Работа 3 Определение устойчивости растений к высоким температурам

Жизнь на Земле существует в широком диапазоне температур. Для многих видов зона комфорта, или экологического оптимума, приходится на +20... +30°С. Для большинства гидробионтов +35°С явля­ется пределом, +50°С переносится рядом теплолюбивых наземных обитателей - микроорганизмами, растениями и некоторыми живот­ными. Таким образом, хотя из-за свойств белков протоплазмы и актив­ности ферментов большинство живых существ способны жить при температуре между 0 и 50° (и большинство местообитаний на поверх­ности нашей планеты имеют температуру, не выходящую за эти пре­делы), благодаря специальным приспособлениям некоторые виды могут выносить экстремальные температуры.

Экологические группы организмов по отношению к температуре.Несмотря на большой диапазон температур, говорящий о пластич­ности жизни, по отношению к температурному фактору, виды четко разделяются на экологические группы.

Виды, предпочитающие холод, относятся к криофилам (от греч. krio - холод и рhilео - люблю) и к криофитам. Они могут сохранять активность при температуре клеток -8... -10°С, когда жидкости их те­ла находятся в переохлажденном состоянии. Холодостойкость характерна для бактерий, грибов, лишайников, мхов, членистоногих и дру­гих групп наземных организмов, обитающих в условиях низких тем­ператур в тундрах, арктических и антарктических пустынях, в вы­сокогорьях и т. п.

Виды с оптимумом деятельности в области высоких температур относятся к термофилам и термофитам. Термостойкостью характе­ризуются многие группы микроорганизмов и животных, например, бактерии и синезеленые водоросли горячих источников, нематоды, личинки насекомых, клещей и других организмов, встречающихся на поверхности почвы в аридных районах, в саморазогревающихся раз­лагающихся органических остатках и т. п.

Как криофилы и криофиты, так и термофилы и термофиты - стенотермны. В широком диапазоне температур живут эвритермные организмы. Известный брюхоногий моллюск Нуdrobia ароnensis, яв­ляющийся примером исключительной стойкости среди водных ор­ганизмов, выдерживает колебания температуры от -1° до +60°С, хо­тя обычно обитает в горячих источниках. Лишайники и многие бак­терии могут жить при самой различной температуре. Это позволяет некоторым видам лишайников подниматься в Гималаях на высоту бо­лее 6 000 м. Из животных наиболее эвритермными являются такие, которые могут поддерживать постоянство температуры тела. Среди морских организмов наиболее эвритермны обитатели литорали.

Температурные пределы, в которых жизненные процессы протекают нормально, зависят от многих обстоятельств, и, прежде всего, от специфики вида, которая, в свою очередь, связана с местом его происхождения и экологическими условиями эволюционного разви­тия. Виды, возникшие в тропических странах, в большинстве при­надлежат к теплолюбивым. Виды из крайних северных или южных широт более стойки к низким температурам. Таким образом, проис­хождение, расселение и эволюция вида имеют первостепенное зна­чение для условий его существования.

Способы терморегуляции у животных.Между организмами и жизненной средой существуют сложные термические отношения, обусловленные тем, что потребности животных и растений в тепле должны находиться в определенном равновесии с его наличием во внешней среде, т. е. между ними должен быть достигнут температурный гомеостаз (от греч.homoios – подобный, одинаковый и stasis - неподвижность, состояние). Баланс между потребностью в тепле и поступлением его извне достигается разными путями. Наибольшего успеха в адаптации достигли животные, как наиболее высокоорганизованные обитатели планеты. Животным доступны два основных источника тепловой энергии - внешний (солнечная энергия, запасы тепла во внешней среде, например в пище) и внутренний (тепло, продуцируемое в процессе обмена веществ). В ходе эволюции животных от низших форм к высшим относительное значение этих источников заметно менялось - происходило все большее усиление роли внутренних источников тепла и ослабление зависимости от внешних. Одновременно с развитием источников внутреннего тепла (например, мускулатуры - чем она мощнее и активнее, тем большее количество тепла генерирует животное) под действием естественного отбора формировались специальные пути и способы терморегуляции. У животных их несколько.

Химическая терморегуляция - активное увеличение теплопродукции в ответ на понижение температуры среды; направлена на поддержание теплового баланса, или гомеостаза. С энергетической точки зрения это расточительный способ сохранения температурного гомеостаза.

Физическая терморегуляция - изменение уровня теплоотдачи (не продуцирования, а отдачи тепла!), способность удерживать тепло или, наоборот, рассеивать его избыток. Физическая терморегуляция осуществляется благодаря специальным анатомическим и морфологическим приспособлениям в строении животных: волосяному и перьевому покровам, деталям устройства кровеносной системы, распределению жировых запасов, возможностям испарительной теплоотдачи и т. д. Физическая терморегуляция значительно более экономична, чем химическая.

Поведенческая регуляция. Изменяя свое поведение или местоположение, животные могут активно избегать крайних температур. Для многих видов изменение поведения является практически единственным и очень эффективным способом поддержания теплового баланса.

В зависимости от источника тепла, преобладающего в тепловом балансе, и развитости терморегуляторных способностей животных делят на две группы: пойкилотермные (греч. роikilos - колеблющийся), или, как говорили раньше, "холоднокровные" (все беспозвоночные и низшие позвоночные) и гомойотермные (греч. hотео - устойчивый), иначе говоря, "теплокровные" (почти все птицы и млекопитающие). Некоторые авторы выделяли еще и третью, промежуточную группу - гетеротермных животных (низшие и зимоспящие звери, новорожденные детеныши и птенцы).

Изменение размеров животных с изменением температурных климатических условий.Согласно правилам Аллена и Бергмана, вытекающим из принципа уменьшения теплоотдачи при сокращении отношения поверхности тела к объему (т.е. удельной поверхности), происходят закономерные изменения размеров животных и выступающих частей их тела в связи с изменением температурного фактора. Обе закономерности отражают адаптацию животных к поддержанию постоянной температуры тела в различных климатических условиях.

Спячка как адаптация к неблагоприятным условиям среды.Сезонные изменения климата и связанные с ними перемены в составе и количестве растительных и животных кормов резко влияют на всех животных. Во время зимы и летней засухи огромное большинство видов тем или иным способом защищается от действия неблагоприятных климатических условий или от отсутствия корма и влаги. Некоторые виды животных предваряют это трудное время активной подготовкой. Запасают на зиму корм, строят зимние жилища – глубокие норы и теплые гнезда, «одеваются» в густой и длинный зимний мех, который к лету выпадет и заменится коротким и редким, накапливают подкожный слой жира, который играет роль тепловой изоляции и служит основным энергетическим резервом.

Своеобразным приспособлением для переживания в неблагоприятных условиях является состояние оцепенения – спячка, наблюдающаяся у многих видов млекопитающих. В этом состоянии сведены к минимуму все процессы, происходящие в организме. Жизнь животных, находящихся в оцепенении, поддерживается за счет накопленных перед спячкой запасов в виде жира и гликогена. Животные проводят в спячке до 6-8 месяцев. Некоторые из них пробуждаются на короткое время и даже выходят из своих нор, а также поедают часть заготовленного корма.

Работа проводится с группой древесных растений различных видов, встречающихся в озеленительных посадках данной местности. Это дает возможность построить ряд древесных видов по степени устойчивости к высоким температурам, выявить наиболее устойчивые из них, что очень важно для создания озеленительных зон предприятий, уличных посадок в районах с жарким летом. В связи с этим студентам дается задание принести по 5-6 свежих листьев от различных древесных пород, обернув концы черешков в мокрую вату, фольгу, а все листья - поместив в целлофан. В крайнем случае, можно использовать комнатные растения. Принцип метода предложен Ф.Ф. Мацковым и основан на установлении порога повреждения живых клеток от экстремальных температур. Если подвергнуть листья действию высокой температуры, а затем погрузить в слабый раствор соляной кислоты, то поврежденные и мертвые клетки побуреют вследствие свободного проникновения в них кислоты, которая вызовет превращение хлорофилла в феофитин (бурого цвета), тогда как неповрежденные клетки останутся зелеными. У растений, имеющих кислый клеточный сок, феофитинизация может произойти и без обработки соляной кислотой, т.к. при нарушении полупроницаемости хлоропласта органические кислоты проникают из клеточного сока в цитоплазму и вытесняют магний из молекулы хлорофилла.

Данную работу лучше проводить в первую половину вегетации, когда не наблюдается естественного разрушения хлорофилла у древесных пород.