5. Свет в жизни организмов. Фотопериод и фотопериодизм Вспомните, какую роль играет свет в жизни растений. Как вы думаете? Зачем нужен свет гетеротрофным организмам? Могут ли они жить в полной темноте? Вы узнаете о значении компонентов солнечного света для жизни организмов, о понятиях «фотопериод» и «фотопериодизм», об адаптациях к свету растений разных экологических групп. Свет как абиотический фактор среды. Одним из условий существова- ния жизни на Земле является солнечный свет, поступающий из косми- ческого пространства. Это интересно. При прохождении солнечной радиации через атмосферу около 19 % поглощается облаками и водяными парами, 34 % отражается об- ратно в космос, 47 % достигает земной поверхности, из них 24 % — прямая радиация и 23 % — отраженные лучи. Растения связывают в ходе фотосин- теза в среднем 1 % поступающей солнечной энергии. В солнечном спектре выделяют три основных компонента: ультрафио- летовые лучи, видимый свет и инфракрасные лучи. Ультрафиолетовые лучи действуют на организмы неоднозначно в зависимости от дозы. Избыточное облучение ультрафиолетом может при- чинять существенный вред здоровью. Все живое на Земле защищено от губительного влияния жестких ультрафиолетовых лучей озоновым слоем земной атмосферы. Однако, несмотря на защитный озоновый слой, на долю ультрафиолетовых лучей приходится около 3 % солнечного све- та, достигающего поверхности Земли. Ультрафиолетовые лучи приводят к повреждению хромосом, могут вызывать преждевременное старение, стать причиной развития катаракты (помутнения хрусталика). Для людей со светлой кожей ультрафиолетовые лучи являются основным фактором, приводящим к меланоме — самой опасной форме рака кожи. В то же время в небольших дозах ультрафиолетовые лучи стимули- руют синтез пигмента кожи меланина и витамина D. Из курса биологии 9-го класса вы уже знаете, что витамин D оказывает влияние на обмен кальция и фосфора в организме. Это в свою очередь влияет на рост и раз- витие скелета человека. Видимый свет наиболее важен для существования жизни на Земле. Все разнообразие климатических условий и температуры суши и верхних Правообладатель Народная асвета 24 Глава 1. Организм и среда слоев водной поверхности определяется количеством поглощенной солнечной энергии. Различные участки спектра видимого света действу- ют на организмы по-разному. Красные лучи оказывают тепловое воз- действие. Синие и фиолетовые лучи изменяют скорость и направление некоторых биохимических реакций. Особенно велико значение видимого света в жизни растений, которые поглощают его с помощью пигментов и используют в процессе фотосинтеза. Свет играет роль основного энергетического и сигнального фактора. Для подавляющего большинства организмов видимый свет является ис- точником тепла. Дневным животным видимый свет позволяет ориенти- роваться в окружающей среде. Некоторые ночные виды (совы, филины) могут перемещаться даже при слабой освещенности. Инфракрасные лучи являются источником тепловой энергии, кото- рая поглощается водой клеток. На их долю приходится 55 % солнечного света, достигающего Земли. Некоторые наземные животные (ящерицы, змеи) используют инфракрасные лучи для повышения температуры тела. Фотопериод_и_фотопериодизм.'>Фотопериод и фотопериодизм. В умеренных широтах цикл развития животных и растений приурочен к сезонам (временам) года. Сигналом для подготовки к изменению сезона служит продолжительность светового дня — фотопериод, который в отличие от других факторов всегда остается постоянным в определенном месте и в определенное время. В течение года длина дня изменяется строго закономерно и не подвержена воздействиям колебаний других экологических факторов. Фотопериод — длина светового дня, зависящая от времени года. Сме- на сезонов является следствием движения Земли вокруг Солнца ирас- положения ее оси под углом к плоскости орбиты. Длина светового дня в области экватора относительно постоянна в течение всего года (около 12 ч). Но в умеренных и высоких широтах фотопериод значительно отли- чается в разные времена года. В Северном полушарии в умеренных широ- тах самый длинный день — 22 июня — длится около 17 ч, а самый корот- кий — 22 декабря — около 7 ч. Изменение фотопериода играет сигналь- ную роль как для растений, так и для животных. Оно является пусковым механизмом, включающим последовательность физиологических процес- сов и определяющим их сезонные ритмы. Фотопериодизм — характерная реакция живых организмов на из- менение длины светового дня, синхронизирующая их биологическую активность с временами года.Под фотопериодическим контролем нахо- дятся практически все процессы жизнедеятельности, связанные с разви- тием и размножением организмов. Эти реакции основаны не просто на количестве получаемого света, а на закономерном чередовании периодов света и темноты, продолжительности дня и ночи. Правообладатель Народная асвета 25 Следует отметить, что организмы по-разному реагируют на смену свет - лого и темного периодов суток, то есть проявляют суточный фотопе- риодизм. Периоды активности и покоя наступают в разное время суток. Это интересно. Особенно заметно эта зависимость проявляется у живот- ных. Среди них можно выделить три группы: дневные, ночные и сумеречные. Дневные животные активны в светлое время суток (пчела, ласточка, заяц). Они представляют самую многочисленную группу. Добывание пищи у ноч- ных животных происходит в ночное время (таракан, сова, сверчок, филин). Сумеречные животные активны только во время сумерек (бабочка браж- ник, майский жук). Экологические группы растений по отношению к световому режиму в среде обитания. По разнообразию адаптаций и способности произрас- тать при определенном световом режиме выделяют три группы растений: светолюбивые, тенелюбивые и теневыносливые. Светолюбивые растения (очиток, подсолнечник, пшеница) живут на открытых территориях (пустыни, степи, высокогорные луга, пустыри, обочины дорог) и поглощают много солнечной энергии. У светолюбивых растений листовые пластинки в основном более толстые и светлые, чем у тенелюбивых и теневыносливых растений. Они чаще небольшие, блестя- щие, иногда покрыты воском или имеют опушение. Мякоть листа хорошо развита, особенно столбчатая паренхима (рис. 4), хлоропласты мелкие. § 5. Свет в жизни организмов. Фотопериод и фотопериодизм Светолюбивое растение Столбчатая паренхима Губчатая паренхима Тенелюбивое растение Рис. 4. Внутреннее строение листьев растений разных экологических групп Правообладатель Народная асвета 26 Глава 1. Организм и среда Тенелюбивые растения (мхи, папоротники, кислица, недотрога, ме- дуница) обитают в сильно затененных местах (нижние ярусы тропиче- ского леса, горные ущелья, ельники, дубравы). У тенелюбивых растений листовые пластинки очень тонкие, имеют хорошо развитую губчатую па- ренхиму, содержат крупные хлоропласты и много межклетников. Столб- чатая паренхима развита слабо и представлена, как правило, одним слоем клеток (см. рис. 4). Теневыносливые растения (лещина, сныть, подорожник, ежевика) предпочитают хорошую освещенность (лесные опушки, луга, степи), но могут расти и в тени. В зависимости от степени теневыносливости они имеют приспособительные особенности, сближающие их то со светолю- бивыми, то с тенелюбивыми растениями. У лиственных теневыносли- вых древесных пород и кустарников (дуб, липа, сирень) листья, располо- женные на периферии кроны, имеют структуру, сходную со структурой листьев светолюбивых растений, и называются световыми, а в глубине кроны находятся теневые листья, которые имеют структуру, сходную со структурой листьев тенелюбивых растений. Повторим главное. Солнечный спектр состоит из видимого света, ультрафиолетовых и инфракрасных лучей. Фотопериод — длина све- тового дня, зависящая от времени года. Фотопериодизм — характер- ная реакция живых организмов на изменения длины светового дня. По приуроченности периодов активности и покоя к определенному времени суток животных можно разделить на дневных, ночных и су- меречных. По приспособленности к определенному световому режи- му наземные растения разделяют на светолюбивых, тенелюбивых и теневыносливых. Ключевые вопросы. 1. Какое влияние на организмы оказывают ультрафиолетовые лучи? 2. В чем заключается энергетическая роль видимого света для организмов? 3. Объясните понятия «фотопериод» и «фотопериодизм». 4. Из приведенного перечня животных выберите представителей, у которых период активности приурочен к ночному времени суток: пчела, таракан, майский жук, сова, ласточка, сверчок, бражник, заяц. Сложные вопросы. 1. Установите соответствие между названиями экологических групп растений и их представителями. Экологические группы: 1 — тенелюбивые; 2 — тене- выносливые. Представители: а) папоротник; б) сныть; в) подорожник; г) кислица; д) не- дотрога; е) медуница; ж) ежевика; з) сирень. 2. Объясните, почему на птицефабриках применяют дополнительное искусственное освещение. 3. Как вы думаете, почему на небольшой прогалине обитают некоторые виды растений, отличающиеся от тех, которые встречаются в окружающем лесу? Проверим знания |