Teplota, světlo a vlhkost jsou nejdůležitějšími faktory životního prostředí. Tyto faktory se přirozeně mění jak v průběhu roku a dne, tak v souvislosti s geografickým rajonováním. Organismy vykazují zonální a sezónní adaptaci na tyto faktory.
Sluneční záření je hlavním zdrojem energie pro všechny procesy probíhající na Zemi. Ve spektru slunečního záření lze rozlišit tři oblasti, které se liší svými biologickými účinky: ultrafialové, viditelné и infračervený.
Asi 45 % sluneční energie je vyzařováno v infračervené oblasti, 45 % ve viditelné oblasti, 10 % v ultrafialové a rentgenové oblasti.
Pro živé organismy jsou důležité kvalitativní charakteristiky světla – vlnová délka, intenzita a doba expozice.
Ultrafialová část spektra (UV) vyznačující se nejvyšší kvantovou energií a vysokou fotochemickou aktivitou.
Krátké UV paprsky o vlnové délce 150-400 nm jsou destruktivní pro vše živé. Jsou téměř úplně pohlceny ozónovým štítem, což je tenká vrstva atmosféry obsahující molekuly ozonu. Ozonový štít se nachází ve výšce asi 25-35 km od povrchu Země.
Pouze malá část delších ultrafialových paprsků (290-380 nm) dopadá na zemský povrch. Tyto paprsky jsou vysoce chemicky aktivní – ve vysoké dávce mohou poškodit živé organismy. V malém množství jsou však nezbytné.
U zvířat a lidí podporují dlouhovlnné UV paprsky syntézu vitaminu D. Mají opalovací a baktericidní účinky. Hmyz tyto paprsky vizuálně rozlišuje, tzn. vidět v ultrafialovém světle. Mohou se pohybovat pomocí polarizovaného světla. V rostlinách dlouhovlnné UV paprsky podporují syntézu některých biologicky aktivních sloučenin (vitamíny, pigmenty).
Infračervené paprsky (800–1000 nm) nejsou lidským okem vnímány, ale jsou hlavním zdrojem tepelné energie.
Tyto paprsky jsou absorbovány tkáněmi zvířat a rostlin, což způsobuje zahřívání tkání. Mnoho studenokrevných živočichů (ještěři, hadi, hmyz) využívá sluneční světlo ke zvýšení tělesné teploty.
Infračervené paprsky urychlují enzymatické a imunobiologické reakce, buněčný růst a regeneraci tkání. V rostlinách pod jejich vlivem dochází k transpiraci, vytvářející optimální podmínky pro fungování stomatálního aparátu.
Viditelné paprsky s vlnovými délkami od 400 do 750 nm, dosahujícími na zemský povrch, mají pro organismy zvláštní význam.
Oblast viditelného záření vnímaná lidským okem se prakticky shoduje s oblastí fyziologické záření (od 300 na 800 nm). V tomto případě se hranice od 380 do 710 nm vztahuje k zóně vysoké fotosyntetické aktivity.
Oblast fyziologického záření lze rozdělit do několika zón:
¦ UV – více 400 nm;
¦ modrofialová – od 400 do 500 nm;
¦ žlutozelená – 500–600 nm;
¦ oranžovo-červená – 600–700 nm;
¦ daleko červená – více 700 nm.
Viditelné světlo zajišťuje fotosyntézu, má signalizační a podmíněný reflexní význam pro orientaci v prostoru, zesiluje biochemické procesy a imunobiologickou reaktivitu.
Světlo má různý ekologický význam pro autotrofní a heterotrofní organismy.
Rostliny potřebují světlo pro:
- 1) tvorba chlorofylu;
- 2) tvorba granulí chloroplastů;
- 3) regulace práce stomatálního aparátu;
- 4) výměna a transpirace plynů;
- 5) aktivace řady enzymů;
- 6) biosyntéza nukleových kyselin a proteinů;
- 7) vliv na načasování rozmnožování, růst, kvetení, plodování a morfogenezi.
Rychlost fotosyntézy závisí na změnách vlnové délky světla. Například při průchodu světla vodou dochází k odfiltrování červené a modré části spektra a výsledné nazelenalé světlo je slabě absorbováno chlorofylem. Červené řasy však mají další pigmenty, které jim umožňují využít tuto energii a žít ve větších hloubkách než zelené řasy.
U některých rostlin, jako je eukalyptus, není fotosyntéza inhibována přímým slunečním zářením. V tomto případě dochází ke kompenzaci faktorů, kdy se jednotlivé rostliny i celá společenstva přizpůsobují různé intenzitě světla, přizpůsobují se stínu (rozsivky, fytoplankton) nebo přímému slunečnímu záření.
Světelný režim jednotlivých druhů rostlin závisí na:
¦ zeměpisná poloha oblasti;
Ve vztahu ke světlu se rozlišují tři skupiny rostlin:
- 1. Fotofilní – rostliny na otevřených plochách s dobrým osvětlením. Jedná se o rostliny stepí, pouští, polopouští (peřinka, pelyněk, obiloviny) nebo horních vrstev lesů (borovice, bříza).
- 2. Stín-tolerantní – rostliny, které mohou růst v dobrých světelných podmínkách nebo snadno snášejí určité zastínění. Například dub, smrk, bříza, osika, borovice, třezalka, jahoda.
- 3. Stín milující – rostliny, které nesnášejí přímé světlo a normálně se vyvíjejí ve stinných podmínkách. Patří sem rostliny nižších vrstev lesů – mech, kapradiny, konvalinky, ptačinec.
Mezi třemi výše popsanými ekologickými skupinami rostlin neexistují jasné hranice, protože mezi nimi existují také přechodné formy.
Pro mnoho rostlin je důležité nejen spektrální složení a intenzita světla, ale také délka světelné doby.
Fotoperiodismus je regulace biorytmů živých bytostí pomocí světla. Stalo se to denně и sezónní. Fenomén spojený s fotoperiodismem u rostlin fototropismus – jedná se o pohyb jednotlivých rostlinných orgánů směrem ke světlu.
Například pohyb květenství slunečnice přes den ve směru pohybu Slunce, ranní otevírání květenství pampelišky a večer zavírání, růst pokojových rostlin v osvětleném směru. Toto jsou příklady denní fotoperiodismus. Rostliny vnímají změny délky dne pomocí speciálních pigmentů umístěných v listech. Jejich receptory reagují na stimulaci a způsobují řadu biochemických reakcí (aktivace enzymů nebo uvolňování hormonů), později se objevují fyziologické nebo behaviorální reakce.
Poměr délky dne a noci se zvyšuje od tropů k polárnímu kruhu. Žijí ve vysokých zeměpisných šířkách rostliny dlouhého dne, k zahájení květu potřebují fotoperiodu delší než 14–15 hodin. Rostou v tropech rostliny krátkého dne – fotoperioda je kratší než 10-11 hodin.
Sezónní fotoperiodismus dobře vyjádřené ve středních a severních zeměpisných šířkách, spojené se změnou ročních období. Jak se denní světlo prodlužuje a teplota stoupá (na jaře), začne v rostlinách proudit míza, poupata bobtnají a otevírají se. S nástupem podzimu, kdy rostliny reagují na změny délky denního světla, a nikoli na teplotu, začíná opad listů a příprava na zimu.
Pro zvířata není světlo tak nezbytným faktorem jako pro rostliny. Sluneční energie není přímo absorbována zvířaty, ale je zdrojem jejich životní aktivity:
1. Sluneční světlo určuje denní fotoperiodismus života zvířat a jejich distribuci mezi ekologické niky.
Všechna zvířata lze rozdělit na denně и noc Většina z nich je nejaktivnější ve dne (skřivani, vlci, zajíci). Některé druhy (netopýři, sovy) se přizpůsobily nočnímu způsobu života. Existují i druhy, které žijí v neustálé tmě a nesnesou ostré sluneční světlo (například v půdě, hlubokých jeskyních).
Denní a noční životní styl téměř eliminuje soutěž mezi zvířaty o zdroje potravy.
- 2. Sluneční světlo umožňuje zvířatům snadnou navigaci ve vesmíru. Evolučně přispěl k rozvoji zrakových orgánů. Barevné vidění je u různých skupin zvířat distribuováno odlišně: je dobře vyvinuto u některých druhů členovců, ryb, ptáků a savců, ale u jiných druhů stejných skupin může chybět.
- 3. Světlo také určuje sezónní fotoperiodismus. Změny denních hodin spouštějí sled fyziologických procesů, které vedou k línání a hromadění tuku, rozmnožování u ptáků a savců a diapauze u hmyzu.
Zvířata vnímají změny délky denního světla pomocí svých zrakových orgánů. Živočichové, které se vyznačují migrací (ptačí migrace), se na ně připravují a migrují, přestože je stále dostatek tepla a zásobování potravou.
Studium fotoperiodismu u rostlin a živočichů ukázalo, že jejich reakce na světlo není založena na množství přijatého světla, ale na střídání period světla a tmy o určité délce během dne. Všechny organismy (od jednobuněčných po člověka) jsou schopny měřit čas, tzn. mít „biologické hodiny“. Biologické hodiny se také řídí sezónními cykly a dalšími biologickými jevy. „Biologické hodiny“ určují denní rytmus činnosti jak celých organismů, tak procesů probíhajících i na buněčné úrovni, jako je buněčné dělení.
