Приспособление организмов к сезонным изменениям в природе. Фотопериодизм
Цель урока:
· Обуч. Ознакомить учащихся с сезонностью в природе, состоянием зимнего покоя, биологическими ритмами, фотопериодизмом.
· Развив. Развивать логическое мышление, мировоззрение, память, речь.
· Воспит. Воспитывать бережное отношение к природе, как целостной единице всего живого.
Орг. момент. План урока.
Методы контроля знаний.
1 часть – письменная (таблица).
2 часть – устная:
1. Значение света, влажности и температуры для организма.
2. Ограниченное воздействие ультрафиолетовых, видимых и инфракрасных лучей на организм.
3 часть – письменная:
1 вариант № 55 стр. 34.
2 вариант № 56 стр. 34.
3 вариант № 57 стр. 34.
Основная часть.
1 группа – Сезонность в природе.
2 группа – Состояние зимнего покоя.
3 группа – Причины биологических ритмов.
4 группа – Фотопериодизм.
5 группа – Журналисты.
Сезонность в природе.
Огромное значение для растений и животных имеет годовой ход температуры. Благоприятным периодом для растений является период шесть месяцев.
С первыми признаками весны начинает пробуждаться природа – расцветают деревья, распускаются первые листочки, прилетают первые птицы, появляются насекомые. В середине лета прекращается рост растений, заканчивается размножение птиц.
Во второй половине лета заканчивается созревание семян, плодов, птицы готовятся к перелетам.
Состояние зимнего покоя.
В этот период температура понижается. У растений сохраняется на зимовку семена, побеги сохраняются в почках. У насекомых в почве сохраняются личинки, куколки. Ткани организмов сохраняют питательные вещества, обменные процессы в организмах растений приостанавливаются. Только благодаря этим особенностям растения могут переживать суровые условия существования.
Причины биологических ритмов.
Для каждого вида существует характерный период жизни, который называется годичным циклом. Это явление получило название биологического ритма. Особо важное значение в жизни любого организма имеет совпадение жизненного цикла и времени года. Главным фактором регуляции жизненных циклов является продолжительность дня.
Реакция организма на продолжительность дня называется – фотопериодизм (рис. 35 стр. 85).
Более длинный день влияет на образование цветков у растений. Некоторые растения для цветения нуждаются в коротком дне, поэтому хризантемы цветут осенью. На животных продолжительность дня влияет на состояние покоя, или наступление периода размножения. Фотопериодизм регулирует сезонные явления у самых разных организмов.
«Биологические часы».
Реакция организма на свет основана на смену дня и ночи. Эту способность имеют все виды существ как одноклеточные, так и многоклеточные.
Физминутка.
Карточка № 58-62 стр. 35-37 «Снежный ком».
Итоговый контроль.
Источник: http://www.compendium.su/biology/10klas/18.html
Фотопериодизм
Фотопериод, или продолжительность дня, являющийся важнейшей характеристикой светового режима, неодинаков в течение года. Длина дня небезразлична для живых организмов.
Это нашло отражение при рассмотрении сезонной периодичности явлений в живой природе.
Ритмические изменения морфологических, биохимических и физических свойств и функций организмов под влиянием чередования и длительности освещения получили название фотопериодизма.
Способность живых организмов реагировать на длину дня получила название фотопериодической реакции (ФПР). Фотопериодизм был открыт в 1920 ᴦ. В. Гарнером и Н. Аллардом во время селœекционной работы с табаком.
Οʜᴎ обнаружили, что один из сортов, который цвел весной и осœенью в теплице, не зацветает летом в открытом грунте. По причине того, что летние условия практически не отличались от тепличных, было сделано предположение, что цветению препятствует длинный летний день.
Предположение подтвердилось, когда удалось получить цветение табака летом при искусственно укороченном дне. В дальнейшем установлено, что фотопериодическая реакция свойственна растениям разных таксономических групп и жизненных форм.
Способность воспринимать длину дня и реагировать на нее широко распространена и в животном мире.
По типу фотопериодической реакции выделяют следующие основные группы растений (рис. 7.10).
1. Растения короткого дня. Зацветание и плодоношение наступает при 8—12-часовом освещении (к примеру, конопля, табак, перилла).
2. Растения длинного дня. Для цветения им нужна продолжительность дня 12 ч и более (картофель, пшеница, шпинат).
3. Нейтральные к длинœе дня растения. Стоит сказать, что для них длина фотопериода безразлична. Цветение наступает при любой длинœе дня (кроме очень короткой, означающей для растений световое голодание). Таковы горчица, одучанчик, томат и др.
Рис. 7.10. Типы фотопериодической реакции у растений:
А — короткодневный (перилла); Б — длиннодневный (шпинат);
В — нейтральный (горчица) (по Б. С. Мошкову, 1961)
Каждому виду или сорту свойствен определœенный критический фотопериод. Растения обладают способностью ʼʼизмерятьʼʼ его продолжительность с довольно большой точностью.
К примеру, для длиннодневной хризантемы критическая длина дня, обеспечивающая цветение, составляет 14 ч 40 мин, а уже при 13 ч 50 мин бутоны не образуются.
В тропиках, где сезонные изменения длины дня незначительны, высокая фотопериодическая чувствительность обнаружена у многих сортов риса, возделываемых в определœенные сезонные сроки. В этих случаях решающими для перехода растений к генеративной фазе оказываются даже ничтожные изменения фотопериода.
Особо важную роль фотопериодизм играет, к примеру, в географическом распространении растений и в регуляции их сезонного развития. В этом вопросœе накоплен обширный фактический материал, показывающий, что существует связь между географическим распространением и типом их фотопериодической реакции.
В высоких и умеренных широтах большинство растений принадлежит к растениям длинного дня. Все они приспособлены к продолжительному освещению. Виды тропиков и субтропиков в большинстве своем короткодневные или нейтральные.
У видов с обширными ареалами, охватывающими разные широты, хорошо различаются географические популяции с разными критическими фотопериодами, которые соответствуют длинœе дня (рис. 7.11).
Здесь фотопериодическая реакция выступает как весьма тонкий и точный механизм прилаживания экологии вида к разнообразию условий на протяжении ареала.
ФПР культурных растений во многих случаях соответствует географическому району формирования сорта. К примеру, сибирские сорта пшеницы имеют длиннодневный тип ФПР, а абиссинский — короткодневный. Являясь адаптацией” к данной географической среде, ФПР вместе с тем отчасти служит ограничителœем распространения вида или географической популяции.
Так как растения с определœенной ФПР не могут успешно произрастать при не подходящем для них фотопериоде, длина дня препятствует миграции северных длиннодневных форм к югу и южных короткодневных — к северу.
Виды с нейтральной ФПР имеют возможность более широкого распространения — от тропиков до арктических районов (если оно не ограничено теплом и другими климатическими факторами).
Рис. 7.11. Изменение порога фотопериодической реакции (критической
длины дня) с географической широтой у дурнушника
Xanthium stcumarium (из А. П. Тыщенко, 1979)
Животные, особенно насекомые, также весьма чувствительны к продолжительности дня.
К примеру, саранчовые (Arididae), многие совки (Noctuidae), тутовый шелкопряд (Bombux mori) развиваются в условиях короткого дня, а капустная белянка (Pieris brassicae), березовая пяденица (Riston betularia) — типичные организмы длинного дня.
Продолжительность дня регулирует процессы жизнедеятельности, связанные прежде всœего с размножением и эмбриональным развитием, приспособительными реакциями — диапаузой, линькой, спячкой (сном), миграциями.
У животных и растений суточная периодичность светового режима обусловливает многочисленные приспособления к дневному и ночному образу жизни. Все их физиологические процессы имеют суточный режим с максимумом в определœенные часы. Эти реакции основаны на правильном чередовании периодов света и темноты в течение суток — на продолжительности дня и ночи.
Организмы имеют приспособления к неблагоприятным сезонным явлениям. Так, для растений свойственно состояние покоя, характеризующееся прекращением роста и замедлением физио-лого-биохимических процессов. Отмечают органический, глубокий и вынужденный покой растений.
Органический покой характерен для клубней, плодов, почек. К примеру, картофель осœенью не прорастает даже при высоких температурах.
Осенью и ранней зимой не распускаются почки срезанных с дерева и поставленных в воду ветвей.
Во время органического покоя в растении происходят изменения в нуклеиновом и белковом обмене в эмбриональных клетках и тканях, что обеспечивает возобновление нормального роста весной.
Глубокий покой наступает одновременно с органическим или после него и обусловливает морозоустойчивость растений. Степень глубины покоя зависит от вида растений и характера осœенней погоды (рис. 7.12).
Рис. 7.12. Упрощенная схема влияния внешней среды (подковообразная фигура), управляющих механизмов клетки и гормональных факторов на ритм развития древесных растений (по В. Лархеру, 1978)
Вынужденный покой проявляется в том, что растения долгое время не приступают к росту из-за неблагоприятных условий. Это часто бывает весной.
У животных приспособления к переживанию неблагоприятных сезонных явлений более разнообразны по сравнению с растениями. Так, сезонные изменения метаболизма у животных проявляются в периодичности размножения. Основным сигнальным факторам и стимулятором размножения является световой режим местообитания.
Своеобразным приспособлением к неблагоприятным сезонным явлениям у животных служит спячка. Она может наступить на любой стадии их развития. Наиболее широко распространена спячка среди животных высоких и умеренных широт.
В период зимней или летней спячки у животных значительно снижается уровень обмена веществ и потребление кислорода (в 10—20 раз). Млекопитающие и особенно земноводные, пресмыкающие и большинство беспозвоночных впадают в глубокое оцепенение.
Длина светового дня, регулярно изменяющаяся на протяжении года, предвещает здесь приближение благоприятных или неблагоприятных сезонов точнее, чем всœе другие, менее регулярные колебания климатических факторов.
Для членистоногих, особенно насекомых, характерна диапауза, или длительная приостановка развития.
Длина светового дня используется как сигнал, вызывающий как бы ʼʼпредусмотрительнуюʼʼ перестройку обмена веществ (сдвиг диапазонов потенции, накопление запасных веществ, понижение содержания влаги) еще в благоприятных условиях.
ʼʼПриторможенныйʼʼ обмен веществ должен в течение определœенного времени протекать при ожидавшихся субоптимальных температурах (обычно между 0 и 12 °С), прежде чем процессы развития смогут возобновиться в нормальном диапазоне температур.
К примеру, гусеницы пестрокрыльницы изменчивой (Araschinia levana) живут при длинном световом дне (> 16 ч весной), то их куколки без диапаузы дают темную летнюю форму бабочек (f. prorsa).
При коротком световом дне (< 16 ч поздней осœенью) они дают диапаузирующих куколок, которым требуется не менее трех месяцев холода (0—12°С), чтобы из них с наступлением тепла могли выйти более светлые бабочки (f. levana). Следует заметить, далеко не во всœех случаях диапауза приводит, как в данном примере, к сезонному или иному диморфизму вследствие измененного хода развития.
Широко распространенным приспособлением к неблагоприятным условиям у многих животных являются миграции, или закономерные перемещения в определœенном направлении, выработанные в процессе исторического развития.
Недостаток пищи или ухудшение погоды побуждают некоторых насекомых (саранчу), птиц (кедровку, клеста͵ свиристеля), млекопитающих (леммингов) к первоначально ненаправленным откочевкам. Регулярные миграции многих перелœетных птиц определяются ежегодно изменениями погоды (так называемые погодные птицы — грачи, дрозды, зяблики, лысухи и т.д.).
Другие (ʼʼинстинктивныеʼʼ) птицы отлетают в более или менее определœенные (фиксированные) сроки, руководствуясь, как правило, фотопериодом, задолго до ухудшения погоды и сокращения пищевых ресурсов: аист, иволга, черные стрижи и др.
В заключение следует отметить, что закономерности сезонного развития природы изучаются особой прикладной отраслью экологии — фенологией (с греч. — наукой о явлениях). По биоклиматическому закону Хопкинса на территории Европы сроки наступления различных сезонных явлений (фенодат) различаются в среднем на три дня на каждый градус широты, на каждые 5 град.
долготы и на 120 м высоты над уровнем моря, ᴛ.ᴇ. чем севернее, восточнее и выше местность, тем позднее наступает весна и раньше осœень. Фенологические даты также зависят от местных условий — рельефа, экспозиции, удаленности от моря и т. д.
Точки с одинаковыми фенодатами при соединœении на карте образуют изолинии, которые отражают фронт продвижения весны и наступления очередных сезонных явлений.
Важнейшим фактором, который влияет на переход растений к генеративному этапу, является фотопериод, т.е. относительная продолжительность светового и темнового периода суток. Зависимость развития растений от фотопериода называется фотопериодизмом. В 1920 г. Гарнер и Аллард… [читать подробнее].
На рост растений влияют следующие факторы внешней среды: темпе-ратура (величина, периодичность); влажность; минеральные вещества; газовый состав воздуха; механические воздействия; свет (интенсивность, качество, продолжительность, периодичность); сила тяжести и др. 1. Свет…. [читать подробнее].
Вода имеет очень высокую теплопроводность, соприкасаясь с рецепторами кожи она вызывает ощущение жжения и, воздействуя на ничем не защищенную кожу, вызывает ожог. Воздух имеет очень низкую теплопроводность, между телом и нагретым воздухом возникает… [читать подробнее].
Источник: http://referatwork.ru/category/ekologiya/view/540832_fotoperiodizm
Урок №12. «Фотопериодизм»
Тип урока – комбинированный
Методы:частично-поисковый, проблемного изложения, репродуктивный, объяснительно-иллюстративный.
Цель:
– осознание учащимися значимости всех обсуждаемых вопросов, умение строить свои отношения с природой и обществом на основе уважения к жизни, ко всему живому как уникальной и бесценной части биосферы;
Задачи:
Образовательные: показать множественность факторов, действующих на организмы в природе, относительность понятия «вредные и полезные факторы», многообразие жизни на планете Земля и варианты адаптаций живых существ ко всему спектру условий среды обитания.
Развивающие: развивать коммуникативные навыки, умения самостоятельно добывать знания и стимулировать свою познавательную активность; умения анализировать информацию, выделять главное в изучаемом материале.
Воспитательные:
Воспитывать культуру поведения в природе, качества толерантной личности, прививать интерес и любовь к живой природе, формировать устойчивое положительное отношение к каждому живому организму на Земле, формировать умение видеть прекрасное.
УУД
Личностные: познавательный интерес к экологии.. Понимание необходимости получения знаний о многообразии биотических связей в природных сообществах для сохранения естественных биоценозов. Способность выбирать целевые и смысловые установки в своих действиях и поступках по отношению к живой природе. Потребность в справедливом оценивании своей работы и работы одноклассников
Познавательные: умение работать с различными источниками информации, преобразовывать её из одной формы в другую, сравнивать и анализировать информацию, делать выводы, готовить сообщения и презентации.
Регулятивные: умение организовать самостоятельно выполнение заданий, оценивать правильность выполнения работы, рефлексию своей деятельности.
Коммуникативные: участвовать в диалоге на уроке; отвечать на вопросы учителя, товарищей по классу, выступать перед аудиторией, используя мультимедийное оборудование или другие средства демонстрации
Планируемые результаты
Предметные: знать – понятия «среда обитания», «экология», «экологические факторы» их влияние на живые организмы, «связи живого и неживого»;. Уметь – определять понятие «биотические факторы»; характеризовать биотические факторы, приводить примеры.
Личностные: высказывать суждения, осуществлять поиск и отбор информации;анализировать связи, сопоставлять, находить ответ на проблемный вопрос
Метапредметные: связи с такими учебными дисциплинами как биология, химия, физика, география. Планировать действия с поставленной целью; находить необходимую информацию в учебнике и справочной литературе; осуществлять анализ объектов природы; делать выводы; сформулировать собственное мнение.
Форма организации учебной деятельности – индивидуальная, групповая
Методы обучения: наглядно-иллюстративный, объяснительно-иллюстративный, частично-поисковый, самостоятельная работа с дополнительной литературой и учебником, с ЦОР.
Приемы: анализ, синтез, умозаключение, перевод информации с одного вида в другой, обобщение.
Изучение нового материала
Фотопериодизм
Свет является исключительно важным сигнальным фактором, поскольку именно смена освещения, световой режим обусловливает изменение активности (периоды покоя и интенсивной жизнедеятельности) и определяет периоды размножения, миграции, линьки и другие биологические явления у животных и растений, т. е. регулирует ритмику их суточной и сезонной жизни
Сигналом о приближении зимы служит уменьшение длины дня, которое всегда тесно связано с последующим похолоданием. В течение года длина дня изменяется строго закономерно и не подвержена колебаниям, подобным колебаниям других экологических факторов.
Ритмические изменения морфологических (форма и строение организма), биохимических и физиологических свойств и функций организмов под влиянием чередования и длительности освещения называются фотопериодизмом.
Под фотопериодиче- ским контролем находятся практически все метаболические процессы, связанные с развитием и размножением растений и животных.
По отношению к фотопериодизму растения делятся на три типа:
Растения короткого дня(зацветание и плодоношение наступает при 8-12-часовом освещении). Это растения южных районов (гречиха, просо, подсолнечник, конопля и др.).
Растения длинного дня(требуют удлинения дня до 1620 часов). В умеренных широтах большинство растений принадлежит к растениям длинного дня. Северными длиннодневными растениями являются рожь, ячмень, овес, лук, лен, морковь.
Растения, нейтральные к длине дня. Среди таких рис- тений можно назвать виноград, бархатцы, флоксы, сирень.
Животные, особенно насекомые, также чутко реагируют на продолжительность дня. Только в условиях длинного дня развиваются капустная белянка, березовая пяденица. В то же время многие совки, тутовый шелкопряд, саранчовые – типичные представители насекомых короткого дня.
Для растений свойственно состояние покоя, характеризующееся прекращением роста и замедлением физиологобиохимических процессов. Если растение не впадает в состояние покоя, то зимой оно вымерзает.
Различают органический, глубокий и вынужденный покой растений.
Органический покой. Характерен для плодов, клубней, почек. Так, картофель осенью даже при высоких температурах не прорастает.
Осенью и ранней зимой не распускаются почки срезанных с дерева и поставленных в воду ветвей.
В течение органического покоя в растении происходят изменения в нуклеиновом и белковом обмене в эмбриональных клетках и тканях, что обеспечивает возобновление нормального роста весной.
Глубокий покой. Наступает одновременно с органическим или после него и обусловливает морозоустойчивость растений.
Вынужденный покой. Проявляется в том, что растения длительное время не приступают к росту из-за неблагоприятных условий. Это часто бывает весной.
У животных приспособления к переживанию неблагоприятных сезонных явлений более многообразны, чем у растений.
Во время зимовки у животных происходит перестройка метаболизма, в результате чего у одних видов повышается холодостойкость, у других – уровень теплообразования.
У птиц и млекопитающих наблюдается линька, смена шерстного и перьевого покровов. Своеобразным приспособлением к неблагоприятным сезонным явлениям служит спячка.
Она может наступить на любой стадии развития. Различают летнюю и зимнюю спячку. Летняя наблюдается при слишком высоких температурах и снижении влажности воздуха, зимняя – при понижении температуры. В период спячки у животных значительно (в 10-20 раз) снижается уровень обмена веществ и потребление кислорода.
В результате млекопитающие и особенно пресмыкающиеся, земноводные и большинство беспозвоночных впадают в глубокое оцепенение. Однако у некоторых млекопитающих в состоянии так называемого зимнего сна снижение интенсивности обмена веществ невелико. Например, бурые медведи в этот период даже рождают детенышей.
Для членистоногих, особенно насекомых, характерна диапауза, т. е. временная приостановка развития. У каждого вида она наступает на определенной стадии жизненного цикла и часто вне видимой и непосредственной связи с факторами внешней среды.
К примеру, у кольчатого шелкопряда диапауза наблюдается в фазе яйца и продолжается с середины лета до весны следующего года; у соснового шелкопряда диапауза наступает в фазе гусеницы; у капустной белянки – в фазе куколки; у крапивниц, лимонниц и других бабочек, появляющихся ранней весной, диапауза наступает осенью, во взрослом состоянии.
Широко распространенным приспособлением к неблагоприятным условиям у многих высших животных являются миграции, т. е.
закономерные перемещения в определенном направлении, выработавшиеся в процессе исторического развития. Так, при высыхании растительности на возвышенностях многие грызуны перекочевывают в пониженные места.
Постоянно кочуют в поисках корма северные олени. Значительные миграции совершают перелетные птицы.
Особым приспособлением к неблагоприятным условиям служит анабиоз – состояние организма, при котором жизненные процессы настолько замедляются, что отсутствуют все видимые признаки жизни.
Это состояние наиболее характерно для спор, сухих семян растений, высохших лишайников, для простейших одноклеточных животных, коловраток, круглых червей, некоторых членистоногих.
С помощью анабиоза организмы могут переносить неблагоприятные условия, например, крайне низкие температуры.
Вопросы и задания
Что такое фотопериодизм и какое значение он имеет в природе?
Приведите примеры растений короткого и длинного дня, а также нейтральных к длине дня.
Приведите примеры дневных, сумеречных и ночных животных.
Объясните, что такое органический, глубокий, вынужденный покой, спячка, диапауза, миграции, анабиоз.
Фотопериодизм: весна, лето, осень, зима
БиологическиеритмыФотопериодизм
Спячка. Популярная наука с Анной Урманцевой.
Миграции птиц (рассказывает орнитолог Сергей Харитонов)
Анабиоз
Зимнийанабиозлягушек
Ресурсы:
С. В. Алексеев. Экология: Учебное пособие для учащихся 9 класса общеобразовательных учреждений разных видов. СМИО Пресс, 1997. – 320 с
СайтYouTube: /
Хостинг презентаций
–
Источник: https://xn--j1ahfl.xn--p1ai/library/urok_12_tema_fotoperiodizm_073448.html
Рефераты, дипломные, курсовые работы – бесплатно: Библиофонд!
Сезонные приспособления организмов к окружающей среде рассмотрим на примере зимовки различных животных и птиц.
Зимовка
Резкое ухудшение условий существования зимой сводится в основном к большей или меньшей затруднённости достать необходимое и повышенное сравнительно с летом количество пищи. Зимний сезон вносит большие изменения в условия питания птиц высоких и умеренных широт. Прежде всего с наступлением зимы резко сокращаются общие запасы и набор кормов.
В это суровое время целиком выпадают из рациона питания зеленые части растений, а также семена, ягоды и плоды многолетних и однолетних трав и низких кустарников, заносимых снегом. Исчезает большинство насекомых и беспозвоночных животных. Полностью становятся недоступными для питания птиц земноводные, пресмыкающиеся и рыбы.
В зимний период трудно добывать мышевидных грызунов и других мелких зверьков, так как они укрываются под глубоким снежным покровом или впадают в спячку.
Доступными зимними кормами в указанных широтах остаются главным образом ягоды, семена, хвоя и концевые ветки деревьев и кустарников, а также некоторые насекомые, укрывающиеся в стволах и ветвях древесных растений, их яйца, личинки и куколки, мелкие виды млекопитающих, и, наконец, разного рода отходы и отбросы в поселениях человека, на свалках и на дорогах.
Приспособления к изменениям кормовых условий, снижающие интенсивность сезонных перемещений и позволяющие птицам зимовать в северных и умеренных широтах, сводятся в основном к смене кормов по сезонам года, смене мест и способов поиска пищи, запасанию кормов.
В связи с этим у многих птиц в процессе эволюции выработалась сезонная смена кормов, то есть переход на питание теми кормами, которые наиболее обильны или доступны в то или иной сезон года. Приведем некоторые примеры.
Большой пестрый дятел летом питается в основном насекомыми, но во вторую половину лета – также и растительными кормами: ягодами малины, костяники, черемухи, значительно позднее ягодами брусники и семенами сосны или ели.
Осенью или зимой, как правило, оно почти полностью переходит на растительные корма – семена хвойных деревьев, орехи (лещину) и желуди. Ранней весной он пьет древесный сок, имеющий большое значение в этот наиболее голодный период года.
Сезонные перемещения дятла сводятся к небольшим кочевкам в высоких широтах, где он проводит и зиму.
Поползень в весенне-летний период кормится исключительно насекомыми и пауками.
Осенью и зимой в кормовой рацион его входит растительная пища – лесные орехи, желуди, семена клена, липы, хвойных деревьев, ольхи и других древесных пород.
Именно частичная растительноядность помогает этому насекомоядному виду птиц переживать зиму в высоких и умеренных широтах, где они совершают лишь небольшие кочевки.
Черноголовая гаичка в течение большей части года питается различными насекомыми, но в зимнее время пользуется и растительной пищей – семенами ели, пихты, березы, сосны и другими, собирая их на снегу или выклевывая из шишек. При урожае эти семена служат основой питания для синиц-гаичек в течение значительной части зимы, составляя почти 73% всей пищи по объему.
Зяблик в весенне-летний период кормится в основном насекомыми, ранней весной, во вторую половину лета и осенью – семенами травянистых и древесных растений, которые собирает на земле, что не позволяет ему зимовать в зоне сплошного снежного покрова. Зимовки его находятся в тех районах умеренных широт, где постоянного снежного покрова нет.
Большинство видов, способных менять состав кормов, ведет оседлый и полуоседлый образ жизни или предпринимает недалекие кочевки и перелеты в пределах тех же высоких и умеренных широт.
Использование убежищ для ночёвок и защиты от непогоды. В зимнее время наиболее низкие температуры бывают ночью. На ночную часть суток у большинства птиц приходится период покоя, во время которого питание полностью прекращается. Следовательно, интенсивная теплоотдача тела у птиц совпадает с периодом их наименьшей активности и снижения уровня окислительных процессов.
Это в значительной мере затрудняет нормальный теплообмен со средой и делает птицу наиболее уязвимой ночными холодами. В связи с этим многие птицы, зимующие в холодных климатических зонах, используют для ночлега различного рода убежища, которые ослабляют влияние низких температур и снижают интенсивность теплоотдачи.
В таких убежищах птицы нередко отсиживаются и днем в сильные морозы и непогоду (метели, бураны и т.д.).
Некоторые виды птиц, ведущих преимущественно наземный образ жизни, на ночь, в сильны холода и непогоду зарываются в снег (например, тетерев, глухарь, рябчик, белая куропатка и др.). Температура под снегом не только значительно выше, чем в воздухе, но и более постоянна.
В зимы, с малой глубиной снежного покрова птицы не имеют возможности зарываться в снег и попадают в исключительно трудное положение. В такие зимы нередко наблюдается массовое вымерзание тетеревов, рябчиков и других птиц, пользующихся снежными убежищами.
Спячка
Спячка, состояние оцепенения, или «глубокого сна», характеризующееся существенным понижением температуры тела, энергозатрат и интенсивности всех физиологических процессов.
Животных, способных поддерживать температуру тела за счет внутренней теплопродукции, называют эндотермными – в отличие от эктотермных, температура тела которых зависит от температуры окружающей среды. К эндотермам относятся в первую очередь все теплокровные, т.е.
млекопитающие и птицы (теплокровных и холоднокровных животных нередко называют соответственно гомойотермными и пойкилотермными).
Впадающих в спячку теплокровных можно определить как гетеротермные эндотермы; гетеротермия означает периодическое изменение температуры, в данном случае – ее падение ниже уровня, соответствующего активному образу жизни.
Спячка может быть сезонной. Наиболее известна зимняя спячка, или гибернация, длящаяся с осени по весну. Однако состояние организма на протяжении всего этого времени не остается неизменным.
Эпизоды оцепенения с резким замедлением физиологических процессов и максимальным падением температуры тела чередуются с «отогреваниями», когда внутренняя теплопродукция усиливается, и короткими «передышками» с высокой температурой тела и нормальным энергетическим обменом (нормотермные периоды).
У видов, впадающих в зимнюю спячку, температура тела обычно падает ниже 10° С. Минимальная температура 3° С зафиксирована у длиннохвостых сусликов, хотя у большинства особей этого вида она не опускается ниже 5° С.
Интенсивность метаболизма (оцениваемая по потреблению O2 и выделению CO2 в единицу времени) в состоянии оцепенения снижается примерно до 5% от уровня основного обмена и может не достигать даже 1% уровня, свойственного активно ведущей себя особи.
Впадающие в зимнюю спячку млекопитающие, как правило, невелики: их масса не превышает 10 кг, а в большинстве случаев составляет от 10 г до 1 кг.
Эстивация – летняя спячка, связанная с сезонным дефицитом воды.
У некоторых сусликов спячка начинается в самое жаркое время года и продолжается всю зиму, так что границу между летней и зимней спячками у них провести трудно.
Остается неясным, существуют ли между двумя этими состояниями физиологические различия, если не считать разницу в температуре тела, которая жарким летом, очевидно, будет выше, чем зимой.<\p>
Суточная спячка.
Млекопитающие и птицы. Раньше считалось, что сезонная спячка и оцепенение свойственны лишь небольшому числу млекопитающих и птиц, обитающих в условиях холодного климата. Однако постоянно обнаруживаются все новые гетеротермные виды, причем встречаются они от Арктики до тропиков.
Среди птиц в зимнюю спячку, сходную с наблюдаемой у млекопитающих, впадает американский белогорлый козодой (Phalaenoptilus nuttallii). В периоды оцепенения температура его тела составляет ок. 5° С, но каждые несколько суток на короткое время повышается.
Суточная спячка у птиц довольно обычна и у дневных видов происходит ночью; к таким видам относятся, например, голуби, козодои, колибри, стрижи, ласточки, нектарницы и манакины. У многих птиц по ночам наблюдается т.н. «ночная гипотермия», т.е.
небольшое (более слабое, чем во время суточной спячки) замедление физиологических процессов и снижение температуры тела.
Последняя в этом случае падает примерно на 5° С, а интенсивность метаболизма бывает чуть ниже уровня основного обмена или даже ему соответствует, что, однако, составляет около половины интенсивности метаболизма отдыхающей днем птицы. Ночная гипотермия отмечена у синиц, вьюрков, воробьев, белоглазок, медососов и многих других мелких пернатых.
Среди млекопитающих сезонная спячка известна у многих видов из всех трех подклассов.
Она наблюдается у яйцекладущей (однопроходной) ехидны в Австралии и по крайней мере в двух семействах сумчатых – у австралийских поссумов-пигмеев (Burramyidae) и чилийского опоссума (Dromiciops australis, семейство Microbiotheriidae) в Южной Америке.
В подклассе плацентарных сезонная спячка известна у представителей отрядов насекомоядных (ежи), рукокрылых (насекомоядные летучие мыши) и грызунов (сони, сурки, бурундуки, суслики). По-видимому, летняя спячка свойственна некоторым мадагаскарским приматам.
То, что принято считать зимней спячкой у крупных хищных (медведей, барсуков), на самом деле представляет собой принципиально иное физиологическое состояние и называется зимним сном или зимней анорексией (потерей аппетита). Температура тела в этом случае снижается всего на несколько градусов.
Суточная спячка широко распространена и среди небольших зверьков.
Она известна в нескольких семействах сумчатых в Австралии (у хищных сумчатых, мелких поссумов) и Южной Америке (у мышевидных опоссумов).
Из плацентарных в нее впадают насекомоядные (землеройки), летучие мыши, крыланы, приматы (мышиные лемуры), хищные (скунс, американский барсук), грызуны (белоногие хомячки, песчанки) и прыгунчиковые.
Пресмыкающиеся и другие животные.
Состояние сезонного оцепенения свойственно не только эндотермным млекопитающим и птицам, но и широко распространено среди эктотермных позвоночных (рыб, земноводных, пресмыкающихся) и беспозвоночных (например, насекомых и улиток). Однако у эктотермов это состояние отличается тем, что животное не способно активно отогреваться за счет внутренней теплопродукции и целиком зависит от внешних источников тепла.
У многих пресмыкающихся и рыб в состоянии сезонного оцепенения (у холоднокровных животных спячкой его называть не принято) не только резко снижается интенсивность обмена веществ; когда возникают гипоксические условия, т.е. в организме уменьшается содержание кислорода, они переключаются на анаэробный метаболизм.
У земноводных в состоянии оцепенения, по-видимому, продолжается газообмен, соответствующий крайне слабому аэробному обмену веществ. Большинство эктотермных позвоночных зимует в местах, где они защищены от промерзания.
Однако некоторые сухопутные виды (лягушки, черепахи) способны переживать и полное замораживание, тогда как рыбы могут быть окружены льдом, но сами, по-видимому, при этом не промерзают. У видов, устойчивых к замерзанию, в жизненно важных органах снижается содержание воды и возрастает концентрация глюкозы и других веществ, называемых криопротекторами.
Эти соединения препятствуют кристаллизации льда, которая увеличивала бы объем клеток, и тем самым защищают от разрушения их мембранные структуры. Многие беспозвоночные, в частности насекомые и обитатели морской литорали, также могут переживать замерзание.
Беспозвоночным свойственны различные формы оцепенения со значительным снижением интенсивности обмена веществ. Некоторые брюхоногие моллюски способны при неизменной температуре снизить его на 90% по сравнению с активным состоянием. В отсутствие кислорода скорость метаболических процессов у рачка артемии составляет всего 0,002% от уровня, соответствующего активному состоянию.
Зимнее оцепенение у насекомых индуцируется низкой температурой окружающей среды, а летнее является реакцией на дефицит воды и жару. С другой стороны, возникающая на определенной стадии их жизненного цикла диапауза, т.е. период физиологического покоя и временной остановки развития, обычно не связана со специфическими средовыми факторами, а запрограммирована чисто генетически.
Преимущества и недостатки. Основное преимущество спячки и других рассмотренных состояний покоя состоит в том, что они позволяют существенно снизить энергозатраты.
Даже если учитывать периодические пробуждения, млекопитающее во время зимней спячки тратит менее 15% того количества энергии, которая потребовалась бы ему для поддержания зимой нормальной температуры тела.
Масштабы такой экономии, вероятно, лучше всего иллюстрирует тот факт, что многие впавшие в спячку звери в течение 5–7 месяцев существуют исключительно за счет жировых запасов, накопленных перед наступлением неблагоприятного сезона.
К потенциальным недостаткам долгосрочного оцепенения относится возможность гибели от истощения или иссушения организма.
Опасность представляет также промерзание при экстремальном похолодании или недостатке энергетических резервов, необходимых для терморегуляции. В период глубокой спячки животные неподвижны, а значит, беззащитны перед хищниками.
К отрицательным последствиям сезонной спячки относятся также ослабление иммунитета и атрофия скелетной мускулатуры.
Регулирующие факторы. Наступление зимней спячки у многих видов определяется сезонным изменением фотопериода, т.е. соотношения светлого и темного времени суток. Сокращение долготы дня индуцирует уменьшение размеров органов размножения у животных и начало их подготовки к гибернации. Однако не всем видам свойствен фотопериодизм.
Например, у многих сусликов наблюдается четкий цирканнуальный (окологодичный) биоритм, определяющий сезон спячки в общем независимо от фотопериода. Для ряда видов, живущих в местообитаниях с непредсказуемыми колебаниями средовых факторов, характерна нерегулярная спячка.
Они способны впадать в продолжительное оцепенение в любое время года, когда условия становятся неблагоприятными для активной жизнедеятельности.
Подготовка.
В период подготовки к спячке важной особенностью животных становится накопление жира и/или запасание корма. Одной из форм подготовки служит также усиленное потребление жирных кислот, которые повышают устойчивость организма к длительному оцепенению.
Крайне важен выбор подходящего для спячки убежища. Им часто служат норы, пещеры или горные выработки, в которых животное защищено не только от хищников, но и от экстремальных температур.
В большинстве зимних убежищ температура всегда хотя бы на несколько градусов выше нуля, даже если снаружи стоят сильные морозы.
У многих видов впадению в сезонную спячку предшествуют короткие эпизоды оцепенения с сохранением относительно высокой температуры тела. Однако такая «разминка» наблюдается далеко не всегда. Тем не менее температура тела и интенсивность метаболизма, по-видимому, достигают минимума только в середине сезона спячки, когда периоды глубокого оцепенения особенно продолжительны.
Физиологические изменения. Во время оцепенения происходит не только снижение температуры тела и интенсивности метаболизма. Значительно сокращается частота сердечных сокращений – до 5–10 ударов в минуту. Хотя минутный сердечный выброс может уменьшиться на 98%, кровяное давление падает всего на 20–40%, поскольку со снижением температуры увеличивается вязкость крови.
Более того, кровоснабжение сердца и т.н.«бурого жира», служащего источником энергии, даже улучшается. Дыхание у многих видов в состоянии спячки не равномерное, а состоит из чередующихся периодов полипноэ (учащенного поверхностного дыхания) и апноэ (отсутствия дыхания), которое может длиться более часа; в результате резко снижается поступление кислорода в организм.
Хотя во время оцепенения температура тела теплокровных животных может колебаться в зависимости от окружающих условий, как у эктотермных видов, терморегуляция у них не прекращается. Существует определенный температурный порог, ниже которого организм остывать не должен.
Периодические пробуждения. Большая часть энергии во время зимней спячки расходуется на периодические пробуждения. Причины его прерывания понятны не до конца, и по этому поводу существует несколько гипотез.
Согласно одной из них, во время оцепенения каким-то образом нарушается физиологический баланс, и нормотермные периоды необходимы для его корректировки.
Вероятно, это связано с истощением запасов некоторых питательных веществ (например, глюкозы), которые должны ресинтезироваться, с накоплением вредных соединений, требующих экскреции, или с обезвоживанием организма, т.е. необходимостью увеличить содержание в нем воды.
Согласно другим гипотезам, эпизоды оцепенения контролируются биологическими часами, и животные пробуждаются в соответствии с удлиненным циркадианным (околосуточным) ритмом для периодической проверки окружающих условий, или же они вынуждены просыпаться, чтобы сохранить способность к продолжению спячки, поскольку при низкой температуре тела развивается своего рода «сонная задолженность» организма, ликвидируемая в нормотермном состоянии.
Причины периодического выхода из оцепенения неизвестны, но установлено, что находящиеся в нем животные становятся чувствительнее к внешним раздражителям при повышении температуры и к концу периода глубокого оцепенения. Тепло для отогревания может генерироваться за счет мышечной дрожи или усиленного окисления бурого жира.
Скорость повышения температуры зависит от массы тела животного: у мелких видов (массой менее 10 г) ее максимум составляет более 1° С/мин, тогда как у крупных (тяжелее 5 кг) не превышает 0,1° С/мин.
В то же время максимальная скорость отогревания не сохраняется на протяжении всего процесса пробуждения, который длится у мелких животных обычно менее 1 ч, а у крупных – несколько часов.
Источник: https://www.BiblioFond.ru/view.aspx?id=21230
Основы экологии
Приспособление организмов к сезонным изменениям в природе. Фотопериодизм
Сезонная периодичность относится к числу наиболее общих явлений в живой природе. Она особенно ярко выражена в умеренных и северных широтах. В основе внешне простых и хорошо знакомых нам сезонных явлений в мире организмов лежат сложные приспособительные реакции ритмического характера, которые выяснены сравнительно недавно.
Сезонность в природе
В качестве примера рассмотрим сезонную периодичность в центральных районах нашей стра ны Щ. Здесь ведущее значение для растений и животных имеет годовой ход температуры. Период, благоприятный для жизни, продолжается около шести месяцев.
Признаки весны появляются, как только начинает сходить снег. Еще не распустив листья, зацветают некоторые ивы, ольха, лещина; на проталинах даже сквозь снег пробиваются ростки первых весенних растений; прилетают перелетные птицы; появляются перезимовавшие насекомые.
В середине лета, несмотря на благоприятную температуру и обилие осадков, рост многих растений замедляется или полностью прекращается. Уменьшается количество цветущих растений. Заканчивается размножение птиц.
Вторая половина лета и ранняя осень — период созревания плодов и семян у большинства растений и накопления питательных веществ в их тканях. В это время уже заметны признаки подготовки к зиме.
У птиц и млекопитающих начинается осенняя линька, перелетные птицы сбиваются в стаи.
Еще до прихода устойчивых морозов в природе наступает период зимнего покоя.
Состояние зимнего покоя
Зимний покой не просто остановка развития, вызванная низкой температурой, а очень сложное физиологическое приспособление. У каждого вида состояние зим него покоя наступает лишь на определенной стадии развития.
Так, у растений (в зависимости от вида) зимуют семена, надзем ные и подземные части с покоящимися почками, а у некоторых травянистых растений — прикорневые листья. На разных стадиях развития наступает зимний покой у насекомых.
Малярийный комар и бабочки-крапивницы зимуют в стадии взрослого насекомого, бабочки-капустницы — в стадии куколки, непарный шелкопряд — в стадии яйца.
Зимующие стадии растений и животных имеют много сходных физиологических особенностей. Значительно снижена интенсивность обмена.
Ткани организмов, находящихся в состоянии зимнего покоя, содержат много запасных питательных веществ, особенно жиров и углеводов, за счет которых поддерживаются сниженные процессы обмена в течение зимовки.
Обычно уменьшается количество воды в тканях, особенно в семенах, зимних почках растений. Благодаря всем этим особенностям покоящиеся стадии способны длительно переживать суровые условия зимовки.
Причины биологических ритмов. Фотопериодизм
У каждого вида в процессе эволюции выработался характерный годичный цикл интенсивного роста и развития, размножения, подготовки к зиме и зимовки. Это явление получило название биологического ритма. Совпадение каждого периода жизненного цикла с соответствующим временем года имеет решающее значение для существования вида.
Наиболее заметна связь всех физиологических явлений у организма с сезонным ходом температуры. Но хотя она влияет на скорость жизненных процессов, все же не служит главным регулятором сезонлых явлений в природе.
Биологические процессы подготовки к зиме начинаются еще летом, когда температура высока. Насекомые при высокой температуре все-таки впадают в зимующее состояние, у птиц наступает линька и появляется стремление к перелету.
Следовательно, какие-то другие условия, а не температура влияют на сезонное состояние организма.
Главным фактором регуляции сезонных циклов у большинства растений и животных является изменение продолжительности дня. Реакция организмов на продолжительность дня получила название фотопериодизма. Значение фотопериодизма видно из опыта, показанного на рисунке Щ
При искусственном круглосуточном освещении или продолжительности дня более 15 ч сеянцы березы растут непрерывно, не сбрасывая листьев.
Но при освещении в течение 10 или 12 ч в сутки рост сеянцев даже летом прекращается, вскоре происходит сбрасывание листьев и наступает зимний покой, как под влиянием короткого осеннего дня.
Многие наши листопадные древесные породы: ива, белая акация, дуб, граб, бук — при длинном дне становятся вечнозелеными.
Продолжительность дня определяет не только наступление зимнего покоя, но и другие сезонные явления у растений. Так, длинный день способствует образованию цветков у большинства наших дикорастущих растений. Такие растения называют длинно дневными.
Из культурных к ним относятся рожь, овес, большинство сортов пшеницы и ячменя, лен. Однако некоторые растения, преимущественно южного происхождения, например хризантемы, георгины, для цветения нуждаются в коротком дне. Поэтому они зацветают у нас лишь в конце лета или осенью.
Растения такого типа называют короткодневными.
Сильно сказывается влияние длины днр и на животных. У насекомых и клещей длина дня обусловливает наступление зимнего покоя. Так, при содержании гусениц бабочки-капустницы в условиях длинного дня (более 15 ч) из куколок вскоре выходят бабочки и без перерыва развивается последовательный ряд поколений.
Но если гусениц содержать при дне короче 14 ч, то даже весной и летом получаются зимующие куколки, которые не развиваются в течение нескольких месяцев, несмотря на достаточно высокую температуру.
Подобный тип реакции объясняет, почему в природе летом, пока день длинный, у насекомых может развиваться несколько поколений, а осенью развитие всегда останавливается на зимующей стадии.
У большинства птиц весенний, удлиняющийся день вызывает развитие половых желез и проявление гнездовых инстинктов. Осеннее сокращение дня вызывает линьку, накопление запасных жиров и стремление к перелету.
Длина дня является сигнальным фактором, определяющим направление биологических процессов. Почему именно сезонные изменения длины дня приобрели такое большое значение в жизни живых организмов?
Изменение длины дня всегда тесно связано с годовым ходом температуры. Поэтому длина дня служит точным астрономическим предвестником сезонных изменений температуры и других условий.
Это объясняет, почему у самых разных групп орга низмов умеренных широт под влиянием движущих сил эволюции сформировались специальные фотопериодические реакции — приспособления к климатическим изменениям в различное время года.
Фотопериодизм — это общее важное приспособление, регулирующее сезонные явления у самых разных организмов.
Изучение фотопериодизма растений и животных показало, что реакция организмов на свет основана на чередовании в течение суток периодов света и темноты определенной длительности.
Реакция организмов на продолжительность дня и ночи показывает, что они способны измерять время, т. е. обладают какими-то “биологическими часами”.
Эту способность имеют все виды живых существ, от одноклеточных до человека.
“Биологические часы”, кроме сезонных циклов, управляют многими другими биологическими явлениями, природа которых еще недавно оставалась загадочной. Они определяют правильный суточный ритм как активности целых организмов, так и процессов, происходящих даже на уровне клеток, в частности клеточных делений.
Управление сезонным развитием животных и растений.
Выяснение роли длины дня и регуляции сезонных явлений открывает большие возможности для управления развитием организмов.
Различные приемы управления развитием используют при круглогодичном выращивании на искусственном свету овощных культур и декоративных растений, при зимней и ранней выгонке цветов, для ускоренного получения рассады.
Предпосевной обработкой семян холодом достигают колошения озимых культур при весеннем посеве, а также цветения и плодоношения уже в первый год многих двулетних растений.
Увеличивая длину дня, удается повысить яйценоскость птиц на птицефермах.
Рекомендуем ознакомится: http://school415.narod.ru
Источник: http://worldunique.ru/punkt-1/avstraliya-afrika-indiya/36544-osnovy-ekologii
Загрузка...
