Биология. Учебное пособие для 10 класса учреждений общего среднего образования с русским языком обучения (с электронным приложением для повышенного уровня)
 Скачать 6.77 Mb.
|
|
§5-1 §5-2 Правообладатель Народная асвета 27 § 6. Температура как экологический фактор § 6. Температура как экологический фактор. Приспособления растений и животных к различным температурным условиям среды Вспомните, какую роль играет температура среды в жизни разных организмов. Как вы думаете? Почему при продвижении с юга на север размеры тела животных, как правило, увеличиваются, а высота растений уменьшается? Вы узнаете, почему температура является одним из лимитирующих факторов, какие приспособления сформировались у животных и растений по отношению к температуре. Температура как абиотический фактор среды. На суше одним из важных лимитирующих факторов среды является температура. Влияние температуры на большинство организмов проявляется в регулировании биохимических и физиологических процессов жизнедеятельности. Тем- пература может влиять на характер поведения, географическое распре- деление организмов. Для температурного фактора характерны широкие географические, се- зонные и суточные колебания. Пределами выносливости для любого вида являются температуры, которые приводят к необратимому нарушению процессов жизнедеятельности. Диапазон переносимых температур у раз- ных видов сильно варьирует. Большинство вегетативных форм прокариот погибает при температуре 60 С. Однако имеются термофильные бак- терии, для которых минимальная температурная граница роста 60 С, а максимальная — до 110 С (так называемые экстремальные термо- филы горячих источников). Для большинства эукариот верхняя граница температурного диапазона, как правило, не выходит за пределы 50 C. По способности регулировать температуру тела при изменении тем- пературы внешней среды организмы разделяют надве группы: пойкило- термные и гомойотермные. Пойкилотермными называются организмы, температура тела кото- рых непостоянна и изменяется одновременно с изменением температуры внешней среды(рис. 5, с. 28). К ним относятся все бактерии, протисты, грибы, растения, беспозвоночные животные, рыбы, земноводные и пре- смыкающиеся. Температура тела пойкилотермных организмов обычно на 1—2 С отличается от температуры внешней среды или равна ей. Гомойотермными называются организмы, способные поддерживать относительно постоянную температуру тела при изменении температуры внешней среды. К ним относятся птицы и млекопитающие (в том числе Правообладатель Народная асвета 28 Глава 1. Организм и среда и человек). Гомойотермные организмы способны сохранять активность в широком диапазоне температур, поэтому, как правило, имеют преиму- щества в пространственном расселении по сравнению с пойкилотермными организмами. Приспособления растений к различным температурным условиям. Жизнедеятельность растений в значительной степени зависит от тем- пературы окружающей среды. По потребности к количеству тепла их разделяют на три группы: теплолюбивые, нуждающиеся в умеренных температурах и холодостойкие. Теплолюбивые растения произрастают в тропическом, субтропиче- ском поясах и хорошо прогреваемых местообитаниях умеренного пояса. У теплолюбивых растений выработались разнообразные адаптации к дей- ствию высоких температур. При высокой температуре в цитоплазме клеток теплолюбивых расте- ний увеличивается содержание защитных веществ (органических кислот, солей, слизи). Они препятствуют разрушению цитоплазмы и обезврежи- вают токсические вещества, образующиеся под действием высокой темпе- ратуры. Эффективной защитой растений от перегрева служит усиленная транспирация (испарение воды при отсутствии ее дефицита) благодаря большому количеству устьиц в листьях. Температура, °С 20 15 10 5 0 Температура воздуха Время Температура тела лягушки Рис. 5. Зависимость температуры тела лягушки от температуры воздуха Правообладатель Народная асвета 29 У растений пустынь и степей короткий цикл развития позволяет из- бегать действия высоких температур. Вся вегетация у них происходит ранней весной, а летнюю жару они переживают в состоянии семян или подземных побегов. Экологическую группу травянистых однолетних рас- тений с очень коротким вегетационным периодом называют эфемерами (например, крупка, или веснянка). Существуют также подобные эфе- мерам многолетние растения — эфемероиды, у которых отмирает лишь надземная часть (тюльпан, подснежники). А при наступлении благопри- ятных условий их жизнь возобновляется за счет питательных веществ, накопленных в подземной части. Действие высоких температур на теплолюбивые растения субтропиче- ского и тропического поясов снижается за счет усиления отражения сол- нечных лучей и уменьшения светопоглощающей поверхности. Повыше- нию отражения солнечного света способствует светлая окраска листьев, их блестящая или опушенная поверхность. Уменьшение поглощения све- та достигается благодаря видоизменению листовых пластинок. Это могут быть колючки (кактусы), уменьшение размера (саксаул), рассеченность (пальмы), сворачивание (ковыль) листьев. Противодействует перегреву растений вертикальное по отношению к солнечным лучам расположение листьев. Поворотом листовой пластинки может происходить изменение угла их наклона. Нуждающиеся в умеренных температурах и холодостойкие рас- тения, населяющие умеренный и холодный пояса, вынуждены адапти- роваться к низким температурам. У холодостойких растений при низких температурах происходит на- копление в цитоплазме клеток определенных веществ, снижающих точку замерзания воды. Крайней мерой в борьбе с холодом является переход растений в состояние а н а б и о з а (обратимая приостановка жизненных процессов) вследствие обезвоживания. Например, мхи и лишайники мо- гут длительное время находиться в таком состоянии. Адаптации у растений холодного климата проявляются в виде форми- рования карликовых жизненных форм (береза, ива). Встречаются также стелющиеся (стланик кедровый, можжевельник туркестанский) и по- душковидные (высокогорные и арктические растения-подушки) жизнен- ные формы (рис. 6, с. 30). Такие растения меньше подвержены воздей- ствию ветра, лучше укрыты снегом зимой, полнее используют тепло почвы летом. Есть приспособления, которые защищают растения как от высоких, так и от низких температур. Ими являются: развитие мощной корки § 6. Температура как экологический фактор Правообладатель Народная асвета 30 Глава 1. Организм и среда (наружной части коры) у деревьев, многослойной мертвой покровной ткани у молодых побегов, защитных чешуй у почек, прочной кожуры у семян. Приспособления животных к различным температурным условиям. Разнообразие адаптаций животных к неблагоприятным температурным условиям объясняется наличием разных способов терморегуляции. У пойкилотермных животных при переохлаждении происходит накопле- ние биологических антифризов (веществ, понижающих точку замерзания воды) в жидкостях тела. У арктических и антарктических рыб повы- шенное содержание таких веществ препятствует затвердеванию их тела в холодной воде. У некоторых пойкилотермных животных регуляция теплообмена про- исходит благодаря особенностям строения кровеносной системы. Это интересно. Большое значение для терморегуляции у пойкилотермных животных имеет наличие артериовенозных теплообменников. Сосуды, выхо- дящие из мышц, тесно соприкасаются с сосудами, идущими от кожи. Кровь кожи согревает кровь мышц, и в глубь тела она поступает теплой. Отдав свое тепло, охлажденная мышечная кровь вновь направляется к поверхности тела. При увеличении температуры среды у ящериц, например, увеличивается ско- рость тока крови по сосудам. Для получения максимального количества тепла у пойкилотермных животных выработались два типа поведенческих адаптаций. Это актив- ный выбор мест с наиболее благоприятным температурным режимом и смена поз. Стланик кедровый Растения-подушки Рис. 6. Жизненные формы растений холодного климата §6-1 Правообладатель Народная асвета 31 Это интересно. Активный выбор освещенных солнцем мест характерен для пресмыкающихся и земноводных. Получив необходимое количество теп- ла, животные перемещаются в тень или прячутся в норах и поддерживают температуру за счет мышечных сокращений. Смена поз позволяет изменять поверхность тела, прогреваемую солнцем. Например, морские игуаны на Га- лапагосских островах в пасмурную погоду принимают «распростертые» позы, всем телом прижимаясь к субстрату. Это обеспечивает максимальную поверх- ность обогрева. При перегреве они принимают «приподнятые» позы, что ведет к уменьшению поверхности обогрева, и тело обдувается ветром. У гомойотермных животных борьба с переохлаждением идет за счет по- вышения интенсивности обмена веществ. У млекопитающих усиливается расщепление особой жировой ткани (бурого жира). При низких темпера- турах у некоторых млекопитающих может возникать мышечная дрожь. Другие животные впадают в зимнюю спячку (барсуки, ежи). Уменьшению потерь тепла у гомойотермных животных способствуют теплоизолирующие покровы: у птиц — перьевой, у млекопитающих — волосяной. Сохраняет тепло и подкожный жир (ластоногие, китообраз- ные). У млекопитающих с короткой и редкой шерстью важную роль в терморегуляции играют сосудистые реакции. Расширение или сужение мелких поверхностных сосудов кожи усиливает или снижает теплоотдачу. Для гомойотермных животных характерно также адаптивное пове- дение. Оно проявляется в виде выбора мест для защиты от холода или жары, сезонных миграций. Животные могут зарываться в снег (куро- патки), образовывать тесные скопления особей (пингвины) для снижения энергозатрат на терморегуляцию. При высоких температурах как у пойкилотермных, так и у гомойо- термных животных теплоотдача усиливается за счет испарения влаги с по- верхности тела (потоотделение). Влага может испаряться через слизистые оболочки ротовой полости и верхние дыхательные пути (тепловая одышка). Повторим главное. Температура может оказывать лимитирующее действие на организмы, влияя на скорость процессов жизнедеятельно- сти. Диапазон переносимых температур у разных видов сильно варьи- рует. По способности регулировать температуру тела при изменении температуры внешней среды организмы разделяют на пойкилотерм- ных и гомойотермных. По потребности к количеству тепла растения разделяют на теплолюбивых, нуждающихся в умеренных темпера- турах и холодостойких. К разным температурным условиям среды у растений и животных выработались различные приспособления. § 6. Температура как экологический фактор §6-2 Правообладатель Народная асвета 32 Глава 1. Организм и среда Ключевые вопросы. 1. Приведите примеры приспособлений холодостойких растений к низким температурам. 2. Какие типы поведенческих адаптаций позволяют пойкилотерм- ным животным получать необходимое количество тепла? 3. Охарактеризуйте приспосо- бления гомойотермных животных, позволяющие им поддерживать постоянную темпера- туру тела. 4. Укажите, какие из перечисленных животных являются пойкилотермными, а какие — гомойотермными: лягушка, заяц, кит, акула, змея, крокодил, лошадь, тритон, олень, волк. Сложные вопросы. 1. Какие адаптации к температуре изменятся у животных умерен- ного пояса в связи с потеплением климата? Дайте аргументированный ответ. 2. По- чему персики и абрикосы (теплолюбивые растения) не могут произрастать в тундре, но способны плодоносить при произрастании в Беларуси? 3. В пустынях обитает лисица фенек, уши у которой значительно больше, чем у лисицы, обитающей в Беларуси. В то же время у песца, обитающего в тундре, уши меньше, чем у лисицы умеренного пояса. Как объяснить эту закономерность? 4. Почему растения тундры менее разнообразны по размерам, чем растения тропических областей? § 7. Влажность как экологический фактор. Приспособления растений к различному водному режиму Вспомните, какую роль играет вода в жизни растений. Как вы думаете? Какие изменения будут наблюдаться у растений, сорванных в одно и то же время, но в местообитаниях с различным водным режимом: на заболоченной местности, влажном лугу и суходольном лугу? Дайте объяснение. Вы узнаете о разнообразии адаптаций растений к разной степени водообеспечения их среды обитания. Влажность как экологический фактор среды. В наземных условиях влажность чаще других экологических факторов лимитирует рост и раз- витие организмов. Объясняется это тем, что вода играет важную роль в их жизни. Она является универсальным растворителем, средой для био- химических реакций в клетке. Молекулы воды могут непосредственно участвовать в обмене веществ. Являясь основным структурным компо- нентом клеток, вода обусловливает их т у р г о р. У некоторых животных (круглые и кольчатые черви) вода служит гидростатическим скелетом. Обладая высоким поверхностным натяжением, вода выполняет транс- портную функцию (передвижение веществ) в организме. Благодаря вы- сокой удельной теплоемкости, теплопроводности и теплоте парообразо- вания вода обеспечивает поддержание теплового баланса в организме и предотвращает его перегрев. Проверим знания Правообладатель Народная асвета 33 Из курса географии вы уже знаете, как сильно различается увлаж- ненность наземных местообитаний в разных географических зонах. Она зависит от годового количества осадков. Имеют значение распределение их по временам года, запас почвенной влаги и грунтовых вод. Недостаточная или избыточная увлажненность среды — главная эко- логическая проблема наземных обитателей. Степень увлажненности сре- ды влияет на внешний облик и внутреннее строение организмов. В связи с этим выделяют различные экологические группы растений. Приспособления растений к различному водному режиму. В наземной среде обеспеченность местообитаний водой и ее доступность нестабильны. Выработка адаптаций к дефициту влаги — ведущее направление эволю- ции растений при освоении суши. Все наземные растения по отношению к влаге принято делить на три группы: гигрофиты, ксерофиты, мезофиты. Гигрофиты (от греч. hygroЂs — влажный, phytoЂn — растение) — растения, живущие на сильно увлажненных почвах и при высокой влажности возду- ха. Представителями гигрофитов являются: осоки, рис, тростник, калуж- ница болотная, папирус (рис. 7). 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 эпи- дермис. В мякоти листьев имеются крупные межклетники. У некоторых видов в корнях и стеблях возможно наличие аэренхимы (от греч. aeЂr — воздух, eЂnchyma — ткань) — ткани, запасающей воздух (болотные ги- грофиты). Слабо развита корневая система (корни тонкие, часто без корневых волосков). Гигрофиты не способны перенести даже небольшой недостаток влаги в почве и быстро увядают. § 7. Влажность как экологический фактор Калужница болотная Осока острая Рис. 7. Гигрофиты Правообладатель Народная асвета 34 Глава 1. Организм и среда Ксерофиты (от греч. xeroЂx — сухой, phytoЂn — растение) — растения, приспособившиеся к жизни в засушливых местах (степи, пустыни, полу- пустыни, 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 ксерофи- тов — 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: л и с т о в ы е, с т е б л е в ы е (рис. 8) и к о р н е в ы е. Суккуленты интенсивно всасывают воду поверхностными корнями и запасают ее в запасающей ткани вегетативных органов. Почвенная влага из глубоких слоев почвы для них недоступна. Эпидермис у этих рас- тений 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. skleroЂs — твердый) — растения со сниженной транспирацией и способностью активно добывать воду при ее недостатке Листовые (алоэ) Стеблевые (кактусы) Рис. 8. Суккуленты Правообладатель Народная асвета 35 Ковыль Чертополох Рис. 9. Склерофиты в почве (полынь, ковыль, саксаул, бодяк, чертополох) (рис. 9). 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 высокой концентрации веществ в клеточном соке у склерофи- тов развивается большая сосущая сила, поэтому их называют растениями- насосами. Их корни уходят глубоко в землю (у верблюжьей колючки длина главного корня достигает 15 м). Некоторые представители обра- зуют разветвленную поверхностную корневую систему (степные злаки). В периоды засух транспирация уменьшается за счет ряда морфологи- ческих 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 удержи- вать воду благодаря высокой вязкости цитоплазмы. Мезофиты (от греч. meЂsos — средний) — растения, обитающие в условиях умеренного увлажнения. Они способны переносить кратко- временный 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. § 7. Влажность как экологический фактор Правообладатель Народная асвета 36 Глава 1. Организм и среда По сравнению с гигрофитами и ксерофитами мезофитыимеют адап- тивные 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. Это интересно. В семенах у мезофитов, обитающих в степях и пустынях, содержится ингибитор (замедлитель) прорастания. Он вымывается лишь при количестве осадков, достаточном для вегетации. Такое приспособление пре- дотвращает прорастание семян и гибель проростков в период засухи. Повторим главное. Вода влияет на скорость обмена веществ, уча- ствует в терморегуляции, выполняет транспортную роль в организме. По отношению к увлажненности среды обитания выделяют следую- щие группы наземных растений: гигрофиты, ксерофиты (суккулен- ты, склерофиты), мезофиты. Они отличаются по приспособленности к различному водному режиму среды. Ключевые вопросы. 1. Какие группы растений выделяют по отношению к влаге? 2. Охарактеризуйте адаптации гигрофитов. Назовите их представителей. 3. Какие общие и отличительные черты строения имеют суккуленты и склерофиты? Сложные вопросы. 1. Почему букет из цветков калужницы болотной быстро увядает, а хризантемы стоят долго? 2. Почему у сосны обыкновенной, растущей на песчаной почве, корень уходит глубоко в почву, а у растущей на болоте корневая система по- верхностная? 3. Почему в степях массовое цветение растений начинается очень рано (февраль — март) и быстро прекращается? Дайте аргументированный ответ. |