Температура как один из важнейших абиотических факторов и адаптация к нему организмов

СОДЕРЖАНИЕ

1 Температура как один из важнейших абиотических факторов и адаптация к нему организмов …………………………………………………………………….2

1.1 Тепловой режим…………………………………………………………….2

1.2 Пойкилотермные и гомойотермные организмы…………………................3

     1.3 Температурный оптимум и пессимум…………………………………….5

   1.4 Тепловой фактор и распределение растений и животных по земному шару…………………………………………………………………………………..7

2 Предпосылки развития альтернативных видов энергии………………………10

      2.1 Ветроэнергетика……………………………………………………………11

     2.2 Солнечная энергетика……………………………………………………12

    2.3 Геотермальная энергетика…………………………………………………13

Задачи……………………………………………………………………………….15

Список используемых источников …………………………………………….....26

1 Температура как один из важнейших абиотических факторов и адаптация к нему организмов

1.1 Тепловой режим    

Тепловой режим - важнейшее  условие существования живых  организмов, так как все физиологический  процессы в них возможны при определенных условиях. Главным источником тепла  является солнечное излучение. Солнечная  радиация превращается в экзогенный, находящийся вне организма источник тепла во всех случаях, когда она  падает на организм и им поглощается.  Сила и характер воздействия солнечного излучения зависят от географического  положения и являются важными факторами, определяющими климат региона. Климат же определяет наличие и обилие видов растений и животных в данной местности.                                                             Как правило, эти температуры, при которых возможно нормальное строение и функционирование белков: от) до +50⁰С. Однако целый ряд организмов обладает специализированными ферментными системами и приспособлен к активному существованию при температуре тела, выходящей за названые выше пределы.        Температурный фактор характеризуется ярко выраженными как сезонными, так и суточными колебаниями. В ряде районов Земли это действие фактора имеет важное сигнальное значение регуляции сроков активности организмов, обеспечение их суточного и сезонного режимов жизни.При характеристике температурного фактора очень важно учитывать его крайние показатели, продолжительность их действия, повторяемость. Выходящих за пределы терпимости организмов изменения температуры в местах обитания приводят к массовой их гибели. Значение температуры заключается и в том, что она изменяет скорость протекания физико-химических процессов в клетках, отражающих на всей жизнедеятельности организмов. Температура влияет на анатомо-морфологические особенности организмов, ход физиологических процессов, их рост, развитие, поведение и во многих случаях определяет географическое распространение растений и животных. Как к экологическому фактору, по отношению к температуре все организмы подразделяются на две группы: холодолюбивые и теплолюбивые. Холодолюбивые организмы, или криофилы, способны жить в условиях сравнительно низких температур и не выносят высоких. Криофилы могут сохранять активность при температуре клеток до -8 и -10 ⁰С, когда жидкости их тела находятся в переохлажденном виде. Криофилы населяют холодные и умеренные зоны. Холодостойкость растений весьма различна и зависит от условий, в которых они обитают. В лабораторных экспериментах семена, споры и пыльца растений, коловратки, нематоды, цисты простейших после обезвоживания переносят температуры, близкие к абсолютному нулю, т.е. до -271,16 ⁰С , возвращаясь после этого к активной жизни. Приостановка всех жизненных процессов в организме называются анабиозом. Из анабиоза живые организмы возвращаются к нормальной жизни при условии, если не была нарушена структура макромолекул в их клетках. У теплолюбивых, или термофилов, жизнедеятельность приурочена к условиям довольно высоких температур. Это преимущественно обитатели жарких, тропических районов Земли. Настоящими термофилами являются растения жарких, тропических районов. Они не переносят низких температур и нередко гибнут уже при 0⁰С, хотя физического замораживания их ткани и не происходит. Причинами гибели здесь обычно называют нарушение обмена веществ, подавление физиологических процессов, что приводит к образованию в растениях не свойственных им продуктов, в том числе и вредных, вызывающих отравление.

1.2 Пойкилотермные и гомойотермные организмы. 

К пойкилотермным (от греч. poikilos – изменчивый, меняющийся) организмам относят все таксоны органического мира, кроме двух классов позвоночных животных – птиц и млекопитающих. Название подчеркивает одно из наиболее за заметных свойств представителей этой группы: неустойчивость, температуры их тела, меняющейся в широких пределах в зависимости от изменений температуры окружающей среды.

Температура тела. Принципиальная особенность теплообмена пойкилотермных организмов заключается в том, что  благодаря относительно низкому  уровню метаболизма главным источником энергии у них является внешнее  тепло. Именно этим объясняется прямая зависимость температуры тела пойкилотермных от температуры среды, точнее от притока  теплоты извне, поскольку наземные пойкилотермные формы используют также  и радиационный обогрев.

Скорость изменений температуры  тела пойкилотермов связана обратной зависимостью с их размерами. Это прежде всего определяется соотношением массы и поверхности: у более крупных форм относительная поверхность тела уменьшается, что ведет к уменьшению скорости потери тепла. Это имеет большое экологическое значение, определяя для разных видов возможность заселения географических районов или биотопов с определенными режимами температур. Показано, например, что у крупных кожистых черепах, пойманных в холодных водах, температура в глубине тела была -, на 18'С выше температуры воды; именно крупные размеры позволяют этим черепахам проникать в более холодные районы океана, что не свойственно менее крупным видам.

К группе гомойотермных организмов относят два класса высших позвоночных – птицы и млекопитающие. Принципиальное отличие теплообмена гомойотермныи животных от пойкилотермных заключается в том, что приспособления к меняющимся температурным условиям среды основаны у них на функционировании комплекса активных регуляторных механизмов поддержания теплового гомеостаза внутренней среды организма. Благодаря этому биохимические и физиологические процессы всегда протекают в оптимальных температурных условиях.

Гомойотермный тип теплообмена  базируется на высоком уровне метаболизма, свойственном птицам и млекопитающим. Интенсивность обмена веществ у этих животных на один-два порядка выше, чем у всех других живых организмов при оптимальной температуре среды.

Беспозвоночные рыбы, амфибии  и рептилии лишены способности поддерживать температуру тела в узких границах. Их называют пойкилотермные. Данных животных часто называют эктотермными, так как они больше зависят от тепла, поступающего извне, чем от того тепла, которое образуется в обменных процессах. Характерно низкая интенсивность обмена и отсутствие механизма сохранения тепла.Птицы и млекопитающие способны поддерживать достаточно постоянную температуру тела независимо от окружающей температуры. Этих животных называют гомойотермными или теплокровными. Гомойотермные животные относительно мало зависят от внешних источников тепла. Благодаря высокой интенсивности обмена у них вырабатывается достаточное количество тепла, которое может сохранятся. Поскольку эти животные существуют за счет внутренних источников тепла, их называют эндотермными.     

1.3Температурный оптимум и пессимум 

Температурный оптимум большинства  животных организмов находится в пределах 20-25⁰С, и лишь у обитателей жарких, сухих районов температурный оптимум жизнедеятельности находится несколько выше 25-28⁰С. Например некоторые прямокрылые (кузнечики) проявляют полуденную активность в условиях пустыней Палестины при температуре 40⁰С и выше.   Для организмов умеренных и холодных зон России оптимальная температура от 10 до 20⁰С. Так, у ветреницы дубравной процесс фотосинтеза наиболее интенсивно протекает при температуре 10⁰С.В зависимости от ширины интервала температуры, в которой данный вид может существовать, организмы делятся на эвритермные и стенотермные. Эвритермные организмы выдерживают широкие колебания температуры, стенотермные живут лишь в узких пределах. Установлено, что при полном освещении и избытке углекислого газа в воздухе оптимальная температура фотосинтез 30⁰С , а при слабом освещении и недостатке углекислого газа она снижается до 10⁰С.При оптимальных температурах у все организмов физиологические процессы протекают наиболее интенсивно, что способствует увеличению темпов их роста. Здесь к биологическим процессам вполне применимо правило Вант-Гоффа (Т.А. Акимова, В.В. Хаскин, 1998).      Исходя из этого правила скорость химических реакций возрастает в 2-3 раза, при повышении температуры на каждые 10⁰С. При температурах выше или ниже оптимальных скорость биохимических реакций в организме снижается или вообще нарушается. И как итог – Замедление темпов роста или даже гибель организма. В пределах от верхних оптимальных до верхних оптимальных максимальных и минимальных до нижних оптимальных температур лежат диапазоны верхнего и нижнего пессимумов. Развитие растений при температурном пессимуме осуществляется замедленными темпами и затягивается на длительное время. Активность животных также ограничивается пессимумами. У насекомых повышение температуры вызывает вначале медленные, нескоординированные движения, в физиологической области (оптимум)  приводит к полностью управляемой активности, а при дальнейшем повышении – к чрезмерно быстрым, нескоординированным, суматошным движениям. Так , муха цеце при температуре ниже 8⁰С неподвижна, при 10⁰С начинает бегать, выше 14⁰С при дополнительном раздражении взлетает, а выше 21⁰С летает сонливо. Температурный оптимум разных видов и стадий развития у насекомых также неодинаков. Например, оптимальная температура развития яиц озимой совки (Agrotis segetum) 25⁰С, гусениц 22⁰С, а куколок 19⁰С.Крайне минимальные и максимальные температуры нижнего и верхнего пессимумов называются соответственно нижним  и верхним порогом развития, или нижним и верхним биологическим нулем, за пределами которого развитие организма не происходит. Температуры, лежащие выше нижнего порога развития и не выходящие за пределы верхнего, получили название эффективных температур. Для растений и эктотермных животных количество тепла, необходимого для развития, определяется суммой тепла. Сумма эффективных температур для каждого вида растений и эктотермных животных, как правило, величина постоянная, при том, что если другие условия среды находятся в оптимуме, отсутствуют осложняющие факторы. При отклонении этих условий или при сравнении особей из разных частей ареала результаты могут быть искажены. Например, в северо-западном  регионе России цветение мать-и-мачехи начинается при сумме эффективных температур равной 77,кислицы-453,земляники-500,желтой акации-700⁰С. Ограничивающим фактором географического расположения видов нередко является сумма эффективных температур, которую нужно набрать для завершения жизненного цикла.

1.4 Тепловой фактор и распределение растений и животных по земному шару.              Живые организмы в процессе эволюции выработали различные формы адаптации к температуре, среди них морфологические, биохимические ,физиологические, поведенческие и т.д. растения не имеют собственной температуры тела и по отношению к тепловому фактору обладают определенной спецификой. Одно из важнейших приспособлений к температуре у растений – форма их роста. Там, где тепла мало – в Арктике, высокогорье, много подушковидных растений, растений с прикорневыми розетками листьев, стелющихся форм. Так, у сланцевых форма карликовой березы, ели, можжевельника, кедровника верхние ветви, поднимающиеся высоко над землей, большей частью полумертвые или мертвые, а стелющиеся – живые, так как зимуют под снегом и не подвергаются отрицательному воздействию низких температур. Все это позволяет растениям улавливать максимум тепла солнечных лучей, а также использовать тепло нагретой поверхности почвы. Температурный фактор на развитие приземистых форм растений может действовать как непосредственно, так и косвенно. Наиболее значительна роль прямого влияния температур в процессах геофилизации растений. Геофилизация – это погружение базальной части растения в почву – сначала гипокотиля, затем эпикотиля, первого междоузлия и т.д. Это характерно преимущественно покрытосеменным растениям. Геофилизация в ходе их исторического развития играла значительную роль трансформации жизненных форм от дерева до трав. Сильные холода и чрезвычайная жара не редко ограниченны во времени, и растения избегают их воздействия, сбрасывая чувствительные части, или редуцируют свое вегетативное тело до подземных многолетних органов при наступлении благоприятных условий они вновь образуют надземные органы. Особенно чувствительны к низким температурам репродуктивные органы – зачатки цветков в зимующих почках и завязи в цветках.При распространении растений необходимо учитывать устойчивость цветков в почках, самих цветков, семян и незащищенных молодых растений или наиболее чувствительных стадиях развития, которые большей частью ограничиваются сохранение и расселение вида, так называемое правило Тинеманна.             У животных морфологические адаптации к температуре прослеживаются четко. Под действием теплового фактора у животных формируются такие морфологические признаки, как отражательная поверхность тела, пуховой, перьевой и шерстный покров у птиц и млекопитающих, жировые отложение. Большинство насекомых в Арктике и высоко в горах имеют темную окраску. Это способствую усиленному поглощению солнечного тепла. Темный пигмент яиц многих водных животных выполняет туже функцию. Эндотермные животные, обитающие в холодных областях (полярные медведи, киты и др.), имеют, как правило, крупные размеры, тогда как обитатели жарких стран (например, многие насекомоядные млекопитающие) обычно меньше по размерам. Это явление носит название правило Бергмана. Согласно этому правилу, при продвижении на север средние размеры тела в популяциях эндотермных животных увеличивается. При увеличении размеров уменьшается относительная поверхность тела, а следовательно, и теплоотдача. Размеры выступающих частей тела также варьируют в соответствии с температурой среды. У видов, живущих в более холодном климате различные выступающие части тела (хвост, уши, конечности и др.) меньше, чем у родственных видов из более теплых мест. Это явление известно как правило Аллена. Третье правило (носит название правило Глогера) гласит, что окраска животных в холодном и сухом климате сравнительно светлее чем в теплом и влажном. Эти правила управляющие адаптациями млекопитающих равным образом относятся и к человеку. Биохимическая адаптация живых организмов к температуре проявляется, прежде всего, в изменении физико-химического состояния веществ, содержащих в клетках и тканях. Так, при адаптации к низким температурам в клетках растения благодаря увеличению запаса пластических веществ повышается концентрация растворов, увеличивается осмотическое давление клеточного сока, уменьшается содержание свободной воды, несвязанной в коллоиды. Важным приспособлением к низким температурам является и отложение запасных питательных веществ в виде высокоэнергетических соединений – жира, масла, гликогена и др. Так,  И.М.Васильев (1970) описал значение отложения запасных веществ в растении в форме масла. Он утверждает, что масло, прежде всего, вытесняет воду из вакуоли и этим предохраняет растительный организм от замерзания. Масло, откладываясь в цитоплазме, делает ее более стойкой к морозу и к другим неблагоприятным воздействиям зимнего периода. Такую же роль играет откладываемые в протоплазму и вакуоли крахмал и белки. Большое значение имеют и те биохимические изменения в запасных питательных веществах, которые протекают в период подготовки к зимнему состоянию. Так, значительная часть накопленного в летний период крахмала вновь превращается в сахар. При этом появляются сахара, которых обычно мало содержится в клетках летом. Например, зимой в клетках такни коры помимо сахарозы, глюкозы и фруктозы появляются стахиоза и раффиноза. В летний период они содержатся в других частях растения.      При адаптации к холоду, по данным исследований, у организмов происходит «перемещение» веществ в органах. У тех или иных видов растений нередко к зиме масла и сахара откладываются в тканях надземных органов, а подземных органах – крахмал. При этом в районах с очень низкими температурами у растений отмечается значительное накопление масла во внутренних слоях древесины, что повышает их устойчивость к сильным морозам. У животных, и в первую очередь обитателей полярных областей, с понижением температуры возрастает содержание глюкогена в печени, повышается содержание аскорбиновой кислоты в тканях почек. Многие животные к зиме накапливают жир. Подкожный жировой слой обеспечивает им теплоизоляцию. У ряда животных в выступающих или поверхностных частях тела есть замечательное приспособление под названием «чудесная сеть». Это сплетение сосудов, в котором вены тесно прижаты к артериям. Кровь, текущая по артериям, отдает тепло венам, оно возвращается к телу, и артериальная кровь поступает в конечности охлажденной. На основе физиологических процессов многие организмы способны в определенных пределах менять температуру своего тела. Эта способность называется терморегуляцией. Как правило, терморегуляция сводится к тому, что температура тела поддерживается на более постоянном уровне по сравнению с температурой окружающей среды. Система терморегуляции млекопитающих и птиц включает рецепторы, эффекторы и чрезвычайно чувствительный регуляторный центр гипоталамусе. Этот центр следит за температурой кои, отражающий температуру тех органов, через который она протекает. Поддерживать температуру тела на постоянном уровне животным помогает испарение жидкости с поверхности тела при высоких температурах окружающей среду. У человека для этого служат потоотделение, у собак и многих птиц- учащенное дыхание. 

2 Предпосылки развития альтернативных видов энергии.

В последнее время с  каждым годом все более высокими темпами возрастает роль использования  альтернативных источников энергии, т.е. альтернативная энергетика. Основными предпосылками данной тенденции являются все более возрастающий дефицит традиционных источников энергии, развитие технологий использования альтернативных источников энергии, а также принятие различных программ энергосбережения, как на государственном уровне, так и на уровне отдельных предприятий и организаций.  Существует несколько способов использования альтернативных источников энергии и развития альтернативной энергетики, например, ветровая, солнечная, геотермальная, биоэнергия и т.д.

2.1 Ветроэнергетика 

Ветроэнергетика — отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве. Такое преобразование может осуществляться такими агрегатами, как ветрогенератор (для получения электрической энергии), ветряная мельница (для преобразования в механическую энергию), парус (для использования в транспорте) и другими. Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием деятельности солнца. Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью, так в конце 2010 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 196,6 гигаватт.     По мнению специалистов, развитие малой ветроэнергетики позволило бы решить ряд проблем, связанных с энергообеспечением северных и других труднодоступных территорий, не подключенных к общим электросетям, в которых проживает более 10 млн человек, а также способствовать улучшению экологической обстановки. Небольшой позитивный пример - это самый крупный в России ветропарк в Калининградской области, состоящий из 21 ветроэнергетической установки. В настоящее время в области ведутся работы по возведению ветропарка мощностью 50 МВт морского базирования, на стадии проектирования Ленинградская - 75 МВт и Черноморская - до 40 МВт. Металлические сооружения ветроустановки, особенно элементы в лопастях, могут вызвать значительные помехи в приёме радиосигнала. Чем крупнее ветроустановка, тем большие помехи она может создавать. В ряде случаев для решения проблемы приходится устанавливать дополнительные ретр етроэнергетика является нерегулируемым источником энергии. Выработка ветроэлектростанции зависит от силы ветра — фактора, отличающегося большим непостоянством. Соответственно, выдача электроэнергии с ветрогенератора в энергосистему отличается большой неравномерностью как в суточном, так и в недельном, месячном, годовом и многолетнем разрезах. Учитывая, что энергосистема сама имеет неоднородности нагрузки (пики и провалы энергопотребления), регулировать которые ветроэнергетика, естественно, не может, введение значительной доли ветроэнергетики в энергосистему способствует её дестабилизации. Понятно, что ветроэнергетика требует резерва мощности в энергосистеме (например, в виде газотурбинных электростанций), а также механизмов сглаживания неоднородности их выработки (в виде ГЭС или ГАЭС). Данная особенность ветроэнергетики существенно удорожает получаемую от них электроэнергию. Энергосистемы с большой неохотой подключают ветрогенераторы к энергосетям, что привело к появлению законодательных актов, обязующих их это делать ансляторы.