Температура,как экологический фактор.

Заключение

В курсовой работе были охарактеризованы температурные условия и тепловой режим местообитаний живых организмов. Температура является одним из самых важных факторов, определяющих условия существования организмов. В зависимости от температуры выделяются термические пояса, разделяющие поверхность Земли и характеризующиеся обитанием определенных видов. Температура среды обитания организмов определяет видовое разнообразие, выполняя лимитирующую, формообразующую, стимулирующую и акклиматизирующую функцию.
Живые организмы лучше приспосабливаются к теплым и жарким климатическим условиям, нежели к холодным. Тем не менее, даже в условиях вечной мерзлоты в условиях тундры распространена растительность, в процессе эволюции приспособившаяся к низким температурам и недостаточному поступлению ...

Содержание

Введение 3
1 Тепловой режим местообитаний 4
1.1 Температура окружающей среды 4
1.2 Температура организмов 6
2 Вечная мерзлота. Отрицательное действие холодной почвы и проблема ее физиологической сухости 13
3 Влияние рельефа на теплообеспеченность местообитания 17
4 Влияние растительности на тепловой режим местообитаний 20
5 Ботанико-географические аспекты влияния тепла 22
5.1 Географическое распространение растений 22
5.2 Адаптация растений 24
6 Характеристика теплолюбивых видов растений, занесенных в Красную книгу Краснодарского края 28
6. 1 Растения 28
6. 2 Животные 36
Заключение 45
Список использованных источников 46

Введение

Температура является очень важным экологическим фактором существования живых организмов и регуляции их жизнедеятельности. Изменения температуры могут нарушать сбалансированность обмена веществ в организмах. Так, сильное понижение температуры вызывает опасность замедления обмена веществ, при котором окажется невозможным осуществление основных жизненных функций организма. Излишнее усиление метаболизма при высоких температурах тела также может вывести организм из строя еще задолго до теплового разрушения ферментов, так как резко возрастают потребности в питательных веществах и кислороде, которые далеко не всегда могут быть удовлетворены [21].
Цель курсовой работы: дать характеристику температуры как экологического фактора, влияющего на жизнедеятельность организмов.
Решаемые задачи :
- охарактеризовать температурные условия обитания живых организмов и влияние температуры на их жизнедеятельность;
- охарактеризовать способность растительности приспосабливаться к условиям вечной мерзлоты и воздействию холодных температур;
- охарактеризовать ландшафтные изменения в зависимости от рельефа местности;
- дать анализ растительности как источника регуляции температурного режима окружающей среды;
- охарактеризовать видовое разнообразие организмов в зависимости от температурных условий обитания;
- привести характеристику теплолюбивых видов Краснодарского края.
Используемые в работе методологические подходы – анализ и синтез. Объектом анализа являются живые организмы, предметом – температурный режим их местообитания.

По определению М. И. Сумгина (цит. по [24]), вечномерзлой почвой, или вечной мерзлотой, называется слой почвы или породы, находящейся на некоторой глубине от дневной поверхности и имеющей отрицательную или нулевую температуру, длящуюся непрерывно неопределенно долгое время – от двух лет до десятков тысячелетий. Слой почвы над вечной мерзлотой (деятельный слой) оттаивает летом и замерзает зимой.
В районах развития вечной мерзлоты (зона тундры) мало тепла и солнечного света, замедленны синтез и распад органического вещества, снижена скорость геохимических циклов, а химические реакции в почвах заторможены. Геохимия кислых тундровых ландшафтов характеризуется увеличением в почвах водородных ионов, уменьшением подвижных форм кальция, азота, меди, других макро- и микроэлементов [24].
Важнейшим экологическим фактором в условиях распространения вечной мерзлоты является снежный покров, являющийся защитой в зимний период от низких температур и сильных ветров. Повсеместное распространение вечной мерзлоты обусловливает формирование криогенных нано-, микро- и мезоформ рельефа, и распространение процессов заболачивания. Растения в таких условиях приспособлены к короткому и прохладному вегетационному периоду и низкой температуре почв. Растения низкорослые, приземистые, для многих кустарничков характерны стелющиеся и подушковидные формы. Зимой растения покрываются снегом, предохраняющим их от вымерзания, а летом их надземные органы оказываются в наиболее прогретом и более благоприятном слое воздуха.
Растения, произрастающие в условиях вечной мерзлоты, являются устойчивыми к влиянию морозов, т.е. морозоустойчивы. Морозоустойчивостью считается предотвращение образования смертельно опасных кристалликов льда в цитоплазме [10].
Среди растений доминируют мхи и лишайники. Сплошной моховой покров в условиях вечной мерзлоты существенно влияет на температурный режим почв и глубину сезонного протаивания и, следовательно, на условия обитания других растений. Экологические условия в тундре неблагоприятны для развития древесных пород. Недостаток летнего тепла, короткий вегетационный период, сильные морозы, иссушающее действие ветров – причины, снижающие рост и замедляющие развитие древесных пород. Здесь выживают лишь низкорослые деревья, такие как карликовая береза и ива. Беден также и видовой состав фауны: здесь обитают лемминги, северные олени, горностаи, песцы, белые куропатки и полярные совы.
Низкие температуры воздуха, длительная зима с полярной ночью и наличие подпочвенного слоя вечной мерзлоты ограничивает распространение живых организмов в почве на глубину всего в несколько десятков сантиметров, что обусловливает бедность видового состава животного населения [5].
Большое значение для растений имеет тепловой режим почвы, от которого зависит поступление в растение воды и минеральных веществ, рост и дыхание корней [2]. В грунтах с очень мелкими частицами: в суглинках, супесях и глинах, даже при температурах до -10°С значительная часть воды не замерзает. Значение незамерзшей воды в мерзлых почвах очень велико в условиях вечной мерзлоты. Благодаря этому корневые системы многих растений могут усваивать почвенный раствор при низких отрицательных температурах [25].
В условиях вечной мерзлоты наблюдается сочетание холодной почвы и теплого воздуха. В связи с этим возникает проблема физиологической сухости холодной почвы – недоступности влаги при ее обилии. Корни приспособленных к произрастанию на холодных почвах растений работают и при низкой температуре, поэтому, у растений тундр нет проявлений угнетения. При снижении температуры возрастает вязкость воды, что затрудняет ее поглощение корнями, и низкие температуры неблагоприятны для многих процессов жизнедеятельности корней. Опыты с культурными растениями позволили сделать выводы об отрицательном влиянии низких температур на поглощение всех основных элементов минерального питания [2]. Поэтому, «физиологическая засуха» из-за низких температур возможна лишь при выращивании теплолюбивых растений на холодных почвах, либо ранней весной для древесных пород, когда необлиственные ветви сильно нагреваются и увеличивают испарение, а интенсивная работа корней еще не началась.
Вместе с тем нельзя полностью отрицать угнетающее влияние низких температур на всасывание влаги, дыхание, рост, а также активность почвенной микрофлоры [7]. Уплотнения и растрескивание замерзшей почвы приводит к разрыву и механическому повреждению корней, а образование ледяной корки на поверхности почвы ухудшает аэрацию и дыхание корней. Под толстым снежным покровом может происходить «выпревание», истощение и гибель растений в связи с расходом резервных веществ на дыхание, грибными заболеваниями, или «вымоканием» в случае избыточно увлажненной почвы. В тундре и северной тайге распространено явление «морозного выпирания» растений (вплоть до повала небольших деревьев), вызванное неравномерным замерзанием и расширением почвенной влаги [7].
3 Влияние рельефа на теплообеспеченность местообитания
На разных элементах рельефа разница температур может быть значительной. Температура зависит от географической широты, формы рельефа, крутизны клона, сезона года и пр. На экваторе перед полуднем больше тепла получают восточные склоны, после полудня – западные. В северном полушарии в направлении к полюсам больше тепла получают южные склоны, а в Южном – северные. В полярных областях разницы температур на склонах различной направленности относительно сторон света (различной экспозиции) незначительны, но для организмов эти колебания имеют значение, так как температура здесь является лимитирующим фактором. С увеличением высоты над уровнем моря количество получаемого солнечного излучения уменьшается, и экспозиция склонов приобретает немаловажное значение, особенно в умеренных широтах. Особенно важен температурный режим на клонах в весеннее время, когда растения начинают вегетацию. Например, в горах средней Европы даже в холодное время года на южных склонах могут цвести некоторые виды растений, тогда как на северных снег может лежать до середины лета [2].
В северном полушарии южные склоны, на которые солнечные лучи падают под большим углом, больше нагреваются и менее увлажнены. В результате растительность на таких склонах имеет более южный характер, по сравнению с растительностью ровных пространств. Северные же склоны в результате пониженных температур и большей влажности характеризуются условиями, характерными для более северных областей. Таким образом, в пределах лесной зоны на южных склонах встречаются степные растения, а в степной зоне на северных склонах растут леса. В горах Северного полушария лес поднимается по южному склону выше, чем по северному.
Количество получаемого поверхностью солнечного тепла зависит от крутизны склона, так как связано с углом падения лучей. Например, летом в полдень наиболее освещен и согрет солнцем склон уклоном в 22°, весной и осенью - 45°, а зимой - 68°.
В горных странах термические условия более разнообразны. С увеличением высоты температура воздуха понижается (высотный температурный градиент). Температурный градиент оказывает влияние на длительность фенофаз и сокращает вегетационный период. Например, а Альпах, он продолжается 5 мес. На высоте 1800 м, и 1,5 мес. на высоте 3000 м. Падение температуры обусловливает соответствующие изменения климатических условий: закономерно сменяются тепловые пояса – от жарких и умеренных у подножия до холодных на вершинах, увлажненность (количество осадков, облачность, влажность). В результате для растительности так же характерна высотная поясность. На очень больших высотах, где круглогодично лежит снег, растений нет. В направлении от полюсов к экватору граница вечных снегов поднимается. Горные массивы формируют во многом и природные условия на прилегающих к ним равнинах [2].
4 Влияние растительности на тепловой режим местообитаний
Растения как пойкилотермные организмы не имеют собственной стабильной температуры. Их температура определяется соотношением поглощения и отдачи тепла. Эти значения зависят как от свойств окружающей среды, так и от свойств самих растений [7]. Днем органы растений способны нагреваться выше температуры воздуха, за счет чего физиологические и биохимические процессы идут с большей интенсивностью [2].
Некоторые растения могут нагреваться очень сильно (супратемпературные растения), и их температура становится выше температуры окружающего воздуха, а некоторые, наоборот, характеризуются более низкой температурой, чем температура окружающей среды (субтемпературные растения). Благодаря этим свойствам, растения могут оказывать влияние на тепловой режим среды.
Благодаря тому, что растительный покров способен влиять на температуру окружающего воздуха и почвы, в лесных сообществах поздние или ранние заморозки бывают слабее и реже, чем за пределами леса. А в жаркие дни на лугу, в лесу, или среди кустарников всегда несколько прохладнее [17].
Кроны растений, поглощая солнечное тепло, заметно нагреваются. Это тепло распространяется по всему растению, при этом часть его излучается в окружающее пространство, что и приводит к обогреву окружающего растение воздуха и почвы. Кроме того, крона растений, закрывая почву, удерживает излучаемое почвой и стволами тепло, что также способствует изменению температурного режима под их пологом.
Так, нагревание стволов деревьев в безлистном весеннем лесу существенно влияет на микроклимат лесного сообщества, поскольку стволы – хорошие аккумуляторы тепла [7]. Нагревание ветвей и стволов и последующая теплоотдача происходят круглый год. Растительный покров оказывает влияние на обогрев и остывание почвы. В лесу она нагревается слабее, чем на открытой местности, а остывает медленнее. Такое смещение сроков теплообмена почвы в фитоценозах приводит к увеличению осенних сроков вегетации лесных трав, по сравнению со сроками вегетации высокоствольных древесных растений. [17].
Довольно сильно могут нагреваться арктические растения, благодаря своей окраске, что дает им возможность интенсивного фотосинтеза в солнечные, но холодные весенние дни. Снижение же температуры растений по сравнению с окружающей средой отмечается в сильно освещенных и прогреваемых местообитаниях (степях, пустынях) [7].
5 Ботанико-географические аспекты влияния тепла
Процессы жизнедеятельности растений возможны лишь на известном тепловом фоне, определяемом количеством тепла и его продолжительностью. Географическое распространение растений определяется тепловыми условиями (географическая зональность) (рис. 4). Сезонное варьирование в произрастании растений определяется изменениями температурного режима [7].
Рис. 4. Схема классификации типов растительности в зависимости от климатических условий [1]
Растения вырабатывают мало метаболического тепла вследствие эффективного перевода химической энергии из одних форм в другие, поэтому эндотермическая энергия не может быть использована ими для терморегуляции. Будучи организмами прикрепленными, они должны существовать при том тепловом режиме, который создается в местах их произрастания. Однако совпадение температур тела растения и среды скорее надо считать исключением, чем правилом, из-за разницы скоростей поступления и отдачи тепла. Тепловой режим растений весьма изменчив, температура разных их органов различна в зависимости от их расположения относительно падающих лучей и разных по степени нагретости слоев воздуха [21].
У большинства растений активная жизнь протекает в температурных пределах от 0 до 50°С. Температурные минимумы для многих растений оставляют от 5 до 15°С, оптимумы – от 15 до 30°С, максимум – 37 – 50°С. Встречаются растения и с более крайними температурными режимами существования, например, в Якутии, леса существуют при температуре -68°С [2].
От температуры в значительной мере зависит ход фотосинтеза, процесс накопления органического вещества, ход корневого питания. Термальные изменения воздушной среды и почвы оказывают большое влияние не только на разнообразные физиологические процессы, но и процессы формообразования. Например, у липы развиваются глубокозубчатые листья, если почки липы в течение зимы остаются без почечных чешуй [17].
По отношению к температуре как к экологическому фактору, выделяются растения теплолюбивые (термофилы) и холодолюбивые (психрофилы). Настоящие термофилы – растения из жарких тропических районов. Они совсем не переносят низких температур и гибнут при 0°С.
Многие термофильные растения в условиях тропического и субтропического климата могут переносить очень высокую температуру. Например, верблюжья колючка переносит нагревание до 70°С. Однако для большинства растений температуры 45-50°С оказываются губительными [17]. Виды, обитающие в местах высоких температур, в процессе эволюции приобрели ряд физиологических особенностей. Например, сокращение поверхности растений, развитие волосков, эфирные железки (испаряемые в жару эфирные масла охлаждают растения) и др.
Холодные температуры растения переносят хуже. Даже самые морозостойкие виды могут погибнуть под влиянием низких температур без соответствующей подготовки. Например, морозостойкая озимая рожь полностью погибает в летнее время даже от небольшого мороза. В условиях высокогорий Центрального Тянь-Шаня, где бывают сильные заморозки среди лета, погибают травы [17].
А. Н. Голиков и О. А. Скарлато в 1972 г. сформулировали правило лимитирующего значения крайних летних и зимних температур (цит. по [18]): в умеренных широтах Северного полушария распространение видов ограничено необходимыми для размножения температурами. Эта потребность является генотипически закрепленным видовым признаком и прямо не связана с диапазоном температур выживаемости особей вида. У видов, переносящих широкие колебания температур, температура размножения часто более контрастна, чем у видов с относительно низким порогом выносливости к переменам количества тепла.
Одинаковые принципы освоения среды приводят к формированию сходных морфологических адаптаций у разных видов, даже если они сильно различаются по строению. Например, подушковидные формы древесных и травянистых растений часто встречаются в условиях хорошего освещения, но при низких температурах воздуха и почвы, при крайней сухости почвы и низкой влажности воздуха, при частых и сильных ветрах. Они обычны в высокогорьях, тундрах, пустынях, на субантарктических островах и в других местах с подобным комплексом условий [19] (рис. 5).
Рис. 5. Высокогорное растение Копетдага качим подушковидный – Gypsophila aretiodes (по К. П. Попову, Э. М. Сейфулину, 1994) (приводится по [21])
В экстремально холодных условиях средствами получения дополнительного тепла служат также некоторые морфологические особенности растений. Например, карликовость и образование стелющихся форм позволяет использовать микроклимат приземного слоя летом и быть защищенными снеговым покровом зимой. Полусферическая форма подушковидных растений создается за счет густого ветвления и слабого роста побегов. Листья располагаются лишь на периферии, в результате чего экономится общая поверхность растения, через которую происходит рассеивание тепла. Значительная часть холодостойких растений имеет темную окраску, что помогает лучше поглощать тепловые лучи и нагреваться даже под снегом. В Антарктиде летом температура темно-коричневых лишайников бывает выше 0 °C даже под слоем снега в 30 см.
Растения обладают также рядом морфологических адаптаций, направленных на предотвращение перегрева. Этому служат густая опушенность листьев, рассеивающая часть солнечных лучей, глянцевитая поверхность, способствующая их отражению, уменьшение поглощающей лучи поверхности. Многие злаки, как, например, ковыль или овсяница, в жару свертывают листовые пластинки в трубочку, у эвкалиптов листья располагаются ребром к солнечным лучам, у части растений аридных районов листва полностью или частично редуцируется (саксаулы, кактусы, кактусовидные молочаи и др.) [21].
В разные фазы онтогенеза требования к теплу различны. В умеренном поясе прорастание семян происходит обычно при более низких температурах, чем цветение, а для цветения требуется более высокая температура, чем для созревания плодов. По степени адаптации растений к условиям крайнего дефицита тепла можно выделить три группы [21]:
1) нехолодостойкие растения – сильно повреждаются или гибнут при температурах, еще не достигающих точки замерзания воды. Гибель связана с инактивацией ферментов, нарушением обмена нуклеиновых кислот и белков, проницаемости мембран и прекращением тока ассимилятов. Это растения дождевых тропических лесов, водоросли теплых морей;
2) неморозостойкие растения – переносят низкие температуры, но гибнут, как только в тканях начинает образовываться лед. При наступлении холодного времени года у них повышается концентрация осмотически активных веществ в клеточном соке и цитоплазме, что понижает точку замерзания до – (5–7) °С. Вода в клетках может охлаждаться ниже точки замерзания без немедленного образования льда. Переохлажденное состояние неустойчиво и длится чаще всего несколько часов, что, однако, позволяет растениям переносить заморозки. Таковы некоторые вечнозеленые субтропические растения – лавры, лимоны и др.;
3) льдоустойчивые, или морозоустойчивые, растения – произрастают в областях с сезонным климатом, с холодными зимами. Во время сильных морозов надземные органы деревьев и кустарников промерзают, но, тем не менее, сохраняют жизнеспособность, так как в клетках кристаллического льда не образуется. Растения подготавливаются к перенесению морозов постепенно, проходя предварительную закалку после того, как заканчиваются ростовые процессы. Закалка заключается в накоплении в клетках сахаров (до 20–30 %), производных углеводов, некоторых аминокислот и других защитных веществ, связывающих воду. При этом морозоустойчивость клеток повышается, так как связанная вода труднее оттягивается образующимися во внеклеточных пространствах кристаллами льда.
Оттепели в середине, а особенно в конце зимы вызывают быстрое снижение устойчивости растений к морозам. После окончания зимнего покоя закалка утрачивается. Весенние заморозки, наступившие внезапно, могут повредить тронувшиеся в рост побеги и особенно цветки даже у морозоустойчивых растений.
По степени адаптации к высоким температурам можно выделить следующие группы растений:
1) нежаростойкие растения повреждаются уже при +(30–40) °С (эукариотические водоросли, водные цветковые, наземные мезофиты);
2) жаровыносливые растения переносят получасовое нагревание до +(50–60) °С (растения сухих местообитаний с сильной инсоляцией – степей, пустынь, саванн, сухих субтропиков и т. п.).
6 Характеристика теплолюбивых видов растений, занесенных в Красную книгу Краснодарского края
Краснодарский край является уникальным регионом, который, благодаря своему географическому положению (район субтропиков) характеризуется большим разнообразием природных ландшафтов, растительного и животного мира. Несмотря на большое разнообразие растительности, многие растения Краснодарского края, попав под угрозу исчезновения, были занесены в Красную книгу. Ниже приведена характеристика некоторых теплолюбивых исчезающих видов.
Сосна Палласа (Сосна Крымская) – Pinus pallasiana D. Don, 1824 (приведено по С.А. Литвинской [13]).
Относится к семейству Сосновых (Pinaceae): восточно-средиземноморский вид – вечнозеленое дерево высотой до 45 м. Крона деревьев пирамидальная с горизонтально отстоящими ветвями, концы ветвей загнуты вверх. Кора ветвей и стволов красновато-темно-бурого или черного цвета, склонная к трещинам, отслаивающаяся. Молодые побеги блестящие, желто-бурые. Хвоя сидит пучками, зеленая или сероватая, длиной от 8 до 18 см, колючая и слегка изогнутая, плотная. Шишки яйцевидно-конические, длиной 5–10 см, сидячие, горизонтальные. Чешуи шишек твердые, с ромбическим выпуклым килеватым щитком. Семена серые с темными пятнышками и бурым крылом. Живет 500–600 лет.
Распространена в Восточной Европе (Крым от Бахчисарая и Инкермана до горы Судак и скал Эчкидага в долине Отуз), Средиземноморье (Болгария), Малай Азии, в России – в Северном Кавказе и Краснодарском крае.