Свет как экологический фактор

1.

Российский Университет Дружбы Народов
Департамента ландшафтного проектирования и устойчивых экосистем
Курс «Экология растений»
Лекция 3 (1).
Свет как экологический фактор

2.

Радиационный баланс
Верхняя граница атмосферы1,367 кВт энергии/ м2
(солнечная постоянная)
-35 % отражается атмосферой;
- 19% поглощается атмосферой
Растения открытых мест получают
энергию из двух источников
Прямой
солнечный свет
(зависит от г.п.,
рельефа и т.п.)
Отраженный от земли
солнечный свет
(зависит от альбедо)

3.

Поглощения света растениями
Фоторецепторы — светочувствительные и световоспринимающие
образования, способные генерировать физиологический сигнал в
ответ на поглощение кванта света.
Фотопоглощение у высших растений
Лист
Ткани, слои,
системы клеток
Клетка
Хлоропласты
Хлоропласт
Тилакоиды
Факторы поглощения света
листовыми пластинами
Угол наклона листа
Расположение листьев
Ориентация листьев

4.

Условия освещения
Световое довольствие — характеристика условия освещения,
отражающая часть полного солнечного света получает растение в
данном местообитании (выражается в долях или процентах)
Индекс листовой поверхности (ИЛП)— отношение общей площади
листьев к площади поверхности почвы, над которой они находятся
(выражается в площади листьев на 1 м2 почвы).
Lmin
Lmax
В течение суток растения испытывают
влияние постоянно меняющейся
освещенности
Световые удары
Lmin
большинства
растений – 2%
ИЛП
большинства
растений
равен 5-6

5.

Динамика световых условий
Сезонная вариабельность светообеспеченности выражена
по-разному на разных широтах: от почти полного отсутствия
в зоне экватора до сильно дифференцированных полярных
режимов.
Лиственные леса
50-70% света
доходит до почвы
без листьев
Лиственные леса с
10% света доходит
до почвы
листьями
Осенний
максимум
Весенний
максимум
Адаптации
растений к
сезонным
изменениям
Снижение
интенсивности
дыхания
«Голодание»

6.

Спектр солнечной радиации
Фотосинтетически активная радиация (ФАР)
ФАР— та часть радиационного спектра,
кванты которой способны приводить
хлорофилл в возбужденное состояние,
за счет чего осуществляется фотосинтез
(380-710 нм)
Зеленый свет отражается сильнее
всего, поэтому растения
воспринимаются зелеными

7.

Влияние света на растения
Физиологические зоны влияния
300 – 520 нм
Поглощается ферментами, клеточными
оболочками, частями цитоплазмы, хлорофиллом
520 – 700 нм
Поглощаются исключительно хлорофиллом и
имеют решающее значение для многих
физиологических процессов
700 – 1050 нм
Играют незначительную роль в жизни растений
(«абиотическая радиация»).
>1050 нм
Поглощаются цитоплазмой и играют
регуляторную роль в обменных процессах
Сине-фиолетовые лучи (460 -490 нм) – меньший
максимум поглощения
Оранжево-красные и красные лучи
(600 -680 нм) – первый максимум поглощения
Желто-зеленые лучи
(550 -575 нм) – минимум поглощения

8.

Функции света
Воздействие света на растения
Фотосинтетическое
Тепловое
Регуляторно-фотоморфогенетическое
Свет определяет многие фотобиологические явления: фотопериодизм,
фотоморфогенез, фототаксисы, фототропизмы, фотонастии и др.
Действие света на рост растений
Источник энергии для фотосинтеза, при недостатке света проростки
гибнут, израсходовав запас питательных веществ семени
Сигнальное действие света, запускающее
физиологические реакции
Продолжительность длины светового дня
оказывает большое влияние на цветение
У древесных растений в целом рост в высоту почти
не меняется при изменении интенсивности света
от 60-90 % от полной освещенности. Однако в более
темных условиях проявляется карликовость

9.

Влияние света на отдельные органы
Фототропизм— ростовые изгибы органов растений под влиянием
одностороннего освещения
Фототаксис— способность подвижных организмов перемещаться к
источнику света
Фотонастия - движения органа растения в зависимости от
изменения интенсивности света
Никтинастические движения – открытие и закрытие цветков в
различное время суток
Лист
Усиление транспирации, открывание устьиц,
повышение чувствительности мембран
Семя
Как ускоряет прорастание (морковь, ель, сосна),
так и тормозит его (лилейные, примулы и т.д.)
Корни и
стебли
Форма и направление
роста
Побеги
Направление роста и
ярусность

10.

Фотосинтез
Фотосинтез— преобразовании и запасании солнечной энергии
(477 кДж на каждый ассимилированный моль С02), в результате чего
из простых неорганических синтезируются сложные органические
вещества и выделяется молекулярный кислород
H2O + С02=02+1/6(С6Н1206)
При интенсивном освещении на фотосинтез тратится
примерно 1 —2%, а при более низкой освещенности — до
10 % поглощенной листом лучистой энергии
Пути фотосинтеза
С3 - путь
Темновая фаза – по циклу Кальвина, продукт
реакции – 3-углеродные молекулы (3фосфоглицериновая кислота) (пшеница)
С4 - путь
продукт реакции – 4-углеродные молекулы
(аспарагиновая кислота) (осоковые, злаковые)
CAM - путь
Фазы разделены во времени (поглощение СО2 –
ночью; синтез - днем) (суккуленты)

11.

Факторы интенсивности фотосинтеза
Зависимость от света
Для световых кривых характерна
гиперболическая форма:
поднявшись вверх, они выходят на
плато, и дальнейшее усиление
освещенности почти не влияет на
газообмен
Зависимость от
температуры
Ускорение фотосинтеза при
повышении температуры в целом
идет экспоненциально. Нижняя
температурная точка обычно
совпадает с замерзанием тканей.
Верхняя температурная
кардинальная точка фотосинтеза
лежит на 2 —12 °С ниже
температуры тепловой смерти

12.

Лимитирующие факторы фотосинтеза
Вода
Необходима для набухания цитоплазмы
Обеспечение открывания устьиц
Оптимально не полное насыщение
водой тканей, а небольшой водный
дефицит (около 5 — 20% от полного
насыщения) («эффект Бриллиант»). При
дефиците более 50% фотосинтез
прекращается
Почва
Элементы минерального питания могут влиять на интенсивность
углеродного обмена и прямо (входят в состав ферментов, пигментов
и т.п.), и косвенно, через обмен веществ и рост. Лимитирует азот
Болезни
Болезнетворные растения снижают интенсивность фотосинтеза
Комплексное воздействие факторов
При высокой интенсивности света и низких температурах (5— 10 °С)
Q10 = 4; при более высоких температурах Q10 = 2, а при низкой
обеспеченности светом Q = 1

13.

Группы растений по отношению к свету
Гелиофиты
облигатные
факультативные
оптимальное световое довольствие Lonт
находится в области почти полного
освещения и сильное затенение их угнетает
не выносят затенение
хорошо растут при небольшом затенение
Сциофиты
оптимум в области слабой
освещенности и не выносят
сильного света
(разрушается хлорофилл,
теряют влагу при
транспирации)
Теневыносливые
широкая экологическая
амплитуда по отношению к
свету (Lmax = 100%, Lmin –
варьирует от вида)

14.

Формообразующая роль света
Гелиоморфоз— формообразования под действием света
Воздействие
яркого света
побеги гелиофитов обычно более толстые, с хорошо
развитой ксилемой и механической тканью
корни более длинные и разветвленные
возникновение асимметричности при
одностороннем освещении, торможение роста вверх
Укорочение междоузлий, образование
розеточности и подушковидности
Воздействие
затенения
Вытягивание и побледнение стеблей
Редукция площади листьев у гелиофитов
Редукция площади листьев при сильном
затенении и увеличение – при частичном
затенении у теневыносливых видов
Пространственная ориентация листьев
относительно сторон света (компасные растения)

15.

Фотопериодичность
Фотопериод— продолжительность светлого времени суток,
обусловленная вращением Земли вокруг своей оси
Фотопериодическая реакция— способность организмов
реагировать на суточный ритм освещения (соотношение светлого и
темного периодов)
Фотопериодическая индукция— начало цветения при
определенном соотношении дня и ночи
Растения короткого дня
Для перехода к цветению нужно
менее 12 ч света в сутки. При
длине дня более 12 ч цветение не
наступает или задерживается
Растения длинного дня
Зацветают только тогда, когда
продолжительность дня достаточно
велика — обычно более 12 ч
Нейтральные растения
Безразличны к фотопериоду

16.

Вопросы для «пятиминутки»
1. Что такое световое довольствие и
в каких пределах оно может
варьировать?
2. Что такое ФАР и какая доля Фар
поглощается растениями?
3. Почему оптимум светового
довольствия сциофитов находится в
зоне слабой освещенности?

17.

Российский Университет Дружбы Народов
Аграрный факультет. Кафедра садово-паркового и ландшафтного дизайна
Курс «Экология растений»
Лекция 3 (2).
Тепло как экологический фактор

18.

Тепловой баланс
Растения – пойкилотермные организмы — температура их тел
определяется температурой среды
Воздействие тепла на растения
Фотосинтез
Дыхание
Транспирация
Рост
Поступившая радиация
Проникает
вглубь почвы
+
-
Отражается
(противоизлучение атмосферы)
Перераспределение
за счет теплообмена
Коротковолновая радиация >
длинноволновой
Инсоляция
Коротковолновая радиация <
длинноволновой
Излучение

19.

Факторы теплообеспеченности растений
Экспозиция и крутизна склонов
В Северном полушарии южные склоны, на которые солнечные
лучи падают под большим углом, нагреваются больше и при этом
менее увлажнены. В результате растительность их обычно имеет
более южный, ксерофитный характер по сравнению с растительностью ровных пространств (правило предварения)
Тепловой режим почв
Теплоемкость почвы — свойство поглощать тепло, выражающее
количество тепла, затрачиваемое на нагревание 1 г сухой почвы на 1 °С.
Теплопроводность почвы — свойство проводить тепло, зависящее от
гранулометрического состава, порозности, химических свойств.
Баланс температуры почвы и воздуха
При резком несоответствии холодных почв и
прогретого воздуха (вечная мерзлота, болота,
умеренный пояс ранней весной) диагностируется
проблема физиологической сухости
(недоступности ваги при ее обилии)

20.

Температура растений и среды
Температура растения определяется соотношением поглощения и
отдачи им энергии, а эти величины зависят от многих свойств среды
(приход радиации, температура воздуха, ветер) и самих растений
(величина и расположение листьев, окраска, блеск, опушение и т.д.).
Температура растений отличается от температуры среды
Группы растений по соответствию их
температуры и температуры воздуха
Супратемпературные виды
Температура выше температуры
окружающего воздуха (кактусы, очитки,
плоды томатов)
Субтемпературные виды
Температура ниже температуры
окружающего воздуха (эфемероиды,
растения пустынь)
Растения с температурой, близкой к
температуре воздуха

21.

Температура и развитие растений
Рост растений
Кривая зависимости роста от температуры
колоколовидна. Минимальные температуры
роста обычно лежат чуть выше точки
замерзания тканей, а максимальные находятся
на несколько градусов ниже показателя
тепловой смерти
Tmin=2-5ºC
Фазы развития
Кущение
Понижение
температуры
Яровизация
Холодовое
воздействие
Tmin=15-18ºC
Семена многих видов умеренных и холодных широт прорастают легче,
если при набухании некоторое время подвергались воздействию низких
температур (прошли стратификацию). Виды из областей с мягкой зимой
используют долгий вегетационный период, прорастая уже зимой

22.

Экологические группы растений по
отношению к температуре
Теплолюбивая группа (термофильные, мегатермные)
Оптимум лежит в области повышенных температур. Они обитают в
тропиках и субтропиках, а в умеренных поясах — в сильно
прогреваемых местообитаниях
Холодолюбивая группа (криофильные, микротермные)
Оптимальны низкие температуры. К ним принадлежат виды,
живущие в полярных и высокогорных областях или занимающие
холодные местообитания.
Промежуточная группа (мезотермные)
Группы по шкале Элленберга
Т-1 — крайне
морозостойкие
Т-4 — теплолюбивые
растения
Т-2 — холодостойкие
растения
Т-5 — очень
теплолюбивые виды
T-3 —
среднехолодостойкие
Т-0 — растения
индифферентные
Группы Элленберга
применимы в
основном для
условий Средней
Европы

23.

Толерантность к температурному режиму
За долгий период эволюционного освоения планеты растения
приспособились к воздействию разных температур. Но эти адаптации не
защищают их абсолютно.
Эвритермы— растения с широким диапазоном оптимальных температур
Стенотермы— растения, приспособленные к узкому диапазону
колебания температур (экстремофилы)
Границы жизни
Латентная
граница
Жизненные процессы снижаются до минимального
уровня, однако этот процесс обратим
Летальная
граница
Возникают необратимые повреждения и растение
погибает

24.

Воздействие низких температур
Воздействие холода (низких положительных температур)
Потеря тургора, изменение окраски, разрушение хлорофилла
Резкое замедление роста и развития
Нарушение функциональной активности мембран
из-за перехода насыщенных жирных кислот из
жидкокристаллического состояния в гель
Повышение энергии активации ферментов
Воздействие мороза (отрицательных температур)
Образование льда, разрыв сосудов, обезвоживание
Повышенная кислотность клеточного сока, нарушение
проницаемости мембран, прекращение тока ассимилятов
Косвенное воздействие
Повреждение корней и «выпирание»
растений замерзшей почвой
Физиологическая сухость почвы

25.

Формообразующие действие холода
карликовость
подушковидность
стланиковость
Стимулирующее воздействие холода
Стимулирует наступление фазы роста и репродукции
Необходимо для выхода почек из глубокого покоя
Необходимо для развития сформированных многолетних органов
Длительное воздействие низких температур — пусковой фактор
зимней стадии биосинтеза хлорофилла и обновления
фотосинтетического аппарата

26.

Состояние покоя
Покой— состояние растений, при котором у них отсутствует видимый
рост. Покоящиеся органы дышат, в них идет превращение запасных
веществ, но скорость процессов очень мала
Симптомы состояния покоя
Замедленная транспирация
Крайне незначительный расход органического вещества
Пониженный обмен веществ
Высокая устойчивость к воздействию экстремальных факторов
Период органического
(глубокого) покоя
До конца декабря
Период вынужденного
(неглубокого) покоя
До наступления
оптимальных
температур
Сигнальным фактором к окончанию
покоя служит повышение температуры,
а не удлинение фотопериода

27.

Реакция растений на высокую температуру
Негативное влияние теплового стресса
Возникновение водного дефицита
Повреждение мембран, инактивация и денатурация белка
Разрушение витаминов, гормонов, аминокислот
Нарушение баланса ассимиляции и усиление дыхания при
снижении фотосинтеза
Многие растения переносят потепление
хуже, чем похолодание, так как холод
приостанавливает вегетацию, а тепло
принуждает растение к иному,
неприемлемому балансу
Кроме климатических условий, растения
получают тепловые повреждения и при
пожарах. Кроме обычных ожогов, огонь
может затронуть корневую шейку и
вызвать отмирание поверхностных корней
из-за перегрева почвы

28.

Адаптация к экстремальным температурам
Термостойкость
Выносливость
Избегание
Термостойкость— это способность организма переносить жару или холод без
необратимого повреждения
Выносливость (толерантность)— способность цитоплазмы переносить
экстремальные температуры в силу собственных физико-химических свойств
Избегание— комплекс имеющихся у растения защитных приспособлений,
которые снижают вредное действие фактора, замедляют или предотвращают
развитие повреждений
Термоустойчивость
особей разных
возрастных стадий
неодинакова.
Так, ткани проростков
часто очень
чувствительны к экстремальным
температурам

29.

Устойчивость растений к температурам
Летальная температура (TL50) — мера устойчивости растений к экстремальным
температурам, равная температуре, при которой погибает половина исследуемых
растений
Группы растений по устойчивости к охлаждению
Нехолодостойкие (теплолюбивые)
Растения серьезно повреждаются уже при температурах выше точки
замерзания. Минимальная температура их прорастания от 10—
14°С, а всходы появляются при 12—15°С (растения теплых вод,
тропические и субтропические виды).
Холодостойкие, но не морозостойкие
Растения погибают при образовании в тканях льда. Эти виды
повреждаются, но не погибают при кратковременных легких
заморозках (многие сельхоз культуры, томаты, картофель, гречиха).
Морозостойкие (льдоустойчивые)
Растения в холодное время года переносят внеклеточное замерзание
воды и связанное с ним обезвоживание. Они выдерживают
заморозки до -8...10°С. прорастают уже при 5 —6 °С

30.

Устойчивость растений к температурам
Группы растений по жаростойкости
Нежаростойкие
Виды повреждаются уже при 30—40 °С. Это водоросли и подводные
листостебельные растения, лишайники в набухшем состоянии и
большинство нежестколистных сосудистых растений
Жаровыносливые
Эукариотические организмы солнечных и сухих местообитаний, как
правило, с высокой способностью к закаливанию. Они переносят
получасовое нагревание до 50—60 °С. Температура выше 60 °С
обычно является границей жизнеспособности для эукариотов
Жаростойкие
Термофильные прокариоты (из фотоавтотрофов — цианобактерии).
Они обладают особенно устойчивыми нуклеиновыми кислотами и
белками. Некоторые из них переносят чрезвычайно высокие
температуры (более 80 °С). Среди высших растений термофилов нет

31.

Вопросы для «пятиминутки»
1. Что такое теплоемкость почвы?
2. Дайте определение понятию
«выносливость»?
3. Что такое летальная
температура?