Солнечный свет как абиотический фактор

Невозможно представить себе жизнь у нас на планете без солнечного света. Жизнь нуждается в постоянном притоке энергии извне, а на долю солнечного излучения приходится 99,9% общего баланса энергии Земли. Оценить грандиозность этой цифры можно, если осознать, что в оставшуюся одну десятую процента входит и внутренняя энергия нашей планеты, которая порождает гигантские тектонические процессы: землетрясения, извержения вулканов и т.д. Очевидно, что роль света исключительно велика.

А вот что такое свет?

Едва ли не в каждом школьном кабинете физики над доской висит таблица "Шкала электромагнитных колебаний". Выглядит она примерно так, как показано на схеме 6. Из всего этого физического страшилища нас интересуют только три детали: название таблицы - это раз, наличие в шкале графы "Видимый свет" - это два и, может быть, не всем из вас знакомая единица длины "нанометр" (нм) - это три. С последней деталью разобраться проще всего: нанометр - одна миллиардная доля метра (т.е. 1 нм = 10-9 м). Эту единицу стоит запомнить, так как она весьма популярна в цитологии и молекулярной биологии. Две предыдущие детали должны натолкнуть нас на мысль, что свет - электромагнитное колебание, упрощенно - волна (в курсе физики вы узнаете о двойственной природе света, который является и волной, и частицей). Важнейшей характеристикой волн является длина волны - расстояние между двумя соседними "всплесками" (пиками) (см. рис. 1.5, буквой l мы обозначили длину волны).

Чем чаще колебания, тем короче длина волны, и наоборот. Теперь, наверное, понятно, откуда в правой части таблицы появились единицы длины - это длины волн соответствующих колебаний - их главная характеристика, определяющая многие особенности. Вернемся к свету и рассмотрим его место в таблице поподробнее. Видимая часть спектра лежит в пределах от 390 нм до 760 нм. Точнее, то, что физики договорились считать "видимым", взяв за эталон зрение человека. У многих "братьев наших меньших" это вызвало бы совершенно справедливое недоумение. Других световых лучей мы не видим, но это совершенно не означает, что их нет. Лучи, имеющие длину волны меньше 390 нм, называются ультрафиолетовыми, а больше 760 нм инфракрасными. Да и сам видимый белый солнечный свет вовсе не так прост и ясен, как следует из поговорки. От 390 нм до 760 нм можно целый огород нагородить! Чем и занялась в свое время природа: лучи каждого цвета имеют свою собственную длину волны (а, значит, в нашей таблице определенное местоположение). Вот если их все смешать, тогда-то и получится настоящий белый цвет, а лучей белого цвета в природе просто не существует. Еще один очень важный показатель - это энергия, которой обладают лучи. Не случайно наш разговор начался с энергетического обеспечения жизни. Рассмотрим пример механических колебаний, который позволит разобраться в проблеме.

Привяжем к ручке двери веревку длиной около двух метров и движением руки заставим колебаться. Совершая неторопливые движения, мы получаем длинные волны. Но если нам хочется получить короткие, работать придется значительно интенсивнее. Работа - вот то ключевое слово, которое нам необходимо. Согласно определению, энергия - это способность производить работу. Мы совершали над веревкой работу, следовательно, сообщали ей некоторое количество энергии. Что при этом происходило с веревкой? Она колебалась! И чем больше мы сообщали ей энергии, тем чаще были эти колебания и короче длина волны. Если применить этот, еще раз повторяю, не совсем точный и очень упрощенный пример к нашему разговору о различных длинах волн световых лучей, станет понятно, что коротковолновые лучи обладают большей, а длинноволновые – меньшей энергией. Запомним это.

Лучи какого цвета (красные или синие) обладают большей энергией?

Можно ли найти логическое обоснование такому перевертышу знаменитого мнемонического правила: фазан сидит, где знать желает охотник каждый?

До сих пор мы говорили о полном спектре солнечного излучения. Однако, на наше с вами счастье, далеко не все лучи достигают поверхности Земли. Те из вас, кто бывал в горах, знают, что обгореть можно даже в пасмурный день. Не случайно лица альпинистов частенько закрыты марлевыми масками или трудно узнаваемы из-за толстого слоя защитного крема. Виноваты в этом ультрафиолетовые лучи, которых в составе солнечного света горных высот гораздо больше, чем на равнине. А вот почему?

Если принять всю солнечную энергию, устремленную из космоса на Землю, за 100 %, то примерно 34% отражается обратно в космическое пространство, составляя так называемое альбедо Земли.

Альбедо - численное выражение отражательной способности поверхности.

Около 19% поглощается при прохождении через атмосферу Земли, причем наиболее коротковолновая часть ультрафиолетовых лучей, губительная для всего живого, практически полностью поглощается озоновым экраном на высоте примерно 20-25 км.

Озон - одно из видоизменений кислорода: газ, молекулы которого состоят не из двух, а из трех атомов кислорода. Молекулярная формула озона - О₃. Он образуется из кислорода под воздействием коротковолновых солнечных лучей.

Таким образом, поверхности Земли достигает обычно не более 47% энергии, направленной к нам Солнцем. Цифры эти весьма приблизительны. Альбедо зависит от угла падения лучей (чем ниже Солнце над горизонтом, тем отражение лучей больше), от прозрачности атмосферы и т.д., поглощающая способность атмосферы также колеблется в широких пределах. И все же данными значениями можно пользоваться, понимая их усредненный характер.

Несмотря на все изменения, вносимые в состав солнечного спектра атмосферой, лучи, достигшие поверхности Земли, также можно разделить на три составляющие: ультрафиолетовые (около 10%), видимые (около 45%) и инфракрасные (около 45%).

Ультрафиолетовые лучи, которые достигают земной поверхности, имеют длину волны от 290 нм до 390 нм (ультрафиолет с меньшей длиной волны, как вы помните, поглощается озоновым экраном) и несут большой запас энергии. Этот энергетический запас определяет высокую химическую активность данных лучей. В больших дозах они губительны для любой живой клетки. В малых - необходимы многим животным: под их воздействием образуется витамин D, они бактерицидны (губительны для бактерий). Кстати: наш загар – защитная реакция организма именно на ультрафиолет. Вырабатываемый пигмент меланин поглощает эти лучи и не пропускает их в более глубокие слои кожи.

Лучи видимой части спектра имеют длину волны от 390 нм до 760 нм. Они менее всего ослабляются при прохождении даже сквозь облачность. Именно в этом секторе излучения рас полагается зона, именуемая диапазоном "фотосинтетически активной радиации" (ФАР). Следовательно, фотосинтез может идти и в пасмурные дни. ФАР включает лучи с длинами волн приблизительно от 400 нм до 700 нм и обеспечивает зеленые растения энергией, необходимой для образования органических соединений из неорганических. При этом в зеленой части спектра (в районе 600 нм) наблюдается некоторый "провал": растения отражают большую часть зеленых лучей. Из-за этого отражения они и выглядят зелеными. Если в целом солнечный свет может рассматриваться в качестве условий существования живых организмов, диапазон ФАР выступает как ресурс. Действительно, если энергия лучей использована растением для фотосинтеза, то другое растение ее использовать уже не сможет! Так что для растений выражение "места под солнцем хватает всем" не совсем применимо. Животным свет не столь необходим, как растениям. Тем не менее, свет - основа зрительной ориентации. Через органы зрения поступает значительная часть информации о внешней среде. Наконец, как животным, так и растениям свет обеспечивает возможность ориентации не только в пространстве, но и во времени. Реакцию организмов на смену дня и ночи и изменение продолжительности светового дня (фотопериодизм) - самый устойчивый сигнальный фактор нам еще предстоит рассмотреть.

Инфракрасные лучи, которые составляют около 45% солнечной радиации, достигающей поверхности Земли, и имеют длину волны более 760 нм, оказывают тепловое воздействие. О них мы будем говорить в четвертом параграфе. Подводя предварительные итоги, мы вынуждены сделать парадоксальный вывод: живые организмы постоянно стоят перед дилеммой почище гамлетовского "быть или не быть". Непосредственное воздействие солнечного света на протоплазму (живое содержимое клетки) - гибель, но свет первичный источник энергии, а, значит, и жизни! Организмам приходится постоянно выбирать из двух зол меньшее, обеспечивая себе наиболее комфортные условия существования. Иными словами, речь идет об адаптациях. Значение света различно в жизни фотосинтезирующих и не фотосинтезирующих организмов. Большинство фотосинтетиков - растения. Рассмотрим их адаптации к свету отдельно. Наиболее многообразные условия освещенности создаются в наземно-воздушной среде. Например, во влажных экваториальных лесах ясным утром солнце обрушивает всю мощь своих лучей на кроны деревьев верхнего яруса. А на поверхности земли освещенность составляет лишь 0,5% полного дневного освещения. Это нижний предел возможности существования цветковых растений!

Процент от полного дневного света - ценный показатель: меньше 0,1% - нет растительности, от 0,1% до 0,2% - выживают только мхи и селагинеллы, от 0,2% до 0,5% - появляются различные плауны, а 0,5% - 1% является критической точкой существования цветковых.

Кроме того, во многих сообществах условия освещенности могут принципиально изменяться по сезонам. Так что растениям приходится изворачиваться. Среди растений можно встретить как эврифотные, так и стенофотные виды (см. §2 ), а стенофотные виды могут быть адаптированы к условиям как повышенной, так и пониженной освещенности. Тенелюбивых стенофотов принято называть сциофитами, светолюбивых - гелиофитами, а эврифотов - факультативными гелиофитами. Вслушайтесь в музыку терминов.

Факультативный гелиофит - какое благородное созвучие! Хотя вряд ли вас кто-либо упрекнет, если вы будете называть эти группы растений тенелюбивыми, светолюбивыми и теневыносливыми. Главное все-таки - суть. А суть - в таблице (см. стр.25). Только один совет: если вы не слишком уверены в своих знаниях об особенностях внешнего и внутреннего строения листа, прежде чем браться за таблицу, повторите темы "Внешнее строение листьев" и "Клеточное строение листовой пластинки" по школьному учебнику "Биология. Растения".

Как вы можете заметить, сциофиты и гелиофиты являются полной противоположностью не только в стратегии (отношении к солнечному свету), но и в тактике (конкретных адаптациях). Факультативные гелиофиты в зависимости от условий существования могут в некоторых пределах менять черты приспособленности в сторону сциофитности или гелиофитности. Так, световая или теневая структура листьев у Дуба черешчатого (Quercus robur), Липы мелколистной (Tilia cordata) и др. зависят от условий освещенности прошлого года, когда шла закладка почек. (Вот это предусмотрительность! Основательность, вполне достойная дуба.) А типичное растение нижнего яруса широколиственных лесов - Сныть обыкновенная (Aegopodium podagraria) - проявляет куда больший конформизм: весной света много - листья гелиофитной структуры, листья летней генерации развиваются под сенью развернувшихся дубовых крон - сциофитная структура. Не подкопаешься!

Изменения часто происходят в ходе развития организма: проростки и молодые растения чаще всего имеют листья сциофитной структуры ("у этих взрослых солнышка разве допросишься?!"); а у зрелых растений, уже дотянувшихся до света, листья гелиофитной структуры.А теперь маленькая загадка: Черника (Vaccinium myrtillus), классическое растение хвойного леса. Кто она: сциофит, гелиофит ,факультативный гелиофит? Раз растет в хвойном лесу, гелиофитом, видимо, быть не может. На поляны выбирается вряд ли сциофит. Вероятно, факультативный гелиофит. Но подождите немножко. Как быть с заполярными тундрами? Они местами покрыты сплошным ковром черники, и никакой более

высокой растительности. А солнце не заходит за горизонт по три-четыре месяца! Если учесть, что на затененных участках черника исчезает, то ни о какой факультативности речи идти не может: "вынь да положь" классическую гелиофитность. Так что нет ничего более сомнительного, чем очевидные факты. На этом примере мы столкнулись с очень интересным явлением: у растений, оказавшихся в новых климатических условиях, могут меняться требования к световому режиму. Растения встречаются не только на суше, а водная среда обитания имеет свои особенности светового режима. Даже при идеальной прозрачности глубже 100-200 м (а чаще 40 м) свет не проникает. Так что в океанских глубинах ботаникам делать нечего: ниже 150 м растений просто нет. А в пределах 150 м (будем брать максимальную величину) со светом происходят следующие метаморфозы: красные лучи, как наиболее длинноволновые, а, значит, с малым запасом энергии, поглощаются водой в первую очередь. Синие лучи богаты энергией, но тоже поглощаются, хотя и в меньшей степени. Остаются зеленые лучи. Они-то и проникают на максимальные глубины.

Какого цвета будет небо, если смотреть снизу сквозь пятидесятиметровую толщу прозрачной воды?

Именно в зеленой части спектра ФАР имеет "провал" - участок, мало используемый для фотосинтеза. Вот и пришлось наиболее глубоководным растениям обзавестись дополнительными пигментами (фикоэритринами и др.), позволяющими поглощать и использовать лучи зеленого цвета.

Для животных свет не является таким необходимым фактором, как для растений. Кроты, многие глубоководные рыбы (вы можете продолжить перечень примеров сами) живут в условиях его полного отсутствия. Но, в то же время, большинство видов зависит от таких показателей, как спектральный состав и интенсивность света, длительность освещенности. Выход этих показателей за пределы толерантности грозит виду, адаптированному к определенным условиям, угнетением жизнедеятельности и даже гибелью.

К положительным воздействиям света на животные организмы могут быть отнесены бактерицидность, влияние на образование витамина D, предоставление возможности зрительной ориентации. К негативным - мутагенность (нарушение структуры наследственной информации).

Как и среди растений, среди животных можно выделить эврифотные и стенофотные виды (по адаптированности к освещенности). Эврифотный организм - Жужелица зернистая (Carabus granulatus), хищник, который прекрасно чувствует себя и в почве без света, и на поверхности, на свету. Стенофотные виды разделяются на фотофобов и фотофилов ("фобос" страх, "филиа" - любовь). Дневные бабочки, многие ящерицы и другие животные с дневным пиком активности - фотофилы. Сумеречные и ночные животные, например, ночные бабочки, многие хищники, а также обитатели пещер и морских глубин фотофобы. Свет угнетает их жизнедеятельность и может даже привести к гибели. Это учитывают при организации зоопарков и любых других форм искусственного содержания животных. Не удивляйтесь слабо освещенным вольерам с хищниками. Мало ли что нам плохо видно! Если видно будет хорошо, смотреть будет не на кого. Вспомним, что свет - главное условие зрительной ориентации в пространстве. Органы зрения животных чрезвычайно разнообразны. Светочувствительный глазок одноклеточных (стигма) - не что иное, как участок цитоплазмы, часто способный различать только свет и тень. Чемпионами по сложности организации органов зрения можно считать насекомых, головоногих моллюсков и позвоночных. При этом и фасеточный глаз стрекозы, и глаза орла позволяют получать четкое изображение, имея принципиально различное строение. Глаза могут обеспечивать объемное восприятие окружающего мира (бинокулярное зрение). Это необходимо для четкого определения расстояния до предмета. Совы, соколы, орлы очень точно рассчитывают момент торможения, когда камнем падают на свою жертву.

Важная характеристика зрения - способность или неспособность различать цвета. Цветовосприятие - это различение лучей согласно длинам волн. Чтобы различить, надо воспринять, т.е. поглотить лучи специализированными веществами зрительными пигментами. Эти вещества обычно сосредоточены в чувствительных клетках глаза. Каждая клетка обладает собственным порогом чувствительности, т.е. способна реагировать только с момента поглощения пигментами определенного минимального количества лучей.

Условием цветного зрения большинства животных является то, что каждый тип светочувствительных клеток имеет пигменты, которые поглощают лучи лишь одного цвета. Таким клеткам требуется большая суммарная освещенность, чем клеткам, которые воспринимают любые лучи. Значит, цветное зрение требует большей освещенности, чем черно-белое. Вот почему большинство высокоразвитых животных, чьи предки обладали сумеречной активностью, видят в черно-белом изображении (собачьи, кошачьи и др.) и часто имеют огромные глаза, способные улавливать ничтожные количества света (совы, лемуры и др.). Цветное зрение свойственно видам с дневной активностью (дневные птицы, пчелы и т.д.). Животные отличаются диапазоном воспринимаемых "световых частот" (видимого цвета). Гремучие змеи "видят" (правда, не глазами) недоступные нашему зрению инфракрасные лучи (прообраз инфракрасных приборов ночного видения), пчелы не различают не только инфракрасные, но и красные лучи, зато воспринимают значительную часть ультрафиолетового спектра. Для многих обитателей пещер видимого света вообще не существует: их глаза редуцировались за ненадобностью (оговоримся: светочувствительность возможна и без глаз, как у дождевых червей и др.). Таким образом, уровень развития зрения зависит от конкретных условий среды и образа жизни.

Поиск по сайту: