Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

ГИПОБИОЛОГИЯ

Угаров Гавриил Спиридонович,

2.1. Биосфера. Экологические условия биосферы

Живой мир нашей планеты бесконечно разнообразен и включает огромное число видов организмов, что видно из табл. 2.1 [266].

Таблица 2.1

Число видов основных групп живых существ

В действительности, как считают специалисты, на Земле сегодня обитает вдвое больше видов, чем известно науке. Ежегодно в научных публикациях описываются сотни и тысячи новых видов. Все это многообразие живых оганизмов систематизировано и современную макросистему живого мира можно представить в виде табл. 2.2.

Таблица 2.2

Макросистема организмов

В настоящее время остро обсуждается вопрос о выделении еще одного царства эукариотных организмов (царства протистов), которые отличаются от всех остальных эукариот тем, что представлены преимущественно одноклеточными формами, а многоклеточные (точнее говоря – колониальные) среди них не имеют настоящих тканей. Таким образом, к этому царству должны быть отнесены простейшие, многие водоросли и некоторые грибы, включаемые ранее в три разных царства – животных, растений и грибов соответственно [266].

Оболочка Земли, заселённая живыми организмами называется биосфе́рой (от греч. βιος – жизнь и σφαρα – сфера, шар).

Термин «биосфера» был предложен австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом в 1875 году. Целостное учение о биосфере создал биогеохимик и философ В.И. Вернадский. Он впервые отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая их деятельность не только в настоящее время, но и в прошлом [56, 57].

На Земле живые организмы освоили не только верхнюю часть литосферы, но и заселили всю гидросферу и, частично, атмосферу.

Аэробиосфера. Газовая оболочка Земли – атмосфера, состоит в основном из азота и кислорода. В небольших количествах в атмосфере содержатся диоксид углерода (0,003 %) и озон. Для процессов жизнедеятельности особую роль играет озон, создающий экран, защищающий живые организмы от ультрафиолетового излучения солнца. В атмосфере живые организмы образуют аэробиосферу, занимающую нижнюю часть атмосферы. Теоретически верхняя граница аэробиосферы определяется озоновым слоем. Нижняя граница озонового слоя, ослабляющего до приемлемого уровня губительное космическое ультрафиолетовое излучение, находится на высоте около 20 км.

Гидробиосфера. Гидросфера – водная поверхность Земли, важный компонент биосферы и необходимое условие существования живых организмов. Большое значение имеют газы, растворенные в воде: кислород и диоксид углерода. Интересно, что в воде содержится в 60 раз больше диоксида углерода, чем в атмосфере. В водной среде Земли живые организмы образуют гидробиосферу, которая занимает всю гидросферу и определяет нижнюю границу существования активной жизни. Как известно, максимальная глубина мирового океана находится на дне Марианской впадины и равняется 11022 м.

Литобиосфера. Литосфера – твердая оболочка Земли, где живые организмы образуют литобиосферу. Основная масса живых организмов литобиосферы находится в почвенном слое, глубина которого не превышает нескольких метров. Однако, по отдельным трещинам и пещерам она распространяется на сотни метров, достигая глубин 3000–4000 м.

Возможно, пределы биосферы намного шире, чем принято считать в настоящее время [33, 34, 57, 159].

Условия обитания живых организмов биосфере. В среднем активная жизнедеятельность организмов требует довольно узкого диапазона температур, ограниченного критическими порогами замерзания воды и тепловой денатурации белков, примерно в пределах от 0 до +50 °С [207, 234, 235]. Границы оптимальных температур соответственно должны быть еще более узкими. Однако, реально эти границы преодолеваются в природе у многих видов за счет специфических адаптаций. Существуют экологические группы организмов, оптимум жизнедеятельности которых сдвинут в сторону низких или высоких температур [87, 88, 198].

Жизнедеятельность и активность большинства видов на Земле зависят, прежде всего, от тепла, поступающего извне, а температура тела – от хода внешних температур [289, 234]. Такие организмы называют пойкилотермными. Этот термин обозначает изменчивость теплового режима организмов. Пойкилотермность свойственно всем микроорганизмам, грибам, растениям, беспозвоночным животным и значительной части хордовых животных.

Две группы высших животных – птиц и млекопитающих относят к гомойотермным организмам [207, 234]. Они способны поддерживать постоянную оптимальную температуру тела, независимо от температуры среды. Среди пойкилотермных организмов есть такие, которые всю жизнь проводят в условиях постоянных внешних температур (глубины океанов, пещеры и т. п.), в связи с чем, температура их тела не меняется. Такое явление называют ложной гомойотермией. Она свойственна, например, ряду рыб и иглокожих. Ложногомойотермным членистоногим – обитателям пещер являются, например: лжескорпион, многоножка, кузнечик и жужелица.

Среди истинно гомойотермных животных выделяют группу гетеротермных. В нее входят виды, впадающие в спячку или временное оцепенение. Эти виды в активном состоянии поддерживают постоянную температуру тела на высоком уровне, а в неактивном – пониженный, что сопровождается замедлением обмена веществ. Таковыми являются сурки, суслики, летучие мыши, сони, ежи, колибри, стрижи и др.

Для характеристики организмов по основным источникам используемого тепла применяют термины: эктотермный и эндотермный. Эктотермия – это жизнь преимущественно за счет нагревания из внешней среды, эндотермия – за счет тепла, вырабатываемого самим организмом.

Дня большинства наземных растений оптимальной является температура +25–30 °С, а для требовательных к теплу растений, как кукуруза, фасоль, соя и другие виды тропического и субтропического происхождения, – +30–35 °С. Следует иметь в виду, что для каждой фазы и стадии развития растений существует как оптимальный, так и верхний и нижний пределы температурного режима.

При воздействии на растение высоких температур происходит сильное обезвоживание и иссушение, ожоги, разрушение хлорофилла, необратимые расстройства дыхания, наконец, тепловая денатурация белков, коагуляция цитоплазмы и гибель [11].

У некоторых растений вся вегетация сдвигается на сезон с более благоприятными тепловыми условиями. Так в пустынях и степях есть немало видов растений, начинающих вегетацию очень рано весной и успевающих ее закончить до наступления летней жары. Они переживают эти условия в состоянии летнего покоя, например, семена или подземные органы – луковицы, клубни, корневища (тюльпаны, крокусы, мятлик луковичный и др.) [153, 159].

Опасность низких температур для растений сводится к тому, что в межклетниках и клетках замерзает вода, и, как следствие, происходит обезвоживание и механическое повреждение клеток, а затем коагуляция белков и разрушение цитоплазмы. Холод тормозит процессы роста растений, фотосинтеза, образования хлорофилла, снижает энергетическую эффективность дыхания, резко замедляет скорость развития [120, 172, 234].

По степени адаптации растений к условиям крайнего дефицита тепла можно выделить три группы:

1. теплолюбивые растения – сильно повреждаются или гибнут при температурах, еще не достигающих точки замерзания воды. Гибель их связана с инактивацией ферментов, нарушением обмена нуклеиновых кислот и белков, проницаемости мембран и прекращением тока ассимилятов. Это растения дождевых тропических лесов, водоросли теплых морей и культурные растения тропического происхождения;

2. холодостойкие растения – переносят низкие температуры, но гибнут, как только в тканях начинает образовываться лед. При наступлении холодного времени года у них повышается концентрация осмотически активных веществ в клеточном соке и цитоплазме, что понижает точку замерзания до –5...–7 °С. Вода в клетках может охлаждаться ниже точки замерзания без немедленного образования льда. Переохлажденное состояние неустойчиво и длится чаще всего несколько часов, что, однако, позволяет растениям переносить заморозки. Таковы некоторые вечнозеленые субтропические растения – лавры, лимоны и др.;

3. морозоустойчивые, или льдоустойчивые растения – произрастают в областях с сезонным климатом, с холодными зимами. Во время сильных морозов надземные органы деревьев и кустарников промерзают, но, тем не менее, сохраняют жизнеспособность, так как в клетках кристаллического льда не образуется. Растения подготавливаются к перенесению морозов постепенно, проходя предварительную закалку после того, как заканчиваются ростовые процессы. Закалка растений заключается в накоплении в клетках сахаров (до 20–30 %), производных углеводов, некоторых аминокислот и других защитных веществ, связывающих воду. При этом морозоустойчивость клеток повышается, так как связанная вода труднее оттягивается образующимися во внеклеточных пространствах кристаллами льда [33, 34, 153, 157, 228, 238, 272].