Влага в жизни организмов - Оценка "комфортности" условий среды обитания человека и биологических объектов

Вода - основа протоплазмы клеток, тканей, растительных и животных соков. Только при наличии воды в организме протекают процессы фотосинтеза, терморегуляции, обменных процессов. Наиболее высоко содержание воды в периоды активной жизнедеятельности (табл. 1) и в молодом возрасте.

Таблица 1

Содержание воды в различных организмах, % от массы тела

(по Б. С. Кубанцевой, 1973)

Растения

Содержание воды

Животные

Содержание воды

Водоросли

Морковь корни)

Разнотравье

Листья деревьев

Стволы деревьев

Картофель (клубни)

    96-98 87-91 85-86 79-82 40-65 74-80

Губки

Моллюски

Насекомые

Ланцетник

Земноводные

Млекопитающие(мышечные ткани)

    84 80-92 46-92 87

До 93

68-83

Но и в состоянии покоя растения не теряют влагу полностью. В сухих лишайниках содержится до 5-7% воды, в зерновках злаков - 12-14%. Независимо от климата и почвенных условий в течение года всегда можно выделить такие периоды в развитии растений, за исключение растений влажных тропиков, когда они испытывают дефицит влаги. При остальных благоприятных условиях он сильно сказывается на росте и развитии растений, обусловливает их низкорослость и бесплодие.

В процессе эволюции у растений и животных выработался многочисленные сложные приспособления, позволяющие поддерживать водный баланс и обеспечивать экономное расходование воды. Растения пустынь и степей приспособились к острому дефициту влаги, болотные и влажно-тропические растения - к избытку, а лесным видам необходима высокая влажность воздуха и умеренная влажность почв. Как и в отношении остальных факторов, эти приспособления-адаптации группируются в анатомо-морфологические, физиологические и поведенческие.

Источниками влаги для растений служат запасы ее в почве и атмосфере (осадки, туманы, конденсаты), для наземных животных - вода в водоемах, водяные пары в атмосфере и сочная пища. При анализе влияния влаги на живые организмы важно учитывать сезонное распределение и температурный режим среды обитания. Разные комбинации содержания воды и температуры в среде обитания создают множество разных ситуаций, благоприятных и наоборот. Соотношение температуры и влажности характеризует климат конкретной территории и важно для выбора популяцией вида стации обитания.

Влажный воздух обладает хорошей теплопроводностью. При высокой влажности в холодном воздухе у гомотермных животных усиливаются процессы метаболизма, а у пойкилотермных животных и растений они замедляются. В сухом воздухе при низкой температуре охлаждение происходит медленнее, а в сухом и жарком воздухе активизируются процессы терморегуляции, усиливается испарение с поверхности. Во влажном и жарком воздухе испарения с поверхности резко падает и высока вероятность нагрева организма до температуры воздуха (перегрев). Наиболее благоприятные условия складываются в диапазоне температур 17-23°С и в диапазоне относительной влажности воздуха 85-100%.

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. И те и другие могут легко переносить дефицит влаги (копытные, верблюд, варан, пищуха-сеноставка, из растений: лишайники, суккуленты, многие злаки, полыни, и т. д.), а могут и вовсе не выносить сухости (земноводные, пресмыкающиеся, ластоногие, из растений: все плавающие растения, сфагновые мхи, многие папоротники, из высших: недотрога обыкновенная - быстро теряет тургор, калужницы, адокса мускусная, и др.).

По способу регулирования водного режима своего тела растения делятся на пойкилогидрические (пойкилогидридные) и гомойгидрические (гомогидридные). У первых содержание воды в тканях непостоянно и зависит от влагообеспеченности биотопа (наземные водоросли, лишайники (!), мхи, тропические папоротники, из высших растений - пустынная осока (C. physodes). У них нет анатомических приспособлений, защищающих от испарения. У большинства отсутствуют устьица и транспирация равна испарению. Тела у них высыхают до воздушно-сухого состояния, а во влажную погоду напитываются водой и зеленеют. У вторых (большинство покрытосеменных растений) содержание воды более-менее постоянно при любой погоде - они регулируют испарение путем закрывания устьиц и складывания листьев, в оболочках клеток у них содержатся водонепроницаемые вещества (кутин, суберин).

По отношению к водному режиму экотопа (экотоп - совокупность факторов местообитания) растения делятся на влаголюбивые (гигрофиты), сухолюбивые (ксерофиты) и умеренно влаголюбивые (мезофиты).

Гигрофиты (калужницы, болотные осоки, злаки, папоротник оноклея чувствительная, белозор, росянка, недотрога обыкновенная, все бальзамины, аир, белокрыльник, рдесты, рогоз, сфагны, рис, кислица) обитают в очень влажных местах и обладают низкой засухоустойчивостью. У них всегда открыты устьица и процесс транспирации регулируется слабо. Устьца располагаются с обеих сторон, немногочисленны. Листья крупные тонкие. Потеря 15-20% запаса воды для них невосполнима. Они растут или в глубокой тени по пологом влажного леса (теневые гигрофиты) или на открытом месте на переувлажненных или покрытых водой почвах (световые гигрофиты). Для них характерны толстые слаборазветвленные корни с минимальным количеством сосущих корней. В органах обилие воздушных полостей (аэренхима) для аэрации тканей.

Мезофиты - способны непродолжительно переносить незначительные почвенную и атмосферную засухи. К ним относятся луговые и многие лесные травы (неморальные), лиственные и хвойные деревья лесов умеренной полосы, многие кустарники, большинство сельскохозяйственных культур. Устьица расположены на нижней стороне листьев. Листья большие с умеренно развитыми тканями. Благодаря регулированию устьичной транспирации, характеризуются большой пластичностью по отношению к условиям увлажнения. Могут расти вместе с гигрофитами и с ксерофитами, приобретая черты близкие той или другой группе. Для них типичны хорошо развитые корневые системы смешанного типа, с густой сетью сосущих корней.

Ксерофиты - растения сухого и жаркого климата и местообитаний - пустынь, степей, саванн, в лесной зоне - растения сухих сосняков и широколиственных лесов на крутых южных склонах. Они не выносят переувлажнения, но хорошо приспособились к длительным засухам. Для них характерны два способа преодоления засухи: активное регулирование водного баланса и способность выносить сильное иссушение тканей.

У ксерофитов очень мощные корневые системы - по массе в 9-10 раз превышают надземные органы. Они или экстенсивного типа (кустарники) - длинные (10-15 м), но мало разветвленные; достигают уровня грунтовых, или интенсивного (злаки) - охватывают небольшой объем почвы (до 1,5 м глубины) и густо ветвятся, максимально усваивая влагу. Анатомические особенности - хорошо развита водопроводящая система, сеть жилок на листовых пластинках очень густая, позволяет быстро пополнять запасы воды, израсходованной на транспирацию. Основные черты ксерофитности, некоторые из них присущи также гелиофитам и термофилам и описаны выше:

    1. Мелкие, узкие, сильно редуцированные листовые пластинки - способствуют снижению транспирации (в Приморье - селагинелла, плауны). 2. Уменьшение (сбрасывание) листовой поверхности в наиболее сухие периоды вегетации (летний листопад). 3. Защита листьев от больших потерь влаги на транспирацию благодаря развитию мощных покровных тканей, наличие разных выростов, волосков, железок на эпидермисе ("войлочное опушение" - у эдельвейсов). 4. Усиленное развитие мех. тканей листа, предотвращающих обвисание листьев при потере тургора.

Виды с наиболее выраженными перечисленными свойствами представлены склерофитами (от греч. "склеро" - твердый, жесткий; саксаул, чертополоъх, полыни, статице, ковыли, молочаи и др.). Устьиц много, но они при недостатке воды закрываются. Растения могут полностью терять все листья и до 15% воды. В клетках склерофитов преобладает связанная вода.

Другая большая группа ксерофитов - суккуленты (от лат. "суккулентус" - сочный, жирный), растут в жарком сухом климате там, где проходят кратковременные, но сильные обильные ливни. Во время дождей накапливают в листьях (алоэ, агавы, молодило) или стеблях (молочаи, кактус опунция) большие запасы воды, а потом медленно ее расходуют. Устьиц мало, они мелкие, в углублениях, и открываются только ночью.

В северных широтах и высоко в горах аналоги ксерофитам - психрофиты (влажные и холодные места - мхи, в некотором роде багульник болотный, андромеда) и криофиты (сухие и холодные места - лишайники, вересковые кустарнички, в т. ч. кассиопа четырехгранная, арктоус альпийский, и даже брусника). Они испытывают недостаток влаги из-за физиологической недоступности почвенной влаги, обусловленной низкими температурами почв.

Тропофиты - в жарких районах с чередованием засушливого и влажного сезонов (баобабы в Африке), растения сбрасывают листву и пребывают в состоянии глубокого покоя летом.

Эуксерофиты - растения степей с розеточной и полурозеточной ЖФ (Saxifraga omolojensis, S. nivalis, Arenaria sp. - кошачья лапка) и сильным опушением листьев. В сухих дубняках в верхней части южных склонов такая экобиоморфа характерна для полыни побегоносной (Artemisia stolonifera). Стипоксерофиты - тоже растения степных экосистем ("стипо" - степь), узколистные, дерновинные злаки (вейники, типчаки, тонконог, мискантус), из с/х культур - кукуруза. Они слабо транспирируют, в сухую погоду листья сворачиваются в трубочку.

Эфемеры (весенние и осенние) - однолетние растения (незабудка песчаная, вероника весенняя, маки альпийские, в Приморье на горе Ольховая - офелия), и эфемероиды - многолетние растения (крокусы, тюльпаны, прострелы), тоже обитатели засушливых местообитаний. Они избегают летних засух в связи с особенностями жизненных циклов. В короткие сроки - за 15-30 дней, растения успевают пройти весь жизненный цикл и уйти на покой до следующей весны.

Эфемерами могут быть и животные - в Приморье бабочки-поденки, в Африке рыбы, обитающие в небольшие водоемах - африканские нотобранхи.

Среди животных тоже можно выделить три экологических группы, но из-за подвижного образа жизни они выражены неявно.

Гигрофилы - не могут накапливать и долго удерживать в тканях запасы воды - многие членистоногие: мокрицы, ногохвостки, комары, белоножки (гнус), а также наземные моллюски и амфибии. Нуждаются в постоянно выокой влажности воздуха. Мезофиллы - животные, обитающие в условиях умеренной влажности. Их большинство, как среди насекомых, так и среди млекопитающих. Ксерофилы - сухолюбы и термофилы одновременно, не переносят высокую влажность воздуха. У них хорошо развиты механизмы водообмена и функции удержания воды в теле. У пресмыкающихся отсутствуют кожные железы, из тела выделяется мочевая кислота, а не мочевина (для растворения мочевины нужно больше воды). У черепахи вода запасается в мочевом пузыре, грызуны воду получают с пищей. Верблюд, тушканчики, курдючные овцы воду получает в результате окисления жиров, при котором образуется метаболическая вода. В таблице 2 приведены примеры приспособления живых существ к жизни в пустыне.

Таблица 2

Адаптации к засушливым условиям у растений и животных (по Н. Грину и др., 1993)

Толстый стебель с большим от-ношением объема к поверхности. Животные прячутся в норах

Адаптации

Примеры организмов

Уменьшение потери воды

Листья превращены в иглы или колючки

Cactасеае (кактусы), Euphorbiасеае (молочаи), хвойные деревья

Погруженные устьица

Рinus, Ammophila

Листья свернуты в цилиндр

Ammophila, Ledum palustrum, Rhododendron sichotensis

Сасtасеае, Euphorbiасеае (суккуленты)

Опушенные листья

Многие альпийские растения

Сбрасывание листьев при засухе

Fouguieria splendens толстянковые

Устьица открыты ночью и закры-ты днем

Crassulaceae (толстянковые)

Эффективная фиксация СО2 ночью при не полностью открытых устьицах

С-4-растения, например, Zea mays

Выделение азота в виде мочевой кислоты

Насекомые, птицы и некоторые рептилии

Удлиненная петля Генле в почках

Пустынные млекопитающие, например, верблюд, пустынная крыса

Ткани выносливы к высоким температурам из-за уменьшения потоотделения или транспирации

Многие пустынные растения, верблюд

Многие мелкие пустынные млекопитающие, например, пустынная крыса

Дыхательные отверстия прикрыты клапанами

Многие насекомые

Увеличение поглощения воды

Обширная поверхностная корневая система и глубоко проникающие корни

Некоторые Сасtасеае, например, Opuntia и Euphorbiaceae; Дуб монгольский, Леспедеца

Длинные корни

Многие альпийские растения, например, эдельвейс (Leontupodium alpinum)

Прорытие ходов к воде

Термиты

Запасание воды

В слизистых клетках и в клеточных стенках

Сасtасеае и Euphorbiaceae

Вспециализированном мочевом пузыре

Пустыннаялягушка

В виде жира (вода - продукт окисления жира)

Пустынная крыса

Физиологическая устойчивость к потере воды

При видимом обезвоживании сохраняется жизнеспособность

Некоторые эпифитные папоротники и плауны, многие мохообразные и лишайники, Сагех physoides

Потеря значительной части массы тела и быстрое ее восстановление при наличии доступной воды

Lumbricus terrestris (теряет до 70% массы), верблюд (теряет до 30%)

Уклонение от проблемы

Переживают неблагоприятный период в виде семян

Эшшольция калифорнийская, Марьянник розовый

Переживают неблагоприятный период в виде луковиц и клубней

Некоторые лилии, Хохлатки

Распространение семян в расчете на то, что некоторые из них попадут в благоприятные условия

Различные растения

Поведенческие реакции избегания

Почвенные организмы, например, дождевые черви, клещи

Летняя спячка в слизистом коконе

Дождевые черви, двоякодышащие рыбы.

Похожие статьи




Влага в жизни организмов - Оценка "комфортности" условий среды обитания человека и биологических объектов

Предыдущая | Следующая