Министерство образования РФ Сахалинский Государственный УниверситетРеферат на тему: «Влага, основные приспособительные реакции растений и животных»Выполнили студенты 4 курса ОЗО ЕНФ, биология Белинская А.А.г.Южно-Сахалинск 2008г.Влажность.Вода. В жизни организмов вода выступает как важнейший экологический фактор. Без воды нет жизни. Живых организмов, не содержащих воду, на Земле не найдено. Она является основной частью протоплазмы клеток, тканей, растительных и животных соков. Все биохимические процессы ассимиляции и диссимиляции, газообмен в организме осуществляются при достаточном обеспечения его водой. Вода с растворенными в ней веществами обусловливает осмотическое давление клеточных и тканевых жидкостей, включая и межклеточный обмен. В период активной жизнедеятельности растений и животных содержание воды в их организмах, как правило, довольно высокое.^ Содержание воды в растительных и животных организмах,% к массе тела (по Б.С. Кубанцеву, 1973) Растения Содержание воды Животные Содержание воды Водоросли Корни моркови Листья трав Листья деревьев Клубни картофеля Стволы деревьев 96-98 87-91 83-86 79-82 74-8040-55 Губки Моллюски Насекомые Ланцетник ЗемноводныеМлекопитающие 84 80-92 46-92 87 до 9368-83 В недеятельном состоянии организма количество воды может значительно снижаться, однако и в период покоя она не исчезает полностью. Например, в сухих мхах и лишайниках содержание воды к общей массе составляет 5—7%, а в воздушно-сухих зерновках злаков — не менее 12— 14%. Наземные организмы из-за постоянной потери воды нуждаются в регулярном ее пополнении. Поэтому у них в процессе эволюции выработались приспособления, которые регулируют водный обмен и обеспечивают экономное расходование влаги. Приспособления носят анатомо-морфологический, физиологический и поведенческий характер. Потребность разных видов растений в воде по периодам развития не одинакова. Меняется она и в зависимости от климата и почвы. Так, злаковые культуры в периоды прорастания семян и созревания нуждаются меньше во влаге, чем во время наиболее интенсивного роста. Кроме влажных тропиков, практически повсеместно растения испытывают временный недостаток воды, засуху. При высоких температурах в летний период часто проявляется атмосферная засуха, а также почвенная (приуменьшении доступной растению почвенной влаги). Недостаток или дефицит влаги снижает прирост растений, может стать причиной их низкорослости, бесплодия из-за недоразвития генеративных органов. Первостепенное значение во всех проявлениях жизнедеятельности имеет водный обмен между организмом и внешней средой. Влажность среды нередко является фактором, лимитирующим распространение и численность организмов на Земле. Например, степные и особенно лесные растения требуют повышенного содержания паров в воздухе, растения же пустынь приспособились к низкой влажности.^ Адаптации растений к поддержанию водного баланса.Низшие наземные растения из влажного субстрата поглощают воду погруженными в него частями таллома, а влагу дождя, росы и тумана – всей поверхностью. В максимально набухшем состоянии лишайники содержат в 20-30 раз больше воды, чем сухого вещества. Среди высших наземных растений мохообразные поглощают воду из почвы ризоидами, а большинство других – корнями, специализированными органами, всасывающими воду. В клетках корня развивается сосущая сила чаще всего в несколько атмосфер, но этого достаточно для извлечения из почвы большей части связанной воды. Когда в непосредственной близости от корней запасы воды в почве истощаются, корни растут в направлении большей влажности, так что корневая система растений постоянно находится в движении. У степных и пустынных растений часто можно видеть эфемерные корни, быстро вырастающие в периоды увлажнения почвы, а с наступлением засушливого периода засыхающие. По типу ветвления различают следующие корневые системы:экстенсивная охватывает большой объем почвы, но сравнительно слабо ветвится, так что почва пронизана корнями негусто. Таковы корневые системы у многих степных и пустынных растений (саксаула, верблюжьей колючки), у деревьев умеренной полосы (сосны обыкновенной, березы повислой), а из трав у люцерны серповидной, василька шероховатого.интенсивная охватывает сравнительно небольшой объем почвы, но густо пронизывает ее многочисленными сильно ветвящимися корнями, как например, у степных дерновидных злаков (ковылей, типнака), у ржи, пшеницы. Между этими типами корневых систем есть переходные. Всасывание воды корнями затруднено при большей сухости почвы, засолении или сильной кислотности, при низкой температуре. У высших растений есть и дополнительные пути поступления воды в тело. Мхи могут поглощать воду всей поверхностью, как и лишайники. Особенно много воды впитывают такие мхи, как кукушкин лен, виды сфагнума, чему способствует строение их листьев и побегов. При полном насыщении сфагновые мхи содержат в своем теле в десятки раз больше воды, чем в воздушно-сухом состоянии. Семена поглощают воду из почвы. Из воздуха, насыщенного водяными парами, в дождевом тропическом лесу поглощают воду многие эпифиты, например, папоротник гименгофиллум – тонкими листьями, многие орхидеи – воздушными корнями.^ Рис.2 Различные типы корневых систем А – экстенсивный (верблюжья колючка), Б – интенсивный (пшеница)В чашевидных влагалищах листьев многих зонтичных скапливается вода, которая постепенно всасывается эпидермисом. Виды из рода тиллянусия (бромелиевые) существуют в пустыне Атакама практически исключительно за счет влаги туманов и росы, которую впитывают чешуевидные волоски на листьях. Следовательно, последовательные изменения в поступлении, состоянии и содержании воды во внешней среде (дождь, снег, туман, насыщение парами воздуха, уровень грунтовых вод, влажность почвы), оказывает существенное влияние на жизнедеятельность живых организмов.^ Экологические группы растений по отношению к воде.гидатофиты – это водные растения целиком или почти целиком погруженные в воду. Среди них – цветковые, которые вторично перешли к водному образу жизни. К примеру, рдесты в большинстве это обычные, широко распространенные виды (рдест пронзенолистный, гребенчатый, плавающий, альпийский, низкий и т.д.); кувшинки представлены двумя видами – водяная лилия и желтая кувшинка. А также калужница плавающая, плавающий стрелолист, но они встречаются в водоемах Сахалина очень редко. Вытянутые из воды, эти растения быстро высыхают и погибают. У них редуцированы устьица и нет кутикулы, транспирация у таких растений отсутствует, а вода выделяется через особые клетки – гидатоды. Листовые пластинки у гидатофитов, как правило, тонкие, без дифференцировки мезофилла, часто рассеченные, что способствует более полному использованию ослабленного в воде солнечного света и усвоению СО2. Нередко выражена разнолистность – гетерофилия, у многих видов есть плавающие листья, имеющие световую структуру, поддерживаемые водой побеги часто не имеют механических тканей, в них хорошо развита аэренхима. Корневая система цветковых гидатофитов сильно редуцирована, иногда отсутствует совсем или утратила свои основные функции (у рясок). Поглощение воды и минеральных солей происходит всей поверхностью тела. Цветоносные побеги, как правило, выносят цветки над водой (реже опыление совершается в воде), а после опыления побеги снова могут погружаться, и созревание плодов происходит под водой (рдесты).2. гидрофиты – это растения наземно-водные, частично погруженные в воду, растущие по берегам водоемов, на мелководьях, на болотах. Встречаются в районах с самыми разными климатическими условиями. К ним относятся калужница, белокрыьник, лизихитон, осока свинцово-зеленая (редкий вид). У них лучше, чем у гидатофитов, развиты проводящие и механические ткани. Хорошо развита аэренхима. В аридных районах при сильной инсоляции их листья имеют световую структуру. У гидрофитов есть эпидерма с устьицами, интенсивность транспирации очень высока, и они могут расти только при постоянном интенсивном поглощении воды.3. гигрофиты – наземные растения, живущие в условиях повышенной влажности воздуха и часто на влажных почвах. Среди гигрофитов различают теневые и световые. Теневые гигрофиты – это растения нижних ярусов сырых лесов (недотрога, бодяк огородный). Из-за высокой влажности воздуха у них может быть затруднена транспирация, поэтому для улучшения водного обмена на листьях развиваются гидатоды, или водяные устьица, выделяющие капельно-жидкую воду. Листья частотонкие, с теневой структурой, со слабо развитой кутикулой, содержат много свободной и малосвязанной воды. Обводненность тканей достигает 80% и более. При наступлении даже непродолжительной и несильной засухи в тканях создается отрицательный водный баланс, растения завядают и могут погибнуть. К световым гигрофитам относятся виды открытых местообитаний, растущие на постоянно влажных почвах и во влажном воздухе (белокопытник камчатский, ползучий лютик, вахта, зюзник мелкоцветковый, подмаренник трехнадрезный, обычный белокрыльник, топяной хвощ). Переходные группы – мезогигрофиты и гигромезофиты.Мезофиты могут переносить непродолжительную и не очень сильную засуху. Это растения, произрастающие при среднем увлажнении, умеренно теплом режиме и достаточно хорошей обеспеченности минеральным питанием. К мезофитам можно отнести вечнозеленые деревья верхних ярусов тропических лесов, листопадные деревья саванн, древесные породы влажных вечнозеленых субтропических лесов, летнезеленые лиственные породы лесов умеренного пояса, кустраники подлеска, травянистые растения дубравного широкотравья, растения заневных и не слишком сухих суходольных лугов, пустынные эфемеры и эфемероиды, многие сорные и большинство культурных растений. По способности регулировать свой водный обмен одни приближаются к гигрофитам (мезогигрофиты), другие – к засухоустойчивым формам (мезоксерофиты).4. ксерофиты растут в местах с недостаточным увлажнением и имеют приспособления, позволяющие добывать воду при ее недостатке, ограничивать испарение воды или запасать и на время засухи. Ксерофиты лучше, чем все другие растения, способны регулировать водный обмен, поэтому и во время продолжительной засухи остаются в активном состоянии. Это растения пустынь, степей, жестколистных вечнозеленых лесов и кустарниковых зарослей, песчаных дюн. Ксерофиты подразделяются на два основных типа: суккуленты и склерофиты.Суккуленты – сочные растения с сильно развитой водозапасающей паренхимой в разных органах. Стеблевые суккуленты – кактусы, стапении, кактусовидные молочаи; листовые суккуленты – алоэ, агавы, молодило, очитки; корневые суккуленты – аспагарус. В пустынях центральной Америки и южной Африки суккуленты могут определять облик ландшафта. Листья, а в случае их редукции стебля суккулентов имеют толстую кутикулу, часто мощный восковой налет или густое опушение. Устьица погруженные, открываются в щель, где задерживаются водяные пары.Склерофиты – растения сухие на вид, часто с узкими и мелкими листьями, иногда свернутыми в трубочку. Листья могут быть рассеченными, покрытыми волосками и восковым налетом. Хорошо развита скленхима, поэтому растения без вредных последствий могут терять до 25%влаги на завядая. В клетках преобладает связанная вода. Сосущая сила корней до нескольких десятков атмосфер, что позволяет успешно добывать воду из почвы. Склерофиты можно подразделить на две группы: эуксерофиты и стипаксерофиты.^ Рис.3 Различие жилкования (А), размеров и числа устьиц (Б) уксерофитов и мезофитов (по А.П. Шенникову, 1950) 1 – пустынный ксерофит – Psoralea drupaceae, 2 – лесной мезофит – Paris quadrifoliaК эуксерофитам относятся многие степные растения с розеточными и полурозеточными, сильно опушенными побегами, полукустарнички, некоторые злаки, полынь холодная, эдельвейс эдельвейсовидный. Наибольшую биомассу эти растения создают в период, благоприятный для вегетации, а в жару уровень обменных процессов у них очень низок.Стипаксерофиты – группа узколистных дерновидных злаков (ковыли, тонконоги, типчак). Характеризуются низкой транспирацией в засушливый период и могут переносить особенно сильное обезвоживание тканей свернутые в трубочку листья имеют внутри влажную камеру. Транспирация идет через погруженные в бороздки устьица внутрь этой камеры, что снижает потери влаги. Кроме названных экологических групп растений выделяют еще целый ряд смешанных или промежуточных типов. Различные пути регуляции водообмена позволили растениям заселить самые различные по экологическим условиям участки суши. Многообразие приспособлений лежит, таким образом, в основе распространения растений по поверхности земли, где дефицит влаги является одной из главных проблем экологических адаптаций.^ Водный баланс наземных животных.Животные получают воду тремя основными путями: - питье; - вместе с сочной пищей; - в результате метаболизма. Некоторые животные могут впитывать воду через покровы из влажного субстрата или воздуха, например личинки некоторых насекомых – мучного хрущака, жуков-щелкунов и др. Потери воды у животных происходят через испарение покровами или со слизистых оболочек дыхательных путей, путем выведения из теле мочи и непереваренных остатков пищи. Хотя животные могут выдерживать кратковременные потери воды, но в целом расход ее должен возмещаться приходом. Потери воды приводят к гибели скорее, чем голодание. Виды, получающие воду в основном через питье, сильно зависят от наличия водопоев. Это характерно для крупных млекопитающих. В сухих аридных районах такие животные совершают иногда значительные миграции к водоемам и не могут существовать слишком далеко от них. В африканских саваннах слоны, антилопы, львы, гиены регулярно посещают водопои. В питьевой воде нуждаются и птицы. Ласточки и стрижи пьют на лету. Рябки в пустынях совершают многокилометровые перелеты к водопоям и приносят воду птенцам. Самцы рябков используют исключительный способ переноса воды – они пропитывают ею оперение на груди, а птенцы отжимают клювами набухшие перья. В то же время, многие животные могут обходиться без питьевой воды, получая влагу иными способами. Влажность воздуха очень важна для животных, так как от нее зависит величина испарения с поверхности тела. Потери воды через испарение обусловлены также строением покровов. Среди ряда групп животных можно выделить гигрофилов и ксерофилов (влаголюбивые и сухолюбивые виды). Промежуточную группу составляют мезофиллы. Среди насекомых, например, гигрофильны кровососущие комары, которые активны в вечерние и утренние часы, а днем – либо в пасмурную погоду, либо только в тени, под пологом леса, то есть при повышенной влажности воздуха. Ксерофильны жуки-скакуны, пустынные жуки-чернотелки, пустынная саранча. Здесь широко представлены многообразные механизмы регуляции водного обмена и приспособления к удержанию воды в теле и клетках, что слабо выражено у гигрофилов. Вместе с тем разделение организмов на три группы в какой-то мере относительно, так как у многих видов степень потребности во влаге непостоянна в различных условиях и неодинакова на разных стадиях развития организмов. Так, проростки и молодые растения многих древесных пород развиваются по типу мезофильных, а взрослые растения имеют явные черты ксерофитов. Способы регуляции водного обмена у животных разнообразнее, чем у растений. Их можно разделить на поведенческие, морфологические и физиологические. – к числу поведенческих приспособлений относятся поиски водопоев, выбор мест обитания, рытье нор. В норах влажность воздуха приближается к 100%, даже когда на поверхности очень сухо. Это снижает необходимость испарения через покровы, экономит влагу в организме.– к морфологическим относятся образования, способные задержанию воды в теле: раковины наземных улиток, ороговевшие покровы рептилий, развитие эпикутикулы у насекомых.– физиологические приспособления – это способность к образованию метаболической влаги, экономии воды при выделении мочи и кала, развитие выносливости к обезвоживанию организма, величина потоотделения и отдачи воды со слизистых. Верблюды переносят потери воды до 27%, овца 23%, собаки до 17%. Мелкие млекопитающие, спасающиеся от жары в прохладных норах, могут, могут покрывать значительную часть своих расходов воды в результате окисленных процессов, так как им не требуется дополнительно вода на терморегуляцию. Почти исключительно на сухом корме живут такие пустынные виды, как многие тушканчики, американская кенгуровая крыса, африканская песчанка. Метаболическую воду в большей мере, чем позвоночные животные, могут использовать насекомые, так как трахейная система их осуществляет эффективный воздушный дренаж с малыми потерями на испарение. У многих видов животных жировое тело служит источником воды, а не энергетических запасов. Это гусеницы платяной моли, мельничной огневки, амбарный и рисовый долгоносики живут за счет сухой пищи.^ Адаптация к засушливым условиям у растений и животных(по Н. Грину и др., 1993) Листья превращены в иглы или колючки Погруженные устьица Листья свернуты в цилиндр Толстая восковая кутикула Толстый стебель с большим отношением объема к поверхности Опушенные листья Сбрасывание листьев при засухе Устьица открыты ночью и закрыты днем Эффективная фиксация CO2 ночью при не полностью открытых устьицах Выделение азота в виде мочевой кислоты Удлиненная петля Генле в почках Ткани выносливы к высоким температурам из-за уменьшения потоотделения или транспирации Животные прячутся в норахДыхательные отверстия прикрыты клапанами Cactaceae, Euphorbiaceae, (молочаи), хвойные деревья Pinus, AmmophilaAmmophila Листья большинства ксерофитов, насекомые Cactaceae, Euphorbiaceae (суккуленты) Многие альпийские растения Fouguieria splendens Crassulaceae (толстянковые) C-4 – растения, например, Zea mays Насекомые, птицы и некоторые рептилии Пустынные млекопитающие, например, верблюд, пустынная крыса Многие пустынные растения, верблюд Многие мелкие пустынные млекопитающие, например, пустынная крыса Многие насекомые ^ Увеличение поглощения воды Обширная поверхностная корневая система и глубоко проникающие корниДлинные корниПрорытие ходов в воде Некоторые Cactaceae, например Opuntia и EuphorbiaceaeМногие альпийские растения, например, эдельвейс (Leontopodium alpinum)Термиты ^ Запасание воды В слизистых клетках и в клеточных стенкахВ специализированном мочевом пузыреВ виде жира (вода – продукт окисления жира) Cactaceae и EuphorbiaceaeПустынная лягушкаПустынная крыса ^ Физиологическая устойчивость к потере воды При видимом обезвоживании сохраняется жизнеспособностьПотеря значительной части массы тела и быстрое ее восстановление при наличии доступной воды Некоторые эпифитные папоротники и плавуны, многие мохообразные и лишайники, осока Carex physoides Lumbricus terrestris (теряет до 70% массы), верблюд (теряет до 30%) «Уклонение от проблемы» Переживают неблагоприятный период в виде семянПереживают неблагоприятный период в виде луковиц и клубнейРаспространение семян в расчете на то, что некоторые из них попадут в благоприятные условия Поведенческие реакции Эшшольция калифорнийскаяНекоторые лилииРазличные растенияПочвенные организмы, например, клещи, дождевые черви Литература:1.Чернова Н.М. Общая экология: учебник для студентов педагогических вузов ⁄ Н.М. Чернова, А.М. Былова.- М.: Дрофа, 2004. - 416 с.: ил. 2. Шилов И.А. Экология: Учеб. для биол. и мед. спец. вузов.- 2-е изд., испр. – М.: Высш. шк., 2000. – 512с.: ил. 3. Растительный мир Сахалина Попов М.Г. М.: Изд. Наука, 1969. – 135 с.: ил. 4. А.И. Толмачев О флоре о-ва Сахалин ⁄ Комаровские чтения. 12 Изд. АН СССР М.-Л.: 1959. – 102 с.: ил. 5. Жизнь животных в 6 т., т. 4. часть 2. ⁄ Под ред. Проф. А.Г.Банникова изд. Просвещение, 1969. – 487 с.: ил.