Из этого урока вы узнаете о классификации факторов среды, познакомитесь с абиотическими факторами: температурой и освещенностью. Выясните, какие приспособления возникают у растений и животных в связи с необходимостью выживать при низких или высоких температурах, познакомитесь с такими экологическими группами животных, как психрофилы, термофилы и мезофилы. Кроме этого, вы узнаете о значении длины световой волны в жизни растений, о влиянии длительности и интенсивности излучения на распространение и жизненные циклы живых организмов. Узнаете, как ещё солнечный свет может влиять на нашу жизнь.
Сегодня, мы поговорим об абиотических факторах, которые действуют на живые организмы в экосистемах (схема 1).
Схема 1. Факторы среды
Абиотические факторы - факторы неживой природы.
Например, температура, влажность и освещённость.
Биотические факторы - это факторы живой природы.
Например, активность хищников или работа азотфиксирующих бактерий.
Биотические и абиотические факторы очень тесно связаны. Например, разрастание древесной формы способствует снижению освещенности (см. видео).
Антропогенные факторы - явления и процессы, которые определяются человеческой деятельностью.
К важнейшим абиотическим факторам относятся: температура, влажность, освещенность, химический состав среды.
Температура определяет скорость биохимических реакций в организме живых существ.
Организмы, которые могут поддерживать постоянную температуру тела, называются теплокровными . Другие организмы, температура которых зависит от температуры окружающей среды, называются холоднокровными . И первые, и вторые могут существовать только в определенных температурных рамках (рис. 1).
Рис. 1. Теплокровное (собака) и хладнокровное (лягушка) животное
Особи и сообщества, которые существуют в области низких температур, называются психрофилами (любят холод) (см. видео).
К ним относятся сообщества тундры, горных вершин и льдов, биоценозы Арктики и Антарктики. Психрофилы могут жить при отрицательной температуре и редко существуют при температуре выше +10 о С.
Организмы, которые живут при высокой температуре, называют термофилами (любят тепло). Они встречаются в экваториальных и тропических лесах, не выносят охлаждения ниже +10 о С, могут существовать при температуре +40 о С и выше (см. видео). Экстремальные термофилы живут при температуре более +100 о С.
Особи и сообщества, предпочитающие средние температуры (от +10 до +30 о С), называют мезофилами . Мы с вами и многие другие существа на Земле - мезофилы.
Животные выработали приспособления для борьбы с переохлаждением и перегревом. Например, с наступлением зимы растения и животные с непостоянной температурой тела впадают в состояние покоя (анабиоз ).
Интенсивность обмена веществ в анабиозе уменьшается. При подготовке к зиме в тканях этих животных запасается много жира, углеводов, количество воды в клетках уменьшается, в цитоплазме клеток накапливаются сахара и глицерин, препятствующий замерзанию. Морозостойкость зимующих организмов увеличивается.
В жаркое время года, наоборот, включается физиологические механизмы, защищающие организм от перегрева. У растений увеличивается испарение с поверхности и транспирация воды через устьица, при этом поверхность листьев охлаждается. У животных увеличивается интенсивность испарения через потовые железы.
Следующий важный для живых организмов фактор - освещенность . На живых существ оказывает влияние длина световой волны воспринимаемого излучения, длительность излучения и интенсивность излучения.
Освещение необходимо растениям, потому что от него зависит световая фаза процесса фотосинтеза.
У животных освещенность определяет способность видеть (на свету или в темноте), нагревание поверхности тела, ряд важных биохимических и физиологических реакций, связанных с суточным циклом.
Смена светлого и темного периода суток - периодизм - определяет суточную активность животных и растений (см. видео).
В зависимости от времени активности, выделяют животных с ночным , дневным и сумеречным образом жизни.
Помимо суточных , есть более крупные циклы, например сезонные или годовые .
Солнечный свет, который попадает на Землю можно разделить на три фракции:
Видимый свет - важен при дневном образе жизни, регулирует биохимические и физиологические процессы.
Инфракрасный свет - определяет нагрев поверхности организмов.
Ультрафиолетовый свет - определяет радиационно-зависимые процессы, убивает микроорганизмы, повреждает ферментные системы.
Как вы видели выше, живые существа можно разделить на группы по отношению к свету. Более выражено это разделение у растений (см. видео). Выделяют три группы видов по отношению к освещенности:
Светолюбивые растения растут на открытых пространствах, в условиях избытка прямого солнечного света.
Тенелюбивые растения предпочитают тенистые местообитания.
Теневыносливые растения живут и в хорошо, и в слабо освещённых местах.
Конечности птиц, как вы знаете, плохо защищены от холода. Другие теплокровные организмы не могут себе это позволить, поскольку охлаждение крови в ногах, вредит внутренним органам, к которым поступает охлажденная в ногах кровь. Но птицы приспособились, с одной стороны, не обогревать конечности, а с другой сохранять температуру крови, омывающей внутренние органы.
В ногах птиц артерии и вены контактируют непосредственно, в результате теплая кровь, согреваясь в артериях, охлаждает венозную кровь, направляющуюся к сердцу. Так как температура крови в ногах и теле отличается на десятки градусов, то на это не тратится дополнительная энергия (см. видео).
Жизнь в кипятке
Известно, что при температуре свыше +60 о С белки денатурируют и организмы погибают. На этом феномене основан промышленный процесс пастеризации. Но недавно были обнаружены уникальные сообщества живых существ, живущие в желобах подводных гейзеров при температуре свыше +100 о С (рис. 2).
Оказалось, что их белки сохраняют свою четвертичную структуру, то есть не денатурируют при высокой температуре. Уникальная последовательность таких неденатурирующих белков была выработана на протяжении многих веков эволюции в горячих источниках.
Рис. 2. Подводные сообщества термофильных организмов
Разноцветные водоросли
Различие окраски водорослей объясняется их приспособленностью к использованию в процессе фотосинтеза света из разных частей светового спектра.
Спектральные компоненты проникают в толщу воды на разную глубину, красные лучи проходят только верхние слои, а синие попадают значительно глубже. Для функционирования хлорофилла, необходимо излучение красной и синей части спектра (рис. 3).
В связи с этим, зеленые водоросли встречаются обычно только на глубинах в несколько метров.
Наличие пигмента, осуществляющего фотосинтез при желто-зеленом свете, позволяет бурым водорослям жить на глубинах до 200 м.
Пигменты красных водорослей используют зеленый и синий свет, поэтому красные водоросли населяют глубины до 270 м.
Рис. 3. Распределение водорослей в толще воды в связи с наличием разных фотосинтетических пигментов. Зеленые водоросли живут у поверхности до 10 м глубины, бурые - на глубине до 200 м, а красные - на глубине 270 м и более.
Таким образом, вы познакомились с абиотическими факторами среды - температурой и освещенностью, а также с их значением в жизни живых существ.
Список литературы
- А.А. Каменский, Е.А. Криксунов, В.В. Пасечник. Общая биология, 10-11 класс. - М.: Дрофа, 2005. По ссылке скачать учебник: ()
- Д.К. Беляев. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. - 11-е издание, стереотипное. - М.: Просвещение, 2012. - 304 с. ()
- В.Б. Захаров, С.Г. Мамонтов, Н.И. Сонин, Е.Т. Захарова. Биология 11 класс. Общая биология. Профильный уровень. - 5-е издание, стереотипное. - М.: Дрофа, 2010. - 388 с. ()
- Как состав фотосинтетических пигментов водорослей связан с их распространением?
- Возможна ли жизнь в кипятке? Какие приспособления необходимы для этого?
- Обсудите с друзьями, как можно использовать знания о влиянии абиотических факторов на живые организмы на практике.
Это любые факторы среды, на которые организм реагирует приспособительными реакциями.
Среда - одно из основных экологнческих понятий, под которым подразумевается комплекс окружающих условий, влияющих на жизнедеятельность организмов. В широком смысле под окружающей средой понимают совокупность материальных тел, явлений и энергии, влияющих на организм. Возможно и более конкретное, пространственное понимание среды как непосредственного окружения организма - его среда обитания. Среда обитания - это все то, среди чего живет организм, это часть природы, окружающая живые организмы и оказывающая на них прямое или косвенное влияние. Т.е. элементы среды обитания, которые для данного организма или вида не безразличны и так или иначе влияют па него, являются по отношению к нему факторами.
Составные части среды многообразны и изменчивы, поэтому живые организмы постоянно приспосабливаются и регулируют свою жизнедеятельность в соответствии с происходящими вариациями параметров внешнего окружения. Такие приспособления организмов носят название адаптации и позволяют им выживать и размножаться.
Все экологические факторы делят на
- Абиотические факторы - прямо или косвенно действующие на организм факторы неживой природы - свет, температура, влажность, химический состав воздушной, водной и почвенной среды и др. (т. е. свойства среды, возникновение и воздействие которых прямо не зависит от деятельности живых организмов).
- Биотические факторы - все формы влияния на организм со стороны окружающих живых существ (микроорганизмов, влияние животных на растения и наоборот).
- Антропогенные факторы - разнообразные формы деятельности человеческого общества, которые приводят к изменению природы как среды обитания других видов или непосредственно сказываются на их жизни.
Экологические факторы воздействуют на живые организмы
- как раздражители, вызывающие приспособительные изменения физиологических и биохимических функций;
- как ограничители, обусловливающие невозможность существования в данных условиях;
- как модификаторы, вызывающие структурно-функциональные изменения в организмах, и как сигналы, свидетельствующие об изменениях других факторов среды.
При этом можно установить общий характер воздействия экологических факторов на живой организм.
Любой организм имеет специфический комплекс приспособлений к факторам среды и благополучно существует лишь в определенных границах их изменяемости. Наиболее благоприятный для жизнедеятельности уровень фактора называется оптимальным.
При небольших значениях или при чрезмерном воздействии фактора жизненная активность организмов резко падает (заметно угнетается). Диапазон действия экологического фактора (область толерантности) ограничен точками минимума и максимума, соответствующими крайним значениям данного фактора, при которых возможно существование организма.
Верхний уровень фактора, за пределами которого жизнедеятельность организмов становится невозможной, называется максимумом, а нижний - минимумом (рис.). Естественно, для каждого организма характерны свои максимумы, оптимумы и минимумы экологических факторов. Например, комнатная муха выдерживает колебание температуры от 7 до 50° С, а человеческая аскарида живет только при температуре тела человека.
Точки оптимума, минимума и максимума составляют три кардинальные точки, определяющие возможности реакции организма на данный фактор. Крайние точки кривой, выражающие состояние угнетения при недостатке или избытке фактора, называют областями пессимума; им соответствуют пессимальные значения фактора. Вблизи критических точек лежат сублетальные величины фактора, а за пределами зоны толерантности - летальные зоны фактора.
Условия среды, при которых какой-либо фактор или их совокупность выходит за пределы зоны комфорта и оказывает угнетающее действие, в экологии часто называют крайними, граничными (экстремальными, трудными). Они характеризуют не только экологические ситуации (температура, соленость), но и такие местообитания, где условия близки к пределам возможности существования для растений и животных.
На любой живой организм одновременно воздействует комплекс факторов, но лишь один из них является ограничивающим. Фактор, ставящий рамки для существования организма, вида или сообщества, называется лимитирующим (ограничивающим). Например, распространение многих животных и растений к северу ограничивается недостатком тепла, тогда как на юге ограничивающим фактором для тех же видов может оказаться недостаток влаги или необходимой пищи. Однако границы выносливости организма по отношению к лимитирующему фактору зависят от уровня других факторов.
Для жизни некоторых организмов требуются условия, ограниченные узкими пределами, т. е. диапазон оптимума не является постоянным для вида. Оптимум действия фактора различен и у разных видов. Размах кривой, т. е. расстояние между пороговыми точками, показывает зону действия экологического фактора на организм (рис. 104). В условиях, близких к пороговому действию фактора, организмы чувствуют себя угнетенно; они могут существовать, но не достигают полного развития. Растения обычно не плодоносят. У животных, наоборот, ускоряется половая зрелость.
Величина диапазона действия фактора и особенно зоны оптимума позволяет судить о выносливости организмов по отношению к данному элементу среды, свидетельствует об их экологической амплитуде. В связи с этим организмы, которые могут жить в довольно разнообразных условиях внешней среды, называются зврибионтными (от греч. "эврос" - широкий). Например, медведь бурый живет в условиях холодного и теплого климата, в сухих и влажных районах, питается разнообразной растительной и животной пищей.
По отношению к частным факторам среды употребляют термин, начинающийся с той же приставки. Например, животные, способные существовать в широком диапазоне температур, называются эвритермными, а организмы, способные жить лишь в узких температурных интервалах, относятся к стенотермным. По этому же принципу организм может быть эвригидридным или стеногидридным в зависимости от его реакции на колебания влажности; эвригалинным или стеногалинным - в зависимости от способности переносить разные значения солености среды и т. п.
Существуют также понятия экологической валентности, которая представляет собой способность организма заселять разнообразные среды, и экологической амплитуды, отражающей ширину диапазона фактора или ширину зоны оптимума.
Количественные закономерности реакции организмов на действие экологического фактора различаются в соответствии с условиями их обитания. Стенобионтность или эврибионтность не характеризует специфичность вида по отношению к любому экологическому фактору. Например, некоторые животные приурочены к узкому диапазону температур (т. е. стенотермны) и одновременно могут существовать в широком диапазоне солености среды (эвригалинные).
Факторы внешней среды воздействуют на живой организм одновременно и совместно, причем действие одного из них в определенной мере зависит от количественного выражения других факторов - света, влажности, температуры, окружающих организмов и т. п. Эта закономерность получила название взаимодействия факторов. Иногда недостаток одного фактора частично компенсируется усилением деятельности другого; проявляется частичная заменяемость действия экологических факторов. В то же время ни один из необходимых организму факторов не может быть полностью заменен другим. Фототрофные растения не могут произрастать без света при самых оптимальных режимах температуры или питания. Поэтому если значение хотя бы одного из необходимых факторов выходит за пределы диапазона толерантности (ниже минимума или выше максимума), то существование организма становится невозможным.
Факторы среды, имеющие в конкретных условиях пессимальное значение, т. е. наиболее удаляющиеся от оптимума, особенно затрудняют возможность существования вида в данных условиях, несмотря на оптимальное сочетание остальных условий. Эта зависимость получила название закона ограничивающих факторов. Такие уклоняющиеся от оптимума факторы приобретают первостепенное значение в жизни вида или отдельных особей, определяя их географический ареал.
Выявление ограничивающих факторов очень важно в практике сельского хозяйства для установления экологической валентности, особенно в наиболее уязвимые (критические) периоды онтогенеза животных и растений.
Цель : раскрыть особенности абиотических факторов среды и рассмотреть их влияние на живые организмы.
Задачи : познакомить учащихся с экологическими факторами среды; раскрыть особенности абиотических факторов, рассмотреть влияние температуры, света и увлажнения на живые организмы; выделить различные группы живых организмов в зависимости от влияния на них разных абиотического фактора; выполнить практическое задание по определению групп организмов, в зависимости от абиотического фактора.
Оборудование : компьютерная презентация, задания по группам с картинками растений и животных, практическое задание.
ХОД УРОКА
Все живые организмы, населяющие Землю, испытывают влияние экологических факторов среды.
Экологические факторы – это отдельные свойства или элементы среды, воздействующие прямо или косвенно на живые организмы, хотя бы на протяжении одной из стадий индивидуального развития. Экологические факторы многообразны. Существует несколько квалификаций, в зависимости от подхода. Это по влиянию на жизнедеятельность организмов, по степени изменчивости во времени, по длительности действия. Рассмотрим классификацию экологических факторов, основанную на их происхождении.
Мы рассмотрим влияние первых трех абиотических факторов среды, так как их влияние более значительно – это температура, свет и влажность.
Например, у майского жука личиночная стадия проходит в почве. На него влияют абиотические факторы среды: почва, воздух, косвенно влажность, химический состав почвы – совсем не влияет свет.
Например, бактерии способны выжить в самых экстремальных условиях – их находят в гейзерах, сероводородных источниках, очень соленой воде, на глубине Мирового океана, очень глубоко в почве, во льдах Антарктиды, на самых высоких вершинах (даже Эвересте 8848 м), в телах живых организмов.
ТЕМПЕРАТУРА
Большинство видов растений и животных приспособлены к довольно узкому диапазону температур. Некоторые организмы, особенно в состоянии покоя или анабиоза способны выдерживать довольно низкие температуры. Колебание температуры в воде обычно меньше, чем на суше, поэтому пределы устойчивости к температуре у водных организмов хуже, чем у наземных. От температуры зависит интенсивность обмена веществ. В основном организмы живут при температуре от 0 до +50 на поверхности песка в пустыни и до – 70 в некоторых областях Восточной Сибири. Средний диапазон температур находится в пределах от +50 до –50 в наземных местообитаниях и от +2 до +27 – в Мировом океане. Например, микроорганизмы выдерживают охлаждение до –200, отдельные виды бактерий и водорослей могут жить и размножаться в горячих источниках при температуре + 80, +88.
Различают животные организмы :
- с постоянной температурой тела (теплокровные);
- с непостоянной температурой тела (хладнокровные).
Организмы с непостоянной температурой тела (рыбы, земноводные, пресмыкающиеся)
В природе температура не постоянна. Организмы, которые живут в умеренных широтах и подвергаются колебанию температур, хуже переносят постоянную температуру. Резкие колебания – зной, морозы – неблагоприятны для организмов. Животные выработали приспособления для борьбы с охлаждением и перегревом. Например, с наступлением зимы растения и животные с непостоянной температурой тела впадают в состояние зимнего покоя. Интенсивность обмена веществ у них резко снижается. При подготовке к зиме в тканях животных запасается много жира, углеводов, количество воды в клетчатке уменьшается, накапливаются сахара, глицерин, препятствующий замерзанию. Так морозостойкость зимующих организмов увеличивается.
В жаркое время года наоборот, включаются физиологические механизмы, защищающие от перегрева. У растений усиливается испарение влаги через устьица, что приводит к снижению температуры листьев. У животных усиливается испарение воды через дыхательную систему и кожу.
Организмы с постоянной температурой тела. (птицы, млекопитающие)
У этих организмов произошли изменения во внутреннем строении органов, что способствовало их приспособленности к постоянной температуре тела. Это, например – 4-х камерное сердце и наличие одной дуги аорты, обеспечивающие полное разделение артериального и венозного кровотока, интенсивный обмен веществ благодаря снабжению тканей артериальной кровью, насыщенной кислородом, перьевой или волосяной покров тела, способствующий сохранению тепла, хорошо развитая нервная деятельность). Все это позволило представителям птиц и млекопитающим сохранять активность при резких перепадах температур и освоить все места обитания.
В природных условиях температура очень редко держится на уровне благоприятности для жизни. Поэтому у растений и животных возникает специальные приспособления, которые ослабляют резкие колебания температуры. У животных, например слонов большая ушная раковина, по сравнению с его предком мамонтом, живущем в холодном климате. Ушная раковина кроме органа слуха выполняет функцию терморегулятора. У растений для защиты от перегрева появляется восковой налет, плотная кутикула.
СВЕТ
Свет обеспечивает все жизненные процессы, протекающие на Земле. Для организмов важна длина волны воспринимаемого излучения, его продолжительность и интенсивность воздействия. Например, у растений уменьшение длины светового дня и интенсивность освещения приводит к осеннему листопаду.
По отношению к свету растения делят на:
- светолюбивые – имеют мелкие листья, сильно ветвящиеся побеги, много пигмента – хлебные злаки. Но увеличение интенсивности освещения сверх оптимального подавляет фотосинтез, поэтому в тропиках трудно получать хорошие урожаи.
- тенелюбивы е – имеют тонкие листья, крупные, расположены горизонтально, с меньшим количеством устьиц.
- теневыносливые – растения способные обитать в условиях хорошего освещения, так и в условиях затенения
Важную роль в регуляции активности живых организмов и их развитии играет продолжительность и интенсивность воздействие света – фотопериод. В умеренных широтах цикл развития животных и растений приурочен к сезонам года, и сигналом для подготовки к изменению температуры служит продолжительность светового дня, которая в отличии от других факторов всегда остается постоянной в определенном месте и в определенное время. Фотопериодизм – это пусковой механизм, включающий физиологические процессы, приводящие к росту и цветению растений весной, плодоношению летом, сбрасыванию листьев осенью у растений. У животных к накоплению жира к осени, размножению животных, их миграции, перелету птиц и наступлению стадии покоя у насекомых. (Сообщение учащихся).
Кроме сезонных, есть еще и суточные изменения режима освещенности, смена дня и ночи определяет суточный ритм физиологической активности организмов. Важное приспособление, которое обеспечивает выживание особи – это своего рода «биологические часы», способность ощущать время.
Животные , активность которых зависит от времени суток , бывают с дневным, ночным и сумеречным образом жизни.
ВЛАЖНОСТЬ
Вода – это необходимый компонент клетки, поэтому ее количество в тех или иных местах обитания является ограничивающим фактором для растений и животных и определяет характер флоры и фауны данной местности.
Избыток влаги в почве приводит к заболачиванию почвы и появлению болотной растительности. В зависимости от влажности почвы (количество осадков) видовой состав растительности меняется. Широколиственные леса сменяются мелколиственными, затем лесостепной растительностью. Далее низкотравье, и при 250 мл в год – пустыня. Осадки в течении года могут выпадать не равномерно, живым организмам приходится переносить длительные засухи. Например, растения и животные саванн, где интенсивность растительного покрова, а так же и интенсивное питание копытных животных зависит от сезона дождей.
В природе происходят и суточные колебания влажности воздуха, которые влияют на активность организмов. Между влажностью и температурой есть тесная связь. Температура сильнее влияет на организм при влажность высокая или низкая. У растений и животных появились приспособления к разной влажности. Например, у растений – развита мощная корневая система, утолщена кутикула листа, листовая пластинка уменьшена или превращена в иголки и колючки. У саксаула фотосинтез идет зеленой частью стебля. Рост в период засухи у растений прекращается. Кактусы запасают влагу в расширенной части стебля, иголки вместо листьев уменьшают испарение.
У животных тоже появились приспособленности, позволяющих переносить недостаток влаги. Мелкие животные – грызуны, змеи, черепахи, членистоногие – добывают влагу из пищи. Источником воды может стать жироподобное вещество например у верблюда. В жаркое время некоторые животные – грызуны, черепахи впадают в спячку, продолжавшуюся несколько месяцев. Растения – эфемеры к началу лета, после кратковременного цветения, могут сбрасывать листья, отмирать наземные части и так переживать период засухи. При этом до следующего сезона сохраняются луковицы, корневища.
По отношению к воде растения делят:
- водные растения повышенной влажности;
- околоводные растения, наземно-водные;
- наземные растения;
- растения сухих и очень сухих мест, обитают в местах с недостаточным увлажнениям, могут переносить непродолжительную засуху;
- суккуленты – сочные, накапливают воду в тканях своего тел.
По отношению к воде животных делят:
- влаголюбивые животные;
- промежуточная группа;
- сухолюбивые животные.
Виды приспособленностей организмов к колебаниям температуры, влажности и света:
- теплокровность – поддержание организмом постоянной температуры тела;
- зимняя спячка – продолжительныйсон животных в зимнее время года;
- анабиоз – временное состояние организма, при котором жизненные процессы замедленны до минимума и отсутствуют все видимые признаки жизни (наблюдается у холоднокровных и у животных зимой и в жаркий период времени);
- морозостойкост ь – способность организмов переносить отрицательные температуры;
- состояние покоя – приспособительное свойство многолетнего растения, для которого характерно прекращение видимого роста и жизнедеятельности, отмирание наземных побегов у травянистых форм растений и опадение листьев у древесных форм;
- летний покой – приспособительное свойство раннецветущих растений (тюльпан, шафран) тропических районов, пустынь, полупустынь.
(Сообщения учащихся.)
Сделаем вывод, на все живые организмы, т.е. на растения и животные действуют абиотические факторы среды (факторы неживой природы), особенно температура, свет и увлажненность. В зависимости от влияния факторов неживой природы, растения и животных делят на различные группы и у них появляются приспособленности к влиянию этих абиотических факторов.
Практические задания по группам: (Приложение 1)
1. ЗАДАНИЕ: Из перечисленных животных назовите хладнокровных (т.е. с непостоянной температурой тела).
2. ЗАДАНИЕ: Из перечисленных животных назовите теплокровных (т.е. с постоянной температурой тела).
3. ЗАДАНИЕ: выберите из предложенных растений те, которые являются светолюбивыми, тенелюбивыми и теневыносливыми и запишите в таблицу.
4. ЗАДАНИЕ: выберите животных, ведущих дневной, ночной и сумеречный образ жизни.
5. ЗАДАНИЕ: выберите растения, относящиеся к разным группам по отношению к воде.
6. ЗАДАНИЕ: выберите животных, относящихся к разным группам по отношению к воде.
Задания по теме «абиотические факторы среды», ответы (
Введение
4. Эдафические факторы
5. Различные среды жизни
Заключение
Введение
На Земле существует огромное разнообразие условий сред жизни, что обеспечивает разнообразие экологических ниш и их «заселение». Однако, не смотря это разнообразие, различают четыре качественно различные среды жизни, обладающие специфическим набором экологических факторов, а следовательно - требующих и специфического набора адаптаций. Вот эти среды жизни: наземно-воздушная (суша); вода; почва; другие организмы.
Каждый вид адаптирован к специфическому для него комплексу условий среды – экологической нише.
Каждый вид приспособлен к своей специфической среде, к определенной пище, хищникам, температуре, солености воды и другим элементам внешнего мира, без которых он не может существовать.
Для существования организмов требуется комплекс факторов. Потребность организма в них различна, но каждый в определенной степени лимитирует его существование.
Отсутствие (недостаток) некоторых экологических факторов может быть компенсировано другими близкими (аналогичным) факторами. Организмы не являются «рабами» условий среды – они в определенной степени сами и приспосабливаются, и изменяют условия среды так, чтобы ослабить недостаток тех или иных факторов.
Отсутствие в среде физиологически необходимых факторов (света, воды, углекислого газа, питательных веществ) не может быть компенсировано (заменено) другими.
1. Свет как экологический фактор. Роль света в жизни организмов
Свет, есть одна из форм энергии. По первому закону термодинамики, или закону сохранения энергии, энергия может переходить из одной формы в другую. По этому закону, организмы являются термодинамической системой постоянно обменивающейся с окружающей средой энергией и веществом. Организмы, на поверхности Земли подвергаются воздействию потока энергии, в основном солнечной энергий, а также и длинноволного теплового излучения космических тел. Оба эти фактора определяют климатические условия среды (температура, скорость испарения воды, движение воздуха и воды). На биосферу из космоса падает солнечный свет с энергией 2 кал. на 1см 2 в 1 мин. Эта так называемая солнечная постоянная. Этот свет, проходя через атмосферу, ослабляется и до поверхности Земли в ясный полдень может дойти не более 67% его энергии, т.е. 1,34 кал. на см 2 в 1мин. Проходя через облачный покров, воду и растительность, солнечный свет еще больше ослабляется, и в нем значительно изменяется распределение энергии по разным участкам спектра.
Степень ослабления солнечного света и космического излучения зависит от длины волны (частоты) света. Ультрафиолетовое излучение с длиной волны менее 0,3 мкм почти не проходит через озоновый слой (на высоте около 25 км). Такое излучение опасно для живого организма в частности для протоплазмы.
В живой природе свет единственный источник энергии, все растения, кроме бактерий фотосинтезируют, т.е. синтезируют органические вещества из неорганических веществ (т.е. из воды, минеральных солей и СО 2 - при помощи лучистой энергии в процессе ассимиляции). Все организмы зависят в питании от земных фотосинтезирующих т.е. хлорофиллоносных растений.
Свет как экологический фактор делится на ультрафиолетовый с длиной волны - 0,40 - 0,75 мкм и инфракрасный с длиной волны больше этих величии.
Действие этих факторов зависит от свойства организмов. Каждый вид организма адаптирован к тому или иному спектру длиной волны света. Одни виды организмов адаптировались к ультрафиолетовым, а другие к инфракрасным.
Некоторые организмы способны различить длину волны. Они обладают специальными световоспринимаемыми системами и имеют цветное зрение, которые имеют огромное значение в их жизнедеятельности. Многие насекомые чувствительны к коротковолновому излучение, которое человек не воспринимает. Ночные бабочки хорошо воспринимают ультрафиолетовые лучи. Пчелы и птицы точно определяют свое местонахождение и ориентируются на местности даже ночью.
Организмы сильно реагируют и на интенсивность света. По этим признакам растения делятся на три экологические группы:
1. Светолюбивые, солнцелюбивые или гелиофиты - которые способны нормально развиваться только под солнечными лучами.
2. Тенелюбивые, или сциофиты - это растения нижних ярусов лесов и глубоководные растения, например, ландыши и другие.
При снижении интенсивности света замедляется и фотосинтез. У всех живых организмов существуют пороговые чувствительности интенсивности света, а также к другим экологическим факторам. У различных организмов пороговая чувствительность к экологическим факторам неодинакова. Например, интенсивный свет тормозит развитие мух дрозофилл, даже вызывает их гибель. Не любят свет и тараканы и другие насекомые. У большинства фотосинтетических растений при слабой интенсивности света идет торможение синтеза белков, а у животных тормозятся процессы биосинтеза.
3. Теневыносливые или факультативные гелиофиты. Растения которые хорошо растут и в тени и на свету. У животных эти свойства организмов называются светолюбивые (фотофилы), тенелюбивые (фотофобы), эврифобные - стенофобные.
2. Температура как экологический фактор
Температура является важнейшим экологическим фактором. Температура оказывает огромное влияние на многие стороны жизнедеятельности организмов их географии распространения, размножения и другие биологические свойства организмов зависящие в основном от температуры. Диапазон, т.е. пределы температур в которых может существовать жизнь, колеблется примерно от -200°С до +100°С, иногда обнаруживается существование бактерии в горячих источниках при температуре 250°С. В действительности, большинство организмов могут существовать при еще более узком диапазоне температур.
Некоторые виды микроорганизмов, главным образом бактерии и водоросли, способны жить и размножаться в горячих источниках при температуре, близкой к точке кипения. Верхний температурный предел для бактерии горячих источников лежит около 90°С. Изменчивость температуры очень важна с экологической точки зрения.
Любой вид способен жить только в пределах определенного интервала температур, так называемые максимальной и минимальной летальной температурами. За пределами этих критических крайних температур, холод или жара, наступает смерть организма. Где-то между ними находится оптимальная температура, при которой жизнедеятельность всех организмов, живого вещества в целом идет активно.
По толерантности организмов к температурному режиму они делятся на эвритермные и стенотермные, т.е. способные переносить колебание температуры в широких пределах или узких пределах. Например, лишайники и многие бактерии могу жить при различной температуре, или орхидеи и другие теплолюбивые растения тропических поясов - являются стенотермными.
Некоторые животные способны поддерживать постоянную температуру тела, не зависимо от температуры окружающей среды. Такие организмы называются гомойтермными. У других животных температура тела меняется в зависимости от температуры окружающей среды. Их называют пойкилотермными. В зависимости от способа адаптации организмов к температурному режиму они делятся на две экологические группы: криофиллы - организмы приспособленные к холоду, к низким темпера турам; термофилы - или теплолюбивые.
3. Влажность как экологический фактор
Первоначально все организмы были водными. Завоевав сушу, не утратили зависимости от воды. Составной частью всех живых организмов является вода. Влажность - это количество водяного пара в воздухе. Без влажности или воды нет жизни.
Влажность - это параметр характеризующий содержание водяного пара в воздухе. Абсолютная влажность - это количество водяного пара в воздухе и зависит от температуры и давления. Это количество называется относительной влажностью (т.е. соотношение количества водяного пара в воздухе к насыщенному количеству пара при определенных условиях температуры и давления.)
В природе существует суточный ритм влажности. Влажность колеблется по вертикали и горизонтали. Этот фактор наряду со светом и температурой играет большую роль в регулировании активности организмов и их распространении. Влажность изменяет и эффект температуры.
Важным экологическим фактором является иссушение воздуха. Особенно для наземных организмов, имеет огромное значение иссушающие действие воздуха. Животные приспосабливаются, передвигаясь в защищенные места и активный образ жизни ведут ночью.
Растения поглощают воду из почвы и почти полностью (97-99%) испаряется через листья. Этот процесс называется транспирацией. Испарение охлаждает листья. Благодаря испарению идет транспорт ионов, через почву к корням, транспорт ионов между клетками и т.д.
Определенное количество влажности совершенно необходима для наземных организмов. Многие из них для нормальной жизнедеятельности нуждаются в относительной влажности 100%, и наоборот организм находящийся в нормальном состоянии, не может жить долгое время в абсолютно сухом воздухе, ибо он постоянно теряет воду. Вода есть необходимая часть живого вещества. Поэтому потеря воды в известном количестве приводит к гибели.
Растения сухого климата приспосабливается морфологическими изменениями, редукцией вегетативных органов, особенно листьев.
Наземные животные также приспосабливаются. Многие из них пьют воду, другие всасывают ее через покровы тела в жидком или парообразном состоянии. Например, большинство амфибий, некоторые насекомые и клещи. Большая часть животных пустынь никогда не пьет, они удовлетворяют свои потребности за счет воды, поступившей с пищей. Другие животные получает воду в процессе окисления жиров.
Вода для живых организмов совершенно необходима. Поэтому организмы распространяются по местообитанию в зависимости от своих потребностей: водные организмы в воде живут постоянно; гидрофиты могут жить только в очень влажных средах.
С точки зрения экологической валентности гидрофиты и гигрофиты относятся к группе стеногигров. Влажность сильно влияет на жизненные функции организмов, например, 70% относительная влажность была очень благоприятным для полевого созревания и плодовитости самок перелетной саранчи. При благоприятном размножении они причиняют огромный экономический урон посевам многих стран.
Для экологической оценки распространения организмов пользуются показателем сухости климата. Сухость служит селективным фактором для экологической классификации организмов.
Таким образом, в зависимости от особенностей влажности местного климата виды организмов распределяются по экологическим группам:
1. Гидатофиты - это водные растения.
2. Гидрофиты - это растения наземно-водные.
3. Гигрофиты - наземные растения живущие в условиях повышенной влажности.
4. Мезофиты - это растения, произрастающие при среднем увлажнении
5. Ксерофиты - это растения произрастающие с недостаточным увлажнением. Они в свою очередь делятся на: суккуленты - сочные растения (кактусы); склерофиты - это растения с узкими и мелкими листьями, и свернутыми в трубочки. Они также делятся на эуксерофиты и стипаксерофиты. Эуксерофиты - это степные растения. Стипаксерофиты - это группа узколистных дерновинных злаков (ковыль, типчак, тонконог и др.). В свою очередь мезофиты также делятся на мезогигрофиты, мезоксерофиты и т.д.
Уступая по своему значению температуре, влажность относится тем не менее к основным экологическим факторам. На протяжении большей части истории живой природы органический мир был представлен исключительно водными нормами организмов. Составной частью огромного большинства живых существ является вода, и для осуществления размножения или слияния гамет почти все они нуждаются в водной среде. Сухопутные животные вынуждены создавать в своем теле искусственную водную среду для оплодотворения, а это приводят к тому, что последнее становится внутренним.
Влажность - это количество водяного пара в воздухе. Его можно выразить в граммах на кубический метр.
4. Эдафические факторы
К основным свойствам почвы, сказывающимся на жизни организмов, относятся ее физическая структура, т.е. наклон, глубина и гранулометрия, химический состав самой почвы и циркулирующих в ней веществ - газов (при этом необходимо выяснить условия ее аэрации), воды, органических и минеральных веществ, находящихся в форме ионов.
Основной характеристикой почвы, имеющий большое значение как для растений, так и для роющих животных, является размер ее частиц.
Наземные почвенные условия определяются климатическими факторами. Даже на незначительной глубине в почве царит полная темнота, и это свойство – характерная черта местообитания тех видов, которые избегают света. По мере погружения в почву колебания температуры становятся все менее значительными: за суточные изменения быстро затухают, а начиная с известной глубины сглаживаются и ее сезоны различия. Суточные температурные различия исчезают уже на глубине 50 см. По мере погружения в почву содержание кислорода в ней уменьшается, а СО 2 увеличивается. На значительной глубине условия приближаются к анаэробным, где и обитают некоторые анаэробные бактерии. Уже дождевые черви предпочитают среду с более высоким, чем в атмосфере, содержанием СО 2 .
Влажность почвы чрезвычайно важная характеристика, особенно для произрастающих на ней растений. Она зависит от многочисленных факторов: режима дождей, глубины залегания слоя, а также физических и химических свойств почвы, частицы которой в зависимости от их размера, содержания органического вещества и т.п. Флора сухих и влажных почв неодинакова и на этих почвах нельзя разводить одни и те же культуры. Фауна почвы также весьма чувствительная к ее влажности и, как правило не переносит слишком большой сухости. Общеизвестным примером служат дождевые черви и термиты. Последние иногда вынуждены снабжать водой свои колонии, проделывая подземные галереи на большой глубине. Однако слишком высокое содержание воды в почве убивает личинки насекомых в больших количествах.
Минеральные вещества, необходимые для питания растений, находятся в почве в виде растворенных в воде ионов. В почве можно обнаружить по крайней мере следы свыше 60 химических элементов. С0 2 и азот содержатся в большом количестве; содержание других, например никеля или кобальта, крайне незначительно. Некоторые ионы являются для растений ядом, другие, наоборот жизненно необходимым. Концентрация в почве ионов водорода - рН - в среднем близка к нейтральному значению. Флора таких почв особенно богата видами. Известковые и засоленные почвы имеют щелочной рН порядка 8-9; на сфагнумных торфяниках кислый рН может падать до 4.
Некоторые ионы имеют большое экологическое значение. Они могут вызвать элиминацию многих видов и, наоборот, способствовать развитию весьма своеобразных форм. Почвы, залегающие на известняках, очень богаты ионом Са +2 ; на них развивается специфическая растительность, называемая кальцефитной (в горах эдельвейс; многие виды орхидей). В отличие от этой растительности существует кальцефобная растительность. К ней относятся каштан, папоротник орляк, большинство вересковых. Такую растительность называют иногда кремневой, поскольку земли, бедные кальцием, содержат соответственно больше кремния. Фактически эта растительность не отдает предпочтение непосредственно кремнию, а просто избегает кальция. Некоторые животные испытывают органическую потребность в кальции. Известно, что куры перестают нести яйца в твердой скорлупе, если курятник расположен в местности, почва которой бедна кальцием. Зона известняков обильно заселена раковинными брюхоногими моллюсками (улитками), которые широко представлены здесь в видовом отношении, но они почти полностью исчезают на гранитных массивах.
На почвах, богатых ионом 0 3 , также развивается специфическая флора, называемая нитрофильной. Часто встречающиеся на них органические остатки, содержащие азот, разлагаются бактериями сначала до аммонийных солей, затем до нитратов и, наконец до нитратов. Растения этого типа образуют, например, густые заросли в горах возле выгонов для скота.
В почве содержатся также органические вещества, образующиеся при разложении мертвых растений и животных. Содержание этих веществ с увеличением глубины падает. В лесу, например, важным источником их поступления является подстилка из опавших листьев, причем подстилка от лиственных пород в этом отношении богаче хвойной. Ею питаются организмы деструкторы – растения сапрофиты и животные сапрофаги. Сапрофиты представлены в основном бактериями и грибами, но среди них можно встретить и высшие растения, утратившие хлорофилл в качестве вторичного приспособления. Таковы, например, орхидеи.
5. Различные среды жизни
По мнению большинства авторов, изучающих возникновение жизни на Земле, эволюционно первичной средой жизни была именно водная среда. Этому положению мы находим не мало косвенных подтверждений. Прежде всего, большинство организмов не способны к активной жизнедеятельности без поступления воды в организм или, по крайней мере, без сохранения определенного содержания жидкости внутри организма.
Пожалуй, главной отличительной особенностью водной среды является ее относительная консервативность. Скажем, амплитуда сезонных или суточных колебаний температуры в водной среде намного меньше, чем в наземно-воздушной. Рельеф дна, различие условий на различных глубинах, наличие коралловых рифов и проч. создают разнообразие условий в водной среде.
Особенности водной среды проистекают из физико-химических свойств воды. Так, большое экологическое значение имеют высокая плотность и вязкость воды. Удельная масса воды соизмерима с таковой тела живых организмов. Плотность воды примерно в 1000 раз выше плотности воздуха. Поэтому водные организмы (особенно, активно движущиеся) сталкиваются с большой силой гидродинамического сопротивления. Эволюция многих групп водных животных по этой причине шла в направлении формирования формы тела и типов движения, снижающих лобовое сопротивления, что приводит к снижению энергозатрат на плавание. Так, обтекаемая форма тела встречается у представителей различных групп организмов, обитающих в воде, - дельфинов (млекопитающих), костистых и хрящевых рыб.
Высокая плотность воды является также причиной того, что механические колебания (вибрации) хорошо распространяются в водной среде. Это имело важное значение в эволюции органов чувств, ориентации в пространстве и коммуникации между водными обитателями. Вчетверо большая, чем в воздухе, скорость звука в водной среде определяет более высокую частоту эхолокационных сигналов.
В связи с высокой плотностью водной среды ее обитатели лишены обязательной связи с субстратом, которая характерна для наземных форм и связана с силами гравитации. Поэтому есть целая группа водных организмов (как растений, так и животных), существующих без обязательной связи с дном или другим субстратом, "парящих" в водной толще.
Электропроводность открыла возможность эволюционного формирования электрических органов чувств, обороны и нападения.
Наземно-воздушная среда характеризуется огромным разнообразием условий существования, экологических ниш и заселяющих их организмов.
Основными особенностями назмено-воздушной среды является большая амплитуда изменения экологических факторов, неоднородность среды, действие сил земного тяготения, низкая плотность воздуха. Комплекс физико-географических и климатических факторов, свойственных определенной природной зоне, приводит к эволюционному становлению морфофизиологических адаптаций организмов к жизни в этих условиях, многообразию форм жизни.
Атмосферный воздух отличается низкой и изменчивой влажностью. Это обстоятельство во многом лимитировало (ограничивало) возможности освоения наземно-воздушной среды, а также направляло эволюцию водно-солевого обмена и структуры органов дыхания.
Почва является результатом деятельности живых организмов.
Важной особенностью почвы является также наличие определенного количества органического вещества. Оно образуется в результате отмирания организмов и входит в состав их экскретов (выделений).
Условия почвенной среды обитания определяют такие свойства почвы как ее аэрация (то есть насыщенность воздухом), влажность (присутствие влаги), теплоемкость и термический режим (суточный, сезоный, разногодичный ход температур). Термический режим, по сравнению с наземно-воздушной средой, более консервативный, особенно на большой глубине. В целом, почва отличается довольно устойчивыми условиями жизни.
Вертикальные различия характерны и для других свойств почвы, например, проникновение света, естетсвенно, зависит от глубины.
Для почвенных организмов характерны специфические органы и типы движения (роющие конечности у млекопитающих; способность к изменению толщины тела; наличие специализированных головных капсул у некоторых видов); формы тела (округлая, вольковатая, червеобразная); прочные и гибкие покровы; редукция глаз и исчезновение пигментов. Среди почвенных обитателей широко развита сапрофагия - поедание трупов других животных, гниющих остатков и т.д.
Заключение
Выход одного из экологических факторов за пределы минимальных (пороговых) или максимальных (экстремальных) значений (свойственной виду зоны толерантности) грозит гибелью организма даже при оптимальном сочетании других факторов. Примерами могут служить: появление кислородной атмосферы, ледниковый период, засуха, изменение давления при подъеме водолазов и пр.
Каждый экологический фактор неодинаково влияет на разные виды организмов: оптимум для одних может быть пессимумом для других.
Организмы, на поверхности Земли подвергаются воздействию потока энергии, в основном солнечной энергий, а также и длинноволного теплового излучения космических тел. Оба эти фактора определяют климатические условия среды (температура, скорость испарения воды, движение воздуха и воды).
Температура является важнейшим экологическим фактором. Температура оказывает огромное влияние на многие стороны жизнедеятельности организмов их географии распространения, размножения и другие биологические свойства организмов зависящие в основном от температуры.
Важным экологическим фактором является иссушение воздуха. Особенно для наземных организмов, имеет огромное значение иссушающие действие воздуха.
Уступая по своему значению температуре, влажность относится тем не менее к основным экологическим факторам. На протяжении большей части истории живой природы органический мир был представлен исключительно водными нормами организмов.
К эдафическим факторам относится вся совокупность физических и химических свойств почвы, способных оказывать экологическое воздействие на живые организмы. Они играют важную роль в жизни тех организмов, которые тесно связаны с почвой. Особенно зависят от эдафических факторов растения.
Список использованной литературы
1. Дедю И.И. Экологический энциклопедический словарь. - Кишинев: Изд-во МСЭ, 1990. - 406 с.
2. Новиков Г.А. Основы общей экологии и охраны природы. - Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1979. - 352 с.
3. Радкевич В.А. Экология. - Минск: Вышейшая школа, 1983. - 320 с.
4. Реймерс Н.Ф. Экология: теория, законы, правила, принципы и гипотезы. -М.: Россия молодая, 1994. - 367 с.
5. Риклефс Р. Основы общей экологии. - М.: Мир, 1979. - 424 с.
6. Степановских А.С. Экология. - Курган: ГИПП «Зауралье», 1997. - 616 с.
7. Христофорова Н.К. Основы экологии. - Владивосток: Дальнаука, 1999. -517 с.
СВЕТ КАК ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКТОР
Введение
Жизнь на Земле возникла и существует благодаря лучистой энергии солнечного света. Если бы на нашей планете не было атмосферы, которая лишь частично пропускает энергию Солнца к земной поверхности, то в полдень на поверхность земного шара падало бы 8,37 Дж на 1 см2 за минуту. Эта величина называетсясолнечной постоянной и определена по измерениям вне атмосферы с помощью приборов, установленных на ракетах.
Костер первобытного человека, нефть, сгорающая в двигателях машин, топливо космической ракеты - все это световая энергия, запасенная когда-то растениями и животными. Остановись солнечный поток, и на Землю выпадут дожди из жидкого азота и кислорода. Температура приблизится к абсолютному нулю. Семиметровый панцирь из замерзших атмосферных газов покроет земную поверхность. Только иногда в этой ледяной пустыне встретятся лужицы жидкого гелия.
Не только энергию несет на Землю свет. Благодаря световому потоку мы воспринимаем и познаем окружающий мир. Лучи света сообщают нам о положении близких и отдаленных предметов, об их форме и цвете.
Свет, усиленный оптическими приборами, открывает человеку два полярных по масштабам мира: космический мир с его огромными протяженностями и микроскопический, населенный не различимыми простым глазом мельчайшими организмами.
Когда великий итальянский ученый Г. Галилей направил построенный им телескоп в небо, он открыл мир громадных, ни с чем до того не сравнимых протяженностей. Сопоставив движение спутников Юпитера, которое он наблюдал с помощью телескопа, с движением планет, Галилей на опыте убедился в правильности предсказанной Коперником "системы" мира. Ему удалось увидеть фазы Венеры, различить отдельные звезды Млечного Пути.
Сегодня построены совершенные телескопы, в которые видны звезды, светящиеся в миллион раз слабее звезд, различимых невооруженным глазом; найдены способы узнавать по характеру светового потока, какие химические элементы содержатся в излучающем теле, какова его температура, магнитное поле, скорость.
Получается так, что в звездном свете содержатся данные о строении звезды, о составе космического вещества и о многом другом, с чем соприкасался свет. Разлагая собранный телескопом свет на отдельные составляющие, астрономы расшифровали разнообразные сведения, записанные на световой волне, обнаружили в космосе раньше, чем в земных лабораториях, два химических элемента - солнечный гелий и звездный технеций. Был установлен замечательный факт. Оказалось, что звездное вещество состоит из точно таких же атомов, как и земное.
Анализ состава света, испускаемого отдаленными скоплениями звезд - галактиками, привел к неожиданному открытию: галактики "разбегаются" друг от друга с очень большой скоростью, а это означает расширение нашей Вселенной!
Почти через 50 лет после первых астрономических открытий Галилея голландец А. Левенгук заглянул в каплю воды через изготовленные им микроскопы и открыл удивительный микроскопический мир.
Почти 300 лет с момента открытия Левенгука световая волна служит для исследования не видимых простым глазом мельчайших объектов. За это время ученые поняли значение бактерий и зеленого вещества - хлорофилла для жизни, доказали клеточное строение живых организмов, открыли вирусы, создали целые разделы наук, которые мы смело можем назвать микроскопическими, как, например, наука о клетке - цитология.
Конечно, не только проникновению в космический и микроскопический миры мы обязаны свету. Ничуть не меньше значение светового луча и в других областях деятельности человека. Оптические приборы, даже если они установлены на летящем высоко самолете, определяют сорт нефти, разлитой по поверхности моря. В руках хирурга лазерный луч становится световым скальпелем, пригодным для сложных операций на сетчатке глаза. Этот же луч на металлургическом заводе режет массивные листы металла, а на швейной фабрике раскраивает ткани. Световой луч передает сообщения, тонко и деликатно управляет химическими реакциями.
Что такое свет
Свет - это электромагнитное излучение, невидимое для глаза. Свет становится видимым при столкновении с поверхностью. Цвета образуются из волн разной длины. Все цвета вместе образуют белый свет. При преломлении светового луча в призме или капле воды весь спектр цветов становится видимым, например, радуга. Глаз воспринимает диапазон т.н. видимого света, 380 - 780 нм, за пределами которого находятся ультрафиолетовый (УФ) и инфракрасный (ИК) свет.
Глаз хорошо приспособлен к встречающимся в природе большим колебаниям освещения, таким как, свет луны = 1 люкс, яркий свет солнца = 100 000 люкс. При искусственном освещении нам приходится, как правило, довольствоваться меньшими колебаниями, такими как, общее освещение ок. 1 - 200 люкс, рабочее освещение 200 - 2000 люкс (для офисного освещения рекомендуется не менее 500 люкс).
Видение основывается на свете, глаз любопытен, он ищет света, чтобы видеть. Из всей информации мы принимаем 80% через глаза. Поэтому можно сказать, что свет всегда о чем-то повествует. При входе в помещение, наш взгляд обходит его под руководством света, и он рассказывает нам о помещении, его формах, цветах, архитектуре, интерьере, предметах декорации и т.д. При хорошем освещении глазу легко и приятно видеть.
С точки зрения видения качественные свойства света часто важнее, чем количественные. Качественные свойства света: не ослепляет - прямое ослепление - косвенное ослепление = блеск - хорошее воспроизведение цвета - блестящий контраст - правильная цветовая температура - не сверкающий свет.
В отношении ослепления можно говорить о хороших и плохих люксах. Например, при езде на машине, свет собственных фар - "хорошие люксы", потому что он помогает нам видеть, а свет фар встречной машины - "плохие люксы", поскольку он мешает нам видеть (ослепление). Ослепление не зависит напрямую от количества света, а от разной яркости поверхностей, например, яркое освещение на темной поверхности. Косвенное ослепление имеет место при неправильном направлении поступления света. Чтению журнала может, например, воспрепятствовать блеск, заставляющий изменить положение по отношению к направлению поступления света.
Степень воспроизведения цвета характеризуется индексом Ra. Индекс Ra у ламп накаливания, к которым относятся также и галогенные лампы, - 100. Спектр у лампы накаливания, так же как и у солнечного света, сплошной. Цветопередача у люминесцентной лампы варьируется в зависимости от качества. Индекс Ra у высококачественных люминесцентных ламп - 90. Индекс Ra лучшей из газоразрядных ламп - металлогалогенной - превышает 80. Хорошее воспроизведение цвета существенно, например, при освещении людей, яркого произведения искусства и т. п.
Цветовая температура выражается в кельвинах K. В натуре цветовая температура меняется в зависимости от времени суток: Утренняя и вечерняя заря могут быть весьма теплыми, например, 2500 K, а полуденное небо весьма холодным (синеватым), например, 8000 K. В домашнем освещении применяются обычно источники света теплых тонов, 2700 - 3000 K. На рабочих местах применяются слегка более холодные тона, 3000 - 4000 K.
Примеры цветовых температур: стандартная лампа накаливания ок. 2700 K, галогенная ок. 3000 K, люминесцентные лампы 2700 - 8800 K. Выбор цветовой температуры имеет существенное влияние на атмосферу в помещении. Если в одном помещении, например, горят одновременно источники света разных цветовых температур, получается сумбурное впечатление. При слабых освещенностях применяются более теплые тона, при сильных - более холодные, как в природе.
Свет как экологический фактор
Свет является одним из важнейших абиотических факторов. Солнце излучает в космическое пространство громадное количество лучистой энергии. 42% всей падающей радиации (33% + 9%) отражается атмосферой в мировое пространство, 15% поглощается в толще атмосферы и идет на нее нагревание только 43% достигает земной поверхности. Эта доля радиации состоит из прямой радиации (27%) – почти параллельных лучей, идущих непосредственно от солнца и несущих наибольшую энергитическую нагрузку, (16%) – лучей, поступающих к земле со всех точек небосвода, рассеянных молекулами газов воздуха, капельками водяных паров, кристалликами льда, частицами пыли, а также отраженных вниз от облаков. Общую сумму прямой и рассеянной радиации называют суммарной радиацией.
Свет для организмов служит с одной стороны первичным источником энергии, без которого невозможна жизнь, а с другой стороны - прямое воздействие света на протоплазму смертельно для организма. Таким образом, многие морфологические и поведенческие характеристики связаны с решением этой проблемы. Эволюция биосферы в целом была направлена главным образом на "укрощение" поступающего солнечного излучения, использование его полезных составляющих и ослабление вредных или на защиту от них. Следовательно, свет - это не только жизненно важный фактор, но и лимитирующий, как на минимальном, так и максимальном уровнях. С этой точки ни один из факторов так не интересен для экологов, как свет!
Среди солнечной энергии, проникающей в атмосферу Земли, на видимый свет приходится около 50% энергии, остальные 50% составляют тепловые инфракрасные лучи и около 1% - ультрафиолетовые лучи.
Видимые лучи ("солнечный свет") состоят из лучей разной окраски и имеют разную длину волн.
В жизни организмов важны не только видимые лучи, но и другие виды лучистой энергии, достигающие земной поверхности ультрафиолетовые, инфракрасные лучи, электромагнитные (особенно радиоволны) и некоторые другие излучения.
Влияние света на человека
Все знают, что сила солнечного света столь велика, что он способен контролировать циклы природы и биоритмы человека. Свет, в действительности, связан с нашими эмоциями, с ощущением комфорта, безопасности, а также тревоги и беспокойства. Однако, во многих областях современной жизни свету не уделяется нужное внимание.
На вопрос о том, что самое важное в жизни, большинство людей отвечают - здоровье. В то время, как здоровое питание, фитнесс и вопросы экологии широко освещаются на страницах газет, журналов и интернет-сайтов, вопросы правильного и здорового освещения не затрагиваются вовсе. Наиболее известные аспекты освещения - это влияние УФ-излучения в летнее время, а также его способность бороться с зимней депрессией и некоторыми кожными заболеваниями. Остальные вопросы освещения обсуждаются лишь в узком кругу профессионалов, а большинство людей не задумываются о широких возможностях влияния света на наше физическое и моральное состояние.
Отношения между светом и человеком претерпели значительные изменения за последние 100 лет с началом индустриализации. Сейчас мы проводим большую часть своего времени в закрытых помещениях с искусственным светом. Многие составные части спектра естественного света важные для нашего здоровья, теряются, проходя через стекло. По мнению светотерапевта Александра Вунша, человек на протяжении всей эволюции приспосабливался к спектру солнечного излучения и для хорошего здоровья ему необходимо получать именно полный спектр. Многие возмещают недостаток солнечного света прогулками в парке, по пляжу или отдыхом на балконе. Впервые эффект сезонного расстройства описал доктор Норманн Розенталь. Позднее был проведен эксперимент среди жителей Норвегии, где 49 дней в году длится ночь. Люди, живущие в таких условиях, часто чувствуют себя уставшими, им трудно просыпаться и приниматься за работу, многих преследуют депрессии и апатичные состояния. Зато день, когда возвращается солнце, отмечается как праздник "День Солнца" и встречается слезами радости.
Наблюдения показывают, что существует специфическая связь между освещением и чувством комфорта. Также они показывают, что естественное освещение всегда более благоприятное и удобное для всех обычных видов деятельности. Многие архитектурные проекты демонстрируют абсолютное пренебрежение дневным светом. Офисные и торговые здания без окон, в которых люди проводят многие часы, не видя солнца и не понимая какое время суток и года снаружи. Увеличивая проникновение дневного света в офисы можно, в конечном счете, сократить число пропусков из-за болезней сотрудников и улучшить рабочую атмосферу в офисе.
Постепенно ситуация со световыми аспектами в архитектуре улучшается, однако, ввиду недостаточно качественного образования в этой области, многие архитекторы не в полной мере учитывают важность работы и планирования освещенности. По мнению профессора Университета Прикладных Наук Hildesheim в Германии, Андреаса Шульца, все зависит от архитектора, однако, подавляющее большинство проектов, строится без привлечения специалиста по дизайну освещения.
Поскольку внутри зданий количество дневного света недостаточное для того, чтобы удовлетворять потребности человека в нем, электрические источники призваны компенсировать этот недостаток. Все источники искусственного света в той или иной степени пытаются имитировать дневной свет, некоторые делают это очень хорошо. Александр Вунш изучал влияние различного света на человека и пришел к выводам, что любое отклонение от спектра естественного света несет в себе вредный для здоровья потенциал. Эксперименты на эту тему проводились уже давно, в 1973 году Джон Отт изучал две группы детей, занимающихся в комнатах без окон. В одной комнате освещение было максимально приближенным к естественному, за счет использования ламп полного спектра, а в другой использовались обычными люминесцентные лампы. В результате, дети, занимающиеся в комнате с люминесцентными лампами, были сперва гиперактивны, а затем сильно уставали и теряли способность к концентрации, также отмечалось и повышение давления.
Александр Вунш недавно протестировал ряд современных искусственных источников света на предмет биологического влияния, которое они оказывают на человека в сравнении с естественным светом. Профессор пришел к выводу, что наиболее близким к естественному спектром, обладает лампа накаливания.
Результаты подобных исследований редко становятся известны широкой публике. Дело в том, что большинство людей мало понимают в таких вопросах. Кроме того, в разных культурах по-разному ценят окружающую среду и ее дары. Для большинства из нас свет настолько привычное сопровождение нашей жизни, что мы не задумываемся над его разнообразными свойствами, которые влияют на нашу жизнь в моральном и физическом плане. Подобно воздуху, который мы не замечаем, свет воспринимается как данность, до тех пор, пока мы не почувствуем его недостаток или дискомфорт при контакте, например, со слишком яркой лампочкой. Многие не отдают себе отчета, что испытывают усталость на рабочем месте из-за плохой освещенности, поскольку это не всегда очевидно.
Общая неграмотность в вопросах качественного освещения обсуждается профессионалами, в том числе, в дискуссиях по поводу необходимости запрета традиционных ламп накаливания. В свете актуальных вопросов энергосбережения, традиционная лампа накаливания не выдерживает никакой критики и все идет к тому, чтобы запретить ее использование. Однако, мало кто говорит о плохих спектральных и токсикологических показателях компактных люминесцентных (энергосберегающих) ламп, которые должны будут прийти на смену лампе накаливания. Среди подобных дискуссий все-таки слышны голоса тех, кто выступает не только за экономию энергетических ресурсов, но также говорит о здоровье людей и качестве жизни.
Немецкий дизайнер света Инго Маурер говорит: "Свет - это чувство, и чувство должно быть правильным. Плохой свет делает людей несчастными" по словам Инго Маурера "лампочка Эдисона - это символ промышленности и поэзии". Ничто не может заставить дизайнера отказаться от использования ламп накаливания.
"На лампочке накаливания не заработать больших денег" - говорит представитель компании Philips Берн Глэйзер. Ему вторит и представитель Osram: "Люминесцентные лампы намного более прибыльны для компании". Конечно, производители стремятся увеличить свои доходы и с экономической точки зрения это совершенно понятно. Но все-таки, компании реагируют на спрос, который диктует потребность в более эффективной продукции. И только наше желание получать более качественное и здоровое освещение может повлечь за собой производство таких источников освещения массовыми производителями. Все это, впрочем, не умаляет экономичных свойств современных ламп, которые во много раз лучше, чем у лампы накаливания.
В любом проекте, будь то квартира, магазин или офис, освещение во многом определяет атмосферу и ощущение, которое вызывает у нас интерьер. Поскольку световые эффекты воспринимаются подсознательно, мы часто не отдаем себе отчета, откуда берется то или иное ощущение. Те, кто осознанно применяет свет, получают инструмент для моделирования чувства комфорта, что особенно ценно в местах с угнетающей атмосферой, например в тоннелях.
Многие люди чувствуют дискомфорт, двигаясь в тоннеле. В одном из самых длинных туннелей в мире, 24,5 километровом Laerdal Tunnel между Бергеном и Осло дизайнеры применили интересное решение. Дизайнер Эрик Сэлмер разделил тоннель на три участка, в конце каждого путешественника ждет имитация пещерных стен с освещением, напоминающим скандинавский восход. Таким образом, складывается ощущение, что ты проезжаешь три тоннеля, а не один, а картина прекрасного восхода солнца успокаивает и вызывает приятные ассоциации. На остальных участках было использована обычная схема освещения. Многие не могут объяснить феномен естественного света, но эффект, который мы ощущаем, когда видим картину-иммитацию, всегда срабатывает, потому, что взывает к тем же чувствам. По словам Эрика Сэлмера: "Все были в восторге, и никто не мог объяснить это логически. Получилась просто потрясающая атмосфера".
Существует масса областей знаний, в которых профессионалы освещения могут черпать информацию. Знания о свете можно приобретать в области биологии, физики, медицины и других. Иногда специалисты этих областей встречаются на конференциях, но зачастую с трудом могут быть полезными друг другу, поскольку не имеют общего языка и слишком мало общаются друг с другом.
Одна группа экспертов заняты в своих лабораториях разработкой новых источников света, которые становятся все меньше и эффективнее.
Другая группа работает над применением инноваций в архитектурных проектах.
Есть, однако, еще одна многочисленная группа, которая испытывает преимущества и недостатки качества освещения на себе - потребители.
В то время как, ученые понимают под светом определенную длину волны, которую можно измерить, дизайнеры и архитекторы говорят о восприятии и психологии. Однако для эффективного и благотворного развития светодизайна необходимо учитывать знания из всех областей во время работы над продуктами и интерьерами.
Влияние света на животных
Как уже было сказано, живая природа не может существовать без света, так как солнечная радиация, достигающая поверхности Земли, является практически единственным источником энергии для поддержания теплового баланса планеты, создания органических веществ биосферы, что в итоге обеспечивает формирование среды, способной удовлетворить жизненные потребности всех живых существ.
Правильно подобрав режимы освещения, температуры и другие факторы, наиболее соответствующие биоритмам, можно заметно повысить жизнедеятельность и продуктивность разводимых животных и растений, причем без каких-либо дополнительных затрат. Например, благодаря увеличению в теплицах, оранжереях и парниках светового дня до 12-15 ч зимой выращивают овощные культуры и декоративные растения, ускоряют рост и развитие рассады. Максимально продлевая световой период, можно увеличить яйценоскость кур, уток, гусей, регулировать размножение пушных зверей на зверофермах, удои и прирост крупного рогатого скота.
Фактор естественной освещенности оказывает благоприятное влияние на жизнедеятельность животных, их рост и продуктивность. Под влиянием света у животных возрастает активность ферментов, улучшается работа органов пищеварения, усиливается отложение в тканях протеинов, жиров, минеральных веществ.
Солнечное освещение улучшает бактерицидные свойства крови, ослабляет и разрушает продукты жизнедеятельности микробов и их самих.
Нормальное естественное освещение способствует повышению сопротивляемости организма животных заболеваниям. По усредненным данным увеличение естественного освещения в помещениях для крупного рогатого скота способствует повышению молочной продуктивности примерно на 5%, а привесов - на 10%. Более высокое содержание жира в коровьем молоке вечернего удоя (по сравнению с утренним) связано с влиянием света.
Особенно эффективно сказывается на функции молочных желез у коров одновременное увеличение интенсивности света до 100-300 лк и продолжительности до 12-20 ч освещения в сутки. Это дает возможность в зимние месяцы повысить удои молока на 10-20%, снизить затраты кормов.
Способность воспринимать длину дня и реагировать на нее широко распространена в мире живых существ. Это означает, что живые организмы способны ориентироваться во времени, т. е. они обладают биологическими часами. Другими словами, для многих организмов характерна способность ощущать суточные, приливные, лунные и годичные циклы, что позволяет им заранее готовиться к предстоящим изменениям среды. При отсутствии источников натурального света естественные ритмы нарушаются, что приводит к негативным последствиям в той или иной степени.
Влияние света на растения
Для зеленых автотрофных растений свет является одним из важнейших факторов жизни, поскольку представляет им необходимую лучистую энергию для фотосинтеза, т. е. участвует в образовании органических веществ, необходимых для роста и развития.
Кроме того, свет оказывает непосредственное влияние на рост, на многие процессы дифференциации в клетках и тканях, на само органообразование. Для жизни растений важно, что в процессе фотосинтеза они продуцируют больше веществ, чем необходимо для покрытия расходов на дыхание, т. е. образуется положительный баланс веществ, без которого немыслим рост и существование растения: Как и при каких условиях образуется положительный баланс веществ, эта проблема подлежит экологическому исследованию. Практиков сельского или лесного хозяйства интересует урожай, т. е. продуктивность самого фотосинтеза.
А эколог должен изучить и понять причины различной продуктивности фитоценозов (в связи с различной интенсивностью света) в разных условиях. Кроме того, весьма важен вопрос, как распределяются ассимиляты, как они используются самим растением и в фитоценозе в целом, т. е. как свет влияет на продуктивность растительного покрова. В противоположность теплу и воде свет распределен более или менее равномерно, т. е. на Земле фактически нет такой зоны, где бы рост растения не был возможен из-за недостатка света.
Если в полярных областях, где господствует длительная ночь, растения Отсутствуют вовсе или их рост очень затруднен, то это связано не с недостатком света, а в первую очередь с неблагоприятными температурными условиями. Поэтому для расчленения растительности на зоны и подзоны свет играет подчиненную роль.
Но его значение особенно велико в распределении растений на малых площадях, в местообитаниях, т. е. в определении структуры сообщества. Когда мы сравниваем флоры солнечного и теневого местообитаний, то их различия вызываются в первую очередь условиями освещения, хотя тепловой и водный режимы играют здесь тоже немаловажную роль.
Влияние света на другие организмы
Световое излучение не способно оказывать летальное (смертельное) действие на все живые организмы. Летальный эффект у высокоорганизованных многоклеточных (птиц, млекопитающих и т. д.) при облучении светом в реальных дозах практически не наблюдается. Световое излучение в больших дозах оказывает летальное действие в основном на вирусы и одноклеточные организмы (микробы, бактерии и простейшие). Причиной гибели клетки является утрата способности к многократному воспроизведению. Поэтому самым распространенным тестом на летальное действие служит потеря клетками способности формировать колонии.
Заключение
Изучив работы ученых и дополнительную литературу о свете можно сделать следующие выводы:
1. Свет - это электромагнитное излучение, невидимое для глаза.
2. Свет – абиотический фактор, оказывающий как благоприятное, так и неблагоприятное воздействие на живой организм.
3. Свет влияет на физическое и психологическое здоровье человека, здоровье и продуктивность животных, продуктивность растений и в целом на продуктивность экосистемы.
4. Свет в больших дозах губителен для микроорганизмов.
