Ecofiziologie - Ecophysiology
Ecofiziologia (din greacă οἶκος , oikos , „casă (hold)”; φύσις , physis , „natura, originea”; și -λογία , -logia ), fiziologia mediului sau ecologia fiziologică este o disciplină biologică care studiază răspunsul unui organism ' s fiziologie la condițiile de mediu. Este strâns legată de fiziologia comparativă și fiziologia evolutivă . Bionomia cu monede a lui Ernst Haeckel este uneori folosită ca sinonim.
Plantele
Ecofiziologia plantelor este preocupată în mare măsură de două subiecte: mecanismele (modul în care plantele simt și răspund la schimbările de mediu) și scalarea sau integrarea (modul în care răspunsurile la condiții extrem de variabile - de exemplu, gradienții de la lumina soarelui completă până la umbra de 95% în copertinele copacilor) sunt coordonate reciproc) și modul în care efectul colectiv al acestora asupra creșterii plantelor și schimbului de gaze poate fi înțeles pe această bază.
În multe cazuri, animalele sunt capabile să scape de factorii de mediu nefavorabili și în schimbare, cum ar fi căldura, frigul, seceta sau inundațiile, în timp ce plantele nu pot să se îndepărteze și, prin urmare, trebuie să suporte condițiile nefavorabile sau să piară (animalele merg în locuri, plantele cresc în locuri). Prin urmare, plantele sunt din punct de vedere fenotipic plastic și au o gamă impresionantă de gene care ajută la acomodarea cu condițiile în schimbare. Se presupune că acest număr mare de gene poate fi explicat parțial de nevoia speciilor de plante de a trăi într-o gamă mai largă de condiții.
Ușoară
Lumina este hrana plantelor, adică forma de energie pe care plantele o folosesc pentru a se construi și a se reproduce. Organele care recoltează lumina în plante sunt frunze, iar procesul prin care lumina este transformată în biomasă este fotosinteza . Răspunsul fotosintezei la lumină se numește curbă de răspuns la lumină a fotosintezei nete ( curba PI ). Forma este de obicei descrisă printr-o hiperbolă non-dreptunghiulară. Trei cantități ale curbei de răspuns la lumină sunt deosebit de utile în caracterizarea răspunsului unei plante la intensitățile luminii. Asimptota înclinată are o pantă pozitivă care reprezintă eficiența utilizării luminii și se numește eficiență cuantică; interceptarea x este intensitatea luminii la care asimilarea biochimică (asimilarea brută) echilibrează respirația frunzelor astfel încât schimbul net de CO 2 al frunzei să fie zero, numit punct de compensare a luminii; și o asimptotă orizontală reprezentând rata maximă de asimilare. Uneori, după atingerea maximului de asimilare, scade procesele cunoscute sub numele de fotoinhibiție .
La fel ca în majoritatea factorilor abiotici, intensitatea luminii (iradiere) poate fi atât suboptimă, cât și excesivă. Lumina suboptimală (umbră) apare de obicei la baza unui baldachin de plante sau într-un mediu de subpădure. Plantele tolerante la umbră au o serie de adaptări pentru a le ajuta să supraviețuiască cantității și calității luminii modificate tipice mediilor de umbră.
Excesul de lumină apare în partea de sus a baldachinelor și pe teren deschis atunci când acoperirea norilor este scăzută și unghiul zenit al soarelui este scăzut, de obicei acest lucru apare la tropice și la altitudini mari. Incident de lumină în exces pe o frunză poate duce la photoinhibition și Fotodestrucție . Plantele adaptate la medii cu lumină puternică au o serie de adaptări pentru a evita sau disipa excesul de energie luminoasă, precum și mecanisme care reduc cantitatea de leziuni cauzate.
Intensitatea luminii este, de asemenea, o componentă importantă în determinarea temperaturii organelor plantelor (bugetul energetic).
Temperatura
Ca răspuns la temperaturi extreme, plantele pot produce diverse proteine . Acestea le protejează de efectele dăunătoare ale formării de gheață și de ratele de scădere a catalizei enzimatice la temperaturi scăzute, și de denaturarea enzimei și de creșterea fotorespirării la temperaturi ridicate. Ca temperaturile scad, producția de antigel proteine și dehydrins crește. Pe măsură ce temperaturile cresc, crește producția de proteine de șoc termic . Dezechilibrele metabolice asociate cu temperaturile extreme duc la acumularea de specii reactive de oxigen , care pot fi contracarate de sistemele antioxidante . Membranele celulare sunt, de asemenea, afectate de schimbările de temperatură și pot determina membrana să-și piardă proprietățile fluide și să devină un gel în condiții de frig sau să devină scurgeri în condiții de căldură. Acest lucru poate afecta mișcarea compușilor peste membrană. Pentru a preveni aceste modificări, plantele pot schimba compoziția membranelor lor. În condiții de frig, mai mulți acizi grași nesaturați sunt plasați în membrană și în condiții de căldură, se introduc mai mulți acizi grași saturați .
Plantele pot evita supraîncălzirea prin minimizarea cantității de lumină solară absorbită și prin îmbunătățirea efectelor de răcire ale vântului și ale transpirației . Plantele pot reduce absorbția luminii folosind fire de păr reflectante, solzi și ceruri. Aceste caracteristici sunt atât de frecvente în regiunile calde și uscate încât se poate observa că aceste habitate formează un „peisaj argintiu”, pe măsură ce lumina se împrăștie pe baldachin. Unele specii, cum ar fi Macroptilium purpureum , își pot mișca frunzele pe tot parcursul zilei, astfel încât să fie întotdeauna orientate pentru a evita soarele ( paraheliotropism ). Cunoașterea acestor mecanisme a fost esențială pentru creșterea toleranței la stres termic la plantele agricole.
Plantele pot evita impactul total al temperaturii scăzute modificându-și microclimatul . De exemplu, se spune că plantele Raoulia găsite în zonele înalte din Noua Zeelandă seamănă cu „oile vegetale”, deoarece formează aglomerări strânse de tip pernă pentru a izola cele mai vulnerabile părți ale plantelor și a le proteja de vânturile răcoroase. Același principiu a fost aplicat în agricultură prin utilizarea de mulci din plastic pentru a izola punctele de creștere ale culturilor în climă răcoroasă, pentru a stimula creșterea plantelor.
Apă
Prea multă sau prea puțină apă poate deteriora plantele. Dacă există prea puțină apă, atunci țesuturile se vor deshidrata și planta poate muri. Dacă solul devine udat, atunci solul va deveni anoxic (cu conținut scăzut de oxigen), ceea ce poate ucide rădăcinile plantei.
Capacitatea plantelor de a accesa apa depinde de structura rădăcinilor și de potențialul de apă al celulelor radiculare. Când conținutul de apă din sol este scăzut, plantele își pot modifica potențialul de apă pentru a menține un flux de apă în rădăcini și până la frunze ( solul atmosfera plantei continuum ). Acest mecanism remarcabil permite plantelor să ridice apa de până la 120 m prin valorificarea gradientului creat de transpirația din frunze.
În sol foarte uscat, plantele își închid stomatele pentru a reduce transpirația și a preveni pierderea de apă. Închiderea stomatelor este adesea mediată de semnale chimice de la rădăcină (adică acid abscisic ). În câmpurile irigate, faptul că plantele își închid stomatele ca răspuns la uscarea rădăcinilor poate fi exploatat pentru a „păcăli” plantele folosind mai puțină apă fără a reduce randamentele (vezi uscarea parțială a zonei radiculare ). Utilizarea acestei tehnici a fost dezvoltată în mare măsură de Dr. Peter Dry și colegii din Australia (vezi determinismul nominal ).
Dacă seceta continuă, țesuturile plantei se vor deshidrata, rezultând o pierdere a presiunii turgorului care este vizibilă ca ofilire . Pe lângă închiderea stomatelor, majoritatea plantelor pot răspunde și la secetă, modificându-și potențialul de apă (ajustare osmotică) și crescând creșterea rădăcinilor. Plantele care sunt adaptate la medii uscate ( Xerofite ) au o serie de mecanisme mai specializate pentru menținerea apei și / sau protejarea țesuturilor atunci când apare desicarea.
Îndepărtarea apei reduce aportul de oxigen către rădăcini și poate ucide o plantă în câteva zile. Plantele nu pot evita apariția apei, dar multe specii depășesc lipsa de oxigen din sol transportând oxigenul la rădăcină din țesuturile care nu sunt scufundate. Speciile care sunt tolerante la apariția apei dezvoltă rădăcini specializate lângă suprafața solului și aerenchim pentru a permite difuzia oxigenului de la lăstari la rădăcină. Rădăcinile care nu sunt omorâte direct pot trece, de asemenea, la forme de respirație celulară mai puțin înfometate cu oxigen. Speciile care sunt scufundate frecvent au dezvoltat mecanisme mai elaborate care mențin nivelurile de oxigen din rădăcini, cum ar fi rădăcinile aeriene observate în pădurile de mangrove .
Cu toate acestea, pentru multe plante de apartament supraîncălzite, simptomele inițiale ale apei pot semăna cu cele datorate secetei. Acest lucru este valabil mai ales pentru plantele sensibile la inundații care prezintă căderea frunzelor din cauza epinastiei (mai degrabă decât a ofilirii).
CO
2 concentraţie
CO
2este vital pentru creșterea plantelor, deoarece este substratul pentru fotosinteză. Plantele iau CO
2prin porii stomatali pe frunzele lor. În același timp cu CO
2intră în stomate, umezeala scapă. Acest compromis între CO
2câștigul și pierderea apei sunt esențiale pentru productivitatea plantelor. Compensarea este cu atât mai critică cu cât Rubisco , enzima folosită pentru captarea CO
2, este eficient numai atunci când există o concentrație mare de CO
2în frunză. Unele plante depășesc această dificultate concentrând CO
2în frunzele lor folosind fixarea carbonului C 4 sau metabolismul acidului crassulacian . Cu toate acestea, majoritatea speciilor au folosit fixarea carbonului C 3 și trebuie să-și deschidă stomatele pentru a lua CO
2 ori de câte ori are loc fotosinteza.
Concentrația de CO
2în atmosferă crește din cauza defrișărilor și arderii combustibililor fosili . Acest lucru ar fi de așteptat să crească eficiența fotosintezei și posibil să crească rata generală de creștere a plantelor. Această posibilitate a atras un interes considerabil în ultimii ani, deoarece o rată crescută de creștere a plantelor ar putea absorbi o parte din excesul de CO
2și să reducă rata încălzirii globale . Experimente extinse de creștere a plantelor sub CO crescut
2folosind Îmbogățirea concentrației de aer liber au arătat că eficiența fotosintetică crește într-adevăr. Ratele de creștere a plantelor cresc, de asemenea, în medie cu 17% pentru țesutul suprateran și cu 30% pentru țesutul subteran. Cu toate acestea, efectele nocive ale încălzirii globale, cum ar fi creșterea numărului de stări de căldură și secetă, înseamnă că efectul general este probabil o reducere a productivității plantelor. Productivitatea redusă a plantelor ar fi de așteptat să accelereze rata încălzirii globale. În general, aceste observații indică importanța evitării unor creșteri suplimentare ale CO atmosferic
2mai degrabă decât să riște schimbările climatice fugace .
Vânt
Vântul are trei efecte foarte diferite asupra plantelor.
- Afectează schimburile de masă (evaporarea apei, CO
2) și de energie (căldură) între plantă și atmosferă prin reînnoirea aerului la contactul cu frunzele ( convecție ). - Este simțită ca un semnal care provoacă un sindrom de aclimatizare a vântului de către planta cunoscută sub numele de tigmomorfogeneză , ducând la creșterea și dezvoltarea modificate și, în cele din urmă, la întărirea vântului.
- Forța sa de tracțiune poate afecta planta (abraziunea frunzelor, rupturile de vânt în ramuri și tulpini și aruncări de vânt și răsturnarea copacilor și adăpostirea în culturi).
Schimb de masă și energie
Vântul influențează modul în care frunzele reglează umezeala, căldura și dioxidul de carbon. Când nu există vânt, în jurul fiecărei frunze se formează un strat de aer liniștit. Acest lucru este cunoscut sub numele de strat limită și, de fapt, izolează frunza de mediul înconjurător, oferind o atmosferă bogată în umiditate și mai puțin predispusă la încălzire sau răcire convectivă. Pe măsură ce viteza vântului crește, mediul frunzelor devine mai strâns legat de mediul înconjurător. Poate deveni dificil pentru plantă să rețină umezeala deoarece este expusă aerului uscat. Pe de altă parte, un vânt moderat îi permite plantei să-și răcească frunzele mai ușor atunci când este expusă la lumina soarelui. Plantele nu sunt în totalitate pasive în interacțiunea lor cu vântul. Plantele își pot face frunzele mai puțin vulnerabile la schimbările de viteză ale vântului, acoperindu-și frunzele în fire fine ( tricomi ) pentru a sparge fluxul de aer și a crește stratul limită. De fapt, dimensiunile frunzelor și ale baldachinului sunt adesea controlate fin pentru a manipula stratul limită în funcție de condițiile de mediu predominante.
Aclimatizare
Plantele pot simți vântul prin deformarea țesuturilor sale. Acest semnal duce la inhibarea alungirii și stimulează expansiunea radială a lăstarilor lor, crescând în același timp dezvoltarea sistemului radicular. Acest sindrom de răspunsuri cunoscut sub numele de tigmomorfogeneză are ca rezultat plante mai scurte și mai stâncoase , cu tulpini întărite, precum și o ancorare îmbunătățită. S-a crezut cândva că acest lucru se întâmplă mai ales în zone foarte vânt. Dar s-a constatat că se întâmplă chiar și în zone cu vânt moderat, astfel încât semnalul indus de vânt s-a dovedit a fi un factor ecologic major.
Copacii au o capacitate deosebit de bine dezvoltată de a-și întări trunchiurile atunci când sunt expuși vântului. Din punct de vedere practic, această realizare i-a determinat pe arboricultorii din Marea Britanie în anii 1960 să se îndepărteze de practica de a juca copaci de amenajare tineri pentru a oferi sprijin artificial.
Daune cauzate de vânt
Vântul poate deteriora majoritatea organelor plantelor. Abraziunea frunzelor (datorită frecării frunzelor și a ramurilor sau a efectului particulelor din aer, cum ar fi nisipul) și a frunzelor de rupere a ramurilor sunt fenomene destul de frecvente, pe care plantele trebuie să le acomodeze. În cazurile mai extreme, plantele pot fi deteriorate mortal sau dezrădăcinate de vânt. Aceasta a fost o presiune selectivă majoră care acționează asupra plantelor terestre. În zilele noastre, este una dintre cele mai mari amenințări pentru agricultură și silvicultură chiar și în zonele temperate. Este mai rău pentru agricultură în regiunile predispuse la uragane, cum ar fi Insulele Windward, care cultivă banane, în Caraibe.
Când acest tip de perturbare apare în sistemele naturale, singura soluție este să vă asigurați că există un stoc adecvat de semințe sau răsaduri pentru a lua rapid locul plantelor mature care s-au pierdut - deși, în multe cazuri, o etapă succesivă va avea loc înainte ca ecosistemul să poată fi readus la starea sa anterioară.
Animale
Oamenii
Mediul poate avea influențe majore asupra fiziologiei umane . Efectele asupra mediului asupra fiziologiei umane sunt numeroase; unul dintre efectele cele mai atent studiate este modificările termoreglării în organism din cauza stresurilor exterioare . Acest lucru este necesar deoarece, pentru ca enzimele să funcționeze, sângele să curgă și ca diferite organe ale corpului să funcționeze, temperatura trebuie să rămână la niveluri consistente și echilibrate.
Termoreglare
Pentru a realiza acest lucru, corpul modifică trei lucruri principale pentru a atinge o temperatură constantă și normală a corpului:
Hipotalamusul joacă un rol important în termoreglare. Se conectează la receptorii termici din derm și detectează modificările din sângele din jur pentru a lua decizii dacă stimulează producția internă de căldură sau stimulează evaporarea.
Există două tipuri principale de tensiuni care pot fi experimentate din cauza temperaturilor extreme ale mediului: stresul termic și stresul rece .
Stresul termic este combătut fiziologic în patru moduri: radiații , conducție , convecție și evaporare . Stresul rece este combătut fiziologic prin frisoane, acumularea de grăsime corporală , adaptări circulatorii (care asigură un transfer eficient de căldură în epidermă) și creșterea fluxului sanguin către extremități.
Există o parte a corpului complet echipată pentru a face față stresului rece. Sistemul respirator se protejează împotriva deteriorării încălzind aerul care intră la 80-90 de grade Fahrenheit înainte de a ajunge în bronhii . Aceasta înseamnă că nici cea mai rece temperatură nu poate deteriora căile respiratorii.
În ambele tipuri de stres cauzat de temperatură, este important să rămâneți bine hidratat. Hidratarea reduce tensiunea cardiovasculară, îmbunătățește capacitatea proceselor energetice de a se produce și reduce sentimentele de epuizare.
Altitudine
Temperaturile extreme nu sunt singurele obstacole cu care se confruntă oamenii. Altitudinile mari prezintă, de asemenea, provocări fiziologice grave asupra corpului. Unele dintre aceste efecte sunt reduse arterial , reechilibrarea conținutului acid-bazic în fluidele corporale , creșterea hemoglobinei , creșterea sintezei RBC , creșterea circulației și niveluri crescute ale glicolizei subprodus 2,3 difosfoglicerat , care favorizează descărcarea de O 2 de hemoglobină în țesuturile hipoxice .
Factorii de mediu pot juca un rol imens în lupta corpului uman pentru homeostazie . Cu toate acestea, oamenii au găsit modalități de adaptare, atât fiziologic , cât și tangibil.
Oamenii de știință
George A. Bartholomew (1919-2006) a fost un fondator al ecologiei fiziologice a animalelor. A slujit la facultatea de la UCLA din 1947 până în 1989 și aproape 1.200 de persoane își pot urmări descendența academică. Knut Schmidt-Nielsen (1915–2007) a fost, de asemenea, un important contribuitor la acest domeniu științific specific, precum și la fiziologia comparativă .
Hermann Rahn (1912-1990) a fost un lider timpuriu în domeniul fiziologiei mediului. Începând în domeniul zoologiei cu un doctorat. de la Universitatea din Rochester (1933), Rahn a început să predea fiziologie la Universitatea din Rochester în 1941. Acolo a colaborat cu Wallace O. Fenn pentru a publica A Graphical Analysis of the Respiratory Gas Exchange în 1955. Această lucrare a inclus reperul O 2 - CO 2 diagrama, care a constituit baza pentru o mare parte a activității viitoare a lui Rahn. Cercetările lui Rahn asupra aplicațiilor acestei diagrame au condus la dezvoltarea medicinei aerospațiale și la progresele în respirația hiperbară și respirația la altitudine. Mai târziu, Rahn s-a alăturat Universității din Buffalo în 1956 ca profesor Lawrence D. Bell și președinte al Departamentului de fiziologie. Ca președinte, Rahn s-a înconjurat de facultăți remarcabile și a făcut Universitatea un centru internațional de cercetare în fiziologia mediului.
Vezi si
Referințe
Lecturi suplimentare
- Bennett, AF; C. Lowe (2005). „Genealogia academică a lui George A. Bartolomeu” . Biologie integrativă și comparativă . 45 (2): 231–233. doi : 10.1093 / icb / 45.2.231 . ISSN 1540-7063 . PMID 21676766 .
- Bradshaw, Sidney Donald (2003). Ecofiziologia vertebratelor: o introducere în principiile și aplicațiile sale . Cambridge, Marea Britanie: Cambridge University Press. p. xi + 287 p. ISBN 978-0-521-81797-4.
- Calow, P. (1987). Ecologie fiziologică evolutivă . Cambridge: Cambridge University Press. p. 239 p . ISBN 978-0-521-32058-0.
- Karasov, WH; C. Martinez del Rio (2007). Ecologie fiziologică: modul în care animalele procesează energia, nutrienții și toxinele . Princeton, NJ: Princeton University Press. p. xv + 741 p. ISBN 978-0-691-07453-5.
- Lambers, H. (1998). Ecologie fiziologică a plantelor . New York: Springer-Verlag. ISBN 978-0-387-98326-4.
- Larcher, W. (2001). Ecologie fiziologică a plantelor (ediția a IV-a). Springer. ISBN 978-3-540-43516-7.
- McNab, BK (2002). Ecologia fiziologică a vertebratelor: o vedere din energetică . Ithaca și Londra: Comstock Publishing Associates. xxvii + 576 p. ISBN 978-0-8014-3913-1.
- Sibly, RM; P. Calow (1986). Ecologia fiziologică a animalelor: o abordare evolutivă . Oxford: Blackwell Scientific Publications. p. 179 p . ISBN 978-0-632-01494-1.
- Spicer, JI și KJ Gaston. 1999. Diversitatea fiziologică și implicațiile sale ecologice. Blackwell Science, Oxford, Marea Britanie x + 241 pp.
- Tracy, CR; JS Turner (1982). „Ce este ecologia fiziologică?”. Buletinul Societății Ecologice din America . 63 : 340-347. ISSN 0012-9623 .. Definiții și opinii de: GA Bartholomew, AF Bennett, WD Billings, BF Chabot, DM Gates, B. Heinrich, RB Huey, DH Janzen, JR King, PA McClure, BK McNab, PC Miller, PS Nobel, BR Strain.
|
Resurse de bibliotecă despre ecofiziologie |