Свет как экологический фактор (интенсивность, спектральный состав, периодичность).

Свет является одним из важнейших экологических факторов, особенно для фотосинтезирующих зеленых растений. Основным источником света для Земли является Солнце, излучающее огромное количество энергии, в том числе электромагнитной. Приближённый состав последней по длине волны (l, нм) следующий: 48% – инфракрасная (l = 1·10⁶…760); 50% – видимая (l = 760…360); 2% – ультрафиолетовая (l = 360…10) и ионизирующая (l < 10).

Ультрафиолетовое излучение с l < 200 нм губительно для жизни, с l = 250…360 нм – стимулирует у животных образование витамина D, а с l = 200…300 нм губительно для микроорганизмов.

Электромагнитное излучение с l = 380…400 нм обладает высокой фотосинтетической активностью.

Инфракрасное излучение воспринимается всеми организмами как тепло.

Особое значение в жизни всех организмов имеет видимый свет, за счет которого образуется хлорофилл и осуществляется важнейший в жизни биосферы процесс фотосинтеза (образование органических веществ из неорганических с использованием солнечной энергии). Фотосинтез обеспечивает планету органическими веществами и аккумулированной в них солнечной энергией.

В общем балансе энергии Земли солнечная составляет ~ 99,9 %. Если принять солнечную энергию, достигающую Земли, за 100 %, то ~ 19 % её поглощается атмосферой, ~ 34 % отражается в космос и ~ 47 % достигает земной поверхности в виде прямой и рассеянной электромагнитной энергии. Прямая электромагнитная энергия представляет собой спектр излучения с l от 0,1 до 30000 нм. Ультрафиолетовая часть этого спектра составляет 1…5 %, видимая 16…45 %, инфракрасная 49…84 %. Количество рассеянной электромагнитной энергии возрастает с уменьшением высоты стояния Солнца над горизонтом и увеличением мутности атмосферы. Спектральный состав электромагнитного излучения безоблачного неба характеризуется максимальной энергией с l = 400…480 нм.

Из спектра ультрафиолетового излучения до поверхности Земли доходит только длинноволновая часть с l = 290…380 нм, а его коротковолновая составляющая, губительная для всего живого, практически полностью поглощается озоном стратосферы на высоте 20…25 км. Длинноволновая часть спектра ультрафиолетового излучения обладает большой энергией фотонов, что обусловливает его высокую фотохимическую активность. Большие дозы этого излучения вредны для организмов, а небольшие необходимы многим из них. В диапазоне l = 250…300 нм ультрафиолетовое излучение обладает мощным бактерицидным действием, способствует образованию у животных антирахитичного витамина D, а при l = 200…380 нм инициирует «загар» кожного покрова человека, что является защитной реакцией организма. Инфракрасное электромагнитное излучение с l > 750 нм оказывает тепловое воздействие на организмы.

С областью видимой электромагнитной энергии, воспринимаемой глазом человека, практически совпадает физиологически активная электромагнитная энергия (l = 300…800 нм), в пределах которой находится фотосинтетически активный диапазон l = 380…710 нм. Область физиологически активной электромагнитной энергии принято делить на ряд зон: ультрафиолетовую (УФ) – l < 400 нм; сине-фиолетовуую (С-Ф) – l = 400…500 нм; жёлто-зелёную (Ж-З) – l = 500…600 нм; оранжево-красную (О-К) – l = 600…700 нм и дальнюю красную (ДК) – l > 700 нм.

Из всего потока фотосинтетически активной электромагнитной энергии, достигающей земной поверхности, около 0,2 % кумулируется растениями, благодаря уникальной реакции фотосинтеза по схеме

CO₂ + H₂O + солн. энергия ^{хлорофилл} CH₂O + O₂

Скорость фотосинтеза зависит от вида растения, интенсивности света, температуры, концентрации СО₂ и других факторов. Например, в средней полосе России у большинства сельскохозяйственных (с/х) растений скорость фотосинтеза достигает 20 мг СО₂ на 1 дм² листовой поверхности в час.

Фотосинтез практически не происходит в желто-зелёной части спектра видимого излучения.

В целом свет влияет на: скорость роста и развития растений; интенсивность фотосинтеза; активность животных; изменение влажности и температуры среды; суточные и сезонные биоциклы, обусловленные вращением Земли вокруг своей оси и движением вокруг Солнца.

На жизнедеятельность организмов влияет также световой режим – совокупность освещенности (лк, Вт/м²), количества света (суммарное количество электромагнитной энергии) и качества света (спектральный состав). Световой режим зависит от широты местности, рельефа, мутности атмосферы, подстилающей поверхности, облачности и других факторов.

По отношению к свету различают следующие экологические группы растений: световые (светолюбы), тенелюбивые (тенелюбы), теневыносливые.

Световые виды (гелиофиты) обитают на открытых местах с хорошей освещенностью и образуют разреженный и невысокий растительный покров (например, подсолнечник).

Теневые виды (сциофиты) растут под пологом леса в постоянной тени (например, лесные травы).

Теневыносливые виды (факультативные гелиофиты) могут расти как при хорошем освещении, так и в условиях затенения (большинство растений лесов).

Изменение специфичности светового режима в первых двух группах ведет к угнетению их жизнедеятельности вплоть до гибели.

Свет является важнейшим средством ориентации животных. У животных ориентация на свет осуществляется в результате фототаксисов: положительного (перемещение в сторону большей освещенности) и отрицательного (перемещение в сторону меньшей освещенности).

Среди животных различают ночные и сумеречные виды, а также живущих в постоянной темноте. Последние не выносят солнечного света (почвенные, пещерные, глубоководные, внутренние паразиты животных и растений). Начиная с кишечно-полостных видов, у животных развиваются светочувствительные органы – глаза.

Световой режим оказывает влияние на географическое распространение животных.

Определенную роль в жизнедеятельности животных имеет биолюминесценция – способность организмов светиться. Происходит это в результате окисления органических веществ – люциферинов в ответ на раздражения, поступающие из окружающей среды. Биолюминесценция имеет сигнальное значение в жизни животных, например, для привлечения особей противоположного пола в ночное и сумеречное время у жуков – светляков.

Таким образом, растениям свет необходим в основном для фотосинтеза, а животным в основном для получения информации об окружающей их среде.

№28

Химические факторы. Понятия толерантности, резистентности к химическому загрязнению. Кривая "доза-эффект". Экологическая токсикология о становлении резистентности. Акклимация.

Проникновение в окружающую среду химических веществ, отсутствующих в этой среде ранее или изменяющих естественную концентрацию до уровня, превышающего обычную норму, относят к химическому загрязнению. Сюда входит загрязнение тяжелыми металлами, пестицидами, отдельными простыми или сложными химическими веществами.

Токсикология– комплекс методов количественной оценки токсичности и опасности химических веществ для организма.

Тест-объект: Ceriodafnia affinis позволяет за 7 суток дать полную оценку токсичности сточных вод или химических веществ. Ddafnia magna – за 21–24 дня.

Тест-организмы – это высокочувствительные организмы, широко представленные в определенных географических зонах, доступные для сбора, удобные для содержания и культивирования в лаборатории и хорошо изученные.

КРИВАЯ «ДОЗА-ЭФФЕКТ»

Резистентность – способность противостоять токсическому действию веществ за счет реализации адаптивных механизмов (синтез металлотионеина- белок до пределов толерантности).

Логнормальное распределение

Единицы измерения - концентрация вещества в природной среде - мг/л, мкг/л, г/л Время – сек., мин., часы, сутки

Для сравнительной оценки токсичности ядов пользуются величиной LD50. Эта величина является той средней дозой, после поступления которой (в желудок, брюшную полость, на кожу) в течение трех суток наступает гибель 50 % подопытных животных. Иногда для определения LD50 подопытных животных наблюдают в течение не трех, а 14 суток. LD50 выражается в миллиграммах вещества на килограмм массы животного (мг/кг).

Большинство полученных дозовых зависимостей, носит S-об-разный характер.

Чувствительность большинства животных в популяции близка среднему значению. Интервал доз, включающий основную часть кривой вокруг центральной точки, иногда обозначается как «потенция» препарата.

Небольшая часть популяции в левой части кривой «доза-эффект» реагирует на малые дозы токсиканта. Это группа сверхчувствительных или гиперреактивных особей. Другая часть популяции в правой части кривой реагирует лишь на очень большие дозы токсиканта. Это малочувствительные, гипореактивные или резистентные особи.

Наклон кривой «доза-эффект», особенно вблизи среднего значения, характеризует разброс доз, вызывающих эффект. Эта величина указывает, как велико будет изменение реакции популяции на действие токсиканта с изменением действующей дозы. Крутой наклон указывает на то, что большая часть популяции будет реагировать на токсикант примерно одинаково в узком диапазоне доз, в то время как пологий наклон свидетельствует о существенных различиях в чувствительности особей к токсиканту

АККЛИМАЦИЯ – компенсаторные изменения, возникающие в организме при длительном отклонении какого-либо одного фактора среды от первоначального уровня.

- адаптация к одному какому-нибудь фактору при неизменности других факторов среды.

Акклимацию следует считать элементарной формой природных фенотипических адаптаций. Эту форму очень сложно изучать в природе. Форма доступна исследованию только в виде лабораторного эксперимента.

Требования к исследованию акклимации лишь в лабораторных условиях становится очевидным, если учесть еще одну особенность этого явления. Оно относится не только к одному фактору среды, но и к определенной дозе этого фактора или к определенному шагу измененной среды, что возможно в искусственно созданной лабораторной обстановке.

Лишь в редких случаях при периодических изменениях природных факторов и определенных пределах их суточной приливно-отливной (море) или сезонной ритмики можно говорить о природной акклимации.

№29