СВЕТ КАК ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКТОР
СОЛНЦЕ – БЛИЖАЙШАЯ К НАМ ЗВЕЗДА
Расстояние до Солнца – 150 миллионов километров = 1 а. е. (астрономическая единица), за 8 минут свет идет до Земли. На 1 м 2 обращенной к Солнцу поверхности площадки в окрестностях Земли ежесекундно поступает 1400 Дж энергии (1, 4 к. Вт/м 2), переносимой солнечным электромагнитным излучением. При прохождении солнечной радиации через атмосферу около 19% поглощается облаками, водяными парами и т. д. , 34% отражается обратно в космос, 47% достигает земной поверхности, из них 24% – прямая радиация и 23% – отраженные лучи. Солнечная энергия, которую зеленые растения поглощают и используют, называется фотосинтетически активной радиацией (ФАР). Для растений наиболее продуктивными являются не прямые солнечные лучи, падающие перпендикулярно поверхности листьев, а рассеянные. Прямая радиация Солнца в зависимости от высоты светила над горизонтом содержит 28– 43% ФАР
Свет – электромагнитное излучение с длиной волны от 0, 29 до 50 мкм. Человеческий глаз улавливает только излучение с длиной волны 0, 40 -0, 75 мкм. Свет влияет на скорость роста и развития растений, на интенсивность фотосинтеза, на активность животных, вызывает изменение влажности и температуры среды, Спектр видимого является важным солнечного света сигнальным фактором, обеспечивающим суточные и сезонные биоциклы.
На видимые лучи (видимый свет) приходится примерно половина всей поступающей на Землю лучистой энергии (400– 760 нм). Остальные 50% составляют невидимые инфракрасные лучи (760– 5000 нм), около 1% (до 9%) ультрафиолетовые (100 до 400 нм).
Влияние различных видов лучистой энергии Солнца на живые организмы различно. Проникающая радиация может вызывать необратимые изменения в клетках, привести к нарушению обмена веществ; ультрафиолетовые лучи с длиной волны 0, 25 -0, 30 мкм стимулирует у животных образование витамина D, 0, 20 -0, 30 мкм губительно действует на микроорганизмы, 0, 38 -0, 40 мкм обладают высокой фотосинтетической активностью Инфракрасное излучение воспринимается всеми организмами как тепло. Существуют виды, которые в течение нескольких поколений могут безболезненно развиваться в полной темноте – многие грибы и бактерии. Пасмурная погода в течение 3 дней снижает активность мозга у человека, а в течение недели – общую активность нервной системы. Количество заболевших депрессией в пасмурную погоду увеличивается в 4 раза. Но свет совершенно необходим живой природе, поскольку служит для нее единственным источником энергии. На свету происходит образование хлорофилла и осуществляется важнейший в биосфере процесс фотосинтеза. Растения запасают 0, 2% ФАР. Некоторая часть лучей 0, 2% ФАР пропускается через листья, другая отражается. Скорость фотосинтеза зависит от вида растения, интенсивности света, температуры, концентрации CO 2, в воздухе и т. д. В результате эта скорость в у различных видов растений и в различных регионах неодинакова.
Например, в условиях Беларуси у большинства с/х растений скорость фотосинтеза составляет около 20 мг CO 2 на 1 дм 2 листовой поверхности в час, у кукурузы – 80, у болотных растений 20 -40, у листопадных деревьев и кустарников – 10 -20, у вечнозеленых хвойных деревьев – 4 -15, у мхов около 3, у высших водных растений 4 -6 мг CO 2 на 1 дм 2/ч. Причем, наибольшее значение имеют красные (720 -600 нм) и оранжевые лучи (620 -595 нм). Именно они являются основными поставщиками энергии для фотосинтеза и влияют на процессы, связанные с изменением скорости развития растения (избыток красной и оранжевой составляющей спектра задерживает переход растения к цветению). Синие и фиолетовые (490 -380 нм) лучи, кроме непосредственного участия в фотосинтезе, стимулируют образование белков и регулируют скорость развития растения. У растений, живущих в природе в условиях короткого дня, эти лучи ускоряют наступление периода цветения. Ультрафиолетовые лучи с длиной волны 315 -380 нм задерживают Ультрафиолетовые «вытягивание» растений и стимулируют синтез некоторых витаминов, а лучи с длиной волны 280 -315 нм повышают холодостойкость. Инфракрасные лучи с длиной волны свыше 1, 05 мкм принимают Инфракрасные участие в теплообмене растений. Лишь желтые (595 -565 нм) и зеленые (565 -490 нм) не играют особой роли в жизни растений.
Как и все живые организмы, растения обладают способностью адаптироваться к изменяющимся условиям. В результате адаптации растения к пониженной освещенности меняется его облик – листья становятся темно-зелеными и немного увеличиваются в размерах (линейные листья удлиняются и становятся уже), начинается вытягивание междоузлий стебля, который при этом теряет свою прочность. Затем их рост постепенно уменьшается, т. к. резко снижается производство продуктов фотосинтеза, идущих на посторенние тела растения. При недостатке света многие растения перестают цвести. При избытке света хлорофилл частично разрушается, и цвет листьев становится желто-зеленым. На сильном свету рост растений замедляется, они получаются более приземистыми с короткими междоузлиями и широкими короткими листьями. Проникающий в воду свет обеспечивает жизнь водорослям на глубине до 150 м.
СВЕТОВОЙ РЕЖИМ Каждое местообитание характеризуется определенным световым режимом. Он устанавливается соотношением интенсивности (силы), количества и качества света. Показатели светового режима очень изменчивы и зависят от географического положения и рельефа местности, от высоты над уровнем моря, типа растительности, состояния атмосферы, времени года и суток и других факторов. Интенсивность, или сила, света измеряется в люксах (количеством джоулей, приходящихся на 1 см 2 горизонтальной поверхности в минуту). Для прямых солнечных лучей этот показатель почти не изменяется в зависимости от географической широты. Наиболее существенно на него влияют особенности рельефа: на южных склонах интенсивность света всегда больше, чем на северных. Солнечный свет днём – от 32. 000 до 100. 000 люкс. Количество света, определяемое суммарной радиацией, от полюсов к экватору увеличивается. Это сопровождается изменениями его качества. Для определения светового режима необходимо учитывать и количество отражаемого света, так называемое альбедо. Оно выражается в процентах от общей радиации и зависит от угла падения лучей и свойств отражающей поверхности. Например, снег отражает 85% солнечной энергии, альбедо зеленых листьев клена составляет 10%, а осенних пожелтевших – 28%.
Одно полное движение Земли вокруг своей воображаемой оси составляет 24 часа. Во время вращения Земли каждый ее участок поверхности проходит через солнечные лучи (день), а затем – через темное пространство – ночь. Длина светового дня меняется в течение года. В умеренных широтах самый короткий день равен 8 ч. , а самый длинный – более 16 ч. Вращение Земли вокруг своей оси обуславливает выработку у организмов режима суточной активности.
Экологические группы растений по отношению к свету Экологиче ская группа Характеристика Примеры Гелиофиты имеют мелкие (светолюб блестящие или ивые) густо опушенные листья, расположенные под большим углом, иногда почтивертикально; образуют разряженные насаждения луговые злаки, растения тундр, эфемеры, большинство культурных растений открытого грунта, многие сорняки Факультат ивные гелиофиты (теневынос ливые) ель, клен, граб, ле–щина, боярышник, земляника, герань, многие комнатные способны развиваться как при очень большом, так и при малом количестве света
Световые виды (Гелиофиты) обитают на открытых местах с хорошей освещенностью и в лесной зоне встречаются редко. Они образуют разреженный и невысокий растительный покров, чтобы не затенять друга. Адаптивные особенности: характерна приземистость, розеточное Адаптивные особенности: расположение листьев, укороченные побеги. На недостаточное освещение они реагируют развитием этиолированных (обесцвеченных) побегов в сторону света. Цветки, например, таких светолюбивых растений, как подсолнечник (Helianthus), козлобородник (Tragopogon), череда (Bidens), поворачиваются за солнцем. Световые растения почти не способны выносить затенения. Для них характерна наибольшая интенсивность фотосинтеза при полном солнечном освещении и значительная трата углеводов на дыхание. Этиолированный и нормальный побеги картофеля Овощная спаржа
Теневые растения (Сциофиты) не выносят сильного освещения и живут под пологом леса в постоянной тени. На вырубках при резком осветлении они проявляют признаки угнетения и часто погибают. Адаптивные особенности: отличаются мозаичным расположением листьев, особенности: произрастают, где интенсивность освещения составляет 0, 25 -0, 5% от полного дневного света. Листовая мозаика (из А. Г. Воронов, 1963): 1 – ветвь вяза; 2 -4 розетки листьев соответственно герани, камнеломки и колокольчика
Теневыносливые растения (Факультативные гелиофиты) могут жить при хорошем освещении, но легко переносят и некоторое затенение. К ним относится большинство растений леса. Адаптивные особенности: отличаются мозаичным расположением листьев, у деревьев световые и теневые листья (располагаются соответственно на поверхности и внутри кроны) – хорошо освещаемые и затененные – имеют анатомические различия. Световые листья толще и грубее, иногда блестящие, что способствует отражению света. Теневые листья обычно матовые, неопушенные, тонкие с очень нежной кутикулой или вовсе без нее. В лесу деревья образуют густо сомкнутые насаждения. Под их пологом могут расти более теневыносливые деревья и кустарники, а ниже – еще более теневыносливые и Ели, выросшие на открытом месте (1) теневые кустарнички и травы. и в лесу (2) (по Г. Р. Эйтингу, 1944)
Коротковолновые (синие и фиолетовые) лучи спектра стимулируют клеточные деления, но задерживают вторую фазу онтогенеза клетки – фазу растяжения. Вероятно, именно этим объясняется приземистость травянистых растений, живущих на свету. С этим же, вероятно, связана низкорослость альпийских растений, живущих при повышенном количестве коротковолновой радиации. Приземистость, вызываемая свойствами света, оказывается биологически выгодной в альпийских условиях: она помогает использовать защитные свойства снега зимой. Следует отметить, что морфолого-анатомические особенности, свойственные световым и соответственно теневым растениям, могут проявляться и на одном и том же растении. Так, например, листья одного и того же дерева, взятые с незатененных ветвей и развившиеся в затенении, обычно хорошо различаются по анатомической структуре.
Разрезы листьев лесной герани: 1 - солнечный лист; 2 и 3 - теневые листья Освещенность отражается на различии в анатомическом строении листьев световых и теневых растений. Листья световых растений имеют хорошо выраженную палисадную ткань, а если растение живет на почве, отражающей много света (мел, известняк), то палисадная ткань может быть развита с обеих сторон листа. У световых растений эпидермис состоит из относительно мелких тонкостенных клеток, количество устьиц относительно велико. Сциофиты представляют противоположность гелиофитам и по этим признакам. Однако подобные различия связаны не столько с влиянием света, сколько с тем, что, живя на свету, сциофиты сильно нагреваются и это очень отражается на их водном режиме – световые растения часто являются в то же время растениями засушливых мест – ксерофитами.
Земля описывает свой путь вокруг Солнца за один год (365 ¼ дня). Из-за того, что земная ось имеет наклон, северное полушарие больше всего наклонено к Солнцу в июне, а южное в декабре. В том полушарии, которое в данный момент больше всего наклонено к Солнцу – наступает лето, а в другом полушарии – зима. В районе экватора Солнце всегда стоит высоко над горизонтом, здесь не происходит смены времен года.
Движение вокруг Солнца вызывает закономерные изменения длины дня и ночи по сезонам года. Это является причиной сезонный ритмичности в жизнедеятельности организмов. В северном полушарии начало астроном. весны определяется весенним равноденствием, когда день = ночи (20 -21 марта), лето – с момента высшего солнцестояния (21 -22 июня), осень – с момента осеннего равноденствия (22 -23 сентября), зима – с момента зимнего меньшего солнцестояния (21 -22 декабря).
ФОТОПЕРИОДИЗМ В начале 20 -х годов XX в. было установлено, что сроки цветения многих растений можно сдвигать, изменяя соотношение между освещенной и неосвещенной частями суток. По типу фотопериодической реакции фотопериодической выделяются следующие группы: растения короткого дня – для перехода к цветению требуется 12 ч светлого времени и менее в сутки (конопля, капуста, хризантемы, табак, рис, каланхоэ, молочай (Poinsettia)). В естественных условиях эти растения цветут осенью, когда дни становятся короче; растения длинного дня – для цветения и дальнейшего развития им нужна продолжительность беспрерывного светового периода более 12 ч в сутки (пшеница, лен, лук, картофель, овес, морковь). Они могут расти, цвести, и плодоносит круглый год, темнота им совершенно не нужна. Обычно такие растения цветут весной; фотопериодически нейтральные – длина фотопериода безразлична и цветение наступает при любой длине дня, кроме очень короткой (виноград, томаты, гречаха, одуванчики, флоксы и т. д. ). Животные условно разделяются на «длиннодневных» (активны летом) и «короткодневных» (активны зимой). Знания в этой области позволяют управлять развитием животных, прогнозировать изменения численности их популяций в течение года.
СВЕТ КАК УСЛОВИЕ ОРИЕНТАЦИИ ЖИВОТНЫХ Большинство животных обладает специальными световоспринимающими системами, способными различать длину волны – наделены цветным зрением. У простейших имеются светочувствительные органеллы – эвглена зеленая (Euglena viridis) с помощью светочувствительного «глазка» реагирует на степень освещенности среды. 1 5 6 4 3 2 7 1 – жгутик, 2 – резервуар сократительной вакуоли, 3 – сократительная вакуоль, 4 – несущие хлорофилл хроматофоры, 5 – ядро, 6 – парамиловые зерна, 7 – глазок.
Практически у всех кишечнополостных, моллюсков, членистоногих и позвоночных животных развиваются сложные светочувствительные органы – глаза, имеющее сложное строение. Карась Слизень Насекомое Медуза Aurelia aurita У животных ориентация на свет осуществляется в результате фототаксисов: положительного (перемещение в сторону наибольшей освещенности) и отрицательного (перемещение в сторону наименьшей освещенности). Перемещение вольвоксов вслед за источником света
Экологические группы животных по отношению к свету Дневные Сумеречные Ночные активно бодрствуют и охотятся днем. Это самая большая группа животных животные, активный период суточной жизнедеятельности которых приходится на сумерки (вечерние или утренние) булавоусые бабочки, заяц, лось, барсук, горностай и др. в первую очередь летучие мыши, козодои, некоторые совы, жуки–навозники, жабы животные, ведущие большинство сов, ночной образ жизни бабочки– бражники, (+ почвенные, некоторые обитатели пещер и тропические больших глубин, древесные внутренние паразиты) лягушки, хомяки
Световой режим оказывает влияние и на географическое распространение животных. Так, определенные птицы и млекопитающие поселяются в высоких широтах с длинным полярным днем, и осенью, когда день сокращается, они мигрируют или откочевывают на юг. Летом в тундре скапливается огромное количество животных, которые при обилии света успевают, несмотря на общую суровость климата, закончить размножение. В то же время в тундру почти не проникают ночные хищники – за короткую летнюю ночь они не могут прокормить ни себя, ни потомство.
Многие птицы во время перелетов ориентируются с помощью зрения по солнцу или звездам. Такой же способностью обладают и некоторые насекомые, например медоносная пчела. Танцы медоносных пчел-разведчиц Миграция птиц
Определенное сигнальное значение имеет и биолюминесценция, т. е. способность живых организмов светиться. Происходит это в результате окисления сложных органических соединений люциферинов обычно в ответ на раздражения, поступающие из внешней среды. У многих люминесцирующих животных формируются специализированные органы свечения. Световые сигналы, испускаемые, например, рыбами, головоногими моллюсками и др. водными организмами, служат для привлечения особей противоположного пола, для приманивания добычи или отпугивания хищников, для ориентации в стае и т. д.
В наземно-воздушной среде люминесценция встречается значительно реже, чем в водной. Например, жуки семейства светляков (Lampyridae) используют световую сигнализацию в сумеречные и ночные часы для привлечения особей (самцов) противоположного пола. В брачный период они забираются на деревья, кусты или выползают из своих щелей на стены и начинают светиться холодным зеленоватым огнем.
Многие биологические процессы в природе протекают ритмично, т. е. разные состояния организма чередуются с достаточно четкой периодичностью. Внутренний механизм (эндогенный), позволяющий организму чувствовать течение времени и измерять его промежутки, называется биологическими часами. Биологические часы «настраиваютбиологическими часами ся» окружающей периодичностью. Среди экологических ритмов различают: - годичные с периодом от 10 до 13 мес. , годичные - лунные с периодами 29, 53 сут. и 24, 8 -12, 4 ч (приливные), лунные - суточные солнечные (24 ч). суточные Биоритмы животных и человека генерируются группой особых клетокпейсмекеров, или ритмоводителей (часто их и называют биологическими часами). Располагаются они в различных органах: у медуз – в ропалиях (органах чувств), у ракообразных – в основании стебельчатых глаз, у млекопитающих (и у человека) существуют несколько центров ритма – в области сердца, промежуточного и продолговатого мозга. У растений в результате фотопериодизма (гл. обр. в листьях) образуются фитогормоны, влияющие на многие физиологические процессы.
Среди экологических ритмов наиболее очевидны годичные. Если деревья умеренного пояса пересадить в тропики, они некоторое время будут сохранять цикличность цветения, сбрасывания листьев и периода покоя. Рано или поздно эта ритмичность нарушится, продолжительность фаз цикла будет все более неопределенной и в конечном итоге исчезнет синхронизация биологических циклов не только разных экземпляров одного и того же вида, но даже разных ветвей одного дерева. По-видимому, годичный ритм – это адаптация к условиям умеренной зоны. В тропических областях, где условия среды практически постоянны в течение всего года, местным растениям и животным часто свойственны долговременные биологические ритмы с периодом, отличным от 12 месяцев. Например, цветение может наступать каждые 8 или 18 месяцев. С определёнными сезонами года у организмов связаны периоды размножения, развития, состояние зимнего покоя, у животных – линьки, миграции, спячки, а у листопадных растений – ежегодная смена листьев. Сезонные ритмы влияют не только на жизненные процессы организмов, но и на их строение. Например, у дафний и тлей на протяжении года у разных поколений закономерно изменяются размеры тела и особенности строения определённых его частей.
Если биологические ритмы синхронизированы с наступлением приливов и отливов (каждые 12, 4 часа) или только одной из этих фаз (каждые 24, 8 часа), их называют приливными. Приливы обусловлены лунным притяжением, и в большинстве регионов планеты происходит два прилива и два отлива в течение лунных суток (периода времени между двумя последовательными восходами Луны. ) Поскольку Луна движется вокруг Земли в том же направлении, что и наша планета вокруг собственной оси, лунные сутки примерно на 50 минут длиннее солнечных, т. е. приливы наступают каждые 12, 4 часа. Примеры: - рыбка атерина, обитающая у берегов Калифорнии, использует в своем жизненном цикле самый высокий прилив, самки откладывают икру у кромки воды, закапывая ее в песчаный грунт. С отступлением воды икра остается созревать во влажном песке. Выход мальков происходит через полмесяца и приурочен к следующему высокому приливу, - рак-отшельник прячется от света в отлив и выходит из тени в прилив, -устрицы во время отлива плотно сжимают створки и прекращают питание. Периодичность открывания и закрывания раковины сохраняется у них длительное время и в аквариумах, - нерестования многощетинковых червей палоло, размножения японских морских лилий, роения ряда комаров-хирономид и поденок.
Смена дня и ночи влияет на интенсивность процессов жизнедеятельности животных: двигательной активности, питания, интенсивности обмена веществ и т. д. Кишечнополостное животное – морское перо (Cavernularia obesa), представляющее собой колонию из множества крошечных полипов, живет на песчаном мелководье, втягивается в песок днем и разворачивается по ночам, чтобы питаться фитопланктоном. Освещённость определяет периодичность процессов фотосинтеза, испарения воды растениями, время открывания и закрывания цветков и др. У человека обнаружено свыше 100 жизненных функций, интенсивность которых зависит от времени суток (бодрствования и сна, температура тела, обменные процессы и т. д. ). Когда человек переезжает в другой часовой пояс, его ритм сна-бодрствования перенастраивается со скоростью два-три часа в сутки, т. е. к разнице в 6 часов он приспосабливается только через два-три дня.
Скачать презентацию СВЕТ КАК ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКТОР СОЛНЦЕ БЛИЖАЙШАЯ
Лек.6. Свет как экологический фактор.ppt