1.2.Свет как экологический фактор

Солнечный свет - единственный источник энергии для живых организмов на Земле. Для растений - это и условие и ресурс, за который идет конкуренция. Для животных - это условие обитания, имеющее непостоянный характер. Лучистая энергия Солнца достигает Земли в виде излучения следующих типов:

- лучи длиной <150 нм – ионизирующая радиация - обладает мутагенным действием, влияет на ДНК ядер, митохондрий, хлоропластов. На ионизирующую радиацию приходится 5% всего солнечного излучения.

- ультрафиолетовое излучение, лучи длиной 150-400 нм, большая часть поглощается озоновым слоем атмосферы. Вызывает рак кожи, стимулирует образование витамина Д, регулирующий обмен Са и Р, а соответственно нормальный рост и развитие скелета. Занимает 5-10% солнечного излучения.

- видимый свет – 400-800 нм – на фотосинтетически активный диапазон приходится 40-50 % всего излучения Солнца.

• инфракрасное излучение 800-1000 нм, 10 % излучения.

• > 1000 нм дальняя инфракрасная радиация около 30 % - мощный фактор теплового режима среды.

Ультрафиолетовые лучи растения не могут использовать, они губительны для живого, необходимы в небольшом количестве для животных и человека. Лишь некоторые фотосинтезирующие бактерии могут усваивать инфракрасное излучение благодаря особому пигменту – бактериохлорофиллу, который имеет максимумы поглощения в 800-850 и 870-890 нм. Для других живых существ инфракрасные лучи – это лишь тепловое излучение, энергию которого нельзя преобразовывать в химическую, можно лишь “погреться” под этими лучами.

Лишь видимый свет в диапазоне от 400 до 700 нм растения могут использовать для фотосинтеза. Этот диапазон называют диапазоном «фотосинтетически активной радиации» (ФАР). На него приходится лишь 44% от всей лучистой энергии Солнца, падающей на Землю. Для улавливания, преобразования световой энергии и синтеза сложных органических соединений у зеленых растений имеются особые вещества, специализированные органоиды в клетках и целые органы. Пигменты растений, такие как хлорофиллы, каротиноиды, фикобилины способны улавливать и преобразовывать световую энергию. Пигменты локализованы в хлоропластах - фотосинтезирующих органоидах, которые обладают относительной самостоятельностью. Они могут передвигаться по клетке: при недостатке света буквально прилипают к клеточной стенке, стремясь поймать каждый луч света, падающий на клетку; при избытке света отступают вглубь клетки. Кроме того, хлоропласты способны увеличить свое количество в клетке путем простого деления.

Основной орган фотосинтеза растений - лист. Форма и размеры листьев, их расположение на стебле, толщина листовой пластинки и ее цвет обуславливается экологическими группами растений по отношению к свету. Принято различать 3 группы:

1. Гелиофиты, светолюбивые растения открытых пространств с хорошей освещенностью. Для них характерны мелкие светлозеленые листья. Листовые пластинки у многих гелиофитов расположены вертикально или под большим углом к горизонтальной плоскости, чтобы уменьшить приток света, чтобы избежать солнечных лучей. У некоторых гелиофитов листья отражают лучи благодаря лаковой поверхности, восковому налету или ослабляют действие лучей благодаря опушенности. Листья светолюбивых растений даже на ощупь кажутся толще, чем листья других групп. Если посмотреть под микроскопом поперечный срез светолюбивого листа, то можно увидеть четко выраженный слой палисадной паренхимы, иногда даже два слоя, что действительно утолщает листовую пластинку. Светолюбивые растения не выносят затенения и растут на полях, лугах, по берегам рек, озер. Это такие виды как мятлик луговой, колокольчик раскидистый, пшеница посевная, подсолнечник, сосна обыкновенная и др.

2. Сциофиты, тенелюбивые растения не выносят сильного освещения и живут под пологом леса в постоянной тени. Много сциофитных видов в тропических лесах; тенелюбивые эпифитные папоротники, орхидеи погибают, если на них в течение 2-3 часов падают солнечные лучи. Сциофиты наших лесов очень нежные растения, с тонкой листовой пластинкой интенсивного зеленого цвета. Они обитают в самом нижнем ярусе сложных растительных сообществ, например, дубрав, таежных ельников: папоротники, мхи, кислица и др.

3. Факультативные гелиофиты, теневыносливые растения имеют широкую экологическую амплитуду по отношению к свету. Они хорошо растут и на свету и неплохо выносят затенение. В лесу образуют сплошной ковер, чаще всего состоящий из листьев, например, из сныти обыкновенной. Цветут такие растения, как сныть, осенью, когда деревья сбросят свою листву, и в лесу станет светло, или рано весной, например, медуница, у которой формируются специализированные генеративные побеги. Теневыносливые растения в эксперименте дают высокую биомассу в условиях хорошего освещения, но в естественных условиях они не выдерживают конкуренции с тенелюбивыми и вынуждены отступить в тень. Для растений этой группы характерны широкие темнозеленые листовые пластинки, даже лесные злаки имеют более широкие листья по сравнению с луговыми видами того же рода, например, овсяница луговая и овсяница гигантская.

Теневыносливые деревья и теневые травянистые растения отличаются мозаичным расположением листьев. У деревьев листья, расположенные по поверхности и внутри кроны - световые и теневые соответственно, отличаются анатомическим строением. Световые листья толще и грубее, иногда блестящие. Теневые - обычно матовые, неопушенные, тонкие, с нежной кутикулой или без нее. Световые листья не имеют четкой ориентации, а теневые располагаются строго перпендикулярно солнечным лучам. В условиях сильной освещенности число хлоропластов, приходящееся на единицу площади листа, в несколько раз больше, чем в теневых листьях.

В лесу растения занимают положение в соответствии с экологическими потребностями и адаптациями: самые светолюбивые формируют верхний полог древостоя, более устойчивые к затенению располагаются ниже. Таким образом, формируется ярусность, которая является результатом конкуренции растений за свет, результатом разделения экологических ниш в лесу между растениями.

Некоторые растения, конкурируя за свет, нашли для себя в лесу не пространство, а время. Это, ранневесенние растения широколиственного леса, такие как гусиный лук, ветреница лютиковидная, чистяк весенний, хохлатка. Они появляются ранней весной, до распускания листьев на деревьях, в течение 2-3 недель успевают расцвести, отплодоносить и накопить запас питательных веществ в подземных органах. Летом этих растений в травяном покрове уже нет, они сохраняются в почве лишь в виде клубеньков, луковок, корней и корневищ. Такие растения принято называть эфемероидами, т.е. похожие на эфемеры – однолетние травянистые растения с коротким сроком вегетации.

В жизни животных свет имеет большое значение как средство ориентации. Уже у простейших появляются светочувствительные органеллы, а, начиная с кишечнополостных, у всех животных развиваются специализированные органы зрения. Для простейших характерны направленные движения – таксисы, как положительные в сторону источника раздражения, так и отрицательные. По отношению к свету – это фототаксисы. У более высокоорганизванных животных имеются дневные, ночные и сумеречные виды, например, дневные и ночные хищные птицы и млекопитающие. Обитатели почвы, пещер, больших глубин могут в процессе приспособления к данным средам жизни даже утратить органы зрения. У многих животных - обитателей пещер - включаются компенсаторные механизмы, замещающие органы зрения, например, у слепой рыбы, обитающей в пещерных озерах, основной орган - боковая линия, у роющих млекопитающих - обоняние. Даже у человека, потерявшего зрение, при ориентации в окружающем пространстве, взамен зрению выступает слух. Свет также обеспечивает животным цветное зрение, которое более развито у дневных организмов. Сумеречные животные, как правило, воспринимают окружающее в серых тонах.