Лекция 5. Динамика факторов среды и ее влияние на организмы.

Виды динамики

Изменения могут быть: 1) случайными, 2) цикличными.

1) Случайные изменения факторов среды могут быть вызваны флуктуацией, обусловленной локальными или кратковременными явлениями. Пример - локальное увеличение содержания питательных элементов в почве в результате поступления экскрементов. При этом через короткий промежуток времени почва приходит в исходное положение. В системном анализе используются также понятия кризис, катастрофа и катаклизм.

Кризис не ведет к разрушению системы, но ведет к ее существенной перестройке, адаптации к новым условиям. Пример – вовлечение почвы в сельскохозяйственное использование.

Более глубокое изменение системы называется катастрофой. При этом она изменяется только при радикальном изменении структуры. Такое может происходить при полном изменении некоторых фундаментальных средообразующих факторов, например, при смене климатических условий.

Катаклизмом называется полное разрушение системы. При этом воссоздается принципиально новая система, которая может включать в себя элементы старой.

2) Циклические изменениявызваны вращениемЗемливокруг Солнца и вокруг своей оси (смена суток, времен года) – чередование через приблизительно равные интервалы каких-либо явлений, или максимумов и минимумов какого-либо процесса.

В процессе эволюции циклические явления, происходящие в природе, были восприняты живыми организмами, у которых выработалось свойство периодически изменять свое физиологическое состояние.

Биологический ритм – это чередование через приблизительно равные интервалы времени каких-либо состояний организма. Может проявляться на уровне деятельности одной клетки или ее органелл, органа, организма в целом и популяции организмов. Периоды таких ритмов могут быть в диапазоне от долей секунды до нескольких лет.

Ритмы могут быть экзогенными, являющимися непосредственной реакцией на изменения, и эндогенными, сохраняющимися даже при устранении воздействующего фактора.

Генерация ритма может быть основана на физиологических и биохимических процессах в организме: ритмическое сокращение мышц, ритмическое сокращение сердца, синтеза ДНК и РНК в клетках, звуковые импульсы в пении кузнечика и т.п.

Внутренние организмы соподчинены, интегрированы в целостную систему и выступают в конечном итоге в виде общей периодичности в поведении организмов. Организм как бы отсчитывает время, ритмически осуществляя свои физиологические функции. Отсюда время – это один из важнейших экологических факторов, на которые реагируют живые организмы.

В данной лекции рассматриваются экологические ритмы, соответствующие изменениям среды (адаптивные биологические ритмы). Выделяют ритмы: суточные, сезонные, лунные и приливные.

Суточный ритм

Обусловлен изменением в течение суток освещенности, температуры, влажности, связанным с вращением Земли.

Растения – в светлое время суток осуществляется фотосинтез, образуется хлорофилл, более интенсивна транспирация (при свете открываются устьица). Днем растения стремятся увеличить освещенность фотосинтезирующих органов. В темноте усиливается дыхание.

Животные – изменяют активность в зависимости от времени суток. В наиболее благоприятное время они активны, а в неблагоприятное уходят в укрытия. Как правило, в сутках два неблагоприятных периода: сразу после полуночи и сразу после полудня. Поэтому наибольшая активность организмов, как правило, отмечается в промежутках между ними. С изменением активности в течение суток связаны изменения и физиологических функций. У человека таких изменений отмечено более 100: сон и бодрствование, изменение температуры тела, ритма сердечных сокращений, объема и химического состава мочи, потоотделения, мышечной и умственной деятельности и т.д.

Большинство животных делится на две формы – дневную и ночную. Имеются также виды с приблизительно одинаковой активностью как днем, так и ночью, с чередованием коротких периодов сна и бодрствования . Такой ритм называют полифазным.

Суточная активность зависит от образа жизни, стадии развития, способа питания организмов. Пример:

Связь между типом питания и временем максимальной активности насекомых

Из таблицы следует, что освещенность играет большую роль в поисках пищи у насекомых с основными типами питания: хищников, фитофагов, питающихся пыльцой и нектаром. Ночной полет – только для миграции, когда зрение не столь важно.

Наиболее четко физиологические сдвиги в течение суток можно проследить у летучих мышей. Днем – температура тела как у окружающей среды, пульс, дыхание возбудимость резко понижены. Ночью – типичные гомойотермные животные, с высокой температурой тела, активными и точными движениями, быстрой реакцией на добычу и врагов.

У человека – сон и бодрствование, изменение температуры тела, ритма сердечных сокращений, глубины дыхания, химического состава мочи, потоотделения, работоспособности и т.д.

Температура и влажность имеют особое значение для биологического ритма организмов в местообитаниях с их резкими перепадами.

Циркадные ритмы – близкие к суточным.

Сезонный ритм.

Связан с сезонными изменениями длины дня (фотопериодизм), изменениями температуры и увлажнения (осадками).

Растения. Длина светового дня – единственная неизменная величина в определенные дни года, в отличие от влажности и температуры и является надежным сигналом, по которому растения и животные упорядочивают свою активность. Фотопериодизм был открыт в 1920 г В.Гарнером и Н.Аллардом во время селекционной работы с табаком. Они обнаружили, что один из сортов, который цвел в теплице весной и осенью, летом не цвел, хотя все условия были одинаковы, за исключением длины дня. В результате было сделано предположение, что длина дня и явилась фактором, ограничивающим цветение. Эксперименты подтвердили это предположение.

Некоторым растениям для цветения нужен длинный день (растения длинного дня), некоторые зацветают, как только созреют, независимо от длины дня (нейтральные). Однако, отмечено, что некоторые растения короткого дня на самом деле – растения длинной ночи. Если их ночь прерывать короткими периодами освещения, они не зацветут. А растения длинного дня зацветут и при коротком дне, если ночь прерывать краткими периодами освещенности. Фоторецептором является фитохром.

Растения короткого дня – дурнишник, хризантемы, соя, табак, земляника. Цветение индуцируется, когда темный период превысит критическую величину: для дурнишника – 8,5ч, для табака – 10-11ч.

Растения длинного дня – белена, львиный зев, капуста, яровая пшеница, ячмень. Цветение индуцируется, когда темный период станет короче критического, для белены 11ч.

Растения, нейтральные в отношении фотопериода – огурцы, томаты, садовый горошек, кукуруза, хлопчатник.

Помимо сезонного фотопериодизма, рассмотренного выше, выделяют сезонный термопериодизм. Для растений умеренного пояса необходим не только летний период с повышенными температурами, но и осенний и весенний с пониженными. Если дать большинству растений умеренного пояса постоянные температурные условия, нормального развития не будет. Семена многих растений не взойдут, если не подвергнутся предварительному воздействию низких температур. В сельском хозяйстве производится обработка семян некоторых культур низкими температурами - яровизация.

В пустынных районах некоторые растения используют осадки как биологический сигнал. Их семена содержат ингибитор прорастания, который может быть вымыт определенным количеством осадков. Если их поместить во влажную почву, они не прорастут, но после орошения дождем нужной силы быстро начинают прорастать.

Животные. Хотя высшие растения и животные резко различаются морфологически, связь с фотопериодичностью среды у них сходна.

Сокращение длины дня служит предупреждением о приближении осенних и зимних холодов. Насекомые впадают в спячку (диапауза) или откладывают диапаузные яйца. С помощью искусственного освещения удалось сместить у животных сроки линьки, накопления жира и т.п.