Водная среда

Среды жизни

Область пространства с относительно постоянными физико-химическими процессами, выраженными скоординированными значениями их параметров называется средой жизни.

Различают 4 вида среды жизни:

1. водная;

2. наземно-воздушная;

3. почва;

4. организм.

Все среды характеризуются одними и теми же процессами, происходящими во Вселенной, но значения их параметров различны и зависят от агрегатного состояния основных веществ среды жизни. Эти диапазоны, слишком обширны, а области пространства, занимаемые средами жизни, чрезвычайно гетерогенны, поэтому каждый вид приспосабливается не ко всему диапазону параметров в среде, а к части, характерной для более ограниченной области пространства. Область пространства, где колебания значений параметров внешних процессов, как правило, не выходят за пределы благоприятности для организмов данного вида является его средой обитания. Необходимо отметить, что среду обитания характеризуетсовокупность скоординированных процессов, структура которых может меняться при осуществлении поведения данной живой системой за время ее жизни. Эта среда постоянно преобразуется за счет обмена веществ, который можно рассматривать как процесс взаимодействия организмов со средой, происходящий путем преобразования ресурсных циклов, а также факторных в условные.

Среда определяет возможность существования жизни и ее отдельных проявлений, но активным началом взаимодействия служит живое как создающая сила. Современные свойства сред жизни определяются влиянием совокупной жизнедеятельности обитающих в них организмов, каждый из которых изменяет свою среду обитания. В процессе развития биосферы жизнепригодность сред жизни повышается.

В любой среде выполняется принцип экологического соответствия: форма существования организма всегда соответствует условиям его жизни.

Основные процессы в водной среде, их наиболее важные параметры и приспособления организмов

Жизнь зародилась в океане, поэтому вода, как вещество, является субстратом для прохождения химических реакций во всех живых организмах. Главные процессы, определяющие свойства воды, как среды жизни:

Условные (У) или ресурсные (Р) процессы	Параметры	Экологические группы
Процесс взаимодействия молекул воды (У)	Плотность воды вязкость	Планктон Активно плавающие
Гравитационное взаимодействие (У)	сила тяжести, давление воды, выталкивающая сила	Стенобатные Эврибатные
Теплообмен (У)	Теплоемкость воды теплопроводность	Стенотермные Эвритермные
Распространение света в среде (У,Р)	Интенсивность света спектральный состав
Газообмен (Р)	концентрация СО2 и О2	Аэробы Анаэробы
Минеральный обмен (У,Р)	составу солей и их концентрации	Эвригалинные Стеногалинные Пойкилоосмотичные

1. Процесс взаимодействия молекул воды является условным для всех живых систем, он определяют физические свойства воды и ее агрегатное состояние на Земле. Плотность воды в 800 раз превышает плотность воздуха, вязкость ее в 50 раз больше вязкости воздуха. Плотность воды обеспечивает возможность организмам опираться на нее. Опорность среды служит условием парения в воде. Организмы, которые передвигаются с токами воды, имеют приспособления к парению в ней за счет увеличения поверхности тела (различные выросты) при небольшой массе (у представителей зоопланктона) или облегчения веса (газовые вакуоли фитопланктона; капли жира, как запасающее вещество в клетках простейших; плавательный пузырь у рыб, как гидростатический орган). Преодоление противоречий со средой у активных пловцов происходит за счет изменения формы тела в сторону увеличения ее обтекаемости и развития органов движения.

2. Гравитационное взаимодействие - условный процесс для всех обитателей Земли. В воде действуют 3 силы: сила тяжести, давление воды и выталкивающая сила, которая его уравновешивает. Поэтому размеры тела водных организмов ограничиваются действием силы тяжести в меньшей степени, чем наземных. Киты, например, имеют длину до 30 м и массу больше 100 т, масса слона не превышает 7 т.

Для наземных животных и растений характерны жесткие структуры, благодаря которым они сохраняют форму и положение тела, не смотря на действие силы тяжести. У растений это – механические ткани, у животных – внутренний и внешний скелет. У водных растений механические ткани сильно редуцированы и располагаются в центре стебля, что придает им способность изгибаться при движении воды; у водных животных жесткие структуры обычно служат либо для защиты, либо для прикрепления мышц (раковины моллюсков).

Основной параметр процесса гравитационного взаимодействия в воде – давление воды. С погружением на каждые 10 метров оно увеличивается на 1 атмосферу. По отношению к давлению организмы бывают стено- и эврибатными. Многие обитатели морей и океанов стенобатны, обычно это мелководные и глубоководные виды. К эврибатным относятся пресноводные обитатели и человек. Известны случаи рекордного погружения человека на глубину более 100 м. Например, французу Жаку Майолю удалось без акваланга достигнуть глубины 105 м, при этом на него действовало давление воды 10,5 атмосфер. А рекорд проникновения аквалангистов в морские глубины, установленный в 1972 г. двумя французами, составил 565 м…

3. Теплообмен - условный процесс. Теплоемкость воды в 500 раз выше теплоемкости воздуха; теплопроводность в 30 раз выше. Высокая теплопроводность воды обеспечивает относительную однородность водной среды по отношению к температуре. Температура в водной среде колеблется значительно меньше, чем в наземной: амплитуда годовых колебаний в верхних слоях океана не более 10-15 ^оС, в континентальных водах – 30-35^оС. Суточные колебания температуры морской воды наблюдаются примерно до 50-метровой глубины, а сезонные отмечаются и глубже. Вода в водоемах делится на 3 слоя: эпилимнион, температура которого испытывает резкие сезонные колебания; переходный, слой температурного скачка – термоклин, где отмечается резкий перепад температур; глубоководный (придонный) – гиполимнион, доходящий до самого дна, где температура в течение года изменяется незначительно. Поскольку температурный режим водоемов характеризуется большей стабильностью, среди гидробионтов в большей мере, чем среди организмов суши, распространена стенотермность. Эвритермные виды встречаются главным образом в мелких континентальных водоемах и на литорали морей высоких и умеренных широт, где значительны суточные и сезонные колебания.

Максимальную плотность вода имеет при температуре 4^оС, это обеспечивает замерзание водоемов только с поверхности и возможность переживания неблагоприятных условий растениями и животными на дне водоемов. Высокая теплопроводность воды способствует быстрой теплоотдаче, поэтому теплокровных организмов в водой среде крайне мало и все они являются вторичноводными.

4. Распространение света в среде - условный и ресурсный процесс для растений, условный для животных. Интенсивность света в воде сильно ослаблена, так как часть падающей радиации отражается от поверхности воды, другая – поглощается ее толщей. Поглощение света водой зависит и от ее прозрачности, а соответственно и солености, поэтому фотосинтез в пресной и соленой воде идет до разной глубины. В небольших озерах с несколько замутненной водой уже на глубину 2м проникают лишь десятые доли процента света. Наиболее богат жизнью шельф или материковая отмель в океанах, где на глубину до 80 м проникает примерно 80% солнечной радиации, ниже 140м – меньше 1%. Практически до этой глубины возможен эффективный фотосинтез и развиваются растения. С глубиной изменяется спектральный состав света: вода сильнее поглощает красные лучи и меньше всего сине-зеленые, поэтому на большой глубине живут красные водоросли, способные использовать энергию этих лучей для фотосинтеза.

В светлых поверхностных слоях воды обитают ярко окрашенные животные, глубоководные же виды обычно лишены пигментов.

5. Газообмен - ресурсный процесс, основные параметры – концентрация СО₂ и О₂ в воде. Для растений в первую очередь нужен углекислый газ, для животных организмов - кислород. Углекислота образуется в воде в результате растворения СО₂, содержащегося в воздухе, дыхания водных организмов, разложения органических остатков и высвобождения из карбонатов. Содержание углекислого газа в воде колеблется в пределах 0.2-0.5 мл/л или в 700 раз больше, чем в атмосферном воздухе, поскольку СО₂ растворяется в воде в 35 раз лучше кислорода. Морская вода является главным резервуаром СО₂. Углекислый газ, содержащийся в воде, обеспечивает фотосинтез водных растений и участвует в формировании известковых скелетов беспозвоночных животных.

Кислород поступает в воду из воздуха и выделяется растениями при фотосинтезе. Кислород плохо растворим в воде: его содержание в верхних слоях воды 6-8 мл/л, или в 21 раз ниже, чем в атмосфере; на глубине 50-1000м аэрация в 7-10 раз ниже, чем в поверхностных водах, заселенных фитопланктоном. Около дна водоемов условия могут быть близкими к анаэробным. При концентрации ниже 0.3-3.5 мл/л жизнь аэробов в воде невозможна. Среди водных обитателей значительно количество видов, способных переносить широкие колебания содержания кислорода в воде, - эвриоксибионты. К ним относятся некоторые брюхоногие моллюски. Слабое насыщение воды кислородом из рыб могут выдерживать сазан, линь, караси. Только при достаточно высоком насыщении воды кислородом могут существовать радужная форель, гольян (стенооксибионты). Многие виды живых организмов способны при недостатке кислорода впадать в неактивное состояние – аноксибиоз, и таким образом переживать неблагоприятные условия.

Дыхание гидробионтов осуществляется через поверхность тела или жабры, количество поступающего кислорода в организм при этом не велико, поэтому все первичноводные животные являются холоднокровными.

6. Минеральный обмен - условный и ресурсный процесс. Соленая и пресная вода отличаются по составу солей и их концентрации. В соленой воде преобладают ионы Na⁺, Mg⁺², Cl^-, SO₄^-2. В пресной воде преобладают ионы Ca⁺², CO₃^-2. При минерализации до 1 г/л вода является пресной. В морской воде среднее содержание растворенных солей 35 г/л, окраинных морях значительно ниже.

Различают «мягкие», бедные кальцием (<9мг/л) и жесткие воды (>25мг/л). Таким образом, кальций может быть лимитирующим элементом, ограничивающим существование данного вида в конкретном водоеме. Этот показатель обязательно учитывается при содержании аквариумных рыб.

Большинство водных обитателей пойкилоосмотичны.

Пресноводные организмы обитают в среде, где концентрация растворенных веществ ниже, чем в жидкостях клеток и тканей, в результате в их тела постоянно проникает вода и ее необходимо интенсивно удалять. Поэтому у них хорошо выражены процессы осморегуляции. У простейших они осуществляются работой сократительных вакуолей, у многоклеточных животных – работой выделительной системы. Концентрация солей в жидкостях клеток и тканей многих морских организмов соответствует концентрации солей в окружающей среде. В связи с этим осморегуляторные функции у них развиты слабее, чем у пресноводных и именно поэтому многие группы морских растений и животных не смогли заселить пресные водоемы.

Типично морские и типично пресноводные организмы не переносят значительных изменений солености и являются стеногалинными. Эвригалинные организмы в больших количествах встречаются в солоноватых водах: это лещ, пресноводный судак, щука, из морских – кефаль.

В океане с входящими в него морями различают две экологические области: толщу воды, заселенную активными организмами, которые обладают способностью плавать или удерживаться в определенных слоях – пелагиаль и дно, к которому растения прикрепляются, а животные передвигаются по нему ползанием – бенталь. Существует более дробное деление этих областей на зоны, которые отличаются значениями параметров условий и особыми приспособлениями к ним целых экологических групп организмов. В пелагиали вертикальная экологическая зональность выражена менее четко, чем в бентали, вследствие перемещения вод и вертикальной миграции организмов. Специфическую экологическую область образуют подводные вулканы – вокруг них формируются цепи питания на основе хемотрофов.

Следует отметить, что в водных местообитаниях не формируется почва, так как не образуется гумус. Грунт водоемов всегда полностью насыщен водой, и в нем нет деления на зоны, характерные для почвы.

В водной среде процессы обмена веществ живых организмов определяют химический состав воды и соответствующие процессы в ней. Животные выделяют продукты метаболизма в воду: ионы солей, органические кислоты, азотистые вещества, сероводород; растения – кислород. Фильтраторы непрерывно пропускают через свои организмы огромные количества воды, изымая из нее взвешенные органические частицы и растворенные соли. Подсчитано, что фильтраторы Большого Барьерного рифа в Австралии в течение пяти лет профильтровывают весь объем Тихого океана. Масштабы водообмена, создаваемые фильтраторами, нередко превосходят естественные гидрологические процессы. Характерная для многих гидробионтов избирательность извлечения определенных веществ из среды, а также способность накапливать их в организме ведут не только к изменениям химического состава среды, но и к формированию специфических особенностей рельефа и свойств морского дна (образование коралловых рифов, атоллов, органогенных илов).

Вода является более стабильной средой, и значения параметров абиотических процессов претерпевают небольшие колебания в ней, отсюда водные организмы обладают меньшей экологической пластичностью по сравнению с наземными. Пресноводные растения и животные более пластичны, чем морские, поскольку пресная вода, как среда жизни, характеризуется большим диапазоном изменчивости значений параметров основных процессов. Прибрежные растения и животные в отличие от обитателей открытых зон главным образом эвритермны и эвригалинны. Экологическая пластичность зависит от возраста и фазы развития организма. Она является важным регулятором расселения видов. Гидробионты с высокой экологической пластичностью распространены широко.

Дата добавления: 2013-12-12