§ 8. Приспособления живых организмов к сезонным ритмам условий среды обитания
Как вы уже знаете из § 5, у большинства животных и растений цикл развития приурочен к сезонам года. Сигналом для подготовки к изменению сезона служит изменение продолжительности светового дня — фотопериода. Все растения и животные, особенно умеренного климата, эволюционно выработали механизмы приспособления к сезонным изменениям факторов среды. Сезонные явления в природе изучает наука фенология.
*Приспособления растений к сезонным ритмам условий среды обитания
У растений процессы роста и развития определяются сезонными особенностями климатических факторов. Весной под их влиянием у растений активируются физиологические процессы, приводящие к росту и развитию, летом — к размножению, осенью — к листопаду. У покрытосеменных весной происходит цветение, а летом — плодоношение. Основным приспособлением растений к зимним условиям является их переход в состояние покоя, характеризующееся прекращением роста и замедлением биологических процессов. У некоторых растений до наступления холодов формируются подземные видоизмененные побеги, содержащие запас питательных веществ и способные переносить неблагоприятный период года. Например, у нарцисса, тюльпана, лилии образуются луковицы; у картофеля, топинамбура — клубни. С наступлением благоприятных условий они обеспечивают вегетативное размножение.
Длина светового дня, изменяющаяся в течение года, как часы, показывает растениям лучшее время для перехода к вегетации, размножению или для подготовки к неблагоприятному сезону. Важен также характер изменения длины светового дня (укорачивающийся или удлиняющийся). Например, у ряда многолетних злаков переход к цветению стимулируется удлинением светового дня весной, у других видов растений, наоборот, для этого требуется его укорачивание. Как вы уже знаете из § 5, наземные растения по типу фотопериодической реакции разделяются на короткодневные, длиннодневных и нейтральные к длине светового дня.
В зависимости от сезона лимитирующее действие на растения могут оказывать разные климатические факторы — свет, температура, влажность. Приспособления к их недостатку или избытку в среде обитания рассматривались в § 5—7.
Приспособления животных к сезонным ритмам условий среды обитания
У животных к неблагоприятным сезонным явлениям сформировались разнообразные приспособления. Для них характерны сезонные биологические циклы, в основе которых лежат сложные физиологические механизмы. Так, одни животные запасают корм, другие — накапливают массу тела, третьи — замедляют процессы жизнедеятельности, четвертые — повышают уровень теплообразования. На подготовку к зиме требуется время для физиологической перестройки организма и накопления необходимого запаса энергетических ресурсов.
В ходе эволюции животные смогли выработать три основных пути приспособления к неблагоприятным сезонным условиям среды: активный, пассивный и избегание неблагоприятных воздействий.
Активный путь приспособления организмов к сезонным колебаниям экологических факторов — это, во-первых, теплокровность — поддержание организмом постоянной температуры тела за счет высокой интенсивности обмена веществ, что позволяет противостоять низким зимним температурам. Некоторые млекопитающие и птицы сменяют наружный покров, чтобы уменьшить теплоотдачу в зимних условиях. У них происходит осенняя линька — смена летних покровов на более густые зимние.
Во-вторых, у животных появились приспособления, позволяющие переносить недостаток влаги. Например, бурые медведи, сурки, хомяки к осени способны накапливать бурый жир, который зимой расщепляется с образованием воды. Некоторые животные — змеи, черепахи, членистоногие — при наступлении засухи добывают влагу из пищи.
Пассивный путь приспособления организмов к сезонным колебаниям экологических факторов характеризуется своеобразным приспособлением к перенесению неблагоприятных условий — спячкой. Спячка — это состояние пониженной жизнедеятельности и обмена веществ, наступающее у некоторых гомойотермных животных, когда пища или вода становится малодоступной и сохранение высокого интенсивного обмена веществ невозможно. Во время спячки происходит снижение температуры тела на несколько градусов, но обычно не более чем на 10 °С, и терморегуляция не прекращается. При этом дыхание становится редким, замедляется сердцебиение, затормаживаются физиологические процессы. Различают зимнюю и летнюю спячки.
Зимняя спячка — относительно продолжительный непрерывный сон некоторых млекопитающих животных (бурые медведи, летучие мыши, сурки, барсуки, суслики, сони, ежи) в зимнее время года. Главной причиной является недостаток корма. Спячка может длиться от нескольких дней до многих месяцев в зависимости от региона и вида организмов.
Суслик спит до 6 месяцев в характерной позе — сидя на задних ногах, подогнув голову к брюшку и укрыв себя хвостом. Еж сворачивается клубком и засыпает. Летучая мышь, завернувшись в крылья, в состоянии спячки проводит до 7 месяцев (с октября по апрель), пока нет насекомых. Сони в умеренном климате спят до 8 месяцев. Сурок в состоянии замедленного обмена веществ суммарно проводит до 9 месяцев.
Животные, которые впадают в зимнюю спячку, как правило, не делают запасов пищи на зиму. Но они накапливают за теплое время года жир в своем теле, позволяющий им существовать без пищи и воды.
Подкожный слой жира у медведей ближе к холодам достигает толщины в 7—9 см. Самки набирают массу до 150 кг и больше, самцы — до 300 кг, причем всей массы приходится на жир. У барсуков старые самцы к зиме набирают до 32—34 кг массы при исходной около 24 кг.
Жаркое время года некоторые грызуны переносят в состоянии летней спячки, продолжающейся до нескольких месяцев. Она вызвана сезонным дефицитом воды.
Для пойкилотермных животных (насекомых, рыб, земноводных, пресмыкающихся) характерно оцепенение. Оцепенение — состояние резко пониженной жизнедеятельности, при котором все внутренние процессы замедляются намного сильнее, чем при спячке. Температура тела снижается до значения температуры внешней среды, сердцебиение замедляется до 2—3 ударов, а дыхание — до 3—4 вдохов в минуту.
Зимнее оцепенение наступает при недостатке тепла, влаги и пищи в среде обитания. Позвоночные животные находят себе укромные места (в норах, под корягами), насекомые прячутся в землю, в дупла, под кору деревьев, забиваются в трещины пней и впадают в оцепенение до наступления весны.
Летнее оцепенение у обитателей жарких регионов наступает при выгорании растительности и недостатке влаги. Например, степные черепахи при летнем оцепенении «высыхают» — теряют много воды.
Особым приспособлением к неблагоприятным сезонным условиям является анабиоз — временное состояние организма, при котором жизненные процессы замедлены до минимума и отсутствуют все видимые признаки жизни. Анабиоз характерен в основном для спор, сухих семян, протистов, лишайников, круглых червей. В таком состоянии они способны длительно выдерживать очень низкие и высокие температуры, переносить отсутствие воды. Например, высушенные семена растений, споры, а также цисты протистов способны выдерживать температуры ниже –200 °С.
Избегание неблагоприятных воздействий — еще один путь приспособления организмов к сезонным колебаниям экологических факторов. Основным примером являются миграции. Миграции — это регулярные, повторяющиеся из года в год сезонные перемещения большого числа птиц или других животных из одного местообитания в другое. Наиболее хорошо известны миграции птиц умеренных широт (журавлей, аистов, лебедей, гусей). Миграции совершают и многие млекопитающие (северные олени, гну, киты), некоторые пресмыкающиеся (морские черепахи), насекомые (бабочка-монарх).
Птицы способны совершать очень дальние перелеты. Белые аисты гнездятся в Европе, в том числе и в Беларуси, а зимуют в Южной Африке. Эти птицы дважды в год преодолевают расстояние в 10—15 тыс. км. Самые дальние перелеты совершают полярные крачки. Эти птицы проводят лето в тундре, где выводят птенцов, а зимуют в южном полушарии. Таким образом, крачки два раза в год пролетают более 17 тыс. км. Северные олени с наступлением зимы мигрируют из тундры в лесотундру и северную тайгу, преодолевая расстояния до 500 км.
Повторим главное. У растений адаптация к смене сезонов проявляется переходом к следующей стадии жизненного цикла. Весной у них активно протекают процессы роста и развития, у большинства покрытосеменных наступает цветение, летом — плодоношение, осенью — листопад. Основным приспособлением растений к зиме является их переход в состояние покоя. Путями приспособления животных к неблагоприятным сезонным условиям среды являются: активный путь (теплокровность, способность накапливать жир); пассивный путь (спячка, оцепенение, анабиоз); избегание неблагоприятных воздействий (миграции).
Проверим знания
1. Назовите причину наступления листопада у древесных двудольных растений.
2. Какие пути приспособления к сезонным изменениям условий среды выработали животные?
3. Из приведенного перечня животных выберите впадающих: 1 — в спячку; 2 — в оцепенение. Барсук, сурок, лягушка, змея, медведь бурый, черепаха, еж, ящерица, тритон, мышь летучая, соня, бурундук, амур белый. Чем отличаются эти состояния?
*1. Объясните, почему одни животные впадают в спячку зимой, а другие — летом. Приведите их примеры.
2. Как вы думаете, почему медведь бурый впадает в зимнюю спячку, а медведь белый зимой активен?
* Индивидуальное домашнее задание. В качестве объекта наблюдения выберите типичное для ваших мест древесное растение и проследите за его сезонными изменениями. Составьте дневник фенологических наблюдений. Установите типы адаптаций данного растения к разным сезонам.
Источник
Долгие зимние месяцы – время, когда природа, кажется, забывается глубоким сном в ожидании прихода тепла. Зимой под снегом продолжается жизнь кустарничков и трав, растений лесных опушек и полян, лугов и речных долин. Лесные растения средней полосы по-разному адаптированы к зимним условиям.
Зимняя стужа в средней полосе – это сухой период года, когда грунтовые воды замирают в верхних слоях почвы. Деревьям и кустарникам приходится преодолевать период зимней сухости – главной сезонной угрозы. Все адаптации растений к зиме направлены на снижение потерь влаги. Стволы деревьев защищены корой, почки спрятаны в почечные чешуйки. Для многих деревьев и кустарников главный способ борьбы с зимним высыханием – сбрасывание листвы. Такие растения называются листопадными. Весной и летом листва активно фотосинтезирует, обеспечивая рост и все остальные функции. На зиму листопадные растения «засыпают», не расходуя воды на испарение и фотосинтез. Хвойные растения имеют преимущество перед лиственными: в хвое содержится очень мало воды, а преобладают незамерзающие эфирные масла, алкалоиды и сахара. Фотосинтез идет медленно, но он может идти даже зимой. Каждая хвоинка защищена слоем особого воска, предохраняющего от потери влаги.
Среди наших растений есть такие, которые зимуют под снегом зелеными. Если раскопать снеговой покров, можно увидеть зеленые листья. Надземные части этих растений прижаты снегом и распластаны на поверхности почвы. Вечнозеленые лесные кустарнички в Приокско-Террасном заповеднике представлены брусникой, черникой, толокнянкой, линнеей и др. Зимнезеленые травянистые растения – это грушанки, копытень, зеленчук. Все эти растения зимуют под снегом, а от высыхания их спасают специальный восковой налет или опушение на листьях, а еще имеют «химическая» защита – в их клетках есть особые дубильные вещества, предохраняющие от замерзания.
Другой тип лесных трав – нежные травянистые растения, у которых зимуют только подземные органы. Их основной способ переживания зимы – полное отмирание надземной части. Это ландыш, майник, седмичник, многие другие – они радуют нас, появляясь на проталинах каждой весной. Надземные части разных лесных растений имеют разные сроки жизни – у одних они зеленеют до поздней осени, а у других – таких как пролеска сибирская, хохлатка, гусиный лук, чистяк, надземная часть отмирает очень быстро – в начале лета. Только появившись, эти растения сразу цветут, дают плоды и вскоре засыхают, проводя большую часть года под землей, в состоянии покоя. Во всех этих случаях мы говорим о многолетних растениях. В лесах средней полосы есть и однолетние травянистые растения, жизнь этих растений очень коротка – всего несколько теплых месяцев.
Есть в лесу и растения, которым зимняя стужа вовсе нипочем. Это – мхи. Они могут зимовать даже без снежного одеяла. Мхи не боятся сильных морозов, потому что им совершенно не опасно высыхание: влагу они поглощают всей своей поверхностью, словно губка – в том числе из атмосферных осадков. Если долго нет дождя, мох полностью теряет влагу и высыхает до воздушного состояния, но при этом не погибает, а просто переходит в состояние покоя. Подобным образом обстоит дело и у лишайников. Они так же хорошо переносят зиму в лесу и никогда не страдают от зимних невзгод.
Прострел раскрытый Хохлатка плотная
Источник