Характеристика основных абиотических факторов. Тема №5

1.

Тема лекции № 5: Характеристика
основных абиотических факторов
План лекции
1. Виды организмов по отношению к температуре.
2. Экологические выгоды пойкилотермии и
гомойотермии.
3. Эволюционные формы адаптации к температуре.
4. Пути приспособлений живых организмов к
воздействию неблагоприятных температур.
5. Адаптация к действию высокой температуры

2.

Абиотический
(неживой)
компонент
среды
подразделяется
на
климатические,
почвенные
(эдафические), топографические и физические факторы:
воздействие волн, морских течений, огня и т. д.

3.

Температура
Температурные
пределы,
в
которых
может
существовать жизнь 300°С, от -200°С до +100°С.
Большая часть видов и их активности приурочены к
более узкому диапазону температур, при которых возможно
нормальное строение и функционирование белков: от 0 до
+50°С.
Температура имеет выраженные сезонные и суточные
колебания – сигнальное значение в регуляции сроков
активности организмов, суточный и сезонный режим жизни.

4.

Значение температуры:
•изменяет скорость физико-химических процессов;
•влияет на морфологию, физиологию, рост, развитие,
поведение;
•определяет географическое распространение растений и
животных.

5.

Виды организмов по отношению к t:
1. Холодолюбивые (криофилы) живут при
сравнительно низких t и не выносят высоких.
Сохраняют активность до -8 и -10°С, когда
жидкости тела находятся в переохлажденном виде
(бактерии, грибы, моллюски, членистоногие, черви и др.).
Криофилы населяют холодные и умеренные зоны.

6.

Древесные и кустарниковые породы Якутии не
вымерзают при -70°С, в Антарктиде при -70°С обитают
лишайники, водоросли, ногохвостки, пингвины.
В лабораторных экспериментах семена, споры и
пыльца растений, коловратки, нематоды, цисты простейших
после обезвоживания переносят t, близкие к абсолютному
нулю (до -271,16 °С), после возвращаясь к активной жизни.
Анабиоз – приостановка всех жизненных процессов
организма. Из анабиоза живые организмы возвращаются к
нормальной жизни при условии, если не нарушена структура
макромолекул в клетках.

7.

2. Теплолюбивые (термофилы) – жизнедеятельность в
условиях высоких t.
Обитатели жарких, тропических районов Земли:
беспозвоночные (насекомые, паукообразные, моллюски,
черви), холодно- и теплокровные позвоночные.
Настоящие термофилы – растения жарких тропиков,
гибнут уже при 0°С, хотя физического замораживания тканей
не происходит. Причины: нарушение ОВ, подавление физиол.
процессов, образование продуктов, вызывающих отравление.

8.

В горячих источниках Калифорнии при t=52°С обитает
рыбка пятнистой ципринодон. Восприятие t воды человеком:
горячая – 39-42о; теплая – 36-37о; индифферентная – 34-35о;
прохладная – 20-33о и холодная ниже 20о
В водах горячих ключей на Камчатке постоянно живут
сине-зеленые водоросли при t=75-80°С.
Верблюжья колючка переносит t воздуха до 70°С.
Вывод: общие закономерности воздействия t
проявляются в способности живых организмов существовать в
определенном диапазоне t.

9.

Температурный
оптимум
большинства
живых
организмов +20-25°С, и лишь у обитателей жарких, сухих
районов выше +25-28°С. Например, некоторые прямокрылые
(кузнечики) проявляют полуденную активность в условиях пустынь
Палестины при t=+40°С и выше.
Для организмов умеренных и холодных зон России
оптимальные t=10-20°С. Так, у ветреницы дубравной процесс
фотосинтеза наиболее интенсивно протекает при 10°С.

10.

Виды организмов по ширине интервала температуры, в
которой существуют:
1. Эвритермные – выдерживают широкие колебания t.
К ним
относят большинство организмов районов с
континентальным климатом. У многих покоящиеся стадии с
особенно широким диапазоном t (яйца, цисты, куколки насекомых в
состоянии анабиоза, взрослые животные, споры бактерий, семена
растений).
Пойкилотермные (греч. poikilos - разный) организмы
не способные поддерживать t тела в узких границах
(беспозвоночные, рыбы, амфибии и рептилии). Эктотермные
организмы больше зависят от тепла, поступающего извне, чем
от образующегося при ОВ. У них низкая интенсивность
обмена и нет механизма сохранения тепла.

11.

2. Стенотермные живут в узких пределах t (птицы и
млекопитающие)
Гомойотермные (греч. homoios – подобный)
способны поддерживать достаточно постоянную t тела
независимо от окружающей t. Относительно мало зависят от
внешних
источников
тепла.
Благодаря
высокой
интенсивности
ОВ
вырабатывается
и
сохраняется
достаточное количество тепла. Эндотермные животные
существуют за счет внутренних источников тепла.

12.

Экологические выгоды пойкилотермии и гомойотермии
Проблемы пойкилотермии:
1. из-за общего низкого уровня обменных процессов
активны вблизи верхних t границ существования.
2. Не могут обеспечить постоянства теплообмена, при
колебаниях t среды активность прерывиста.
3. Овладение местообитаниями с постоянно низкими t
затруднительно. Оно возможно только при развитии
холодовой стенотермии и доступно в наземной среде мелким
формам,
способным
использовать
преимущества
микроклимата.

13.

Преимущества пойкилотермии:
1. Снижение уровня обмена при действии холода
экономит энергетические затраты, резко уменьшает потребность
в пище.
2. В условиях сухого жаркого климата избегают излишних
потерь воды, т. к. отсутствие различий между t тела и среды не
вызывает дополнительного испарения.
3. Высокие t переносят легче и с меньшими энерг.
затратами.

14.

Проблемы гомойотермии:
1. Функционируют в узком диапазоне t.
2. Терморегуляция требует больших энергетических
затрат, животное нуждается в усиленном питании.
Единственно возможное состояние - постоянная активность.
3. В холодных районах ограничивающий фактор в
распространении не t, а регулярная добыча пищи.

15.

Поддержание t за счет возрастания теплопродукции
требует большого расхода энергии, поэтому животные при
усилении хим. терморегуляции либо нуждаются в большом
количестве пищи, либо тратят много жировых запасов,
накопленных ранее.
Например, бурозубка крошечная (1,5-4 г) чередуя очень короткие
периоды сна и активности, деятельна в любые часы суток, не впадает в
спячку зимой и в день съедает корма в 4 раза больше собственной массы.
Частота сердцебиения у бурозубок до 1000 уд. в мин. Птицам,
остающимся на зиму, нужно много корма; им страшны не столько морозы,
сколько бескормица. При хорошем урожае семян ели и сосны клесты
зимой даже выводят птенцов.
Вывод: усиление хим. терморегуляции имеет свои
пределы, обусловленные возможностью добывания пищи.

16.

Землеройка
бурозубка обыкновенная

17.

18.

Преимущества гомойотермии:
1. Поддерживают постоянный t оптимум при
значительных отклонениях внешних t.
2. Развитие в меньшей степени зависит от t
окружающей среды.
У крупного рогатого скота повышение t в помещениях при их
содержании до +15 °С или понижение до +7 °С приводит к снижению
плодовитости.

19.

Эволюционные формы адаптации к t:
морфологические, биохимические, физиологические,
поведенческие и т. д.

20.

I. Морфологические адаптации животных к t:
отражательная поверхность тела, пуховой, перьевой и
шерстный покровы у птиц и млекопитающих, жировые
отложения.
Большинство насекомых в Арктике и высоко в горах с
темной окраской, темный пигмент яиц водных животных усиленное поглощение солнечного тепла.
1. Экогеографическое правило Карла Бергмана
(1847): при продвижении на север средние размеры тела в
популяциях эндотермных животных увеличиваются. При
увеличении
размеров
уменьшается
относительная
поверхность тела, следовательно, и теплоотдача. Эта
закономерность проявляется лишь случае, если виды не
различаются другими приспособлениями к терморегуляции.
Эндотермные животные, обитающие в холодных областях
(полярные медведи, киты и др.), имеют крупные размеры, а
обитатели
жарких
стран
(например,
насекомоядные
млекопитающие) обычно меньше по размерам.

21.

Рис. Сравнительный
рост европейца (слева)
и пигмея (справа)
Рис. Иллюстрация правила Бергмана
(на примере человека).

22.

2.

23.

Сравните длину ушей
географических областей.
трех видов лисиц
разных

24.

Закон экономии поверхности: компактная форма тела
с минимальным отношением площади к объему более выгодна
для сохранения тепла. Это свойственно и растениям,
образующим в северных тундрах, полярных пустынях и
высоко в горах плотные подушечные формы с минимальной
поверхностью теплоотдачи.

25.

3. Правило Глогера: окраска животных в холодном и
сухом климате сравнительно светлее, чем в теплом и
влажном. Эти правила равным образом относятся и к
человеку.
Константин
Вильгельм
Ламберт
Глогер (18031863) - немецкий
зоолог и
орнитолог.

26.

4. «Чудесная сосудистая сеть» в выступающих или
поверхностных частях тела (лапы птиц, ласты китов) – вены
тесно прижаты к артериям. Кровь, текущая по артериям, отдает
тепло венам, оно возвращается к телу, а артериальная кровь
поступает в конечности охлажденной. Конечности, по
существу, пойкилотермны, зато t остального тела можно
поддерживать с меньшими затратами энергии.
Рис. Сосуды кожи при
теплосохранении (А) и теплоотдаче (Б)

27.

28.

Рис. Микроциркуляторное русло с функциональными
группами сосудов (до 100 мкм): артериолы, прекапилляры
(резистивные
сосуды),
капилляры,
сосуды-шунты,
резистивные посткапилляры.

29.

5. Накопление жира – теплоизоляция. У животных
холодного климата слой подкожной жировой клетчатки
распределен по всему телу, жир – хороший теплоизолятор.
У животных жаркого климата подобное распределение
жир. запасов приводило бы к гибели от перегрева из-за
невозможности выведения избытка тепла, поэтому жир у них
запасается локально, в отдельных частях тела, не мешая
теплоизлучению с общей поверхности (верблюды, курдючные
овцы, зебу и др.).

30.

31.

Примеры морфологической адаптации растений
1. Геофилизация – погружение базальной (нижней)
части растения в почву – сначала гипокотиля, затем эпикотиля,
первого междоузлия и т. д. Преимущественно для
покрытосеменных растений. Геофилизация способствовала
трансформации жизненных форм от деревьев до трав.

32.

2.
Редукция
вегетативного тела, сброс
чувствительных
частей.
При
наступлении
благоприятных
условий
вновь
образуются
надземные
органы.
Особенно чувствительны к
низким t репродуктивные
органы: зачатки цветков в
зимующих почках и завязи
в цветках.

33.

II. Биохимическая адаптация к низким t
Правило Вант-Гоффа: скорость химических реакций
возрастает в 2-3 раза при повышении t на каждые 10°С. При t
выше или ниже оптимальных скорость биохимических
реакций в организме снижается или нарушается – замедление
темпов роста и даже гибель организма.
1. Изменение физико-химического состояния веществ в
клетках и тканях. В клетках растения увеличивается запас
пластических веществ, повышается концентрация растворов,
увеличивается осмотическое давление клеточного сока,
уменьшается содержание свободной воды, не связанной в
коллоиды.
Между частицами цитоплазмы и водой устанавливается
единство структуры, обеспечивающее ей таким образом
вхождение в структуру макромолекул белков и нуклеиновых
кислот. В таком состоянии ее трудно заморозить, перевести в
твердое состояние.

34.

2. «Перемещение» веществ при адаптации к холоду.
У растений к зиме масла и сахара откладываются в
надземных органах, а в подземных – крахмал.
Накапливается масло во внутренних слоях древесины.
У животных полярных областей возрастает
содержание гликогена в печени и аскорбиновой кислоты в
почках. У млекопитающих скапливается бурая жировая
ткань недалеко от жизненно важных органов – сердца и
спинного мозга. В митохондриях клеток этой ткани при
клеточном дыхании АТФ не синтезируется, вся энергия
рассеивается в виде тепла.

35.

3. Отложение запасных питательных веществ в
виде высокоэнергетических соединений – жира, масла,
гликогена и др. Масло вытесняет воду из вакуоли и этим
предохраняет растительный организм от замерзания. Масло,
откладываясь в цитоплазме, делает ее более стойкой к
морозу и к другим неблагоприятным воздействиям зимнего
периода.
Значительная часть накопленного в летний период
крахмала вновь превращается в сахар. Появляются сахара,
которых обычно мало содержится в клетках летом: стахиоза
и рафиноза.

36.

III. Поведенческие адаптации к t:
1. Перемещения в места с более благоприятными t
(перелеты, миграции);
2. Сдвиг сроков активности на более светлое время
суток. Холодным утром кузнечики подставляют бока солнечному свету,
а дневные бабочки расправляют крылья. В полуденную жару они,
сложив крылья, располагаются параллельно лучам.
В пустыне, где днем поверхность почвы нагревается до +6070°С, на раскаленном песке животных почти не увидишь. Насекомые,
рептилии и млекопитающие проводят жаркое время, зарывшись в песок
или спрятавшись в норы. В глубине почвы t не так резко колеблется и
сравнительно невысокая.

37.

В норах роющих животных ход t сглажен тем сильнее,
чем больше глубина норы. В средних широтах на расстоянии
150 см от поверхности почвы перестают ощущаться даже
сезонные колебания t. В особенно искусно построенных
гнездах также поддерживается ровный, благоприятный
микроклимат. В войлокообразном гнезде синицы-ремеза,
имеющем лишь один узкий боковой вход, тепло и сухо в любую
погоду.

38.

39.

40.

41.

3. Переход на питание более калорийной пищей при
понижении t. Белки в теплое время года поедают более ста видов
кормов, зимой же питаются семенами хвойных, богатых жирами.
Корм оленей летом – травы, зимой – лишайники с большим
количеством белков, жиров и сахаров.
4. Выбор места для жилища, утепление убежищ/гнезд
пухом, сухими листьями, углубление нор, закрывание входов
в них;
5. Принятие позы: скручивание кольцом, укутывание
хвостом;
7. Собирание в группы - «скучивание», «черепаха»;
8. Пробежки и прыжки.

42.

43.

Групповое поведение животных при терморегуляции.
Пингвины в сильный мороз и бураны сбиваются в плотную
кучу – «черепаху». Особи с краю пробиваются внутрь,
«черепаха» медленно кружится и перемешается. Внутри
такого скопления t около +37оС даже в сильные морозы.
Верблюды в жару сбиваются вместе, прижимаясь боками. t в
центре скопления равна t их тела +39°С, тогда как спина и
бока крайних особей нагреваются до +70°С.

44.

Японские макаки
Городские воробьи

45.

Пути приспособлений живых организмов к воздействию
неблагоприятных t:
1. Активный путь: усиление сопротивляемости,
развитие
регуляторных
способностей.
Выражен
у
эндотермных животных, развит у эктотермных, в зачаточной
форме проявляется у некоторых высших растений.
2. Пассивный путь – подчинение жизненных функций
организма ходу внешних t: угнетение жизнедеятельности –
экономное использование энергетических запасов и
повышение устойчивости клеток и тканей. Для всех растений
и эктотермных животных. Эндотермные животные в условиях
крайне низких t снижают уровень обмена, замедляют скорость
роста и развития – экономный расход ресурсов. У
млекопитающих и птиц в неблагоприятные периоды года
гетеротермные виды впадают в спячку или оцепенение.

46.

3. Избегание неблагоприятных температурных
воздействий: жизненные циклы – наиболее уязвимые стадии
развития проходят в самые благоприятные периоды года. Для
растений – изменения в ростовых процессах, для животных –
разнообразные формы поведения.
Биополярность – сходство в систематическом составе
и ряде биологических явлений у организмов высоких широт
умеренных зон. Это характерно как для наземной, так и для
морской фауны и флоры. Биополярность отмечается и в
поширотном качественном составе живых организмов.
Например, для тропической зоны характерно более
высокое видовое разнообразие по сравнению с высокими
широтами.

47.

IV. Физиологические адаптации животных к t
Неоднозначность действия фактора на разные
функции: каждый фактор неодинаково влияет на разные
функции организма. Оптимум для одних процессов может
являться пессимумом для других. Жизненный цикл, в котором
в
определенные
периоды
организм
осуществляет
преимущественно те или иные функции (питание, рост,
размножение, расселение и т.п.), всегда согласован с сезонными
изменениями комплекса факторов среды.

48.

49.

Неоднозначность ответных реакций на действие
факторов среды у отдельных особей вида.
Степень
выносливости,
критические
точки,
оптимальная и пессимальные зоны отдельных индивидуумов
не совпадают. Эта изменчивость определяется как
наследственностью особей, так и половыми, возрастными и
физиологическими различиями.
Следовательно, экологическая валентность вида всегда
шире экологической валентности каждой отдельной особи.

50.

1. Терморегуляция способность в определенных
пределах менять t своего тела на основе физиологических
процессов. Эндотермные животные способны вырабатывать
достаточное количество тепла и регулировать теплоотдачу,
поэтому сохраняется равенство прихода и расхода тепла.

51.

52.

Рис. Основной обмен при различных температурах воздуха

53.

54.

Физическая теплоотдача. При повышении внешней t
до +30-31о С происходит расширение артерий кожи и
усиление в ней кровотока, увеличивается t поверхностных
тканей.
Отдача
избытка
тепла
путем
конвекции,
теплопроведения и радиации, но по мере нарастания t
окружающей среды их эффективность снижается.
При внешней t +32-33оC и > прекращаются конвекция и
радиация. Ведущее значение – потоотделение и испарение с
поверхности тела и дыхательных путей. Так, с 1 мл пота
теряется примерно 0,6 ккал.
Конве́кция (лат. - «перенесение») – вид теплообмена,
при котором внутренняя энергия передается струями и
потоками.
Теплопроведение – физический процесс передачи
тепловой энергии от более горячего тела к менее горячему,
непосредственно (при контакте), или через разделяющую
(тела или среды) перегородку из какого-либо материала.

55.

Тепловое излучение (радиация) – электромагнитное
излучение внутренней энергии тела. Имеет сплошной спектр,
расположение и интенсивность максимума которого зависят от t
тела.

56.

Потовые
железы
секретируют
калликреин,
расщепляющий альфа2-глобулин. Образуется в крови каллидин,
брадикинин и др. кинины. Кинины расширяют артериолы кожи
и подкожной клетчатки; усиливают потоотделение.
• В связи с активацией симпатоадреналовой системы
увеличивается ЧСС и минутный выброс сердца.
• Перераспределение кровотока с развитием его централизации.
• Тенденция к повышению АД.

57.

Адаптация к действию высокой t
Высокая t может действовать на организм человека
на производстве, при пожаре, в боевых и аварийных
условиях, в бане.
Механизмы адаптации направлены на увеличение
теплоотдачи и снижение теплопродукции. В результате t
тела (хотя и повышается) остается в пределах верхней
границы нормального диапазона. Проявления гипертермии
в значительной мере определяются t окружающей среды.

58.

Система кровообращения
Увеличение кожного кровотока, за счет расширения
капилляров кожи – гиперемия и увеличение теплопроводности
кожи.
Для поддержания нормального АД, происходит
компенсаторное увеличение ЧСС, веномоторного тонуса,
снижение кровотока во внутренних органах.
Потоиспарительный путь отведения тепла наиболее
эффективен, но сопровождается значительными потерями воды,
микроэлементов, электролитов, витаминов, что требует
возмещения.
Гиперемия – переполнение кровью сосудов кровеносной
системы какого-либо органа или области тела.

59.

60.

Респираторная система
Дыхание учащается, становится поверхностным из-за
снижения тонуса мускулатуры и минимизации потери влаги.
Снижается
газообмен,
развивается
гипоксия,
снижаются окислительно-восстановительные реакции и
синтез АТФ – угнетение синтеза белка (пищеварительных
ферментов, гормонов).
На первых стадиях адаптации усиливаются функции
железистого аппарата, гиперемия слизистых оболочек,
повышается теплоотдача за счет испарения. Затем
декомпенсация железистого аппарата воздухоносных путей –
сухость слизистых оболочек, развиваются дистрофические и
атрофические
процессы,
переходящие
в
гнойнонекротические.
Гипоксия – пониженное содержание кислорода в
организме или отдельных органах и тканях.

61.

Органы пищеварения
Тепловое воздействие - снижение тонуса гладкой
мускулатуры – атоничное состояние о. пищеварения (желудок,
кишечник,
желчевыделительная
система,
печень,
панкреобилиарная система) и их сфинктеров.
Снижается потребность в пище и секреция
пищеварительных соков. Снижение веса внутренних органов.
Сниженная функциональная активность органов при тепловой
нагрузке ведет к большей чувствительности к пищевым и
перегрузкам и интоксикациям.
Атония кишечника –
снижение его перистальтики и
потеря тонуса.

62.

Метаболические реакции
Повторные воздействия тепла влияют на регуляцию
теплоотдачи, а теплообразование увеличивается (В.Ф.
Миропольский). Снижается скорость потребления О2,
активируется анаэробный путь энергообмена (гликолиз).
Стресс-реакция и
тканевая гипоксия активируют
биохимические реакции и увеличивают теплопродукцию.
Под действием высокой t растет распад белка (особенно
в воспалительных очагах). Продукты распада формируют
эндогенную интоксикацию – для нейтрализации увеличение
функции печени и почек. Т.к. кровоток изменен, эти органы
теряют способность полноценно проводить детоксикацию и
выведение продуктов распада.
При продолжающейся гипертермии – коматозное
состояние с летальным исходом.
Кратковременное
воздействие высокой t снижает интенсивность синтеза РНК и
угнетает биосинтез белка; нормализация длительное время.

63.

Гипертермия – перегревание, накопление избыточного
тепла в организме человека и животных с повышением
температуры тела, вызванное внешними факторами,
затрудняющими теплоотдачу во внешнюю среду или
увеличивающими поступление тепла извне – перегревание,
накопление избыточного тепла в организме человека и
животных с повышением температуры тела, вызванное
внешними факторами, затрудняющими теплоотдачу во
внешнюю среду или увеличивающими поступление тепла
извне.

64.

Стадии адаптации к высоким t
1. Аварийная – неустойчивая адаптация
Увеличение
теплопродукции,
недостаточность
испарительной теплоотдачи, которая компенсируется резкой
вазодилатацией кожных сосудов и увеличением кровотока в
коже, при снижении кровотока во внутренних органах, на
фоне компенсаторного увеличения ЧСС и минутного объема
сердца. Основная компенсаторная система ССС, и
декомпенсация легче развивается у страдающих СС
заболеваниями.
2. Переходная – срочная адаптация
Уменьшение двигательной активности, снижение
потребляемой пищи и функций органов пищеварения, что в
условиях сниженного кровотока сдерживает гипоксию и
дистрофические процессы. Приводит к снижению
теплопродукции и уменьшению нагрузки на органы
кровообращения.

65.

3.
Устойчивости
–
долгосрочной
адаптации
формируется в условиях прерывистого воздействия теплового
фактора. Характерно повышение порога чувствительности
тепловых рецепторов, укорочение периода испарительной
теплоотдачи и гипертрофия потовых желез. Во внутренних
органах развиваются механизмы препятствующие накоплению
тепла в условиях сниженного кровотока.
4. Истощение и разбалансировка при непрерывном,
длительном и интенсивном воздействии высокой t. Процессы
1 стадии, а также снижение детоксикационной функции
печени,
толерантности
к
нагрузкам,
хроническая
дегидратация и потеря солей, дефицит витаминов, ферментов,
гормонов, белков. Восполнение этих потерь затруднено из-за
угнетения аппетита и снижения функции ЖКТ.
Дегидратация – в медицине то же, что обезвоживание
организма.