Войти
Экофизиология (от греч. οἶκος, oikos, "дом (владение)"; φύσις, physis, "природа, происхождение"; и -λογία, -logia ), физиология окружающей среды или физиологическая экология - это биологическая дисциплина, изучающая реакцию организма на физиологию на условия окружающей среды. Это тесно связано с сравнительной физиологией и эволюционной физиологией. Чеканка Эрнста Геккеля биономия иногда используется как синоним.
Экофизиология растений в основном связана с двумя темами : механизмы (как растения чувствуют изменения окружающей среды и реагируют на них) и масштабирование или интеграция (как реакции на сильно изменяющиеся условия - например, градиенты от полного солнечного света до 95% тени в кронах деревьев - координируются друг с другом), и как их На этой основе можно понять коллективное воздействие на рост растений и газообмен.
Во многих случаях животные способны избежать неблагоприятных и меняющихся факторов окружающей среды, таких как жара, холод, засуха или наводнения, в то время как растения не могут уйти и поэтому они должны вынести неблагоприятные условия или погибнуть (животные уходят, растения растут). Следовательно, растения фенотипически пластичны и имеют впечатляющий набор генов, которые помогают адаптироваться к изменяющимся условиям. Предполагается, что такое большое количество генов частично можно объяснить потребностью видов растений жить в более широком диапазоне условий.
Свет - это пища растений, то есть форма энергии, которую растения используют для построения и воспроизводства. Органами, собирающими свет у растений, являются листья, а процесс, посредством которого свет преобразуется в биомассу, - это фотосинтез. Реакция фотосинтеза на свет называется кривой светового отклика чистого фотосинтеза (кривая PI ). Форма обычно описывается непрямоугольной гиперболой. Три величины кривой светового отклика особенно полезны для характеристики реакции растения на яркость света. Наклонная асимптота имеет положительный наклон, представляющий эффективность использования света, и называется квантовой эффективностью; отсечка по оси x - это интенсивность света, при которой биохимическая ассимиляция (грубая ассимиляция) уравновешивает дыхание листа, так что чистый обмен CO 2 листа равен нулю, что называется точкой компенсации света; и горизонтальная асимптота, представляющая максимальную скорость ассимиляции. Иногда после достижения максимальной ассимиляции процессы, известные как фотоингибирование.
, снижаются. Как и в случае с большинством абиотических факторов, интенсивность света (освещенность) может быть как субоптимальной, так и чрезмерной. Неоптимальный свет (тень) обычно возникает у основания полога растения или в подлеске. Теневыносливые растения обладают рядом приспособлений, которые помогают им выжить в измененном количестве и качестве света, типичных для теневой среды.
Избыточный свет появляется на верхушках навесов и на открытой местности, когда облачный покров низкий и зенитный угол Солнца низкий, обычно это происходит в тропиках и на больших высотах. Избыточный свет, падающий на лист, может привести к фотоингибированию и фоторазрушению. У растений, адаптированных к условиям высокой освещенности, есть ряд приспособлений, позволяющих избегать или рассеивать избыточную световую энергию, а также механизмы, которые уменьшают количество причиненных травм.
Интенсивность света также является важным компонентом при определении температуры органов растения (энергетический баланс).
В ответ на экстремальные температуры растения могут производить различные белки. Они защищают их от разрушающего воздействия образования льда и снижения скорости катализа ферментом при низких температурах, а также от денатурации фермента и повышенного фотодыхания при высоких температурах. При понижении температуры увеличивается производство белков-антифризов и дегидринов. При повышении температуры производство белков теплового шока увеличивается. Метаболический дисбаланс, связанный с экстремальными температурами, приводит к накоплению активных форм кислорода, которым можно противодействовать антиоксидантными системами. Клеточные мембраны также подвержены изменениям температуры и могут вызывать потерю текучих свойств мембраны и превращение их в гель в холодных условиях или утечку в жарких условиях. Это может повлиять на движение соединений через мембрану. Чтобы предотвратить эти изменения, растения могут изменять состав своих мембран. В холодных условиях больше ненасыщенных жирных кислот помещается в мембрану, а в горячих условиях вводится больше насыщенных жирных кислот.
Инфракрасное изображение, показывающее важность транспирации для сохранения прохлады листьев. Растения могут избежать перегрева, минимизируя количество поглощаемого солнечного света и усиливая охлаждающее действие ветра и транспирации. Растения могут уменьшить поглощение света, используя светоотражающие волоски на листьях, чешую и воск. Эти особенности настолько распространены в теплых засушливых регионах, что можно увидеть, что эти места обитания образуют «серебристый пейзаж», когда свет рассеивается от навесов. Некоторые виды, такие как Macroptilium purpureum, могут двигать своими листьями в течение дня, чтобы они всегда были ориентированы так, чтобы избегать солнца (парагелиотропизм ). Знание этих механизмов было ключом к селекции сельскохозяйственных растений на устойчивость к тепловому стрессу.
Растения могут избежать полного воздействия низких температур, изменив свой микроклимат. Например, Raoulia растения, произрастающие на возвышенностях Новой Зеландии, напоминают «овощных овец», поскольку они образуют плотные, похожие на подушки комки, чтобы изолировать наиболее уязвимые части растений и защитить их от охлаждающих ветров. Тот же принцип применяется в сельском хозяйстве с использованием пластиковой мульчи для изоляции точек роста сельскохозяйственных культур в прохладном климате с целью ускорения роста растений.
Слишком много или слишком мало воды может повредить растения. Если воды будет слишком мало, ткани будут обезвоживаться, и растение может погибнуть. Если почва станет переувлажненной, она станет бескислородной (с низким содержанием кислорода), что может убить корни растения.
Способность растений получать доступ к воде зависит от структуры их корней и от водного потенциала корневых клеток. При низком содержании влаги в почве растения могут изменять свой водный потенциал, чтобы поддерживать поток воды к корням и листьям (континуум атмосферы почвенного растения ). Этот замечательный механизм позволяет растениям поднимать воду на высоту до 120 м, используя градиент, создаваемый транспирацией листьев.
В очень сухой почве растения закрывают устьица, чтобы уменьшить транспирацию и предотвратить потеря воды. Закрытие устьиц часто опосредуется химическими сигналами от корня (например, абсцизовой кислотой ). На орошаемых полях тот факт, что растения закрывают устьица в ответ на высыхание корней, можно использовать для «обмана» растений, заставляя их использовать меньше воды без снижения урожайности (см. частичное высушивание корневой зоны ). Использование этого метода было в значительной степени развито доктором Питером Драй и его коллегами из Австралии (см. номинативный детерминизм ).
Если засуха продолжится, ткани растений будут обезвоживаться, что приведет к потере тургорного давления, что проявляется в виде увядания. Помимо закрытия устьиц, большинство растений также могут реагировать на засуху, изменяя свой водный потенциал () и увеличивая рост корней. Растения, адаптированные к засушливой среде (Xerophytes ), имеют ряд более специализированных механизмов для поддержания воды и / или защиты тканей при высыхании.
Переувлажнение снижает поступление кислорода к корням и может убить растение в течение нескольких дней. Растения не могут избежать переувлажнения, но многие виды преодолевают недостаток кислорода в почве, доставляя кислород к корням из тканей, которые не находятся под водой. У видов, устойчивых к переувлажнению, у поверхности почвы развиваются специализированные корни и аэренхима, обеспечивающая диффузию кислорода от побега к корню. Корни, которые не погибают сразу, также могут переключиться на менее кислородно-голодные формы клеточного дыхания. Виды, которые часто погружаются в воду, развили более сложные механизмы, которые поддерживают уровни кислорода в корнях, такие как воздушные корни, наблюдаемые в манрогровах лесах.
Однако для многих окончательно переувлажненных комнатных растений начальные симптомы заболачивание может напоминать засуху. Это особенно верно для чувствительных к наводнению растений, у которых листья опадают из-за эпинастии (а не увядания).
CO. 2 жизненно важна для роста растений, так как это субстрат для фотосинтеза. Растения поглощают CO. 2 через устьичные поры на своих листьях. В то же время, когда CO. 2 попадает в устьица, влага уходит. Этот компромисс между увеличением CO. 2 и потерей воды является центральным для продуктивности растений. Компромисс тем более критичен, что Rubisco, фермент, используемый для захвата CO. 2, эффективен только при высокой концентрации CO. 2 в листе. Некоторые растения преодолевают эту трудность, концентрируя CO. 2 в своих листьях с помощью C4фиксации углерода или метаболизма крассулоидной кислоты. Однако большинство видов использовали C3фиксацию углерода и должны открывать свои устьицы, чтобы принимать CO. 2, когда происходит фотосинтез.
Воспроизвести медиа Продуктивность растений в теплеющем мире Концентрация CO. 2 в атмосфере растет из-за обезлесения и сгорания ископаемое топливо. Ожидается, что это повысит эффективность фотосинтеза и, возможно, увеличит общую скорость роста растений. Эта возможность вызвала значительный интерес в последние годы, поскольку повышенная скорость роста растений может поглотить часть избыточного CO. 2 и снизить скорость глобального потепления. Обширные эксперименты по выращиванию растений в условиях повышенного CO. 2 с использованием обогащения концентрацией свободного воздуха показали, что эффективность фотосинтеза действительно увеличивается. Скорость роста растений также увеличивается, в среднем на 17% для надземной ткани и на 30% для подземной ткани. Однако пагубные последствия глобального потепления, такие как учащение случаев жары и стресса от засухи, означают, что общим эффектом, вероятно, будет снижение продуктивности растений. Ожидается, что снижение продуктивности растений ускорит темпы глобального потепления. В целом, эти наблюдения указывают на важность предотвращения дальнейшего увеличения концентрации CO. 2 в атмосфере, а не риска резкого изменения климата.
Ветер оказывает на растения три совершенно разных эффекта.
Ветер влияет на то, как листья регулируют влажность, тепло и углекислый газ. Когда нет ветра, вокруг каждого листа образуется слой неподвижного воздуха. Это известно как пограничный слой и, по сути, изолирует лист от окружающей среды, создавая атмосферу, богатую влагой и менее подверженную конвективному нагреву или охлаждению. По мере увеличения скорости ветра окружающая среда листьев становится более тесно связанной с окружающей средой. Растению может стать трудно удерживать влагу из-за воздействия сухого воздуха. С другой стороны, умеренно сильный ветер позволяет растению легче охладить листья при воздействии полного солнечного света. Растения не совсем пассивны во взаимодействии с ветром. Растения могут сделать свои листья менее уязвимыми к изменениям скорости ветра, покрывая свои листья тонкими волосками (трихомами ), чтобы разбить воздушный поток и увеличить пограничный слой. Фактически, размеры листьев и навеса часто точно контролируются, чтобы управлять пограничным слоем в зависимости от преобладающих условий окружающей среды.
Растения могут ощущать ветер через деформацию своих тканей. Этот сигнал приводит к подавлению удлинения и стимулирует радиальное расширение их побегов, одновременно увеличивая развитие их корневой системы. Этот синдром ответов, известный как тигмоморфогенез, приводит к получению более коротких, коренастых растений с укрепленными стеблями, а также к улучшенному закреплению. Когда-то считалось, что это происходит в основном в очень ветреных местах. Но было обнаружено, что это происходит даже в районах с умеренными ветрами, поэтому сигнал, индуцированный ветром, оказался основным экологическим фактором.
У деревьев особенно хорошо развита способность укреплять свои стволы при воздействии дуть. С практической точки зрения, это осознание побудило садоводов в Великобритании в 1960-х годах отказаться от практики закрепления молодых благоустроенных деревьев, чтобы обеспечить искусственную опору.
Ветер может повредить большинство органов растений. Истирание листьев (из-за трения листьев и ветвей или воздействия переносимых воздухом частиц, таких как песок) и поломка листьев от ветвей - довольно частые явления, с которыми растения вынуждены мириться. В более крайних случаях растения могут быть смертельно повреждены или выкорчеваны ветром. Это было основным селективным давлением, действующим на наземные растения. В настоящее время это одна из основных угроз для сельского и лесного хозяйства даже в зонах умеренного климата. Хуже для сельского хозяйства в регионах, подверженных ураганам, например, на Наветренных островах, где растут бананы, в Карибском море.
Когда этот тип нарушения возникает в естественных системах, единственным решением является убедитесь, что имеется достаточный запас семян или саженцев, чтобы быстро заменить утраченные зрелые растения - хотя во многих случаях потребуется сукцессионная стадия, прежде чем экосистема сможет быть восстановлена. бывшее состояние.
Окружающая среда может иметь большое влияние на человеческую физиологию. Воздействие окружающей среды на физиологию человека многочисленно; Одним из наиболее тщательно изученных эффектов является изменение терморегуляции в организме из-за внешних напряжений. Это необходимо, потому что для того, чтобы ферменты функционировали, кровь текла, а различные органы тела работали, температура должна оставаться на постоянных, сбалансированных уровнях.
Для достижения этой цели организм меняет три основных фактора для достижения постоянной нормальной температуры тела:
Гипоталамус играет важную роль в терморегуляции. Он подключается к тепловым рецепторам в дерме и обнаруживает изменения в окружающей крови, чтобы принять решение о том, стимулировать ли производство внутреннего тепла или стимулировать испарение.
Существует два основных типа стресса, который может возникнуть из-за экстремальных температур окружающей среды: тепловой стресс и холодный стресс.
С физиологическим воздействием теплового стресса можно бороться четырьмя способами: излучение, проводимость, конвекция и испарение. Стресс от холода физиологически преодолевается дрожью, накоплением телесного жира, адаптацией кровообращения (которая обеспечивает эффективную передачу тепла эпидермису) и усилением кровотока к конечностям.
Одна часть тела полностью приспособлена к переохлаждению. дыхательная система защищает себя от повреждений, нагревая входящий воздух до 80-90 градусов по Фаренгейту, прежде чем он достигнет бронхов. Это означает, что даже самые низкие температуры не могут повредить дыхательные пути.
При обоих типах стресса, связанного с температурой, важно оставаться хорошо гидратированным. Гидратация снижает нагрузку на сердечно-сосудистую систему, усиливает энергетические процессы и уменьшает чувство истощения.
Экстремальные температуры - не единственные препятствия, с которыми сталкиваются люди. Большая высота также создает серьезные физиологические проблемы для организма. Некоторые из этих эффектов уменьшаются артериальной 
Факторы окружающей среды могут играть огромную роль в борьбе человеческого организма за гомеостаз. Однако люди нашли способы адаптироваться как физиологически, так и материально.
Джордж А. Бартоломью (1919–2006) был основоположником физиологической экологии животных. Он работал на факультете UCLA с 1947 по 1989 год, и почти 1200 человек могут проследить свою академическую родословную до него. Кнут Шмидт-Нильсен (1915–2007) также внес важный вклад в этой конкретной научной области, а также в сравнительную физиологию.
Герман Ран (1912–1990) был одним из первых лидеров в области физиологии окружающей среды. Начав в области зоологии со степенью доктора философии в Рочестерском университете (1933), Ран начал преподавать физиологию в Рочестерском университете в 1941 году. Именно там он сотрудничал с Уоллес О. Фенн, чтобы опубликовать «Графический анализ респираторного газообмена в 1955 году». Этот документ включал в себя знаковую диаграмму O 2 -CO 2, которая легла в основу большая часть будущей работы Рана. Исследования Рана по применению этой диаграммы привели к развитию аэрокосмической медицины и достижениям в области гипербарического дыхания и высокогорного дыхания. Позже Ран присоединился к Университету Буффало в 1956 году в качестве профессора Лоуренса Д. Белла и заведующего кафедрой физиологии. Как председатель, Ран окружил себя выдающимся преподавателем и сделал университет международным исследовательским центром в области физиологии окружающей среды.
Экологический портал 
Биологический портал 
Экологический портал 