Біологія. 11 клас. Балан

§ 25. Наземно-повітряне та водне середовища життя

Аби краще засвоїти матеріал цього параграфа, слід пригадати: які органи чуття є в наземних і водних тварин? Чим водорості відрізняються від судинних рослин?

Середовище життя - це сукупність умов, у яких мешкають певні особини, популяції, угруповання організмів. Живі організми нашої планети опанували чотири основні середовища життя: наземно-повітряне, водне, ґрунти, організми інших істот. Серед них найрізноманітніше за умовами наземно-повітряне (мал. 25.1). Провідна роль серед абіотичних чинників у ньому належить освітленості, температурі, вологості, газовому складу атмосфери.

Мал. 25.1. Наземно-повітряне середовище життя

Як світло впливає на живі організми?

Світло надходить до нашої планети від Сонця. У його спектрі виділяють три ділянки, які різняться біологічною дією: ультрафіолетову, видиму та інфрачервону (мал. 25.2). Ультрафіолетові промені з довжиною хвиль до 0,29 мкм діють згубно на живу матерію, але їх майже повністю поглинає озоновий екран. Ультрафіолетові промені з довжиною хвиль 0,29-0,40 мкм у великих дозах негативно впливають на живі організми, бо слугують мутагенами, проте в невеликих кількостях ці промені потрібні тваринам (сприяють синтезу в шкірі ссавців вітаміну D).

На частку видимих променів (з довжиною хвиль 0,41-0,74 мкм) припадає близько 50 % сонячного випромінювання, яке сягає поверхні Землі. Завдяки їхній енергії відбувається фотосинтез.

Мал. 25.2. Біологічна дія різних ділянок спектра сонячного проміння

Мал. 25.3. 1. Березовий гай (переважають світлолюбні рослини). 2. Сосновий ліс (переважають тіньовитривалі рослини). 3. Тайга (переважають тіньолюбні види)

Інфрачервоні промені з довжиною хвиль понад 0,75 мкм слугують джерелом теплової енергії для живих істот. Багато видів (наприклад, рослини, комахи, земноводні, плазуни) використовують її для підвищення температури свого тіла.

Щодо вимог до умов освітленості рослини поділяють на світлолюбні, тіньовитривалі та тіньолюбні (мал. 25.3).

Стосовно ступеня освітленості серед тварин виділяють дві групи: «нічну» (активні вночі) та «денну» (активні у світлу частину доби) (ґрунтуючись на знаннях, отриманих під час вивчення біології у попередніх класах, наведіть приклади тварин згаданих груп).

Температура навколишнього середовища відіграє винятково важливу роль у житті організмів, бо впливає на їхню температуру тіла. Температура тіла, у свою чергу, впливає на швидкість реакцій обміну речовин: низькі температури їх гальмують, а дуже високі можуть спричинити денатурацію білків, зокрема ферментів. Для більшості організмів оптимальні значення температури мають досить вузькі межі: від +10 до +30 °С. Але в неактивному стані живі істоти здатні витримувати значно ширший діапазон температур: від -200 до +100 °С. Наприклад, спори деяких бактерій здатні нетривалий період витримувати температуру до +180 °С, а цисти найпростіших і коловерток, яйця круглих червів, насіння і пилок рослин після зневоднення не втрачають життєздатності за температури, близької до абсолютного нуля (-271,16 °С).

Щоб пережити несприятливі умови, багато живих істот впадає в стан заціпеніння - анабіоз (від грец. анабіозіс - повернення до життя). Це стан організму, за якого не помітні прояви життєдіяльності внаслідок значного гальмування процесів обміну речовин. Він супроводжується великими втратами води (до 75 %). Коли ж настають сприятливі умови, організми виходять зі стану анабіозу і життєві процеси відновлюються.

Види, пристосовані до життя за низьких температур, називають холодостійкими. Вони здатні зберігати активність навіть тоді, коли температура їхнього внутрішнього середовища знижується до -7...-10 °С (деякі бактерії, лишайники, мохи, членистоногі тощо).

Теплолюбні види мешкають за високих температур довкілля. Наприклад, деякі бактерії, ціанобактерії, членистоногі мешкають у гарячих джерелах при температурах до +80 °С.

Живим істотам властиві різні пристосування, які дають змогу регулювати процеси обміну речовин залежно від змін температури довкілля.

Мал. 25.4. 1. Пінгвіни в сильні морози збираються докупи. 2. Білий ведмідь ховається за сніговим торосом. 3. Бурий ведмідь солодко спить у затишному барлогу

Наприклад, підвищення концентрації цукру в клітинному соку рослин чи гліцерину в рідинах тіла членистоногих знижує температуру замерзання. Теплокровні тварини часто мають добре розвинений волосяний або пір’яний покрив, підшкірний жировий прошарок для забезпечення теплоізоляції. Багато тварин здатні до терморегуляції.

Терморегуляція (від грец. терме - тепло та регуло - регулюю) - здатність підтримувати стале співвідношення між виробленням тепла (теплопродукцією) в організмі або його поглинанням з довкілля та втратами теплової енергії (тепловіддачею).

Хімічна терморегуляція відбувається за допомогою збільшення вироблення тепла у відповідь на зниження температури довкілля (наприклад, завдяки скороченню м’язів, прискоренню процесів дисиміляції та ін.).

Фізична терморегуляція зумовлена зміною рівня тепловіддачі (регуляція стану волосяного чи пір’яного покриву, діаметра капілярів шкіри, потовиділення, випаровування води рослинами тощо) або поглинання тепла з довкілля (вигрівання на сонці ящірок, комах та інших холоднокровних тварин). Вона можлива і завдяки змінам поведінки тварин, які збираються докупи, ховаються в затишних місцях (нори, печери, снігові заноси), де коливання температур згладжені; часто впадають у сплячку (мал. 25.4) тощо.

Вологість. Ми вже знаємо про винятково важливу роль води в забезпеченні життєдіяльності клітини та організму в цілому. Живі істоти наземно-повітряного середовища мають пристосування до економного споживання та витрат води. Життєві цикли видів адаптовані до розподілу опадів між сезонами року та порами доби. Так, у рослин посушливих місцезростань коренева система або здатна проникати на значну глибину (мал. 25.5), що дає змогу добувати підґрунтові води, або добре розгалужена у поверхневих шарах ґрунту (кактуси), що забезпечує ефективне засвоєння вологи зі значної площі під час короткочасних дощів. Вони також мають багато інших пристосувань для подолання дефіциту вологи (мал. 25.6). Дерева і кущі зменшують випаровування у посушливий період, скидаючи листя.

Мал. 25.5. Кореневі системи пустельних рослин: 1 - тягнуться до підґрунтових вод (до 15 м углиб); 2 - збирають поверхневу вологу

Мал. 25.6. Рослини посушливих місцезростань: 1 - молодило (запасає воду у листках); 2 - деревоподібні кактуси (запасають воду у стеблі)

Як і рослини, тварини - мешканці наземно-повітряного середовища - повинні підтримувати водний баланс у своєму організмі, оскільки його зневоднення швидше спричиняє загибель, ніж тривала відсутність їжі. Наприклад, для організму людини небезпечні втрати води, які перевищують 10 % загальної маси тіла, а для верблюдів - 27 %. Економії вологи в умовах посушливого клімату сприяють покриви, що запобігають випаровуванню (кутикула комах, лусочки плазунів тощо). Тварини посушливих місцеперебувань часто активні вночі, коли повітря вологіше та прохолодніше (мал. 25.7, 1), а під час тривалої посухи деякі з них впадають у сплячку. Великі тварини можуть долати значні відстані в пошуках джерел води (мал. 25.7, 2).

Газовий склад повітря. Головними складовими нижніх шарів атмосфери є кисень (близько 21 %), вуглекислий газ (близько 0,03 %) та азот (понад 78 %). Кисень необхідний живим істотам для аеробного дихання. За умов нестачі або повної відсутності кисню виживають лише організми, здатні отримувати необхідну їм енергію за допомогою безкисневого розщеплення органічних сполук (анаеробне дихання).

Вуглекислий газ негативно впливає на життєдіяльність, оскільки підвищення його концентрації в довкіллі гальмує процеси дихання, але до певного ступеня сприяє інтенсифікації фотосинтезу, зниження - гальмує.

Мал. 25.7. 1. Великий тушканчик активний уночі. 2. Африканські антилопи гну прийшли на водопій

Мал. 25.8. Водне середовище життя (океан): 1 - планктонні організми; 2 - нектонні організми; 3 - бентосні організми

Зростання його концентрації підвищує температуру атмосфери, оскільки завдяки високій теплоємності він акумулює тепло.

Азот для більшості організмів є інертним газом. Проте певні види (азотфіксуючі бактерії, деякі ціанобактерії, водорості) здатні фіксувати атмосферний азот і переводити його у сполуки, які можуть засвоюватись зеленими рослинами.

Водне середовище життя за своїми умовами значно відрізняється від наземно-повітряного (мал. 25.8). Воно характеризується високою густиною, меншим вмістом кисню, значними перепадами тиску. Крім того, різні типи водойм відрізняються за концентрацією солей, швидкістю течії тощо. Мешканці водойм - гідробіонти - пристосовані як до життя у водному середовищі взагалі, так і до певного типу водойм чи зони Світового океану.

Екологічні групи гідробіонтів. Живі організми населяють всі зони Світового океану. Мешканці товщі води складають екологічні групи планктону та нектону. Планктонні організми (мал. 25.8, 1): бактерії, ціанобактерії, водорості, радіолярії, медузи, дрібні ракоподібні, личинки кісткових риб тощо. Багато з них можуть активно плавати (за допомогою джгутиків, війок, скорочення м’язових волоконець), але не здатні протистояти течіям, що переміщують маси планктону на значні відстані. Планктонні організми мають пристосування для забезпечення плавучості: дрібні розміри, різноманітні вирости, зниження питомої маси (полегшення скелетних елементів, наявність жирових включень, газових вакуоль тощо) та ін. Планктонним організмам притаманні періодичні (добові, сезонні тощо) вертикальні чи горизонтальні переміщення, пов’язані з розмноженням, живленням, змінами температури, солоності води тощо.

Нектонні організми (мал. 25.8, 2) - більшість риб, головоногих молюсків, китоподібні - здатні до активного пересування в товщі води незалежно від напрямку течії. Вони мають обтічну форму тіла та добре розвинені органи руху.

До складу бентосу входять організми, які мешкають на поверхні та в товщі дна водойм: форамініфери, поліпи, круглі та багатощетинкові черви, двостулкові та деякі інші молюски, ракоподібні - вусоногі раки, краби, омари, голкошкірі, придонні риби (наприклад, бички), деякі водорості, ціанобактерії, бактерії та ін. (мал. 25.8, 3). Ці організми мають пристосування для пересування по дну, прикріплення до нього, закопування в його товщу тощо. Поширення більшості видів забезпечують певні фази життєвих циклів (спори, личинки).

Мал. 25.9. 1. Губки - представники перифітону. 2. Клоп-водомірка - представник нейстону

Організми, які оселяються на різних субстратах у товщі води (днища кораблів, гідротехнічні споруди, панцирі водних черепах тощо), належать до перифітону (губки, частина водоростей, вусоногі ракоподібні та ін.). Вони мають різноманітні способи прикріплення до субстрату (мал. 25.9, 1).

Своєрідну групу - нейстон - становлять організми, які мешкають на межі водного та наземно-повітряного середовищ, населяючи поверхневу плівку води. Одні з них використовують сили поверхневого натягу води для пересування по водній плівці, цьому сприяє незмочуваність тіла (наприклад, клопи-водомірки (мал. 25.9, 2), жуки-вертячки). Інші підвішуються до водної плівки або спираються на неї знизу (личинки комарів, найпростіші, молодь риб).

Основні властивості водного середовища. Серед екологічних чинників водного середовища життя провідна роль належить температурі, освітленості, тиску, газовому режиму, солоності, рельєфу дна.

Температурний режим. Висока питома теплоємність води зумовлює значно менші коливання температури в її поверхневих шарах води порівняно з повітрям. Зокрема, річні коливання температур у поверхневих шарах океану не перевищують +10...+15 °С, а на великих глибинах температура взагалі стала: від +1,5 до -2 °С, але різні типи водойм значно відрізняються за температурним режимом; відповідно і показники оптимальних температур для тих чи інших гідробіонтів дуже різняться.

Освітленість водойм швидко зменшується зі збільшенням глибини. Зазвичай на глибинах понад 150-250 м фотосинтезуючі водорості існувати не можуть. На максимальній глибині - 270 м мешкають червоні водорості, здатні вловлювати слабке розсіяне світло. На глибини понад 1500 м світло взагалі не проникає. Деякі глибоководні організми (кишковопорожнинні, ракоподібні, молюски, риби) самі можуть виробляти світло завдяки окисненню певних ліпідів (явище біолюмінесценції) (мал. 25.10). Світлові сигнали - засіб спілкування глибоководних тварин - за їх допомогою зустрічаються особини різних статей та ін.

Хімічний склад води також значно впливає на умови життя гідробіонтів. Так, різні солі, наприклад карбонат кальцію, потрібні для побудови черепашок (форамініфер, молюсків), зовнішнього (мадрепорові корали, ракоподібні тощо) чи внутрішнього (риби) скелета. Гідробіонти вилучають з води та використовують завислі в ній органічні частинки, розчинені сполуки Нітрогену, Фосфору, Силіцію, Феруму тощо.

Мал. 25.10. Восьминіг, здатний до біолюмінесценції

Уміст газів. У воді вміст кисню в 20-30 разів нижчий, ніж в атмосферному повітрі. Кисень надходить у водне середовище з атмосфери завдяки дифузії; також його виділяють фотосинтетики - мешканці верхніх шарів водойм. Тому зі збільшенням глибини концентрація кисню зменшується, а в придонних шарах вона зовсім незначна та умови існування можуть наближатись до анаеробних. Тож глибоководні мешканці пристосовані до існування в умовах дефіциту кисню. Зменшується вміст Оксигену також зі зростанням температури чи солоності води.

Тиск води - один з провідних факторів водного середовища. При зануренні на кожні 10 м тиск зростає приблизно на 1 атмосферу, на великих глибинах він може перевищувати 1000 атмосфер. Більшість видів водяних тварин саме завдяки тиску мешкає на певних глибинах (наприклад, кільчастий черв піскожил мешкає здебільшого у припливно-відпливній зоні, а кистепера риба - латимерія - на глибинах 400-1000 м). Лише окремі види можуть жити від припливно-відпливної зони до глибин у кілька тисяч метрів.

Переміщення водних мас зумовлені зміною положення Землі відносно Сонця і Місяця відносно Землі (припливи та відпливи), земним тяжінням (течії річок), впливом вітру тощо. Рух води забезпечує міграції гідробіонтів, переміщення поживних часток та кисню. Пристосування організмів до постійних переміщень водних мас дуже різноманітні.

Які є адаптації гідробіонтів до пересихання водойм?

Організми, які населяють водойми, що періодично пересихають, пристосовані до переживання періодів відсутності водного середовища. У них зазвичай короткі періоди розвитку, і за незначний проміжок часу вони здатні значно збільшувати свою чисельність. Посушливий період ці істоти переносять у неактивному стані (у вигляді яєць, цист, спор тощо). Так, яйця рачків-щитнів у висушеному стані можуть перебувати до 15 років, не втрачаючи життєздатності. На період посухи деякі гідробіонти закопуються у товщу дна, інколи формуючи зовнішню захисну оболонку, як-от африканський лусковик (мал. 25.11).

Мал. 25.11. Африканський лусковик

Нові терміни та поняття. Середовище життя, анабіоз, терморегуляція, планктон, нектон, бентос, перифітон, нейстон.

Запитання для повторення: 1. Що таке середовище життя? 2. Яка біологічна роль різних ділянок спектра сонячного світла? 3. Які пристосування живих істот до різних ступенів освітленості? 4. Які види терморегуляції є у живих організмів? 5. Що таке анабіоз та яке його біологічне значення? 6. Як живі істоти підтримують водний баланс своїх організмів? 7. Яка біологічна роль різних складових атмосфери? 8. Які особливості водного середовища життя? 9. Які екологічні групи гідробіонтів вам відомі?

Проблемне завдання. Поміркуйте, чому під час переохолодження ссавці, у тому числі й людина, починають тремтіти. Чому з усіх груп водоростей на більші глибини проникають саме червоні водорості?