1. Водная среда жизни. Адаптации организмов к водной среде

Общая характеристика.

Водной средой называют такую среду, в которой вода играет важную роль, как наружная среда.

Вода занимает приблизительно 71% поверхность земного шара. Более 98 % - солёная вода,

1.2% - льды полярных областей.

~0,45% реки, озера, болота, родники, подземная пресная вода и т.д.

В океана различают 2 экологические области:

• пелагиаль – толщу воды;

• бенталь – дно, которая в свою очередь в зависимости от глубины делится на:

– сублиторальную зону – зона шельфа или материковой отмели, область плавного понижения суши до 200 – 500 м.;

– батиальную зону – область крутого склона до глубины 3 км.;

– абиссальную зону – океаническое ложе со средней глубиной – 3-6 км;

– ультраабиссаль – океанические впадины, 6 – 10 км;

– талассобатиаль – склоны океанических гор, вулканов,

Кромка берега, заливаемая в период приливов называется литоралью. Часть берега выше уровня прилива, увлажняемая брызгами прибоя и штормами называется супралиторалью.

Пелагиаль подразделяется на:

– эпипелагиаль – область воды до глубины до 200м.;

– мезопелагиаль – область воды от глубины 200м до глубины до 1 км.;

– батипелагиаль – область воды глубиной от 1 до 2-3 км.;

– абиссопелагиаль – область воды от 3 до 6 км;

– ультраабиссаль – глубоководные впадины.

В воде обитают примерно 150000 видов животных – около 7% от известных ныне и 10000 видов растений – 8%. Наибольшее разнообразие видов в тропических, субтропических морях на глубине не превышающей 200 – 500 м.

Характерными чертами водной среды обитания является следующие.

• Подвижность воды: приливы и отливы, морские течения, движение волн и др.;

• Плотность среды и ее вязкость. Плотность воды в 800 раз больше плотности воздушной среды. Пресная вода обладает максимальной плотностью при 4^оС. В среднем в водной толще на каждые 10м глубины давление возрастает на 1 атмосферу. Плотность воды обеспечивает возможность живым организмам опираться на нее, что особенно важно для бесскелетных форм. Опорность воды служит условием парения в воде;

• Наличие поверхностного натяжения в результате которого образуется тонкая пленка – результат притягивания молекул жидкости. Этим пользуются для передвижения водные беспозвоночные (водомерки, вертячки), скользящие по водной поверхности лишь прогибая воду, образуя вогнутый мениск;

• Температурный фактор – отличается меньшим притоком тепла, относительно постоянен, обитатели воды – стенотермы, очень опасно тепловое загрязнение. Часть тепловой энергии, поступающей на поверхность воды, отражается, часть идет на испарение. В озерах и прудах в зависимости от температуры выделяют три слоя воды:

– верхний – эпилимнион, температура которого испытывает резкие сезонные и суточные колебания;

– средний, металимнион, слой температурного скачка, где отмечается резкий перепад температур;

глубоководный (придонный) – гиполимнион, где температура в течение всего года изменяется незначительно.

Летом наиболее теплые слои располагаются у поверхности, холодные – на глубине – прямая стратификация. Зимой наоборот – обратная стратификация. Период относительно постоянного температурного состояния водной среды зимой и летом носит название стагнация (летняя и зимняя).

Термическая стратификация характерна и для морской среды, где также выделяют 3 слоя:

– поверхностный, до глубины 400 метров (морская термосфера);

– промежуточный (постоянный термоклин), до глубины 1500 м.

– глубоководный, с температурой 1-3^оС.

Исключение составляют термальные источники с температурой до 100 ^оС.

Термодинамические особенности среды, такие как высокая удельная теплоемкость, большая теплопроводность и расширение при замерзании (при этом лед образуется только сверху, а основная масса воды не промерзает) создают благоприятные условия для живых организмов.

• Кислотность среды важный фактор, нередко сказывающийся на распределении организмов. В пресных водоемах кислотность нередко испытывает значительные колебания в течение суток. Морская вода более щелочная и ее колебания менее значимы. С глубиной РН уменьшается. Водоемы с РН 3,7 – 4, 7 – кислые, 6,95 – 7,3 – нейтральные, более 7,8 – щелочные.

Большинство пресноводных рыб выдерживают РН от 5 до 9.

• Световой режим и прозрачность воды зависят от общего количества солнечного света, падающего на водную поверхность. Часть его отражается, часть поглощается толщей воды. С глубиной изменяется спектральный состав воды, поскольку волны разной длинны по разному поглощаются водой. Первыми исчезают красные лучи, затем зеленые, синие. Растения приспосоабливаются к этому вырабатывая специальные пигменты: фикофеинф, фукоксантины, фикоэритрины и др., т.е. происходит хроматическая ааптация. Для водных растений и частично погруженных характерна гетерофилия, т.е. различие строения надводных и подводных органов у одного растения.

Например, стрелолист, лютик водный разнолистный, кувшинки, кубышки, поручейник.

Поглощение света в воде тем сильнее, чем меньше ее прозрачность. Прозрачность воды в свою очередь обусловлена наличием в ней частиц минеральных веществ (глина, ил). Уменьшается прозрачность воды при бурном разрастании водной растительности в летний период или при массовом размножении мелких организмов, находящихся в поверхностных слоях во взвешенном состоянии.

Самые прозрачные воды в Саргассовом море – 66, 5 м, а прозрачность Сырдарьи и Амударьи – несколько см.

• Солевой режим формируется под влиянием естественно-исторических и геологических условий, а также при антропогенном воздействии. Определяется содержанием солей в воде, выражается в г/л или в промилле ^О/_ОО. По общей минерализации воды подразделяются на:

– пресные – до 1 г/л;

– солоноватые – 1 – 25 г/л;

– морской солености – 26 – 50 г/л;

– рассолы – более 50 г/л.

Наиболее важными из растворенных веществ являются карбонаты, сульфаты, хлориды. Среди катионов – кальций, магний, натрий, калий. В зависимости от содержания ионов кальция в пресной воде, воды подразделяют на мягкие (менее 9мг на 1 литр) и жесткие (более 25 мг. На литр).

Соленость является ограничивающим фактором.

• Газовый режим определяется в первую очередь концентрациями кислорода и углекислого газа. Кроме них в воде имеются сероводород, метан и др.

Кислород поступает в воду из воздуха и выделяется растениями в процессе фотосинтеза. Содержание кислорода обратно пропорционально температуре: при повышении температуры содержание кислорода в воде уменьшается. Наиболее богаты кислородом холодные, подвижные воды водопадов, горных рек. Содержание кислорода в воде – лимитирующий фактор.

Например, заморы рыб зимой.

Среди животных встречаются как эвриоксибионты, так и стенооксибионты. Многие виды живых организмов способны при недостатке кислорода впадать в неактивное состояние аноксибиоз.

Дыхание гидробионтов осуществляется как через всю поверхность тела, так и через специализированные органы: жабры, легкие, трахеи. У некоторых встречаются комбинированные органы дыхания, например у двоякодышащих рыб. Вторичноводные животные сохраняют обычно атмосферный тип дыхания, как энергетически более выгодный, и поэтому нуждаются в контактах с воздушной средой.

Углекислый газ поступает в воду в результате растворения из воздуха, в результате дыхания гидробионтов, разложения органических остатков, высвобождения из карбонатов. Он лучше растворяется в воде, чем кислород. Содержание углекислого газа в воде в 700 раз больше, чем в воздухе.. Морская вода – главный резервуар углекислого газа на планете.

Углекислый газ принимает участие в формировании известковых скелетных образований беспозвоночных животных, обеспечивает фотосинтез водных растений.

• Относительное постоянство факторов, и как следствие большое количество стенобионтных видов;

Экологические группы гидробионтов.

В водной среде обитания выделяют 3 экологических группы организмов:

• Нектон – совокупность свободноплавающих животных, не имеющих связи с дном водоема – рыбы, кальмары, китообразные. Представлен крупными животными, которые способны пересекать большие расстояния и преодолевать сопротивление воды. Имеют обтекаемую форму тела и хорошо развитые органы движения. Скорость передвижения кальмаров – 50 км/ч, парусники – 100-150 км/ч, меч-рыба – 130 кмч.

• Планктон – совокупность пелагических организмов, которые не обладают способностью к активному передвижению. Как правило это мелкие животные, которые переносятся течениями. Планктон подразделяется на зоопланктон, фитопланктон, водные бактерии.

• Нейстон – организмы, населяющие поверхностную пленку воды на границе с воздушной средой. Как правило, это организмы в личиночной стадии развития. Взрослея они покидают поверхностный слой, служащий убежищем и перемещаются жить в другие слои. К гипонейстону относят крупных беспозвоночных, личинки и мальки рыб.

• Плейстон – организмы, часть которых расположена над поверхностью, а часть в воде. Например, ряска.

• Бентос – совокупность организмов, обитающих на дне водоема, в грунте: фитобентос, зообентос.

Особой группой водных организмов являются глубоководные животные. Они как правило незрячи или имеют телескопические глаза, усиленно развиты осязательные рецепторы, окрашены в красный цвет или бесцветны, не имеют плавательного пузыря, как правило имеют причудливую форму, большие рты, светящиеся органы, растягивающиеся животы, все, что способствует поглощению пищи в темноте. Их разнообразие связано со стабильностью экосистем в течение длительного исторического времени, что позволило сохраниться древним видам.

Еще одна специфическая водная экосистема образуется у черных курильщиков, где температура растворов гидротерм достигает 350^оС. Там отмечено обилие хемо-лито-автотрофных бактерий, «заросли» животных вестимминифер, гигантские крабы, моллюски.

По подвижности все гидробионты подразделяются на:

• Малоподвижные;

• Неподвижные;

• Подвижные.

По способу питания подразделяются на:

• Автотрофы;

• Гетеротрофы.

По размерам на:

• Микро;

• Макро;

• Мезо.

Особенности адаптации растений к водной среде.

• Слабое развитие проводящей ткани, т.к. воду и минеральные вещества растение поглощает всей поверхностью тела.

• Слабое развитие корневой системы, которая служит только для прикрепления к субстрату. У водорослей корней нет, есть ризоиды. У некоторых имеются корневища, в которых запасаются питательные вещества. Так же они служат для вегетативного размножения.

• Слабое развитие механических тканей, из-за высокой плотности среды, поддерживающей побег или слоевище.

• Наличие придатков, увеличивающих плавучесть.

• Наличие воздухоносной паренхимы, увеличивающей плавучесть и запасающей газы для дыхания и фотосинтеза.

• Большая поверхность листьев при малом объеме растения – приспособление к улучшению газообмена при недостатке кислорода.

• Разнолистность (гетерофилия) – сальвиния плавающая, чилим. Погруженные в воду – минеральное питание, поверхностные фотосинтез.

• Листья, погруженные в воду – тонкие, хлорофилл расположен в клетках эпидермиса – приспособление к фотосинтезу при слабом освещении.

• Наличие слизи и толстостенных клеток эндодермы – защита от вымывания минеральных солей.

• Интенсивное размножение вегетативным путем из за затруднения переноса пыльцы и низкой температуры воды, неблаготворно действующей на генеративные органы растения. При размножении половым путем цветоносы часто выносятся в воздушную среду.

• Пыльца, семена, плоды распространяются течениями – гидрохория. Часто они имеют полости, заполненные воздухом, выросты, обеспечивающие плавучесть.

Особенности адаптации животных к водной среде.

У нектона и планктона – приспособления, увеличивающие плавучесть, у бентоса – приспособления к донному образу жизни.

Анатомо-морфологические:

• У мелких форм, живущих в толще воды – редукция скелета, образование полостей в скелетных образованиях, раковинах (радиолярии, ризоподы).

• Наличие большого количества воды в тканях – медузы.

• Скопление капелек жира в теле (ночесветки, радиолярии), крупные скопления жира – ракообразные, рыбы, китообразные.

• Наличие плавательных пузырей, наполненных газом у рыб.

• Развитие воздухоносных полостей.

• Увеличение площади поверхности тела у планктона.

• Расположение дыхательного отверстия. Например, у дельфинов в теменной части головы, что позволяет сделать вдох не замедляя движения.

• Использование поверхностного натяжения воды для движения – водомерки, жуки-вертячки.

• Активное плавание при помощи ресничек (инфузория туфелька, инфузория- трубач), жгутиков (эвглена зеленая), изгибания тела (миноги, миксины, угорь), реактивным способом за счет энергии выбрасываемой струи (головоногие моллюски, наутилус), перемещение при помощи ложноножек (саркодовые), специализированных плавательных конечностей (плавники рыб, ласты млекопитающих).

• Обтекаемая форма тела у активно плавающих.

• Покрытие тела слизью, уменьшающей трение.

• Некоторые рыбы способны к полету (летучая рыба, клинобрюшка) на расстояние до 400 м.

• Только в водной среде встречаются неподвижные, ведущие прикрепленный образ жизни животные: гидроиды, коралловые полипы, морские лилии, двустворчатые моллюски и др. У них разветвленная форма тела, хорошо развитые жабры, незначительная плавучесть.

• У глубоководных специфические черты, о которых говорилось ранее.

• Приспособления формы тела, маскирующие под предметы окружающей среды (рыба-игла, морской конек, рыба-лист, скорпеновые).

• Наличие срединной линии у рыб – орган, специализированный для водной среды.

Физиологические.

• Сложный механизм водно-солевого обмена. Наличие специальных органов для удаления избытка воды: пульсирующие вакуоли, органы выделения.

• Удаление солей у морских организмов через жаберные лепестки.

• Ротовой аппарат цедильного типа (кишечнополостные, моллюски, ланцетник, иглокожие, ракообразные). Выполняют важную роль в очистке водоемов.

• Способность улавливать звуки (до ультразвука). Способность к эхолокации.

• Способность к генерированию электричества (электрический скат, электрический угорь).

• Наличие развитых хеморецепторов.

Поведенческие.

• Вертикальные перемещения (суточные, для нереста, охоты).

• Горизонтальные перемещения (нерестовые, зимовальные, нагульные).

• Способность к строительству (паук-серебрянка, осьминоги, личинка ручейника).

• Специфическое поведение жителей пересыхающих водоемов, способных переносить длительные периоды без воды в состоянии гипобиоза (пониженной жизнедеятельности).