Солнечная энергия. Её влияние на живые организмы.

Солнечная энергия распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн (световая и тепловая энергии). Для организмов важными являются длина волны, его интенсивность и продолжительность воздействия.

Свет – первичный источник энергии, без которого невозможна жизнь на Земле. Около 99 % всё энергии солнечной радиации составляют лучи с длиной волны (170-4000 нм), в том числе 48 % приходится на видимую часть спектра (390….760 нм), 45 % - на близкую инфракрасную (760…. 4000 нм) и около 7 % - на ультрафиолетовую (< 400 нм).

Преимущественное значение для фотосинтеза имеют лучи с = 380 … 710 нм. Длинноволновая (дальняя инфракрасная) солнечная радиация (> 4000 нм) незначительно влияет на процессы жизнедеятельности организмов. Ультрафиолетовые лучи с длиной 320 нм в малых дозах необходимы животным и человеку, так как под их действием в организме образуется витамин Д.

При прохождении через атмосферный воздух солнечный свет отражается, рассеивается и поглощается. Чистый снег отражает примерно 80 – 95 % солнечного света, загрязнённый – 40 – 50 %, черноземная почва – до 5 %, сухая светлая почва – 35 – 45 %, хвойные леса – 10 – 15 %.

Важное значение для растений имеет интенсивность освещения. По отношению к освещенности они подразделяются на светолюбивые (гелиофиты), тенелюбивые (сциофиты) и теневыносливые (факультативные гелиофиты). Первые не выносят тени, вторые – яркого солнечного света, теневыносливые имеют широкий диапазон толерантности к свету. К гелиофитам относятся мать-и-мачеха, одуванчик, верблюжья колючка, нивяник обыкновенный, берёза бородавчатая, сосна обыкновенная и др. Факультативные гелиофиты – культурные растения (пшеница, рожь, ячмень, кукуруза и т. д.) и большинство видов лесной зоны (спирея обыкновенная, герань обыкновенная и др.), многие комнатные растения тропического происхождения (седум, сальвиния и др.). Сциофитами являются ландыш майский, недотрога, папоротник-орляк, герань лесная и др.

Свет играет большую и разнообразную роль в различных жизненных процессах у животных, что определяется его физическими свойствами. Биологическое действие радиации (ионизирующее излучение) осуществляется на субклеточном уровне (ядра, митохондрии, микросомы). При небольших дозах повреждающий эффект может сменяться стимулирующим. Ионизирующая радиация при действии н7а генетический аппарат вызывает мутационные изменения. Ультрафиолетовая радиация обладает канцерогенным (вызывает опухоли) действием, а также инактивируют в коже клетки Лангерганса, отвечающие за её иммунитет, активируют некоторые микробы. Однако, лучи от 300 нм стимулируют процессы клеточного синтеза (например, повышается продуктивность молодняка сельскохозяйственных животных при их облучении). Под действием этих лучей в организме синтезируется витамин Д, регулирующий обмен Са и Р, а соответственно нормальный рост и развитие скелета (например, «солнечное купание» свойственно многим птицам, лисам и барсукам).

Видимая часть спектра важна для животных, так как это связано с ориентированием в окружающей среде.. Многие ночные виды ориентируются с участием органов зрения, так как абсолютная темнота в сфере обитания животных встречается редко. Ослабление интенсивности света вызывает адаптивные перестройки органов зрения (совы, козодои, некоторые ночные млекопитающие). Обитание в условиях полной темноты, как правило, связано с редукцией органов зрения (виды, обитающие в пещерах и многие почвенные организмы). В океане интенсивность освещения падает с глубиной. У рыб, обитающих на мелководье, где спектральный состав света мало отличается от суши, имеется в сетчатке большой процент колбочек, чувствительных к красному цвету. Среди глубоководных рыб большинство имеют в сетчатке лишь один тип палочек, чувствительных к синему свету. Дальнейшее увеличение глубины связано у одних видов с редукцией органов зрения, а у других – с развитием гипертрофированных глаз, воспринимающих очень слабый свет. Последнее в значительной степени определяется наличием на больших глубинах светящихся организмов, способных иногда создавать освещение порядка 10 ^-2 мкВт/см², что выше порога световой чувствительности животных. Биологическое свечение используют многие рыбы, образуя симбиотические связи со светящимися микроорганизмами.

Освещённость земной поверхности существенно колеблется в зависимости от времени года и суток, географической широты, экспозиции склона, состояния атмосферы и т.п.

Свет имеет большое сигнальное значение и вызывает регулярные адаптации организмов. Вследствие вращения Земли периодически чередуются светлое и тёмное время суток. Цветение, прорастание семян у растений, миграция, зимняя спячка, размножение животных в природе связаны с длительностью фотопериода (длиной дня). Фотопериод – это некое «реле времени«, включающее последовательность физиологических процессов в организме. Необходимость в свете для растений обуславливает быстрый рост в высоту, ярусную структуру леса. Водные растения распространяются преимущественно в поверхностных слоях водоёмов.

Развитие живой природы по сезонам года проходит в соответствии с биоклиматическим законом, который носит имя Хопкинса: сроки наступления различных сезонных явлений (фенодат) зависят от широты, долготы местности и её высоты над уровнем моря. Значит, чем севернее, восточнее и выше местность, тем позже наступает весна и раньше осень. Для Европы на каждом градусе широты сроки сезонных событий наступают через три дня.

Температуратакже связана с солнечным излучением. Она служит важнейшим из ограничивающих (лимитирующих) факторов. Пределами толерантности для любого вида являются максимальная и минимальная летальные температуры, за пределами которых вид смертельно поражают жара или холод. При температуре ниже точки замерзания живая клетка физически повреждается образующимися кристаллами льда и гибнет, а при высоких температурах происходит денатурация (изменение естественных свойств белков) ферментов. Абсолютное большинство растений и животных не выдерживает отрицательных температур тела. Верхний температурный предел жизни редко поднимается выше 40-45 ^о С.

В диапазоне между крайними границами скорость ферментативных реакций (следовательно, и интенсивность обмена веществ) удваивается с повышением температуры на каждые 10 ⁰ С.

Закон биологической стойкости (по М. Ламмоту), применимый к любому из важнейших лимитирующих факторов, гласит: величина «оптимального интервала» характеризует величину «стойкости» организма, т. е. его величину толерантности к этому фактору, или «экологическую валентность».

Организмы, способные контролировать (поддерживать) температуру тела, называют гомойотермными - теплокровными (от греч. homoios – подобный, therme – теплота): рыбы, земноводные, пресмыкающиеся, насекомые и др. Гомойотермные организмы – холоднокровные(от греч. poiklos – различный, переменчивый, разнообразный), зависят от температуры окружающей среды: млекопитающие и птицы.

Не меньшее значение температура играет в жизни растений. При повышении температуры на 10 ⁰ С интенсивность фотосинтеза увеличивается в два раза, но лишь до + 30 – 35 ⁰ С, затем его интенсивность падает и при + 40 ⁰ С – 45 ⁰ С фотосинтез прекращается. При 50 ⁰ С большинство наземных растений погибают.

Температура также зависит от географической широты, сезона, времени суток и экспозиции склона. Изменение температуры по мере подъёма в воздушную среду или погружения в водную среду называется температурной стратификацией.

Растения и животные способны приспосабливаться (адаптироваться) к параметрам интенсивности света. Приспособления наземных растений направлены на улавливание и поглощение световой энергии.

К первой группе адаптаций следует отнести увеличение площади фотосинтетической поверхности, например явление листовой мозаики, когда листья не перекрывают друг друга (у липы, клёна и др.). У травянистых растений верхние листья располагаются почти вертикально, нижние, более затенённые, - под небольшим углом к горизонтали, а средние - занимают промежуточное положение (например у злаков в посевах и на лугах). Важно в экологическом отношении понятие «индекс листовой поверхности» или ИЛП.

Известно, что ИЛП соснового леса примерно 7-10 (т.е. на 1 га леса приходится 7-10 га листовой поверхности. Однако, увеличение площади листьев (выгодное по отношению к световому фактору) одновременно означает увеличение транспирации. В связи, с чем при недостатке водоснабжения растения не увеличивают площадь листьев. К тому же, сильное загущение насаждений, вызывает их затенение, что в свою очередь снижает суммарный фотосинтез и способствует усилению конкурентных отношений между растениями. Следствием затенения является недоразвитие механической ткани в стебле, это может привести к полеганию растений. Следовательно, повышение продуктивности за счёт увеличения листовой поверхности имеет определённый предел.

ИЛП культурных растений и естественных фитоценозов составляет всего 5-6, т.е. поверхность почвы в фитоценозе затенена 5-6 слоями листьев. Видимо, такая листовая поверхность является оптимальной для большинства фитоценозов, и их продуктивность при этом максимальна.

Второй группой приспособлений к улавливанию света служит увеличение общей поверхности самих хлоропластов , которым свойственен фототаксис (перемещение к источнику света или от него). Если интенсивность света высока, то хлоропласты переходят на боковые стенки и «подставляют» лучам свои боковые грани. Приспособлением для улавливания света служит изменение концентрации хлорофилла в листьях. Известно, что в ясные дни она снижается. Количество хлорофилла в листьях соответствует оптимальной для данного вида напряжённости света. Если изменяется эта величина, то количество пигментов падает (и при увеличении и при уменьшении интенсивности света). Минимальное количество хлорофилла у световых растений отмечается при полном дневном освещении. При повышении температуры разрушение хлорофилла идёт быстрее, чем его образование, и рост растения снижается, поэтому при ярком свете и высокой температуре растения стараются избегать перегрева, для чего поворачивают листовую пластинку ребром к солнечным лучам.

Третья группа приспособлений относится к способу поглощения радиации листом. Лучи, отраженные от листа или прошедшие через него, сильно обеднены фотохимически активной радиацией (ФАР). ФАР совпадает с диапазоном видимой части спектра (400 – 700 нм). Некоторые бактерии, имеющие бактериохлорофиллы, способны поглощать свет в длинноволновой части спектра (в области 800 – 1000 нм). Зелёный лист поглощает в среднем 75 % падающей на него лучистой энергии. Однако коэффициент использования её на фотосинтез составляет около 10 % при низкой освещённости и лишь 1-2 % - при высокой. Остальная энергия переходит в тепловую, которая затрачивается на транспирацию и другие процессы. Фотосинтез зависит от температуры. Минимальная температура, при которой возможен фотосинтез, видоспецифична и отражает приспособленность вида к температурным условиям среды. У многих видов она совпадает с температурой замерзания тканевых жидкостей (-1 ⁰ С, -2 ⁰ С), но у наиболее холодолюбивых форм опускается до -5… -7 ⁰ С. Максимальная температура фотосинтеза в среднем на 10 -12 ⁰ С ниже точки тепловой смерти. Температурный максимум фотосинтеза выше у южных растений. Оптимальной температурной зоной для фотосинтеза принято считать тепловые условия, при которых фотосинтез достигает 90 % своей максимальной величины; эта зона зависит от освещённости: повышается при её увеличении и снижается в условиях затенения. При низкой освещенности фотосинтез идёт активнее при более низких температурах, а при высокой (более 3000 лк) интенсивность этого процесса увеличивается с повышением температуры.

Освещенность также влияет на процесс фотосинтеза и характеризуется кривой насыщения: вначале с повышением освещённости кривая потребления СО идёт вверх, затем – по достижении определённого порога освещённости – нарастание фотосинтеза снижается, кривая приобретает форму гиперболы. Прослеживаются закономерности экологического плана: у тенелюбивых растений насыщение наступает при меньшей освещённости, чем у светолюбивых. Минимальное освещение, при котором поглощение диоксида углерода для фотосинтеза равно выделению его при дыхании, называют точкой компенсации; у светолюбов она располагается выше, чем у тенелюбов. Положение этой точки зависит от концентрации СО₂ и от температуры.