Температура как экологический фактор

РЕФЕРАТ
по дисциплине: Экология и рационально природопользование
Тема: «Температура как экологический фактор»
Выполнил
студент 306 группы
направления 06.03.01 Биология
Кундев Владислав Сергеевич
Проверил
д.б.н,профессор Кузнецов В.А.
Саранск 2020
Содержание
Введение
Экологические факторы – это определенные условия и элементы среды, которые оказывают специфическое воздействие на организм. Одним из наиболее важных экологических факторов является температура, относящаяся к абиотических факторам среды. Абиотические факторы – это вся совокупность факторов неорганической среды, влияющих на жизнь и распространение животных и растений.
Температурный фактор характеризуется ярко выраженными как сезонными, так и суточными колебаниями. В ряде районов Земли это действие фактора имеет важное сигнальное значение в регуляции сроков активности организмов, обеспечении их суточного и сезонного режима жизни. При характеристике температурного фактора очень важно учитывать его крайние показатели, продолжительность их действия, повторяемость.
I Температура как экологический факторВсе химические процессы, протекающие в организме, зависят от температуры. Изменения тепловых условий, часто наблюдаемые в природе, глубоко отражаются на росте, развитии и других проявлениях жизнедеятельности животных и растений. Различают организмы с непостоянной температурой тела - пойкилотермные и организмы с постоянной температурой тела – гомойтермные. Пойкилотермные животные целиком зависят от температуры окружающей среды, тогда как гомойтермные способны поддерживать постоянную температуру тела независимо от изменений температуры окружающей среды. Подавляющее большинство наземных растений и животных в состоянии активной жизнедеятельности не переносит отрицательной температуры и погибает. Верхний температурный предел жизни неодинаков для разных видов – редко выше 40-45оС. Некоторые цианобактерии и бактерии обитают при температурах 70-90оС, в горячих источниках могут жить и некоторые моллюски (до 53оС). Для большинства наземных животных и растений оптимум температурных условий колеблется в довольно узких пределах (15-30оС). Верхний порог температуры жизни определяется температурой свертывания белков, поскольку необратимое свертывание белков (нарушение структуры белков) возникает при температуре около 60oС.
Пойкилотермные организмы в процессе эволюции выработали различные приспособления к изменяющимся температурным условиям среды. Главным источником поступления тепловой энергии у пойкилотермных животных – внешнее тепло. У пойкилотермных организмов выработались различные приспособления к низкой температуре. Некоторые животные, например, арктические рыбы, обитающие постоянно при температуре – 1,8oС, содержат в тканевой жидкости вещества (гликопротеиды), препятствующие образованию кристаллов льда в организме; у насекомых накапливается для этих целей глицерин. Другие животные, наоборот, увеличивают теплопродукцию организма за счет активного сокращения мускулатуры – так они повышают температуру тела на несколько градусов. Третьи регулируют свой теплообмен за счет обмена тепла между сосудами кровеносной системы: сосуды, выходящие из мышц, тесно соприкасаются с сосудами, идущими от кожи и несущими охлажденную кровь (такое явление свойственно холодноводным рыбам). Адаптивное поведение проявляется в том, что многие насекомые, рептилии и амфибии выбирают места на солнце для обогрева или меняют различные позы для увеличения поверхности обогрева.
У ряда холоднокровных животных температура тела может меняться в зависимости от физиологического состояния: к примеру, у летающих насекомых внутренняя температура тела может подниматься на 10-12oС и более вследствие усиленной работы мышц. У общественных насекомых, особенно у пчел, развился эффективный способ поддержания температуры путем коллективной терморегуляции (в улье может поддерживаться температура 34-35oС, необходимая для развития личинок).
Пойкилотермные животные способны приспосабливаться и к высоким температурам. Это происходит также разными способами: теплоотдача может происходить за счет испарения влаги с поверхности тела или со слизистой верхних дыхательных путей, а также за счет подкожной сосудистой регуляции (например, у ящериц скорость тока крови по сосудам кожи увеличивается при повышении температуры).
Наиболее совершенная терморегуляция наблюдается у птиц и млекопитающих – гомойтермных животных. В процессе эволюции они приобрели способность поддерживать постоянную температуру тела благодаря наличию четырехкамерного сердца и одной дуги аорты, что обеспечило полное разделение артериального и венозного кровотока; высокого обмена веществ; перьевого или волосяного покрова; регуляции теплоотдачи; хорошо развитой нервной системы приобрели способность к активной жизни при разной температуре. У большинства птиц температура тела несколько выше 40oС, а у млекопитающих – несколько ниже. Весьма важное значение для животных имеет не только способность к терморегуляции, но и адаптивное поведение, постройка специальных убежищ и гнезд, выбор места с более благоприятной температурой и т.п. Они также способны приспосабливаться к низким температурам несколькими путями: кроме перьевого или волосяного покрова, теплокровные животные с помощью дрожи (микросокращения внешне неподвижных мышц) уменьшают теплопотери; при окислении бурой жировой ткани у млекопитающих образуется дополнительная энергия, поддерживающая обмен веществ.
Приспособление теплокровных к высоким температурам во многом сходно с аналогичными приспособлениями холоднокровных – потоотделение и испарение воды со слизистой рта и верхних дыхательных путей, у птиц – только последний способ, так как у них нет потовых желез; расширение кровеносных сосудов, расположенных близко к поверхности кожи, что усиливает теплоотдачу (у птиц этот процесс протекает в неоперенных участках тела, например, через гребень). Температура, как и световой режим, от которого она зависит, закономерно меняется в течение года и в связи с географической широтой. Поэтому все приспособления более важны для обитания при отрицательных температурах.
II Действие высоких температурТемпература растений величина непостоянная. Причинами этому являются и турбулентные потоки, и изменения температуры воздуха, и само действие воздуха. Температура растений есть величина, характеризующая общий уровень нагрева. Так как растения пойкилотермны, то их температура определяется тепловым балансом, то есть соотношением поглощения и отдачи энергии. Величины эти зависят от свойств окружающей среды и от самих растений. Главную роль играет охлаждающее действие транспирации, которое препятствует сильным перегревам в жарких условиях.
Растительные организмы в зависимости от их температурного оптимума можно подразделить на несколько групп:
термофильные (более 50°C);
теплолюбивые (25-50°C);
умеренно теплолюбивые (15-25°C);
холодолюбивые (5-15°C).
Среди представителей высших растений не наблюдается термофильных организмов. Но имеются виды, которые могут переносить высокие температуры. Среди культурных растений, способных к интенсивному росту, амплитуда между максимальной и минимальной температурами составляет примерно 30°C. Под влиянием условий среды устойчивость растений к температурному фактору может варьировать, а следствие этому может представлять смешение точек максимума и минимума, изменение величины амплитуды, при которой растение развивается без особых повреждений. Губительное действие проявляется не только в виде абсолютных значений, но и в том, как долго действует данный фактор. Как кратковременные высокие температуры, так и продолжительные низкие могут быть очень пагубными для растений. Есть определенная закономерность между жароустойчивостью растений и их условиями обитания: организм будет тем жароустойчивее, чем выше температура воздуха и суше местообитание.
В ходе индивидуального развития жаростойкость модифицируется, а именно устойчивость молодых, растущих растений ниже, чем у старых. Также эти изменения можно наблюдать и в морфологии растения. Высокой устойчивостью отличаются почки, побеги, камбий (образовательная ткань), температура клеток которого может достигать отметки +55 °C, менее устойчива корневая система.
III Влияние высокой температуры на физиологические процессыПосле «выгодной» температуры для растения, при которой нормально протекают физиологические процессы, последующее ее повышение идет уже со снижением скорости вплоть до его остановки. Температура влияет на скорость диффузии и на скорость протекания химических реакций (как правило, оказывает прямое влияние). Также она приводит к изменению структуры белковых молекул. Вместе это сказывается на изменении функционирования ферментов, нарушении непроницаемости мембранных комплексов, относительного постоянства внутриклеточной среды, изменении взаимодействия между рецепторами и гормонами. Самой первой «мишенью» клетки при действии высоких температур является денатурация белков и изменение структуры мембран, а именно изменение их текучести. При воздействии высоких температур электростатические и водородные взаимодействия в полярных группах белков внутри жидкой фазы мембран падают, а интегральные белки лучше взаимодействуют с липидной фазой. Результатом этого, как правило, является изменение структуры и состава мембран, увеличение их проницаемости и выделение клеткой водорастворимых веществ. Высокая текучесть мембранных липидов при воздействии высоких температур может приводить к потере активности ферментных комплексов и нарушению работы переносчиков электоронов. А от состояния липидов в хлоропластах в большей степени зависят фотохимические реакции.
Фотосинтез и дыхание изменяют свою скорость при повышенных температурах. Но между ними имеется отличие, так как у фотосинтеза оптимальные температуры ниже оптимальных температур дыхания. То есть при перегреве интенсивность дыхания только увеличивается, тогда как фотосинтеза падает. И в этих условиях дыхание может поставлять энергию для восстановления поврежденных клеточных органелл и функций клетки. Последующее повышение температуры до отметок в 50-52°C, особенно при продолжительном воздействии, приводит к снижению образования молекул аденозинтрифосфорной кислоты. При таких температурах клетка уже не имеет энергии для синтезирования макромолекул и удержанию устойчивости мембран и клеточных органелл. Но, следует отметить, что и энергетические потребности растения тоже снижаются, потому, как и рост и поток веществ замедляется, либо вовсе затормаживается.
Вязкость цитоплазмы претерпевает изменения вследствие действия высоких температур (чаще увеличивается). В основе изменения вязкости цитоплазмы лежит изменение скелета клетки.
Существенное влияние высокие температуры оказывают на водный режим растений. Самой быстрой реакцией на данный температурный фактор оказывается повышение интенсивности транспирации, что ведет к водному дефициту растений.
Температура приводит к нарушению опыления и оплодотворения, а это приводит к недоразвитости семян. У некоторых растений в период цветения действие высоких температур приводит к стерильности цветков и гибели завязей.
Клеточные процессы по-разному проявляют себя при повышенных температурах. Например, проницаемость плазмалеммы, начиная с отметки в 50°C, увеличивается, а при более высоких температурах- проницаемость тонопласта (мембраны вакуоли), в результате чего из вакуоли выделяются растительные пигменты и происходит окрашивание цитоплазмы.
IV Адаптации растений к различным температурным условиямЖизнедеятельность растений в значительной степени зависит от температуры окружающей среды. По потребности к количеству тепла их разделяют на три экологические группы: теплолюбивые, мезотермные и холодостойкие.
Теплолюбивые растения произрастают в тропическом, субтропическом поясах и хорошо прогреваемых местообитаниях умеренного пояса. У теплолюбивых растений выработались адаптации к действию высоких температур. Мезотермные и холодостойкие растения, населяющие умеренный и холодный пояса, вынуждены адаптироваться к низким температурам. Все адаптации растений к температуре можно разделить на три типа: биохимические, физиологические и морфологические.
При высокой температуре в цитоплазме клеток теплолюбивых растений увеличивается содержание защитных веществ (органических кислот, солей, слизи). Они препятствуют свертыванию цитоплазмы и нейтрализуют токсичные вещества.
У холодостойких растений при низких температурах происходит накопление углеводов (в основном глюкозы) в клеточном соке, что снижает точку замерзания воды.
Эффективной защитой растений от перегрева служит усиленная транспирация (испарение воды) благодаря большому количеству устьиц.
У растений пустынь и степей короткий цикл развития позволяет избегать действия высоких температур. Вся вегетация у них происходит ранней весной. А летнюю жару они переживают в состоянии покоя. Однолетние растения, у которых состояние покоя проходит в виде семян, называют эфемерами (мак). Многолетники, переживающие неблагоприятный период в виде луковиц, клубней или корневищ, называют эфемероидами (тюльпан).
Крайней мерой в борьбе с холодом или жарой является переход растений в состояние анабиоза (обратимая приостановка жизненных процессов) вследствие обезвоживания. Например, мхи и лишайники могут длительное время находиться в таком состоянии.
Действие высоких температур на растения субтропического и тропического поясов снижается за счет усиления отражения солнечных лучей и уменьшения светопоглощающей поверхности.
Повышению отражения солнечного света способствует светлая окраска листьев, их блестящая или опушенная поверхность.
Уменьшение поглощения света достигается благодаря видоизменению листовых пластинок. Это могут быть колючки (кактусы) или мелкие (саксаул), рассеченные (пальмы), свернутые (ковыль) листья.
Противодействует перегреву растений вертикальное по отношению к солнечным лучам расположение листьев. Изменение угла их наклона может происходить при повороте листовой пластинки.
Адаптации у растений холодного климата проявляются в виде формирования карликовых жизненных форм (березы, ивы). Встречаются также стелющиеся (кедровый стланик, можжевельник туркестанский) и подушковидные (высокогорные и арктические растения-подушки) жизненные формы. Такие растения меньше подвержены воздействию ветра, лучше укрыты снегом зимой, полнее используют тепло почвы летом.
V Адаптации животных к различным температурным условиямРазнообразие адаптаций животных к неблагоприятным температурным условиям объясняется разными способами терморегуляции у пойкилотермных и гомойотермных организмов. Все адаптации животных по механизму действия разделяют на биохимические, физиологические, морфологические и поведенческие.
У пойкилотермных животных при переохлаждении происходит накопление «биологических антифризов» (веществ, понижающих точку замерзания воды) в жидкостях тела. Такими веществами у рыб являются гликопротеиды, у насекомых – глицерин, высокие концентрации глюкозы.
У арктических и антарктических рыб отмечается повышенное содержание ненасыщенных жирных кислот в составе жиров, что снижает температуру их затвердевания.
У гомойотермных организмов борьба с переохлаждением происходит за счет повышения интенсивности обмена веществ. У млекопитающих усиливается расщепление особой жировой ткани (бурого жира). Она богата митохондриями и пронизана многочисленными кровеносными сосудами.
У пойкилотермных организмов регуляция теплообмена происходит благодаря особенностям строения кровеносной системы.
Большое значение для терморегуляции у пойкилотермных животных имеет наличие артериовенозных «теплообменников». Сосуды, выходящие из мышц, тесно соприкасаются с сосудами, идущими от кожи. Кровь кожи согревает кровь мышц, и в глубь тела она поступает теплой. Отдав свое тепло, охлажденная мышечная кровь вновь направляется к поверхности тела. При увеличении температуры окружающей среды у ящериц, например, увеличивается скорость тока крови по сосудам.
При высоких температурах как у пойкилотермных, так и у гомойотермных организмов теплоотдача усиливается за счет испарения влаги с поверхности тела (потоотделение). Влага может испаряться через слизистые оболочки ротовой полости и верхние дыхательные пути (тепловая одышка и др.).
В случае воздействия низких температур у животных может возникнуть мышечная дрожь. Они могут также впадать в спячку.
У млекопитающих с короткой и редкой шерстью важную роль в терморегуляции играют сосудистые реакции. Расширение или сужение мелких поверхностных сосудов кожи усиливает или снижает теплоотдачу.
Уменьшению потерь тепла у организмов способствуют теплоизолирующие покровы. Пресмыкающиеся имеют роговой покров, птицы – перьевой, млекопитающие – волосяной. Сохранению тепла способствует подкожный жир, особенно выраженный у обитателей холодного климата (ластоногие и китообразные).
У пойкилотермных животных существует два типа поведенческих адаптаций. Это активный выбор мест с наиболее благоприятным температурным режимом и смена поз.
В первом случае насекомые, пресмыкающиеся и земноводные активно отыскивают освещенные солнцем места. Получив необходимое количество тепла, животные перемещаются в тень или прячутся в норах и поддерживают температуру за счет мышечных сокращений. У водных животных перемещение происходит между мелководными, хорошо прогреваемыми зонами и более глубоководными прохладными участками.
Смена поз позволяет изменять поверхность тела, прогреваемую солнечными лучами. Например, морские игуаны на Галапагосских островах рано утром или в пасмурную погоду принимают «распростертые» позы, всем телом прижимаясь к субстрату. Это обеспечивает максимальную поверхность обогрева солнцем. При перегреве они принимают «приподнятую» позу. Их грудь и передняя часть тела подняты над субстратом. Это уменьшает поверхность обогрева, и тело обдувается ветром.
Для гомойотермных животных также характерно адаптивное поведение. Оно проявляется в виде выбора мест для защиты от холода или жары, сезонных миграций. Животные могут зарываться в снег, образовывать тесные скопления особей для снижения энергозатрат на терморегуляцию и т. д.

ЗаключениеВегетационный период растений зависит от того, в каком поясе они обитают. В тропическом поясе он длится круглый год, в умеренном - от весны до осени, в полярном поясе Северного полушария – до 2 месяцев.
На полюсе Северного полушария зимняя температура – 71,2оС. В Южном полушарии наименьшая зафиксированная температура – 89,2оС. Самые жаркие места находятся в Африке, в районе экватора. Температура в тени достигает 58оС, а почва прогревается до 70-80оС. В пределах одного пояса проявляются различия температурных условий. Более темные почвы лучше прогреваются. Летом в лесу прохладнее, чем на открытой местности.
Каждый вид живых существ выбирает приемлемый температурный режим. Для одного и того же растения в разный период жизни требуется разное количество тепла.
Список литературы
1. Дедю И.И. Экологический энциклопедический словарь. – Кишинев: Изд-во МСЭ, 1990. – 406 с.
2. Новиков Г.А. Основы общей экологии и охраны природы. – Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1979. – 352 с.
3. Радкевич В.А. Экология. – Минск: Вышейшая школа, 1983. – 320 с.
4. Реймерс Н.Ф. Экология: теория, законы, правила, принципы и гипотезы. -М.: Россия молодая, 1994. – 367 с.
5. Риклефс Р. Основы общей экологии. - М.: Мир, 1979. - 424 с.
6. Степановских А.С. Экология. – Курган: ГИПП «Зауралье», 1997. – 616 с.
7. Христофорова Н.К. Основы экологии. – Владивосток: Дальнаука, 1999. – 517 с.