Экология пустынь: взаимодействие биотических и абиотических факторов.

Введение

Изучение взаимодействий между биотическими и абиотическими компонентами пустынных экосистем.

Экология пустыни – это изучение взаимодействий между биотическими и абиотическими компонентами пустынных экосистем. Пустынная экосистема определяется взаимодействием между организмами, климатом, в котором они обитают, и любыми другими неживыми факторами, влияющими на среду обитания. Пустыни – это засушливые регионы, которые обычно ассоциируются с тёплыми температурами, однако существуют и холодные пустыни. Пустыни можно найти на каждом континенте, причём самые большие пустыни расположены в Антарктиде, Арктике, Северной Африке и на Ближнем Востоке.

Климат

Пустыни испытывают широкий диапазон температур и погодных условий и могут быть классифицированы на четыре типа: жаркие, полузасушливые, прибрежные и холодные. Жаркие пустыни характеризуются теплыми температурами круглый год и низким годовым количеством осадков. Низкий уровень влажности в жарких пустынях способствует высоким дневным температурам и значительной потере тепла ночью. Среднегодовая температура в жарких пустынях составляет примерно 20–25 °C, однако экстремальные погодные условия могут приводить к температурам в диапазоне от 18 до 49 °C. Обычно выпадают дожди, за которыми следуют длительные периоды засухи. Полузасушливые пустыни испытывают условия, схожие с жаркими пустынями, однако максимальные и минимальные температуры, как правило, менее экстремальны и обычно колеблются от 10 до 38 °C. Прибрежные пустыни прохладнее жарких и полузасушливых пустынь, со средними летними температурами от 13 до 24 °C. Они также отличаются более высоким общим количеством осадков. Холодные пустыни по температуре схожи с прибрежными пустынями, однако получают больше годовых осадков в виде снегопада. Пустыни наиболее заметны своим сухим климатом, который обычно обусловлен окружающей их географией. Например, горные хребты, задерживающие дожди, и удаленность от океанов – это две географические особенности, способствующие засушливости пустынь. Горные хребты, задерживающие дожди, создают дождевые тени. Когда воздух поднимается и остывает, его относительная влажность увеличивается, и часть или большая часть влаги выпадает в виде осадков, оставляя мало или совсем не оставляя водяного пара для образования осадков на другой стороне горного хребта. Пустыни занимают одну пятую часть суши Земли и встречаются в двух поясах: между 15° и 35° широты как в Южном, так и в Северном полушариях. Эти пояса связаны с высокой интенсивностью солнечного излучения, которое получают все районы тропиков, и с сухим воздухом, опускающимся от нисходящих ветвей атмосферных циркуляционных ячеек Хэдли и Феррелла. Сухие ветры содержат мало влаги в этих районах и также способствуют испарению имеющейся воды. Многие пустынные экосистемы ограничены доступным количеством воды, а не скоростью излучения или температурой. Поток воды в этих экосистемах можно рассматривать как аналогичный потоку энергии; на самом деле, при изучении пустынных экосистем и экологии часто полезно рассматривать потоки воды и энергии вместе. Доступность воды в пустынях также может быть затруднена рыхлыми отложениями. Пыльные бури часто образуются в ветреном, засушливом климате. Ранее ученые предполагали, что пыльные бури в пустынях способствуют увеличению количества осадков, однако более поздние исследования показали, что это явление на самом деле подавляет осадки, поглощая влагу из атмосферы. Это поглощение атмосферной влаги может привести к положительной обратной связи, что ведет к дальнейшей деградации земель и опустыниванию.

Deserts experience a wide range of temperatures and weather conditions, and can be classified into four types: hot, semiarid, coastal, and cold. Hot deserts experience warm temperatures year round, and low annual precipitation. Low levels of humidity in hot deserts contribute to high daytime temperatures, and extensive night time heat loss. The average annual temperature in hot deserts is approximately 20 to 25 °C, however, extreme weather conditions can lead to temperatures ranging from 18 to 49 °C. Rainfall generally occurs, followed by long periods of dryness. Semiarid deserts experience similar conditions to hot deserts, however, the maximum and minimum temperatures tend to be less extreme, and generally range from 10 to 38 °C. Coastal deserts are cooler than hot and semiarid deserts, with average summer temperatures ranging between 13 and 24 °C. They also feature higher total rainfall values. Cold deserts are similar in temperature to coastal deserts, however, they receive more annual precipitation in the form of snowfall. Deserts are most notable for their dry climates; usually a result from their surrounding geography. For example, rain blocking mountain ranges, and distance from oceans are two geographic features that contribute to desert aridity. Rain blocking mountain ranges create Rain Shadows. As air rises and cools, its relative humidity increases and some or most moisture rains out, leaving little to no water vapor to form precipitation on the other side of the mountain range. Deserts occupy one fifth of the Earth's land surface and occur in two belts: between 15° and 35° latitude in both the southern and northern hemispheres. These bands are associated with the high solar intensities that all areas in the tropics receive, and with the dry air brought down by the descending arms of both the Hadley and Ferell atmospheric circulation cells. Dry winds hold little moisture for these areas, and also tend to evaporate any water present. Many desert ecosystems are limited by available water levels, rather than rates of radiation or temperature. Water flow in these ecosystems can be thought of as similar to energy flow; in fact, it is often useful to look at water and energy flow together when studying desert ecosystems and ecology. Water availability in deserts may also be hindered by loose sediments. Dust clouds commonly form in windy, arid climates. Scientists have previously theorised that desert dust clouds would enhance rainfall, however, some more recent studies have shown that precipitation is actually inhibited by this phenomenon by absorbing moisture from the atmosphere. This absorption of atmospheric moisture can result in a positive feedback loop, which leads to further desertification.

Пейзаж

В пустынных ландшафтах могут встречаться разнообразные геологические образования, такие как оазисы, скальные выступы, дюны и горы. Дюны – это структуры, формирующиеся под воздействием ветра, перемещающего осадочный материал в кучи. Пустынные дюны обычно классифицируются в зависимости от их ориентации по отношению к направлению ветра. Вероятно, наиболее узнаваемым типом дюн являются поперечные дюны, характеризующиеся гребнями, расположенными поперек направления ветра. Многие дюны считаются активными, то есть способными перемещаться и изменяться со временем под влиянием ветра. Однако некоторые дюны могут быть закреплены растительностью или рельефом, что препятствует их движению. Некоторые дюны также называют "липкими". Такие дюны образуются, когда отдельные песчинки цементируются вместе. "Липкие" дюны, как правило, более стабильны и устойчивы к переработке ветром, чем рыхлые дюны. Барханы и сейфы – одни из наиболее распространенных типов пустынных дюн. Барханы формируются при постоянном ветре в одном направлении и характеризуются полумесячной формой. Сейфы – длинные и узкие дюны с острым гребнем, чаще встречающиеся в пустыне Сахара. Анализ геологических образований в пустынных условиях позволяет многое узнать о геологической истории данной местности. Наблюдая и идентифицируя горные породы, геологи могут интерпретировать последовательность событий, происходивших в процессе формирования пустыни. Например, исследования поверхностной геологии пустыни Намиб позволили геологам реконструировать древние русла реки Куйсеб, основываясь на возрасте и особенностях горных пород, обнаруженных в этом районе.

Животные

Пустыни поддерживают разнообразные сообщества растений и животных, которые выработали устойчивость и способы обхода экстремальных температур и засушливых условий. Например, пустынные луга более влажные и немного прохладнее, чем окружающие их экосистемы. Многие животные получают энергию, поедая окружающую растительность, однако пустынные растения труднее усваиваются организмами. Чтобы избежать сильной жары, большинство мелких пустынных млекопитающих ведут ночной образ жизни, обитая в норах, чтобы укрыться от палящего солнца в дневное время. Эти норы предотвращают перегрев и обезвоживание, поддерживая оптимальную температуру для млекопитающего. Экология пустыни характеризуется сухими щелочными почвами, низкой чистой продукцией и оппортунистическими моделями питания травоядных и хищников. Тактики выживания других организмов основаны на физиологических особенностях. К таким тактикам относится завершение жизненных циклов до наступления ожидаемых засушливых сезонов и накопление воды с помощью специализированных органов. Климат пустыни особенно суров для эндотермических организмов. Однако эндотермические организмы выработали механизмы для удержания воды в таких средах обитания, как пустынные экосистемы, которые часто страдают от засухи. В условиях, когда внешняя температура ниже температуры тела, большинство эндотермов способны сбалансировать выработку и потерю тепла, чтобы поддерживать комфортную температуру. Однако в пустынях, где температура воздуха и почвы превышает температуру тела, эндотермы должны уметь рассеивать большое количество поглощаемого тепла. Чтобы справиться с экстремальными условиями, пустынные эндотермы адаптировались посредством избегания, снижения требований к гомеостазу и специализации. Ночные пустынные грызуны, такие как тушканчик, проводят день в прохладных норах глубоко под землей и выходят ночью на поиски пищи. Птицы гораздо более подвижны, чем наземные эндотермы, и поэтому могут избежать обезвоживания от жары, перелетая между источниками воды. Для предотвращения перегрева температура тела многих пустынных млекопитающих адаптирована к более высоким значениям, чем у млекопитающих, не обитающих в пустыне. Например, верблюды могут поддерживать температуру тела, примерно равную типичной температуре воздуха в пустыне. Эта адаптация позволяет верблюдам сохранять большие запасы воды в течение длительного времени. Другие примеры повышенной температуры тела у пустынных млекопитающих включают дневную суслика-антилопу и орикса. Некоторые пустынные эндотермы выработали очень специфические и уникальные характеристики для борьбы с обезвоживанием. Самцы саджа (пустынного тетерева) обладают специализированными перьями на брюхе, которые способны удерживать и переносить воду. Это позволяет садже обеспечивать своих птенцов, которые еще не могут самостоятельно долетать до источников воды, источником увлажнения.

Deserts support diverse communities of plant and animals that have evolved resistance, and circumventing methods of extreme temperatures and arid conditions. For example, desert grasslands are more humid and slightly cooler than its surrounding ecosystems. Many animals obtain energy by eating the surrounding vegetation, however, desert plants are much more difficult for organisms to consume. To avoid intense temperatures, the majority of small desert mammals are nocturnal, living in burrows to avoid the intense desert sun during the daytime. These burrows prevent overheating and dehydration as they maintain an optimal temperature for the mammal. Desert ecology is characterized by dry, alkaline soils, low net production and opportunistic feeding patterns by herbivores and carnivores. Other organisms' survival tactics are physiologically based. Such tactics include the completion of life cycles ahead of anticipated drought seasons, and storing water with the help of specialized organs. Desert climates are particularly demanding on endothermic organisms. However, endothermic organisms have adapted mechanisms to aid in water retention in habitats such as desert ecosystems which are commonly affected by drought. In environments where the external temperature is less than their body temperature, most endotherms are able to balance heat production and heat loss to maintain a comfortable temperature. However, in deserts where air and ground temperatures exceed body temperature, endotherms must be able to dissipate the large amounts of heat being absorbed in these environments. In order to cope with extreme conditions, desert endotherms have adapted through the means of avoidance, relaxation of homeostasis, and specializations. Nocturnal desert rodents, like the kangaroo rat, will spend the daytime in cool burrows deep underground, and emerge at night to seek food. Birds are much more mobile than ground dwelling endotherms, and can therefore avoid heat induced dehydration by flying between water sources. To prevent overheating, the body temperatures of many desert mammals have adapted to be much higher than non desert mammals. Camels, for example, can maintain body temperatures that are about equal to typical desert air temperatures. This adaptations allows camels to retain large amounts of water for extended periods of time. Other examples of higher body temperature in desert mammals include the diurnal antelope ground squirrel, and the oryx. Certain desert endotherms have evolved very specific and unique characteristics to combat dehydration. Male sandgrouse have specialized belly feathers that are able to trap and carry water. This allows the sandgrouse to provide a source of hydration for their chicks, who do not yet have the ability to fly to water sources themselves.

Растения

Хотя в пустынях суровый климат, некоторые растения все же умудряются расти. Растения, способные выживать в засушливых пустынях, называются ксерофитами, что означает их способность переживать длительные периоды засухи. Такие растения могут закрывать устьица днем и открывать их ночью. Ночью температура значительно ниже, что уменьшает потерю воды и позволяет поглощать больше углекислого газа для фотосинтеза. Адаптации ксерофитов включают устойчивость к жаре и потере воды, повышенную способность к хранению воды и уменьшенную площадь поверхности листьев. Одним из наиболее распространенных семейств пустынных растений являются кактусы, покрытые острыми колючками или щетинками для защиты от поедания травоядными. Щетинки некоторых кактусов, например, у кактуса «Старик», способны отражать солнечный свет. У некоторых ксерофитов, таких как олеандр, устьица расположены в углублениях, что защищает их от горячих, сухих пустынных ветров и позволяет листьям более эффективно удерживать воду. Еще одна уникальная адаптация встречается у ксерофитов, таких как окотилло, которые большую часть года остаются без листьев, тем самым избегая чрезмерной потери воды. Существуют также растения, называемые фреатофитами, которые приспособились к суровым пустынным условиям, развив чрезвычайно длинные корневые системы, некоторые из которых достигают 24 метров в длину, чтобы добраться до уровня грунтовых вод, обеспечивающего растение водой.

Разведка и исследования

Суровый климат большинства пустынных регионов является серьезным препятствием для проведения исследований этих экосистем. В средах, требующих специальных адаптаций для выживания, исследователям часто бывает сложно или даже невозможно проводить длительное время, изучая экологию этих регионов. Чтобы преодолеть ограничения, связанные с климатом пустынь, некоторые ученые используют технологические достижения в области дистанционного зондирования и робототехники. В 1997 году в рамках одного из таких экспериментов специализированный робот по имени "Номад" проехал по части пустыни Атакама. В ходе этой экспедиции "Номад" преодолел более 200 километров и предоставил исследователям множество фотографий посещенных им мест. В другом эксперименте, проведенном в 2004 году и названном "Объединенный аэрозольный эксперимент Объединенных Арабских Эмиратов", исследователи использовали спутники и компьютерные модели для изучения выбросов и их влияния на климат Аравийской пустыни.