Биоэкология

Важная адаптация отведения избытка тепла и предотвращения ожогов – устьичная транспирация. Усиление транспирации при повышении температуры окружающей среды охлаждает растение. Однако это эффективно только в условиях достаточного водообеспечения, что редко бывает в засушливых экосистемах.

Морфологические адаптации растений направлены на предотвращение перегрева. Это происходит благодаря густой опушенности листьев, рассеивающей часть солнечных лучей, а глянцевитая поверхность, способствует их отражению.

По степени адаптации к высоким температурам можно выделить следующие группы растений:

– нежаростойкие растения повреждаются уже при +(30–40) °С (водные цветковые, ряд растений наземных экосистем);

–жаровыносливые растения переносят получасовое нагревание до +(50–60) °С (растения сухих местообитаний).

Ряд растений регулярно испытывают действие пожаров, когда температура кратковременно повышается до сотен градусов. Пожары регулярны в саваннах, в сухих жестколистных лесах и ряде других экосистем. Там произрастают вместе с другими растениями группа – растений-пирофитов, устойчивых к пожарам. У деревьев этой группы на стволах толстая корка, пропитанная особыми огнеупорными веществами, надежно защищающими внутренние ткани. Плоды и семена пирофитов имеют толстые, часто одревесневшие покровы, которые растрескиваются, будучи опалены огнем.

По степени адаптации растений к недостатку тепла можно выделить три группы:

–нехолодостойкие растения – сильно повреждаются или гибнут при температурах, еще не достигающих точки замерзания воды. Гибель связана с инактивацией ферментов, нарушением обмена нуклеиновых кислот и белков. К представителям этой группы относятся растения тропических лесов, водоросли теплых морей;

–неморозостойкие растения  переносят низкие температуры, но погибают, если в тканях начинает образовываться лед. В холодное время у них повышается концентрация осмотически активных веществ в клеточном соке и цитоплазме, что понижает точку замерзания до –7 °С. Вода в клетках может охлаждаться ниже точки замерзания без немедленного образования льда. Представителями этой группы являются растения вечнозеленых субтропических лесов.

–льдоустойчивые или морозоустойчивые растения – это растения, произрастающие в областях с сезонным климатом, с холодными зимами. Несмотря на сильные морозы, надземные органы деревьев и кустарников сохраняют жизнеспособность, так как в клетках кристаллический лед не образуется. Растения подготавливаются к перенесению морозов постепенно, проходя предварительную закалку после того, как заканчиваются ростовые процессы. В результате закалки накапливаются в клетках сахара (до 20–30 %), производные углеводов, некоторые аминокислоты и другие защитные вещества, связывающие воду. Морозоустойчивость клеток повышается, так как связанная вода труднее оттягивается образующимися во внеклеточных пространствах кристаллами льда. Подушковидные формы у арктических и горных растений– одна из адаптаций растений к низким температурам.

Оттепели в конце зимы вызывают существенное снижение устойчивости растений к низким температурам. После окончания зимнего покоя закалка утрачивается. Весенние заморозки, наступившие внезапно, могут оказать повреждающее действие на растения.

Большую роль в приспособлении к неблагоприятным температурам играет теплоустойчивость белков клеточных структур.

Наиболее важны биохимические адаптации для некоторых бактерий и растений, им труднее избежать действия неблагоприятных температур, чем животным, так как последние обладают подвижностью и могут покинуть неблагоприятные места обитания.

Среди пойкилотермных организмов есть такие, которые всю жизнь проводят в условиях постоянных температур (глубины океанов, пещеры и т. п.), в связи, с чем температура их тела не меняется. Такое явление называют ложной гомойотермией,она характерна для ряда рыб и иглокожих.

К гомойотермным (от греч. homoios устойчивый, одинаковый, подобный + therme теплота, жар) организмам относят птиц и млекопитающих, для них характерен активный тип адаптации.

Гомойотермность – это стратегия сопротивления влиянию факторов среды. Гомойотермия –это температурные адаптации, возникшие на основе резкого повышения уровня окислительных процессов у птиц и млекопитающих в результате эволюционного совершенствования кровеносной, дыхательной и других систем органов. Потребление кислорода на 1 г массы тела у теплокровных животных в несколько десятков или сотен раз больше, чем у пойкилотермных.

Организм гомойотермного животного функционирует только в узких температурных пределах. Однако в случае выхода за эти пределы невозможно не только сохранение биологической активности, но и переживание в угнетенном состоянии. Гомойотермные животные могут поддерживать для себя постоянный температурный оптимум при значительных отклонениях внешних температур, что позволяет им лучше осваивать внешние условия. Следовательно, птицы и млекопитающие менее зависимы от температуры среды, так как обладают развитым внутренним источником тепла и совершенной терморегуляцией (способность в определенных пределах сохранять температуру тела), позволяющей поддерживать оптимальный баланс продуцирования и расхода тепловой энергии. Температура тела у них меняется незначительно.

Существует ряд механизмов, поддерживающих постоянную температуру тела. Химическая терморегуляция– рефлекторное увеличение теплопродукции в ответ на понижение температуры окружающей среды. Она происходит за счет выделения тепла (тепло вырабатывается в организме в процессе окислительно-восстановительных реакций метаболизма).

Поддержание температуры за счет возрастания теплопродукции требует большего расхода энергии, поэтому животным необходимо усиленно питаться или тратить жировые запасы, накопленных ранее. Например, некоторые виды землероек для поддержания высокого уровня обмена способны съедает корма в день в 4 раза больше собственной массы. Частота сердцебиения у них до 1000 в мин!

Химическая терморегуляция, имеет свои пределы, обусловленные возможностью добывания пищи. При недостатке корма зимой такой путь экологически невыгоден.

Физическая терморегуляция – это адаптация к холоду за счет сохранения тепла в теле животного. Физическая терморегуляция, связана с морфофизиологическими приспособлениями (за счет перьев, волос, которые удерживают вокруг тела слой воздуха, являясь теплоизолятором). Среди адаптаций – рефлекторное сужение и расширение кровеносных сосудов кожи, меняющее ее теплопроводность, противоточный теплообмен путем контакта сосудов при кровоснабжении отдельных органов.

Толщина подкожного жира у некоторых видов тюленей достигает 7 и более см. Теплоизолирующий эффект данного жирового запаса достаточно высокий, у животных жарких экосистем такое распределение жира привело бы к гибели от перегрева, поэтому жир у них запасается локально, в отдельных частях тела.

Морфофизиологические приспособления дополняются сложными формами приспособительного поведения (экономное расходование энергии на терморегуляцию, снижение напряжения физиологических терморегуляторных функций). Приспособительное поведение особенно эффективно, когда неблагоприятные температуры сочетаются с низкой доступностью кормов (суровая зима), например, использование особенностей микроклимата (выбор местности, укрытой от ветра, ведет к сокращению энергозатрат на физиологическую терморегуляцию).

В норах и гнездах животных температурные условия более благоприятны, особенно, при большой глубине норы. В умеренных широтах на глубине 130- 150 см от поверхности почвы в искусно построенных норах и гнездах менее интенсивно ощущаются даже сезонные колебания температуры и поддерживается благоприятный микроклимат.

Важное значение для поддержания температурного баланса имеет отношение поверхности тела к его объему, так как масштабы продуцирования тепла в определенной степени зависят от массы животного, а теплообмен идет через его покровы. Связь размеров и пропорций тела животных с климатическими условиями их обитания была обнаружена еще в девятнадцатом  веке. В общих случаях, согласно правилу Бергмана, при продвижении на север средние размеры тела в популяциях теплокровных животных увеличиваются. Бергман объяснял, что эта закономерность проявляется лишь в том случае, если виды не отличаются другими приспособлениями к терморегуляции. Из проанализированных им 75 групп птиц в фауне Германии только около трети удовлетворяло найденному правилу. У некоторых млекопитающих, особое значение для поддержания теплового баланса имеют уши, снабженные большим количеством кровеносных сосудов. Огромные уши у маленькой пустынной лисички-фенека, превратились в специализированные органы терморегуляции.