Суккуленты и склерофиты различия
Обновлено: 05.10.2024
§ 7. Влажность как экологический фактор. Экологические группы растений по отношению к влаге
Влажность как экологический фактор среды
В наземных условиях влажность чаще других экологических факторов лимитирует рост и развитие организмов. Объясняется это тем, что вода играет огромную роль в их жизни. Она является универсальным растворителем, средой для биохимических реакций в клетке. Молекулы воды могут непосредственно участвовать в обмене веществ. Являясь основным структурным компонентом клеток, вода обусловливает поддержание их формы при отсутствии клеточной стенки. У некоторых животных (круглые и кольчатые черви) она служит гидростатическим скелетом. Обладая высоким поверхностным натяжением, вода выполняет транспортную функцию (передвижение веществ) в организме. Благодаря высокой удельной теплоемкости, теплопроводности и теплоте парообразования вода обеспечивает поддержание теплового баланса в организме и предотвращает его перегрев.
Недостаточная или избыточная увлажненность среды — главная экологическая проблема наземных обитателей. Степень увлажненности среды влияет на внешний облик и внутреннее строение организмов. В связи с этим выделяют различные экологические группы растений.
Склерофиты - засухоустойчивые растения (ксерофиты), обладающие жёсткими побегами за счёт сильного развития механических тканей листа, толстой, препятствующей испарению влаги, кутикулой, с уменьшением размера клеток и межклеточного пространства. Отличаются исключительно мощной, глубокопроникающей корневой системой (гемиксерофиты). При дефиците влаги у склерофитов продолжительное время не наблюдается внешних признаков обезвоживания; они способны без вреда для себя терять до 25% содержащейся в них влаги.
Древесные склерофиты образуют жестколистные леса, наиболее характерные для Средиземноморья (мирт, маслина, вечнозелёные виды дуба). К типичным кустарникам-склерофитам относят саксаул, иглицу. Среди других древесных пород к склерофитам относятся некоторые хвойные (например, сосна). Для игл хвойных характерна ксероморфная структура (погруженные устьица, закрываемые зимой смоляными пробками, толстостенный эпидермис с подстилающей его гиподермой). Все эти черты строения служат приспособлением для предотвращения потерь воды в летнее и особенно в зимнее время.
Травянистые склерофиты - характерные степные растения; встречаются повсеместно в степных зонах (характерные представители - ковыль, типчак и многие другие злаки).
Ксерофиты с наиболее ярко выраженными ксероморфными чертами строения листьев имеют своеобразный внешний облик, за что получили название склерофитов. Облик типичного склерофита легко представить на примере чертополоха — Carduus crispus и пустынных полыней, ковылей, саксаулов.
Структурные защитные приспособления склерофитов, направленные на уменьшение расхода воды:
1. Общее сокращение транспирирующей поверхности. Многие ксерофиты имеют мелкие, узкие, сильно редуцированные листовые пластинки. В особо засушливых пустынных местообитаниях листья некоторых древесных и кустарниковых пород редуцированы до едва заметных чешуек. У таких видов фотосинтез осуществляют зеленые ветви.
2. Уменьшение листовой поверхности в наиболее жаркие и сухие периоды вегетационного сезона. Для многих кустарников среднеазиатских, североафриканских и других пустынь, а так же для некоторых видов сухих субтропиков средиземноморья характерен сезонный деформизм листьев: ранней весной при еще благоприятном водном режиме образуются относительно крупные листья, которые летом, при наступлении жары и сухости, сменяются мелкими листьями более ксероморфного строения с меньшей интенсивностью транспирации.
3. Защита листьев от больших потерь влаги на транспирацию. Она достигается благодаря развитию мощных покровных тканей — толстостенного, иногда многослойного эпидермиса, часто несущего различные выросты и волоски, которые образуют густое "войлочное" опушение поверхности листа. У других видов поверхность покрыта водонепроницаемым слоем толстой кутикулы или воскового налета. Развитие защитных покровов на листьях причина того, что степной травостой имеет тусклые, седоватые оттенки, резко отличающиеся от яркой зелени лугов.
Устьица у ксерофитов обычно защищены от чрезмерной потери влаги, например, расположены в специальных углублениях в ткани листа, иногда снабженных волосками и прочими дополнительными защитными устройствами. У ковылей и других степных злаков существует интересный механизм защиты устьиц в самые жаркие и сухие часы дня: при больших потерях воды крупные тонкостенные водоносные клетки эпидермиса теряют тургор, и лист свертывается в трубку; так устьица оказываются изолированными от окружающего сухого воздуха внутри замкнутой полости, где благодаря транспирации создается повышенная влажность. Во влажную погоду клетки эпидермиса восстанавливают тургор, и листовая пластинка вновь развертывается.
4. Усиленное развитие механической ткани.
Клетки тканей листьев у ксерофитов отличаются мелкими размерами и весьма плотной упаковкой, то есть малым развитием межклетников, благодаря чему сильно сокращается внутренняя испаряющая поверхность листа. Поскольку ксерофиты обычно обитают на открытых, хорошо освещенных местообитаниях, многие черты ксероморфной структуры листа — это одновременно и черты световой структуры. Так у многих видов листья имеют мощную иногда многорядную палисадную паренхиму, часто расположенную с обеих сторон.
Физиoлогические адаптации ксерофитов, позволяющие успешно выдерживать недостаток влаги:
С давних пор пристальное внимание привлекала проблема расхода воды ксерофитами на транспирацию. Казалось бы, многочисленные анатомические приспособления, достаточно надежно защищающие наземные части ксерофитов от сильного испарения, должны способствовать значительному снижению транспирации. Однако выяснилось, что в действительности это не так. При достаточном водоснабжении большинство ксерофитов имеют довольно высокую транспирацию, но при наступлении засушливых условий, они сильно сокращают ее. При этом играет роль и закрывание устьиц, и сильное обезвоживание листа при начинающемся подвядании. Несомненно, анатомо-морфологические приспособления имеют определенное значение, но основную роль в засухоустойчивости ксерофитов в настоящее время отводят физиoлогическим механизмам.
К числу этих механизмов принадлежит высокая водоудерживающая способность тканей и клеток, обусловленная рядом физиoлогических и биохимических особенностей.
Суккуленты - это растения засушливых местообитаний, приспособившиеся переживать отсутствие доступной влаги в корнеобитаемом слое почвы за счет ее накопления в собственных зеленых, фотосинтезирующих тканях: в листьях или стеблях.
Физиoлогические адаптации суккулентов:
Основной способ преодоления засушливых условий у суккулентов — накопление больших запасов воды в тканях и крайне экономное ее расходование. В условиях жаркого и сухого климата весь водный запас мог бы быть быстро растрачен, но растения имеют защитные приспособления, направленные к сокращению транспирации. Одно из них — своеобразная форма надземных частей суккулентов. В дополнение к этому у многих суккулентов поверхность защищена восковым налетом опушением, хотя есть и суккуленты с тонким не защищенным эпидермисом. Устьица очень немногочисленны, часто погружены в ткань листа или стебля. Днем устьица обычно закрыты, и потеря воды идет в основном через покровные ткани.
Транспирация у суккулентов чрезвычайно мала. Ее трудно уловить за короткий период и приходится определять расход воды не за час, а за сутки или за неделю. Водоудерживающая способность тканей суккулентов значительно выше, чем у других растений экологических групп, благодаря содержанию в клетках гидрофильных веществ. Поэтому и без доступа влаги суккуленты расходуют водный запас очень медленно и долго сохраняют жизнеспособность даже в гербарии.
Ограничения, обусловленные особенностями водного режима суккулентов, создают и другие трудности для жизни этих растений в аридных условиях. Слабая транспирация сводит к минимуму возможность терморегуляции, с чем связано сильное нагревание массивных надземных органов суккулентов. Затруднения создаются и для фотосинтеза, поскольку днем устьица обычно закрыты, а открываются ночью, следовательно, доступ углекислоты и света не совпадают во времени. Поэтому у суккулентов выработался особый путь фотосинтеза, при котором в качестве источника углекислоты, частично используются продукты дыхания. Иными словами, в крайних условиях растения частично используют принцип замкнутой системы с реутилизацией отходов метаболизма.
В силу всех этих ограничений интенсивность фотосинтеза суккулентов невелика, рост и накопление массы идут очень медленно, вследствие чего они не отличаются высокой биологической продуктивностью и не образуют сомкнутых растительных сообществ.
Тропические пустыни с их особенно высокими температурами воздуха и почвы и отсутствием зимних заморозков несколько отличаются от внетропических.
Растительность тропических пустынь. В них, кроме ксерофитных злаков (например, аристиды), широко распространены суккуленты. В азиатских тропических пустынях это, главным образом, молочайные, алоэ. В Северной Америке очень разнообразны кактусовые. На Мексиканском нагорье находится их вторичный центр видообразования и расселения. Кроме того, в американских пустынях обитают юкки, агавы, опунции, ксерофитные бромелиевые, креозотовый куст и др. Многие из них имеют древовидную форму. Характерные растения, придающие пустынным территориям США и Мексики особый облик, — канделябровидные кактусы и идрия из фукьериевых.
Систематическая принадлежность суккулентных растений Основные семейства и рода
Такие растения как Суккуленты и Склерофиты относятся одному типу растений -Ксерофитам, а это значит что они приспособились в своей жизни к засушливым местам, а это степи, полупустыни и пустыни, высокогорье и саванны. Такие территории недостаточно увлажняются.
Поэтому общим у этих растений является среда их произрастания, т.е территории где нет достаточной влаги.
Отличаются Суккуленты и Склерофиты по способу обеспечения себя влагой.
Так Суккуленты приспособились к засушливому периоду тем, что они запасают воду в своих тканях, а так же органах и в дальнейшем этот запас экономно расходуют.
Склерофиты же имеют другое свое приспособление, а именно они приспособились и в засушливое время добывать влагу, чем и обеспечивают свое существование, например, это очень разветвленная коневая система или наличие корней, которые достигают влаги, расположенной в глубинном слое почвы. Однозначно, что недостаток влаги сильно влияет на вегетативный период , но так растения приспособились выживать. Это можно отнести к таким растениям, как ковыль, полынь или саксаул, да и многих других растений это касается.
Природа наполнена постоянными процессами изменения и преобразования. Именно эти изменения окружающего нас мира наука определяет как явления природы. Видом явлений природы существует очень много, как и способов их классификации. Изменения, происходящие в живой природе, в первую очередь, у животных, называются биологическими.
Примеров подобных явлений очень много и их не надо специально искать. Те, у кого есть домашние питомцы замечают начинающуюся у кошек и собак весеннюю линьку: старая зимняя шерсть начинает сходить большими клочьями.
Также весной возвращаются с зимовки птицы. Подобное возвращение запечатлен русский художник Алексей Саврасов в картине "Грачи прилетели".
Формально грибом не является Лишайник, хотя и тут без грибов не обошлось. Ведь лишайник - это симбиотическое образование грибов и одноклеточных водорослей. Внешнее тело лишайника образует как раз гриб, а его внутренняя начинка - водоросли. Лишайники очень неприхотливые организмы, которые могут селиться почти где угодно. Единственное, что им нужно - это влага, ведь корней у лишайника нет, а удерживать влагу он не может.
Дрожжи - грибы утратившие мицелий, потому что научились жить в водной среде, или в среде органической.
Плесень - грибы, имеющие мицелий, но не имеющие плодовых тел.
Так что повторюсь, формально лишайник не гриб - это особый организм.
У них есть зубы. Они находятся на верхнем небе и направлены внутрь, чтобы можно было удерживать жертву. Размеры у них меньше, чем у других животных, поэтому заметить их можно лишь при ближайшем рассмотрении.
К самоудвоению способны митохондрии и хлоропласты. Это органойды имеющие собственный отдельный геном. Можно сказать, что это наши симбионты, которые выполняют главнейшую энергетическую функцию для эукариот. Именно благодаря хлоропластам эукариоты способны усваивать солнечную энергию и именно благодаря митохондриям эукариоты умеют выделять энергию из сжигаемой в кислороде органики, которые добыты в фотосинтезе. Две ступени энергетического обмена находятся "в руках" этих симбионтов. Ах да, есть еще усваиватели азота, но они еще более независимы. Их приручение еще вначале. Их приручают бобовые в своих клубеньках. Но без них не было бы белков - основного стройматериала жизни.
Вибриссы(усы) -специализированные органы чувств, реагирующие на внешние раздражители. Они похожи на обычные волосы но длиннее и толще. Но на самом деле вибриссы -это не волосы, а видоизменившиеся рецепторы, выполняющие осязательную и тактильную функции.
Гидатофиты – это водные растения, целиком или почти целиком погруженные в воду. Среди них – цветковые, которые вторично перешли к водному образу жизни (элодея, рдесты, водяные лютики, валлиснерия, уруть и др.). Вынутые из воды, эти растения быстро высыхают и погибают. У них редуцированы устьица и нет кутикулы. Транспирация у таких растений отсутствует, а вода выделяется через особые клетки – гидатоды.
Рис. 32. Поперечный срез стебля урути Myriophyllum verticillatum (по Т. К. Горышиной, 1979)
Листовые пластинки у гидатофитов, как правило, тонкие, без дифференцировки мезофилла, часто рассеченные, что способствует более полному использованию ослабленного в воде солнечного света и усвоению СО2. Нередко выражена разнолистность – гетерофиллия; у многих видов есть плавающие листья, имеющие световую структуру. Поддерживаемые водой побеги часто не имеют механических тканей, в них хорошо развита аэренхима (рис. 32).
Корневая система цветковых гидатофитов сильно редуцирована, иногда отсутствует совсем или утратила свои основные функции (у рясок). Поглощение воды и минеральных солей происходит всей поверхностью тела. Цветоносные побеги, как правило, выносят цветки над водой (реже опыление совершается в воде), а после опыления побеги снова могут погружаться, и созревание плодов происходит под водой (валлиснерия, элодея, рдесты и др.).
Гидрофиты – это растения наземно-водные, частично погруженные в воду, растущие по берегам водоемов, на мелководьях, на болотах. Встречаются в районах с самыми разными климатическими условиями. К ним можно отнести тростник обыкновенный, частуху подорожниковую, вахту трехлистную, калужницу болотную и другие виды. У них лучше, чем у гидатофитов, развиты проводящие и механические ткани. Хорошо выражена аэренхима. В аридных районах при сильной инсоляции их листья имеют световую структуру. У гидрофитов есть эпидерма с устьицами, интенсивность транспирации очень высока, и они могут расти только при постоянном интенсивном поглощении воды.
Гигрофиты – наземные растения, живущие в условиях повышенной влажности воздуха и часто на влажных почвах. Среди них различают теневые и световые. Теневые гигрофиты – это растения нижних ярусов сырых лесов в разных климатических зонах (недотрога, цирцея альпийская, бодяк огородный, многие тропические травы и т. п.). Из-за высокой влажности воздуха у них может быть затруднена транспирация, поэтому для улучшения водного обмена на листьях развиваются гидатоды, или водяные устьица, выделяющие капельно-жидкую воду. Листья часто тонкие, с теневой структурой, со слабо развитой кутикулой, содержат много свободной и малосвязанной воды. Обводненность тканей достигает 80 % и более. При наступлении даже непродолжительной и несильной засухи в тканях создается отрицательный водный баланс, растения завядают и могут погибнуть.
К световым гигрофитам относятся виды открытых местообитаний, растущие на постоянно влажных почвах и во влажном воздухе (папирус, рис, сердечники, подмаренник болотный, росянка и др.). Переходные группы – мезогигрофиты и гигромезофиты.
Мезофиты могут переносить непродолжительную и не очень сильную засуху. Это растения, произрастающие при среднем увлажнении, умеренно теплом режиме и достаточно хорошей обеспеченности минеральным питанием. К мезофитам можно отнести вечнозеленые деревья верхних ярусов тропических лесов, листопадные деревья саванн, древесные породы влажных вечнозеленых субтропических лесов, летнезеленые лиственные породы лесов умеренного пояса, кустарники подлеска, травянистые растения дубравного широкотравья, растения заливных и не слишком сухих суходольных лугов, пустынные эфемеры и эфемероиды, многие сорные и большинство культурных растений. Из приведенного перечня видно, что группа мезофитов очень обширна и неоднородна. По способности регулировать свой водный обмен одни приближаются к гигрофитам (мезогигрофиты), другие – к засухоустойчивым формам (мезоксерофиты).
Ксерофиты растут в местах с недостаточным увлажнением и имеют приспособления, позволяющие добывать воду при ее недостатке, ограничивать испарение воды или запасать ее на время засухи. Ксерофиты лучше, чем все другие растения, способны регулировать водный обмен, поэтому и во время продолжительной засухи остаются в активном состоянии. Это растения пустынь, степей, жестколистных вечнозеленых лесов и кустарниковых зарослей, песчаных дюн.
Ксерофиты подразделяются на два основных типа: суккуленты и склерофиты.
Суккуленты– сочные растения с сильно развитой водозапасающей паренхимой в разных органах. Стеблевые суккуленты – кактусы, стапелии, кактусовидные молочаи; листовые суккуленты – алоэ, агавы, мезембриантемумы, молодило, очитки; корневые суккуленты – аспарагус. В пустынях Центральной Америки и Южной Африки суккуленты могут определять облик ландшафта (рис. 33).
Рис. 33. Суккулентное растение – древовидный кактус из пустыни Аризона
Листья, а в случае их редукции стебли суккулентов имеют толстую кутикулу, часто мощный восковой налет или густое опушение. Устьица погруженные, открываются в щель, где задерживаются водяные пары.
Днем они закрыты. Это помогает суккулентам сберегать накопленную влагу, но зато ухудшает газообмен, затрудняет поступление СО2 внутрь растения. Поэтому многие суккуленты из семейств лилейных, бромелиевых, кактусовых, толстянковых ночью при открытых устьицах поглощают СО2, который только на следующий день перерабатывают в процессе фотосинтеза. Поглощенный СО2 переводится в малат. Кроме того, при дыхании ночью углеводы разлагаются не до углекислого газа, а до органических кислот, которые отводятся в клеточный сок. Днем на свету малат и другие органические кислоты расщепляются с выделением СО2, который используется в процессе фотосинтеза. Таким образом, крупные вакуоли с клеточным соком запасают не только воду, но и СО2. Так как у суккулентов ночная фиксация углекислоты и переработка ее днем в ходе фотосинтеза разделены во времени, они обеспечивают себя углеродом, не подвергаясь риску чрезмерной потери воды, но масштабы поступления углекислого газа при таком способе невелики, и растут суккуленты медленно.
Осмотическое давление клеточного сока суккулентов мало – всего 3 · 10 5 – 8 · 10 5 Па (3–8 атм), они развивают небольшую сосущую силу и способны всасывать воду лишь атмосферных осадков, просочившихся в верхний слой почвы. Корневая система их неглубокая, но сильно распростертая, что особенно характерно для кактусов.
Склерофиты– это растения, наоборот, сухие на вид, часто с узкими и мелкими листьями, иногда свернутыми в трубочку. Листья могут быть также рассеченными, покрытыми волосками или восковым налетом. Хорошо развита склеренхима, поэтому растения без вредных последствий могут терять до 25 % влаги не завядая. В клетках преобладает связанная вода. Сосущая сила корней до нескольких десятков атмосфер, что позволяет успешно добывать воду из почвы. При недостатке воды резко снижают транспирацию. Склерофиты можно подразделить на две группы: эуксерофитов и стипаксерофитов.
К эуксерофитам относятся многие степные растения с розеточными и полурозеточными, сильно опушенными побегами, полукустарнички, некоторые злаки, полынь холодная, эдельвейс эдельвейсовидный и др. Наибольшую биомассу эти растения создают в период, благоприятный для вегетации, а в жару уровень обменных процессов у них очень низок.
Стипаксерофиты– это группа узколистных дерновинных злаков (ковыли, тонконоги, типчак и др.). Характеризуются низкой транспирацией в засушливый период и могут переносить особенно сильное обезвоживание тканей. Свернутые в трубочку листья имеют внутри влажную камеру. Транспирация идет через погруженные в бороздки устьица внутрь этой камеры, что снижает потери влаги (рис. 34).
Рис. 34. Поперечный срез листа ковыля Stipa capillata (по A. Кернеру, 1896): A – при засухе (лист свернут); Б – во влажную погоду (пластинка листа развернута)
Кроме названных экологических групп растений, выделяют еще целый ряд смешанных или промежуточных типов.
Различные пути регуляции водообмена позволили растениям заселить самые различные по экологическим условиям участки суши. Многообразие приспособлений лежит, таким образом, в основе распространения растений по поверхности земли, где дефицит влаги является одной из главных проблем экологических адаптаций.
3. Какие общие и отличительные черты строения имеют суккуленты и склерофиты?
Общее: эпидермис суккуленты и склерофиты покрыт толстой кутикулой и имеет восковой налёт либо опушение; листья стеблевых суккулентов и склерофитов представлены в виде колючек.
Различия: корни суккуленты уходят неглубоко в почву, а воду всасывают поверхностные корни, суккуленты активно запасают влагу и экономно её расходуют; склерофиты имеют корни, которые уходят глубоко в землю, они не запасают влагу, а её добывают и экономно расходуют.
2. Сложные вопросы.
1. Почему букет из цветков калужницы болотной быстро увядает, а хризантемы стоят долго?
Калужницы относятся к гигрофитам, им нужна сильно увлажнённая почва и высокая влажность воздуха,она не способна перенести даже небольшой недостаток влаги, поэтому быстро увядает не в болотной местности. А хризантемы относятся к мезотфитам, они обитают в условиях умеренного увлажнения, поэтому букет из этих растений стоит долго.
2. Почему у сосны обыкновенной, растущей на песчаной почве, корень уходит глубоко в почву, а у растущей на болоте корневая система поверхностная?
Потому что растения в засушливой местности добывают влагу глубоко в земле, а вболотной местности влаги достаточно и её можно добывать на поверхности.
3. Почему в степях массовое цветение растений начинается очень рано (февраль — март) и быстро прекращается? Дайте аргументированный ответ.
Потому что в степях очень сухое лето и наиболее благоприятный период для цветения растений — февраль-март — когда влажность воздуха выше.
Читайте также: