Воздух как среда обитания

Из-за наличия силы тяжести на Земле, а также низкой плотности воздуха, обусловливающей его малую опорность, жизнь во взвешенном состоянии в воздушной среде невозможна. Однако множество микроорганизмов и животных регулярно присутствуют в воздухе, используя его низкую сопротивляемость и наличие воздушных потоков для передвижения. Так, ~ 75 % наземных видов животных (насекомые, птицы, летучие мыши) приспособлены к активному полету.

У многих видов организмов развилась способность к пассивному полету, так называемая анемохория – расселение с помощью воздушных потоков. Это возможно либо за счет малых размеров (споры, пыльца и др.), либо за счет придатков, увеличивающих способность к планированию (зонтики, лепестки, пух и др.). В расселении этих организмов большое значение имеют конвективные (вертикальные) и ветровые (горизонтальные) потоки воздуха.

Важную роль в жизнедеятельности организмов играет атмосферное давление, составляющее в норме 101325 Па (760 мм. рт. ст.), которое, уменьшаясь с высотой, ограничивает распространение видов в горах. Для большинства позвоночных верхняя граница жизни составляет ~ 6000 м, где атмосферное давление составляет ~ 50 % от нормального, что ведёт к уменьшению парциального давления кислорода и, как следствие, к увеличению частоты дыхания и влагопотерь.

Для наземных организмов кроме физических свойств воздуха чрезвычайно важным является его химический состав. Воздух в приземном слое атмосферы состоит из следующих веществ (% масс.): азот (N ₂) – 78; кислород (О ₂) – 20,95; диоксид углерода (СО ₂) – 0,03; остальное – аргон (Ar), метан (CH ₄), водород (Н ₂), озон (О ₃) и др. газы. Кроме того, в атмосферу поступают из различных источников другие вещества (газы, пары, пыль и т.п.), имеющие существенное экологическое значение.

Высокое содержание кислорода в воздухе не является фактором, лимитирующим жизнь в наземно-воздушной среде. Содержание СО ₂ в приземном слое воздуха может изменяться в широком диапазоне, что может значительно влиять на жизнедеятельность организмов. Основным источником диоксида углерода является почва, в которой живут и при «дыхании» выделяют его микроорганизмы. Например, почва леса выделяет до 20 кг /(га·час), а песчаная всего 2 кг /(га·час).

Заметную роль в изменении содержания СО ₂ в приземном слое воздуха играет деятельность человека. Так, в крупных городах в безветрие концентрация СО ₂ в воздухе возрастает в десятки раз. Содержание СО ₂ лимитирует процесс фотосинтеза в растениях. При больших концентрациях (> 0,5 % об.) диоксид углерода токсичен для живых организмов.

Азот воздуха фиксируется рядом микроорганизмов (клубеньковые бактерии, сине-зеленые водоросли и др.) и является необходимым элементом для синтеза некоторых органических веществ, например, белка.

Вещества, поступающие в воздух за счет деятельности человека и естественных факторов, часто являются токсичными для организмов (СО, NO + NO ₂, SO ₂ и др.). Так, например, диоксид серы (SO ₂) чрезвычайно ядовит для растений даже в миллионных долях по отношению к объему воздуха. В результате этого вокруг промышленных центров, загрязняющих атмосферу этим газом, почти вся растительность погибает. Особенно чувствительны к SO ₂ лишайники, наличие которых в конкретной местности говорит о чистоте воздуха.

В воздухе формируется климат местности – многолетний режим погоды, а также микроклимат в отдельных зонах местности. Оба фактора влияют на географическое распределение организмов по Земле.

В атмосферном воздухе формируются необходимые условия для выпадения осадков. Осадки, кроме изменения влажности воздуха, поставляют пресную воду для питья, оказывают механическое действие на организмы (ливень, град), защищают их от влияния низких температур (снежный покров), а также оказывают другие экологические воздействия.

Вода как среда обитания.

Как среда обитания организмов вода имеет ряд специфических свойств (большая плотность, значительные перепады давления, относительно малое содержание кислорода, высокая теплоемкость, сильное поглощение солнечных лучей и др.). Отдельные водоемы различаются по солевому режиму, по наличию течений и по др. параметрам.

Обитатели водной среды в экологии называются гидробионтами. По условиям обитания гидробионтов в любом водоеме можно выделить различные зоны. Рассмотрим экологические зоны мирового океана. В океане вместе с входящими в него морями можно выделить две основные экологические зоны: толщу воды- пелагиаль и дно - бенталь. Бенталь в зависимости от глубины подразделяется на зоны: сублитораль - область плавного увеличения глубины до 200 м; батиаль - крутой склон дна; абиссаль - океаническое ложе со средней глубиной 3-6 км; ультраабиссаль - впадины океанического ложа; литораль - кромка берега, заливаемая приливами; супралитораль - часть берега, увлажняемого брызгами прибоя.

Совокупность организмов, живущих на дне океана называется бентос, а живущих в толще воды - пелагос.

Пелагиаль также делится на зоны соответствующие зонам бентали: эпипелагиаль, батипелагиаль, абиссопелагиаль. Нижняя граница эпипелагиали (~ 200 м) определяется количеством проникающего солнечного света, достаточным для фотосинтеза. Глубже этих зон зеленые растения не могут существовать. В сумеречных батиальных и полных мрака абиссальных глубинах обитают лишь микроорганизмы и животные.

Основные свойства водной среды.

Плотность воды - фактор, определяющий условия передвижения водных организмов и давление на разных глубинах. Максимальная плотность чистой (дистиллированной) воды достигается при температуре +4 ^оС и равна 1 г/см³. Природные воды имеют плотность до 1,35 г/см³. Давление растет с глубиной в среднем на 1·10⁵ Па (1 атм) на каждые 10 м.

Гидробионты более эврибатны, нежели сухопутные организмы. Так, некоторые виды червей могут обитать и в прибрежной зоне и в ультраабиссали. Однако некоторые гидробионты стенобатны, т.е. обитают на строго определенных глубинах. Плотность воды обеспечивает возможность опираться на нее, что является необходимым условием парения в воде. Многие организмы приспособились именно к этому образу жизни и объединяются в особую экологическую группу гидробионтов – планктон. Планктон – одноклеточные водоросли, простейшие, медузы, некоторые моллюски, мелкие рачки, личинки донных животных, икра и мальки рыб и др.Различают фитопланктон – водоросли и зоопланктон – остальное. Планктон не преодолевает течения и переносится ими на большие расстояния, однако некоторые его виды могут активно перемещаться по вертикали за счет регулирования плавучести тела.

Животных, способных к быстрому плаванию и преодолению сильных течений, объединяют в экологическую группу нектон – рыбы, кальмары, дельфины. Их быстрое передвижение в воде возможно за счет сильно развитой мускулатуры, сопряженной с обтекаемой формой тела. Животные используют следующие основные способы движения в воде: реактивный, за счет изгибания тела, с помощью конечностей.

Кислородный режим водоёмов.

В насыщенной кислородом воде содержание его составляет не менее 10 мл на 1 л воды, что в 21 раз меньше, чем в атмосфере. Кислород поступает в воду в основном за счет фотосинтеза в водорослях и диффузии из воздуха. Поэтому верхние слои водоемов богаче кислородом, чем нижние. С повышением температуры и солености воды концентрация кислорода уменьшается. В слоях, сильно заселенных гидробионтами, может ощущаться дефицит кислорода из-за повышенного его потребления. Около дна водоемов условия могут быть анаэробными.

Многие гидробионты эвриоксибионтны (сазан, линь, карась и др.); ряд видов стеноксибионтны и существуют лишь при высоком содержании кислорода (радужная форель, кумжа, гольян и др.). Многие виды способны впадать в состояние аноксибиоза при недостатке кислорода.

Дыхание гидробионтов осуществляется различными путями: поверхностью тела; жабрами; легкими; трахеями. При этом в ходе эволюции выработались различные адаптации, интенсифицирующие дыхание (утончение покровов тела и увеличение относительной его поверхности, перемешивание прилегающих к телу слоев воды, комбинирование водного и воздушного дыхания и др.)

Недостаток кислорода приводит к заморам, сопровождающимся гибелью множества гидробионтов. Зимние заморы обусловлены образованием ледяного покрова, а летние повышением температуры воды и, как следствие, уменьшением растворимости кислорода в воде. Заморы, кроме недостатка кислорода, могут быть вызваны повышением концентрации в воде токсичных газов – метана (СН₄), сероводорода (Н₂S), диоксида серы (SО₂), и др., образующихся в результате разложения органических веществ на дне водоемов.

Солевой режим водоёмов.

Особенностью гидробионтов является поддержание определенного количества воды в теле при её избытке в окружающей среде, т.к. изменение количества воды в клетках приводит к изменению в них осмотического давления и нарушению важнейших жизненных функций.

Водные обитатели в основном пойкилоосмотичны: осмотическое давление в их теле зависит от солёности окружающей воды, основной способ поддержания своего солевого баланса у них - выбор мест обитания с подходящей их потребностям солёностью: пресноводные не живут в морях, морские - не переносят опреснения. При изменении солёности воды животные мигрируют в поисках благоприятной среды. Так, например, при опреснении поверхностных слоёв моря после сильных дождей радиолярии, морские рачки и др. опускаются на глубину до 100 м.

Водные позвоночные, высшие раки, насекомые и их личинки являются гомойоосмотическими, сохраняя постоянное осмотическое давление в теле независимо от концентрации солей в воде.

Защита организмов от этих неблагоприятных явлений обеспечивается различными путями: изменение концентрации солей в теле; наличие непроницаемых для воды покровов; переход в состояние солевого анабиоза.

Эвригалинных видов, способных в активном состоянии обитать как в пресной, так и в соленой воде немного, причем это в основном виды, населяющие дельты рек, лиманы и др. солоноватоводные водоемы.

Температурный режим водоемов.

Физические свойства воды обусловливают более устойчивый температурный режим по сравнению с наземно-воздушной средой по следующим причинам:

– высокая удельная теплоёмкость воды, из-за которой получение или отдача значительного количества тепла не вызывает слишком резкого и большого изменения температуры водоёмов;

– испарение воды с поверхности водоёмов, происходящей с поглощением энергии, что препятствует их перегреванию;

– образование льда, которое происходит с выделением тепла (3,3∙10⁵ Дж/кг), что замедляет охлаждение верхних слоёв.

Годовая амплитуда колебаний температуры в верхних слоях океана не > 10…15 ^оС, а в континентальных водоёмах ~ 30…35 ^оС. В глубинных слоях водоёмов колебания температуры незначительны ~ 1…2 ^оС.

Из-за более устойчивого температурного режима водоемов гидробионты более стенотермны, нежели наземные организмы.

Световой режим водоёмов:

В воде света гораздо меньше, чем в воздухе, т.к. происходит отражение его от поверхности воды и поглощение в её объеме. Изменение количества отражённого света в зависимости от высоты стояния солнца над горизонтом уменьшает продолжительность дня в водоёмах. Так, на глубинах ~ 30 м продолжительность дня летом ~ 5 час, а на глубине 40 м – ~ 15 мин. Быстрое убывание количества света с глубиной обусловлено его поглощением массой воды. Разные длины волн оптического диапазона электромагнитного излучения солнца поглощаются неодинаково: сначала длинноволновые (красный цвет поглощается поверхностным слоем), затем все более коротковолновые лучи (сине-фиолетовые лучи достигают глубины ~ 200 м при хорошей прозрачности воды).

Водоросли в Мировом океане обитают на глубине до 20…40 м, причем глубже других проникают красные водоросли (иногда до 100…200 м).

С глубиной меняется окраска животных: наиболее разнообразные цвета их в литоральной и сублиторальной зонах; в сумеречных глубинах превалирует красная окраска, являющаяся дополнительной к сине-фиолетовому цвету. Дополнительные по цвету лучи наиболее полно поглощаются телом животных, что позволяет им скрываться от врагов, т.к. их красный цвет в сине-фиолетовых лучах зрительно воспринимается как черный (морской окунь, красный коралл и др.). Глубинные организмы не имеют пигментов и поэтому не окрашены.

Прозрачность воды характеризуется максимальной глубиной, на которой еще виден диск Секки (белый диск диаметром 20 см). Самые прозрачные воды в Саргассовом море – диск виден до глубины 66,5 м, в Тихом океане – 59 м, в мелких морях – 5…15 м, в реках 1…1,5 м, в озере Байкал – 40 м.

Нижняя (по глубине) граница фотосинтеза меняется также в зависимости от времени года, широты местности и др.

В темных глубинах океана в качестве источника зрительной информации организмы используют свет, испускаемый живыми существами за счёт процесса биолюминесценции. Химия процесса заключается в реакции окисления определённых органических соединений (люциферинов) при помощи белковых катализаторов. При этом избыточная энергия возбуждённых органических молекул выделяется в виде квантов света. Свет излучается импульсами в ответ на раздражения, поступающие из внешней среды. Биолюминесценция играет в основном сигнальную роль.

Специфические приспособления гидробионтов:

Из-за поглощения света в воде у гидробионтов слабо развита зрительная и лучше звуковая ориентация, т.к. звук распространяется в воде быстрее, чем в воздухе.

Для ориентации в глубине гидробионты используют гидростатическое давление толщи воды.

Китообразные используют эхолокацию на основе ультразвука.

Около 300 видов рыб способны генерировать электричество и использовать его для ориентации, сигнализации и защиты от врагов.

Наиболее древний способ ориентации водных животных – восприятие химического состава среды. Хеморецепторы их обладают чрезвычайно большой чувствительностью, что позволяет животным в тысячекилометровых миграциях по океану ориентироваться по запахам. Так, например, угри, кормящиеся в европейских реках и нерестящиеся у берегов Центральной Америки, реагируют на наличие этилового спирта концентрацией 1 г на 6000 км³ воды.

Некоторые гидробионты приспособились к фильтрационному способу питания, процеживая через себя большое количество воды с извлечением из неё необходимых веществ (пластинчато-жаберные моллюски и др.). Животные – фильтраторы играют огромную роль в биологической очистке водоёмов. Так, мидии, обитающие на площади дна в 1 м², могут фильтровать до 150…280 м³ воды за сутки, очищая её от взвешенных частиц.

Многие гидробионты адаптировались к условиям обезвоживания водоемов (зарывание в ил, переход в состояние пониженной жизнедеятельности – гипобиоз и др.).

Почва как среда обитания.

Свойства почвы, как экологического фактора (эдафические факторы).

Почва представляет собой совокупность высокодисперсных частиц, благодаря чему атмосферные осадки проникают в её глубину и удерживаются там в капиллярных системах. Сами частицы удерживают на поверхности различные ионы, газы, пары воды. В верхних слоях почвы концентрируются необходимые для питания растений элементы: азот, калий, кальций, фосфор и др. Почвенные растворы различных веществ могут быть кислыми, нейтральными и щелочными. В почвенном воздухе наблюдается повышенное содержание диоксида углерода, углеводородов и водяного пара. В почве также могут содержаться токсичные для организмов химические вещества.

Жизнедеятельность организмов в почве обусловливает её биологические особенности. Так, корневая масса растений в процессе роста, отмирания и разложения разрыхляет почву, создавая определённую структурность ее, и обеспечивает условия для жизни других организмов. Роющие животные перемешивают почвенную массу, а после смерти становятся источником органического вещества для микроорганизмов. Почвенные организмы обеспечивают постоянный круговорот веществ и миграцию энергии, а совместно с климатическими факторами – ежегодные циклические изменения в почве, специфичные для разных широт. Существенную роль, в формировании почвы и её свойств играет рельеф местности.

Физико-химические и механические свойства почвы в совокупности определяют её экологический режим, основными показателями которого являются гидротермические факторы и аэрация. Так, хорошо увлаженная почва легко прогревается и медленно остывает. Суточные колебания температуры почвы достигают глубины до 1 м. Пористость почвы обеспечивает циркуляцию воды и аэрацию её. Аэрация ухудшается с увеличением влажности и температуры почвы. С глубиной в почве увеличивается содержания диоксида углерода. Указанные факторы являются одними из причин вертикальной миграции организмов в почве.

Сложный комплекс температуры, влажности и аэрации почвы обусловливает её гидротермический режим и оказывает решающее влияние на существование почвенных обитателей.

Роль почвы в жизнедеятельности живых организмов.

Благодаря вышеперечисленным свойствам, почва обеспечивает живущим в ней организмам водоснабжение и минеральное питание. Недостаток воды в почве угнетает почвенные организмы. Сухость почвы принято подразделять на физическую и физиологическую: физическая – при атмосферной засухе; физиологическая возникает в результате физиологически недоступной физически имеющейся воды. Так, вода некоторых болот, несмотря на её большое количество, недоступна для растений из-за высокой кислотности и других факторов. Физиологически сухими являются и сильно засоленные почвы.

Вместе с водой корневая система растений подаёт в них и минеральные вещества, что в совокупности с участием почвенных микроорганизмов являет собой сложный биохимический процесс.

Важную роль в росте и развитии растений играют органические вещества почвы, состоящие из продуктов гумификации (аэробное разложение растительных и животных останков). Образующийся при этом перегной (гумус) является основным источником минеральных соединений и энергии и обусловливает плодородие и структурность почвы. Гумус служит также источником активных физиологических соединений (витамины, органические кислоты и др.). Главным энергетическим материалом почвы является органическое вещество корней, от количества которого зависит численность и видовое разнообразие почвенных обитателей.

Большой вклад в обеспечение круговорота веществ в почве вносят почвенные животные, которые перемешивают и структурируют её.

Почвенные микроорганизмы, растения и животные играют исключительно важную роль в почвообразовательных процессах.

Почвенные обитатели условно делятся на три экологические группы:

– микробиота – основная составляющая пищевой цепи, являющаяся промежуточным звеном между растительными остатками и почвенными животными (зелёные и сине-зелёные водоросли, бактерии, грибы и др.);

– мезобиота – мелкие личинки насекомых, клещи и др. Они очень многочисленны - до 1·10 ⁶ особей на 1 м ² почвы;

– макробиота – крупные насекомые, черви и др. Численность их до 300 особей на 1 м ² почвы. Организмы этой группы играют положительную роль в перемешивании почвы.

 

Засолённость почвы.

В зонах с малым количеством осадков из-за недостаточного промывания почв дождями превалирует восходящий ток воды с выносом из глубин солей, вредных для большинства почвенных организмов. По этому признаку почвы делятся на солонцы (соли расположены в глубоких слоях) и солончаки – постоянное и сильное увлажнение солёными водами.

Эдафические (почвенные) факторы играют важную роль в распространении по Земле растений и животных.

Почва как, среда обитания живых организмов, образовалась в результате воздействия на горную (материнскую) породу воздуха, атмосферных осадков, солнечного тепла, жизнедеятельности живых организмов, а также мертвого органического вещества. Это самая молодая среда жизни на Земле. С момента возникновения она играет важную роль в эволюции органического мира.