Содержание
| ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………….…….. | |
| Глава 1. СВЕТОВОЙ РЕЖИМ И АДАПТАЦИЯ К НЕМУ ОРГАНИЗМОВ………………………………………………………….…… | |
| 1.1. Свет как экологический фактор…………………………..………….… | |
| 1.2. Понятие адаптации живых организмов…………………...……..…..... | |
| 1.3. Механизм световой адаптации…………………………..…….…….…. | |
| Глава 2.ВЛИЯНИЕ СВЕТА НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА, ЖИВОТНЫХ, РАСТЕНИЙ……………………………………..………...… | |
| 2.1. Влияние света на человека…………………………...…..………..…… | |
| 2.2. Влияние света на животных………………………...……...…….…….. | |
| 2.3. Влияние света на растения……...…………………..……………..…… | |
| ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………. | |
| СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………………... | |
Введение
Актуальность исследования. Одно из популярных направлений биологических исследований в настоящее время - изучение влияния света на жизнь живых организмов. Основы фотобиологических наук заложены крупнейшими учёными: Д. Дьюсбери, К. Лоренц, Ф. Кегель. Несмотря на наличие большого количества научных работ по этой проблеме, многие вопросы до сих пор ещё недостаточно исследованы.
Ежедневно живые организмы подвергаются воздействию солнечного света и света от искусственных источников. Под действием света в клетках организмов осуществляются многие очень важные фотобиологические процессы.
Жизнь на Земле возникла и существует благодаря лучистой энергии солнечного света. Если бы на нашей планете не было атмосферы, которая лишь частично пропускает энергию Солнца к земной поверхности, то в полдень на поверхность земного шара падало бы 8,37 Дж на 1 см2 за минуту. Эта величина называется солнечной постоянной и определена по измерениям вне атмосферы с помощью приборов, установленных на ракетах. Можно подсчитать, что за одну секунду свет приносит на нашу планету энергию, которая выделилась бы при сгорании 40 млн. т каменного угля. Костер первобытного человека, нефть, сгорающая в двигателях машин, топливо космической ракеты - все это световая энергия, запасенная когда-то растениями и животными. Остановись солнечный поток, и на Землю выпадут дожди из жидкого азота и кислорода. Температура приблизится к абсолютному нулю. Семиметровый панцирь из замерзших атмосферных газов покроет земную поверхность. Только иногда в этой ледяной пустыне встретятся лужицы жидкого гелия.
Не только энергию несет на Землю свет. Благодаря световому потоку мы воспринимаем и познаем окружающий мир. Лучи света сообщают нам о положении близких и отдаленных предметов, об их форме и цвете. Свет, усиленный оптическими приборами, открывает человеку два полярных по масштабам мира: космический мир с его огромными протяженностями и микроскопический, населенный не различимыми простым глазом мельчайшими организмами.
Свет – первичный источник энергии. Без него жизнь на нашей планете невозможна. Его важнейшая энергетическая функция – участие в фотосинтезе, способствующем созданию органических соединений. Все организмы нашей планеты непрерывно испытывают потребность к свету.
Экология – наука, изучающая биологические трансформации света. Благодаря энергии Солнца, большинство растений создает первичное органическое вещество, являющееся основой жизнеобеспечения почти всех обитателей нашей планеты. Растения используют лишь малую часть перехваченных солнечных лучей для фотосинтеза.
Свет оказывает различные воздействия на растения и действует как источник энергии для фотохимических реакций, как регулирующий развитие раздражитель, помимо этого он может оказывать негативное воздействие. Помимо этого свет определяет ряд особенностей географического распространения и топографического размещения растений. Растения, в эволюции, получили возможность приспосабливать свой обмен, строение и развитие различными способами, к количеству и качеству света, которое преобладает в месте, их произрастания.
В жизни животных свет также играет немаловажную роль, регулируя множество жизненных процессов и также являясь некой формой энергии. Для всех животных существуют определенные биологический ритмы тесно связанные со светом.
Цель курсовой работы: подробное раскрытие темы значения света в жизни различных организмов и определение видов их приспособления к данному абиотическому фактору.
В соответствии с целью работы, необходимым является решение таких задач, как:
- изучение светового режима и адаптации к нему;
- изучение света, как экологического фактора;
- анализ механизма световой адаптации;
- анализ влияния света на живой организм.
Глава 1. СВЕТОВОЙ РЕЖИМ И АДАПТАЦИЯ К НЕМУ ОРГАНИЗМОВ
1.1.Свет как экологический фактор
Свет - это электромагнитное излучение, невидимое для глаза. Свет становится видимым при столкновении с поверхностью. Цвета образуются из волн разной длины. Все цвета вместе образуют белый свет. При преломлении светового луча в призме или капле воды весь спектр цветов становится видимым, например, радуга. Глаз воспринимает диапазон т.н. видимого света, 380 - 780 нм, за пределами которого находятся ультрафиолетовый (УФ) и инфракрасный (ИК) свет.[2]
Глаз хорошо приспособлен к встречающимся в природе большим колебаниям освещения, таким как, свет луны = 1 люкс, яркий свет солнца = 100 000 люкс. При искусственном освещении нам приходится, как правило, довольствоваться меньшими колебаниями, такими как, общее освещение 1 - 200 люкс, рабочее освещение 200 - 2000 люкс. [2]
Видение основывается на свете, глаз любопытен, он ищет света, чтобы видеть. Из всей информации мы принимаем 80% через глаза. Поэтому можно сказать, что свет всегда о чем-то повествует. При входе в помещение, наш взгляд обходит его под руководством света, и он рассказывает нам о помещении, его формах, цветах, архитектуре, интерьере, предметах декорации и т.д.
При хорошем освещении глазу легко и приятно видеть. С точки зрения видения качественные свойства света часто важнее, чем количественные. Качественные свойства света: не ослепляет - прямое ослепление - косвенное ослепление - блеск - хорошее воспроизведение цвета - блестящий контраст - правильная цветовая температура - не сверкающий свет. [2]
В отношении ослепления можно говорить о хороших и плохих люксах. Например, при езде на машине, свет собственных фар – «хорошие люксы», потому что он помогает нам видеть, а свет фар встречной машины – «плохие люксы», поскольку он мешает нам видеть (ослепление). Ослепление не зависит напрямую от количества света, а от разной яркости поверхностей, например, яркое освещение на темной поверхности. Косвенное ослепление имеет место при неправильном направлении поступления света. Чтению журнала может, например, воспрепятствовать блеск, заставляющий изменить положение по отношению к направлению поступления света.
Свет является одним из важнейших абиотических факторов. Солнце излучает в космическое пространство громадное количество лучистой энергии. 42% всей падающей радиации (33% + 9%) отражается атмосферой в мировое пространство, 15% поглощается в толще атмосферы и идет на нее нагревание только 43% достигает земной поверхности. Эта доля радиации состоит из прямой радиации (27%) - почти параллельных лучей, идущих непосредственно от солнца и несущих наибольшую энергитическую нагрузку, (16%) - лучей, поступающих к земле со всех точек небосвода, рассеянных молекулами газов воздуха, капельками водяных паров, кристалликами льда, частицами пыли, а также отраженных вниз от облаков. Общую сумму прямой и рассеянной радиации называют суммарной радиацией. [5]
Более наглядно распределение космического света и солнечной радиации, можно увидеть на рисунке 1.
Рис. 1. Космическое излучение и солнечная радиация
Свет для организмов служит с одной стороны первичным источником энергии, без которого невозможна жизнь, а с другой стороны - прямое воздействие света на протоплазму смертельно для организма. Таким образом, многие морфологические и поведенческие характеристики связаны с решением этой проблемы. Эволюция биосферы в целом была направлена главным образом на «укрощение» поступающего солнечного излучения, использование его полезных составляющих и ослабление вредных или на защиту от них.
Следовательно, свет - это не только жизненно важный фактор, но и лимитирующий, как на минимальном, так и максимальном уровнях. С этой точки ни один из факторов так не интересен для экологов, как свет. [5]
Среди солнечной энергии, проникающей в атмосферу Земли, на видимый свет приходится около 50% энергии, остальные 50% составляют тепловые инфракрасные лучи и около 1% - ультрафиолетовые лучи. [5]
Видимые лучи (солнечный свет) состоят из лучей разной окраски и имеют разную длину волн. В жизни организмов важны не только видимые лучи, но и другие виды лучистой энергии, достигающие земной поверхности ультрафиолетовые, инфракрасные лучи, электромагнитные (особенно радиоволны) и некоторые другие излучения. [6]
Таким образом, можно сделать вывод, что степень ослабления солнечного света и космического излучения зависит от длины волны (частоты) света. Ультрафиолетовое излучение с длиной волны менее 0,3 мкм почти не проходит через озоновый слой (на высоте около 25 км). Такое излучение опасно для живого организма в частности для протоплазмы.
В живой природе свет единственный источник энергии, все растения, кроме бактерий- фотосинтезируют, т.е. синтезируют органические вещества из неорганических веществ (т.е. из воды, минеральных солей и СО2 — при помощи лучистой энергии в процессе ассимиляции).
1.2. Понятие адаптации живых организмов
Важным признаком живых организмов является их хорошая приспособленность к среде обитания, или высокая степень адаптации. Особенности строения, функций и поведения данного организма, отвечающие его образу жизни, называются адаптациями, или приспособлениями. Понятие адаптации относится к внешнему и внутреннему строению организмов, а также к поведению и проявлению других форм жизнедеятельности. С понятием адаптации связана ритмичность живых систем. Живые организмы проявляют ритмичность жизнедеятельности, связанную с внешними условиями, суточными и сезонными явлениями.
Адаптации - различные приспособления к среде обитания, выработавшиеся у организмов в процессе эволюции. Адаптации проявляются на разных уровнях организации живой материи: от молекулярного до биоценотического. Способность к адаптации - одно из основных свойств живой материи, обеспечивающее возможность ее существования. [14]
Адаптации развиваются под действием трех основных факторов: наследственность, изменчивость и естественный (а также искусственный) отбор. [14]
Источником адаптации являются генетические изменения в организме - мутации, возникающие как под влиянием естественных факторов на историко-эволюционном этапе, так и в результате искусственного влияния на организм.
Мутации разнообразны и их накопление может даже привести к дезинтеграционным явлениям, но благодаря отбору мутации и их комбинирование приобретают значение «ведущего творческого фактора адаптивной организации живых форм». [10]
На историко-эволюционном пути развития на организмы действуют абиотические и биотические факторы в комплексе. Известны как успешные адаптации организмов к этому комплексу факторов, так и «безуспешные», вместо адаптации вид вымирает.
Существуют три основных пути приспособления организмов к условиям окружающей среды: активный путь, пассивный путь и избегание неблагоприятных воздействий. [10]
Активный путь - усиление сопротивляемости, развитие регуляторных процессов, позволяющих осуществлять все жизненные функции организма, несмотря на отклонения фактора от оптимума. Например, поддержание постоянной температуры тела у теплокровных животных (птиц и млекопитающих), оптимальной для протекания биохимических процессов в клетках.
Избегание неблагоприятных воздействий - выработка организмом таких жизненных циклов и поведения, которые позволяют избежать неблагоприятных воздействий. Например, сезонные миграции животных.
Пассивный путь - подчинение жизненных функций организма изменению факторов среды. Покой может быть разным по глубине и продолжительности, многие функции организма при этом ослабевают или не выполняются совсем, так как уровень обмена веществ падает под влиянием внешних и внутренних факторов. При глубоком подавлении обмена веществ организмы могут вообще не проявлять видимых признаков жизни. Полная временная остановка жизни получила название анабиоза. В состоянии анабиоза организмы становятся устойчивыми к разнообразным воздействиям. В сухом состоянии, когда в клетках оставалось не более 2% воды в химически связанном виде, такие организмы, как коловратки, тихоходки, мелкие нематоды, семена и споры растений, споры бактерий и грибов выдерживали пребывание в жидком кислороде (-218,4 °С), жидком водороде (-259,4 °С), жидком гелии (269,0 °С). Всякий обмен веществ прекращен. [9]
Анабиоз достаточно редкое явление и является крайним состоянием покоя в живой природе, состояние анабиоза возможно лишь при почти полном обезвоживании организмов. Гораздо шире распространены в природе другие формы покоя, связанные с состоянием пониженной жизнедеятельности в результате частичного угнетения метаболизма.
Признаки, способствующие выживанию организма, постепенно усиливаются под действием естественного отбора, пока не будет достигнута максимальная приспособленность к существующим условиям. Приспособление может происходить на уровне клетки, тканей и даже целого организма, затрагивая форму, размеры, соотношение органов и т. п. Организмы в процессе эволюции и естественного отбора вырабатывают наследственно закрепленные особенности, обеспечивающие нормальную жизнедеятельность в изменившихся экологических условиях, т.е. происходит адаптация.
Диапазон возможностей адаптации организма к разнообразным условиям среды называют также его экологической валентностью. Живые организмы с широкой валентностью, способные обитать в самых разнообразных условиях среды, называют эврибионтными, а обладающие узкой валентностью - требующие особых условий среды и неспособные выжить в других условиях - стенобионтными. [10]
Набор экологических валентностей биологического вида по отношению ко всей совокупности различных факторов среды составляет экологический спектр вида.
Различают неспецифическую (общую) и специфическую адаптацию.
Неспецифическая адаптация обеспечивает активизацию разнообразных защитных систем организма, обеспечивающих адаптацию к любому фактору среды независимо от его природы. Неспецифическая адаптация возникает в начале воздействия неблагоприятного фактора, когда его характер не определен организмом. [9]
Специфическая адаптация вызывает такие изменения в организме, которые направлены на устранение либо ослабление действия конкретного неблагоприятного фактора.
О наличии в адаптационном процессе как неспецифических, так и специфических компонентов свидетельствуют явления, получившие названия перекрестная адаптация, покрывающая адаптация, перенос адаптации и т. п. Речь идет о том, что организм, адаптированный к действию какого-либо одного фактора, становится в результате этого более устойчивым к действию другого или других факторов.
По своей физиологической и биохимической сути адаптация – это качественно новое состояние, характеризующееся повышенной устойчивостью организма к экстремальным воздействиям. Главная черта адаптированной системы – экономичность функционирования, т. е. рациональное использование энергии. [14]
Состояние адаптации характеризуется физиологическими, биохимическими и морфологическими сдвигами, возникающими на разных уровнях организации от организменного до молекулярного.
Важным показателем адаптационной перестройки организма является повышение его защитных свойств и способность осуществлять быструю и эффективную мобилизацию иммунных систем.
1.3. Механизм световой адаптации
Температура, свет и влажность являются наиболее важными факторами внешней среды. Эти факторы закономерно изменяются как в течение года и суток, так и в связи с географической зональностью. К этим факторам организмы обнаруживают зональный и сезонный характер приспособления.
Солнечное излучение является основным источником энергии для всех процессов, происходящих на Земле.
Для живых организмов важны качественные признаки света - длина волны, интенсивность и продолжительность воздействия.
Ультрафиолетовая часть спектра (УФ) характеризуется самой высокой энергией квантов и высокой фотохимической активностью. [1]
Короткие УФ-лучи с длиной волны 150-400 нм губительны для всего живого. Они практически полностью поглощаются озоновым экраном, который представляет собой тонкий слой атмосферы, содержащий молекулы озона. Озоновый экран находится на высоте около 25-35 км от поверхности Земли. [1]
До поверхности Земли доходит лишь небольшая часть более длинных ультрафиолетовых лучей (290-380 нм). Эти лучи обладают высокой химической активностью - при большой дозе могут повреждать живые организмы. В небольших количествах, однако, они необходимы.
У животных и человека длинноволновые УФ-лучи способствуют синтезу витамина D. Они имеют загарное и бактерицидное действия. Насекомые зрительно различают эти лучи, т.е. видят в ультрафиолетовом свете. Они могут ориентироваться по поляризованному свету. У растений длинноволновые УФ-лучи способствуют синтезу некоторых биологически активных соединений (витаминов, пигментов).
Инфракрасные лучи (800-1000 нм) глаз человека не воспринимает, но они являются основным источником тепловой энергии. [1]
Эти лучи поглощаются тканями животных и растений, вследствие чего ткани нагреваются. Многие холоднокровные животные (ящерицы, змеи, насекомые) используют солнечный свет для повышения температуры тела.
Инфракрасные лучи ускоряют ферментативные и иммунобиологические реакции, рост клеток и регенерацию тканей. У растений под их влиянием осуществляется транспирация, создаются оптимальные условия для работы устьичного аппарата.
Видимые лучи с длиной волны от 400 до 750 нм, достигающие поверхности Земли, имеют особенно большое значение для организмов. С областью видимой радиации, воспринимаемой глазом человека, практически совпадает область физиологической радиации (от 300 до 800 нм). При этом предел от 380 до 710 нм относится к зоне высокой фотосинтетической активности. [6]
Область физиологической радиации можно условно разделить на ряд зон [6]:
1) УФ - более 400 нм;
2) сине-фиолетовую - от 400 до 500 нм;
3) желто-зеленую - 500-600 нм;
4) оранжево-красную - 600-700 нм;
5) дальнюю красную - более 700 нм.
Спектр излучения солнца, предоставлен на рисунке 2.
Рис. 2. Солнечный спектр
Видимый свет обеспечивает фотосинтез, имеет сигнальное и условно-рефлекторное значение для ориентировки в пространстве, усиливает биохимические процессы, иммунобиологическую реактивность.
Свет имеет разное экологическое значение для автотрофных и гетеротрофных организмов.
Растениям свет необходим для [12]:
1) образования хлорофилла;
2) образования гран хлоропластов;
3) регуляции работы устьичного аппарата;
4) газообмена и транспирации;
5) активации ряда ферментов;
6) биосинтеза нуклеиновых кислот и белков;
7) влияния на сроки размножения, роста, цветения, плодоношения и формообразования.
Интенсивность фотосинтеза зависит от изменения длины волны света. Например, при прохождении света через воду красная и синяя части спектра отфильтровываются, а получающийся зеленоватый свет слабо поглощается хлорофиллом. Однако красные водоросли имеют дополнительные пигменты, позволяющие им использовать эту энергию и жить на больших глубинах, чем зеленые водоросли.
У некоторых растений, например у эвкалипта, фотосинтез не ингибируется прямым солнечным светом. В данном случае имеет место компенсация факторов, так как отдельные растения и целые сообщества приспосабливаются к различным интенсивностям света, становясь адаптированными к тени (диатомовые, фитопланктон) или к прямому солнечному свету.
Световой режим отдельных растительных видов зависит от [12]:
1) географического положения местности;
2) высоты над уровнем моря;
3) рельефа местности;
4) состояния атмосферы;
5) времени суток;
6) сезона года;
7) солнечной активности.
Фотопериодизм - это регуляция биоритмов живых существ при помощи света. Он бывает суточный и сезонный. С фотопериодизмом у растений связано явление фототропизма - это движение отдельных органов растения к свету. [6]
Например, движение соцветий подсолнуха в течение дня по ходу движения Солнца, раскрытие соцветий одуванчика утром и закрытие их вечером, рост комнатных растений в освещенную сторону. Это примеры суточного фотопериодизма. Растения воспринимают изменение длины дня с помощью специальных пигментов, расположенных в листьях. Их рецепторы реагируют на раздражения и вызывают ряд биохимических реакций (активация ферментов или выделение гормонов), а позднее проявляются физиологические или поведенческие реакции.
Для животных свет не является таким необходимым фактором, как для растений. Солнечная энергия непосредственно животными не усваивается, но является источником их жизнедеятельности:
1. Солнечный свет определяет суточный фотопериодизм жизни животных и их распределение по экологическим нишам. Всех животных можно подразделить на дневных и ночных. Большинство из них проявляет наибольшую активность днем (жаворонки, волки, зайцы). Некоторые виды (летучие мыши, совы) приспособились к ночному образу жизни. Имеются также виды, живущие в постоянной темноте и не выносящие яркого солнечного света (например, в почве, глубоких пещерах). [6]
Дневной и ночной образы жизни почти исключают конкуренцию между животными за источники пищи.
2. Солнечный свет позволяет животным легко ориентироваться в пространстве. Эволюционно он способствовал развитию органов зрения. Цветовое зрение распространено в разных группах животных неодинаково: оно хорошо развито у некоторых видов членистоногих, рыб, птиц и млекопитающих, но у других видов этих же групп оно может отсутствовать.
3. Свет определяет и сезонный фотопериодизм. Изменение длины светового дня является пусковым механизмом последовательности физиологических процессов, приводящих к линьке и накоплению жира, размножению у птиц и млекопитающих и к наступлению диапаузы у насекомых.
Изменение длины светового дня животные воспринимают с помощью органов зрения. Животные, для которых характерны миграции (перелеты птиц), готовятся к ним, мигрируют, несмотря на еще достаточное количество тепла и кормовой базы.
Изучение фотопериодизма растений и животных показало, что их реакция на свет основана не на количестве получаемого света, а на чередовании в течение суток периодов света и темноты определенной длительности. Все организмы (от одноклеточных до человека) способны измерять время, т.е. обладают «биологическими часами». «Биологические часы» также управляются сезонными циклами и другими биологическими явлениями. «Биологические часы» определяют суточный ритм активности как целых организмов, так и процессов, происходящих даже на уровне клеток, например деление клеток.