Влажность, адаптация организмов к водному режиму

Вода, самое распространенное химическое соединение, которое встречается одновременно во всех трех агрегатных состояниях. Водные ресурсы земли распределены следующим образом:

Вся гидросфера - 1389000 тыс. км³, океаны и моря – 1350000 км³, не океанические воды - 39000 км³ из них: Грунтовые воды – 9700 км³, Материковые льды – 29000 км³, Соленые озера – 100 тыс. км³, Реки и водохранилища – 7000 км³, Пресные озера – 125000 км³, Почва и болота – 40000 км³,

В жизни организмов вода выступает как важнейший экологический фактор. Она является основной частью протоплазмы клеток, тканей, растительных и животных соков. Вода с растворенными в ней веществами обуславливает осмотическое давление клеточных и тканевых жидкостей, включая и межклеточный обмен. Наземные организмы из-за постоянной потери воды нуждаются в ее постоянном пополнении. Поэтому у них в процессе эволюции выработались приспособления, которые регулируют водный обмен и обеспечивают экономное расходование влаги. Приспособления носят анатомо-морфологический, физиологический и поведенческий характер. Потребность разных видов растений в воде по периодам развития не одинакова. Меняется она и в зависимости от климата и почв. Недостаток или дефицит влаги снижает прирост растений, может стать причиной их низкорослости, бесплодия из-за недоразвития генеративных органов. Влажность среды нередко является фактором, лимитирующим распространение и численность организмов на Земле. Важную роль у животных играют проницаемость покровов и механизмы, регулирующие водный обмен. Влажность воздуха обуславливает периодичность активной жизни организмов, сезонную динамику жизненных циклов, влияет на продолжительность развития, плодовитость и их смертность.

В экологических исследованиях важна абсолютная и относительная влажность. Абсолютная влажность – количество газообразной воды, содержащейся в воздухе, и выраженное через массу воды на единицу массы воздуха (г/кг или на м³ воздуха). Относительная влажность – это отношение количества имеющегося в воздухе пара к насыщенному количеству пара при данных условиях температуры и давления.

По отношению к водному режиму наземные организмы подразделяются на три основные экологические группы: гигрофильные (влаголюбивые), ксерофильные (сухолюбивые) и мезофильные (предпочитающие умеренную влажность). Однако разделение организмов на три группы относительно, так как у многих видов степень потребности во влаге непостоянна в различных условиях и неодинакова на разных стадиях развития организмов.

По способу регулирования водного режима наземные растения подразделяются на две группы: пойкилогидридные и гомеогидридные. Первые не способные активно регулировать свой водный режим. У них нет каких-либо особенностей анатомического строения, которые способствовали бы защите от испарения. У большинства отсутствуют устьица. Транспирация равна простому испарению. Содержание воды в клетках находится в равновесии с давлением паров в воздухе или определяется его влажностью, зависит от его колебаний.

Гомеогидридные растения способны в определенных пределах регулировать потерю воды путем закрывания устьиц и складывания листьев. В клеточных оболочках откладываются водонепроницаемые вещества (суберин, кутин), поверхность листьев покрыта кутикулой и т.д. Это дает возможность гомеогидридным растениям поддерживать на сравнительно постоянном уровне содержание воды в клетках и давление водяных паров в межклетниках. Эта группа составляет большинство высших сосудистых растений, формирует растительный покров Земли. Условия водного обмена у организмов определяются влажностью местообитания. В зависимости от этого у них появляются черты приспособления к жизни в условиях достаточного или малого водоснабжения.

В зависимости от местообитания среди наземных растений различают следующие экологические группы: гигрофиты, мезофиты и ксерофиты.

Гигрофиты (гигрос – влажный) – растения, обитающие во влажных местах, не переносящие водного дефицита и обладающие невысокой засухоустойчивостью. Растения этой группы имеют, как правило, крупные, тонкие, нежные листовые пластинки с небольшим числом устьиц, нередко расположенных с обеих сторон. Устьица большей частью широко открыты, в связи, с чем транспирация мало отличается от физического испарению

Гигрофиты обитают в тени под пологом леса или на открытых пространствах, но обязательно на почвах переувлажненных или покрытых водой. В целом же при довольно большом разнообразии местообитаний, особенностей водного режима и анатомо морфологических черт всех гигрофитов объединяет отсутствие приспособлений, ограничивающих расход воды и неспособность выносить даже незначительную ее потерю.

Мезофиты – это растения умеренно увлажненных местообитаний. Они имеют хорошо развитую корневую систему. Листья разные по размеру, но, как правило, большие, мягкие, нетолстые, плоские, с умеренно развитыми покровной, проводящей, механической, столбчатой и губчатой тканями. Устьица располагаются на нижней стороне листовых пластинок. Хорошо развита регуляция устьичной транспирации. Один и тоже мезофильный вид, попадая в разные по водоснабжению условия, обнаруживает известную пластичность, приобретая во влажных условиях более гигроморфные, а в сухих – более ксероморфные черты. К мезофитам относятся многие луговые травы, большинство лесных растений, значительная часть лиственных деревьев, многие полевые и плодово-ягодные культуры.

Ксерофиты (ксерос-сухой) – растения сухих местообитаний, способные переносить значительный недостаток влаги – почвенную и атмосферную засуху. К ним относятся виды растений пустынь, сухих степей, саванн, сухих субтропиков. Неблагоприятный водный режим растений в сухих местообитаниях обусловлен ограниченным поступлением воды при недостатке в почве и увеличением расхода влаги на транспирацию при большой сухости воздуха и высокой температуре. Для преодоления недостатка влаги могут быть разные пути: увеличение ее поглощения и сокращения расхода, а также способность переносить большие потери воды. При этом различают два основных способа преодоления засухи: возможность противостоять иссушению тканей, или активное регулирование водного баланса, и способность выносить сильное иссушение.

Наземные органы ксерофитов отличаются своеобразными чертами, у них сильно развита водопроводящая система, хорошо заметная по густоте сети жилок в листьях, подводящих воду к тканям. Структурные приспособления защитного характера у ксерофитов, направленные на уменьшение расхода воды, можно свести к следующему:

• Общее сокращение транспирирующей поверхности за счет мелких, узких, сильно редуцированных листовых пластинок.
• Уменьшение листовой поверхности в наиболее жаркие и сухие периоды вегетационного периода.
• Защита листьев от больших потерь влаги на транспирацию благодаря развитию мощных покровных тканей (многослойный эпидермис, выросты и волоски).
• Усиленное развитие механических тканей, предупреждающих обвисание листовых пластинок при больших потерях воды.

Ксерофиты, имеющие своеобразный внешний облик и не накапливающие в себе влагу, а интенсивно испаряющие ее, в большом количестве доставая ее из глубоких слоев почвы – называются склерофитами. У склерофитов отсутствует запас влаги, но высокая устойчивость к ее дефициту и потерям. Растения обладают глубокими корнями с большой сосущей силой. При достаточном обеспечении водой происходит интенсивная транспирация. Тело этих растений жестковатое, сухое, с большим количеством механической ткани. При продолжительном прекращении подачи воды может наблюдаться сбрасывание листьев или части побегов, что приводит к сокращению испарения. Многие ксерофиты впадают в состояние вынужденного покоя.

Суккуленты – запасают и эффективно сохраняют влагу. Для них характерны толстые, мясистые и сочные стебли. Водозапасающие ткани развиты в стеблях или листьях. Устьиц на поверхности нет, открываются только на ночь, что предельно сокращает транспирацию. Редукция листьев до колючек ворсистый покров, восковой налет, а также поверхностная корневая система, предназначенная для перехвата редких осадков (кактусы, алое, агавы). Суккуленты произрастают в районах с жарким сухим климатом, там, где изредка проходят дожди. Накопленную влагу суккуленты в дальней­шем медленно расходуют. Суккуленты произрастают в районах с жарким сухим климатом. Там, где хотя бы изредка проходят дож­ди, кратковременные, но обильные, ливневые.

В целом же различные формы адаптации к водному режиму у растений и животных, выработанные в процессе эволюции, отраже­ны в табл. 1

Таблица 1 - Адаптации к засушливым условиям у растений и животных (по Н. Грину и др., 1993)

Почва как экологический фактор.Эдафические факторы (от греческого – эдафос - почва) - это почвенные условия, которые влияют на жизнь и распространение живых организмов. В отличие от других экологических факторов эдафические факторы имеют свои особенности:

1. они не только влияют на организм, но и служат средой их обитания;
2. являются продуктами динамического взаимодействия между горными породами, климатом, органическим миром и человеческим обществом.
3. они занимают пограничное положение между биотическим фактором и абиотическим. Основными свойствами почвы как экологического фактора является структура, механический и химический состав, рН, открывает условия. Содержание питательных веществ, влажность, увлажненность.

Различное сочетание этих свойств образуют разнообразие видов почв и почвенных условий. Относительно рН почвы выделяют следующие группы растений:

І 1 ацидофилы (рН меньше 7) это растения, обитающие на кислых почвах. (клюква, папоротники, орляк, мох),

- 2 крайние ацидофилы (рН 3.0-4.5) сфагнум компактный, плаун булавовидный; - 3 умеренные ацидофилы (рН 4.5-6.0) калужница болотная,

- 4 слабые ацидофилы (рН 5.0-6.7) купина многоцветковая, анемона желтая;

- 5 ацидофил-нейтральные (рН 4,5-7) крапива жалкая, черная смородина, ландыш;

ІІ нейтрофилы (рН = 7) представители большинства растений Украины.

ІІІ базофилнейтральные (рН 6,7 – 7,8) люцерна, большинство видов полыни.

IV базофилы рН=6,7 – 8,5 рН (сосна черная, радиола розовая, лебеда бородавчатая).

По отношению к содержанию питательных веществ в почве выделяют:

1. эвтотрофы – растения, обитающие на обогащенных питательными веществами почвах (хмель, малина, папоротник страусовидный, крапива, паслен сладкогорький).
2. мезотрофы – растения почв средой питательности, представители: калужница болотная, купальница европейская, земляника.
3. олиготрофы – растения, обитающие на почвах с низким содержанием питательных веществ, к ним относятся – лишайники, клюква, черника, брусника.
4. эвритрофы – растения не прихотливые к плодородию почв и растут по всюду (вьюнок, тысячелистник обыкновенный).

По отношению к механическим свойствам почвы выделяют:

1- псаммофиты – растения, обитатели песков и корневая их система расположена не глубоко (гвоздика песчаная, чина приморская)

2- пелитофиты – растения, обитатели глинистых почв – полыни.

3- алевритофиты – растения субпесчаных и суглинистых почв (чабрец, цмин песчаный, осока песчаный).

4- хасмофиты – растения щебневых почв (лаванда, эдельвейс, сумах, черная гвоздика).

Пища, как экологический фактор.Все организмы нуждаются в пище, как в источнике энергии для поддержания жизни и осуществления своих функций, как материале для построения и обновления своих клеточных структур, размножения.

Количество пищи на земле определяется чистой первичной продукцией растений. Это составляет≈ 200 млн. тонн в единицах сухого вещества фитомассы, в которой заключено 3,5 10 ²¹ Дж энергии. Все это количество используют гетеротрофы, чья биомасса на порядок меньше

Основной количественной характеристикой питания служит функция скорости, которая выражается массой пищи потребленной в единицу времени одной особью, или единицей биомассы питающегося вида. Этот показатель зависит от вида, фазы развития потребителя, скорости роста, упитанности, степени голода. Удельная потребность в пище (в расчете на единицу биомассы) зависит от интенсивности энергетического обмена, эффективности усвоения веществ и энергии пищи, накопление внутренних резервов энергии. Как экологический фактор пища имеет большое значение в метаморфозах насекомых, сезонных и репродуктивных миграциях рыб и птиц, спячки животных.

Под пищевым режимом понимается своеобразная природа пищевого материала, являющегося источником энергии для того или иного вида животных. Различают три типа пищевых режимов: зоофагия, фитофагия, и детритофагия. Первый основан на использовании в пищу животных организмов и продуктов их жизнедеятельности. В зависимости от вида животной пищи выделяют следующие группы зоофагов:

- биофаги (питающиеся живыми тканями);

- некрофаги (питающиеся мертвыми тканями или трупами);

- копрофаги (питающиеся экскрементами).

Фитофагия основана на использовании для питания растительных организмов и их продуктов. Детритофагия основана на использовании в пищу разлагающиеся растения (детрит) и продукты их разложения. От пищевых режимов следует отличать пищевую специализацию, то есть круг пищевых материалов используемых данным видом. Он может быть широким или строго ограниченным. В зависимости от пищевого рациона выделяют следующие экологические группы: полифаги, олигофаги, монофаги.

Полифаги в качестве пищи используют большую группу животных и растений (тараканы, сверчки, бурый медведь, некоторые паразиты).

Олигофаги – для них спектр пищевых объектов ограничен сравнительно узкими рамками. Паразиты, хищники и фитофаги часто питаются только представителями определенных родов или семейств. Монофаги – набор объектов питания ограничен одним видом или несколькими близкими видами.

Границы между моно-, олиго- и полифагами условны, носам факт существования у всех животных пищевого предпочтения и специализации по отношению к определенному источнику пищи не подлежит сомнению. Пищевая специализация обуславливается различными причинами: способом добывания пищи, быстротой реакции и др. У хищников набор пищевых объектов определяется в первую очередь способ ловли, добычи и местом охоты. Добывание пищи для животных имеет определенную стоимость, измеряемую затратами времени и энергии. Животное может существовать только в том случае, если получаемая с пищей энергия превышает затраты на питание и него остается время на другие формы активности в том числе на размножение. В процессе естественного отбора у животных формируется оптимальная стратегия добывания пищи, позволяющая увеличить разность между поступающей с пищей энергией, и необходимыми ее затратами на питание. Оптимизируются такие параметры как скорость и характер передвижения, способы поиска корма, тип и размеры добычи, пищевой рацион, размеры кормового участка и др. Способ добычи ограничивает круг возможных источников пищи для хищника, но эти факторы не приводят к строгой монофаги.

Ярко выраженная пищевая специализация обнаруживается у многих паразитов. Факторами, обеспечивающими и поддерживающими узкую олигофагию, могут быть особенности поведения паразита и его способность развиваться в строго определенном хозяине. Адаптированность каждого вида паразита к своему хозяину проявляется в морфологических изменениях характерных для паразитического образа жизни, в развитии физиологических реакций подавления иммунитета, в синхронизации циклов развития паразита и хозяина.

Избирательность потребления пищи в разной степени выражена у животных и растений. Плохая избирательность свойственна многим беспозвоночным (почвоеды, водным фильтраторам, паразитам). Из хордовых и хрящевых плохая избирательность свойственна акулам. Пищевая избирательность, свойственна большинству позвоночных и более развитым беспозвоночным. Любая пища представляет собой набор различных элементов питания, среди которых есть обязательные и незаменимые. При отсутствии, какого либо из этих элементов, возникает нарушение жизнедеятельности вплоть до гибели. Для нормального развития большинства организмов в состав их пищи должны входить 8-10 незаменимых аминокислот, витамины, микроорганизмы, воздействуя на физиологическое состояние отдельных особей.