Водная среда жизни реферат

Обновлено: 02.07.2024

Среда обитания — часть природного мира, окружающая живые организмы биосферы и оказывающая на них какое-либо воздействие.

Начальная среда жизни — вода. В водной среде обитания зародилась жизнь. В процессе исторического развития и адаптации большинство организмов заселили наземно-воздушную среду. Данный процесс привел к образованию наземных растений и животных. Благодаря эволюции, эти организмы адаптировались к новым условиям жизни.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Среда, в которой обитают организмы, подвержена воздействию разнообразных факторов, склонных к изменениям. Организмы обладают способностью отражения в себе параметров окружающей среды. Жизнь вышла из воды на сушу. В процессе развития живые организмы преобразовывают литосферу, представляющую собой верхний слой суши. В результате таких процессов были образованы почвы, которые стали третьей средой обитания. Виды особей отличаются по типу энергии и обмену веществ, который необходим для их нормального развития.

Внешние факторы по-разному влияют на жизнь организмов, обитающих в воде. Исходя из данного принципа, в биологии факторы бывают:

Наиболее важными факторами являются:

механические и динамические параметры дна и воды;
температурные показатели;
уровень освещенности;
количество веществ, взвешенных и растворенных в воде.

Водная среда обитания в виде гидросферы составляет около 71% от всей площади Земли. Объем воды равен около 1,46 миллиардов кубических километров, 95% от которого составляет Мировой океан. Пресная вода включает 85% ледниковой и 14% подземной. Свыше 0,6% от общего объема воды составляют такие образования, как озера, пруды, водохранилища, болота, реки и ручьи. Примерно 0,35% воды находится в почве и атмосфере.

Жизнедеятельность живых организмов определяется физическими свойствами воды. Большим значением обладают термические свойства:

большая теплоемкость;
низкая теплопроводность;
высокая скрытая теплота испарения и плавления;
свойство расширяться перед замерзанием.

Вода является хорошим растворителем. Благодаря этому свойству, она насыщена неорганическими и органическими веществами, составляющими рацион питания обитателей водной среды. Вещества транспортируются внутри организмов за счет воды, происходит выделение продуктов распада.

С помощью высокого поверхностного натяжения вода может удерживать на поверхности объекты живого и неживого типа, заполняет капилляры, что позволяет наземным растениям питаться. За счет прозрачности воды обеспечиваются условия для протекания процессов фотосинтеза на большой глубине.

К минусам водной среды модно отнести:

небольшую концентрацию кислорода;
низкий уровень освещенности;
относительно высокое давление, которое повышается по мере погружения.

Преимущества водной среды заключаются в следующем:

относительная стабильность среды с точки зрения перепадов температуры и давления;
среда более просторна по сравнению с почвенной средой;
плотность воды, что делает ее фактически экзоскелетом для определенных видов живых организмов;
защита обитателей от ультрафиолетового излучения.

Основные абиотические факторы водной среды

Жизнь и развитие водных организмов определяются характеристиками водной среды. В этих процессах огромное значение имеют ключевые абиотические факторы:

температурный режим;
плотность и вязкость;
прозрачность и световой режим;
соленость водной среды;
кислород;
углекислый газ;
кислотность водной среды.

Температурный режим

В современном описании Мировой океан характеризуется сравнительно небольшими перепадами температуры от - 2 до + 36 градусов. Пресные внутренние водоемы, характерные для умеренных широт, обладают температурой на поверхности от – 0,9 до +25 градусов.

В виде исключения можно рассмотреть термальные источники, которые могут быть теплыми, горячими и кипящими с температурой до +100 градусов.

Благоприятным принято считать такой температурный режим, при котором отсутствуют чрезмерно высокие температуры, приводящие к свертыванию белков, а также не характерны слишком низкие температуры, при которых не возможны ферментные процессы.

Плотность и вязкость воды

Вода по плотности превосходит аналогичные характеристики воздуха в 800 раз. В связи с этим водные растения достаточно слабо, либо вообще не развивают механическую ткань, предназначенную для повышения прочности организма. Таким образом, достигается хорошая эластичность стеблей растений, способных достаточно просто изгибаться.

Представители водных растений в большинстве своем характеризуются плавучестью и способностью сохранять взвешенное состояние, находясь в толще воды. В процессе они то поднимаются ближе к поверхности, то погружаются на глубину. Покровы многих водных животных защищены специальной слизью, что позволяет существенно снизить трение при их передвижении под водой. Также обитатели водной среды обладают обтекаемой формой тела.

В зависимости от глубины меняется давление, которое испытывают на себе организмы. С увеличением глубины водной среды на 10 метров, давление повышается на 1 атм. Глубоководные животные обладают рядом приспособлений, позволяющих им существовать в условиях высокого давления до 1000 атм. Обитатели поверхности воды не сталкиваются с подобными нагрузками.

Прозрачность и световой режим водной среды

Данные факторы в природе оказывают особо сильное влияние на растения, для которых характерен фотосинтез. В том случае, когда вода в водоеме мутная, растения перемещаются на поверхностный слой водной среды. Если степень прозрачности воды достаточна, то растительные организмы обитают на значительной глубине.

Такая специфика, как мутность воды, обеспечивают большие массы взвешенных в ней частиц в виде минеральных веществ, включая глину и ил, и микроскопических организмов. Данные факторы являются барьером для проникновения солнечного света.

Световой режим определяется снижением освещенности по мере увеличения глубины. При разной длине волны лучи солнечного света характеризуются неодинаковым поглощением:

с высокой скоростью поглощаются лучи красного спектра;
сине-зеленые лучи способны проникать на большую глубину.

При увеличении глубины среда меняет окрас:

зеленоватый;
зеленый;
голубой;
синий;
сине-фиолетовый;
постоянный мрак.

Таким образом, определяется зависимость цвета водорослей. Организмы с зеленым окрасом сменяются бурыми и красными, чьи пигменты обладают большей приспособленностью к среде, чтобы улавливать солнечные лучи с более короткими длинами волн.

Соленость воды

Мировой океан включает в состав совокупность практически всех элементов, которые встречаются на планете.

Массу веществ минерального происхождения в граммах, которые растворены в 1 литре воды, называют соленостью.

Соленость измеряют в промилле, что определяет содержание 1 грамма минералов в 1 литре воды.

Для морей характерно превышение испарения над осадками и стекающими в них пресными водами с материков. Соленость в этом случае составляет до 40-45 промилле, что является высоким значением. В том случае, когда объем осадков и стоков превышает объем испаряющейся воды, вода становится пресной. В условиях подземных источников с водой, соленость которой превышает 270 Ко, невозможна жизнь.

В среднем соленость воды составляет примерно 35 промилле, то есть один литр воды содержит примерно 35 грамм растворенных солей, в том числе хлоридов, сульфатов, карбонатов.

Явление осмоса напрямую связано с соленостью водной среды.

Осмос представляет собой одностороннюю диффузию веществ, которые растворены в воде, через клеточную полупроницаемую мембрану.

Клеточные мембраны отличаются достаточно высокой проницаемостью для воды и практически не проницаемы для веществ, которые растворены в клеточном соке. Уникальным механизмом осморегуляции обладают рыбы, обитающие в водоемах с пресной и морской водой. Так как осмотическое давление внешней среды и внутри тела отличается, в организм постоянно поступает вода, что заставляет гидробионтов пресных вод удалять ее интенсивно. В связи с этим, организмы характеризуются ярко выраженными механизмами осморегуляции. Соли в тканях морских организмов и в окружающей среде характеризуются схожей концентрацией. Исходя из таких условий, у них не развиты осморегуляторные функции в той степени, как у обитателей водоемов с пресной водой, что послужило препятствием к распространению морских организмов в пресной среде обитания.

Кислород

Водная среда в определенной степени насыщена кислородом. Он попадает в воду двумя способами:

из атмосферы;
в результате фотосинтеза зеленых растений.

Животные отличаются в зависимости от потребности в кислороде. К примеру, особенностью форели и гольяна является чувствительность к нехватке кислорода. В связи с этим данные виды обитают в хорошо перемешиваемых водах с быстрым течением и низкой температурой. Плотва, ерш, карась неприхотливы к данному фактору, а личинки комаров хирономид и малощетинковые черви трубочники живут на большой глубине в условиях практически полного отсутствия кислорода. Если температура воды понижается, то кислород, как и другие газы, растворяется лучше.

Углекислый газ

Растворение углекислого газа в воде по сравнению с кислородом происходит в 35 раз интенсивнее в условиях температуры 0 градусов. Концентрация углекислого газа в водной среде практически в 700 раз превышает его содержание в атмосфере, откуда он попадает в воду.

Углекислота по большей части представлена в водной среде в виде карбонатов и гидрокарбонатов щелочных и щелочноземельных металлов. Благодаря углекислому газу, реализован процесс фотосинтеза у водных растений. Также он необходим для образования известковых скелетных залежей беспозвоночных животных.

Кислотность воды

Кислотность водной среды характеризуется водородным показателем pH. Величина является отрицательным десятичным логарифмом концентрации ионов водорода в водной среде при температуре в 22 градуса, рассчитывается в молях на литр. Для анализа используют универсальную индикаторную бумагу. Исходя из полученных данных, она может быть:

По мере увеличения глубины кислотность воды повышается. Большая часть видов пресноводных рыб обитают в среде с кислотностью со значением водородного показателя от 5 до 9. Если pH менее 5, такие условия могут привести к массовой гибели рыб. В том случае, когда pH более 10, на гибель обречены все рыбы и многие животные.

Экологические группы организмов водной среды

Водная среда обитания отличается специфическими условиями жизни. Организмы распределяются в воде в зависимости от температуры, света, водных течений, давления, растворенных газов, солей. Морские и континентальные воды обладают различными условиями жизни. Морская вода представляет собой более благоприятную среду, которая близка к физиологическому раствору. Водоемы континентов менее благоприятны для организмов. Выделяют основные экологические группы организмов водной среды:

Бентос представляет собой организмы, прикрепленные к грунту, лежащие на нем или обитающие в толще осадков (фитобентос, бактериобентос и зообентос).
Перифитон в виде животных и растений, для которых характерно прикрепление или удержание на стеблях и листьях растений, либо любых поверхностях, которые возвышаются над дном и плавают по течению воды.
Планктоном называют растительные или животные организмы, которые свободно плавают в водной среде.
Нектон представляет собой активно перемещающиеся в воде организмы, которые отличаются обтекаемой формой тела, не связанные с дном. К ним относят кальмаров, рыб, китов, ластоногих и других обитателей водной среды с характерными особенностями.
Нейстон в виде микроорганизмов, растений и животных, местом обитания которых является поверхность воды, расположенная между водной и воздушной средами. Примерами являются бактерии, простейшие, водоросли, личинки.
Плейстоном называют гидробионты, которые частично находятся в воде и над ее поверхностью. К данной группе относят парусников, сифонофоров, ряску и членистоногих.

Многие виды организмов обитают в реках. Их называют потамобионтами.

Обитатели и животные

В воде обитают многие организмы. В процессе жизнедеятельности они поглощают необходимые вещества в виде пищи, воды и газов. Таким образом, при всем разнообразии водных организмов для каждого из них характерно наличие определенных приспособлений к особенностям обитания в водной среде. Такие особенности определяют физические и химические свойства воды.

В толще воды стабильно парят мелкие растения и животные, для которых характерно взвешенное состояние. Они могут парить, благодаря не только выталкивающей силе воды из-за ее физических свойств, но и наличию особых приспособлений у самих организмов, к примеру, многочисленных выростов и придатков, с помощью которых поверхность тела увеличивается, что повышает трение об окружающую жидкость.

Тела таких животных, как медуз, характеризуются плотностью, близкой к плотности воды. Они обладают специальной формой тела в виде парашюта, чтобы удерживаться в толще воды.

Активные пловцы такие, как рыбы, дельфины и тюлени, имеют веретенообразную форму тела и конечности в виде ласт. Кроме того, такие организмы достаточно легко перемещаются в воде, благодаря внешним покровам с особым строением и свойством выделять специальную смазку, представляющую собой слизь, снижающую трение о воду.

Вода отличается достаточно высокой теплоемкостью, то есть способностью запасать и удерживать тепло. Данный фактор исключает резкие температурные перепады, что не характерно для суши. Водоемы, глубина которых велика, обладают низкой температурой. Организмы способны жить даже в таких условиях за счет специальных приспособлений, образованных, благодаря стабильной температуре. Огромные океанские глубины являются средой обитания некоторых животных. Растения же приспособлены к жизни только в верхнем слое воды, куда проникает солнечный свет, необходимый для фотосинтеза.

Приспособления для дыхания обитателей водной среды:

Животные, обитающие в водоемах, дышат кислородом, который растворен в воде. Процесс данного характера обеспечен наличием особых органов дыхания, необходимых для извлечения кислорода из воды, которые называют жабрами. Жабры есть у рыб, головастиков лягушек и тритонов, жаберных моллюсков.
В том случае, когда животный организм обитает в воде и дышит воздухом атмосферы, для него характерны специальные приспособления в виде трахей. Так дышат жуки-плавунцы, водяные скорпионы.
Некоторые из животных используют воздух из тканей водных растений, например, водяной ослик.
Дыхание легочных моллюсков таких, как большой прудовик и катушка, осуществляется путем поглощения атмосферного воздуха с помощью мантийной полости, которая играет роль легкого. Эти организмы регулярно поднимаются на поверхность воды и в процессе передвижения с нижней стороны поверхностной пленки засасывают атмосферный воздух через единственное дыхательное отверстие.
Некоторым видам приходится выживать в условиях недостатка кислорода в водной среде. К примеру, личинки комаров-дергунов или звонцов, которых называют мотылем, накапливают кислород путем его прочного связывания по средствам гемоглобина в крови.
Малоподвижные животные перемещают водные массы вокруг своего тела, чтобы обеспечить приток кислорода к организму. Такой способ дыхания является отличительной чертой двустворчатых моллюсков и ракообразных пиявок.

Способы передвижения животных в водной среде:

плавники и хвосты у рыб;
хвосты и не широкие плавники у личинок лягушек;
лапы с перепонками у водоплавающих птиц;
веслообразные лапы у насекомых;
конечности с коготками позволяют ползать по дну личинкам некоторых насекомых, водяному пауку, водным клещам;
волнообразно сокращая мускулы тела, перемещаются брюхоногие моллюски;
за счет скольжения движутся в воде водомерки и вертячки.

Организмы, обитающие в водной среде, обладают разными приспособлениями, с помощью которых питаются:

Водная среда определяет в силу каких-то особенностей форму тела животных:

обитатели водоемов с быстрым течением обладают уплощенным или веретенообразной легко обтекаемой формой тела;
животные, которые живут в стоячей воде, имеют не обтекаемое и короткое тело.

Прикрепленные файлы: 1 файл

водная среда жизни.doc

По мнению большинства авторов, изучающих возникновение жизни на Земле, эволюционно первичной средой жизни была именно водная среда. Этому положению мы находим немало косвенных подтверждений. Прежде всего, большинство организмов не способны к активной жизнедеятельности без поступления воды в организм или, по крайней мере, без сохранения определенного содержания жидкости внутри организма. Внутренняя среда организма, в которой происходят основные физиологические процессы, очевидно, по-прежнему сохраняет черты той среды, в которой происходила эволюция первых организмов. Так, содержание солей в крови человека (поддерживаемое на относительно постоянном уровне) близко к таковому в океанической воде. Свойства водной океанической среды во многом определили химико-физическую эволюцию всех форм жизни. Пожалуй, главной отличительной особенностью водной среды является ее относительная консервативность. Скажем, амплитуда сезонных или суточных колебаний температуры в водной среде намного меньше, чем в наземно-воздушной. Рельеф дна, различие условий на различных глубинах, наличие коралловых рифов и проч. создают разнообразие условий в водной среде.

Особенности водной среды проистекают из физико-химических свойств воды. Так, большое экологическое значение имеют высокая плотность и вязкость воды. Удельная масса воды соизмерима с таковой тела живых организмов. Плотность воды примерно в 1000 раз выше плотности воздуха. Поэтому водные организмы (особенно, активно движущиеся) сталкиваются с большой силой гидродинамического сопротивления. Эволюция многих групп водных животных по этой причине шла в направлении формирования формы тела и типов движения, снижающих лобовое сопротивления, что приводит к снижению энергозатрат на плавание. Так, обтекаемая форма тела встречается у представителей различных групп организмов, обитающих в воде, - дельфинов (млекопитающих), костистых и хрящевых рыб.

Высокая плотность воды является также причиной того, что механические колебания (вибрации) хорошо распространяются в водной среде. Это имело важное значение в эволюции органов чувств, ориентации в пространстве и коммуникации между водными обитателями. Вчетверо большая, чем в воздухе, скорость звука в водной среде определяет более высокую частоту эхолокационных сигналов.

В связи с высокой плотностью водной среды ее обитатели лишены обязательной связи с субстратом, которая характерна для наземных форм и связана с силами гравитации. Поэтому есть целая группа водных организмов (как растений, так и животных), существующих без обязательной связи с дном или другим субстратом, "парящих" в водной толще.

Электропроводность открыла возможность эволюционного формирования электрических органов чувств.

Термические свойства воды: большая теплоемкость, высокая скрытая теплота плавления и испарения, низкая теплопроводность и расширение перед замерзанием. Благодаря этим свойствам, поддерживается относительное постоянство температурного режима океанов, что, в свою очередь, уменьшает амплитуду колебания температуры на земной поверхности. Температурная аномалия воды – расширение перед замерзанием – в сочетании с аномальным изменением плотности в интервале от 0 до +4. обеспечивают перемешивание водных масс и препятствуют промерзанию водоемов. Не будь этих аномалий, образующийся в холодное время года лед опускался бы на дно, превращая водные бассейны в залежи льда, оттаивающие летом лишь на поверхности, где находили бы приют лишь эфемерные водные организмы. Благодаря высокой теплоемкости и низкой теплопроводности вода обеспечивает не только относительное постоянство температуры океанов, но и способствует сохранению температуры тела организмов, как никакое другое вещество.

Вода является растворителем. Это свойство и исключительная подвижность делают воду основным фактором обмена веществ в неживой природе. Ту же функцию вода исполняет и в организмах – благодаря воде растворенные и нерастворенные органические вещества поступают к потребителям. Без этого обмена не могли бы существовать ни планктонные, ни неподвижные организмы. Как растворитель и как переносчик питательных веществ вода, естественно, имела большое значение в раннем периоде существования жизни до появления органов активного движения. С водой транспортируются вещества внутри организма и выделяются продукты распада.

Органический обмен веществ, включающий поглощение питательных веществ и их трансформацию и выделение продуктов метаболизма, является аналогом обмена в неорганической природе, осуществляющегося с помощью воды. Благодаря высокому поверхностному натяжению воды (по ее поверхности способны бегать водомерки), она удерживается на поверхности живых и неживых объектов и поднимается по капиллярам. Без этого свойства организмы вряд ли вышли бы на сушу, потому что питание наземных растений основано на капиллярности воды. Практическая не сжимаемость воды позволяет организмам населять большие глубины. Благодаря ряду оптических свойств, прежде всего прозрачности, в воде на значительных глубинах может идти фотосинтез. Вода на Земле представляет собой раствор солей и газов, в частности углекислоты. Американский физиолог Л. Гендерсон считал углекислоту вторым после воды веществом по своей пригодности для жизни. Благодаря высокой растворимости, углекислота так же подвижна, как и вода. Углекислота способна поддерживать в растворе со своими нейтральными солями постоянство концентрации водородных ионов, обеспечивая так называемую буферность. Она поддерживает реакцию крови, близкую к нейтральной И, наконец, углекислота является источником углерода в питании зеленых растений и некоторых хемотрофных бактерий. В связи с изучением свойств воды следует еще раз остановиться на тех особенностях океана, которые способствовали возникновению в нем жизни. Воды океана имеют относительно постоянную температуру, устойчивый состав минеральных солей, постоянную концентрацию водородных ионов, постоянное осмотическое давление и подвижность, которая обеспечивает перенос питательных веществ и их разнообразие. Океан представляет собой идеальную среду жизни.

Влияние морских течений на распределение температуры в водных массах.

Самым главным фактором, обуславливающим границы распространения организмов в море, является температура, и морские обитатели гораздо более чувствительны к ней, чем наземные. Распределение поверхностных температур океанов, в общем следует широтной зональности Однако, морские течения, переносящие огромные водные массы. Значительно перераспределяют температуру. Существуют системы горизонтальных и вертикальных течений

Адаптивные особенности водных растений

Водные растения, в отличие от наземных, поглощают влагу и минеральные соли непосредственно из окружающей воды, поэтому их организация имеет свои особенности. У них слабо развиты проводящие ткани, а также корневая система. Поскольку корни служат для прикрепления к подводному субстрату, они лишены корневых волосков. Мощное развитие корневой системы у некоторых из них – рдестов, кубышек, кувшинок – обеспечивает вегетативное размножение и запасание некоторых веществ. Главной структурной особенностью гидрофитов является наличие крупных межклетников и полостей, создающих особую воздушную ткань – аэренхиму, которая обеспечивает плавучесть органов. Подводные гидрофиты отличаются от надводных отсутствием кутикулы и функционирующих устьиц и тонкими расчлененными листьями. Для них также характерно слабое развитие механических тканей. Интенсивный газообмен при недостатке в воде растворенного кислорода обеспечивается либо очень длинными и тонкими стеблями и листьями, покровы которых легко проницаемы для кислорода – рдесты, либо сильной расчлененностью листьев – водяной лютик, уруть. Тонкость погруженных листьев обеспечивает интенсивность фотосинтеза в условиячх слабого освещения. Хлорофилл в этих клетках располагается непосредственно в клетках эпидермиса. Рдесты, водяные мхи, элодеи, валлиснерии. Клетки водных растений имеют низкий осмотический потенциал, тем не менее, им необходима защита от вымывания минеральных солей . Она достигается выделением слизи специальными клетками и образованием эндодермы из более толстостенных клеток. У ряда растений развита гетерофиллия – разнолистность. У сальвинии, например, плавающие листья обеспечивают органическое питание, а погруженные – минеральное. У кувшинок и кубышек плавающие листья приспособлены к лучшему газообмену – с устьицами только на верхней стороне листа. Водные растения размножаются вегетативным путем, однако, у палвающих присутствуют цветоносные стебли и плавающие плоды. Водные растения – гидрофиты подразделяются на несколько групп:

Плавающие на поверхности – контактирующие с водой и воздухом – ряска, сальвиния, водокрас.

Погруженные – взвешенные – контактирующие только с водной средой. Рдесты, роголистник, пузырчатка, планктонные водоросли. Эти растения образуют зону подводной вегетации. Рдестовые - семейство Potamogetonaceae – роды Potamogeton, Ruppia, Zanichellia.

Погруженные – укорененные, связанные с водой и почвой. Элодея, валлиснерия, уруть. Водоросль хара – ее появление свидетельствует о переходе от литоральной зоны к большим глубинам.

Плавающие на поверхности – укорененные – контактирующие с тремя средами – вода, воздух, почва. Кубышки, кувшинки, некоторые виды рдестов, виктория. Горизонтально расположенные листья этих растений препятствуют проникновению света в воду. Затененные нижние поверхности плавающих листьев используются водными животными для отдыха и откладки яиц.

Кроме прикрепленных или иным образом связанных с высшими растениями микроводорослей, многие виды обладают специальными приспособлениями, увеличивающими плавучесть.

Диатомовые – желто-коричневые водоросли, резко уменьшаются в загрязненных водоемах.

Зеленые – плавающие и прикрепленные нитчатые

Синезеленые. В загрязненных водоемах организуют очень высокую биомассу, не выедаются, после гибели отравляют воду многочисленными токсинами.

Адаптивные особенности водных животных.

Адаптации животных к водной среде более разнообразны, чем адаптация растений – включают анатомические, физиологические, морфологические и поведенческие признаки. Приспособления для плавучести у животных, обитающих в толще воды, позволяющие им противостоять движению воды и течениям. Уменьшение удельной плотности тканей тела плавающих животных – медузы, гребневики, пористость скелетных образований и раковин, скопления жира в тканях, газовые пузырьки в протоплазме клеток., плавательные пузыри у рыб и воздухоносные полости у сифонофор. Увеличение удельной поверхности тела при помощи различных выростов, придатков, шипов. Жгутики, реснички, изгибания тела, способность выбрасывать струю воду для большей реактивности движения, плавательные ноги, плавники, ласты, слизь на теле. Большая группа пресноводных животных используют для передвижения поверхностную пленку воды.

Донные животные вырабатывают приспособления, уменьшающие плавучесть и позволяющие удерживаться на дне, даже в условиях сильной текучести или в зоне прилива-отлива. Прикрепленные животные, роющие. Большинство водных животных пойкилотермны – температура тела зависит от температуры окружающей среды. У гомойотермных животных образуется мощных слой подкожного жира.

Приспособление к давлению водной среды. Эврибатные – обитающие и при высоком, и при низком давлении. Стенобатные – в условиях высокого давления.

Осмос. Сложные механизмы водно-солевого обмена.

Большинство водных организмов пойкилоосмотичны., т.е., осмотическое давление в телде зависит от концентрации солей в окружающей среде. Многие беспозвоночные не имеют механизма водно-солевого обмена, поскольку они изотоничны. Гомойоосмотичны высшие раки, насекомые и их личинки. Сократительные вакуоли простейших и почки у рыб помогают эффективно удалять воду из тела. Восполняя постоянный выход воды из тела, морские животные и рыбы пьют морскую воду. При этом одновалентные ионы соленой воды активно удаляются жабрами, а двухвалентные – почками. Лососи, угри, осетровые имеют мощные механизмы осморегуляции для перехода из соленой воды в пресную и наоборот.

Биологическая роль биофильтрации.

В водной среде содержится большое количество частичек органического вещества – детрита. Большая часть животных приспособилась отцеживать воду, отфильтровывая взвешенные в ней частицына специфических микропористых структурах. Другая группа животных осаждает детрит либо на поверхности собственного тела, либо на специальные ловчие устройства – седиментаторы. Животные фильтраторы и седиментаторы играют большую роль в очистке водоемов – асцидии, полихеты. Мшанки, моллюски, рачки – калянусы.

В процессе исторического развития живые организмы освоили четыре среды обитания. Первая – вода. В воде жизнь зародилась и развивалась многие миллионы лет. Вода покрывает 71% площади земного шара и составляет1/800 часть объема суши или 1370 м3. Основная масса воды сосредоточена в морях и океанах – 94-98%, в полярных льдах содержится около 1,2% воды и совсем малая доля – менее 0,5%, в пресных водах рек, озер и болот. Соотношения эти постоянны, хотя в природе, не переставая, идет круго-ворот воды (рис. 1).

В водной среде обитает около 150 000 видов животных и 10 000 растений, что составляет соответственно всего 7 и 8 % от общего числа видов Земли. На основании этого был сделан вывод о том, что на суше эволюция шла намного интенсивнее, чем в воде.

В морях-океанах, как в горах, выражена вертикальная зональность. Особенно сильно различаются по экологии пелагиаль – вся толща воды, и бенталь – дно.

Толща воды – пелагиаль, по вертикали делится на несколько зон: эпипелигеаль, батипелигеаль, абиссопелигиаль и ультраабиссопелигиаль (рис. 2).

В зависимости от крутизны спуска и глубины на дне тоже выделяют несколько зон, которым соответствуют указанные зоны пелагиали:

- литоральная – кромка берега, заливаемая во время приливов.

- супралиторальная – часть берега выше верхней приливной черты, куда долетают брызги прибоя.

- сублиторальная – плавное понижение суши до 200м.

- батиальная – крутое понижение суши (материковый склон),

- абиссальная – плавное понижение дна океанского ложа; глубина обеих зон вместе достигает 3-6 км.

- ультраабиссальная – глубоководные впадины от 6 до 10 км.

2. Вода – уникальная среда.

Вода - это совершенно уникальная среда во многих отношениях Молекула воды, состоящая их двух атомов водорода и одного атома кислорода, удивительно стабильна. Вода является единственным в своем роде соединением, которое одновременно существует в газообразном, жидком и твердом состоянии.

Вода – не только живительный источник для всех животных и растений на Земле, но является для многих из них и средой обитания. К их числу, например, относятся многочисленные виды рыб, в том числе караси, населяющие реки и озёра края, а также аквариумные рыбки в наших домах. Как видите, они прекрасно себя чувствуют среди водных растений. Дышат рыбки жабрами, извлекая кислород из воды. Некоторые виды рыб, например, макроподы дышат атмосферным воздухом, поэтому периодически поднимаются на поверхность.

Вода - среда обитания многих водных растений и животных. Одни из них всю жизнь проводят в воде, а другие находятся в водной среде лишь в начале своей жизни. В этом можно убедиться, посетив небольшой пруд или болото. В водной стихии можно обнаружить самых маленьких представителей - одноклеточные организмы, для рассмотрения которых требуется микроскоп. К ним относятся многочисленные водоросли и бактерии. Их количество измеряется миллионами на кубический миллиметр воды.

Другое интересное свойство воды заключается в приобретении весьма плотного состояния при температуре выше уровня замерзания для пресной воды эти параметры составляют соответственно 4 °С и О °С. Это имеет решающее значение для выживания водных организмов в зимний период. Благодаря этому же свойству лед плавает на поверхности воды, образуя защитный слой на озерах, реках и в прибрежных зонах. И это же свойство способствует термальной стратификации водных слоев и сезонному обороту водных масс в озерах в местностях с холодным климатом, что очень важно для жизни водных организмов. Плотность воды обеспечивает возможность опираться на нее, что особенно важно для бесскелетных форм. Опорность среды служит условием парения в воде, и многие гидробионты приспособлены именно к этому образу жизни. Взвешенные, парящие в воде организмы объединяют в особую экологическую группу гидробионтов - планктон.

Полностью очищенная вода существует только в лабораторных условиях. Любая природная вода содержит в себе много различных веществ. В "сырой воде" это в основном так называемая защитная система или углекислый комплекс, состоящий из соли угольной кислоты, карбоната и бикарбоната. Этот фактор позволяет определить тип воды кислая, нейтральная или основная, - на основе ее значения рН, что с химической точки зрения означает содержащуюся в воде пропорцию ионов водорода. У нейтральной воды рН=7, более низкие значения указывают на повышенную кислотность воды, а более высокие, - на то что она щелочная. В известняковой местности вода озер и рек обычно имеет повышенные значения рН по сравнению с водоемами тех мест, где содержание известняка в грунте незначительное

Если вода озер и рек считается пресной, то морская вода называется соленой или солоноватой. Между пресной и соленой водой существует множество промежуточных типов.

3. Экологические группы гидробионтов.

Экологические группы гидробионтов. Наибольшим разнообразием жизни отличаются теплые моря и океаны (40000 видов животных) в области экватора и тропиках, к северу и югу происходит обеднение флоры и фауны морей в сотни раз. Что касается распределения организмов непосредственно в море, то основная масса их сосредоточена в поверхностных слоях (эпипелагиаль) и в сублиторальной зоне. В зависимости от способа передвижения и пребывания в определенных слоях, морские обитатели подразделяются на три экологические группы: нектон, планктон и бентос.

Нектон (nektos – плавающий) - активно передвигающиеся крупные животные, способные преодолевать большие расстояния и сильные течения: рыбы, кальмары, ластоногие, киты. В пресных водоемах к нектону относятся и земноводные и множество насекомых.

Важнейшей на нашей планете, как мы уже говорили, и является вода. Водная среда была первой, в которой возникла и распространилась жизнь. В последующем живые организмы овладели наземно-воздушной средой, создали и заселили почву.
Вода как среда обитания – очень простое и очень сложное вещество, далекое от идеала, иначе была бы невозможна жизнь на Земле. Уже много веков ученые изучают химическое соединение с формулой Н2О из интереса к веществу, без которого нельзя представить себе жизнь на Земле. Но чем больше ученые узнают об этой жидкости, тем уникальнее она представляется, тем больше она поражает аналитиков своим нетипичным поведением.

Файлы: 1 файл

VODA_KAK_SREDA_OBITANIYa.doc

ВОДА КАК СРЕДА ОБИТАНИЯ

“Жизнь – одушевленная вода” ( Р. Дюбуа)

“Вода…Нельзя сказать, что ты

необходима для жизни: ты – сама жизнь…”

(Антуан де Сент-Экзюпери)

Вода как среда обитания – очень простое и очень сложное вещество, далекое от идеала, иначе была бы невозможна жизнь на Земле. Уже много веков ученые изучают химическое соединение с формулой Н2О из интереса к веществу, без которого нельзя представить себе жизнь на Земле. Но чем больше ученые узнают об этой жидкости, тем уникальнее она представляется, тем больше она поражает аналитиков своим нетипичным поведением.

Какие необычные свойства лишают ее идеальности? Собранные воедино, они убеждают, что вода – образец аномальности, которая имеет экологическую значимость как на планетарном, так и на организменном уровне.

Плотность, вязкость, давление.

Хорошо известно, что все тела при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Вода же при охлаждении от 4 до 0 о С (фазовый переход на границе осень-зима) начинает расширяться, т.е. максимальная плотность воды достигается при Т 4 о С: для дистиллированной воды плотность равна 1г/см3 при 4 о С, плотность природных вод, содержащих растворенные соли, может быть больше и достигать 1.35г/см3. При охлаждении объем воды резко увеличивается (почти на 10%), а плотность уменьшается. Поэтому лед легче воды и будет оставаться на поверхности водной системы. Лед и покрывающий его снег, благодаря малой теплопроводности, являются хорошей защитой жизни в водоемах в зимний период времени. Редкие вещества обладают подобным свойством.

Если бы лед был тяжелее воды, то водоемы зимой промерзали бы до дна, что привело бы к вымиранию гидробионтов. Другое обстоятельство – могли бы исчезнуть и сами водоемы – т.е. жидкая гидросфера, т.к. ледяные толщи не смогли бы растаять за летний период времени.

Вязкость характеризует внутреннее трение в данном веществе, т.е. силу, препятствующую отрыву молекулярных или ионных компонентов друг от друга. От величины вязкости зависит скорость массопереноса: диффузия, интенсивность биохимических процессов, осмотическое давление, электропроводность и т.д. Вязкость определяет особенности среды обитания: сопротивление при перемещении тел в жидкости, скорость падения взвешенных частиц, коэффициент фильтрации и т.д.

Прежде всего, очень мала абсолютная величина вязкости чистой воды – 1.787 сантипуаз (сП) = 0.01 дина/см при 0 о С и 1 атм.). Многие растворенные вещества изменяют вязкость воды, что связано с различным типом гидратации ионов. Относительная вязкость воды возрастает при растворении ряда солей. В морской воде преобладает NaCl, вязкость при возрастании солености увеличивается незначительно. Аномально нf4отосинтеза время существования молекул хлорофилла в возбужденном состоянии измеряется пикосекундами (10 -12 с), это соизмеримо с частотой колебания молекул воды.

Другим аномальным свойством воды является резкое снижение вязкости воды с ростом Т. При повышении Т от 0 о С до 25 о С, что характерно для фазового перехода воды на границе зима-весна, вязкость снижается вдвое, а до 100 о С – в 6 раз. (Для сравнения – у др. веществ – на п.10%). Это имеет большое значение для природных процессов: при этом также резко возрастает скорость седиментации частиц (это один из механизмов самоочищения водных систем); эти м же объясняется и высокая мутность весенних талых вод.

Так же аномальна и зависимость вязкости от Р: если у всех веществ вязкость при росте Р увеличивается за счет сжатия, то для воды наблюдается обратный эффект: на глубинах порядка 5000м вязкость снижается на 6%. Это обстоятельство должно увеличивать коэффициенты фильтрации подземных вод.

Плотность и вязкость воды – это факторы, определяющие условия передвижения водных организмов и давление на разных глубинах.

Давление возрастает с глубиной в среднем примерно на 1 атм на каждые 10 м. В связи с резким градиентом давления в водоемах гидробионты в целом более эврибатны по сравнению с сухопутными организмами. Некоторые виды переносят давление до нескольких сотен атмосфер, например, голотурия Elpidia, черви Priapulus, некоторые пресноводные обитатели – туфельки, сувойки, жуки-плавунцы и др. (до 650 атм). Однако многие обитатели морей относительно стенобатны и приурочены к определенным глубинам.

Плотность воды обеспечивает возможность опираться на нее, что особенно важно для бесскелетных форм. Опорность среды служит условием парения в воде. Взвешенные, парящие в воде организмы объединяются особую экологическую группу гидробионтов – планктон. Повышение плавучести и препятствие оседанию на дно обеспечивается рядом сходных адаптационных механизмов:

-общее увеличение поверхности тела за счет уменьшения размер ов, сплющенности, удлинения, развития многочисленных выростов и щетинок, что увеличивает трение о воду;

- уменьшение плотности тела за счет редукции скелета, накопления в теле жиров, пузырьков газа и т.д. (накопление запасных веществ в теле одноклеточных диатомовых водорослей не в виде тяжелого крахмала, а в виде капель жира, наличие воздухоносных камер ряда медуз, планктонных брюхоногих моллюсков и т.д.);

- некоторые планктонные водоросли способны снижать вязкость воды. (от 5 до 17%). Это приводит к ускорению процесса диффузии к организму при дефиците биогенных элементов, т.е. к повышению скорости их поступления. Это один из механизмов выживания, до конца не ясен.

Плотность и вязкость сильно влияют на возможность активного плавания животных. Животные, способные преодолевать силу течения и способные к быстрому перемещению, объединены в экологическую группу гидробионтов – нектон (рыбы, кальмары, дельфины). Известно, что скорость движения некоторых морских животных превышает мощность их двигательного аппарата (напр., мечь-рыба развивает скорость до 120 км/час). Здесь действуют дополнительные факторы – возможно, выделение веществ, снижающих вязкость воды на границе воды с поверхностью тела. [Можно отметить, что в настоящее время синтезированы некоторые полимерные вещества, добавки ничтожных количеств которых дают резкое снижение вязкости воды, они используются для увеличения скорости течения воды по трубопроводам, для подачи к бортам кораблей – растет скорость (до 30%) и снижается расход горючего(до 20%).]

Осмотическое давление (ОД)

Явление ОД связано с существованием полупроницаемых перегородок (мембран), которые пропускают отдельные молекулы воды, но препятствуют прохождению гидратированных ионов. Если подобная перегородка помещена между растворами с различной концентрацией, то из раствора с меньшей концентрацией в раствор с большей концентрацией растворенного вещества будет переходить больше молекул воды, чем в обратном направлении. Возникает явление перетекания воды, продолжающееся до выравнивания концентраций и уравновешивания возникающим гидростатическим давлением, которое называется осмотическим и определяется уравнением:

Осмотическое явление широко распространено в природе, особенно в биологических системах. Отчасти благодаря ОД, функционирует уникальный насос, перекачивающий воду от корней дерева к листьям и побегам на высоту до 150м (эвкалипт и т.д.). Особенно важно поддержание водного баланса в теле гидробионтов, для которых в отличие от наземных организмов, существенно поддержание определенного количества воды в теле при ее избытке в среде обитания. Излишнее количество воды в клетках приводит к изменению в них ОД и нарушению важнейших жизненных функций. Клетки, попавшие в менее концентрированные растворы, разбухают и лопаются – это явление называется лизис. У некоторых организмов (синезеленые перед отмиранием, проходные рыбы при нересте) в клетке вырабатывается автолизирующий фермент, ведущий к быстрому разложению отмирающего организма, что способствует ускорению поступления в воду биогенов, органических веществ, кот. Используются молодыми особями и которые необходимы для развития икры и личинок.

Гидробионты подразделяются на гомойосмотичные (эвригалинные) и пойкилосмотичные (стеногалинные). Первые сохраняют постоянным ОД в теле независимо от содержания солей в воде, имеют непроницаемые для воды покровы – млекопитающие, рыбы, высшие раки, водные насекомые, личинки. Вторые – для них ОД тела зависит от солености среды обитания. При возрастании солености возникает дефицит воды. Поэтому основной способ поддержать водный баланс для них – избегать местообитания с неподходящей соленостью. Напр., при опреснении морей после дождя морские рачки, радиолярии опускаются на глубину до 100 м. Др. средством пережить повышение солености является переход в неактивное состояние – солевой анабиоз.

Теплоемкость. Теплота испарения.Теплота плавления

Когда тепло переходит в систему, ее Т повышается:

Коэффициент пропорциональности С наз-ся теплоемкостью системы (это количество тепла, необходимого для повышения Т 1 моля (мольная) или 1г (удельная теплоемкость) тела на 1 о .).

Теплоемкость воды в 3-30 раз больше, чем у др. в-в, кроме водорода и аммиака.

Температурный режим водоемов более устойчив, чем на суше. Это связано с физическими свойствами воды: благодаря аномально высокой теплоемкости воды получение или отдача значительного количества тепла не вызывает слишком резких изменений Т.

Вода имеет аномально высокую по сравнению с другими жидкостями скрытую теплоту испарения: чтобы выпарить 1 г воды при Т=100С, необходимо затратить более пятисот калорий (1 кал = 4.18 Дж). Поэтому большая часть солнечной энергии расходуется на испарение воды, препятствуя ее перегреву. На испарение расходуется значительная часть солнечной энергии: в водной среде эта величина составляет 1/2, на континенте - около 1/4.

След отметить, что в водной среде испарение не имеет прямого влияния на функционирование водных экосистем, а связано с ней лишь через Т-условия.

В наземных экосистемах процесс испарения транспирационной воды играет огромную роль в функционировании фитоценозов. Целое научное направление - водный режим растений.

Теплота плавления воды аномально высока (6.012 кДж/моль) - она максимальна среди других жидких и твердых тел (за исключением аммиака и водорода). Благодаря этому, сглаживаются (т.е. растягиваются во времени) сезонные переходы (весну и осень можно рассматривать как фазовый переход воды).

Испарение воды с поверхности водоемов (с расходом 2263,8 Дж/г тепла), препятствует перегреву нижних слоев, а образование льда (с выделением теплоты плавления 333,48 Дж/г) замедляет их охлаждение. Амплитуда годовых колебаний Т в верхних слоях океана не выше 10-15 о С, в континентальных водоемах - 30-35 о С.

О температурной стратификации водоемов мы говорили, в водоемах существует довольно значительное разнообразие Т-х условий.

В связи с более устойчивым Т-режимом воды среди гидробионтов в значительно большей мере, чем среди населения суши, распространена стенотермность. Эвритермные виды встречаются в основном в мелких континентальных водоемах и на литорали морей высоких и умеренных широт, где значительные суточные и сезонные колебания Т.

Т.о., можно говорить о смягчающем действии водоемов на перепады Т-р на планете. С высокой теплоемкостью воды связывают и большой перенос тепла водными течениями, и нагревание атмосферы. Благодаря аномальному изменению теплоемкости с Т-рой гидросфера сглаживает колебания Т на планете: перепад Т от экватора до полюса составляет всего порядка 30 о .

Это медленное нагревание и охлаждение воды имеет значение и для Т-режима почв, что очень важно для экологии растений (напр., как растения переносят мороз, ранний рост или запаздывание)

Поверхностное натяжение - та работа, кот надо затратить на обратимое образование единицы новой поверхности раздела без изменения Т.

Для воды оно мах(за искл Hg).

Максимальное поверхностное натяжение воды способствует повышению интенсивности процессов теплопередачи на границе раздела жидкая вода - воздух: уже при слабом ветре на поверхности воды появляются волны, рябь, что повышает эффективную площадь границы раздела фаз вода – атм. воздух.

Это определяет также способность воды высоко (до 10-12 м от уровня грунтовых вод) подниматься по тончайшим капиллярам: капиллярные силы позволяют растению перекачивать и впитывать тысячи тонн влаги (транспирационная вода). Соки растений, ток крови в кровеносных сосудах - все это примеры капиллярных явлений.

Вода в капиллярах находится в новом четвертом состоянии: водяной пар в капиллярной трубочке не замерзает при охлаждении даже при - 30С, капиллярная вода становится вязкой, как вазелин, и тяжелой - ее плотность выше плотности обычной воды в 1.5 раза; при -70С в капиллярах образуется не лед, а некое стекловидное вещество.

Свойства воды в четвертом состоянии помогают объяснить необыкновенную морозостойкость ранних цветов - животворные соки, не замерзая, поднимаются по капиллярам почвы, а затем - растений.

Талая вода обладает способностью интенсифицировать биологические процессы: повышается всхожесть семян, наблюдается бурный рост микроорганизмов у кромки таящих льдов в полярных областях, ускоряется привес животных организмов при введении в рацион кормления талой воды. Таких примеров много.

Предполагается, что биологическая активность талой воды обусловлена структурным сходством со структурой воды, которая находится в живом организме - клеточная вода. Усвоение талой воды, как предполагают, требует меньших затрат энергии, поэтому благоприятно для организмов.

Есть объективные показатели особого состояния талой воды, например, установлено, что сразу после оттаивания вода обладает меньшей диэлектрической проницаемостью.

Она аномально высока, что объясняет ее необычную способность растворять вещества с ионной и полярной структурой. Поэтому в природных водах можно встретить почти всю периодическую систему элементов. (К счастью, некоторые вещества растворяются в незначительной степени).

Все типы взаимодействия между ионами и молекулами воды можно объединить понятием “гидратация”. Растворенные ионы взаимодействуют с молекулами воды, которые образую вокруг ионов сложно построенную атмосферу: здесь выделяют две зоны, которые связаны динамическим равновесием - это зоны первичной (более прочной, чаще ковалентно связанной ) гидратации и “вторичной” гидратации.

Читайте также: