Вода как экологический фактор

1.

Министерство сельского хозяйства РФ
Департамент научно-технологической
политики и образования
ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ
Кафедра «Агроэкология и лесомелиорация ландшафтов»
Вода как экологический фактор.
Роль воды в жизни растений и животных.
Классификация организмов по их потребности в воде.
Механизмы защиты организмов от обезвоживания.
Адаптации к изменению влажности.
Стратегии эффективного использования влаги у растений.
Волгоград 2020г.

2. Содержание

1.
2.
3.
4.
5.
6.
Вода как экологический фактор.
Роль воды в жизни растений и животных.
Классификация организмов по их потребности в воде.
Механизмы защиты организмов от обезвоживания.
Адаптации к изменению влажности.
Стратегии эффективного использования влаги у
растений.

3. Вода как экологический фактор

4. Вода как экологический фактор

Вода является универсальным
органическим растворителем. Все
биохимические и физиологические
процессы жизнедеятельности
организмов протекают в водной среде, в
воде, которая содержится в их телах.
При недостатке воды в организме
снижается скорость обменных процессов.
Вода может рассматриваться как
условие и как ресурс в зависимости от
среды обитания.
В наземных местообитаниях ода –
необходимый ресурс для всего живого.
В Водной среде – условие обитания,
которое диктует специальные адаптации.
Ни один организм не застрахован от
потерь воды, поэтому постоянно должен
пополнять ее запасы.

5. Вода выступает одним из главных факторов:

Вода выступает одним из главных
факторов:
• регулирующих распределение растений на Земле, в том
числе ареалы древесных растений;
• благодаря воде осуществляется не только взаимосвязь
физиологических процессов в растительных клетках и
тканях, но и тесная связь растений с окружающей их
внешней средой. Последняя прослеживается с момента
прорастания семян и до образования репродуктивных
органов и формирования новых плодов и семян;
• количество доступной воды в почве оказывает глубокое воздействие на биологические особенности и
структуру растений.

6.

7.

Вода на Земле является одним из
важнейших экологических факторов,
определяющих не только ход
физиологических процессов в растениях,
но и их рост и продуктивность. Можно
утверждать, что на значительных
лесопокрытых пространствах рост и число
деревьев на единицу площади в большей
степени зависят от недостатка или
избытка воды в почве, чем от других
каких-либо факторов. Поэтому вопросы
устойчивости к засухе и к условиям временного или постоянного затопления почв
не перестают интересовать физиологов
древесных растений.

8. Все растения по отношению к воде, как экологи­ческому фактору, делятся на четыре большие группы:

Все растения по отношению к воде, как экологическому
фактору, делятся на четыре большие группы:
водные растения гидрофиты;
·растения избыточно
увлажненных и часто
затененных местообитаний
- гигрофиты;
·растения, произрастающие
на умеренно увлажненных
почвах, - мезофuты;
растения, которые про из
растают в условиях с недостаточным
водоснабжением, ксерофиты.

9.

Гидрофиты
У водных растений (гидрофитов) кутикула на листьях слабо развита,
устьица сильно редуцированы или отсутствуют. Кислород проходит
довольно легко через тонкую кутикулу листьев. Огромное развитие у
этой группы растений получает система межклетников, служащая для
воздухообмена и увеличения плавучести. В связи с тем, что
большинство водных растений способно поглощать не только
кислород, но и воду через поверхность листьев и стеблей, у них, как
правило, слабо развивается корневая система (ряска, роголистник,
элодея, кувшинка и др.). Менее развита у водных растений и
специализированная водопроводящая система. Механические ткани,
окружающие последнюю, также сильно редуцированы, тонкостенны,
располагаются обычно в центре стебля и поэтому лучше противостоят
току воды.

10.

11.

12. Гигрофиты

На сырых открытых местах или во влажных тенистых лесах
обитают гигрофиты. Это многочисленные мхи, печеночники, некоторые
папоротники, калужница, дербенник (плакун-трава), недотрога, кислица
и другие растения. Они приспособились нормально расти в условиях
повышенной влажности почвы и воздуха. В связи с этим они развивают
большую ассимиляционную поверхность, чтобы синтезировать нужное
количество органического вещества. Так же как и у гидрофитов, у них
слабо развиты структуры, ответственные за защиту от потерь воды.
Некоторые гигрофиты могут временно терять огромное количество
воды, иногда даже высыхать и возобновлять свою жизнедеятельность
после дождей; большинство же гигрофитов при обезвоживании
погибает

13.

Мезофuты
На почвах с достаточным увлажнением и хорошей аэрацией обитают
мезофиты. Они страдают как при недостатке, так и при избытке влаги в почве.
Большинство ценных культурных видов и диких естественно произрастающих
растений, в том числе древесных, относится к этой группе.

14.

15. Ксерофиты 

Ксерофиты
• Хорошо выраженные приспособительные структуры
имеют ксерофиты - растения засушливых местообитаний (пустынь, полупустынь, степей, сухих песчаных и каменистых склонов). Большинство из них имеет
хорошо развитую корневую систему, обеспечивающую
их водой из почвы с низкой влажностью, толстую малопроницаемую кутикулу, опушение листьев, погруженные
устьица, редуцированную поверхность листьев, вплоть
до колючек и т. д.

16.

17.

18.

19.

Роль воды в жизни
растении

20.

Вода входит в состав клеток
растения. К. А. Тимирязев подразделил воду на организационную и
расхожую. Организационная вода
участвует в физиологических
процессах растения, т. е. необходима
для его роста. Расхожая вода
поступает из почвы в корень,
проходит через стебель и испаряется
листьями. Испарение воды
растением называется
транспирацией, оно происходит
через устьичные щели.

21. Поглощение воды растением

Корневая система является
главным аппаратом поглощения
воды, но не единственным:
небольшое количество воды
поглощается надземными частями
растения во время дождей,
выпадения туманов, росы. В
принципе любая клетка может
всасывать воду, если она не насыщена ею, даже кутикула способна
разбухать.

22.

• В обычных условиях роль пассивного
поглощения воды в водообмене растений
существенно выше. Оно более выгодно и в
энергетическом отношении, так как не связано
с затратой внутренней энергии, присущей
активному поглощению, а осуществляется за
счет энергии Солнца.

23.

• Поглощение воды из почвы
является более сложным, чем из
слабых растворов, так как в почве
имеется ряд специфических сил,
удерживающих воду. Поэтому на
поглощение воды здесь в первую
очередь влияет доступность ее
корневым системам растений.

24. В почве различают три основные формы воды, до­ступные растениям:

В почве различают три основные формы
воды, доступные растениям:
Гравитационная вода. Она не стоит на
месте, а стекает вниз благодаря силам
земного притяжения по крупным
промежуткам между почвенными
частичками. В верхних слоях почвы она
бывает обычно только после сильных
дождей. Гравитационная вода легко
доступна растениям.

25.

Основу водоснабжения растений составляет капиллярная вода. Она
передвигается в почве и даже поднимается вверх капиллярными
силами, ибо располагается в узких промежутках между почвенными
частицами.

26.

Пленочная вода в виде
пленки окружает мелкие
частички почвы. Корням
растений доступны лишь
периферические слои этой
пленки, тогда как внутренние, удерживающиеся
сильными адсорбционными
силами, не доступны

27.

В сухой почве
имеется гигроскопическая
вода, удерживаемая
сорбционными силами,
достигающими огромных
величин - до 1000 атм. Эта
вода совершенно не
доступна растениям.

28.

Важным показателем доступности растениям
воды является коэффициент завядания количество воды в почве, остающееся в
ней,после устойчивого завядания растений.
Однако этот показатель еще не дает полного
представления о количестве недоступной растению воды, так как часть ее при завядании
растений еще может поглощаться корнями.
Количество воды почвы, полностью недоступное
растению, получило название мертвого запаса.
Это, по существу, гигроскопическая вода почвы.

29.

Важным фактором, влияющим на
поглощение воды, является аэрация
почвы (обеспечение корней свободным
кислородом воздуха). На очень плотных
почвах и, как ни странно, на почвах,
затопленных водой, интенсивность
поглощения воды и другие функции
корней нарушаются. Вреден не сам
избыток воды, ибо растения могут
прекрасно развиваться в водных
культурах, а именно недостаток
кислорода и связанные с ним другие
нежелательные изменения в затопленной
почве. Большим бичом для
сельскохозяйственных угодий является
использование тяжелой техники на
полях, а в лесах зеленых зон затаптывание почвы животными и

30.

31.

32.

33.

34.

35.

36.

Роль воды в жизни
животных

37.

Без воды пища не может перевариваться и усваиваться
организмом. Кроме того, все остальные процессы
жизнедеятельности организма также не могут обходиться
без воды. С ее помощью из организма выводятся
продукты обмена веществ; у млекопитающих с помощью
воды посредством потоотделения регулируется
температура тела. В организм плотоядных животных вода
попадает вместе с животной пищей, а
растительноядные животные обеспечивают себя водой за
счет растительных соков поедаемых ими растени

38.

Однако ни тем ни другим этого количества воды
было бы недостаточно. Особенно необходима
вода новорожденным животным. Детеныши
млекопитающих получают воду вместе с
молоком матери, а большинство птенцов
обеспечиваются водой благодаря насекомым,
которыми их кормят родители. Живущие в
пустынях рябки пролетают многие километры,
чтобы в своих губчатых перьях принести воду
для птенцов. Лишь очень немногие животные
могут обходиться без воды в течение нескольких
дней. Есть даже жуки и скорпионы, которые
никогда не пьют. Их организм приспособился к
такой экономии воды, что им хватает той,
которую они получают с пищей.

39.

Классификация
организмов по их
потребности в воде

40.

В зависимости от способа
регулирования водного режима
наземные растения делятся на две
группы: пойкилогидрические и гомойоги
дрические.

41.

42.

Гомойогидрические растения способны
поддерживать относительное постоянство
обводненности тканей. К ним относят
большинство высших наземных растений.
Для них характерна крупная центральная
вакуоль в клетках. Благодаря этому клетка
всегда имеет запас воды и не так сильно
зависит от изменчивых внешних условий.
Кроме того, побеги покрыты с поверхности
эпидермой с малопроницаемой для воды
кутикулой, транспирация регулируется
устьичным аппаратом, а хорошо развитая
корневая система во время вегетации
может непрерывно поглощать влагу из
почвы. Однако способности растений, не
выдерживающих высыхания, регулировать
свой водный обмен различны.

43.

Среди обитателей биотопов с устойчиво высокой влажностью
большое число видов относится к категории
пойкилогидрических растений. У таких видов содержание воды
в тканях очень изменчиво и зависит от влажности среды.
Влагообмен идет через поверхность тела. При высыхании
растение переходит в состояние оцепенения. Это дает
возможность заселения и таких биотипов, в которых высокая
влажность выражена лишь сезонно. К пойкилогидрическим
относятся, помимо низших (зеленые водоросли) и высших
(некоторые мхи, папоротники, вторично отдельные виды
цветковых) растений, цианобактерии, некоторые грибы и
лишайники.

44.

В настоящее время
наиболее
распространенной
классификацией
экологических групп
растений по их
отношению к водному
фактору является
классификация А.П.
Шенникова с теми или
иными модификациями

45. Гидрофиты

Гидрофиты — виды растений, произрастающие и свободно
плавающие в воде. Они покрыты толстой кутикулой, их
устьица немногочисленны. У стеблевых суккулентов
редуцированы листья. Корневая система поверхностная,
малоразвитая, рассчитана на поглощение воды из верхних
слоев почвы, увлажняемых редко выпадающим дождем.

46. Гидрофиты подразделяются на следующие группы:

1.
2.
3.
4.
5.
плавающие на поверхности (ряска, сальвиния), т. е.
контактирующие с двумя средами водой и воздухом;
погруженные («взвешенные»), контактирующие только с
водной средой (планктонные водоросли, роголистник, рдест);
погруженные укореняющиеся, т.е. находящиеся в воде и
почве (элодея уруть и др.);
плавающие на поверхности укореняющиеся, контактирующие
с тремя средами — водой, почвой, воздухом (виды родов
кубышка, кувшинка, виктория и др.);
амфибийные виды (гелофиты), занимающие береговые и
прибрежные мелководные местообитания. Стебли и листья у
них обычно возвышаются над поверхностью воды
(срелолист, рис, многие мангровые растения и др.).

47.

• Гигрофиты — наземные растения, обитающие
в местах с высокой влажностью воздуха и
обеспеченным почвенным водоснабжением,
плохо переносят даже кратковременное
увядание. Это в основном обитатели влажных
тропических лесов и тенистых лесов
умеренной зоны, а также растения болотистых
почв (пальма болотная).

48.

Ксерофиты распространены в степях и полупустынях,
пустынях, жестколистных вечнозеленых лесах и в сухих
биотопах типа песчаных дюн, прогреваемых склонов и т.п.
Приспособлены к недостатку влаги. Способность их в
активном состоянии переносить неблагоприятные для
других растений условия недостаточного увлажнения
определяется набором специфический адаптаций. По
принципу этих адаптаций растения-ксерофиты
подразделяются на две группы: суккуленты и
склерофиты.

49. Суккуленты

приурочены, главным образом, к аридным зонам
Центральной Америки, Южной Африки, Средиземноморья.
В своих приспособлениях к дефициту влаги исходят из
принципа запасания. Это сочные, мясистые растения с
хорошо развитой водозапасающей паренхимой в листьях и
стеблях. Форма (шаровидная цилиндрическая)
способствует сокращению транспирации (минимальная
площадь). Наиболее типичные представители суккулентов
— кактусы, агавы, алоэ, молодило и др. У некоторых видов
запасание воды происходят в корнях.

50. Склерофиты

по морфологическим признакам и по принципам
поддержания водного баланса прямо противоположны
суккулентам. Они не способны запасать воду в органах и
тканях, а напротив, отличаются слабой обводненностью и
внешне выглядят как сухие, жесткие, не сочные растения.
Принцип их адаптации к засушливым условиям —
способность к активной перестройке водного режима
организма в соответствии с обеспеченностью его влагой
извне. Их цитоплазма сохраняет свои свойства при такой
степени обезвоживания, которая смертельна для других
растений.

51. Психрофиты

— растения, приспособленные к холодным влажным
местообитаниям северных широт и высокогорий. Эти
растения часто испытывают недостаток влаги в результате
физиологической сухости, вызванной низкими
температурами и недоступностью для корней воды
холодных почв. К психрофитам относятся северные
хвойные породы, кустарники лесотундры и тундры (ель
обыкновенная, сосна сибирская,, черника, клюква,
багульник, береза карликовая).

52.

Криофиты отличаются от
психрофитов произрастанием в
холодных, но сухих местообитаниях
(в сухих участках тундр,
высокогорных пустынях). Это
подушковидные формы растений
(азорелла, акантолимоны).

53.

Мезофиты занимают промежуточное
положение между гигрофитами и
ксерофитами. Распространены в
умеренно влажных местообитаниях.
Наиболее обширная по видовому составу
экологическая группа. По А.П. Шенникову
(1950), мезофиты подразделяются на 5
групп:

54.

1) вечнозеленые мезофиты тропических лесов, деревья, кустарники;
вегетация круглый год без резко выраженного сезонного ритма
(фикус);
2) зимне-зеленые деревянистые мезофиты — растения тропической
зоны (континентальных ее частей), где уже выражена смена сухих и
влажных периодов, вызывающая листопад в сухой летний период
(баобаб и другие растения саванн);
3) летне-зеленые деревянистые мезофиты — представители лесной
зоны умеренного пояса; холодную зиму эти растения переносят в
состоянии покоя с предшествующим опаданием листьев (дуб, ясень,
береза).
4) летне-зеленые травянистые многолетние мезофиты —
представители лесной умеренной зоны, лугов и северных степей,
надземные органы которых обычно отмирают на зиму (клевер
луговой, лютик едкий и др.).
5) эфемеры и эфемероиды — растения с коротким периодом
вегетации (30–50 дней). Эфемеры — это однолетники с коротким
жизненным циклом; характерны для пустынь, степей (некоторые
злаки, мак). Эфемероиды — многолетние травянистые растения,
которые быстро заканчивают вегетацию, а большую часть года
проводят в состоянии покоя (гусиный лук, тюльпаны, осоки).

55.

Механизмы защиты
организмов от
обезвоживания

56.

Недостаток воды в тканях растений создается,
когда расход воды при транспирации превышает
ее поступление. Водный дефицит может
возникнуть в жаркую солнечную погоду к
середине дня, при этом увеличивается сосущая
сила листьев, что активирует поступление воды
из почвы. Растения регулируют уровень водного
дефицита, меняя отверстость устьиц. Обычно
при завядании листьев водный дефицит их
восстанавливается в вечерние и ночные часы
(временное завядание). Глубокое завядание
наблюдается при отсутствии в почве доступной
для растения воды. Это завядание чаще всего
приводит растения к гибели.

57.

Растения используют три основных способа защиты:
1) предотвращение излишней потери воды клетками
(избегание высыхания),
2) перенесение высыхания,
3) избегание периода засухи. Наиболее общими являются
приспособления для сохранения воды в клетках.

58.

• 1. Суккуленты (по Н. А. Максимову — ложные
ксерофиты) — растения, запасающие влагу (кактусы,
алоэ, очиток, молодило, молочай). Вода
концентрируется в листьях или стеблях, покрытых
толстой кутикулой, волосками. Транспирация,
фотосинтез и рост осуществляются медленно. Они
плохо переносят обезвоживание. Корневая система
распространяется широко, но на небольшую глубину.

59.  Несуккулентные виды по уровню транспирации делятся на несколько групп.

Несуккулентные виды по уровню транспирации делятся на
несколько групп.
а) Настоящие ксерофиты (эвксерофиты — полынь, вероника
беловойлочная и др.). Растения с небольшими листьями, часто
опушенными, жароустойчивы, транспирация невысокая, способны
выносить сильное обезвоживание, в клетках высокое осмотическое
давление. Корневая система сильно разветвлена, но на небольшой
глубине.
б) Полуксерофиты (гемиксерофиты — шалфей, резак и др.). Обладают
интенсивной транспирацией, которая поддерживается деятельностью
глубокой корневой системы, часто достигающей грунтовых вод. Плохо
переносят обезвоживание и атмосферную засуху. Вязкость
цитоплазмы у них невелика.
в) Стипаксерофиты — степные злаки (ковыль и др.). Приспособлены к
перенесению перегрева, быстро используют влагу летних дождей, но
переносят лишь кратковременный недостаток воды в почве.
г) Пойкилоксерофиты (лишайники и др.) не способны регулировать
свой водный режим и при значительном обезвоживании впадают в
состояние покоя (анабиоз). Способны переносить высыхание.

60.

Э ф е м е р ы — растения с коротким
вегетационным периодом,
совпадающим с периодом дождей
(способ избегания засухи в
засушливых местообитаниях).

61. Адаптации животных. Существуют три вида адаптации животных к засухе.

Поведенческие миграции в места,
где есть вода,
посещение
водопоев, ночной
образ жизни,
укрытие в норах.

62.

• Морфологические
- наличие
защитных
покровов

63. Физиологические:

- наличие механизмов обратного всасывания воды в
пищеварительной и выделительной системах;
- выделение высококонцентрированной или твердой мочи;
- синтез метаболической воды;
- способность переносить сильное обезвоживание.

64.

Адаптации к изменению
влажности

65. Влажность

Вода является важнейшим экологическим фактором в жизни живых
организмов и их постоянной составной частью.
Растения
Содержани
е
воды
Животные
Содержани
е
воды
Водоросли
96-98
Губки
84
Листья трав
83-86
Моллюски
80-92
Листья
деревьев...
79-82
Насекомые
46-92
Стволы
деревьев..
40-55
Земноводн
ые....
до 93
Мхи и
лишайники
5-7
Млекопита
ющие
68-83

66.

В различные периоды развития потребность растений в воде неодинакова,
особенно у разных видов;
меняется она и в зависимости от климата и типа почвы.
Например, злакам в период прорастания семян и их созревания нужно меньше
влаги, чем во время их интенсивного роста. Для каждой фазы роста и стадии
развития любого вида растений можно выделить критический период, когда
недостаток воды особенно отрицательно сказывается на его жизнедеятельности.
Влажность среды часто является фактором, лимитирующим численность и
распространение организмов по земному шару. Например, бук может жить на
сравнительно сухой почве, но ему необходима достаточно высокая влажность
воздуха. У животных весьма важную роль играют проницаемость покровов и
механизмы, регулирующие водный обмен.

67.

• По отношению к влажности
различают эвригигробионтные и
стеногигробионтные организмы.
• Первые живут в широком диапазоне
содержания влаги, а для вторых она должна
быть либо высокой, либо низкой, либо
промежуточной между первыми двумя. Это
относится и к растениям и к животным,
несмотря на то, что вторые имеют
возможность отыскивать места с оптимальной
влажностью.

68.

По отношению к водному режиму
экотопа растения делятся на:
влаголюбивые (гигрофиты),
сухолюбивые (ксерофиты) и
умеренно влаголюбивые
(мезофиты).

69.

70. Среди наземных животных различают

Среди наземных животных различают
• Гидрофилы - влаголюбивые
животные (мокрицы, ногохвостки,
комары, наземные планарии,
наземные моллюски и амфибии)

71.

• Мезофилы - обитают в районах с
умеренной влажностью (озимая
совка, многие насекомые, птицы,
млекопитающие).

72.

Ксерофилы - это сухолюбивые животные, не переносящие
высокой влажности (верблюды, пустынные грызуны и
пресмыкающиеся). Например, слоновая черепаха
запасает воду в мочевом пузыре, некоторые
млекопитающие избегают дефицита влаги путем
отложения жиров, при окислении которых образуется
метаболическая вода. За счет метаболической воды живут
многие насекомые, верблюды, курдючные овцы,
жирнохвостные тушканчики и др.

73.

Стратегии
эффективного
использования влаги у
растений