Свет как экологический фактор и адаптации к нему организмов кратко
Обновлено: 02.07.2024
§ 5. Свет в жизни организмов. Фотопериод и фотопериодизм
*Свет как абиотический фактор среды
Одним из условий существования жизни на Земле является солнечный свет, поступающий из космического пространства.
При прохождении солнечной радиации через атмосферу около 19 % поглощается облаками и водяными парами, 34 % отражается обратно в космос, 47 % достигает земной поверхности, из них 24 % — прямая радиация и 23 % — отраженные лучи. Растения связывают в ходе фотосинтеза в среднем 1 % поступающей к ним солнечной энергии.
В солнечном спектре выделяют три основных компонента: ультрафиолетовые лучи, видимый свет, инфракрасные лучи. Их характеристика представлена в таблице.
Таблица. Состав солнечного света, достигающего поверхности Земли
Содержание в спектре, %
Ультрафиолетовые лучи действуют на организмы неоднозначно в зависимости от дозы. Избыточное облучение ультрафиолетом может причинять существенный вред здоровью. Все живое на Земле защищено от губительного влияния ультрафиолетовых лучей озоновым слоем земной атмосферы. Однако, несмотря на защитный озоновый слой, на долю ультрафиолетовых лучей приходится около 3 % солнечного света, достигающего поверхности Земли. Ультрафиолетовые лучи приводят к повреждению хромосом, могут вызывать рак кожи, преждевременное старение, стать причиной развития катаракты (помутнения хрусталика). Для людей со светлой кожей ультрафиолетовые лучи являются основным фактором, приводящим к меланоме — самой опасной форме рака кожи.
В то же время в небольших дозах ультрафиолетовые лучи стимулируют синтез пигмента кожи меланина и витамина D. Из курса биологии 9-го класса вы уже знаете, что витамин D оказывает влияние на обмен кальция и фосфора. Это в свою очередь влияет на рост и развитие скелета человека.
Видимый свет наиболее важен для существования жизни на Земле. Все разнообразие климатических условий и температуры верхних слоев морских и пресных вод определяется количеством поглощенной солнечной энергии. Различные участки спектра видимого света действуют на организмы по-разному. Красные лучи оказывают тепловое действие. Синие и фиолетовые лучи изменяют скорость и направление некоторых биохимических реакций. Особенно велико значение видимого света в жизни растений. Они поглощают его с помощью пигментов и используют в процессе фотосинтеза.
Растения способны изменять положение своих органов в пространстве под действием света, то есть проявлять фототропизм. Фототропизм (от греч. phōtós — свет) — ростовые движения органов растений под влиянием одностороннего освещения. Обычно у стеблей наблюдается положительный (по направлению к свету), а у корней — отрицательный (от света) фототропизмы. Положительный фототропизм можно наблюдать на посевах подсолнечника во время цветения. С восхода и до захода соцветия подсолнечника, как локаторы, поворачиваются вслед за солнцем.
Свет играет роль основного энергетического и сигнального фактора. Для подавляющего большинства организмов видимый свет является источником тепла. Дневным животным видимый свет позволяет ориентироваться в среде. Некоторые ночные виды (совы, филины) могут перемещаться даже при слабой освещенности.
Инфракрасные лучи являются источником тепловой энергии. На их долю приходится 45 % солнечного света, достигающего Земли. Некоторые наземные животные (ящерицы, змеи) используют инфракрасные лучи для повышения температуры тела.
Свет наиболее важен для растений. Он поставляет энергию для фотосинтеза. Фотосинтез фактически активирует процессы в большинстве экосистем. Солнце является источником света. В рамках солнечного спектра выделяют следующие варианты.
1. Коротковолновое ультрафиолетовое излучение, источник мутагенеза. Это излучение мало проходит на Землю, отражается озоновым слоем, и его, например, могут различать насекомые.
2. Видимая часть светового спектра преобладает и обеспечивает эффективную работу органов зрения.
3. Инфракрасные, или тепловые волны имеют максимальную длину волны, могут использоваться некоторыми бактериями для фотосинтеза.
Выделяют три основные группы растений по отношению к свету
1. Светолюбивые растения (обитают на открытых местах).
2. Теневыносливые (деревья леса).
3. Тенелюбивые (лесные травы, мхи).
Среди гетеротрофов для некоторых губителен свет (бактерии), для большинства он необходим для ориентации в пространстве. Длина светового дня может изменяться, поэтому существуют суточные ритмы. В соответствии с ними организмы синхронизируют свою активность. Растения цветут строго при определённой продолжительности дня, что определило их разделение на две группы.
1. Короткодневные — цветут при коротком дне.
2. Длиннодневные — для цветения им требуется световой день более 14 часов.
Признаки светолюбивых растений (гелиофитов)
1. Часто укороченные побеги, сильно рассечённые листья, развитая механическая и запасающая ткань (василёк луговой, ковыль, полынь).
2. Цветки поворачиваются к свету. Они же любят свет!
3. У листьев растений открытых мест светлая окраска, т. к. содержат меньше хлорофилла.
Признаки теневыносливых растений (факультативные гелиофиты)
1. Растут на свету, но выдерживают и его недостаток.
2. В глубине кроны — теневые листья, на периферии — световые.
3. Имеют более тёмную окраску, так как содержат больше хлорофилла.
4. Цветки у теневыносливых растений часто белые для привлечения насекомых в тени.
5. Хлоропласты крупные.
6. Примеры — сирень, липа сердцелистная, земляника лесная.
Тенелюбивые растения (сциофиты)
1. Растения нижних ярусов лесов, глубоких водоёмов.
2. Используют лишь 0,1—0,2 процента падающего света, плохо переносят освещение прямыми солнечными лучами.
3. Вытянутые побеги, листья тёмно-зелёные, крупные и тонкие, в них плохо развита механическая ткань.
4. К ним относятся мхи, плауны, кислица обыкновенная, красные и бурые водоросли.
Животные по отношению к свету делятся на
1. Дневные (белка европейская).
2. Сумеречные (майский жук).
3. Ночные (серый ушан).
А.С. Степановских
Экология. Учебник для вузов
М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. — 703 с.
4.1. Излучение: свет
Рис. 4.1. Баланс солнечной радиации на земной поверхности
в дневное время (из Т. К. Горышиной, 1979)
Как видно на рис. 4.1, 42% всей падающей радиации (33 + 9%) отражается атмосферой в мировое пространство, 15% поглощается толщей атмосферы и идет на ее нагревание и только 43% достигает земной поверхности. Эта доля радиации состоит из прямой радиации (27%) — почти параллельных лучей, идущих непосредственно от Солнца и несущих наибольшую энергетическую нагрузку, и рассеянной (диффузной) радиации (16%) — лучей, поступающих к Земле со всех точек небосвода, рассеянных молекулами газов воздуха, капельками водяных паров, кристалликами льда, частицами пыли, а также отраженных вниз от облаков. Общую сумму прямой и рассеянной радиации называют суммарной радиацией.
Среди солнечной энергии, проникающей в атмосферу Земли, на видимый свет приходится около 50% энергии, остальные 50% составляют тепловые инфракрасные лучи и около 1 % — ультрафиолетовые лучи (рис. 4.2).
Рис. 4.2. Факторы космического воздействия на Землю
Спектр солнечного света
В жизни организмов важны не только видимые лучи, но и другие виды лучистой энергии, достигающие земной поверхности: ультрафиолетовые, инфракрасные лучи, электромагнитные (особенно радиоволны) и некоторые другие излучения. Так, ультрафиолетовые лучи с длиной 0,25—0,30 мкм способствуют образованию витамина D в животных организмах, при длине волны 0,326 мкм в коже человека образуется защитный пигмент, а лучи с длиной волны 0,38—0,40 мкм обладают большей фотосинтетической активностью. Эти лучи в умеренных дозах стимулируют рост и размножение клеток, способствуют синтезу высокоактивных биологических соединений, повышая в растениях содержание витаминов, антибиотиков, увеличивают устойчивость к болезням.
Инфракрасное излучение воспринимается всеми организмами, например, воздействуя на тепловые центры нервной системы животных организмов, осуществляет тем самым у них регуляцию окислительных процессов и двигательные реакции как в сторону предпочитаемых температур, так и от них.
Особое значение в жизни всех организмов имеет видимый свет. С участием света у растений и животных протекают важнейшие процессы: фотосинтез, транспирация, фотопериодизм, движение, зрение у животных, прочие процессы (табл. 4.2).
Важнейшие процессы, протекающие у растений
и животных с участием света
На свету происходит образование хлорофилла и осуществляется важнейший в биосфере процесс фотосинтеза. Фотосинтезирующая деятельность зеленых растений обеспечивает планету органическим веществом и аккумулированной в нем солнечной энергией — источником возникновения и фактором развития жизни на Земле. Основная реакция фотосинтеза может быть записана следующим образом:
Среди всех лучей солнечного света обычно выделяют лучи, которые так или иначе оказывают влияние на растительные организмы, особенно на процесс фотосинтеза, ускоряя или замедляя его протекание. Эти лучи принято называть физиологически активной радиацией (сокращенно ФАР). Наиболее активными среди ФАР являются оранжево-красные (0,65—0,68 мкм), сине-фиолетовые (0,40—0,50 мкм) и близкие ультрафиолетовые (0,38—0,40 мкм). Меньше поглощаются желто-зеленые (0,50—0,58 мкм) лучи и практически не поглощаются инфракрасные. Лишь далекие инфракрасные принимают участие в теплообмене растений, оказывая некоторое положительное воздействие, особенно в местах с низкими температурами.
Интенсивность фотосинтеза несколько варьирует с изменением длины волны света. В наземных средах жизни качественные характеристики солнечного света не настолько изменчивы, чтобы это сильно влияло на интенсивность фотосинтеза, при прохождении же света через воду красная и синяя области спектра отфильтровываются, и получающийся зеленоватый свет слабо поглощается хлорофиллом. Однако живущие в море красные водоросли (Rhodophyta) имеют дополнительные пигменты (фикозритрины), которые позволяют им использовать эту энергию и жить на большей глубине, чем зеленые водоросли.
Лучи разной окраски различаются животными. Например, бабочки при посещении цветков растений предпочитают красные или желтые, двукрылые насекомые выбирают белые и голубые. Пчелы проявляют повышенную активность к желто-зеленым, сине-фиолетовым и фиолетовым лучам, не реагируют на красный, воспринимая его как темноту. Гремучие змеи видят инфракрасную часть спектра. Для человека область видимых лучей — от фиолетовых до темно-красных.
Каждое местообитание характеризуется определенным световым режимом, соотношением интенсивности (силы), количества и качества света.
Интенсивность, или сила, света измеряется количеством калорий или джоулей, приходящихся на 1 см 2 горизонтальной поверхности в минуту. Для прямых солнечных лучей этот показатель практически не изменяется в зависимости от географической широты. Существенное же на него влияние оказывают особенности рельефа. Так, на южных склонах интенсивность света всегда больше, чем на северных.
Количество света, определяемое суммарной радиацией, от полюсов к экватору увеличивается.
Для определения светового режима необходимо учитывать и количество отражаемого света—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%.
По отношению к свету различают следующие экологические группы растений: световые (светолюбы), теневые (тенелюбы) и теневыносливые. Световые виды (гелиофиты) обитают на открытых местах с хорошей освещенностью, в лесной зоне встречаются редко.
Они образуют обычно разреженный и невысокий растительный покров, чтобы не затенять друг друга. Свет оказывает влияние на рост растений. Так, рост двухлетних дубов в зависимости от относительной освещенности в летний период показан на рис. 4.3.
Рис. 4.3. Модифицирующее действие освещенности на рост
и морфогенез растений (по В. Лархеру, 1978):
А — рост двухлетних дубов Quercus robus в зависимости от относительной освещенности летом;
Б — развитие листьев у Ranunculus ficaria в зависимости от освещенности
При световом довольствии до 13,5% преобладает стимулирующее действие света (рис. 4.3А, кривая 1), при большем освещении (А, кривая 2) — наоборот. Листья Ranunculus ficaria (рис. 4.3Б) развивают меньшую поверхность при большем освещении.
Теневые растения (сциофиты) не выносят сильного освещения, живут в постоянной тени под пологом леса. Это главным образом лесные травы. При резком освещении, например на вырубках, они проявляют явные признаки угнетения и часто погибают.
Рис. 4.4. Листорасположение у подроста липы мелколистной в разных условиях освещения (вид сверху):
А — под пологом леса, Б — на открытом месте (по Т. К. Горышиной, 1979)
Мелкие листья располагаются между крупными. Такая мозаика характерна как для древесной, так и травянистой растительности сильно затененных лесов.
Оптический аппарат гелиофитов развит лучше, чем у сциофитов, имеет большую фотоактивную поверхность и приспособлен к более полному поглощению света. На сухую массу в листьях гелиофитов приходится меньше хлорофилла, однако в них больше содержится пигментов I пигментной системы и хлорофилла П700. Отношение хлорофилла d к хлорофиллу b равно примерно 5:1. Отсюда высокая фотосинтетическая способность гелиофитов. Интенсивность фотосинтеза достигает максимума при полном солнечном освещении.
У особой группы растений — гелиофктов, у которых фиксация СО2 идет путем С-4-дикарбоновых кислот, световое насыщение фотосинтеза не достигается даже при самой сильной освещенности. Это растения из засушливых областей (пустынь, саванн), принадлежащие к 13 семействам цветковых растений (например, мятликовые, осоковые, амарантовые, маревые, гвоздичные и др.). Они способны к вторичной фиксации и реутилизации СО2 , освобождающегося при световом дыхании, и могут фотосинтезировать при высоких температурах и при закрытых устьицах, что нередко наблюдается в жаркие часы дня.
Обычно С-4-растения отличаются высокой продуктивностью, особенно кукуруза и сахарный тростник.
Освещение вызывает у растений ростовые движения, которые проявляются в том, что из-за неравномерного роста стебля или корня происходит их искривление. Это явление носит название фототропизма.
Одностороннее освещение смещает в затененную сторону поток ростового гормона ауксина, направленного, как правило, строго вниз. Обеднение ауксином освещенной стороны побега приводит здесь к торможению роста, а обогащение ауксином затененной стороны — к стимуляции роста, что и вызывает искривление.
Движение Земли вокруг Солнца вызывает закономерные изменения длины дня и ночи по сезонам года. Сезонная ритмичность в жизнедеятельности организмов определяется в первую очередь сокращением световой части суток осенью и увеличением — весной. В действиях организмов выработались особые механизмы, реагирующие на продолжительность дня. Так, определенные птицы и млекопитающие поселяются в высоких широтах с длинным полярным днем. Осенью, при сокращении дня, они мигрируют на юг. Летом в тундре скапливается большое количество животных, и, несмотря на общую суровость климата, они при обилии света успевают закончить размножение. Однако в тундру практически не проникают ночные хищники. За короткую летнюю ночь они не могут прокормить ни себя, ни потомство.
Уменьшение светового дня в конце лета ведет к прекращению роста, стимулирует отложение запасных питательных веществ организмов, вызывает у животных осенью линьку, определяет сроки группирования в стаи, миграции, переход в состояние покоя и спячки. Увеличение длины светового дня стимулирует половую функцию у птиц, млекопитающих, определяет сроки цветения растений (ольха, мать-и-мачеха и др.).
Растения, развитие которых нормально происходит при длинном дне, называют длиннодневными. Это растения наших северных зон и средней полосы (рожь, пшеница, луговые злаки, клевер, фиалки и др.). Другие растения нормально развиваются при сокращенном световом дне. Их называют короткодневными. К ним относятся выходцы из южных районов (гречиха, просо, подсолнечник, астры и др.).
Доказана способность птиц к навигации. При дальних перелетах они с поразительной точностью выбирают направление полета, преодолевая иногда многие тысячи километров от гнездовий до мест зимовок (рис. 4.5), ориентируясь по солнцу и звездам, т. е. астрономическим источникам света. Днем птицы учитывают не только положение Солнца, но и смещение его в связи с широтой местности и временем суток
Рис. 4.5. Главнейшие пути пролетных путей птиц
(по Н. О. Реймерсу, 1990)
Опыты показали, что ориентация птиц меняется при изменении картины здездного неба в соответствии с направлением предполагаемого перелета. Навигационная способность птиц врожденная, создается естественным отбором, как система инстинктов. Способность к ориентации свойственна и другим животным. Так, пчелы, нашедшие нектар, передают другим информацию о том, куда лететь за взятком. Ориентиром служит положение солнца. Пчела-разведчица, открывшая источник корма, возвращаясь в улей, начинает на сотах танец, описывая фигуру в виде восьмерки, с наклоном поперечной оси по отношению к вертикали, соответствующим углу между направлениями на солнце и на источник корма (рис. 4.6). Угол наклона восьмерки постепенно смещается в соответствии с движением солнца по небу, хотя пчелы в темном улье и не видят его.
При облачной погоде пчелы ориентируются на поляризованный свет свободного участка неба. Плоскость поляризации света зависит от положения солнца. Определенное сигнальное значение в жизни животных имеет биолюминесценция, или способность животных организмов светиться в результате окисления сложных органических соединений люциферинов с участием катализаторов люцифераз, как правило, в ответ на раздражения, поступающие из внешней среды (рис. 4.7).
Рис. 4.7. Светящиеся животные:
1 — медуза; 2 — рыба-дракон, нападающая на светящихся анчоусов; 3 — глубоководный кальмар; 4 — глубоководная креветка, защищаясь, выбрасывает светящееся облако: 5 — глубоководный удильщик, приманивающий жертву.
Световые сигналы, испускаемые животными, зачастую служат для привлечения особей противоположного пола, приманивания добычи, отпугивания хищников, для ориентации в стае и т. д. (рыбы, головоногие моллюски, жуки семейства светляков и др.). Следовательно, растениям свет необходим в первую очередь для осуществления фотосинтеза — важнейшего процесса в биосфере по накоплению энергии и созданию органического вещества. Для животных он имеет главным образом информационное значение.
Свет как экологический фактор имеет важнейшее значение потому, что является источником энергии для процессов фотосинтеза, т. е. участвует в образовании органических веществ из неорганических составляющих. Он играет большую и разнообразную роль в различных жизненных процессах у животных, что определяется его физическими свойствами.
150—400 нм — ультрафиолетовая радиация (УФ);
400—800 нм — видимый свет (границы отличаются для раз организмов);
800—1000 нм — инфракрасная радиация (ИК).
За пределами зоны ПК-радиации располагается область так называемой дальней инфракрасной радиации — мощного фактора теплового режима среды.
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ РАЗЛИЧНЫХ УЧАСТКОВ СПЕКТРА СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Не вся солнечная радиация достигает поверхности Земли. За пределами атмосферы перпендикулярная к солнечным лучам поверхность получает энергию порядка 2,00 кал/см2 • мин (1,39 • 103 Дж/м2). Эта величина называется солнечной постоянной; она слегка варьирует по сезонам года в соответствии с изменением удаления Земли Солнца.
При прохождении через атмосферу часть солнечной радиации рассеивается молекулами газов воздуха и водяными парами, часть отражается от облаков. Этот процесс связан и с изменением качественного состава радиации. В частности, наиболее коротковолновая часть спектра (с длиной волны примерно до 300 нм) отражается озоновым экраном.
Ионизирующее излучение. Это излучение включает космические лучи, а также естественную и искусственную радиоактивность. На поверхности Земли эта форма воздействия на организмы связана главным образом с естественным радиоактивным фоном, а в наше время — и с его резкими возрастаниями техногенного происхождения.
Биологическое действие радиации осуществляется, в основном, на субклеточном уровне (ядра, митохондрии, микросомы). Установлена зависимость этого действия от дозы облучения: при малых дозировках повреждающий эффект может сменяться стимулирующим. Известно влияние ионизирующей радиации на генетический аппарат (мутагенный эффект). Экологический аспект действия этой части спектра остается практически не изученным.
Зеленый лист поглощает в среднем 75 % падающей на него лучистой энергии. Но коэффициент использования ее на фотосинтез невысок: около 10 % при низкой освещенности и лишь 1—1 % — при высокой. Остальная энергия переходит в тепловую, которая затрачивается на транспирацию и другие процессы.
Наиболее важные внешние факторы, влияющие на уровень фотосинтеза,— температура, свет, диоксид углерода и кислород. На уровне самого растения на этот процесс влияют содержание хлорофилла и воды, особенности анатомии листа, концентрация ферментов.
Зависимость фотосинтеза от температуры характеризуется кривой, на которой выделяются точки (зоны) минимума, оптимума и максимума. 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, —2°С), но у наиболее холодолюбивых форм опускается до—5. —ТС. Максимальная температура фотосинтеза в среднем на 10—12°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 освещенности: повышается при ее увеличении и снижается в условиях затенения. Поэтому при низкой освещенности фотосинтез идет активнее при более низких температурах, а при высокой (более 3000 лк) интенсивность этого процесса увеличивается с повышением температуры.
Освещенность в своем влиянии на фотосинтез характеризуется так называемой кривой насыщения: вначале с повышением освещенности кривая потребления СО2 резко идет вверх, затем — по достижении определенного порога освещенности — нарастание фотосинтеза снижается, кривая приобретает форму гиперболы. В этой зависимости хорошо прослеживаются закономерности экологического плана: у тенелюбивых растений насыщение наступает при меньшей освещенности, чем у светолюбивых. В темноте кривые ассимиляции переходят за нулевой уровень: выделение СО2 при дыхании не компенсируется его потреблением для фотосинтеза. Минимальное освещение, при котором поглощение диоксида углерода для фотосинтеза равно выделению его при дыхании, называют точкой компенсации; у светолюбивых растений она располагается выше, чем у тенелюбивых. Кроме того, положение этой точки зависит от концентрации СО2 и от температуры.
Диоксид углерода в процессе фотосинтеза выступает как ресурс для синтеза углеводов. Норма содержания СО2 в атмосфере составляет 0,57 мг/л. Повышение концентрации ведет к усилению фотосинтеза, но лишь до известных пределов; при концентрации 5—10 % (против нормальной — 0,03 %) фотосинтез ингибируется. В сочетании с реакцией на другие факторы колебания концентрации СО2 определяют поддержание нормального уровня фотосинтеза в разнообразных природных условиях. Такие колебания обусловлены суточным ритмом фотосинтеза, закономерными изменениями интенсивности почвенного дыхания и некоторыми другими факторами. Например, суточные колебания СО2 в густых растительных сообществах могут достигать 25 % от средних величин.
Вода, тоже участвующая в процессе фотосинтеза, редко его лимитирует. Непрямым путем, однако, недостаток воды (в частности, сезонный) может быть ограничителем. Например, в западной Австралии некоторые виды растений во время засухи снижают фотосинтез на 2/3 по сравнению с весенним периодом (В. Collier et al., 1974)
Читайте также: