Свет в жизни организмов. Экологические группы растений по отношению к световому режиму. Фотопериодизм

Солнечный свет является основным источником энергии, которая используется для всех жизненных процессов на Земле. Благодаря энергии солнечных лучей в зеленых растениях происходит фотосинтез, в результате которого обеспечивается питание всех гетеротрофных организмов.

Энергия солнечной радиации, поступающая в экосистему, расходуется:

- на нагревание экосистемы;

- на теплопередачу в атмосферу;

- на фотосинтез;

- на возврат водяного пара в атмосферу от поверхности земли (эвалотранспирацию).

Биологическое влияние солнечного света зависит от его интенсивности и продолжительности действия, спектрального состава, суточной и сезонной периодичности. Поступающая от Солнца лучистая энергия распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн: ультрафиолетовые лучи (10 %), видимые лучи (45 %) и инфракрасные лучи (45 %).

Ультрафиолетовые (УФ) лучи имеют длину волны λ< 0,4 мкм, причем часть солнечной радиации с длиной волны менее 0,29 мкм губительна для всего живого. Жизнь на Земле возможна благодаря озоновому слою атмосферы, расположенному на высоте 10-50 км. До поверхности Земли доходит лишь небольшая часть УФ-лучей (λ = 0,3-0,4 мкм). Ультрафиолетовая часть характеризуется самой высокой энергией квантов и высокой фотохимической активностью (в организме животных способствует образованию витамина D, синтезу пигмента меланина клетками кожи). Эти лучи воспринимаются органами зрения насекомых, у растений они оказывают формообразовательный эффект и способствуют синтезу биологически активных соединений – пигментов, витаминов.

Видимая часть спектра (λ = 0,4-0,75 мкм) имеют самое большое значение для организмов. Это обусловило появление у животных и растений многих важных приспособлений. У зеленых растений сформировался аппарат фотосинтеза, яркая окраска цветов для привлечения насекомых-опылителей. Для животных световой фактор является, прежде всего, необходимым условием ориентации в пространстве и во времени, а также участвует в регуляции многих процессов жизнедеятельности.

Инфракрасные (тепловые) лучи (λ >0,75 мкм) повышают температуру природной среды и самих организмов, что имеет особенное значение для холоднокровных животных. У растений инфракрасные лучи играют значительную роль в транспирации (испарение воды с поверхности листьев обеспечивает удаление излишков тепла) и способствует поступлению углекислого газа через устьица.

В зависимости от условий обитания, которые отличаются интенсивностью освещения, растения распределены на три экологические группы: светолюбивые, теневыносливые и тенелюбивые.

Светолюбивые растения могут развиваться только при полном освещении и плохо переносят даже незначительные затемнения; произрастают на открытых местообитаниях. Они широко распространены в сухих степях и полупустынях, где растительный покров редкий и растения не затеняют друг друга (тюльпан, гусиный лук). К этой группе относятся хлебные злаки, растения безлесных склонов (чабрец, шалфей) и др. Приспособления к яркому свету:

- относительно малая площадь листовых пластинок;

- листья толстые за счет хорошо выраженной столбчатой паренхимы, ориентированные вертикально.

Теневыносливые растения характеризуются широкими пределами выносливости к световому фактору: они лучше растут при прямом освещении солнечными лучами, однако способны выносить и затенение. Это в основном лесообразующие породы (береза, осина, сосна, дуб, ель) и травянистые (зверобой, земляника и др.). Приспособления к недостатку света:

-относительно большая поверхность листовой пластинки;

- листья тонкие, ориентированные к свету.

Тенелюбивые растения не выносят прямого солнечного света и нормально развиваются в условиях затемнения при рассеянном свете. К таким растениям относятся лесные травы – кислица, мхи, и др. При вырубке леса некоторые из них погибают.

Фотопериодизм. Распределение потока энергии имеет зональные различия (меняются от места к месту), суточные колебания (смена дня и ночи) и сезонные колебания (изменение длительности освещенного и темного периода суток в течение года). Эти явления связаны с рельефом, вращением Земли и наклоном её орбиты к плоскости вращения. Растительные и животные организмы активно реагируют не только на интенсивность светового фактора, но и на сезонные изменения соотношения продолжительности дня и ночи в течение суток. Таким образом, живые организмы способны измерять время, т. е. обладают биологическими часами – важным приспособлением, позволяющим выжить в конкретных условиях среды. Продолжительность дня и ночи закономерно изменяется в течение года, поэтому для всех биологических систем характерны адаптации, согласовывающие физиологическую активность с ритмом этих временных интервалов.

Реакцию организмов на продолжительность дня и ночи называют фотопериодизмом. Фотопериодизм был открыт в 1920 г. В. Гарнером и Н. Аллардом во время селекционной работы с табаком. Они обнаружили, что один из сортов, который цвел весной и осенью в теплице, не зацветает летом в открытом грунте. В связи с тем, что летние условия практически не отличались от тепличных, было сделано предположение, что цветению препятствует длинный летний день. Предположение подтвердилось, когда удалось получить цветение табака летом при искусственно укороченном дне. В дальнейшем установлено, что фотопериодическая реакция свойственна растениям разных таксономических групп и жизненных форм. Способность воспринимать длину дня и реагировать на нее широко распространена и в животном мире.

В процессе эволюции выработались характерные временные циклы с определенной последовательностью и длительностью периодов размножения, роста, подготовки к зиме, т. е. биологические ритмыжизнедеятельности в определенных условиях среды.

Осуществление определенных периодов жизненного циклов в соответствующее время года называют сезонными ритмами. Сезонные ритмы жизнедеятельности обеспечивают организмам использование наиболее благоприятных условий для роста и развития. У растений фотопериодический эффект проявляется в согласовании периода цветения и образования плодов с периодом активного фотосинтеза. По типу фотопериодической реакции выделяют следующие основные группы растений.

1. Растения короткого дня. Зацветание и плодоношение наступает при 8—12-часовом освещении (например, конопля, табак, перилла, георгины, хризантемы, просо, кукуруза,).

2. Растения длинного дня. Для цветения им нужна продолжительность дня 12 ч и более (картофель, пшеница, шпинат лен, рожь, овес, лук, морковь,).

3. Нейтральные к длине дня растения. Для них длина фотопериода безразлична. Цветение наступает при любой длине дня (кроме очень короткой, означающей для растений световое голодание). Таковы горчица, одучанчик, томат и др.

Рис.. Типы фотопериодической реакции у растений: А — короткодневный (перилла); Б — длиннодневный (шпинат); В — нейтральный (горчица) (по Б. С. Мошкову, 1961)

 

Продолжительность существенно сказывается и на жизнедеятельности животных: фотопериодические реакции определяют поведенческие реакции, миграции, размножение, линьку, наступление периода покоя. Весной, с увеличением длительности светлого периода суток, у птиц появляются миграционные и гнездовые инстинкты, теплокровные животные линяют. Сокращение дня осенью вызывает отлет птиц, у млекопитающих отрастает волосяной покров, некоторые животные впадают в спячку и др.

Исследования фотопериодизма позволяют в сельском хозяйстве регулировать процессы роста и развития растений и животных; добиваться повышения урожайности при искусственном освещении овощей и цветов, повышать продуктивность животных и др.

Кроме сезонных изменений смена дня и ночи определяет суточную ритмичность активности как организма в целом, так и многих физиологических и биохимических процессов: частоты дыхания и сердечных сокращений, деления клеток, синтеза различных веществ и др. Поведенческие реакции ночных животных (многие грызуны, сова, филин) и дневных (жаворонок, курица) значительно отличаются. У растений в определенное время открываются и закрываются цветки, меняется положение листьев и др.

Ритмический характер свойствен многим биохимическим и физиологическим процесса, протекающим в организме человека: суточные колебания температуры тела, артериального давления, биосинтеза и активности различных ферментов и др. Имеются данные о циклическом характере физического состояния и психологических функций. В связи с этим нарушение установившихся ритмов жизнедеятельности может снижать работоспособность, неблагоприятно влиять на здоровье человека. Исследование биоритмов имеет большое значение для разработки мер по организации рационального режима труда и отдыха человека, особенно при адаптации к экстремальным условиям (перелеты в другие часовые пояса, работа в полярных условиях и т. п.), а так же разработка методов предупреждения и лечения различных заболеваний.