Воздействие воды на живые организмы
Возможность существования жизни на Земле возникла благодаря уникальной роли воды как универсального растворителя; вода достаточно хорошо растворяет как органические, так и неорганические вещества, что обеспечивает высокую скорость протекания биохимических реакций внутри живых организмов и химических реакций в окружающей среде. Уникальные свойства позволили воде играть в клетке роль не только растворителя, но и терморегулятора, а также поддерживать структуру клеток и осуществлять транспортировку веществ и т. д. У наземных животных содержание воды в организме составляет от 45 до 95%.
Роль воды в клеточных процессах
Вода участвует в реакции фотосинтеза – главного процесса, создавшего на Земле органическое вещество. В ходе фотосинтеза водород из состава воды входит в структуру органических веществ, а свободный кислород выделяется в атмосферу. Вода участвует в гидролизе – разрушении органических веществ с присоединением воды. Например, гидролиз жиров, белков и углеводов происходит при переваривании пищи, а при гидролизе АТФ (аденозинтрифосфат – вещество в ядре клетки, играющее исключительно важную роль в обмене энергии и веществ в организмах) выделяется энергия, обеспечивающая жизнедеятельность клеток
В жидком состоянии вода практически не сжимаема и поэтому служит гидростатическим скелетом клетки. За счёт осмоса вода создаёт избыточное давление внутри растительных клеток, обеспечивающее упругость клеточной стенки и поддержание её формы. У растений благодаря капиллярному эффекту, характерному для воды, осуществляется подъём по сосудам от корня к другим частям растворённых в воде минеральных солей. Выведение, перемещение продуктов обмена веществ в растворённом виде у животных также происходит благодаря свойствам воды.
Роль воды в терморегуляции
Вследствие своей большой теплоёмкости вода обеспечивает примерное постоянство температуры внутри клетки. Вода может переносить большое количество теплоты, отдавая её там, где температура тканей ниже, и забирая там, где температура более высокая. Также при испарении воды происходит значительное охлаждение из-за того, вода обладает высокой удельной теплотой испарения, на которое расходуется много энергии.
Вода – единственное вещество на Земле (кроме ртути), для которого зависимость удельной теплоёмкости от температуры имеет минимум около +37°С. Вследствие этого нормальная температура большинства теплокровных животных находится в диапазоне температур 32–39°С.
Вода как абиотический фактор
Абиотические факторы – это все свойства неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на живые организмы.
Наземные животные окружены воздухом, содержание воды в котором ниже, чем в их собственном теле; поэтому все они обычно теряют воду путём испарения, а также при выведении с водой конечных продуктов метаболизма. Дефицит влаги – одна из существенных особенностей наземно-воздушной среды. Вся эволюция наземных организмов происходила в условиях приспособления к добыванию и сохранению влаги.
Режимы влажности воздуха на суше очень разнообразны, велика также суточная и сезонная изменчивость содержания водяных паров в атмосфере. Режим выпадения осадков, наличие водоёмов, запасов почвенной влаги и т. п. – всё это привело к развитию у наземных организмов способности адаптироваться к различным режимам водообеспечения.
По отношению к воде (влажности) выделяют ряд экологических групп растений: гидатофиты (водные растения, целиком или почти целиком погруженные в воду); гидрофиты (наземно-водные растения, частично погруженные в воду); гигрофиты (наземные растения, живущие в условиях повышенной влажности воздуха); мезофиты (растения, живущие в условиях среднего увлажнения) и ксерофиты (растения, произрастающие в местах с недостаточным увлажнением).
Среди основных механизмов адаптаций растений к водному фактору можно выделить следующие: уменьшение потери воды (толстая восковая кутикула, опушённые листья, листья превращены в колючки или иглы, погруженные устьица, сбрасывание листьев); увеличение поглощения воды (длинные корни, обширная корневая система); запасание воды; переживание неблагоприятного периода (в виде семян, луковиц или клубней).
Животные получают воду при потреблении жидкости и сочной пищи и в результате метаболизма (окисление и расщепление жиров, белков и углеводов). Удаление (потери) воды происходит путём испарения также через покровы или со слизистых оболочек дыхательных путей, а также путем выведения с продуктами метаболизма. Величина испарения воды зависит от влажности воздуха. Многие животные могут совершенно обходиться без питьевой воды, получая влагу другими способами. К этой группе относятся, например, многие пустынные животные: антилопы, суслики, тушканчики, черепахи, различные насекомые – воду они получают, поедая зелёные растения.
По отношению к влаге также выделяют несколько экологических групп животных: гигрофилы (влаголюбивые виды); ксерофилы (сухолюбивые виды); мезофилы (виды, занимающие промежуточное положение).
Регулирование водного баланса осуществляется поведенческими, морфологическими и физиологическими адаптациями. В условиях недостатка влаги большое значение у животных имеет использование метаболической воды, образующейся в результате окисления жиров и некоторых других веществ. Экономия воды при выведении продуктов метаболизма достигается всасыванием как можно большего её количества в пищеварительной и выделительной системах (в зависимости от условий среды). Испарение воды (потоотделение через потовые железы или через слизистую), связанное с терморегуляцией, также обеспечивает регулирование водного обмена, но может быть причиной истощения водных ресурсов организма.
Биосфера обладает самым незначительным суммарным объёмом из всех видов воды, включенных в мировой водный запас. Биологическая вода содержится в тканях растений, животных, микроорганизмов, однако водообмен в биосфере происходит наиболее интенсивно, на порядки быстрее, чем в окружающей организмы среде.
Разнообразие организмов в водах. Бактериальные сообщества
В водной среде обитают около 150 тыс. видов животных (примерно около 7% общего количества на Земле) и 10 тыс. видов растений (8%). Следовательно, вода как среда жизни не отличается видовым разнообразием. Однако бо́льшая часть невидимых нам организмов: бактерии, микроводоросли и грибы не может обитать в среде без значительного количества воды. Наибольшем разнообразием бактерий характеризуются почвы. Учитывая, что почвы тесно связаны с поверхностными и поземными водами, разнообразие бактериальных сообществ в водоёмах всегда сравнимо с разнообразием бактериальных сообществ почв. В последнее время, когда растёт загрязнение природных вод, разнообразие бактериальных, грибных, микроводорослевых сообществ в природных водоёмах напрямую связано с процессами самоочищения вод. Именно эти невидимые глазу организмы осуществляют очистку воды от самых опасных загрязняющих веществ, включая ксенобиотики (вещества, в определённых концентрациях токсичные для живых организмов).
Токсичность, биоиндикация, биотестирование
Под токсичностью понимают способность веществ вызывать нарушения физиологических функций организма, что в свою очередь приводит к нарушению метаболизма или, в тяжелых случаях, к гибели. Степень токсичности веществ принято характеризовать величиной токсической дозы – количеством вещества (отнесённым, как правило, к единице массы животного или человека), вызывающим определенный токсический эффект. Чем меньше токсическая доза, тем выше токсичность вещества. Различают средне смертельные (ЛД50), абсолютно смертельные (ЛД100), минимально смертельные (ЛД0-10) и другие дозы. Цифры в индексе отражают вероятность (%) летального исхода в группе подопытных организмов.
Существуют два принципиально разных направления изучения загрязнённости природных вод по их действию на живые организмы: биоиндикация и биотестирование. Биоиндикация – оценка качества воды по живущим в ней организмам (видовому составу, разнообразию, численности), биотестирование – оценка качества воды по реакции организма (организмов) в стандартизованных условиях лабораторного опыта (поведенческие реакции, выживаемость, плодовитость, продукция).
Биоиндикация осуществляется на различных уровнях организации биосферы: макромолекулы, клетки, органа, организма, популяции, биоценоза. Поиск обобщённых показателей оценки состояния природных объектов является одной из ведущих современных проблем. Однако к настоящему времени отсутствует единая, достаточно полная и сбалансированная комплексная методика оценки качества воды. На основе гидробиологических индексов созданы многие классификации качества вод.
В последние десятилетия для оценки состояния водных объектов всё шире применяется биотестирование.
Биотестирование представляет собой методический приём оценки качества окружающей среды по реакциям или характеристикам подопытных организмов с известными и поддающимися учёту характеристиками. Для целей биотестирования применяются биологические системы любого уровня сложности (биохимическая система, выделенный элемент клеточной структуры или орган, функциональные или структурные элементы целого организма, выборки, популяции и сообщества организмов). Показателем токсического действия служат степень изменения какого-либо из параметров, определенного биохимическими или биофизическими методами.
При проведении опытов по биотестированию необходимо иметь в виду, что отсутствие проявлений какого-либо эффекта токсичности при испытаниях проб не свидетельствует, однако, об отсутствии потенциально токсичных компонентов в их составе. В высокосапробных (содержащих большие концентрации органических веществ) водах присутствие токсикологически нейтральных органических соединений приводит к связыванию потенциальных токсикантов, например, тяжёлых металлов. В результате происходит известная в экотоксикологии «маскировка» токсичности. Это явление можно рассматривать в качестве врéменного благоприятного эффекта от смешения стоков разной химической природы. Однако не исключено, что может произойти разложение связывающих компонентов, что повысит биодоступность токсикантов с соответствующими биологическими и экологическими последствиями.
Влияние воды на биоценозы
Водные организмы, реагируя на поступление загрязняющих веществ извне, способны перестраивать свои биоценозы таким образом, чтобы снять эту нагрузку и привести качество воды в исходное состояние. Этот процесс, называемый самоочищением водных объектов, наблюдается повсеместно. Однако загрязнение не должно превышать некоего критического уровня, после достижения которого экосистема переходит в угнетённое состояние и частично или полностью утрачивает способность обеспечивать самоочищение водного объекта. Процессы, происходящие в природных системах, активно используются человеком в очистных сооружениях с блоками биологической очистки.
Время перестройки водных биоценозов может изменяться от суток (и даже часов) до десятилетий. Наиболее мобильной частью водных экосистем являются бактериальные сообщества, которые в течение часов могут изменить свою продукцию и видовую структуру, приспосабливаясь к новым условиям.
Так, загрязнение органическим веществом водного объекта приводит к уменьшению видового разнообразия гидробионтов, к возрастанию роли консументов 1-го порядка, среди которых преобладают глотатели и собиратели детрита, и снижению роли консументов 2-го порядка (хищного зообентоса). В целом, органическое загрязнение приводит к преобладанию детритных пищевых цепей, резкому увеличению скорости деструкции органического вещества, значительному отклонению её от равновесного состояния.
Изменения в структуре биоценозов в связи со сменой нагрузки могут происходить в течение различных периодов времени. Они происходят по разным причинам – как естественным (ураганы, бурные паводки, пожары в бассейне реки), так и антропогенным (загрязнение, подкисление водной среды и т.п.). Изменение всегда направлено на утилизацию поступившего «излишка» органики или на трансформацию органического токсиканта до соединений, безвредных для гидробионтов. При снижении действия дополнительного фактора нагрузки структура биоценозов может возвращаться к прежнему состоянию или стать стабильной, но качественно иной.
Источник
5. Вода как экологический фактор для животных.
Вода – является необходимым условием существования всех живых организмов. Она относится к числу наиболее важных природных ресурсов нашей планеты. Вода необходима для всех форм жизни, возникших, по мнению учёных, именно в водной среде. Общее количество воды на Земле оценивается цифрой 1386 млн км 3 .
Вода является единственной природной жидкостью, имеющейся на поверхности Земли в огромных количествах. В природе вода существует в трёх агрегатных состояниях: жидком, твёрдом и газообразном.
Физиологическое значение воды для живых организмов состоит в том, что она обеспечивает сохранение структуры и нормальное функционирование живой клетки путём воздействия на биологические мембраны и протекающие с их участием процессы. Вода является универсальным растворителем, обладает плотностью, проницаемостью и даже может компенсировать перепады температур.
По отношению к воде можно выделить три экологических группы животных:
Гигрофилы – влаголюбивые животные, нуждающиеся в высокой влажности среды. У них слабо развиты или вообще отсутствуют механизмы регуляции водного обмена. Они не могут накапливать в значительном количестве и удерживать длительное время запасы воды в теле. Такие животные, как правило, обитают во влажной среде и вынуждены постоянно пополнять запасы воды (мокрицы, комары, наземные планарии, немертины и т.д.). Типично гигрофильной группой являются наземные моллюски и амфибии.
Мезофиллы – животные обитающие в условиях умеренной влажности. К ним можно отнести озимую совку. Многие другие насекомые, птицы, млекопитающие, являясь также типичными мезофиллами, существуют в районах с невысокой влажностью воздуха и сравнительно легко переносят её колебания.
Ксерофилы – это сухолюбивые животные, не переносящие высокой влажности. У всех ксерофилов хорошо развиты механизмы регуляции водного обмена и приспособления к удержанию воды в теле. Приспособления к жизни в засушливых условиях могут быть самыми различными. Так, слоновая черепаха запасает воду в мочевом пузыре; многие насекомые, грызуны и др животные получают воду с пищей; некоторые млекопитающие избегают дефицита влаги путём отложения жиров, при окислении которых образуется метаболическая вода. За счёт метаболической воды живут многие насекомые, питающиеся сухим кормом, верблюды, курдючные овцы, жирнохвостые тушканчики и др.
Водный баланс животных организмов.
Животные получают воду тремя основными путями: через питьё, вместе с сочной пищей и в результате метаболизма, т.е. за счёт окисления и расщепления жиров, белков и углеводов.
Потери воды у животных происходят через испарение покровами или со слизистых оболочек дыхательных путей, путём выведения из тела мочи и непереваренных остатков пищи.
Влажность воздуха также очень важна для животных, так как от неё зависит величина испарения с поверхности тела.
Способы регуляции водного баланса у животных разнообразнее, чем у растений. Их можно разделить на поведенческие, морфологические и физиологические.
К числу поведенческих приспособлений относятся поиски водопоев, выбор мест обитания, рытьё нор и т.д. В норах влажность воздуха приближается к 100%, даже когда на поверхности очень сухо. Это снижает необходимость испарения через покровы, экономит влагу в организме.
К морфологическим способам поддержания нормального водного баланса относятся образования, способствующие задержанию воды в теле: раковины наземных улиток, ороговевшие покровы рептилий и т.д.
Физиологические приспособления к регуляции водного обмена – это способность к образованию метаболической влаги, экономии воды при выделении мочи и кала, развитие выносливости к обезвоживанию организма, величина потоотделения и отдачи воды со слизистых.
Выносливость к обезвоживанию, как правило, выше у животных, подвергающихся тепловым перегрузкам. Для человека потеря воды, превышающая 10% массы тела, смертельна. Верблюды переносят потери воды до 27%, овцы – до 23, собаки – до 17%.
6. Вода как экологический фактор для растений..
Вода-необходимое условие в жизни растений. Для процессов обмена вода является растворителем и метаболитом. Она участвует в процессах фотосинтеза, а также является растворителем органических веществ. Вода входит в состав пасоки. Она составляет основную часть растений. Растения содержат от 30 до 95% воды. Вода составляет ресурс для наземных растений и необходимое условие для водных.
Вода обуславливает тургорное давление и форму (габитус) самого растения.
Основным источником воды являются атмосферные осадки и грунтовые воды. Обеспеченность растений влагой зависит от общеклиматической характеристики местности (в области экватора до 10 тыс мм осадков, в области тропических пустынь до 100мм).
Вода в растениях содержится в 2-х формах. Свободной и коллоидно-связанной. Свободной воды мало, а содержание коллоидно-связанной достаточно велико у аридных растений.
Экологические группы растений по отношению к воде.
В зависимости от отношения растения к воде они делятся на:1. пойкилогидрические и 2. гомойогидрические. Первые не способны активно регулировать свой водный режим. У них отсутствуют анатомические особенности к защите от испарения. У большинства из них нет устьиц. Поглащают и отдают воду как физическое тело, транспирация равна простому испарению. Сюда относятся (большинство водорослей, грибов, лишайников, некоторые мхи и высшие растения).
Вторые составляют большинство высших растений. Они способны активно регулировать водный режим путём закрывания устьиц и складывания листьев.
В зависимости от увлажнённости местообитания различают:
-мезофиты (средняя увлажнённость)
-ксерофиты (засушливые местообитания)
-гидрофиты, гигрофиты (переувлажнённых м-й).
Мезофиты – растения среднего водного довольствия. Обитают в оптимальных условиях по увлажнению. Растения относительно крупные, сочные, мягкие, с умеренно развитой корневой системой и большой листовой поверхностью. Листовые пластинки плоские, мягкие. Система устьиц, а также покровные, механические, проводящие ткани умеренно развиты. Устьица располагаются на нижней стороне листа, открыто. Мезофилл рыхлый. Разделён на столбчатый и губчатый. Характерна развитая система межклетников. Поверхность листовой пластинки голая, слабо или умеренно опушенная.Мезофиты являются гидростабильными растениями, они не выносят засухи. Характерен интенсивный фотосинтез, который обуславливает быстрый рост, крупные размеры и высокую конкурентную способоность. Мезофиты делятся на:
К первым относятся растения способные существовать в узком диапазоне изменений влажности. Вторые могут выносить временный слабый дефицит влаги. Третьи выносят временный слабый избыток влаги.
Среди мезофитов выделяют несколько экобиоморф:
— Вечнозелёные хвойные деревянистые мезофиты (кедр, сосна сибирская, пихта, ель обыкновенная).
— Летнезелёные хвойные деревянистые мезофиты (листвиница, псевдолиствиница).
— Вечнозелёные лиственничные кустарничковые мезофиты (брусника, водяника, багульник).
— Вечнозелёные травянистые мезофиты ( виды рода Грушанка –грушанка малая)
— Летнезелёные лиственные деревянистые (берёза, осина, тополь)
— Летнезелёные травянистые мезофиллы (все растения имеющие название «луговой»).
Ксерофиты – растут в местах с недостаточным увлажнением и имеют приспособления, позволяющие добывать воду при её недостатке, ограничивать испарение воды или запасать её на время засухи. Это растения пустынь, степей, жестколистных вечнозелёных лесов и кустарниковых зарослей, песчаных дюн и сухих сильно нагреваемых склонов. Ксерофиты подразделяются на 2 основных типа: суккуленты и склерофиты.
Суккуленты – сочные растения с сильно развитой водозапасающей паренхимой в разных органах. Они бывают стеблевые – кактусы, стапели, кактусовидные молочаи; листовые – алоэ, агавы, молодило, очитки; корневые – аспарагус, кислица. Стебли суккулентов имеют толстую кутикулу, мощный восковой налёт или густое опушение. Устьица погружённые днём они закрыты. Это помогает суккулентам сберегать накопленную влагу. Корневая система их неглубокая, но сильно распростёртая, что особенно характерно для кактусов.
Склерофиты – это растения, наоборот, сухие на вид, часто с узкими и мелкими листьями, иногда свёрнутыми в трубочку. Листья м.б. также рассечёнными, покрытыми волосками или восковым налётом. Хорошо развита склеренхима, поэтому растения без вредных последствий могут терять до 25% влаги не завядая. Склерофиты можно подразделить на 2 группы: эуксерофиты и стипаксерофиты. К эуксерофитам относятся многие степные растения с розеточными и полурозеточными, сильно опушёнными побегами, полукустарнички, некоторые злаки, полынь холодная, эдельвейс
Чётко выраженную приспособленность к сезонному ритму влажности проявляют и некоторые многолетние растения, называемые эфемерами и эфемероидами. Они могут задержать своё развитие в случае неблагоприятных условий влажности до тех пор, пока она не станет оптимальной, или, как эфемеры, пройти весь цикл его в чрезвычайно сжатые ранневесенние сроки. Эфемеры-неблагоприятн период в виде семян, однолетн раст-я. Эфемероиды-многолетн р-я, неблагоприятн период в виде семян и покоящихся подземных органов-побегов (тюльпаны, ирис, гусиные луки ит.д.).
Стипаксерофиты – это группа узколистных дерновинных злаков (ковыль, типчак). Характеризуются низкой транспирацией в засушливый период и могут переносить особенно сильное обезвоживание тканей.
Гидрофиты – относятся растения водоёмов, болот. Это растения переувлажнённых местообитаний. По происхождению делятся на первичные и вторичные. К первичным относят водоросли, к вторичным высшие растения. Гидрофиты подразделяются на:
-гидатофиты, плейстофиты, гелофиты.
Гидатофиты (погружённые водные растения) м.б. свободноплавающие (пузырчатка, роголистник, элодея канадская) и прикреплённые корнями ко дну водоёма (телорез, подводные лютики, водные мхи).
У них слабо развиты механические и покровные ткани, эпидермис однослойный, кутикула если есть, то тонкая. Устьиц нет, выделение лишней воды осуществляется через спец клетки (гидатоды). Корневая система у свободноплавающих гидатофитов редуцирована. У прикреплённых корневая система слабо развита без корневых волосков. Корни выполняют функцию заякоривания, хранилища питательных веществ и органов вегетативного размножения. Листья либо цельные, крупные и тонкие, либо рассечены на мелкие дольки.
Плейстофиты – это полупогружённые растения сплавающими на поверхности листьями и приподнимающимися над поверхностью цветками. М.б. свободноплавающие (ряска, водокрас, сальвиния) и укореняющиеся (кувшинки, кубышки, рдесты, чилим). Листья плавающие цельные, округлые, больших размеров. Имеют характерное дорсовентральное строение. Верхняя часть листа покрыта толстой кутикулой и имеет большое число устьиц незакрывающихся. Нижняя часть листа не имеет кутикулы и устьиц, здесь располагаются гидотоды через которые осуществляется поглащение воды с растворёнными солями. Механические и проводящие ткани развиты лучше чем у погружённых растений.
Гелофиты – аэрогидрофиты или земноводные растения. Произрастают по берегам, на мелководьях, на болотах. Обладают анатомо-морфологическими особенностями промежуточными между водными и сухопутными растениями. С водными их сближает рыхлое строение стеблей и корней, наличие аэренхимы. Часто имеются гидатоды. С сухопутными их сближает хорошие развитие корневой системы, механических, покровных и проводящих тканей. Гелофиты представлены несколькими экобиоморфами: 1. жёстколистные злаки и осоки(тростник обыкновенный, осока водная); 2. безлистные осоковые (камыш озёрный, болотница); 3. мягколистные травы (стрелолист обыкновенный).
Гигрофиты –сухопутные растения, обитающие в условиях нормальной почвенной влажности и высокой влажности воздуха. Листья тонкие, нежные. Кутикула слабо развита или отсутствует. Опушение отсутствует, количество устьиц умеренное. Механические и проводящие ткани слабо развиты, как в стеблях, так и в корнях. Устьица открытые. Это относительно невысокие растения. Экобиоморфы:
— мелкие нежные растения нижнего яруса тенистых лесов умеренной зоны.
— крупные травы и вечнозелёные деревья влажных тропических лесов.
— пойкилогидрические гигрофиты. К ним относят растения не способные регулировать свой водный режим и обитающие в условиях максимальной влажности.
Приспособление растений к недостатку и избытку влаги.
Приспособления, способствующие удалению лишней воды:
— особая форма листьев (саблевидные листья, свисающие вниз).
— образование желобков по краю листа (деревья капельницы).
— продольно-складчатая поверхность листа.
— удаление внутренней влаги при помощи гидатодов.
Приспособление растений к недостатку влаги:
— мясистость и сочность стеблей и листьев (н-р Кактусы).
— листья колючки (Кактусы), либо листья утолщаются, как н-р у алоэ и агавы.
— хорошо развитая корневая система. Корни м.б. либо поверхностные, широко разветвлённые и хорошо улавливающие атмосферные осадки, либо стержневые, проникающие на большую глубину до грунтовой воды.
— листья мелкие, сухие, часто в виде игл, колючек, чешуй и на них много устьиц, которые при недостатке воды закрываются. Большие листья ( н-р у ковыля, типчака) могут свёртываться устьичной стороной внутрь.
Источник
