Характеристика основных абиотических факторов

1.

Тема: Характеристика
основных
абиотических факторов
Абиотический
(неживой)
компонент
среды
подразделяется
на
климатические,
почвенные
(эдафические), топографические и др. физические
факторы: воздействие волн, морских течений, огня и т. д.

2.

Температура
Температурные пределы, в которых может
существовать жизнь 300°С, от -200°С до +100°С.
Большая часть видов и их активности приурочены
к более узкому диапазону температур, при которых
возможно нормальное строение и функционирование
белков: от 0 до +50°С.
Температурный
фактор
имеет
выраженные
сезонные и суточными колебания, что имеет сигнальное
значение в регуляции сроков активности организмов,
обеспечении их суточного и сезонного режимов жизни.

3.

Значение температуры:
•изменяет скорость физико-химических процессов в клетках;
•влияет на анатомо-морфологические особенности, ход
физиологических процессов, рост, развитие, поведение;
•определяет географическое распространение растений и
животных.

4.

Виды организмов по отношению к t:
1. Холодолюбивые (криофилы) способны жить при
сравнительно низких температурах и не выносят высоких.
Сохраняют активность при t клеток до -8 и -10 °С,
когда жидкости их тела находятся в переохлажденном виде
(бактерии, грибы, моллюски, членистоногие, черви и др.).
Криофилы населяют холодные и умеренные зоны.

5.

Древесные и кустарниковые породы Якутии не
вымерзают при -70°С, в Антарктиде при такой же
температуре обитают лишайники, отдельные виды
водорослей, ногохвостки, пингвины.
В лабораторных экспериментах семена, споры и
пыльца
растений,
коловратки,
нематоды,
цисты
простейших после обезвоживания переносят температуры,
близкие к абсолютному нулю (до -271,16 °С), возвращаясь
после этого к активной жизни.
Анабиоз – приостановка всех жизненных процессов
организма. Из анабиоза живые организмы возвращаются к
нормальной жизни при условии, если не нарушена
структура макромолекул в клетках.

6.

2. Теплолюбивые (термофилы) – жизнедеятельность в
условиях высоких t.
Обитатели жарких, тропических районов Земли:
беспозвоночные (насекомые, паукообразные, моллюски,
черви), холодно- и теплокровные позвоночные, обитающие
исключительно в тропиках.
Настоящие термофилы – растения жарких тропиков,
гибнут уже при 0°С, хотя физического замораживания тканей
не происходит. Причины гибели – нарушение ОВ, подавление
физиол. процессов, образование продуктов, вызывающих
отравление.

7.

В горячих источниках Калифорнии при t=52°С обитает
рыбка пятнистой ципринодон.
В водах горячих ключей на Камчатке постоянно живут
сине-зеленые водоросли при t=75-80 °С.
Верблюжья колючка переносит нагревание воздуха до
70 °С.
Вывод: общие закономерности воздействия t на живые
организмы проявляются в их способности существовать в
определенном диапазоне t.

8.

Температурный
оптимум
большинства
живых
организмов находится в пределах 20-25°С, и лишь у
обитателей жарких, сухих районов температурный оптимум
выше 25-28°С. Например, некоторые прямокрылые (кузнечики)
проявляют полуденную активность в условиях пустыней Палестины
при t=40°С и выше.
Для организмов умеренных и холодных зон России
оптимальные t=10-20°С. Так, у ветреницы дубравной процесс
фотосинтеза наиболее интенсивно протекает при 10°С.

9.

Виды организмов от ширины интервала температуры, в
которой существуют:
1. Эвритермные – выдерживают широкие колебания t.
К ним
относят большинство организмов районов с
континентальным климатом. У многих покоящиеся стадии с
особенно широким диапазоном t (яйца, цисты, куколки насекомых в
состоянии анабиоза, взрослые животные, споры бактерий, семена
растений).
Пойкилотермные (греч. poikilos - разный) организмы
не способные поддерживать t тела в узких границах
(беспозвоночные, рыбы, амфибии и рептилии). Эктотермные
организмы больше зависят от тепла, поступающего извне, чем
от образующегося при ОВ. У них низкая интенсивность
обмена и нет механизма сохранения тепла.

10.

2. Стенотермные живут в узких пределах t (птицы и
млекопитающие)
Гомойотермные (греч. homoios – подобный)
способны поддерживать достаточно постоянную t тела
независимо от окружающей температуры. Относительно
мало зависят от внешних источников тепла. Благодаря
высокой интенсивности ОВ вырабатывается достаточное
количество тепла, которое сохраняется. Эндотермные
животные существуют за счет внутренних источников тепла.

11.

Экологические выгоды пойкилотермии и гомойотермии
Проблемы
пойкилотермии.
Пойкилотермные
животные из-за общего низкого уровня обменных процессов
активны только вблизи от верхних t границ существования.
Не могут обеспечить постоянства теплообмена.
Поэтому
при
колебаниях
t
среды
активность
пойкилотермных прерывиста.
Овладение местообитаниями с постоянно низкими t
для холоднокровных животных затруднительно. Оно
возможно только при развитии холодовой стенотермии и
доступно в наземной среде лишь мелким формам,
способным использовать преимущества микроклимата.

12.

Преимущества пойкилотермии. Снижение уровня обмена
при действии холода экономит энергетические затраты, резко
уменьшает потребность в пище.
В условиях сухого жаркого климата пойкилотермность
позволяет избегать излишних потерь воды, так как практическое
отсутствие различий между t тела и среды не вызывает
дополнительного испарения.
Высокие t пойкилотермные животные переносят легче и с
меньшими энергетическими затратами, чем гомойотермные –
тратят много энергии на удаление избытка тепла из тела.

13.

Проблемы гомойотермии. Организм гомойотермного
животного всегда функционирует только в узком диапазоне t.
За этими пределами для гомойотермных невозможно не
только сохранение биологической активности, но и
переживание в угнетенном состоянии, так как выносливость
к значительным колебаниям t тела ими потеряна.
Работа механизмов терморегуляции требует больших
энергетических затрат, для восполнения которых животное
нуждается в усиленном питании. Поэтому единственно
возможным состоянием животных с регулируемой t тела
является состояние постоянной активности. В холодных
районах ограничивающим фактором в их распространении
является не t, а возможность регулярного добывания пищи.

14.

Поддержание t за счет возрастания теплопродукции
требует большого расхода энергии, поэтому животные при
усилении хим. терморегуляции либо нуждаются в большом
количестве пищи, либо тратят много жировых запасов,
накопленных ранее.
Например, бурозубка крошечная (1,5-4 г) чередуя очень короткие
периоды сна и активности, деятельна в любые часы суток, не впадает в
спячку зимой и в день съедает корма в 4 раза больше собственной массы.
Частота сердцебиения у бурозубок до 1000 уд.в мин. Птицам,
остающимся на зиму, нужно много корма; им страшны не столько морозы,
сколько бескормица. При хорошем урожае семян ели и сосны клесты
зимой даже выводят птенцов.
Вывод: усиление хим. терморегуляции имеет свои
пределы, обусловленные возможностью добывания пищи.

15.

Землеройка
бурозубка обыкновенная

16.

17.

Преимущества гомойотермии. Отличаясь высокой
интенсивностью окислительных процессов и обладая
комплексом терморегуляционных средств, гомойотермные
животные могут поддерживать для себя постоянный t
оптимум при значительных отклонениях внешних t.
Развитие эндотермных животных в меньшей степени
зависит от температуры окружающей среды.
У крупного рогатого скота повышение t в помещениях при их
содержании до 15 °С или понижение до 7 °С приводит к снижению
плодовитости.

18.

Эволюционные формы адаптации к t:
морфологические, биохимические, физиологические,
поведенческие и т. д.

19.

Морфологические адаптации
животных к t:
отражательная поверхность тела, пуховой, перьевой и
шерстный покровы у птиц и млекопитающих, жировые
отложения.
Большинство насекомых в Арктике и высоко в горах
имеет темную окраску. Это способствует усиленному
поглощению солнечного тепла. Темный пигмент яиц
многих водных животных выполняет ту же функцию.
1. Правило Бергмана: при продвижении на север
средние размеры тела в популяциях эндотермных животных
увеличиваются. При увеличении размеров уменьшается
относительная поверхность тела, следовательно, и
теплоотдача.
Эндотермные животные, обитающие в холодных областях
(полярные медведи, киты и др.), имеют, как правило, крупные
размеры, тогда как обитатели жарких стран (например, многие
насекомоядные млекопитающие) обычно меньше по размерам.

20.

Значение для поддержания t баланса – отношение
поверхности тела к его объему, так как в конечном счете
масштабы продуцирования тепла зависят от массы животного,
а теплообмен идет через его покровы.
Экогеографическое правило, сформулированное
немецким биологом Карлом Бергманом (1847): если два
близких вида теплокровных отличаются размерами, то более
крупный обитает в более холодном, а мелкий – в теплом
климате. Эта закономерность проявляется лишь в том случае,
если виды не различаются другими приспособлениями к
терморегуляции.

21.

Рис. Сравнительный
рост европейца (слева)
и пигмея (справа)
Рис. Иллюстрация правила Бергмана
(на примере человека).

22.

2. Правило Аллена: у
видов, живущих в более
холодном климате, различные
выступающие
части
тела
(хвост, уши, конечности и др.)
меньше, чем у родственных
видов из более теплых мест.
Правило
Аллена
наглядно
проявляется
при
сравнении длины ушей у трех
видов лисиц, обитающих в
разных
географических
областях.

23.

24.

При адаптации к холоду проявляется закон экономии
поверхности, так как компактная форма тела с
минимальным отношением площади к объему наиболее
выгодна для сохранения тепла. Это свойственно и
растениям, образующим в северных тундрах, полярных
пустынях и высоко в горах плотные подушечные формы с
минимальной поверхностью теплоотдачи.

25.

3. Правило Глогера: окраска животных в холодном и
сухом климате сравнительно светлее, чем в теплом и
влажном. Эти правила равным образом относятся и к
человеку.
Константин
Вильгельм
Ламберт
Глогер (18031863) - немецкий
зоолог и
орнитолог.

26.

«Чудесная сосудистая сеть» в выступающих или
поверхностных частях тела (лапы некоторых птиц, ласты
китов) – вены тесно прижаты к артериям. Кровь, текущая по
артериям, отдает тепло венам, оно возвращается к телу, а
артериальная кровь поступает в конечности охлажденной.
Конечности, по существу, пойкилотермны, зато температуру
остального тела можно поддерживать с меньшими затратами
энергии.
Рис. Сосуды кожи при
теплосохранении (А) и
теплоотдаче (Б)

27.

28.

Рис. Микроциркуляторное русло с функциональными
группами сосудов (до 100 мкм): артериолы, прекапилляры
(резистивные
сосуды),
капилляры,
сосуды-шунты,
резистивные посткапилляры.

29.

Накопление жира – теплоизоляция. У животных
холодного климата слой подкожной жировой клетчатки
распределен по всему телу, жир – хороший теплоизолятор.
У животных жаркого климата подобное распределение
жир. запасов приводило бы к гибели от перегрева из-за
невозможности выведения избытка тепла, поэтому жир у них
запасается локально, в отдельных частях тела, не мешая
теплоизлучению с общей поверхности (верблюды, курдючные
овцы, зебу и др.).

30.

31.

Биохимическая адаптация живых организмов к t в
изменении физико-химического состояния веществ в клетках
и тканях.
При адаптации к низким t в клетках растения при
увеличении запаса пластических веществ повышается
концентрация растворов, увеличивается осмотическое
давление клеточного сока, уменьшается содержание
свободной воды, не связанной в коллоиды.
Между
частицами
цитоплазмы
и
водой
устанавливается единство структуры, обеспечивающее ей
таким образом вхождение в структуру макромолекул белков и
нуклеиновых кислот. В таком состоянии ее трудно
заморозить, перевести в твердое состояние.

32.

«Перемещение» веществ при адаптации к холоду. У
растений к зиме масла и сахара откладываются в тканях
надземных органов, а в подземных – крахмал. В районах с
очень низкими t у растений значительно накапливается
масло во внутренних слоях древесины, что повышает
устойчивость к сильным морозам.
У животных, обитателей полярных областей,
возрастает содержание гликогена в печени и аскорбиновой
кислоты в почках. У млекопитающих скапливается бурая
жировая ткань недалеко от жизненно важных органов –
сердца и спинного мозга. В митохондриях клеток этой
ткани при клеточном дыхании АТФ не синтезируется , вся
энергия рассеивается в виде тепла.

33.

Поведенческие адаптации к t:
Перемещения в места с более благоприятными t
(перелеты, миграции),
Изменения сроков активности, сдвигая ее на более
светлое время суток и т. д.
В пустыне, где днем поверхность почвы
нагревается до 60-70 °С, на раскаленном песке животных
почти
не
увидишь.
Насекомые,
рептилии
и
млекопитающие проводят жаркое время, зарывшись в
песок или спрятавшись в норы. В глубине почвы
температура не так резко колеблется и сравнительно
невысокая.
Холодным утром кузнечики подставляют бока
солнечному свету, а дневные бабочки расправляют
крылья. В полуденную жару они, сложив крылья,
располагаются параллельно лучам.

34.

При понижении t воздуха многие животные
переходят на питание более калорийной пищей. Белки в
теплое время года поедают более ста видов кормов, зимой же
питаются семенами хвойных, богатых жирами. Корм оленей
летом – травы, зимой – лишайники с большим количеством
белков, жиров и сахаров.
Выбор места для жилища, утепление убежищ/гнезд
пухом, сухими листьями, углубление нор, закрывание
входов в них.
Принятие позы (скручивание кольцом, укутывание
хвостом).
«Скучивание» – собирание в группы.
Некоторые животные согреваются путем пробежек и
прыжков.

35.

36.

Групповое
поведение
животных
в
целях
терморегуляции. Некоторые пингвины в сильный мороз и
бураны сбиваются в плотную кучу – «черепаху». Особи с
краю пробиваются внутрь, «черепаха» медленно кружится и
перемешается. Внутри такого скопления t около +37оС даже в
сильные морозы. Верблюды в жару также сбиваются вместе,
прижимаясь
боками
–
предотвращение
нагревания
поверхности тела солнечными лучами. t в центре скопления
животных равна t их тела, +39°С, тогда как шерсть на спине и
боках крайних особей нагревается до +70°С.

37.

В норах роющих животных ход t сглажен тем сильнее,
чем больше глубина норы. В средних широтах на расстоянии
150 см от поверхности почвы перестают ощущаться даже
сезонные колебания t. В особенно искусно построенных
гнездах также поддерживается ровный, благоприятный
микроклимат. В войлокообразном гнезде синицы-ремеза,
имеющем лишь один узкий боковой вход, тепло и сухо в любую
погоду.

38.

39.

40.

41.

Пути приспособлений живых организмов к воздействию
неблагоприятных t:
1. Активный путь – усиление сопротивляемости,
развитие регуляторных способностей, дающих возможность
осуществления жизненных функций организма, несмотря на
отклонения t от оптимума. Этот путь ярко выражен у
эндотермных животных, развит у эктотермных, в зачаточной
форме проявляется у некоторых высших растений.
2. Пассивный путь – подчинение жизненных функций
организма ходу внешних t. Недостаток тепла вызывает
угнетение жизнедеятельности – экономное использование
энергетических запасов и повышение устойчивости клеток и
тканей. Для всех растений и эктотермных животных.
Эндотермные животные в условиях крайне низких t снижают
уровень обмена, замедляют скорость роста и развития экономный расход ресурсов. У млекопитающих и птиц в
неблагоприятные периоды года гетеротермные виды впадают в
спячку или оцепенение.

42.

3. Избегание неблагоприятных температурных
воздействий.
Жизненные циклы, когда наиболее уязвимые стадии
развития проходят в самые благоприятные периоды года. Для
растений это главным образом изменения в ростовых
процессах, для животных – разнообразные формы поведения.
Биополярность – сходство в систематическом составе
и ряде биологических явлений у организмов высоких широт
умеренных зон. Это характерно как для наземной, так и для
морской фауны и флоры. Биополярность отмечается и в
поширотном качественном составе живых организмов.
Например, для тропической зоны характерно более
высокое видовое разнообразие по сравнению с высокими
широтами.

43.

Терморегуляция способность в определенных
пределах менять t своего тела на основе физиологических
процессов. Эндотермные животные способны вырабатывать
достаточное количество тепла и регулировать теплоотдачу,
поэтому сохраняется равенство прихода и расхода тепла.
Теплоотдача испарение жидкости с поверхности тела
при высоких t окружающей среды. У человека для этого
служит потоотделение, у собак и многих птиц – учащенное
дыхание. Некоторые сумчатые в жару обмазывают шкуру
обильной слюной.

44.

Адаптация к действию высокой t
Высокая t может действовать на организм человека
на производстве, при пожаре, в боевых и аварийных
условиях, в бане.
Механизмы адаптации направлены на увеличение
теплоотдачи и снижение теплопродукции. В результате t
тела (хотя и повышается) остается в пределах верхней
границы нормального диапазона. Проявления гипертермии
в значительной мере определяются t окружающей среды.

45.

При повышении внешней t до +30-31о С происходит
расширение артерий кожи и усиление в ней кровотока,
увеличивается t поверхностных тканей. Отдача избытка тепла
путём конвекции, теплопроведения и радиации, но по мере
нарастания t окружающей среды их эффективность
снижается.
При внешней t +32-33оC и > прекращаются конвекция и
радиация. Ведущее значение – потоотделение и испарение с
поверхности тела и дыхательных путей. Так, с 1 мл пота
теряется примерно 0,6 ккал тепла.
Конве́кция (лат. convectiō - «перенесение») – вид
теплообмена, при котором внутренняя энергия передается
струями и потоками.
Теплопроведение – физический процесс передачи
тепловой энергии от более горячего тела к менее горячему,
либо непосредственно (при контакте), или через
разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо
материала.

46.

47.

Тепловое излучение – электромагнитное излучение,
возникающее за счёт внутренней энергии тела. Имеет сплошной
спектр, расположение и интенсивность максимума которого
зависят от температуры тела.

48.

Потовые
железы
секретируют
калликреин,
расщепляющий альфа2-глобулин. Образуется в крови каллидин,
брадикинин и др. кинины. Кинины расширяют артериолы кожи
и подкожной клетчатки; потенциируют потоотделение.
• В связи с активацией симпатоадреналовой системы
увеличивается ЧСС и минутный выброс сердца.
• Перераспределение кровотока с развитием его централизации.
• Тенденция к повышению АД.

49.

Система кровообращения
Увеличение кожного кровотока, за счет расширение
капиллярного русла кожи, что приводит к гиперемии кожных
покровов, увеличивает теплопроводность кожи.
Для поддержание нормального АД, происходит
компенсаторное увеличение ЧСС, увеличивается веномоторный
тонус, снижается кровоток в некоторых внутренних органах.
Эффективность этих изменений может способствовать
теплоотдаче только при благоприятных условиях для
механизмов теплопотери (испарение, радиация, конвекция).
Потоиспарительный путь отведения тепла наиболее
эффективен, но испарительная теплоотдача сопровождается
значительными потерями воды, микроэлементов, электролитов,
витаминов, что требует возмещения.
Гиперемия – переполнение кровью сосудов кровеносной
системы какого-либо органа или области тела.

50.

51.

Респираторная система
Дыхание учащается, становится поверхностным из-за
снижения тонуса мускулатуры и минимизацией потери
влаги.
Снижается газообмен, развиваются гипоксические
условия,
снижаются
окислительно-восстановительные
процессы и синтеза АТФ, что приводит к угнетению
большинства метаболических реакций – синтез белка,
пищеварительных ферментов, гормонов.
На первых стадиях адаптационного процесса
усиливаются функции железистого аппарата, наблюдается
гиперемия слизистых оболочек, повышается теплоотдача за
счет испарения. Затем декомпенсация железистого аппарата
воздухоносных путей – сухость слизистых оболочек,
развиваются дистрофические и атрофические процессы,
переходящие в гнойно-некротические.
Гипоксия – пониженное содержание кислорода в
организме или отдельных органах и тканях.

52.

Органы пищеварения
Тепловое воздействие приводит к снижению тонуса
гладкой мускулатуры – атоничное состояние о. пищеварения
(желудок, кишечник, желчевыделительная система, печень,
панкреобилиарная система) и их сфинктеров.
Снижается потребность в пище и секреция
пищеварительных соков. Снижение веса почти всех
внутренних органов. Сниженная функциональная активность
органов в момент тепловой нагрузки, ведет к их большей
чувствительности к пищевым и перегрузкам и интоксикациям.
Атония кишечника –
снижение его перистальтики и
потеря тонуса.

53.

Метаболические реакции
Повторные воздействия тепла влияют на регуляцию
теплоотдачи, а теплообразование увеличивается (В.Ф.
Миропольский). Снижается скорость потребления О2,
активируется анаэробный путь энергообмена (гликолиз).
Стресс-реакция и
тканевая гипоксия активируют
биохимические реакции и увеличивают теплопродукцию.
Под действием высокой t растет распад белка (особенно
в воспалительных очагах). Продукты распада формируют
эндогенную интоксикацию – для нейтрализации увеличение
функции печени и почек. Т.к. кровоток изменен, эти органы
теряют способность полноценно проводить детоксикацию и
выведение продуктов распада.
При продолжающейся гипертермии – коматозное
состояние с летальным исходом.
Кратковременное
воздействие высокой t снижает интенсивность синтеза РНК и
угнетает биосинтез белка; нормализация длительное время.

54.

Гипертермия – перегревание, накопление избыточного
тепла в организме человека и животных с повышением
температуры тела, вызванное внешними факторами,
затрудняющими теплоотдачу во внешнюю среду или
увеличивающими поступление тепла извне – перегревание,
накопление избыточного тепла в организме человека и
животных с повышением температуры тела, вызванное
внешними факторами, затрудняющими теплоотдачу во
внешнюю среду или увеличивающими поступление тепла
извне.

55.

Стадии адаптации к высоким t
1. Аварийная – неустойчивая адаптация
Увеличение
теплопродукции,
недостаточность
испарительной теплоотдачи, которая компенсируется резкой
вазодилатацией кожных сосудов и увеличением кровотока в
коже, при снижении кровотока во внутренних органах, на
фоне компенсаторного увеличения ЧСС и минутного объема
сердца. Основная компенсаторная система ССС, и
декомпенсация легче развивается у страдающих СС
заболеваниями.
2. Переходная – срочная адаптация
Уменьшение двигательной активности, снижение
потребляемой пищи и функций органов пищеварения, что в
условиях сниженного кровотока сдерживает гипоксию и
дистрофические процессы. Приводит к снижению
теплопродукции и уменьшению нагрузки на органы
кровообращения.

56.

3. Устойчивости – долгосрочной адаптации
формируется в условиях прерывистого воздействия тепловым
фактором. Для неё характерно повышение порога
чувствительности тепловых рецепторов, укорочение периода
испарительной теплоотдачи и гипертрофии потовых желез.
Во
внутренних
органах
развиваются
механизмы
препятствующие накоплению тепла в условиях сниженного
кровотока.
4. Истощение и разбалансировка функциональных
систем при непрерывном, длительном
и интенсивном
воздействии высокой t. Процессы характерные для 1 стадии,
а также снижение детоксикационной функции печени,
толерантности к нагрузкам, хроническая дегидратация и
потеря солей, дефицит витаминов, ферментов, гормонов,
белков. Восполнение этих потерь затруднено из-за угнетения
аппетита и снижения функции ЖКТ.
Дегидратация – в медицине то же, что обезвоживание
организма.

57.

Температурные адаптации животных
Животные, обладающие мускулатурой, производят
гораздо больше собственного, внутреннего тепла. При
сокращении мышц освобождается значительно больше
тепловой энергии, чем при функционировании любых других
органов и тканей, так как КПД использования хим. энергии для
совершения мышечной работы относительно низок.
Чем мощнее и активнее мускулатура, тем больше тепла
может генерировать животное. Основные пути температурных
адаптации у животных:
1) хим. терморегуляция – активное увеличение
теплопродукции в ответ на понижение t среды;

58.

2) физическая терморегуляция – изменение уровня
теплоотдачи, способность удерживать тепло или, наоборот,
рассеивать
его
избыток.
Особые
анатомические
и
морфологические черты строения животных: волосяной и
перьевой покров, детали устройств кровеносной системы,
распределение жир. запасов, возможностям испарительной
теплоотдачи и т. п.

59.

3)
поведение
организмов.
Перемещаясь
в
пространстве или изменяя свое поведение более сложным
образом, животные могут активно избегать крайних t. Для
многих животных поведение является почти единственным
и очень эффективным способом поддержания теплового
баланса.
Японские макаки
Городские воробьи