ЕКОФИЗИОЛОГИЯ: КАКВО ИЗУЧАВА И ПРИЛАГА ПРИ ЖИВОТНИ И РАСТЕНИЯ - БИОЛОГИЯ - 2025

В ecofisiología е клон на екологията, която изучава функционалната реакция на организмите да се адаптират към промените в околната среда. Всяко живо същество трябва да се адаптира към средата си, за да оцелее и тази адаптация е както структурна, така и функционална.

Тази дисциплина е известна още като физиологична екология или физиология на околната среда и генерира както основни, така и приложни знания. По този начин е възможно да се знае връзката между физиологията на организма и промените в околната среда.

Екофизиологични експерименти. Източник: Расбак

По същия начин екофизиологията предоставя информация в областта на растителното и животинското производство за генериране на храна. Например, проучванията на екофизиологията на растенията, толерантни към екстремните условия на околната среда, са били полезни при генетичното подобрение.

По същия начин екофизиологичните изследвания позволяват да се установи кои са най-подходящите условия за околната среда за постигане на по-голяма производителност на животните. По този начин могат да бъдат установени диапазони на изменение на факторите на околната среда, за да се осигури комфорт на животните в производствените единици.

Какво изучава екофизиологията?

Екофизиологията е дисциплина, в която физиологията и екологията се сближават. Физиология науката, която изучава функционирането на живите същества и екологията, се отнася до връзките между живите същества и тяхната среда.

В този смисъл екофизиологията изучава динамичната връзка между променящата се среда и адаптациите на растителен или животински метаболизъм към тези промени.

- Екологични експерименти

За да постигне целта си, екофизиологията прилага както описателни изследвания, така и експериментален метод. За това той идентифицира физико-химичните фактори, които действат в околната среда и определя тяхното влияние върху организма.

Тези фактори могат да бъдат ресурси, които организмът използва за своето оцеляване или условия, които влияят на неговото функциониране. Впоследствие се установява физиологичната реакция на живия организъм към измененията на споменатия фактор.

Метаболитни системи

Необходимо е да се идентифицират органичните и функционални системи, участващи в адаптивния отговор на организма към промяната на определен фактор. Например, когато има промени в температурата, има отговор от терморегулаторната система на индивида.

Експериментален дизайн

Екофизиологията използва дизайна на експерименти, за да установи физиологичния отговор на организма на промените във фактора. Пример за това може да бъде подлагане на индивиди от растителен вид на различни концентрации на сол в субстрата.

- Видове промени в околната среда

След като факторите, които ще бъдат изследвани, са дефинирани, е необходимо да се идентифицират промените, които настъпват в околната среда и тяхната времева природа, като се определят три типа:

Циклични промени

Тези промени се повтарят периодично, като редуване на климатичните сезони или ден и нощ. Изправени пред тях, живото същество е развило циклично функциониране, следвайки ритъма на промените в околната среда.

Дневен и нощен цикъл. Източник: Каливер

Например, падането на листата в сухия сезон, за да се намали изпотяването поради липсата на вода. В случая с животни също има адаптиране към тези циклични промени; например смяната на оперението на определени птици.

Ptarmigan (Lagopus muta) на тундрата има сезонна хомохромия и представя зимно бяло оперение, докато през пролетта се променя в тъмни и пъстри тонове. По този начин камуфлажът им е адаптиран към равномерното бяло на снега и след това към тъмните тонове на околната среда през останалата част от годината.

Друга адаптация на животните към цикличните промени е зимуването на мечки и други видове през зимното време. Това включва промени в метаболитната честота, които включват намаляване на телесните функции, като температура и сърдечна честота.

Случайни промени

Тези видове промени настъпват на случаен принцип, без установена закономерност. Например свлачището на планински склон, разливът на нефт или пристигането на нов хищник или патоген.

Тези видове промени представляват по-голям риск за вида, тъй като те настъпват драстично.В тези случаи реакцията на организмите зависи от пластичността на вече съществуващите функции.

Промени в посоката

Те са промени в околната среда, умишлено причинени от хората за определени цели. Случаят с това е обезлесяването на гора за установяване на пасище или намесата на влажни зони за отглеждане на ориз.

- Общи постулати

Започвайки от натрупването на експериментални и наблюдателни доказателства в естествената среда, екофизиологията се опитва да определи общи постулати. Това са общи принципи, които произтичат от закономерността на определени физиологични отговори на промените в околната среда.

Закон на минимума на Либиг

Sprengel (1828) постулира, че определящият фактор за растежа на организма е един от най-оскъдните в околната среда. По-късно този принцип е популяризиран от Либиг (1840 г.) и е известен като Законът на минимума или Законът на Либиг.

Вартоломей (1958) прилага този принцип при разпространението на видовете, изтъквайки, че той се определя от най-ограничаващия фактор на околната среда.

Законът на толерантността на Шелфорд

През 1913 г. Виктор Шелфорд заявява, че определен вид съществува в определен диапазон на изменение за всеки фактор на околната среда и техните взаимодействия. Това е известно като граници на толеранс, извън които видът не оцелява.

Законът на толерантността на Шелфорд. Източник:

Този принцип определя, че в амплитудата на изменение на определен фактор на околната среда има три възможни състояния за организма. Тези състояния са оптимални, физиологичен стрес и непоносимост.

В този смисъл в оптималния диапазон на фактора популациите на вида ще бъдат в изобилие. Когато се отдалечите от оптималното, човек навлиза в зона на стрес, където популациите намаляват и извън границата на толеранса видът изчезва.

- Дигитални технологии и екофизиология

Както във всяка наука, екофизиологичните изследвания са засилени с развитието на нови технологии. Поради своя експериментален характер, тази дисциплина в частност е благоприятствана от развитието на цифровите технологии.

Днес има разнообразие от преносими електронни устройства, които позволяват измерване на факторите на околната среда в областта. Сред тях са измервателите на слънчевата радиация, температурата, относителната влажност, площта на листата и др.

Примери за приложения при животни

- Влияние на температурата върху производителността на селскостопанските животни

Много релевантна област е екофизиологията, прилагана в производството на животни, която се стреми да разбере реакцията на разплодните животни на изменението на факторите на околната среда. Един от тези фактори е температурата, като се вземе предвид настоящата тенденция за повишаване на средната глобална температура.

Homeothermy

По-голямата част от разплодните животни са хомеотермични, тоест поддържат стабилна вътрешна температура, въпреки колебанията в околната среда. Това се постига чрез инвестиране на химическа енергия за компенсиране на увеличения или понижения на външната температура.

Този процес на компенсация на външната температура се постига чрез терморегулация, която включва хипоталамуса, дихателната система и кожата.

Кокошки носачки

Установено е, че времето за деня на хранене на кокошка носачка е важно за нейната производителност. В този случай това е свързано с асимилационния капацитет на храната като функция от топлинния стрес.

Кокошки носачки. Източник: Peloy (Allan HM)

Ако фуражът се доставя в най-горещите часове на деня, кокошката го усвоява по-малко и производството му намалява. Следователно, повишаването на температурата в околната среда предполага намаляване на производителността на кокошки на свободна възраст.

Говеда

Повишаването на температурата принуждава животните да активират физиологични механизми на терморегулация. Това включва инвестиция на енергия, която се изважда от напълняването или производството на мляко.

От друга страна, с повишаване на температурата, животните варират приоритетите си на хранене. В тези случаи приемът на вода се увеличава и консумацията на сухо вещество намалява с последващата загуба на тегло.

- Замърсяване и жаби

Екофизиологичните изследвания позволяват да се свърже физиологията на животинските видове с тяхната среда и да се установят възможните отрицателни ефекти от замърсяването. Пример за това е настоящото състояние на заплаха, на което са подложени жаби и жаби.

Жаба (Atelopus zeteki) чувствителна към замърсяване. Източник: Брайън Гратвике

Около половината от 6 500-те известни вида земноводни са застрашени от изчезване. Тези животни са много чувствителни към промените в температурата, влажността или замърсителите на околната среда.

Дишането и циркулацията на земноводните

Физиологията на дишането на земноводните е много особена, тъй като те дишат както през белите дробове, така и през кожата. Когато са извън водата, те използват дробовете си и във водата дишат през кожата си, което е пропускливо за O2, CO2 и вода.

въздействие

Формата на дишане прави тези животни податливи на абсорбцията на замърсители от въздуха и водата. От друга страна, поради ниската концентрация на кислород във водата, те отслабват, защото не го усвояват правилно.

При тези условия те могат да умрат или да станат слаби и да са податливи на атака от патогенни гъби и бактерии. Една от най-големите заплахи е патогенната гъбичка Batrachochytrium dendrobatidis, която инхибира потока на електролити в кожата.

Примери за приложения в растения

- Екофизиология на растенията

Глобалното затопляне ще доведе до производството на определени култури в някои райони поради закона за толерантност. Тоест фактори като наличието на вода ще излязат извън допустимия диапазон на вида.

Xerophytes. Източник: Томаш Кастелазо

За сухите видове обаче са разработени стратегии за адаптиране към водния дефицит. В този смисъл, изследванията в екофизиологията на растенията със сухи зони осигуряват възможни начини за генетично подобрение на растенията.

осмолити

Една от тези стратегии е модифицирането на генната експресия за производство на протеини, които помагат да се толерира водния дефицит. Сред тези протеини са осмолити, които помагат на клетките да поддържат тургора си дори с малко вода.

Познаването на тези протеини и техния метаболизъм може да се използва от генното инженерство за подобряване на културите.

- Екофизиология на халофилните растения

Един от проблемите пред селското стопанство е солеността на почвите поради концентрацията на соли, добавени от напоителните води. Колкото повече почви се осоляват, толкова по-малко посеви са на разположение за производство на храни.

Халофилни растения

Съществуват обаче видове растения, пригодени да оцелеят в условия на висока концентрация на соли в почвата. Това са така наречените халофитни растения (Halos = сол; phyto = растение).

Тези видове са разработили серия от морфологични и физиологични адаптации като механизми за избягване на абсорбцията на сол, обездвижването й или отделянето й.

Халофитни растения като храна

Познаването на екофизиологията на тези растения служи за основа за разработване на селскостопански системи и използването им като хранителни източници. По този начин халофитните видове, отглеждани на засолени селскостопански почви, могат да се използват като храна за добитък.

Препратки

1. Ariasa, RA, Maderb, TL и Escobara, PC (2008). Климатични фактори, които влияят на производителните резултати на говеждо и млечно говедо. Арх.мед.
2. Blaustein, AR, Wake, DB и Sousa, WP (1994). Амфибията намалява: съдейки за стабилността, постоянството и податливостта на населението към местни и глобални изчезвания. Природозащитна биология.
3. Calow, P. (Ed.) (1998). Енциклопедия по екология и управление на околната среда.
4. Hawkesford, MJ и De Kok, LJ (2007). Екофизиология на растенията (том 6). Сяра в растенията. Екологична перспектива.
5. Lüttge, U. и Scarano, FR (2004). Ecophysiology. Бразилско списание. Бот.
6. Перейра-Кардозо, М. и Курибан, А. (2014). Протеини в поносимост към воден стрес в растенията. SEMIÁRIDA, сп. На Агрономическия факултет UNLPam.
7. Purves, WK, Sadava, D., Orians, GH и Heller, HC (2001). Life. Науката за биологията.
8. Raven, P., Evert, RF и Eichhorn, SE (1999). Биология на растенията.