Методические рекомендации по выполнению лабораторной работы по курсу «Биология с основами экологии» для студентов специальности 080401 «Товароведение и экспертиза товаров» всех форм обучения

Вид материала

Содержание

Елесина, В.В.
1 Основные понятия
Фактор среды
1.1.1 Абиотические факторы
1.1.2 Биотические факторы
1.1.3 Антропогенные факторы
1.2 Воздействие экологических факторов
1.3 Закономерности воздействия экологических факторов
1.3.1 Закон Либиха
1.3.2 Закон Шелфорда
1.4 Адаптации организмов к условиям среды
Активный путь
Пассивный путь
Избегание неблагоприятных воздействий
1.5 Основные абиотические факторы среды
Пойкилотермные организмы –
1.5.2 Свет как экологический фактор
Инфракрасное излучение
Ультрафиолетовые лучи
Сезонный фотопериодизм
...
Полное содержание

Подобный материал:

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Бийский технологический институт (филиал)

государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет

имени И.И. Ползунова»

В.В. Елесина

ВЛИЯНИЕ АБИОТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

НА УСТОЙЧИВОСТЬ РАСТЕНИЙ

Методические рекомендации по выполнению лабораторной работы

по курсу «Биология с основами экологии» для студентов

специальности 080401 «Товароведение и экспертиза товаров»
всех форм обучения

Бийск

Издательство Алтайского государственного технического университета
им. И.И. Ползунова

2008

УДК 581.5(07)

Е50

Рецензент: к.б.н., доцент кафедры БТ Н.И. Мезенцева

Елесина, В.В.

Влияние абиотических факторов на устойчивость растений: методические рекомендации по выполнению лабораторной работы по курсу «Биология с основами экологии» для студентов специальности 080401 «Товароведение и экспертиза товаров» всех форм обучения / В.В. Елесина.  Алт. гос. техн. ун-т, БТИ.  Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2008.  30 с.

Предлагаемые методические рекомендации предназначены для закрепления, углубления и расширения знаний в процессе выполнения лабораторной работы «Влияние абиотических факторов на устойчивость растений». В методических рекомендациях приводятся основные понятия и определения. Рассматриваются закономерности, интенсивность и способы воздействия экологических факторов на жизнедеятельность организмов. Подробно приводится классификация абиотических факторов среды и способы адаптации жизненных форм к изменчивости среды их обитания.

В экспериментальной части каждому опыту предшествуют дополнительные теоретические сведения, которые помогут правильному проведению работы и оформлению выводов.

Для закрепления материала в методических рекомендациях предусмотрены контрольные вопросы и задания, рассматривающие воздействие и устойчивость организмов к экологическим факторам.

УДК 581.5(07)

Рассмотрены и одобрены
на заседании кафедры ОХЭТ.

Протокол № 70-08/01 от 2007 г.

 Елесина В.В., 2008

 БТИ АлтГТУ, 2008

1 Основные понятия

Жизнь на Земле сформировалась под действием условий среды, которая представляет собой совокупность элементов, организмов, энергии и явлений, находящихся в постоянном взаимодействии.

Фактор среды – это движущая сила или условие, влияющее на жизнедеятельность данного организма в конкретной среде его обитания.

В условиях среды имеются компоненты, которые не влияют или мало влияют на жизнедеятельность организмов; это – инертные газы атмосферы, абиогенные элементы земной коры. Компоненты, которые существенно влияют на жизнедеятельность организмов и могут изменить условия их существования, называются экологическими факторами; это – свет, температура, вода, движение воздуха и его состав, свойства почв, засоление, радиоактивность и так далее.

Экологические факторы действуют совместно, но один фактор является определяющим в ответных реакциях живых организмов на условия среды (например, влажность в пустынях).

1.1 Классификация экологических факторов

Выделяют следующие группы экологических факторов: абиотические, биотические, антропогенные.

1.1.1 Абиотические факторы

Абиотические факторы – компоненты неживой природы. К ним относятся, например:

– климатические (свет, температура, влажность, ветер, давление);

– геологические (землетрясения, извержения вулканов, движение ледников, радиоактивное излучение);

– орографические (рельеф местности);

– эдафические, или почвенно-грунтовые (плотность, структура, водородный показатель рН, гранулометрический состав, химический состав);

– гидрологические (вода, течение, соленость, давление).

Иначе, абиотические факторы делятся на физические, химические и эдафические.

1.1.2 Биотические факторы

Биотические факторы – воздействие живых организмов друг на друга. При этом взаимоотношения могут быть внутривидовыми (взаимодействия между особями одного вида) и межвидовыми (между особями разных видов).

В зависимости от воздействующего организма биотические факторы делят на фитогенные (влияние растений), зоогенные (влияние животных), микробогенные (влияние микроорганизмов).

По типу взаимодействия различают протокооперацию (симбиоз), мутуализм, комменсализм, внутривидовую и межвидовую конкуренции, паразитизм, хищничество, комменсализм, нейтрализм.

1.1.3 Антропогенные факторы

Антропогенные факторы – деятельность человека, приводящая либо к прямому воздействию на живые организмы, либо к изменению среды их обитания. При этом различается воздействие человека как биологического организма и его хозяйственная деятельность (техногенные факторы).

1.2 Воздействие экологических факторов

Экологические факторы оказывают на живые организмы различные воздействия:

– ограничивающие – делают невозможным существование в данных условиях;

– раздражительные – вызывают биохимические и физиологические адаптации;

– кодификационные – вызывают морфологические и анатомические изменения организмов;

– сигнальные – информируют об изменениях других факторов среды.

Экологические факторы могут оказывать на организм прямое действие (уничтожение бактерий кипячением) и косвенное (воздействие света влияет на повышение температуры среды и существование организмов).

Разные экологические факторы обладают различной изменчивостью в пространстве и во времени. Одни из них относительно постоянны (сила тяготения, солнечная радиация, соленость океана), другие очень изменчивы (температура и влажность воздуха, сила ветра).

Изменения факторов среды могут быть периодическими, т.е. регулярно повторяющимися (изменение температуры воздуха и освещенности в течение суток или года), и непериодическими (извержение вулкана, нападение хищника).

В природе экологические факторы действуют совместно, т.е. комплексно. Комплекс факторов, под действием которых осуществляются все основные жизненные процессы организмов, включая нормальное развитие и размножение, называют условиями жизни.

Условия, в которых размножение не происходит, называются условиями существования.

1.3 Закономерности воздействия экологических факторов

Для того чтобы нормально существовать и развиваться, организм должен иметь весь набор необходимых факторов в достаточных количествах. Однако при комплексном воздействии всех факторов среды часто имеет место «эффект замещения». Например, свет как экологический фактор может быть компенсирован понижением температуры, в результате чего приостанавливается процесс фотосинтеза у растений или активность у животных, что создает эффект короткого дня. При этом действие одного фактора не заменяется действием другого, а зависит от количества этих факторов.

Экологические факторы среды подразделяют на ведущие (главные) и фоновые (сопутствующие). Ведущие факторы различны для разных организмов и на разных этапах их жизни. Например, при прорастании злаков ведущим фактором является температура, в период колошения и цветения – почвенная влага, в период созревания – количество минеральных веществ и влажность воздуха.

По отношению к каждому фактору можно выделить зону оптимума (зону нормальной жизнедеятельности), зону пессимума (зону угнетения) и пределы выносливости организма (рисунок 1).

Рисунок 1 – Интенсивность воздействия экологических факторов

Оптимум – такое количество экологического фактора, при котором интенсивность жизнедеятельности организмов максимальна.
В зоне пессимума жизнедеятельность организмов угнетена. За пределами выносливости существование организма невозможно. Различают нижний и верхний пределы выносливости.

1.3.1 Закон Либиха

Экологический фактор, значение которого выходит за пределы выносливости вида, называется лимитирующим (ограничивающим) фактором. Такой фактор будет ограничивать распространение вида даже в том случае, если все остальные факторы будут благоприятными.

В роли экологических факторов могут выступать как ведущие, так и фоновые экологические факторы. Понятие о лимитирующих факторах было введено в 1840 году Юстасом фон Либихом. Изучая влияние различных химических элементов в почве на рост растений, он сформулировал принцип, известный под названием правило или закон Либиха [5]:

«Величина урожая определятся количеством в почве того из элементов питания, потребность растения в котором удовлетворена меньше всего».

Для наглядности закон минимума Либиха изображают в виде бочки, наполненной водой, у которой доски имеют разную высоту (рисунок 2).

Рисунок 2 – Графическое изображение закона минимума.

«Бочка Либиха»

Поясним закон минимума Либиха на конкретном примере. Рост растения угнетен или невозможен из-за недостатка бора или цинка при наличии всех элементов минерального питания. Если вносить в почву другие элементы в оптимальных количествах (например, азот, фосфор, калий), а бор (цинк) будет отсутствовать, это не даст никакого эффекта. Внесение нужного количества бора (цинка) приведет к увеличению урожая. Следовательно, недостаток бора (цинка), или длина короткой доски в бочке, – это лимитирующий фактор для роста растений, т.е. количество воды в «бочке Либиха».

Сформулированный закон применим ко всем абиотическим и биотическим факторам, влияющим на растения или животных.

1.3.2 Закон Шелфорда

Лимитирующим фактором может быть не только недостаток, но и избыток, т.е. организмы характеризуются экологическим минимумом и экологическим максимумом. Представление о лимитирующем максимуме и минимуме ввел американский зоолог В. Шефорд, сформулировавший закон толерантности [5]:

«Любой живой организм имеет определенные, эволюционно унаследованные верхний и нижний пределы устойчивости к любому экологическому фактору».

Способность живых организмов переносить количественные колебания экологического фактора в той или иной степени называется экологической толерантностью (валентностью, устойчивостью).

Виды с широкой зоной толерантности называются эврибионтными, с узкой – стенобионтными. Например, организмы, переносящие значительные колебания температуры, называются эвритермными, а приспособленные к узкому интервалу температур – стенотермными. По отношению к давлению различают эври- и стенобатные организмы, по отношению к степени засоления среды – эври- и стеногалинные и т.д.

Закон толерантности выводит следующие положения (по
Ю. Одому [4]):

1) организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного экологического фактора и низкий диапазон в отношении другого (например, недостаток кислорода на дне океана);

2) организмы с широким диапазоном толерантности в отношении всех экологических факторов обычно наиболее распространены (например, крысы, тараканы);

3) диапазон толерантности может сузиться в отношении других экологических факторов, если условия по одному экологическому фактору не оптимальны (например, снижение температуры во влажном климате тропических лесов);

4) многие факторы среды становятся лимитирующими в особо важный (критический) период жизни организма (недостаток витаминов в период размножения).

1.4 Адаптации организмов к условиям среды

Адаптации – это различные приспособления к среде обитания, выработавшиеся у организмов в процессе эволюции. Адаптации развиваются под действием трех основных факторов: наследственности, изменчивости и естественного (а также искусственного) отбора.

Существует три основных пути приспособления организмов к условиям окружающей среды: активный путь, пассивный путь, избегание неблагоприятных воздействий.

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).

Пассивный путь – подчинение жизненных функций организма изменению факторов среды. Например, переход при неблагоприятных условиях среды в состояние анабиоза (зимний покой растений, сохранение семян и спор в почве, оцепенение насекомых, спячка позвоночных животных и т.д.).

Избегание неблагоприятных воздействий – выработка организмом таких жизненных циклов и поведения, которые позволяют избежать неблагоприятных воздействий. Например, сезонные миграции животных.

Обычно приспособление вида к среде осуществляется тем или иным сочетанием всех трех возможных путей адаптации.

Живые организмы хорошо адаптированы к периодическим факторам. Непериодические факторы могут вызывать болезни и даже смерть живого организма. Человек использует это, применяя пестициды, антибиотики и другие непериодические факторы. Однако длительное их воздействие также может вызвать к ним адаптацию.

1.5 Основные абиотические факторы среды

1.5.1 Температура как экологический фактор

Очень часто температура является лимитирующим фактором, определяющим возможность (невозможность) обитания организмов в той или иной среде обитания.

По характеру температуры тела все организмы делятся на две группы: пойкилотермные и гомойотермные.

Пойкилотермные организмы – это такие, температура тела у которых зависит от температуры окружающей среды и является практически такой же, как и температура среды. К пойкилотермным относятся растительные организмы, бактерии, вирусы, грибы, одноклеточные животные, а также животные с относительно низким уровнем организации (рыбы, членистоногие).

Гомойотермные – организмы, температура тела которых не зависит от температуры внешней среды и является более или менее постоянной: если и колеблется, то в небольших пределах  долях градуса. К гомойотермным относятся птицы и млекопитающие, включая человека. Постоянная температура тела уменьшает зависимость организмов от температуры внешней среды, дает возможность расселения по большому числу экологических ниш как в широтном, так и в вертикальном расселении по планете Земля.

Помимо гомойотермности организмы вырабатывают приспособления для преодоления воздействия низких температур.

1.5.1.1 Приспособление растений

Растения по характеру перенесения низких температур делят на теплолюбивые и холодостойкие. К теплолюбивым относят растения юга (бананы, пальмы, южные сорта яблонь, груш, персики, виноград и др.). К холодостойким относят растения средних и северных широт, а также растения, произрастающие высоко в горах (например, мхи, лишайники, сосна, ель, пихта, рожь).

Для перенесения воздействия низких температур растения имеют различные приспособления.

В зимний период цитоплазма теряет воду и накапливает вещества, обладающие эффектом «антифриза» (это, например, моносахара, глицерин)  концентрированные растворы таких веществ замерзают только при низких температурах.

Переход растений в стадию (фазу), устойчивую к воздействию низких температур (стадии спор, семян, клубней, луковиц, корневищ, корнеплодов и т.д.). Древесные и кустарниковые формы растений теряют листья, стебли покрываются пробкой, обладающей высокими теплоизоляционными свойствами, а в живых клетках накапливаются вещества-антифризы.

Роль температуры как экологического фактора сводится к тому, что она влияет на обмен веществ: при низких температурах скорость биоорганических реакций сильно замедляется, а при высоких  сильно увеличивается, что приводит к нарушению равновесия в протекании биохимических процессов, а это ведет к различным заболеваниям, а иногда и к смертельному исходу.

1.5.1.2 Приспособление животных

Температура по-разному влияет на пойкилотермных и гомойотермных животных.

Пойкилотермные животные активны только в период оптимальных для их жизнедеятельности температур. В период низких температур они впадают в спячку (земноводные, пресмыкающиеся, членистоногие и др.). Некоторые насекомые перезимовывают или в виде яиц, или в виде куколок. Нахождение организма в спячке характеризуется состоянием анабиоза, при котором процессы обмена сильно заторможены и организм может длительное время обходиться без пищи.
В спячку пойкилотермные животные могут впадать и под воздействием высоких температур. Так, животные пустынь в нижних широтах в жаркое время дня находятся в норах, а период их активной жизнедеятельности приходится на раннее утро или поздний вечер (либо они ведут ночной образ жизни).

Гомойотермные животные в меньшей степени в своей жизнедеятельности зависят от температуры, но температура влияет на них с точки зрения наличия (отсутствия) кормовой базы. Эти животные имеют следующие приспособления к преодолению воздействия низких температур:

а) животные мигрируют из более холодных областей в более теплые (перелеты птиц, миграции млекопитающих);

а) изменяют характер покрова (летний мех или оперение заменяются на более густой зимний; накапливают большой слой жира  дикие свиньи, тюлени и др.);

в) впадают в спячку (медведь как гомойотермное животное впадает в спячку зимой из-за недостатка пищи).

Гомойотермные животные имеют приспособления для снижения воздействия температур (как повышенных, так и пониженных). Так, у человека имеются потовые железы, которые изменяют характер секреции при повышенных температурах (количества секрета увеличивается), изменяется просвет кровеносных сосудов в коже (при низких температурах он уменьшается, а при высоких  увеличивается) и т.д.

1.5.2 Свет как экологический фактор

Солнечное излучение неоднородно и состоит из электромагнитных волн разной длины, а следовательно, обладает и различной энергией. До поверхности Земли достигают лучи как видимого, так и невидимого спектра. К лучам невидимого спектра относятся инфракрасные и ультрафиолетовые лучи, а лучи видимого спектра имеют семь наиболее различимых лучей (от красного до фиолетового). Энергия квантов излучений увеличивается от инфракрасного до ультрафиолетового (т.е. ультрафиолетовые лучи содержат кванты наиболее коротких волн и наибольшей энергии).

Солнечные лучи имеют несколько экологически важных функций:

а) благодаря солнечным лучам на поверхности Земли реализуется определенный температурный режим, имеющий широтный и вертикальный зональный характер;

б) солнечная энергия – это источник энергии для всех организмов, живущих на Земле (исключая небольшую группу организмов-хемосинтетиков). Энергия Солнца является источником энергии и для гетеротрофных организмов (животных, бактерий, грибов и др.), так как эти организмы используют энергию химических связей веществ, синтезированных фотосинтетиками (т.е. растениями);

в) солнечная энергия является регулятором циклов жизни различных организмов.

Инфракрасное излучение несёт большой запас тепловой энергии и обеспечивает тепловой режим планеты. Растения, реализуя автотрофный способ питания, усваивают энергию оранжево-красного спектра (правда, отдельные водоросли, красные и бурые, могут усваивать энергию синего и даже фиолетового спектра). Зеленые лучи полностью отражаются растениями (отсюда и цвет растений).

Ультрафиолетовые лучи оказывают вредное воздействие на различные организмы (особенно «жесткий ультрафиолет»). Большинство ультрафиолетовых лучей не доходят до поверхности земли за счет наличия «озонового экрана». В небольших количествах ультрафиолетовые лучи могут быть полезными для некоторых организмов. Так, действуя на верхний слой кожи человека (при «загорании»), ультрафиолетовые лучи вызывают синтез меланина, из которого, в свою очередь, синтезируется витамин Д. Ультрафиолетовые лучи позволяют ориентироваться некоторым организмам во внешней среде (летучие мыши).

1.5.2.1 Роль солнечного света в жизни растений

Роль света в жизни растений трудно переоценить, так как солнечная энергия является основой для реализации всех процессов жизнедеятельности, начиная с питания и заканчивая отправлением отдельных физиологических функций.

По отношению к свету различают несколько групп растений:

а) светолюбивые – растения открытых пространств, на которые падает прямой свет. К ним относят растения степей, пустынь, полупустынь (ковыли, полыни, различные виды злаковых, например, пшеница и др.), а также растения верхних ярусов лесов (сосна, береза);

б) теневыносливые – растения, которые могут произрастать в условиях некоторого затенения (например, бук, дуб, граб, ель);

в) тенелюбивые – растения, которые не могут существовать в условиях попадания на них прямого света. К ним относятся растения, живущие под пологом леса (например, папоротники, звездчатка, ландыши).

Кроме того, что солнечный свет для растений является источником энергии, он регулирует процессы их жизнедеятельности. Это явление называется фотопериодизмом. Различают суточный и сезонный фотопериодизм.

С фотопериодизмом у растений связано такое явление, как фототропизм – движение отдельных органов растения к свету, например, движение головки подсолнуха в течение дня по ходу движения Солнца, раскрытие соцветий одуванчика утром и закрытие их вечером, рост комнатных растений в освещенную сторону (суточный фотопериодизм).

Сезонный фотопериодизм ярко наблюдается в широтах со сменой времен года (в средних и северных широтах). С наступлением длинного дня и потеплением в растениях начинается сокодвижение, почки набухают и раскрываются (весной). С наступлением осени, которая растениями воспринимается не изменением температуры, а изменением длины светового дня, начинается закладка почек, подготовка к зиме, подготовка к листопаду, формирование прочного древесного покрова у древесных и кустарниковых форм.

1.5.2.2 Роль солнечного света в жизни животных

Солнечная энергия непосредственно животными не усваивается, но, тем не менее, она является источником их жизнедеятельности за счет следующих процессов.

Во-первых, солнечный свет определяет суточный фотопериодизм жизни животных и их распределение по экологическим нишам. Различают животных, ведущих дневной и ночной образ жизни, что исключает конкуренцию за источники пищи. Большое значение свет играет и в жизни людей. Так, у некоторых людей наблюдается повышенная работоспособность в утренние часы («жаворонки»), а у других – в ночные часы («совы»). Солнечным днем эмоциональный настрой большинства людей значительно более высокий, чем в пасмурные или дождливые дни и т.д.

Во-вторых, свет определяет сезонный фотопериодизм, с которым связано изменение в ходе физиологических процессов (с наступлением осени интенсифицируется накопление запасных веществ в организме, меняется характер покровов и т.д.). Организмы, для которых характерны миграции, готовятся к ним и мигрируют, несмотря на наличие тепла и кормовой базы (перелеты птиц, миграции животных в более теплые края).

В-третьих, солнечный свет позволяет животным легко ориентироваться в окружающей среде, эволюционно способствуя развитию органов зрения.

1.5.3 Влажность как экологический фактор

Содержание воды в окружающей среде зависит от климата, т.е. от количества осадков и их распределения по временам года и местонахождения данной среды обитания на планете. В ряде случаев влажность может являться лимитирующим фактором в развитии той или иной общности организмов. Часто характер влажности на данной территории определяет характер органического мира, проживающего на ней. Так, флору и фауну пустынь и полупустынь определяет большой дефицит влаги, а органический мир болот – избыточное ее количество.

С влажностью связана географическая зональность органического мира: тундра, лесотундра, тайга, лесостепь, степь, полупустыни, пустыни (от одной зоны к другой количество влаги закономерно понижается). Эти зоны связаны с одновременным изменением влажностного и температурного фактора (тундра и тайга).

1.5.3.1 Экологическая роль воды в жизни растений

Строение и функции растений в значительной степени зависят от наличия влаги в среде обитания. По отношению к влажности растения делят на группы.

Ксерофиты – растения, которые живут в условиях недостаточной увлажненности. Это растения степей, полупустынь и пустынь. Они могут выдерживать недостаток влаги за счет того, что в их составе содержатся соединения, способные удерживать большое количество связанной воды. У ксерофитов очень сильно развита корневая система, которая может достигать 10 м и более у растения размером несколько десятков сантиметров. К ксерофитам относят различные виды полыней, ковыль, саксаул и др.

Для ксерофитов характерны узкие длинные листья, покрытые большим слоем кутикулы, восковым налетом и сильной опушенностью. Листья этих растений имеют сероватый тусклый оттенок, листовые пластинки мелкие, а в ряде случаев листья подверглись редукции (их или совсем нет, или они превратились в колючки или чешуйки, а функции листьев выполняет стебель). Вышеуказанные приспособления в значительной степени уменьшают транспирацию (испарение воды растением).

Суккуленты – группа растений, близких к ксерофитам, но в отличие от них, обладает сильно утолщенным мясистым стеблем, содержащим большое количество воды. У суккулентов практически нет листьев, или эти листья также сильно утолщены. К суккулентам относят кактусы, молодило, столетник и т.д.

Мезофиты – растения, произрастающие в условиях среднего увлажнения, что означает достаточное количество осадков для реализации процессов жизнедеятельности растений, в том числе и для транспирации. У мезофитов поверхность листьев достаточно крупная, растения испаряют довольно много воды, но устьица, как правило, располагаются на нижней поверхности листа, за счет чего в период недостаточного увлажнения транспирация ослабляется, что позволяет успешно пережить неблагоприятное для растений время. К мезофитам относят тополь, березу, айву, грушу, травянистые растения лугов и т.д.

Гигрофиты – растения, живущие в условиях повышенного увлажнения, произрастающие на сильно увлажненных болотистых почвах и требующие для нормальной жизнедеятельности большого количества воды (осока, камыш, растения влажных джунглей и т.д.).

Гидрофиты – водные растения, живущие либо полностью погруженными в воду, либо на ее поверхности находятся листовые пластинки, а остальная часть растения находится в воде. Примером гидрофитов являются кувшинки, элодея, водоросли.

1.5.3.2 Экологическая роль воды в жизни животных

По отношению к воде животных делят на сухопутных, водных и земноводных. Сухопутных животных можно разделить на животных лесов, степей и пустынь, так как эти зоны отличаются увлажненностью.

К водным животным относят, например, рыб, водных млекопитающих (киты), водных членистоногих, головоногих и других моллюсков.

К сухопутным животным относят многих млекопитающих, различных пресмыкающихся.

К земноводным относят класс земноводных (лягушки, жабы), некоторых млекопитающих (например, тюлени, гиппопотам).

Необходимость в воде сухопутные животные восполняют за счет поглощения воды из водоемов (питье), либо поглощая воду с пищей. Наибольший дефицит воды испытывают животные степей, пустынь и полупустынь, которые по-разному приспособлены к недостатку влаги. Так, лошади способны преодолевать большие расстояния в поисках воды и пищи. Верблюды могут длительное время обходиться без воды, накапливая ее в форме жира в горбах (а курдючные овцы – в особых расширениях хвоста – курдюках); при окислении жиров образуется большое количество воды, которую организм использует для своей жизнедеятельности. При недостатке воды некоторые животные впадают в спячку. Приспособлением к преодолению недостатка воды у животных является переход к ночному образу жизни.

1.5.4 Эдафические экологические факторы

Важнейшими экологическими факторами, характеризующими почву как среду обитания, являются кислотность, валовой состав, содержание органических веществ, структура, плотность, засоленность, гранулометрический состав и др.

По отношению к кислотности почвы растения делят на следующие экологические группы:

– ацидофилы – растут на почвах с водородным показателем рН<6,7;

– нейтрофилы – растут на почвах с водородным показателем рН = 6,7…7,0;

– базифилы – растут на почвах с водородным показателем рН>7,0;

– индифферентные виды растений, обитающие на почвах с разным значением водородного показателя среды.

По отношению к элементам питания почвы среди растений различают:

– какгалофиты – растения засоленных почв;

– нитрофилы – растения, предпочитающие почвы, богатые азотом;

– петрофиты – растения каменистых почв;

– псаммофиты – растения песков.

По степени связи с почвой как средой обитания животных объединяют в три экологические группы:

– гедбионты – животные, постоянно обитающие в почве, весь цикл развития которых протекает в почвенной среде;

– геофилы – животные, часть цикла развития которых (чаще одна из фаз) обязательно проходит в почве;

– геоксены – животные, иногда посещающие почву для временного укрытия или убежища.

1.5.5 Рельеф как экологический фактор

Рельеф – совокупность неровностей земной поверхности разного масштаба. Различают выпуклые (положительные) формы рельефа и вогнутые (отрицательные) формы. Рельеф сформировался в результате взаимодействия внутренних (эндогенных) и внешних (экзогенных) геологических процессов.

По размерам рельеф делят:

а) на макрорельеф – формы рельефа с разностью высот от десятков до тысяч метров (горы, равнины, возвышенности, речные долины и др.);

б) мезорельеф – формы рельефа с разностью высот в пределах от 10 до 20 м (холмы, лощины, долины, террасы, склоны разной крутизны, овраги, балки и др.);

в) микрорельеф – формы рельефа с разностью высот от нескольких сантиметров до 1 м (бугорки, западины, борозды, кочки, небольшие промоины и др.).

Рельеф оказывает косвенное воздействие на живые организмы, перераспределяя солнечную радиацию и осадки в зависимости от позиции и крутизны склонов. Так, в северном полушарии на южных склонах произрастают более светолюбивые и теплолюбивые растения, чем на северных, в понижениях обитают более требовательные к влаге растения.

2 Практическая чАСТЬ (34 ЧАСА)

Цель лабораторной работы: проследить влияние абиотических факторов окружающей среды:

– на изменение проницаемости покровных тканей листа (при проникновении кислоты, при действии высоких температур и агрессивных газов);

– изменение в компонентах клетки (плазмолиз, разрушение хлорофилла, коагуляция белка);

– нарушение жизнедеятельности отдельных органов растений (листьев, побегов).

2.1 Определение устойчивости растений к высоким

температурам

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 города Бийска. В связи с этим студентам дается задание принести по пять-шесть свежих листьев различных древесных пород, обернув концы черешков в мокрую вату, фольгу, а все листья поместив в целлофан. В период вынужденного покоя (февраль  апрель) их можно получить путем прогрева веток в теплой воде и дальнейшего распускания листьев в воде комнатной температуры. Можно также использовать набор листьев разных видов комнатных растений.

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.

Оборудование, реактивы, материалы: водяная баня; термометр; пинцет; чашки Петри (5 шт.); стакан с водой; тонкая проволока; карандаш по стеклу; 0,2 н раствор соляной кислоты; свежие листья древесных растений.

2.1.1 Ход работы

Перед занятием нагреть водяную баню до температуры 40°С, в самом начале занятия погрузить в нее пучок, содержащий пять одинаковых листьев исследуемых растений, скрепив черешки проволочкой. Выдержать листья в воде в течение 30 мин, поддерживая температуру на уровне 40°С. Затем взять первую пробу: оторвать по одному листу каждого вида растений и поместить в чашку Петри с холодной водой. После охлаждения взять лист пинцетом и перенести в чашку с соляной кислотой.

Поднять температуру водяной бани до 50°С и через 10 мин извлечь из нее еще по одному листу, повторив операцию и перенеся охлажденный в воде лист в новую чашку Петри с соляной кислотой HCl. Так постепенно довести температуру до 80°С, беря пробы через каждые 10 мин при повышении температуры на 10°С.

Через 20 мин после погружения листа в соляную кислоту HCl оценивают степень повреждения по количеству бурых пятен. Результаты записать в таблицу 1 в процентном соотношении, обозначив отсутствие побурения за 0 %, а сплошное побурение за 100 %.

Таблица 1 – Степень повреждения листьев, %

Объект исследования	Температура, °С
Объект исследования	40	50	60	70	80

Построить график зависимости повреждения в процентах живых клеток листа от температур. Исследовать ряд термостойкости древесных пород или комнатных растений по степени убывания. Сделать соответствующие выводы.

2.2 Определение температурного порога коагуляции белков

цитоплазмы клеток разных растений

Клетки разных растений имеют неодинаковую устойчивость к повышенным температурам. Цель опыта  показать эту разницу на ряде древесных или комнатных растений. При этом предлагаются два метода определения коагуляции белка цитоплазмы: по методу Вигорова (1961) [4] и Генкеля (1975) [4].

2.2.1 Определение по методу П. А. Генкеля

Температура, при которой в течение 10 мин полностью коагулируют белки цитоплазмы, считается условной границей жаростойкости растений. Гибель клеток устанавливается по потере ими способности плазмолизировать.

Оборудование, реактивы, материалы: микроскоп; термостойкий стакан объемом 250 мл (1 шт.); пробирки (5 шт.); колба объемом
250 мл; электроплитка; термометр; острая бритва; препаровальная игла; кисточка; предметные и покровные стекла; кусочки фильтровальной бумаги; карандаш по стеклу; 1 М раствор сахарозы; 0,02%-ный раствор «нейтрального красного»; свежие листья разных комнатных или древесных растений, растущих во дворах (без влияния газов автотранспорта).

2.2.1.1 Ход работы

При помощи острой бритвы приготовить по два среза эпидермиса листа каждого из трех древесных растений, поместить срезы в нумерованные пробирки, в которые налито небольшое количество водопроводной воды.

Нагреть в колбе воду. Смешивая горячую воду с холодной, приготовить поочередно в химическом стакане водяную баню с температурами 40, 45, 50, 55, 60°С. Погрузить в водяную баню пробирку со срезами и выдержать 10 мин, поддерживая установленную температуру, осторожно подливая в стаканы горячую воду. Извлечь срезы кисточкой из пробирки, перенести на предметные стекла, снабженные надписями. Если клетки не содержат пигмента, следует их окрасить, выдержав в растворе «нейтрального красного» в течение 10…15 мин, затем осушить раствор краски фильтровальной бумагой, нанести на срезы по капле раствор сахарозы, закрыть покровными стеклами и через 15…20 мин рассмотреть в микроскоп.

Обозначить знаком «+» плазмолиз у клеток и знаком «-» его отсутствие. Наличие плазмолиза показывает, что клетки живые, отсутствие  мертвые. Результаты исследования занести в таблицу 2.

Таблица 2 – Запись экспериментальных данных опыта п. 2.2.1

Название растения	Температура, °С
Название растения	40	45	50	55	60

Построить ряд устойчивости разных растений по температурному порогу коагуляции цитоплазмы.

2.2.2 Определение по методу Л. И. Вигорова

Оборудование, реактивы, материалы: ступки с пестиками; воронки; вата; центрифуга; термостойкий стакан; термометр; битое стекло (мелкое); листья разных древесных или комнатных растений.

2.2.2.1 Ход работы

Взвесить 3…5 г листьев разных древесных растений. Растереть в ступке с 4 мл воды (в случае трудностей при растирании добавить битое стекло). При смыве ступки добавляют еще 6 мл воды. Отделить более крупные частицы разрушенной ткани фильтрованием через вату или центрифугированием. Можно применить стеклянный фильтр и насос. Поместить зеленый раствор в пробирку и, медленно нагревая жидкость в стакане с водой или бане, отметить температуру, при которой произойдет коагуляция белков, извлеченных из разрушенных клеток.

Установить ряд устойчивости разных видов древесных растений к высоким температурам.

2.3 Определение устойчивости клеток различных растений

к обезвоживанию

В условиях жаркого сухого климата, а также городских экосистем явление обезвоживания органов (и, соответственно, клеток) у древесных растений встречается очень часто. Особенно это выражено на освещенных сторонах улиц, когда водообмен затруднен из-за малого проникновения в почву осадков, а полив не производится. Это явление выражается в потере тургора, колоколообразности листьев, пожелтении, появлении некрозов.

Предлагаемая работа основана на свойствах серной кислоты обезвоживать клетки листа, что часто встречается в условиях антропогенного загрязнения, когда попавший через устьица в растение сернистый газ превращается в протоплазме клетки в серную кислоту (весьма гигроскопичное вещество), вызывая потерю листом тургора, повреждение и гибель клеток.

В другом варианте серная кислота, содержащаяся в воздухе больших городов, образует туман из мельчайших капелек. Попадая на растение в больших концентрациях, она вызывает ожоги, а в малых очень быстро проникает через устьица внутрь межклетников, энергично отнимает воду от углеводов, образующихся в процессе фотосинтеза, вызывая гибель клеток и обугливание тканей листа.

Живая клетка отличается от мертвой хорошо выраженным плазмолизом.

Оборудование, реактивы, материалы: микроскоп; предметные и покровные стекла; эксикатор; бритва; концентрированная серная кислота, разведенная дистиллированной водой (1:1); 1 М раствор сахарозы; листья разных древесных растений.

2.3.1 Ход работы

Берут листья разных древесных растений, растущих в относительно чистой зоне, но встречающихся в уличных посадках города. Из листа растения вырезают пластинки размером от 2 до 4 см² и кладут в эксикатор над серной кислотой, разбавленной в соотношении 1:1. Пластинки выдерживают в течение 2…3 часов, затем делают срезы, окрашивают «нейтральным красным» и плазмолизируют молярным раствором сахарозы, просасывая его между предметными и покровными стеклами. Просматривают под микроскопом в разных полях зрения и подсчитывают оставшиеся живыми клетки по возникшему плазмолизу. Чем больше осталось живых клеток, тем лучше растение выносит обезвоживание.

Строят ряд устойчивости клеток разных растений к обезвоживанию (устойчивости к сернистому газу).

Можно одновременно определить и содержание воды в вырезанных пластинках листа. В этом случае можно узнать не только число оставшихся живых клеток, но и при каком содержании воды устойчивость выше.

2.4 Влияние низких температур на коагуляцию белков

у растений

Большинство растений средних и северных широт подвергается действию низких температур. Устойчивость к этому фактору определяется генетическими свойствами растений, их физиологическим состоянием. Особенно сильно страдают сельхозкультуры, ввезенные из южных широт в более северные (кукуруза, томаты, перец, в отдельные годы картофель). Это выражается в обратимой или необратимой потере тургора, частичной или полной гибели листьев. Страдают в первую очередь молодые листья, плохо одревесневшие побеги. Это явление сглаживается при наличии в клеточном соке защитных веществ (криопротекторов), роль которых выполняют сахара, свободные аминокислоты, соли органических и неорганических кислот. Сахара образуются в процессе фотосинтеза, и их накопление у определенных групп растений смягчает или предотвращает коагуляцию белков.

Оборудование, реактивы, материалы: центрифуга; центрифужные пробирки; термометр; ступки с пестиками; смесь снегсоль (3:1); сахароза; дистиллированная вода; листья различных растений.

Приготовление охладительной смеси: к трем частям снега или битого льда добавить одну часть поваренной соли, тщательно перемешивают лопаточкой (температура должна быть минус 20°С).

2.4.1 Ход работы

Взвесить 2…3 г молодых листьев акации белой (неморозостойкая порода), тополя (морозостойкая порода) или листьев комнатных растений; растереть в ступке с 4 мл воды, добавив 6 мл при смывании; отделить обрывки тканей центрифугированием и разлить зеленый раствор хлорофилл-протеида в пробирки. Следует отметить, что у комнатных растений зимой белок образуется плохо, поэтому надо увеличивать навеску до 3…5 г.

Заморозить растворы во всех пробирках в смеси снегсоль или ледсоль, рассматривая их через каждые 5 мин; отметить разницу в замерзании растворов от разных растений.

Растопить образовавшийся лед и подвергнуть растворы центрифугированию. Отметить разницу в величине осадка, представляющего коагулированный хлорофилл-белковый комплекс.

Подготовить растертый образец, как указано выше, и до замораживания добавить в пробирку сахарозу до полного ее растворения при встряхивании и перемешивании. Заморозить растворы хлорофилл-белкового комплекса с сахарозой и без нее, проследить коагуляцию белка и защитное действие сахарозы. Результаты записать в таблицу 3.

Таблица 3 – Запись экспериментальных данных опыта п. 2.4

Вариант растения	Время в минутах						Величина осадка, мм
Вариант растения	5	10	15	20	25	30	Величина осадка, мм

Использовать следующую градацию:

1. Начало замерзания (гомогенная масса с кристаллами льда)  «+».

2. Частичное замерзание (множественные кристаллы льда, но не сплошной слой)  «++».

3. Полное замерзание (появление сплошного слоя льда: при перевертывании пробирки вода не выливается)  «+++».

3 Общие правила оформления работы

Лабораторная работа выполняется группой из 2…4 студентов.

Группа студентов перед выполнением работы:

- знакомится с условиями, последовательностью и правилами выполнения опыта;

- получает допуск на проведение работы у преподавателя;

- выполняет работу согласно заданию и методическим рекомендациям;

По окончании эксперимента студент оформляет отчет и защищает работу у преподавателя. Отчет должен содержать: цель работы, краткую теоретическую часть, результаты эксперимента в виде таблицы, графика или диаграммы, а также вывод о проделанной работе.

При оформлении отчета не допускается: сокращать наименование единиц физических величин, если они употребляются без числовых значений; применять сокращения слов, кроме установленных правилами русской орфографии; употреблять в тексте математические знаки без числовых значений (например ≤ (меньше или равно), ≥ (больше или равно), ≠ (не равно), а также знаки ø (диаметр), % (процент) и т.д.)

4 Контрольные вопросы

Что такое среда обитания и какие среды обитания вы знаете?
Какие факторы среды относятся к абиотическим и биотическим?
Как влияют абиотические факторы среды на живые организмы?
Как формулируется закон минимума? Какие уточнения к нему существуют?
Сформулируйте закон толерантности. Кто установил эту закономерность?
Приведите примеры использования законов минимума и толерантности.
Какие механизмы позволяют живым организмам компенсировать действие экологических факторов?
Как степень воздействия факторов влияет на распространение организмов?
Приведите примеры и дайте объяснения понятиям: эври- и стенобионтные организмы, олигобионты и полибионты.
Что собой представляет адаптация организмов к устойчивым факторам среды? Какие виды адаптации вы знаете?

5 задания

1. Большинство организмов имеют различные пределы толерантности по отношению к различным факторам среды. Используя экологические термины, охарактеризуйте их условия обитания:

– артемия Calliactis sp. является политерным, эврифотным и олигобатным организмом;

– артемия Artemia salina является эвритерным, полигалийным, стенофагическим организмом;

– озерная лягушка Rana ridibunda является полигидрическим, олигофотным и эврибатным организмом.

2. В исследованиях по изучению влияния токсичности ионов меди на моллюска битиния Лича (Bithinia leachi) было установлено, что к концентрации ниже 0,04 мг/л ионов меди взрослые особи не чувствительны (выживаемость при концентрациях от 0 до 0,04 мг/л составляет 100 % и 95 % соответственно). При увеличении концентрации ионов меди до 0,06 мг/л смертность организма повышается на 10 %. Дальнейшее повышение концентрации до 0,01 мг/л и 2,5 мг/л приводит к смерти в 48 % и 98 % случаев, и лишь высокая концентрация 3,5 мг/л приводит к 100%-ной смертности. Постройте график толерантности к воздействию ионов меди на жизнеспособность моллюска битинии. Какое по степени действия влияние оказывает концентрация ионов меди 1,5 мг/л на организм битинии. Обоснуйте ответ.

3. Некоторую часть своего жизненного цикла камчатский краб (Paralithodes camtschatica) существует в виде специализированной личиночной стадии – зоеа. При изучении влияния солености среды на особей данного вида краба на разных стадиях развития были отмечены следующие закономерности. Во взрослом состоянии особей можно отнести к стеногалинным организмам, так как они существуют в интервале солености от 20 г/л до 32 г/л, при этом оптимум отмечается при концентрациях от 25 до 28 г/л. В момент оплодотворения оптимальная соленость сужается до 26…27,5 г/л при неизменных пределах толерантности. Отложенные яйца сохраняют свою жизнеспособность только при солености от 17 г/л до 28 г/л. Максимальное вылупление зоеа происходит в интервале солености от 23 г/л до 26 г/л. Одновременно изменяется и устойчивость к солености. Если нижний предел снижается до 18 г/л, то верхний незначительно повышается (до 33 г/л). До репродуктивного возраста, при сохранении солености в интервале от 23 до 28 г/л, доживает 82 % особей. По приведенным выше данным определите пределы толерантности для камчатского краба как вида в целом. Иллюстрацией к какому закону, описывающему закономерности действия экологических факторов, является данный пример? Сформулируйте этот закон.

4. На рисунке 3 изображена функция отклика при воздействии температуры на особей рыжего таракана (Blattella germanica). Определите границы оптимума и субоптимума для данного вида. Исходя из каких признаков вы определяете эти границы? Как может измениться график при увеличении относительной влажности воздуха (абиотический фактор) и появлении конкурента – черного таракана (Blatta orientalis) (биотический фактор)?

5. При акклиматизации беломорских двустворчатых моллюсков Hiatella arctica к повышенной и пониженной солености среды происходит смещение интервала толерантности данного вида по отношению к содержанию солей в воде (рисунок 4). Определите основные экологические характеристики данного фактора для Hiatella arctica. Чем объясняются происходящие изменения при увеличении времени экспозиции?

Рисунок 3 – Изменение частной функции отклика рыжего таракана (Blatella germanica) при реакции на температуру воздуха

–

точки, соответствующие выживаемости;

- - - – активность моллюсков после часовой экспозиции;

― – активность после суточной экспозиции

Рисунок 4  Выживаемость в процессе акклимации и активность

моллюсков, акклимированных к 25 % в ходе тестирования

Литература

Пехов, А.П. Биология с основами экологии / А.П. Пехов. – СПб.: Лань, 2001.
Охрана окружающей среды: учебник для вузов / под ред. А.С. Степановский. – М.: Юпитер-Дана, 2001.
Радкевич, В.А. Экология / В.А. Радкевич. – М: Выш. шк., 1998.
Одум, Ю. Экология / Ю. Одум. – М.: Мир, 1986.  Т. 2.
Общая экология: учебник для вузов / под ред. А.С. Степановский. – М.: Юпитер-Дана, 2002.

Содержание

1 Основные понятия________________________________	3
1.1 Классификация экологических факторов________________	3
1.2 Воздействие экологических факторов__________________	4
1.3 Закономерности воздействия экологических факторов____	5
1.4 Адаптации организмов к условиям среды_______________	8
1.5 Основные абиотические факторы среды________________	8
2 Практическая чАСТЬ_______________________________	17
2.1 Определение устойчивости растений к высоким температурам___________________________________________	17
2.2 Определение температурного порога коагуляции белков цитоплазмы клеток разных растений__________________	18
2.3 Определение устойчивости клеток различных растений к обезвоживанию________________________________	20
2.4 Влияние низких температур на коагуляцию белков у растений______________________________________________	21
3 Общие правила оформления работы_____________	23
4 Контрольные вопросы____________________________	24
5 Задания____________________________________________	25
ЛИТЕРАТУРА__________________________________________	28

Елесина Виктория Васильевна

ВЛИЯНИЕ АБИОТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

НА УСТОЙЧИВОСТЬ РАСТЕНИЙ

Методические рекомендации по выполнению лабораторной работы

по курсу «Биология с основами экологии» для студентов

специальности 080401 «Товароведение и экспертиза товаров»
всех форм обучения

Редактор Идт Л.И.

Подписано в печать 16.01.2008. Формат 6084 1/16

Усл. п. л.  1,86. Уч.-изд. л.  2,0

Печать  ризография, множительно-копировальный
аппарат «RISO TR-1510»

Тираж 50 экз. Заказ 2008-02

Издательство Алтайского государственного

технического университета

656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46

Оригинал-макет подготовлен ИИО БТИ АлтГТУ

Отпечатано в ИИО БТИ АлтГТУ

659305, г. Бийск, ул. Трофимова, 29

А

рхив создан Бухвиной А.А.

Blog

Содержание