Свет как экологический фактор. Адаптация растений и животных к различному уровню освещенности, длине световой волны, фотопериоду

3 Свет как  экологический фактор. Адаптация  растений

 и животных  к различному уровню освещенности,

длине световой волны, фотопериоду

Условия жизни организмов определяются общим потоком излучения  в окружающей их среде. Организмы, которые  живут на поверхности планеты или вблизи нее, воспринимают поток энергии, состоящий из солнечного излучения и длинноволнового теплового излучения от соседних тел. Именно эти два фактора обусловливают климатические условия среды — температуру, скорость испарения воды, движения воздуха и воды.

Солнечная радиация, поступающая на поверхность Земли, составляет около 99,8% в общем, балансе энергии планеты. Она поддерживает тепловой баланс Земли, обеспечивает водный обмен организмов, создание и превращение органического вещества автотрофным звеном биосферы. Все это в конечном итоге делает возможным формирование среды, которая способна удовлетворить жизненные потребности организмов.

Излучение Солнца, приходящее к верхней границе биосферы, равно 8,3 Дж/см² в 1 мин. Эта величина носит название солнечной постоянной. Примерно 19% солнечной энергии поглощается при прохождении через атмосферу (облаками, аэрозолями, диоксидом углерода, водяными парами, озоном и кислородом), 34% отражается обратно в космическое пространство. Следовательно, лишь 47% ее достигает земной поверхности в виде прямой и рассеянной радиации. Прямая солнечная радиация (24%) — это совокупность электромагнитного излучения с длинами волн от 0,1 до 30000 нм. Рассеянная радиация (23%) представляет собой отраженные лучи, т.е. это рассеянная небосводом диффузная радиация.

Совокупность прямой и рассеянной компонент солнечной  радиации называют суммарной радиацией, ее численное значение в средних широтах может достигать 4,6 кДж/см² в сутки (около 3,2 Дж/см² в 1 мин). Суммарная радиация создает для ее обитателей так называемый световой режим.

Излучение, которое достигает  почвы или растительного покрова, подразделяется на коротковолновое (300—4000 нм) и длинноволновое (более 4000 нм). Ультрафиолетовые лучи короче 290 нм, губительные для живых организмов, поглощаются озоновым слоем и до поверхности планеты практически не доходят.

Наибольшее значение для жизнедеятельности организмов имеет коротковолновая радиация; она в свою очередь условно  разделяется на ультрафиолетовую (менее 400 нм), видимую (400—760 нм) и близкую инфракрасную (760—4000 нм) радиацию.

Длинноволновые УФ-лучи, которые обладают большой энергией фотонов, характеризуются высокой  химической активностью. В больших дозах они вредны для организмов, в малых необходимы многим из них. УФ-лучи в диапазоне 250—300 нм оказывают мощное бактерицидное действие, а при длине волны 200—400 нм вызывают у человека загар, который является защитной реакцией кожи.

В пределах видимого участка  спектра выделяют фотосинтетически активную радиацию (длина волн 380—710 нм), ее энергия поглощается пигментами листа и имеет решающее значение в жизни растений, обеспечивая фотосинтез.

Важными с экологической  точки зрения характеристиками света  являются продолжительность воздействия (длина дня), интенсивность (в энергетических величинах), спектральный состав лучистого потока.

Адаптационные ритмы жизни. Из-за осевого вращения Земли и движения вокруг Солнца развитие жизни на планете происходило в условиях регулярной смены дня и ночи, а также чередования времен года. Подобная ритмичность создает в свою очередь периодичность, т.е. повторяемость условий, в жизни большинства видов. При этом вполне закономерно изменяется и действие большого числа экологических факторов: освещенности, температуры, влажности, давления атмосферного воздуха, всех компонентов погоды. Проявляется регулярность в повторении как критических для выживания периодов, так и благоприятных.

К указанным ритмам организмы  приспособлены таким образом, что  их физиологическое состояние и поведение изменяются в полном соответствии с циклическими изменениями внешней среды. Для жизнедеятельности разных видов организмов выделяют суточные, годовые и приливно-отливные ритмы.

Суточные ритмы приспосабливают организмы к смене дня и ночи. При этом суточный ритм может влиять на многие процессы в организме. Так, у человека около ста физиологических характеристик подчиняются суточному циклу: кровяное давление, температура тела, частота сокращения сердца, ритм дыхания, выделение гормонов и многие другие. Отметим, что постоянные нарушения суточной ритмики организма человека в условиях ночного бодрствования, космических полетов, подводного плавания и т.п. представляют собой опасность для здоровья.

Годовые ритмы приспосабливают организмы к сезонной смене условий. Благодаря этому, например, самые уязвимые для многих видов процессы размножения и выращивания молодняка приходятся на наиболее благоприятный сезон.

Имеющие место кратковременные  изменения погоды (зимние оттепели, летние заморозки) не нарушают, как правило, годовых ритмов растений и животных. Поэтому следует подчеркнуть, что основным экологическим периодом, на который реагируют организмы в своих годовых циклах, является не случайное изменение погоды, а фотопериод, т.е. изменение в соотношении дня и ночи.

Общеизвестно, что длина  светового дня закономерно изменяется в течение года, и именно это  служит весьма точным сигналом приближения весны, лета, осени и зимы. Способность организмов реагировать на изменение длины дня называется фотопериодизмом.

В процессе эволюции выработались характерные временные циклы  с определенной последовательностью и длительностью периодов размножения, роста, подготовки к зиме, т.е. биологические ритмы жизнедеятельности организмов в определенных условиях среды. Чередование света и темноты растения воспринимают листьями. Под влиянием продолжительности дня в растениях образуются гормоны, которые влияют на цветение, образование клубней, корнеплодов. Жн = ным также свойственен фотопериодизм. Так, наступление и прекращение брачного периода, плодовитость, линька, наступление зимней спячки, миграция происходят под влиянием этого явления.

Приливно-отливные ритмы. Виды организмов, обитающие в прибрежной или донной части мелководья (на литорали), в которую свет проникает до дна, находятся в условиях очень сложной периодичности внешней среды. На 24-часовой цикл колебания освещенности и других факторов накладывается еще чередование приливов и отливов. В течение лунных суток (24 ч 50 мин) наблюдаются 2 прилива и 2 отлива. Дважды в месяц (новолуние и полнолуние) сила приливов достигает максимальной величины.

Этой сложной ритмике  подчинена жизнь организмов, обитающих  в прибрежной зоне. Так, самки рыбы атерина в самый высокий прилив откладывают икру у кромки воды, закатывая ее в песок. При отливе икра остается созревать в нем. Выход мальков происходит через полмесяца, он совпадает со временем следующего высокого прилива.

Интенсивность света влияет на первичное продуцирование органического вещества фотоавтотрофами. При этом фотосинтетическая деятельность, как у наземных, так и у водных фотоавтотрофов связана с интенсивностью света линейной зависимостью вплоть до оптимального уровня светозого насыщения.

Ультрафиолетовые  лучи имеют самую высокую энергию квантов и соответственно наибольшую фотохимическую активность. У растений и животных УФ-лучи способствуют синтезу некоторых биологически активных соединений, например витаминов.

Видимый свет для фототрофных и гетеротрофных организмов имеет разное экологическое значение. У зеленых растений сформировался светопоглотительный пигментный комплекс, способствующий осуществлению процесса фотосинтеза, возникновению яркой окраски цветков, которая привлекает опылителей. Свет влияет на деление и растяжение клеток, ростовые процессы и на развитие растений, определяет сроки цветения и плодоношения. Для животных чрезвычайно важна роль видимого света, его спектральных участков и плоскости поляризации в целях пространственной ориентации, в регуляции многих физиолого-биохимических процессов.

Инфракрасные, или тепловые, лучи несут основное количество (до 45%) тепловой энергии. При этом наиболее легко поглощается тепло водой, количество которой в организмах, как известно, весьма значительно. В свою очередь это приводит к нагреванию всего организма, что имеет особенно важное значение для холоднокровных животных (например, рептилий). В отношении растений важнейшая функция ИК-лучей состоит в осуществлении транспирации, с помощью которой из листьев водяными парами отводится излишек тепла, а также создаются условия для проникновения диоксида углерода через устьица листьев в процессе фотосинтеза.

Элементы светового  режима весьма переменчивы; они зависят  от географического положения, высоты над уровнем моря, от рельефа, состояния атмосферы, характера земной поверхности, состояния и структуры растительности, от времени суток, сезона года, солнечной активности и глобальных изменений, которые могут происходить в атмосфере.