Valgus kui oluline keskkonnategur organismide jaoks (0)

Eesti Maaülikool Põllumajandus- ja keskkonnainstituut
Valgus kui oluline keskkonnategur organismide jaoks
Juhendaja : Merle Ööpik
Tartu 2011 Meie peamine valgusallikas on Päike oma 24-tunnise tõusu ning loojangu tsükliga ja aastaaegadele vastava valge aja pikenemise ja lühenemisega. Ilma Päikeseta ei eksisteeriks elu planeedil Maa. Eelnev lause saab enamusele selgeks juba algkooli loodusõpetuse õpikutest ning see on ka täiesti tõene. Päike ja valgus on peamine elu allikas fotosünteesivatele taimedele, kellest omakorda toituvad loomad ning moodustub toiduahel . Valgus on loomadele ja ka inimestele vajalik ka lihtsalt selleks, et ümbritsevat näha ning taimedel on päikesevalgusest tulenevalt kujunenud fotoperioodiline raktsioon . Siiski mitte ainult päikeselt tulev nähtav valgus pole organismidele oluline, vaid ka teised kiirugused ja eelkõige soojuskiirgus , milleta oleks Maa lihtsalt üks järjekordne jäine taevakeha .
Päike on vajalik nii taimede ja puude kasvuks, loomade, putukate ja lindude eluks kui ka inimeste jaoks. Inimene vajab päikest, et tal oleksid tugevad luud ja hambad ning ilma päikeseta võib lastel tekkida rahhiit ja hammaste lagunemine. Inimestele on päikesevalgus oluline ka seepärast, et inimese keha toodab D-vitamiini naha kokkupuutel päikesevalgusega ning õigemini UV-kiirgusega. Vitamiin D on vajalik inimeste immuunsüsteemi tööks. Viimastel aastakümnetel on peaaegu pooltel maailma inimestest on optimaalsest madalam vitamiin D tase ning seis muutub üha kehvemaks, sest inimesed veedavad üha enam aega siseruumides. Inimene suudab ka ise D-vitamiini sünteesida, kuid selleks on vajalik viibida päikesevalguse käes. Carsten Geisleri ( teadlane Kopenhaageni ülikoolist) sõnul pole siiani kindlaks määratud optimaalset vitamiin D taset, kuid ekspertide arvates on vajalik umbes 25- 50 mikrogrammi päevas kirjutas Siim Sepp (2010) oma selleteemalises artiklis.
Päikesekiirgus on oluliseks seoseks ka Maal toimuvate perioodiliste ja tsükliliste kui ka mõnikord ootamatute sündmustega. Päikesel esineb nii erakorralisi päikesepurskeid, mis levivad kiiresti ja jõuavad minutite jooksul Maale. Nende teket pole võimalik ennustada. Ent Päikesel toimuvad ka korrapärased muutused. Teatavasti muutub aja jooksul Päikese aktiivsus. Eriti iseloomulikud on Päikese laikude dünaamikale vastavad Päikese umbes 11- aastased tsüklid. Nende aktiivsuse maksimumid toimusid aastail 1948, 1959, 1970, 1981, 1992, 2003. Järgnev toimub tõenäoselt aastal 2014. Bioloogid ja meedikud on täheldanud samasugust tsüklilisust ka bioprotsessides. Vana puu mahasaagimisel märkame, et aastaringide paksus muutub 11-aastase tsükli järel. Niisugust tsüklilisust on märgatud ka teraviljasaakides, ulukite ja kahjurputukate arvukuses, haigusepideemiate esinemises jm. Keskaja katkuaastad (1361, 1372), mil korraga hukkus kümneid tuhandeid inimesi, olid Päikese aktiivsusaastad. Päikese aktiivsusega kaasnevad magnettormid ja nendega seoses sagenevad haigused (insultide ja infarktide sagedus ja nendest põhjustatud surmajuhtumite arv). Statistika kinnitab, et magnettormide ajal on ka rohkem liiklusõnnetusi. Meedikud tuvastasid, et 11-aastase tsükliga on malaaria- ja difteeriapuhangud, loomade suu- ja sõrataud, rändtirtsude massiline paljunemine jm (Karik 2007). Päikese tegevusel on suurem mõju Maa elustikule kui tavaliselt arvatakse ning vahel võib tema pikaajaline mõju jääda isegi märkamatuks, kuid tagasivaadetes ajaloole võib märgata nii mõndagi suursündmust, mille põhjus võib peituda just päikese aktiivsuse suurenemises või just selle vähenemises.
Taimedele ja teistele autotroofsetele organismidele on päikeselt tulenev nähtav valgus oluline fotosünteesiprotsesside läbiviimiseks. Fotosüntees on taimedes ja fotosünteesivates bakterites toimuv protsess, mille käigus valgusenergia muudetakse orgaaniliste ühendite keemiliseks energiaks. Taimede puhul seisneb fotosüntees süsihappegaasi- ja veemolekulide liitmises orgaanilise aine ehk glükoosi molekuliks valguse poolt ergastatud klorofülli energia arvel (joonis 1). Fotosünteesi üheks oluliseuseks aspektiks looduses on seega orgaanilise aine süntees. Seega on fotosüntees taimede kasvamise ja heterotroofide toidubaasi ning elukoha leidmise ja ehitamise alus. Toidu kaudu saavad ka heterotroofid kasvuks vajalikke ühendeid
2 ning energiat. Oluline on ka hapniku vabanemine , mis taimede jaoks vabaneb kõrvalproduktina, sest hapnikku tarvitab hingamiseks enamik elusorganisme (va anaeroobid). Seoses hapniku tootmisega kaasneb ka võimalus osoonikihi -liigse ultraviolettkiirguse eest kaitsva ekraani- täiendamiseks. Fotosünteesil on tähtis roll ka CO2 sidumisel atmosfäärist: süsinikuringe tagamisel ning selle hulga vähendamine vähendab ka ühe ökoloogilise globaalprobleemi, kasvuhooneefekti süvenemist (Tokko 2009). Fotosünteesi vaheproduktidest sünteesitakse kõik teised orgaanilised ained.
Joonis 1. Fotosüntees. (Sarapuu 2008)
Loomadele on nähtav valgus loomulikult vajalik ka nägemiseks. Silmadesse jõudvad valguskiired ärritavad nägemisretseptoreid. Kujutise teravus ja värvide eristamine sõltub erinevate organismide nägemisretseptorite ehitusest ( Cooper 2003). Olulise tähtsusega on ka ümbritsevatelt objektidelt peegelduva valguskiirguse iseloom. Hämaras tegutsevatel videviku- ja ööloomadel on välja kujunenud eriti suured silmad, seevastu maa all elaval mutil on nägemismeel tugevasti taandarenenud. Veidi teisiti on valgusega kohanenud ka näiteks kassid, kellel asub silma tagaosas peeglisarnane kile, mis võimaldab neil liikuda ja jahti pidada isegi peaaegu täielikus pimeduses. Nime ,,tapetum lucidum" kandev membraan peegeldab reetinasse tagasi sealt juba korra läbi tulnud valguse, mistõttu silmadel on teistkordselt võimalik sedasama footonit tajuda. Päeval selline meetod paremat nägemist ei taga, pigem vastupidi, kuid öösel saavad kassid nii tajuda seitse korda nõrgemat valgust kui inimesed. Täielikus pimeduses ei saa muidugi näha ka kassid (Sepp 2008).
Päikeselt tuleneva nähtava kiirguse tulemusena on taimedel välja kujunenud ka fotoperiodism ehk fotoperioodiline reaktsioon, mis tähendab taime- ja loomorganismide füsioloogilist (mõnikord ka morfoloogilist) reaktsiooni päeva ja öö pikkusele. Paljudel õistaimedel tagab fotoperiodismi pigment fütokroom, mis aitab taimel ajastada õitsemisaja. Punase valguse (660 nm) mõjul aktiviseerub taimedes fütokroom, kaug-punane valgus (730 nm) aga pärsib fütokroomi aktiivust. Kuuvalgusel on kaug-punase valguse protsentuaalne kogus suurem kui päikesevalgusel ­ seega öösel muutub fütokroom järk-järgult inaktiivseks. Pikemate ööde käigus on taim võimeline, lähtudes fütokroomi inaktiivsuse hulgast, hindama öö pikkust.
3 Üldistatult saab õistaimi tüpiseerida järgmiselt: pikapäevataimed, lühipäevataimed ja päevaneutraalsed taimed. Pikapäevataimed vajavad edukaks õitsemiseks päevapikkust, mis ületab (kokkuleppeliselt) 12 tundi ­ see tähendab, et valguseperiood on pikem kui ööperiood. Enamasti õitsevad need taimed (hilis)kevadel või (vara)suvel. Lühipäevataimed saavad edukalt õitseda, kui ööperiood on pikem valguseperioodist (ehk öö on pikem kui päev). Enamasti õitsevad need taimed hilissuvel, sügisel või talvel. Päevaneutraalsetele taimede õitsemine ei sõltu fotoperiodismist, mis tähendab, et neil pole oluline päeva ja öö pikkuse suhe (Wikipedia 2009).
Fotosüntees tagab autotroofidele elu. See tähendab, et päikesevalguse kaasabil hangivad nemad oma eluks vajalikud ained . Taimedest aga omakorda toituvad esimese astme tarbijatena herbivoorid ning hebivooridest juba kas omnivoorid või karnivoorid ning tekib toiduahel. Toiduahela ühe lüli kadumine võib kaasa tuua tohutuid tagajärgi, kuna mõned loomaliigid on toitumisel spetsialiseerunud vaid teatud kindlatele liikidele ning selle järgi kujunevad ka ökosüsteemid ning taimede, loomade elualad. Ka ajaloo suurimate väljasuremiste järel taastusid ökosüsteemid vähemalt 30 miljonit aastat. 250 miljoni aasta eest Permi ajastul suri välja üle 90 protsendi liikidest nii putukate, taimede, mereloomade, kahepaiksete kui roomajate seast. Ökosüsteemid hävitati üle kogu Maa. Liikide vahel kujunenud võrgustikud katkesid ja ellujäänud liigid hakkasid taastumise nimel võitlema. See oli kogu eluslooduse välja suremisele teadaolevalt kõige lähem olukord. Spetsialiseerunud loomad moodustasid keerulisi ökosüsteeme ja toiduahelaid väga pika aja vältel. See tähendab, et pärast suurt ökoloogilist kriisi võtab taastumine väga kaua aega. Bristoli ülikooli teadlased Sarda Sahney ja Michael Benton uurisid neljajalgsete selgroogsete nagu kahepaiksed ja roomajad taastumist. Sarda Sahney (2008) sõnul leidsid nad, et ehkki neljajalgsed toibusid kiiresti, võttis stabiilse tasakaalu tekkimine aega 30 miljonit aastat. Päikesevalgus mõjutab planeedi Maa ökosüsteeme ja kõiki elutsevaid organisme otseselt ja kaudselt ning toiduahelate muutumisel või katkemisel võib häiruda terveid pika aja vältel kujunenud süsteeme.
Kui autotroofidele fotosünteesiks ja nt loomadele ning inimestele nägemiseks on vajalik nähtav valgus, mis on lainepikkusega 380-780 nm, siis putukate ja lindude silmad on kohastunud nägema valguse lainepikkusi, mida inimeste silmad ei taju. Inimesele igavalt tuhmivärvilistena tunduvad linnud võivad tegelikult särada paljudes erinevates värvides, mille jaoks meil isegi nimesid pole, kui vaadelda neid ultraviolettvalguse lähedastes lainepikkustes (Sepp 2008). Ultraviolettkiirgus on aga suures koguses kahjulik kõigile elusorganismidele, sest põhjustab mutatsioone DNAs ning valkude denaturatsiooni ehk valgu kõrgemat järku struktuuride lagunemist. Suures kontsentratsioonis hävitab ta kõik mikroorganismid mistõttu kasutatakse seda näiteks operatsioonisaalide steriliseerimiseks. Mõõdukas koguses on organismile kasulik, sest selle toimel kulgeb vitamiini D süntees, nagu ka varem mainitud sai.
Nähtav valgus on tegelikult väga väike osa kogu kiirgusspektrist, mis Päikeselt maani jõuab. Lühema lainepikkusega kiired on näiteks gammakiired , röntgenkiired ja ultraviolettkiirgus. Pikema lainepikkusega aga infrapuna . Kiirguste jaotumist ja pikkusi on võimalik vaadelda elektromagnetspektri abil. Infrapuna ehk soojuskiirgust vajavad kõik elusorganismid oma kehatemperatuuri hoidmiseks. Valguskiirgus muutub neeldudes soojuskiirguseks. Elusorganismid ise kiirgavad samuti soojust. Kõigusoojaste loomade kehatemperatuur on näiteks otseseses sõltuvuses väliskeskkonna temperatuurist ning ka püsisoojased loomad vajavad oma kehatemperatuuri hoidmiseks teatud väliskeskkonna temperatuuri, mis on tugevalt seotud just soojuskiirgusega.
Kui eelnevalt oli mainitud juba väliskeskkonna temperatuuri, mis sõltub päikesest, siis peab
4 kindlasti välja tooma ka fakti, et päike on olulisim kliimafaktor ning kliima mõjutab suuremal või vähemal määral kõiki organisme. Ivar Murdmaa (2004) on väitel on päike tõesti oluline tegur kliima kujunemisel, kuid tegelikult on kliima köögiks ookean, mis päikese kaasabil kliimat kujundab. See hiiglaslik soojusmasin, mille pidevalt liikvel olev 13 miljoni kuupkilomeetri suurune veemass jaotab suure osa Päikeselt Maale saabuvast kiirgusenergiast soojuse näol ümber oma seaduste järgi. Soojad hoovused, sealhulgas süvahoovused, kannavad soojust troopikavöötmest pooluste poole, soojendades kliimat kõrgetel laiuskraadidel. Nii on põhjapolaarjoonel asuvad sadamad tavaliselt aastaringselt jäävabad, kuna neid "kütab" Atlandi ookeanist Norra hoovusena Barentsi merre tungiv Golfi hoovuse jätk. Samal laiuskraadil paiknevad teisalt pidevalt jääga kaetud Kanada fjordid ja jäine Gröönimaa. Antarktikast piki Lõuna-Ameerika läänerannikut põhja suunas voolav külm hoovus koos pinnaaluste vete kerkimisega on aga tegur, miks kohtame ekvaatoril asuva Peruu rannikul niiske troopikapalavuse asemel üsna jahedat kuiva kliimat. Ookeani ja kliima suhted pole tänaseni päris selged ning põhjused ja tagajärjed vahetavad sageli kohti. Sekkuvad sellised asjaolud nagu sademed ja aurumine ookeani pinnalt, päikesekiirte peegeldumine valgelt lumelt ja jäält, õhurõhk ja tuuled. Ometi toimivad kõik need faktorid koos nagu teatud väljakujunenud rütmis. Kummalisel kombel levib kliimamuutuste rütm üle terve maakera, kutsudes esile peaaegu üheaegseid sündmusi Põhja-Atlantikas, Antarktikas, India ookeanis ja Kaug-Ida meredes ning ka nendega piirneval maismaal, mis omakorda mõjutab juba nii maailmameres kui ka maismaal elutsevaid organisme.
Üheks väga väheseks eraniks valguse vajalikkusele võib tuua süvabakteri näol. See bakter elutseb sügaval maapõues täiesti omaette , teiste liikidega kokku puutumata, eraldi ökosüsteemina ning ei vaja isegi mitte hapnikku. Priit Ennet (2008) kirjutab oma teemakohases artiklis, et olendi avastas USA Lawrence Berkeley Riikliku Laboratooriumi teadlane Dylan Chivian, kes analüüsis ühest Lõuna-Aafrika Vabariigi kullakaevandusest, kolme kilomeetri sügavustest kivipragudest võetud vedelikku. Ta otsis sealt DNAd ja lootis leida paljude mikroorganismide geene, aga selgus, et 99,9 protsenti kõigist geenidest kuulus ühele ja ainsale bakteriliigile. Chiviani analüüs näitab, et tema avastatud bakter ammutab elutegevuseks vajaliku energia maapõuekivimites sisalduva uraani radioaktiivse lagunemise arvel. Tal on ka niisugused geenid, mis võimaldavad keskkonnast süsinikku ja lämmastikku võtta ning neist siis valke ehitada.
Päike on ja jääb üheks olulisimaks keskkonnateguriks organismide jaoks ning kahjuks või õnneks on see ka üks looduselement, mida inimene ei saa oma tahtmise järgi muuta ega ümber kujundada. Nii päikese nähtav valgus kui ka inimsilmale nähtamatuks jäävad kiirgused on üht või teist viisi olulised organismide elutegevuseks. Nähtav valgus on oluline fotosünteesiks kuid ka muidugi nägemiseks ja taimedel on sellest tingitud ka fotoperiodism. Infrapuna vajavad loomad oma kehatemperatuuri hoidmiseks ja soojuskiirgus aitab säilitada Maa enda temperatuuri , aga ultraviolettkiirgus seevastu on suurtes kogustes isegi elusorganismidele eluohtlik. Viimased kaks kiirgust on inimsilmale nähtamatud, mis annab tunnistust sellest, et päike mõjutab elu Maal pidevalt ja ka märkamatult. On väga väheseid organisme nagu eelmainitud süvabakter, kes oma eluks päikest ei vaja, kuid kui vaadata seda väga laias plaanis, siis ilma päikeseta poleks ka planeet Maad sellisel kujul ning seega ei saaks selle pinnas elutseda ka seesama mikroskoopiline organism.
5 Kasutatud kirjandus:
· Tokko, U. 2009. Bioloogia koduõpetaja. Ilo. Tallinn. 245. · Cooper, P. 2003. Valguse tervendav toime. Trükis. Jõhvi. 191. · Sepp, S. 2010. Vitamiin D on vajalik haiguste vastu võitlemiseks. http://www.novaator.ee (10.10.2011) · Sepp, S 2008. Loomade hämmastav taju. 10 näidet. http://www.novaator.ee (10.10.2011) · Karik, H. 2007. Kiirgus ­ ohtlik sõber. http://www.loodusesober.ee (10.10.2011) · Wikipedia. 2009. Fotoperiodism. http://et.wikipedia.org (10.10.2011) · Murdmaa, I. 2004. Kliima soojenemises on süüdi päike ja ookean. http://www.loodusajakiri.ee (10.10.2011) · Ennet, P. 2008. Süvabakter saab üksi hakkama. http://www.horisont.ee (10.10.2011) · Sahney, S. 2008. Recovering from a mass extinction. http://www.eurekalert.org (10.10.2011) · Sarapuu, T 2008. Fotosüntees. http://bio.edu.ee (11.10.2011)
6