§ 5. Свет в жизни организмов

Определения и обозначения

Свет — абиотический экологический фактор, то есть воздействие неживой природы на организмы. Важны три его характеристики: интенсивность, спектральный состав и продолжительность освещения. Это разделение помогает выяснить, что именно влияет на организм: количество света, его цвет или длительность дня.

Фотосинтез — процесс, при котором растения и некоторые другие организмы используют энергию света для образования органических веществ из углекислого газа и воды. При этом обычно выделяется кислород. Понятие нужно, чтобы объяснить, почему свет обеспечивает растения энергией и поддерживает образование органического вещества в экосистемах.

Фотопериодизм — реакция организма на соотношение продолжительности светлого и тёмного времени суток. Он может влиять на цветение растений, наступление покоя, размножение и сезонную активность животных. Это понятие помогает понять, как организмы заранее приспосабливают жизненные процессы к смене сезонов.

Как это устроено

Интенсивность света определяет, сколько световой энергии доступно для фотосинтеза. При слабом освещении растение получает меньше энергии и может медленнее образовывать органические вещества; при этом чрезмерно яркий свет способен повреждать ткани. Поэтому у каждого вида есть диапазон освещённости, в котором он развивается наиболее успешно, а состав растительного сообщества зависит в том числе от затенения.

По отношению к освещённости растения часто делят на светолюбивые, тенелюбивые и теневыносливые. Светолюбивые виды приспособлены к открытым местам, тенелюбивые — к слабому освещению, например под пологом леса. Теневыносливые могут переносить затенение, но способны расти и при более ярком свете. Такое различие уменьшает конкуренцию: виды используют разные условия освещения и занимают подходящие им места.

Спектральный состав — это соотношение световых лучей разной длины волны. Пигменты растений поглощают одни части спектра эффективнее других, поэтому свет не только снабжает растение энергией, но и может служить сигналом об условиях среды. Например, затенение соседними растениями меняет спектр света, который достигает побега, и способно повлиять на его рост. Так растение получает информацию о конкуренции за освещение.

Продолжительность дня и ночи меняется в течение года и может служить надёжным признаком сезона. Организмы воспринимают этот ритм, а затем запускают или прекращают определённые процессы. У растений фотопериодизм связан, например, со сроками цветения и переходом к состоянию покоя. У животных длина светового дня может влиять на размножение, линьку, миграции и сезонную активность.

Фотопериодическую реакцию нельзя сводить к тому, что для организма просто важна яркость освещения. Для многих процессов имеет значение именно продолжительность непрерывного дня или ночи: одинаковая суммарная освещённость не всегда вызывает одинаковую реакцию, если свет распределён по-разному. Благодаря этому сезонные изменения могут запускаться до наступления неблагоприятных условий, а не только после их появления.

У животных свет важен для зрения, ориентации в пространстве и выбора времени активности. Одни виды активны преимущественно днём, другие — ночью или в сумерках; особенности органов чувств и поведения соответствуют условиям освещения. Световой режим также помогает синхронизировать суточные ритмы. Следовательно, свет влияет на животных и непосредственно, и как сигнал, сообщающий об изменении среды.

Влияние характеристик света на организмы

Сопоставляйте в таблице характеристику света с тем, какое воздействие она оказывает: это помогает не смешивать условия фотосинтеза и сезонные сигналы. Один и тот же фактор может влиять на разные процессы у разных организмов. Примеры в таблице показывают основные связи, но конкретная реакция зависит от вида и условий среды.

Разбор задач

Условие. Два вида растений выращивали при одинаковой температуре и влажности, но один — на открытом месте, а другой — в тени. В опыте с изменением длины дня первый вид зацвёл при коротком световом дне, второй — при длинном. Нужно объяснить, какие особенности растений можно установить по наблюдениям, и почему нельзя считать, что цветение определяется только яркостью света.

Решение. Разберём данные последовательно, отделяя потребность в освещении от реакции на сезонный сигнал. Это важно, потому что интенсивность света и продолжительность дня — разные характеристики фактора. Из условия нельзя выводить больше, чем показывают наблюдения.

1. Сначала сравниваем место выращивания. Успешный рост первого вида на открытом месте согласуется с его возможной потребностью в ярком освещении, а рост второго в тени — с приспособленностью к слабому свету. Но только этих данных недостаточно, чтобы строго установить, какие условия для каждого вида оптимальны.
2. Затем анализируем сроки цветения. Первый вид зацвёл при коротком дне, второй — при длинном. Значит, в условиях опыта их цветение связано с разной продолжительностью светлого и тёмного времени суток; это пример фотопериодической реакции.
3. Проверяем, не смешаны ли признаки. Наблюдение о росте на солнце или в тени относится к освещённости места, а результат опыта с коротким или длинным днём — к фотопериодизму. Это связанные с одним фактором, но не тождественные характеристики.
4. Делаем осторожный вывод. По описанию первый вид реагирует цветением на короткий день, второй — на длинный, а условия их роста различаются по освещённости. Чтобы выяснить влияние яркости на цветение отдельно, нужно менять интенсивность света, сохраняя продолжительность дня одинаковой.

Ответ. Растения различаются и по условиям освещения, при которых их выращивали, и по фотопериодической реакции. Первый вид зацвёл при коротком дне, второй — при длинном. Нельзя объяснять сроки цветения только яркостью: для проверки этого предположения интенсивность света нужно исследовать отдельно от длины дня.

Типичные ошибки

• Считать, что свет действует только на растения. Так думают, потому что роль света в фотосинтезе особенно заметна. Однако он также связан со зрением, ориентацией и ритмами активности животных; проверяйте, рассматриваете ли вы действие фактора на все группы организмов.
• Путать фотопериодизм с фотосинтезом. Оба явления связаны со светом, поэтому названия и условия их проявления могут смешиваться. Фотосинтез использует световую энергию для образования органических веществ, а фотопериодизм — реакция на длительность дня и ночи; уточните, о каком процессе говорится.
• Считать теневыносливое растение обязательно тенелюбивым. Слова похожи, но описывают разные свойства: способность переносить затенение не означает, что тень — единственное или оптимальное условие. Проверяйте, говорится ли о выносливости к фактору или о предпочтительных условиях существования.
• Объяснять сезонное цветение просто яркостью освещения. Длительность дня часто служит сезонным сигналом, и её нельзя подменять интенсивностью. Чтобы проверить рассуждение, спросите себя, какая именно характеристика света изменялась в условии задачи.

Связь с другими темами

Свет связан с фотосинтезом и обменом веществ: энергия света используется для образования органических соединений. Через продуктивность растений он влияет на пищевые цепи и распределение организмов в экосистемах. Световой режим действует вместе с температурой, влажностью и другими экологическими факторами, поэтому при объяснении распространения вида нельзя учитывать только один показатель. Фотопериодизм также связывает тему света с сезонными ритмами и приспособлениями организмов.

Что запомнить

• Свет — экологический фактор, важный для растений и животных.
• Для организмов имеют значение интенсивность, спектральный состав и продолжительность освещения.
• Фотосинтез использует энергию света для образования органических веществ.
• Светолюбивые, тенелюбивые и теневыносливые растения различаются отношением к освещённости.
• Фотопериодизм — реакция на соотношение длительности дня и ночи; он участвует в регуляции сезонных процессов.
• При разборе примера различай яркость света и длину дня: это разные характеристики одного экологического фактора.