Життя в наземно-повітряному середовищі
- 1-05-2021, 23:57
- 2 713
11 Клас , Біологія і екологія 11 клас Шаламов, Каліберда, Носов (рівень стандарту)
§ 6. Життя в наземно-повітряному середовищі
Життєві форми організмів є результатом їхнього пристосування до середовища мешкання
У цьому й наступних параграфах ми проаналізуємо закономірності адаптацій організмів до різних середовищ існування. Під середовищем мешкання організму, популяції чи угруповання розуміють сукупність зовнішніх умов життя, тобто все, що впливає на живий світ. На нашій планеті можна виокремити чотири середовища мешкання: наземно-повітряне, водне, ґрунтове й організми інших істот.
Рис. 6.1. Зміна життєвих форм протягом існування мати-й-мачухи
A. Весняна квітуча життєва форма без зелених листків. Б. Літня фотосинтезувальна життєва форма зі зеленим листям.
Якщо проаналізувати різноманіття зовнішнього вигляду рослин чи тварин, що мешкають у одному середовищі, то можна виокремити кілька груп, які мають схожу організацію тіла. Такі типи побудови організмів, що проявляються в його зовнішньому вигляді, називають життєвими формами. Існують різноманітні класифікації життєвих форм, що залежать від ознаки, покладеної в основу. Найпростішим прикладом життєвих форм наземних вищих рослин є поділ їх на дерева, кущі, напівкущі й трави (табл. 6.1). Серед тварин наземно-повітряного середовища виокремлюють життєві форми наземних, деревних і повітряних тварин.
При цьому кожну з життєвих форм можна й далі поділяти для отримання більш детальної класифікації. Наприклад, існують дерева листопадні й вічнозелені, трави одно-, дво- й багаторічні, повітряні тварини дво- й чотирикрилі тощо. Крім того, є й перехідні види (наприклад, багатостовбурове дерево чи білка-летяга). Ба більше, життєві форми можуть змінюватися протягом усього існування організму (наприклад, у мати-й-мачухи чи комара) (рис. 6.1).
Таблиця 6.1. Життєві форми рослин
Формування однакових життєвих форм у неспоріднених організмів зумовлене виникненням подібних адаптацій до схожого впливу екологічних факторів. Очевидно, що для польоту потрібні крила, а для підтримання великої кількості листків — міцні здерев'янілі стовбури. Споріднені організми також часто мають подібні життєві форми.
Найбільше різноманіття умов і видів є в наземно-повітряному середовищі
Наземно-повітряне середовище є найбільш екологічно варіабельним: дія екологічних факторів суттєво змінюється залежно від регіону, пори доби чи року, висоти над рівнем моря тощо. Отже, пристосування організмів до існування в цьому середовищі різноманітні. Крім того, завдяки адаптивній радіації в численних екологічних нішах наземно-повітряного середовища виникла й мешкає більшість видів багатоклітинних організмів. Перш ніж перейти до його розгляду, зауважимо, що окремого повітряного середовища не існує. Річ у тім, що жодна істота не існує все життя, від народження до смерті, у повітрі. Хоча деякі птахи, як-от серпокрильці (рис. 6.2), можуть не приземлятися по кілька місяців, у шлюбний період для висиджування яєць і вигодовування пташенят вони все одно використовують наземне середовище.
Рис. 6.2. Серпокрилець чорний
A. Серпокрилець у польоті. Б. Вигодовування пташенят у «наземному» гнізді.
Наявність освітлення сприяла формуванню великих екосистем і органів зору
Характерною ознакою наземно-повітряного середовища є наявність і мінливість освітлення в ньому. Саме завдяки видимому світлу1 на суходолі сформувалися великі екосистеми: фотосинтез, який здійснюють рослини на світлі, є основним джерелом поживних речовин для всієї екосистеми (докладніше у § 17). Утім, світлові умови в різних частинах середовища не є одноманітними. Тому одні рослини здійснюють фотосинтез лише за високої інтенсивності світла (світлолюбні), інші ж призвичаїлись до незначної його кількості (тіньолюбні). При цьому фотосинтетичні системи останніх володіють вищою чутливістю до світла, тобто забезпечують фотосинтез навіть у тіні.
1 Промені видимого світла (400-800 нм) є лише частиною всього діапазону електромагнітних хвиль.
Рис. 6.3. Відмінність у будові ока людини й кішки
Світло в оці людини (А) поглинається шаром під сітківкою (зображено вишневим кольором), тоді як в оці кішки (Б) цей шар (зображено зеленим кольором) світло відбиває. Відбиття забезпечує двократне проходження світлових променів крізь зорові рецептори сітківки (зображено жовтим кольором).
У тваринному світі освітлення забезпечило орієнтування в просторі задля пошуку їжі, партнера, утечі від хижака чи побудови житла. Адаптацією до його сприйняття є формування очей, які характерні для більшості організмів у наземно-повітряному середовищі мешкання. Оскільки інтенсивність освітлення змінюється протягом доби1, то виникли специфічні екологічні ніші денних, нічних і сутінкових тварин. Цікаво, що структура їхніх очей відрізняється. Денні тварини здебільшого мають очі, що забезпечують кольоровий зір (тобто містять кілька різновидів фотопсинів), тоді як у нічних і сутінкових — поганий кольоровий зір, проте в них є спеціальні пристосування для збільшення вловлювання світла. Наприклад, у собак чи котів, замість світлопоглинального шару, позаду сітківки розташовується світловідбивальний, що забезпечує проходження світла крізь фоторецептори два рази: ззовні до шару й від шару назовні (рис. 6.3). Як тварини бачать уночі, ви можете дізнатися з відео.
Велика мінливість температури спричинила появу різноманітних адаптацій
Температурні умови наземно-повітряного середовища надзвичайно різноманітні: від -50 °С на полюсах до +40 °С у тропіках. При цьому температура може суттєво змінюватися протягом доби: у пустелі Сахара середньорічна різниця температури дня й ночі — 20 °С. Тому окремі групи організмів пристосовуватимуться до різного діапазону температур, за яких вони існують. Також організми мають адаптації, потрібні для терморегуляції, й про них детально йтиметься окремо у § 8.
Види живих організмів, що живуть за високих температур навколишнього середовища, отримали назву теплолюбних. Їхньою визначальною рисою є нездатність переносити прохолодні умови. Річ у тім, що біохімічні реакції теплолюбів мають нормальну швидкість лише за підвищених температур. Яскравими прикладами таких організмів є види, що живуть у тропічних та екваторіальних лісах. Теплолюбні рослини часто мають дрібне листя, вкрите кутикулою: так воно добре охолоджується повітрям і відбиває сонячні промені (рис. 6.4, А), або ж у них воно зовсім відсутнє, як у кактусів. Теплолюбні ж тварини в періоди спеки знижують свою активність й переховуються в норах, ґрунті чи просто тіні (рис. 6.4, Б), тобто мають поведінкові адаптації. Крім того, у теплолюбних ссавців є частини тіла, що випинаються для охолодження, розвинена капілярна сітка яких дозволяє ефективно втрачати тепло (рис. 6.4, В).
1 Це справедливо лише для територій, розташованих між полярними колами.
Рис. 6.4. Теплолюбні організми
A. Дрібне листя акації добре обвітрюється, що дозволяє йому краще охолоджуватися. Б. Родина левів під час полуденної сієсти відпочиває в тіні. B. Великі вуха слона виконують охолоджувальну функцію.
Холодолюбні види навпаки почуваються добре за низьких температур. У клітинах холодолюбних і холодовитривалих рослин узимку наявні підвищені концентрації йонів і вуглеводів та зменшена кількість води. Це захищає цитоплазму клітин від замерзання й утворення руйнівних кристалів льоду. Крім того, їхній ріст і розвиток зазвичай пришвидшений, оскільки сприятливий для цього сезон у прохолодних регіонах є дуже коротким. Холодовитривалі тварини, своєю чергою, задля переживання сильних заморозків впадають у сплячку чи анабіоз1, під час яких метаболізм значно сповільнюється.
Параметри тіла тварин залежать від температурних умов, у яких вони живуть
Для теплокровних тварин (птахів і ссавців) існує залежність між розмірами тіла й температурою середовища (рис. 6.5). Правило Бергмана стверджує, що у тварин одного чи близьких видів середні розміри тіла збільшуються зі зменшенням температури середовища життя. Це пояснюється тим, що тіло втрачає теплоту через власну поверхню, а утворює — у своєму об'ємі. Однак площа поверхні зростає, як квадрат лінійних розмірів, а об'єм — як куб2. Тому
1 Від грец. ana — повторно і bios — життя: у підсумку означає «воскресіння».
2 Порівняйте: площа поверхні куба дорівнює 6a2, а об’єм — а3. При збільшенні ребра куба у два рази площа поверхні фігури зросте в 4 рази (22 = 4), а об’єм — у 8 разів (23 = 8).
Рис. 6.5. Правила Бергмана й Алена
A. Тіло північноамериканського підвиду сірого вовка (ліворуч) є більшим за тіло індійського підвиду (праворуч). Б. Розмір вух зростає з потеплішанням клімату: найменші вуха — у полярного зайця (ліворуч), середні — у європейського зайця-русака (у центрі) і найбільші — у мексиканського зайця Алена (праворуч).
у великих тварин більша теплопродукція й менша тепловтрата (об'єм зріс більше, ніж площа поверхні тіла), що добре відповідає холодним умовам, тоді як у дрібних тварин навпаки. Іншим наслідком цієї залежності є зменшення розміру частин тіла, що виступають (вух, хвоста, кінцівок тощо): що холодніший клімат, у якому живе тварина, то меншими є розміри її частин тіла. Ця закономірність відома як правило Алена. Остання залежність зумовлена тим, що такі частини тіла мають невеликий об'єм, але значну площу поверхні. А це означає, що тепловтрати в них великі, теплопродукція мала, що неприпустимо в холодних умовах. Наведені правила не є абсолютними і справджуються не завжди.
Інші екологічні фактори мають суттєвий вплив на життя в наземно-повітряному середовищі
Як і температура, вологість у наземно-повітряному середовищі суттєво варіює. З адаптаціями сукулентів до посушливих умов ви знайомі з § 3. У верблюдів, окрім овальних еритроцитів, про які йшлося в § 4, наявні й інші риси пристосованості до довготривалої нестачі вологи: запаси жиру в горбі чи горбах, при окисненні якого утворюється вода, особлива будова носа, що значно зменшує випаровування води зі слизової оболонки тощо. Тварини посушливих умов також ефективно економлять вологу, виводячи сечову кислоту й сечовину в концентрованих сумішах, а не у вигляді розбавленого розчину (як люди). Покриви організмів таких місцин зазвичай товстіші, ніж у вологолюбних. Додаткове потовщення забезпечує зменшення випаровування вологи з тіла.
Оскільки концентрація кисню в наземно-повітряному середовищі найвища, то інтенсивність обміну речовин у ньому залежатиме лише від надходження харчу як джерела енергії, тому його мешканці характеризуються найбільш жвавим життям. Адаптації до ефективного використання кисню (особливості будови дихальних, кровоносних і рухових систем) дозволили наземним тваринам швидко рухатися та літати (уявіть, колібрі роблять до 100 помахів крил на секунду!), і врешті-решт дали змогу розвинути теплокровність. Нагадаймо, що теплокровність полягає в здатності організму підтримувати сталу температуру тіла. Для цього в холодних умовах ссавці й птахи повинні витрачати на власний обігрів значні обсяги енергії. Саме процес кисневого дихання забезпечує тварин надлишком енергії, яку можна швидко отримати за першої потреби.
Життєві запитання — обійти не варто!
Елементарно про життя
• 1. Що з переліченого НЕ є життєвою формою?
- А дерево
- Б чотирилапа тварина
- В личинка
- Г двокрила тварина
• 2. Наявність кількох різних фотопсинів у колбочках сітківки ока дозволяє
- А краще бачити в сутінках
- Б краще розрізняти кольори
- В гірше бачити в сутінках
- Г бачити предмети кілька разів
• 3. Якщо виміряти параметри тіл за допомогою кубиків, то об'єм тіла росомахи у (X) разів більший, ніж у ласки, але площа поверхні тіла — у (Y) разів. Це свідчить, що великі звірі є (Z) тепловитратними порівняно з дрібними.
- А X - 3, Y - 9, Z - більш
- Б X - 27, Y - 3, Z - більш
- В X - 27, Y - 9, Z - менш
- Г X - 9, Y - 6, Z - менш
• 4. Піренейська рись є одним із найрідкісніших видів ссавців на Землі й мешкає на півдні Іспанії. Порівняно з її хвостом, хвіст у звичайної карпатської рисі
- А має таку ж довжину
- Б довший
- В коротший
- Г відсутній
• 5. Увідповідніть рису організму й особливість наземно-повітряного середовища, пристосуванням до якої вона є.
- 1 довгий корінь
- 2 велика концентрація сахарози в цитоплазмі
- 3 широкі вуха
- 4 легкі крила
- А твердість ґрунту
- Б висока температура
- В заморозки
- Г низька густина повітря
- Д нестача води
У житті все просто
• 6. Схарактеризуйте пристосування до різних екологічних факторів наземно-повітряного середовища однієї комахи й однієї квіткової рослини, що трапляються на території України.
• 7. Слон і бегемот є великими тваринами, які живуть у спекотному кліматі, тоді як великий розмір характерний здебільшого для тварин холодних регіонів. Завдяки яким особливостям тіла вони переносять спеку?
У житті не все просто
• 8. Порівняйте середній зріст і розмір тіла людей північних і екваторіальних етнічних груп. Чи виконується для них правило Бергмана? Чому?
Проект для дружної компанії
• 9. Визначення площі поверхні й об'єму власного тіла.
- 1) Визначте площу поверхні власного тіла, скориставшись готовими формулами, нормограмами чи онлайн-калькуляторами.
- 2) Виміряйте об'єм власного тіла методом витіснення води.
- 3) Розрахуйте співвідношення між визначеними параметрами тіла. Порівняйте його з відомостями про інших теплокровних тварин теплих і холодних регіонів Землі.
Коментарі (0)