Всего на сайте:
119 тыс. 927 статей

Главная | Экология

Свет и биологические ритмы  Просмотрен 183

Лекция 3. Основные абиотические факторы среды и их влияние на организмы.

1. Свет как экологический фактор, его биологическое действие.

2. Биологические ритмы.

3. Температура среды и жизненные процессы.

4. Вода и живые организмы.

 

СВЕТ

Свет как экологический фактор имеет важнейшее значение уже потому, что является источником энергии для фотосинтеза. Но его значение этим далеко не исчерпывается, и его следует рассмотреть более подробно.

В экологии под термином «свет» принято понимать весь диапазон излучения (в первую очередь солнечного) в пределах длин волн от 0,05 до 3000 км (1 нанометр=10-6 мм).

Этот поток радиации распадается на несколько областей, отличающихся физическими свойствами и экологическим значением для живых организмов:

· <150 нм – зона ионизирующей радиации;

· 150-400 нм – ультрафиолетовая радиация (УФ);

· 400-800 нм – видимый свет (для разных организмов границы различаются);

· 800-1000 нм – инфракрасная радиация (ИК);

· 1000-3000 нм – дальняя инфракрасная радиация.

 

Две последние области радиации несут в основном тепловую энергию, и их биологическое действие будет рассмотрено при обсуждении влияния температуры.

Не вся солнечная радиация достигает поверхности Земли, при прохождении через атмосферу часть ее рассеивается в воздухе и отражается, что влечет и качественные изменения исходного состава излучения. В частности, часть спектра с длинной волны до 300 нм отражается озоновым экраном.

 

Ионизирующая радиация:

Включает как космическое излучение, так и естественную и искусственную радиоактивность, в совокупности это главным образом естественный радиоактивный фон + техногенный радиоактивный фон.

Биологическое действие главным образом на субклеточном уровне (на ядро, митохондрии…): в малых дозах – часто стимулирующее, в больших – повреждающее. «Порог» зависит от вида организма, ткани, клеток, а также длительности воздействия, его прерывистости и др. Известен и мутагенный эффект. Изучено далеко не достаточно, составляет предмет радиобиологии.

 

Ультрафиолетовые лучи.

По длине волны подразделяются на УФ-С (150-280 нм), УФ-В (280-320 нм) и УФ-А (320-400 нм).

УФ-С весьма опасен, т.к. интенсивно адсорбируется кожей. Однако он практически полностью поглощается озоновым экраном.

УФ-В обладает канцерогенным действием неизвестного пока до конца механизма, но есть основание утверждать, что он связан с нарушением структуры молекул ДНК. Кроме того, известно, что эти лучи инактивируют в коже клетки Лангерганса, отвечающие за ее иммунитет. УФ-В также большей частью поглощаются озоновым экраном.

До поверхности земли доходят большей частью лучи с длинной волны от 300 нм. Они обладают довольно большой энергией и оказывают на организмы главным образом химическое действие, в частности, стимулируя процессы клеточного синтеза. Облучение ультрафиолетом 320-350 нм повышает продуктивность молодняка свиней и успешно используется в интенсивном животноводстве.

Под действием УФЛ в организме синтезируется витамин Д, регулирующий обмен Са и Р, а соответственно, рост и развитие скелета. Особенно велико значение этого витамина для растущего молодняка. Поэтому, например, лисицы и барсуки, выводящие детенышей в норах, солнечным утром выносят их на освещенные места у норы.

Но слишком сильное облучение УФЛ вредно для организма, т.к. повреждает активно делящиеся клетки. Как приспособление к экранированию организма от передозировки УФ, у животных формируются темные пигменты, поглощающие эти лучи. Такова природа загара у человека, пигментации верхнего полюса икринок у лягушек, пигментации верхних оболочек головного мозга и мошонки у пустынных сусликов (защищены нервные и половые клетки).

Здесь уместно упомянуть о так называемой глобальной проблеме озона, точнее, проблеме озонового экрана.

В атмосфере, на высотах от 9 до 32 км, располагается зона повышенной концентрации озона – 0,01-0,06 мг/м3 ( если его выделить в чистом виде, получится слой толщиной 3-5 мм). Это и есть так называемый озоновый экран.

Озон здесь образуется под действием УФЛ в результате распада молекул О2 на атомы и присоединения последних к молекулам О2 . В этом и есть основной механизм поглощения УФЛ.

В 80-е гг. ХХ в. наблюдается процесс довольно интенсивного уменьшения содержания озона в «озоновом экране» - в средних и высоких широтах на 2-10%, над Арктикой примерно на 20%, а над Антарктидой – на 40-50%. Пространство со столь сильным уменьшением концентрации озона получило название «озоновой дыры».

Очень скоро после обнаружения «озоновых дыр» было высказано предположение, что их образование связано с попаданием в атмосферу хлорфторуглеродов, так называемых фреонов, используемых как пропилленты (газы-носители) в разного вида спреях и холодильных установках (кипят при комнатной температуре).

Вообще, фронты – очень стойкие газы. Благодаря этому, они сохраняются в атмосфере более 100 лет и могут достигать озонового слоя, в агрессивной среде которого распадаются, выделяя хлор.

Хлор же является сильным катализатором реакции разрушения молекул озона (1 атом Cl разрушает 100 000 молекул О3).

В 80-у г.г. рядом стран был подписан т.н. Монреальский протокол, обязующий на 50 % сократить производство и использование фреонов.

Предлагалось также искусственно закачивать в озоновый слой этан и пропан, которые должны способствовать связыванию атомарного хлора.

Однако в последнее время все чаще высказывается мнение о непричастности фреонов к появлению «озоновых дыр». Вполне возможно, что аналогичные явления имели место и ранее, будучи обусловлены исключительно природными циклами солнечной активности. Существует также гипотеза срыва озонового слоя каметой Галлея и его восстановления с ее уходом.

Отметим, что разрушению озонового слоя способствует вывод в космос летательных аппаратах, а также крупномасштабные пожары.

В последнее десятилетие общие темпы роста «озоновых дыр» в атмосфере существенно замедлилось.

Вместе с тем, в приземных слоях атмосферы концентрация озона хотя и медленно, но нарастает.

 

 

Видимый свет

Составляет 40-50% солнечной энергии, достигающей Земли. Его важнейшее экологическое значение определяется тем, что свет является фактором фотосинтеза, выступая здесь в роли источника энергии.

Способность воспринимать лучистую энергию у хлорофилла и у зрительных пигментов животных очень близка, поэтому область фотосинтетически активной радиации практически совпадает с диапазоном видимой части спектра (400-700 нм). Лишь бактериохлорофилл способен поглощать свет до 900 нм.

Зеленые растения поглощают ~75% падающей на них лучистой энергии доступного спектра, но на фотосинтез используется только 1-10% ее. Остальная энергия затрачивается на транспирацию и другие процессы.

На интенсивность фотосинтеза влияют следующие внешние факторы (лимитирующие):

Температура: точка температурного минимума у разных видов сильно различается: у некоторых совпадает с t замерзания тканевых жидкостей (-1 - -20 С), у холодолюбивых до -70С. Максимальная в среднем на 100 ниже точки тепловой смерти. Зона оптимума – когда фотосинтез достигает 90% своей максимальной величины. Чем выше освещенность, тем выше границы температурного оптимума.

Интенсивность света как фактор, лимитирующий фотосинтез, характеризуется кривой насыщения:

 

у тенелюбивых (анемофилов) – t насыщения ниже, у светолюбивых (гемофилов) – выше.

СО2: выступает как ресурс для синтеза углеводов. При повышении содержания СО2 от нормального атмосферного (0,03 %) интенсивность фотосинтеза нарастает, но лишь до его концентрации 5-10% (у разных видов). При дальнейшем наращивании концентрации СО2 рост интенсивности фотосинтеза ингибируется.

Вода в природе редко лимитирует фотосинтез как вещество, непосредственно участвующее в этом процессе, но может лимитировать его опосредованно: в Зап. Австралии в период сезонных засух интенсивность фотосинтеза снижается на 60% по сравнению с влажным периодом.

 

Свет и биологические ритмы

Жизнь на планете всегда происходила в условиях ритмически меняющейся среды. Постоянная смена дня и ночи, регулярные сезонные изменения фотопериода (=соотношения светлого и темного времени суток) и климата явились причиной того, что живые организмы выработали определенные связи ритмов своей биологической активности с суточной и сезонной цикликой условий среды.

У большинства организмов биологические ритмы активности так или иначе синхронизированы с закономерными изменениями светового режима – фотопериодическая регуляция биоритмов.

Исключения: - обитатели морских глубин; обитатели пещер; обитатели экваториальных регионов, где фотопериод не меняется по сезонам.

Наиболее выражены суточные и сезонные ритмы биологической активности.

Предыдущая статья:VI. Этологическая структура популяций Следующая статья:Циркадианные ритмы
page speed (0.0091 sec, direct)