Раздел 1 Молекулярный уровень организации живой материи

ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ

Кафедра «Экология и экономика природопользования»

Н.Е. Степанова

Учебное пособие

по дисциплине «Экология»

Волгоград

Волгоградский ГАУ

УДК 502

ББК -20.1

У-91

Рецензенты:

Член.корр., доктор сельскохозяйственных наук, профессор,

директор Волгоградского филиала ГНУ ВНИИГиМ В.В. Бородычев,

доцент кафедры «КИВР и Э», к.с.х.н., заведующий отделом управления качества образования ВолГАУКирносов Р.С.

У-91 Учебное пособиепо дисциплине «Экология» /Н.Е. Степанова. – Волгоград: ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ, 2015. – 96 с.

Представлен теоретический материал и задачи по основным разделам дисциплины, а также задания для выполнения контрольной работы для студентов заочного обучения.

Для бакалавровпо направлению 20.03.01 «Техносферная безопасность» и специалистов по направлению 20.05.01 «Техносферная безопасность» всех форм обучения.

Рекомендовано методической комиссией эколого-мелиоративного факультета ФГБОУ ВО Волгоградского ГАУ (протокол № 2 от 21 сентября 2015 г.).

УДК 502

ББК 20.1

© ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ, 2015

©Степанова Н.Е., 2015

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ………………………………………………………………………………………………..4

Раздел 1 Молекулярный уровень организации живой материи…………………………………….4

Раздел 2 Факториальная экология…………………………………………………………………… .6

Раздел 3 Демэкология…………………………………………………………………………………..7

Раздел 4 Синэкология…………………………………………………………………………………..9

Раздел 5 Аутэкология…………………………………………………………………………………..11

5.1 Наземно-воздушная среда жизни и ее абиотические факторы …………………………11

5.2Водная среда жизни и ее абиотические факторы…………………………………………23

5.3 Почва, как среда обитания и ее абиотические факторы…………………………………28

5.4 Живые организмы, как среда обитания……………………………………………………31

5.5 Биотические факторы среды……………………………………………………………….34

Раздел 6 Учение о биосфере…………………………………………………………………………….43

6.1 Биогеохимические циклы основных химических элементов в биосфере……………...43

6.2 Биотестирование и биомониторинг окружающей среды………………………………..50

Раздел 7 Лабораторные работы…………………………………………………………………………51

7.1 Оценка состояния окружающей среды по наличию, обилию и разнообразию видов лишайников (лихеноиндикация)……………………………………………………………….51

7.2 Определение площади листьев у древесных растений в загрязненной и чистой

зонах……………………………………………………………………………………………..53

7.3 определение поражения и омертвления тканей листа при антропогенном загрязнении окружающей среды: а) по проценту пораженной ткани; б) по диагностике живых и мертвых тканей……………………………………………………………………………………………55

7.4 Определение состояния окружающей среды по комплексу признаков у хвойных…...56

7.5 Обследование состояния придорожных посадок древесных растений на центральных улицах города (1); в защитных зонах предприятий, работающих на органическом топливе (2)….58

7.6 определение состояния окружающей среды в прошлые годы по радиальному приросту древесных растений…………………………………………………………………………….59

7.7 Методы биотестирования качества природных и сточных вод: а) с рачком дафния магна; б) с ряской и элодеей………………………………………………………………………………..61

Вопросы к экзамену……………………………………………………………………………………65

Задачи по разделам и модулям…………………………………….......................................................67

Задание для выполнения контрольной работы (для заочников)……………………………………93

Теоретические вопросы для выполнения контрольной работы…………………………….93

Выбор задания для выполнения контрольной работы………………………………………94

Образец титульного листа контрольной работы……………………………………………..95

Используемая литература………………………………………………………………………………95

Технологическая карта распределения баллов текущего контроля по дисциплине

«Экология»……………………………………………………………………………………………...96

ВВЕДЕНИЕ

Экология как наука

Предмет и задачи экологии. Структура экологии. Методы исследования,используемые в экологии. Значение экологии на современном этапе развития человечества. Законы Коммонера.

Экология – это наука о взаимоотношениях организмов между собой и с окружающей средой. Организмы не могут существовать изолированно, они образуют определенные сообщества – популяции, биоценозы, экосистемы. Эти надорганизменные системы также являются предметом экологии.

Основные разделы экологии: общая экология, факториальная экология, демэкология, аутэкология, или экологии отдельных организмов, популяционной экологии и синэкологии, или экологии сообществ, учение о биосфере. Каждый раздел экологии имеет собственные задачи и методы исследования.

Современное человечество, вооруженное техникой и использующее огромное количество энергии, является очень мощной силой, воздействующей на природу Земли. Если эти воздействия не учитывают природных законов и разрушают установившиеся за миллионы лет связи, возникают катастрофические последствия. Люди уже столкнулись с целым рядом проблем, вызванных их деятельностью, и обеспокоены тенденцией нарастания неустойчивости природных систем.

Экология в настоящее время приобретает особое значение как наука, позволяющая найти пути выхода из возникающего кризиса. Только изучив существующие в природе закономерности, можно понять каким образом следует организовывать собственные отношения со средой обитания, по каким принципам развивать и использовать технический потенциал человечества.

Американский эколог Б. Коммонера сформулировал четыре глобальных экологических закона, которые действуют в сфере взаимоотношений социальной и биологической среды. Эти законы таковы: «Все связано со всем», «Все должно куда-то деваться», «Природа знает лучше», «Ничто не дается даром».

Структура ДНК и РНК

1) Генетическая информация, содержащаяся в ДНК и РНК, заключена в последовательности расположения нуклеотидов в молекулах. Суть кода заключается в том, что последовательность расположения нуклеотидов в ДНК и РНК определяет последовательность расположения аминокислот в белках. Этот код называют генетическим. Его расшифровка – одно из великих достижений науки. Носителем генетической информации является ДНК, а непосредственное участие а синтезе белка принимает РНК – копия одной из нитей ДНК.

Молекула ДНК состоит из: 1) Дисоксирибозы; 2) Остатка фосфорной кислоты; 3) Азотистого основания: А-аденин, Г-гуанин, Ц-цитозин, Т-тимин.

Молекула РНК: 1) Рибоза; 2) Остатка фосфорной кислоты; 3) Азотистого основания: А-аденин, Г-гуанин, Ц-цитозин, У - урацил.

Функция в клетке: ДНК- хранитель наследственной информации; РНК – транспортная принимает участие в синтезе белка.

Особенность строения: ДНК – двойная спираль; РНК – одинарная спираль.

Особенностью структуры ДНК является то, что против азотистого основания А в одной цепи лежит азотистое основание Т в другой цепи, а против азотистого основания Г всегда расположено азотистое основание Ц. Схематически:

А –Т

Т – А

Г – Ц

Ц – Г (эти пары называют комплементарными – т.е. дополняющие друг друга)

2)Теперь мы достраиваем вторую цепь молекулы ДНК, по принципу комплиментарности

АЦА/ЦЦТ/ЦАТ/ГАГ/ТЦЦ

ТГТ/ГГА/ГТА/ЦТЦ/АГГ ДНК

АЦА/ЦЦУ/ЦАГ/ГАГ/УЦЦ РНК

3)Цепочку РНК достраиваем с учетом того, что вместо Т ставим У – урацил.

4) В природе существует трехбуквенный или триплетный код, когда каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательностью 3 нуклеотидов, т.е. триплетом.При помощи таблицы в методичке делим молекулы по 3 нуклеотида и расшифровываем.

Почти каждая аминокислота шифруется более чем одним кодоном (кодирующие триплеты АЦЦ и т.д.)

5) Код однозначен. Каждый триплет шифрует только одну аминоксилоту.

6) Код универсален и един для всех живущих на Земле существ. У бактерий и грибов, злаков и мхов, муравья и лягушки, окуня и пеликана, черепахи, лошади и человека одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты.

Генетический код – это единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов.

Генетика – биологическая наука, изучающая наследственность и изменчивость организмов.

Свойства генетического кода: 1) как мы уже сказали триплетность – это когда каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами. Один триплет, кодирующий одну аминокислоту, называют кодоном; 2) однозначность – один триплет кодирует строго одну аминокислоту; 3) вырожденность (избыточность) – одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами. Исключение составляют метионин и триптофан; 4) универсальность – аминокислоты кодируются одними и тем же кодонами у всех живых организмов; 5) генетический код не перекрывается, триплеты в ДНК и РНК располагаются строго друг за другом.

Репликация – от латинского слова повторение, процесс воспроизведения подобной структуры. Воспроизведение макромолекул нуклеиновых кислот (ДНК), точно копирующая генетическую информацию с последующей передачей по наследству.

Мутации.

Генетика пола – хромосомный комплекс мужчин и женщин не одинаков, они различаются по одной паре хромосом, ее назвали половыми хромосомами. Набор хромосом у мужчин и женщин составляет 46 , 44 – совершенно одинаковые А - аутосомы, Х- икс непарная отсутствующая у другого пола, У – игрек, также отсутсвующая у другого пола. Хромосомный набор женщины соавтляет 44А+ ХХ; мужчины – 44А +ХУ. Любое изменение в наборе хромосом ведет к мутациям или любое нарушение генетического кода называют мутациями.

Задание

Вариант -1

Определить порядок аминокислот синтезируемого белка, если на участке одной цепи ДНК нуклеотиды расположены в такой последовательности: АЦАГАТАТГТЦЦЦЦА

Вариант -2

Определить порядок аминокислот синтезируемого белка, если на участке одной цепи ДНК нуклеотиды расположены в такой последовательности: ГЦАТЦЦТАТГГАТТТ.

Таблица 1 – Генетический код (триплеты) и РНК, соответствующие 20 аминокислотам

Первый нуклеотид	Второй нуклеотид	Третий нуклеотид
У	Ц	А	Г
У	У Ц А Г	фенилаланин серин тироизин цистеин	фенилаланин серин тироизин цистеин	лейцин серин лейцин бессмысл.	Лейцин Серин Лейцин триптофан
Ц	У Ц А Г	лейцин пролин гистидин аргинин	лейцин пролин гистидин аргинин	лейцин пролин глутамин аргинин	лейцин пролин глатамин аргинин
А	У Ц А Г	изолейцин треонин аспаргин серин	аланин треонин аспаргин серин	метионин треонин лизин аргинин	метионин треонин лизин аргинин
Г	У Ц А Г	валин аланин аспарагиновая к-та глицин	валин аланин аспарагин глицин	валин аланин глутаминовая к-та глицин	валин аланин глутамин глицин

Задание

Вариант -1

1. Посоветуете ли Вы предпринимателю высадить сливу в Санкт-Петербурге, где средняя месячная температура воздуха зимой равна 30 ⁰С. Толерантность сливы – 25⁰ С +30⁰ С; оптимум равен –18⁰ С +20⁰ С.

2. Что Вы посоветуете предпринимателю для получения запланированного урожая с посадок картофеля, если для нормального плодоношения необходима следующая концентрация питательных веществ в почве: азот – 2-3 мг/кг; калий – 0,9-3,0 мг/кг; фосфор – 1,7-1,9 мг/кг; кремний – 0,006-0,009 мг/кг; цинк – 0,07-0,09 мг/кг, а химический анализ почвы на период завязки плодов показал, что: азот – 3 мг/кг; калий – 0,4 мг/кг; фосфор – 1 мг/кг; кремний – 0,02 мг/кг; цинк – 0,08 мг/кг

3. Изобразите графически биологический оптимум и пределы толерантности к влажности среды для популяции клеща, и определите, выживет ли она при температуре + 30⁰ С, если при изменении температуры на 1⁰ С влажность меняется на 1%. При температуре 20⁰ С толерантность клеща к влажности 45-90 %, для нормальной жизнедеятельности необходима влажность 60-70 %.

Вариант -2

1. Посоветуете ли Вы предпринимателю высадить грецкий орех в Астрахани, где средняя месячная температура воздуха зимой равна -20 ⁰С. Толерантность грецкого ореха равна – 15⁰ С +30⁰ С; оптимум равен –10⁰ С +18⁰ С.

2. Что Вы посоветуете предпринимателю для получения запланированного урожая с посадок томата, если для нормального плодоношения необходима следующая концентрация питательных веществ в почве: азот – 3-4 мг/кг; калий – 0,6-0,8 мг/кг; фосфор – 0,9-1,2 мг/кг; молибден– 0,001-0,004 мг/кг; цинк – 0,005-0,008 мг/кг, а химический анализ почвы на период завязки плодов показал, что: азот – 2 мг/кг; калий – 0,4 мг/кг; фосфор – 1 мг/кг; калий – 0,06 мг/кг; молибден – 0,008 мг/кг, цинк – 0,01 мг/л.

3. Изобразите графически биологический оптимум и пределы толерантности к температуре среды для популяции тли, и определите, выживет ли она при скорости ветра 25 м/с, если при изменении скорости ветра на 1 м/с температура меняется на 1⁰ С. При скорости ветра 5 м/с толерантность тлиравна -35-+40 ⁰С, для нормальной жизнедеятельности необходима температура -5-+25 ⁰С.

Раздел 3 Демэкология

Дэмэкология –изучает взаимоотношения между организмами одного вида в пределах популяций и средой их обитания, а также экологические закономерности существования популяций.

Популяция – группа свободно скрещивающихся особей одного вида, находящихся во взаимодействии между собой и совместно населяющая общую территорию.

Групповые характеристики – численность (общее количество особей на обитаемой территории); плотность (среднее число особей на обитаемой территории); рождаемость (число новых особей за единицу времени); смертность (количество погибших особей за единицу времени); прирост (разница между рождаемостью и смертностью); темп роста (средний прирост за единицу времени).

Важнейшим свойством популяции является динамика численности– процессы изменения ее групповых характеристик во времени. Особое значение в изучении динамики придается изменениям численности и механизмы ее регулирования, т.к. для любой популяции существуют пределы снижения численности особей. За которымипопуляция гибнет (численность не должна уменьшаться ниже пределов, за которыми снижается вероятность встречи партнеров для скрещивания).

Гомеостаз популяции –поддержание оптимальной в данных условиях численности. Пределы снижения численности имеют следующую зависимость – чем меньше особи тем пределы выше ( у бакланов – 10 тыс. особей, а у северного оленя – 300 голов). Поэтому популяции сами регулируют свою численность, с помощью регулирующих факторов (биотических), чем выше численность. Тем сильнее срабатывают механизмы уменьшающие ее и наоборот – это основа гомеостаза популяций.

К числу регулирующих факторов относят:

1. Отношения «хищник-жертва», «паразит-хозяин». Высокая численность жертвы создает пищевые условия для размножения хищника. Хищник, увеличив численность, снижает количество жертвы. Численность обоих видов в результате этого носит синхронно-колебательный характер, причем численность популяции никогда не упадет до нулевых значений.

2. Конкуренция в мягких и жёстких формах. Жесткие формы – гибель части особей. Пример: самоизреживание фитоценозов, которое дает пространство для более сильных особей, а слабые включаются в круговорот веществ. Каннибализм у животных – взрослые окунии судаки питаются мальками своего вида – старшие поедают младших. Белые аисты не найдя места для гнезда выкидывают чужих птенцов.

3. Выделения во внешнюю среду. Пример: молодое поколение леса не появляется под пологом материнского, не только из-за дефицита света и питания, а вследствие выделения корнями особых веществ, препятствующих росту молодых побегов; по мере старения леса он начинает омолаживаться.

4. Территориальность – способ охраны занимаемой территории: пение птиц, мечение границ, отметины на коре и почве. Пример: коала – метит территорию на площади 60 га и ее мускусный запах держится1 год.

5. Стрессовые явления у млекопитающих при перенаселенности приводят к потере репродуктивных функций (крокодилы, кенгуру).

6. Миграции – уход части особей в другие популяции с меньшей плотностью населения.

Биотический потенциал –теоретически возможное потомство от одной пары особей. Пример: косуля за всю жизнь производит – 10 козлят, дрожжевые клетки за несколько часов покроют все пространство Земли.

Когда увеличение численности идет по j-образной кривой, ее называют экспоненциальной. Она характерна для человека, ноя для большинства организмов выживаемость характеризуется сигмовидной кривой – численность увеличивается до определенного момента. Когда по каким-либо причинам (уменьшение пищевых ресурсов, изменение факторов среды) темп роста снижается до нуля и кривая выходит на плато- популяция стабильна, численность не меняется.

В природе рост численности популяций никогда не бывает бесконечным. Поскольку ресурсы, за счет которых существуют виды имеют пределы, которые называют емкостью среды.

Задание

«Построение и анализ кривой роста»

1. По данным таблицы построить в масштабе кривую роста данной популяции.

2. Выделить периоды с экспоненциальным и сигмовидным ростом.

3. Выяснить причины колебания численность популяции и дать анализ динамики популяции по годам и на будущее.

ВАРИАНТ -1

Таблица 2 - Изменение численности популяции трески по годам

Численность, тыс.
Годы

ВАРИАНТ -2

Таблица 3 - Изменение количества деревьев сосны по годам

Количество, тыс.
Годы

Популяция характеризуется определенной структурной организацией, которая называется структурой популяции – соотношение групп особей по полу, возрасту, распределение по территории и т.д. Она формируется под влиянием факторов среды и популяций других видов.

Распределение по территории – отражает характер распределения особей в пределах занимаемого ареала. Распределение может быть равномерное (свойственно популяциям, существующим в условиях равномерного распределения факторов среды), неравномерное (характерно для популяций, состоящих из особей, ведущих групповой образ жизни) и случайное.

Возрастная структура – соотношение особейразличных возрастов. Наибольшей жизнеспособностью отличаются популяции, в которых все возраста представлены равномерно, такие популяции называют нормальными. Если преобладают старческие особи, то такие популяции называют вымирающими и требуются меры по выявлению причин такого состояния.

При эксплуатации человеком природных популяций учет их возрастной структуры имеет огромное значение. Если популяция находится в нормальном состоянии, то человек может из нее изымать то количество биомассы, которая производится за промежуток времени между изъятиями. Пример: лесоводами разработаны различные виды рубок не влияющие на экологическое состояние и продуктивность лесов: рубки промежуточного (проводятся во всех возрастах древостоя) и главного пользования (убирается часть древостоя достигшего возраста спелости), такой тип ведения хозяйства – мягкое управление природными процессами.

Половая структура – численное соотношение самок и самцов в различных возрастных группах. Пример: на 100 новорожденных девочек приходится 106 мальчиков, к 18 годам соотношение выравнивается, к 50-ти годам на 100 женщин приходится 85 мужчин, к 80-ти мужчин в 2 раза меньше, чем женщин.

Задание

«Определение групповых характеристик и структуры популяции на современный уровень и на год вперед»

ВАРИАНТ -1

На территории 2 га обитает популяция ежей в количестве 27 особей, соотношение самок и самцов 1:2; детенышей – 12; репродуктивного возраста – 9 особей; старческих – 6 особей. Самка производит на свет 6 детенышей в год. Ежегодно уничтожается по различным причинам в среднем по 3 особи в каждой возрастной группе. Гомеостаз популяции – 30 особей.

ВАРИАНТ -2

На территории 10 га обитает популяция синиц в количестве 180 особей, соотношение самок и самцов 1:3; детенышей – 40; репродуктивного возраста – 100 особей; старческих – 40 особей. Самка высиживает 4 птенца в год. Ежегодно уничтожается по различным причинам в среднем по 20 особей в каждой возрастной группе. Гомеостаз популяции – 200 особей.

Раздел 4 синэкология

Любая экосистема включает несколько трофических (пищевых) уровней или звеньев. Первый уровень представ­лен растениями. Их называют автотрофами (греч.аутос - сам; трофо - пища) или продуцентами (лат. продуцена - создающий). Второй и последующие уровни представлены животными. Их на­зывают гетеротрофами (греч.геторос - другой) или консумен-тами. Последний уровень в основном представлен микроорганиз­мами и грибами, питающимися мертвым веществом. Их называ­ют редуцентами (лат.редуцере - возвращать). Они разлагают органическое вещество до исходных минеральных элементов.

Взаимосвязанный ряд трофических уровней представляет цепь питания, или трофическую цепь (рис. 26).

Рисунок 26 – Трофическая (функциональная) структура экосистемы (цепь пи­тания) и круговорот вещества в ней.

Задание

Вариант 1

1. Подберите организм, к каждой трофической группе. Составьте пищевую сеть из приведенного списка организмов. Укажите трофические уровни и тип сети.

Трофическая группа	Организм
Гетеротрофы	Верблюд
Автортрофы	Стервятник
Продуценты	Жук-навозник
Консументы	Тушканчик
Паразиты	Растения
Редуценты	Шакал

2.Определите площадь под посев люцерны, для обеспечения вторичной продукцией население численностью 300 чел. в течение года, если одному человеку массой 85 кг, в среднем необходимо 800 кг мяса/в год. С одной забитой коровы получают 190 кг мяса, а для ее прокорма требуется 240 кг люцерны. Годовой урожай люцерны составляет 100 ц/га. Постройте пирамиду чисел в масштабе, если норма высева люцерны составляет 3,5 млн./га.

Вариант 2

1.Подберите организм, к каждой трофической группе. Составьте пищевую сеть из приведенного списка организмов. Укажите трофические уровни и тип сети.

Трофическая группа	Организм
Гетеротрофы	Кукушка
Автортрофы	Бактерии
Продуценты	Листовая подстилка леса
Консументы	Черный дрозд
Паразиты	Ястреб
Редуценты	Майский жук

2. Определите площадь под посев люцерны, для обеспечения вторичной продукцией население численностью 550 чел. в течение года, если одному человеку массой 65 кг, в среднем необходимо 70 кг мяса/в год. С одной забитой коровы получают 190 кг мяса, а для ее прокорма требуется 230 кг люцерны. Годовой урожай люцерны составляет 100 ц/га. Постройте пирамиду биомассы в масштабе, если норма высева люцерны составляет 3 млн./га.

Раздел5 Аутэкология

Световой режим

Всем живым организмам для осуществления процессов жизнедеятельности необходима энергия, поступающая от солнечной радиации.

Для животных это ориентирование в окружающей среде, информация о внешних условиях. Зелёным растениям свет нужен для образования хлорофилла, регуляции работы устьиц, газообмена, стимуляции синтеза белков и РНК, определения сроков плодоношения и цветения. Большое значение имеет свет в использовании солнечной энергии в процессе фотосинтеза. С этим связаны основные адаптации растений по отношению к свету.

Среди УФЛ до поверхности Земли доходят только длинноволновые (290-380 нм), а коротковолновые, губительные для живого вещества, практически полностью поглощаются озоновым экраном на высоте 25-30 км. Длинноволновые лучи, обладающие большой энергией фотонов, имеют высокую химическую активность. Большие их дозы вредны для организмов, а небольшие, необходимы многим видам, в диапазоне 250-300 нм УФЛ оказывают мощное бактерицидное действие и у животных вызывают образование антирахитичного витамина D, поэтому многие млекопитающие и птицы, выводящие детёнышей в норах выносят их утром на освещённые участки, проводя «солнечное купанье»; при длине волны 200-400 нм вызывают у человека загар, который является защитной реакцией кожи.

Свет и биологические ритмы

Биологические ритмы представляют собой периодически повторяющиеся изменения интенсивности и характера биологических процессов и явлений. Они присущи всем живым организмам и отмечаются на всех уровнях организации живой материи: от молекулярного до биосферного.

Биологические ритмы наследственно закреплены и являются следствием естественного отбора и адаптации организмов. Они бывают внутрисуточные, суточные, сезонные, годичные, многолетние и многовековые.

В основе периодических процессов лежит внутренняя программа, на которую воздействует сложный комплекс экологических факторов.

Суточные ритмысвойственны большинству организмов: дневная или ночная активность, время открытия и закрытия цветков, начало и окончание бодрствования, здесь режим освещения является сигнальным фактором.

Сезонные ритмысвойственны организмам, обитающим в условиях сезонной смены климатических режимов: определённые сроки образования семян, формирования клубней, запасания питательных веществ перед зимой, размножение, линька, спячка и миграции организмов.

Годичные ритмы (циркануальные) ритмы, повторяющиеся с периодичностью близкой к годовой- 300-344 сут, они работают по принципу биологических часов и представляют собой смену сменяющихся сезонных состояний.

Температурный режим

Температура отражает среднюю кинетическую скорость атомов имолекул в какой-либо системе. От температуры окружающей среды зависит температура организмов и, следовательно, скорость всех химических реакций, составляющих обмен веществ.

Верхний температурный порог жизни теоретически определяется температурой свертывания белков. Необратимые нарушения структуры белков возникают при температуре +60 ⁰С («тепловая смерть») обезвоживание организмов повышает этот порог. Именно на этом основана высокая термоустойчивость цист, семян, спор. Но есть организмы- прокариоты (бактерии) обитающие в горячих источниках с температурой воды +70⁰С, а некоторые анаэробные археобактерии нормально существуют при 85-105⁰С.

Нижний температурный порог жизни связан со структурными изменениями в клетках и тканях (замерзание вне- и внутриклеточных жидкостей). При образовании кристаллов льда механически повреждаются ткани, что служит причиной холодовой гибели.

Границы существования жизни - это температуры, при которых возможно нормальное строение и функционирование бел­ков, всреднем от 0 до +50^ОС. Однако целый ряд организмов об­ладает специализированными ферментными системами и приспособлен к активному существованию при температуре тела, выходящей за указанные пределы.

Виды, предпочитающие холод, относят к экологической группе криофилов. Они могут сохранять активность при температуре клеток до -8...-10 °С, когда жидкости их тела находятся в переохлажденном состоянии. Криофилия характерна для представите­лей разных групп наземных организмов: бактерий, грибов, лишай­ников, мхов, членистоногих и других существ, обитающих в усло­виях низких температур: в тундрах, арктических и антарктических пустынях, в высокогорьях, холодных морях и т. п. Виды, оптимум жизнедеятельности которых приурочен к области высоких темпе­ратур, относят к группе термофилов: нематоды, личинки насекомых, клещей и других организмов, встречающихся на поверхности почвы и в разлагающихся органических остатках при их саморазогревании и т. д.

Температурные границы существования жизни намного раздвигаются, если учесть выносливость многих видов в латентном состоянии. Споры некоторых бактерий выдерживают в течение нескольких минут нагревание до +180°С. В лабораторных экспериментальных условиях семена; пыльца и споры растений, нематоды, коловратки, цисты простейших и ряд других организмов, после обезвоживания переносили температуры, близкие к абсолютному нулю (до -271,16°С) возвращаясь затем к активной жизни. В этом случае цитоплазма становится тверже гранита, все молекулы находятся в состоянии почти полного покоя и никакие реакции невозможны; Приостановка всех жизненных процессов организма носит названиеанабиоза. Из состояния анабиоза живые существа могут возвратиться к нормальной активности только в том случае, если не была нарушена структура макромолекул в их клетках.

Представители большинства видов не обладают достаточно высоким уровнем обмена веществ. Их жизнедеятельность и активность зависят, прежде всего, от тепла, посту­пающего извне, а температура тела - от хода внешних температур. Такие организмы называют пойкилотермными,Пойкилотермия, свойственна всем микроорганизмам, растениям, беспозвоноч­ным животным и значительной части хордовых.

Гомойотермныеживотные способны поддерживать постоянную оптимальную температуру тела независимо от температуры среды.

Гомойотермия, характерна только для представителей двух высших классов позвоночных - птиц и млекопитающих. Частный случай гомойотермии - гетеротермия— свойствен животным, впа­дающим в неблагоприятный период года в спячку или оцепенение. В активном состоянии они поддерживают высокую температуру тела, а в неактивном- пониженную, что сопровождается замедлением обмена веществ. Таковы суслики, сурки, ежи, летучие мыши, сони, стрижи, колибри и др.

Влажность

Протекание всех биохимических процессов в клетках и нормальное функционирование организма в целом возможны только при достаточном обеспечении его водой -необходимым условием жизни. Питательные вещества циркулируют в организме, главным образом в виде водных растворов.

Дефицит влаги - одна из наиболее существенных особенностей наземно-воздушной среды жизни. Вся эволюция наземных организмов шла под знаком приспособления к добыванию и сохранению влаги. Режимы влажности среды на суше очень разнообразны - от полного и постоянного насыщения воздуха водяными парами в некоторых районах тропиков до практически полного их отсутствия в сухом воздухе пустынь. Велика также суточная и сезонная изменчивость содержания водяных паров в атмосфере. Водообеспечение наземных организмов, зависит также от режима выпадения осадков, наличия водоемов, запасов почвенной влаги, близости грунтовых вод и т. п. Это привело к развитию у наземных организмов множества адаптации к различным режимам водообеспечения.

Кислородный режим

В насыщенной кислородом воде содержание его не превышает 10 мл в 1 л, это в 21 раз ниже, чем в атмосфере. Содержание кислорода в природных водоемах не превышает 10-11 мл/л. Поэтому условия дыхания гидробионтов значительно усложнены. Кислород поступает в воду в основном за счет фотосинтетической деятельности водорослей и диффузии из воздуха. Поэтому верхние слои водной толщи, как правило, богаче этим газом, чем нижние. С повышением температуры и солености воды концентрация в неё кислорода понижается. В слоях, сильно заселениях животными и бактериями, может создаваться резкий дефицит О₂ из-за усиленного его потребления, Например, в Мировом океане богатые жизнью глубины от 50 до 1000 м характе­ризуются резким ухудшением аэрации - она в 7-10 раз ниже, чем в поверхностных водах, населенных фитопланктоном. Около дна водоемов условия могут быть близки к анаэробным.

Среди водных обитателей много видов, способных переносить широкие колебания содержания кислорода в воде, вплоть до почти полного его отсутствия: пресноводные олигохеты, брюхоногие моллюски. Среди рыб очень слабое насыщение воды кислородом могут выдерживать сазан, линь, караси. Вместе с тем ряд видов могут существовать лишь при достаточно высоком насыщении воды кислородом радужная форель, кумжа, гольян, ресничный червь, личинки поденок, веснянок и др. Многие виды способны при недостатке кислорода впадать в неактивное состояние-аноксибиоз - и таким образом переживать неблагоприятный период.

Небольшое количество кислорода, растворенного в воде, предъявляет определённые требования к конструкции органов внешнего дыхания-они должны быть большой поверхности и контактировать с окружающей средой (жабры), также дыхание гидробионтов осуществляется через легкие, трахеи и поверхность тела. При этом покровы могут служить дополнительным орга­ном дыхания. Например, рыба вьюн через кожу потребляет в среднем до 63% кислорода. Если через покровы тела происходит газообмен, то они очень тонки. Дыхание облегчается также увеличением поверхности. Это достигается в ходе эволюции видов образованием различных выростов, уплощением, удлинением, общим уменьшением размеров тела. Некоторые виды при недостатке кислорода активно изменяют величину дыхательной поверхности. Черви сильно вытягивают тело в длину; гидры и актинии -щупальца; Многие сидячие и малоподвижные животные обновляют вокруг себя воду, либо создавая ее направленный ток, либо колебательными движениями способствуя ее перемешиванию. Пиявки, личинка комаров-звонцов (мотыль), многие олигохеты колышут тело, высунувшись из грунта.

В условиях дефицита кислорода у некоторых видов встречается комбинирование водного и воздушного дыханий. Таковы двоякодышащие рыбы, сифонофоры, дискофанты, шагающий сом, рыба-ползун многие легочные моллюски, ракообразные и др. газообмен происходит в ротовой и околожаберной полости, в различных отделах пищеварительного тракта (рыба-вьюн), в плавательном пузыре (ильная рыба), через кожу ( илистый прыгун, обыкновенный угорь). Вторичноводные животные сохраняют обычно ат­мосферный тип дыхания как более выгодный энергетически и нуждаются поэтому в контактах с воздушной средой, например ластоногие, китообразные, водяные жуки, личинки комаров и др.

Нехватка кислорода в воде приводят иногда к катастрофиче­ским явлениям -заморам, сопровождающимся гибелью множест­ва гидробионтов. Зимние заморы часто вызываются образованием на поверхности водоемов льда и прекращением контакта с воздухом; летние-повышением температур<