Все живое на Земле связано со средой обитания, которая включает разнообразные географические области и населяющие их сообщества живых организмов. По характеру действия связи организма со средой могут быть абиотическими (сюда относятся факторы неживой природы — физические и химические условия среды) и биотическими (факторы живой природы — межвидовые и внутривидовые взаимоотношения).
Жизнедеятельность организмов невозможна без постоянного притока энергии из-вне. Ее источником является Солнце. Вращение Земли вокруг своей оси приводит к не-равномерному распределению энергии Солнца, его теплового излучения. В связи с этим атмосфера над сушей и океаном нагревается неодинаково, а различия в температуре мест-ности и давлении вызывают перемещения воздушных масс, изменение влажности возду-ха, что влияет на ход химических реакций, физических превращений и прямо или косвен-но — на все биологические явления (характер расселения жизни, биоритмы и т. п.). Регу-лирующее влияние на плотность жизни оказывает комплекс факторов: свет, температура, вода, минеральные питательные вещества и др. Эволюция жизни осуществлялась в на-правлении эффективного приспособления к этим факторам: 'колебаниям влажности, ос-вещения, температуры, ветра, силы тяжести и др. Взаимосвязи организмов между собой и со средой обитания изучает наука экология. Рассмотрим значение, отдельных экологиче-ских факторов.
Свет — основной источник энергии на Земле. Природа света двойственна: с од-ной стороны он представляет собой поток элементарных физических частиц — корпус-кул, или фотонов, не имеющих заряда, с другой — обладает волновыми свойствами. Чем меньше длина волны фотона, тем выше его энергия, и наоборот. Энергия фотонов служит источником обеспечения энергетических потребностей растений при фотосинтезе, поэто-му зеленое растение не может существовать без света.
Свет (освещенность) представляет собой мощный стимул активности организмов — фо-топериодизма в жизни растений (рост, цветение, опадание листвы) и животных (линька, накопление жира, миграции и размножение птиц и млекопитающих, наступление стадии покоя — диапаузы, поведенческие реакции и др.). Продолжительность светового дня за-висит от географической широты. С этим связано существование растений длинного дня, цветение которых наступает при продолжительности светлого периода суток 12 ч и более (картофель, рожь, овес, пшеница и др.), и растений короткого дня с фотопериодом 12 ч и менее (большинство тропических цветковых растений, соя, просо, конопля, кукуруза и многие другие растения умеренной зоны). Но есть растения, цветение которых не зависит от длины дня (томаты, одуванчик и др.). Ритмы освещенности вызывают у животных раз-личную активность в дневное и ночное время суток или в сумерки, а также сезонные яв-ления: весной — подготовку к размножению, осенью — к зимней спячке, линьку.
Коротковолновая радиация Солнца (290 нм) представляет собой ультрафиолето-вые лучи (УФ). Большая часть их поглощается слоем озона в верхних участках атмосфе-ры; на Землю проникают УФ-лучи с меньшей энергией (300—400 нм), которые губитель-ны для многих микроорганизмов и их спор; в организме человека и животных эти лучи активируют синтез витамина Д из холестерина и образование пигментов кожи и глаза. Средневолновая радиация (600—700 нм) представляет собой оранжевую часть спектра и поглощается растением при фотосинтезе.
Как проявление приспособительных реакций на смену дня и ночи у животных и человека наблюдается суточная ритмичность интенсивности обмена веществ, частоты дыхания, сердечных сокращений и уровня кровяного давления, температуры тела, кле-точных делений и т.д. У человека выявлено более ста физиологических процессов био-ритмологического характера, благодаря которым у здоровых людей наблюдается согласо-ванность различных функций. Исследование биоритмов имеет большое значение для раз-работки мер, облегчающих адаптацию человека к новым условиям при дальних переле-тах, переселении людей в районы Сибири, Дальнего Востока, Севера, Антарктиды.
Считают, что нарушение регуляторных механизмов по поддержанию внутренней среды организма (гомеостаза) — последствие урбанизации и индустриализации: чем дольше ор-ганизм изолирован от внешних климатических факторов и находится в комфортных усло-виях микроклимата помещения, тем заметнее снижаются его приспособительные реакции к перемене погодных факторов, нарушается способность к терморегуляции, чаще возни-кают расстройства сердечно-сосудистой деятельности.
Биологический эффект фотонов состоит в том, что их энергия в организме животных вы-зывает возбужденное состояние электронов в молекулах пигментов (порфиринов, кароти-ноидов, флавинов), которые возникший избыток своей энергии передают другим молеку-лам, и таким путем запускается цепь химических превращений. Белки и нуклеиновые ки-слоты поглощают УФ-лучи с длиной волны 250—320 нм, что может вызвать генетиче-ский эффект (генные мутации); лучи меньшей длины волны (200 нм и меньше) не только возбуждают молекулы, но и могут их разрушить.
В последние годы большое внимание уделяется изучению процесса фотореактивации — способности клеток Микроорганизмов ослаблять и полностью устранять повреждающий эффект УФ-облучения ДНК, если облученные клетки выращивать затем не в темноте, а на видимом свету. Фотореактивация — явление универсальное, осуществляется при участии специфических клеточиых ферментов, действие которых активируется квантами света определенной длины волны.
Температура оказывает регулирующее влияние на многие процессы жизни рас-тений и животных, изменяя интенсивность обмена веществ. Активность клеточных фер-ментов лежит в пределах от 10 до 40 °С, при низких температурах реакции идут замед-ленно, но при достижении оптимальной температуры активность ферментов восстанавли-вается. Пределы выносливости организмов в отношении температурного фактора для большинства видов не превышают 40—45 °С, пониженные температуры оказывают менее неблагоприятное воздействие на организм, чем высокие. Жизнедеятельность организма осуществляется в пределах от -4 до 45 °С. Однако небольшая группа низших организмов способна обитать в горячих источниках при температуре 85 °С (серные бактерии, синезе-леные водоросли, некоторые круглые черви), многие низшие организмы легко выдержи-вают очень низкие температуры (их устойчивость к замерзанию объясняется высокой концентрацией солей и органических веществ в цитоплазме).
У каждого вида животных, растений и микроорганизмов выработались необхо-димые приспособления как к высоким, так и к низким температурам. Так, многие насеко-мые при наступлении холодов скрываются в почве, под корой деревьев, в трещинах скал, лягушки зарываются в ил на дне водоемов, некоторые наземные животные впадают в спячку и оцепенение. Приспособление от перегрева в жаркое время года у растений вы-ражается в увеличении испарения воды через устьица, у животных — в виде испарения воды через дыхательную систему и кожные покровы. Животные, не обладающие систе-мой активной терморегуляции (холоднокровные, или пойкилотермные), колебания внеш-ней температуры переносят плохо, поэтому их ареалы на суше относительно ограничены (амфибии, рептилии). С наступлением холодов у них снижается обмен веществ, потреб-ление пищи и кислорода, они погружаются в спячку или впадают в состояние анабиоза (резкое замедление жизненных процессов при сохранении способности к оживлению), а при благоприятных погодных условиях пробуждаются и снова начинают активную жизнь. Споры и семена растений, а среди животных — инфузории, коловратки, клопы, клещи и др. — могут много лет находиться в состоянии анабиоза. Теплокровность у млекопитаю-щих и птиц дает им возможность переносить неблагоприятные условия в активном со-стоянии, пользуясь убежищами, поэтому они в меньшей степени зависят от окружающей среды. В период чрезмерного повышения температуры в условиях пустыни животные приспособились переносить жару путем погружения в летнюю спячку. Растения пустынь и полупустынь весной за очень короткий срок завершают вегетацию и после созревания семян сбрасывают листву, вступая в фазу покоя (тюльпаны, мятлик луковичный, иери-хонская роза и др.).
Вода. Энергией Солнца вода поднимается с поверхности морей и океанов и воз-вращается на Землю в виде разнообразных осадков, оказывая разностороннее влияние на организмы. Вода — важнейший компонент клетки, на ее долю приходится 60—80% ее массы. Биологическое значение воды обусловлено ее физико-химическими свойствами. Молекула воды полярна, поэтому она способна притягиваться к различным другим моле-кулам и ослаблять интенсивность взаимодействия между зарядами этих молекул, образуя с ними гидраты, т. е. выступать в качестве растворителя. Многие, вещества вступают в разнообразные химические реакции только в присутствии воды.
Диэлектрические свойства, наличие связей между молекулами обусловливают большую теплоемкость воды, что создает в живых системах “тепловой буфер”, предохра-няя неустойчивые структуры клетки от повреждения при местном кратковременном осво-бождении тепловой энергии. Поглощая тепло при переходе из жидкого в газообразное со-стояние, вода производит охлаждающий; эффект испарения, используемый организмами для регуляции температуры тела. Благодаря большой теплоемкости вода играет роль ос-новного терморегулятора климата. Ее медленное нагревание и охлаждение регулируют колебания температуры океанов и озер: летом и днем в них накапливается тепло, которое они отдают зимой и ночью. Стабилизации климата способствует также постоянный обмен диоксидом углерода между воздушной и водной оболочками земного шара и горными по-родами, а также растительным и животным миром. Вода выполняет транспортную роль в перемещении веществ почвы сверху вниз и в обратном направлении. В почве они служит средой обитания для одноклеточных организмов (амебы, жгутиковые, инфузории, водо-росли).
В зависимости от режима влаги растения в местах и обычного произрастания подразделяются на гигрофиты-растения избыточного увлажненных мест, мезофиты-растения достаточно увлажненных мест и ксерофиты - растения сухих местообитаний. Есть еще группа водных цветковых растений — гидрофиты, которые обитают в водной среде (стрелолист, элодея, роголистник). Недостаток влаги служит ограничивающим фак-тором, определяющим границы жизни и ее зональное распределение. При недостатке во-ды у животных и растений вырабатываются приспособления к ее добыванию и сохране-нию. Одна из функций листопада — приспособление против избыточной потери воды. У растений засушливых мест листья мелкие, иногда в форме чешуек (в этом случае стебель принимает на себя функцию фотосинтеза); той же цели служит распределение устьиц на листе, которое может уменьшать испарение воды. Животные в условиях сильно понижен-ной влажности во избежание потери воды активны ночью, днем они скрываются в норах и даже впадают в оцепенение или спячку. Грызуны не пьют воду, а пополняют ее с расти-тельной пищей. Своеобразным резервуаром воды для животных пустынь являются жиро-вые отложения (горб у верблюда, подкожные отложения жира у грызунов, жировое тело у насекомых), из которых поступает вода, образующаяся в организме при окислительных реакциях в ходе расщепления жира. Таким образом, все факты приспособленности орга-низмов к условиям жизни — яркая иллюстрация целесообразности в живой природе, воз-никшей под влиянием естественного отбора.
Ионизирующее излучение. Излучение с очень высокой энергией, которое спо-собно приводить к образованию пар положительных и отрицательных ионов, называется ионизирующим. Его источником являются радиоактивные вещества, содержащиеся в гор-ных породах; кроме того, оно поступает из космоса. Из трех видов ионизирующего излу-чения, имеющих важное экологическое значение, два представляют собой корпускулярное излучение (альфа- и бета-частицы), а третье— электромагнитное (гамма.-излучение и близкое ему рентгеновское излучение). Гамма-излучение легко проникает в живые ткани; это излучение может пройти сквозь организм, не оказав никакого воздействия, или же может вызвать ионизацию на большом отрезке своего пути.
В целом ионизирующее излучение оказывает на более высокоразвитые и сложные организмы наиболее , губительное действие; человек отличается особой чувствительно-стью.
Загрязняющие вещества. Эти вещества можно разделить на две группы: природ-ные соединения, являющиеся отходами технологических процессов, и искусственные со-единения, не встречающиеся в природе.
К 1-й группе относятся сернистый ангидрид, углекислый газ, оксиды азота, угле-рода, углеводороды, соединения меди, цинка и ртути и др., минеральные удобрения.
Во 2-ю группу входят искусственные вещества, обладающие специальными свой-ствами, удовлетворяющими потребности человека: пестициды, используемые для борь-бы с животными——вредителями сельскохозяйственных культур, антибиотики, приме-няемые в медицине и ветеринарии для лечения инфекционных заболеваний. К пестицидам относятся инсектициды — средства для борьбы с вредными насекомыми и гербициды -—. средства для борьбы с сорняками. Все они обладают определенной токсичностью (ядови-тостью) для человека. К абиотическим факторам относятся также атмосферные газы, минеральные вещества, барометрическое давление, движение воздушных масс и гидро-сферы (течение), минеральная основа почвы, соленость воды и почвы.
Остановимся на значении минеральных элементов. Ряд неорганических веществ нахо-дится в организме в составе солей, а при диссоциации образуют ионы (катионы и анио-ны): Na+, Mg2+, РО43-, Сl-, К+, Са2+, СО32-, NO3-. Значение ионного состава в клетке выявляется на многих сторонах ее жизнедеятельности. Например, калий избирательно взаимодействует с сократительным белком мышц — миозином, снижая вязкость клеточ-ного сока и вызывая расслабление мышц. Кальций усиливает вязкость цитоплазмы и сти-мулирует мышечное сокращение, снижает порог возбудимости нервов и освобождается из мембранной системы при мышечном сокращении. В больших дозах кальций потребляется моллюсками и позвоночными, которым он необходим для роста раковины и костей. На-трия много у животных преимущественно во внеклеточной жидкости, а калия — внутри клетки; их взаимоперемещение создает разность электрических потенциалов между жид-костями внутри и вне клеток, что лежит в основе передачи нервных импульсов.
Ионы магния оказывают влияние на агрегацию рибосом: при снижении их кон-центрации рибосома распадается на две части. Магний входит в состав молекулы хлоро-филла и некоторых ферментов. Для осуществления фотосинтеза растениям необходимы Mn, Fe, Cl, Zn; для азотистого обмена — Мо, В, Со, Сu, Si. В состав молекулы гемоглоби-на входит железо, в состав гормона щитовидной железы — йод. Цинк участвует во мно-гих реакциях гидролиза, разрывая связи между атомами углерода и кислорода. Отсутст-вие или недостаток Na+, Mg2+, К+, Са2+, ведет к потере возбудимости клетки и ее гибе-ли.
В природных условиях недостаток тех или других микроэлементов приводит к развитию эндемичных (свойственных только определенной местности) заболеваний чело-века: эндемического зоба (недостаток йода в питьевой воде), флюороза и крапчатости зу-бов (избыточное поступление в организм фтора) и др. Недостаток меди в травах, произра-стающих на болотистых и торфяных почвах, ведет к анемии у крупного рогатого скота, расстройству пищеварительной системы, поражению центральной нервной системы, из-менению цвета шерсти и т. д.
Нежелателен также избыток микроэлементов. В частности, в некоторых местно-стях известен стронциевый рахит и хронический молибденовый токсикоз у животных по-нос у крупного рогатого скота, падение удоя, изменение цвета шерсти). Многие вопросы о роли микроэлементов в возникновении тех или иных физиологических нарушений изуче-ны пока недостаточно.
