Состав воздуха

Утверждение о том, что мы дышим не задумываясь, не совсем верно. Вы замечали, как за городом хочется вдыхать полной грудью и появляется легкость в теле? Покинув вагон обратной электрички, мы невольно задерживаем дыхание – организм сопротивляется вдыхать городской смог. Растения также «неравнодушны» к составу окружающей атмосферы, а воздушный режим относится к прямодействующим экологическим факторам.

Основные газы

В атмосфере процентное содержание таких основных газов, как азот (N₂ – 78,1 %), кислород (O₂ – 21 %), углекислый газ (CO₂ – 0,03 %), аргон (Ag₂ – 0,9 %), относительно постоянно, а значение их для жизни растений неравнозначно. Газообразный азот инертен и в этом виде не является жизненно важным как для животных, так и для растений.

Необходимый кислород

В атмосфере Земли кислород имеет биогенное происхождение и образовался благодаря деятельности древних автотрофных организмов. Как и нам, он необходим растениям для дыхания, однако в атмосфере в нем нет недостатка, но недостаток его в почве может быть ограничивающим фактором распространения флоры. Воздухообмен между атмосферой и почвой происходит через поры, образованные почвенными организмами, а также корнями деревьев и кустарников.

В переувлажненной почве кислорода всегда меньше, чем необходимо растениям. Плохая аэрация верхнего почвенного слоя может быть следствием избытка осадков на фоне плохого испарения, высокого уровня грунтовых и почвенных вод. Комплекс перечисленных условий характерен для тундр, болот и бореальных хвойных лесов. В этих сообществах обитают психрофиты, оксилофиты и гигрофиты, адаптированные к недостатку O₂, который наблюдается в бесструктурных глинистых почвах, насыщенных водой лесной подстилке и торфе.

Плохая аэрация наблюдается в травяном покрове с плотной дерниной или с ярусом зеленого мха, именно поэтому в садоводстве принято периодически скарифицировать газон, создавая воздухоносные ходы в дернине. Ледяная корка зимой тоже способствует аэробным условиям, однако в состоянии покоя растения их лучше переносят.

От недостатка кислорода в почве страдают в первую очередь корни, причем чем выше температура среды, тем больше потребность в кислороде. Так что растения тропических лесов чаще встречаются с проблемой плохой аэрации почв, решением которой можно рассматривать изменение морфологии корней: досковидные выросты на их верхней части, ходульные и воздушные придаточные корни. Дыхательные корни (пневматофоры) у болотных кипарисов (Taxodium distichum) – классический пример адаптации к болотистым местообитаниям. Не менее зависим от кислорода процесс прорастания семян, из-за его недостатка прорастание порой задерживается на десятилетия, а затем происходит при удачном стечении обстоятельств.

Водная среда может испытывать как недостаток кислорода, так и его избыток. В текущей прозрачной воде водные растения чувствуют себя очень комфортно и в результате фотосинтеза обогащают воду кислородом настолько, что он даже выделяется в воздушную среду. Оттого нам так убаюкивающе хорошо погожим деньком у речки. В стоячей воде кислорода не хватает, поэтому гидрофиты имеют морфологические адаптации в виде воздушные полостей в стеблях, листьях и корнях (рогоз, камыш, тростник), а также разветвленные и тонкостенные побеги (элодея, рдест), напоминающие талломы водорослей.

Зафиксированное трехкратное повышение содержания метана в атмосфере связывают с грядущим потеплением климата и считают одной из причин.

Углекислый газ для фотосинтеза

Важнейший процесс жизнедеятельности растений – фотосинтез напрямую зависит от содержания в воздухе, окружающем растения, углекислого газа, который выделяется в процессе дыхания почвенных организмов. Свою лепту в пополнение атмосферы этим газом вносят извержения вулканов и разложение карбонатных пород. Растения также выделяют углекислый газ при дыхании.

Круговорот углекислого газа в атмосфере в природных сообществах начинается с фотосинтеза, в процессе которого CO₂ связывается с образованием углеводов, а O₂ выделяется. Часть углеводов (до 30 %) расходуется самими растениями на дыхание, остальное идет на питание гетеротрофных организмов, которые тоже дышат, а после конца своей жизни разлагаются с выделением CO₂. В разных растительных сообществах отличается динамика концентрации углекислоты. Больше всего скапливается ее в нижнем ярусе лесов, что в некоторой степени компенсирует зеленым растениям недостаток там света. Содержание углекислоты увеличивается в темное время суток, когда фотосинтез не идет, а дыхание организмов продолжается. В густых лесах различие содержания CO₂ у основания стволов и внутри крон ночью может достигать 25 %, но благодаря конвекции воздуха внутри древостоя градиент постепенно выравнивается. Сезонная ритмика развития сообществ также влияет на содержание CO_2, и это напрямую связано с периодичностью и интенсивностью фотосинтеза. В частности, весной в северных широтах потребление углекислого газа растительным покровом превышает выделение его почвой.

Анаэробные процессы происходят без кислорода, а в аэробных кислород участвует как окислитель.

И все остальные…

Кроме вышеуказанных газов в воздухе могут присутствовать двуокись серы (SO₂), угарный газ (CO), метан (NH₃), окись азота (NO₂ ), а также частицы пыли и копоти, водные пары и даже ароматические и фитонцидные выделения растений. Их содержание отличается большим разнообразием и непостоянством, зависит от климата, особенностей местообитания, сезона и времени суток.

Водяные пары важны для транспирации и дыхания растений, недостаток влаги в окружающем их воздухе может вызывать закрытие устьиц и препятствовать поглощению кислорода и углекислого газа, а следовательно, тормозить процесс фотосинтеза. Особенно чувствительные к этому фактору гигрофиты вянут при незначительном иссушении воздуха, как, впрочем, и высокогорные и тундровые растения, которые трудно поддаются культивированию на продуваемых иссушающими ветрами равнинах.

Влажный воздух сильнее рассеивает свет, что также вносит коррективы в процесс фотосинтеза, особенно в многоярусных лесных сообществах. Избыточная аэрация, напротив, приводит к излишнему иссушению верхнего почвенного горизонта, что часто наблюдается на бесструктурных пылеватых почвах.

Пары двуокиси серы и сероводорода (H₂S) присутствуют вблизи природных источников и в районах сейсмической активности Земли. В болотистых местообитаниях во время анаэробного разложения бактериями органических остатков выделяется метан, который относится к парниковым газам. Интерес к нему в последнее время пережил настоящий бум. Зафиксированное трехкратное повышение содержания его в атмосфере связывают с грядущим потеплением климата и считают одной из причин.

Влияние эфирных выделений растений – мало изученная тема, хотя доказано их влияние на микроорганизмы, насекомых, патогенные грибы и воздействие на психоэмоциональное состояние человека и животных. Фитонциды убивают болезнетворные микроорганизмы и благотворно влияют на состояние здоровья человека. Есть мнение о взаимовлиянии растений через летучие соединения, а наблюдаемые закономерности используют, в частности, в органическом садоводстве и огородничестве.

Поскольку загрязнение воздуха является сравнительно молодым экологическим фактором, растения не имеют специальных адаптаций к нему.

Промышленные газы и задымление

Наряду с природными механизмами поглощения и выделения биологически необходимых веществ в эпоху индустриализации у растений возникают реакции на повышение концентрации в воздухе промышленных газов:  двуокиси серы ( SO₂), окиси азота (NO₂ ) , фтора и фтороводорода (F, HF), хлоридов. В районах промышленных выбросов деформируется климатическая и погодная обстановка, понижается уровень освещения и влажности воздуха. У растений появляются ожоги листьев, нарушаются физиологические и биохимические процессы. Как следствие, они отстают в росте, происходят индивидуальные нарушения развития (уродства), снижается продуктивность сообществ. Внешне это выражается в уменьшении размеров растений и их отдельных органов, появлении хлороза и некротических пятен на листьях, усыхании верхушек крон.

Прошлое лето никого не оставило равнодушным и подогрело интерес к влиянию пожаров на собственное здоровье и на состояние природы. Во время массовых пожаров повышается содержание в воздухе углекислого и угарного газа, окислов азота, метана, паров воды, озона. В процессе задымления появляются фенолы, взвешенные твердые частички копоти и гари.

Поскольку фактор загрязнения воздуха является достаточно молодым в сравнении с другими экологическими факторами, растения не имеют специальных адаптаций к нему. Устойчивость к загрязнению воздуха у них вырабатывается на основе давно существующих приспособлений к экстремальным значениям других факторов. В частности, наибольшей выносливостью в городе и возле промышленных предприятий обладают засухо- и жароустойчивые ксероморфные виды.

В связи с загрязнением воздушной среды в городах и промышленных районах отмечают два свойства растений: газочувствительность и газоустойчивость, которые могут совпадать либо отличаться у конкретного биологического вида. Первое характеризует скорость и степень проявления патологических реакций, а второе – способность сохранять жизнеспособность без снижения роста и размножения. Классическим примером одновременно чувствительной и устойчивой породы является лиственница, имеющая нежную, слабо защищенную кутикулой и подверженную токсичным газам хвою, которая имеет природное свойство ежегодно опадать, не накапливая полученные повреждения. Из хвойных лиственницы лучше всех выдерживают городские условия, среди лиственных пород – тополя, клен ясенелистный. Травянистые растения повреждаются меньше древесных пород. Повышенная чувствительность лишайников к загрязнению позволяет использовать их в качестве индикаторов чистоты воздушной среды.

Психрофиты – растения влажных и холодных почв.

Оксилофиты – растения сфагновых болот.