Адаптация организмов к обитанию в водной среде

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Глава 1. Экологические зоны Мирового океана

Глава 2. Основные свойства водной среды и роль в жизни гидробионтов

2.1 Плотность воды

2.2 Газовый режим

2.3 Солевой режим

2.4 Температурный режим

2.5 Световой режим

2.6 Концентрация водородных ионов

2.7 Звук, электричество и магнетизм

Глава 3. Экологические группы гидробионтов

Глава 4. Специфические приспособления гидробионтов

4.1 Основные пути приспособления живых организмов к условиям среды

4.2 Способы ориентации животных в водной среде

4.3 Фильтрация как тип питания

4.4 Особенности адаптации растительных организмов к обитанию в водной среде

4.5 Особенности адаптации животных к водной среде

Заключение

Список литературы

Введение

Актуальность темы. На нашей планете живые организмы освоили четыре основные среды обитания. Первой стала водная, в которой возникла и распространилась жизнь. Далее организмы овладели наземно-воздушной, создали и заселили почву и сами стали четвертой специфической средой жизни.

Вода как среда обитания имеет ряд специфических свойств, таких как большая плотность, сильные перепады давления, малое содержание кислорода, сильное поглощение солнечных лучей. Кроме того, водоемы и их отдельные участки различаются солевым режимом, скоростью течений, содержанием взвешенных частиц. Для некоторых организмов имеют значение также свойства грунта, режим разложения органических остатков и т.д. Поэтому наряду с адаптациями к общим свойствам водной среды ее обитатели должны быть приспособлены и к разнообразным частным условиям.

Все обитатели водной среды получили в экологии комплексное название гидробионтов. Гидробионты населяют Мировой океан, континентальные водоемы и подземные воды.

Поскольку биосфера характеризуется огромным видовым разнообразием растительных и животных организмов, не достаточно знать только морфологических и анатомических особенностей обитателей различных сред обитания, в том числе и гидробионтов. Необходимо детально рассматривать их этологию и механизмы приспособлений к в водной среде на различных ступенях развития и уровнях организации с учетом таксономической принадлежности.

Все вышесказанное указывает на актуальность данной темы.

Цель: изучение адаптаций организмом к обитанию в водной среде.

Для достижения цели реализованы следующие задачи:

1. Изучить экологические зоны Мирового океана;

2. Рассмотреть свойства водной среды обитания;

3. Изучить экологические группы гидробионтов;

4. Проанализировать специфические приспособления представителей гидробионтов.

Глава 1. Экологические зоны Мирового океана

гидробионт адаптация организм водный

Вода покрывает 71% площади земного шара и составляет 1/800 часть объема суши или 1370 мі. 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 круговорот воды (рис. 1).

Рис.1 Круговорот воды в природе [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 [12].

В океане и входящих в него морях различают прежде всего две экологические области: толщу воды - пелагиаль и дно - бенталь (рис. 2). В зависимости от глубины бенталь делится на сублиторальную зону - область плавного понижения суши до глубины примерно 200 м, батиальную - область крутого склона и абиссальную зону - область океанического ложа со средней глубиной 3-6 км. Еще более глубокие области бентали, соответствующие впадинам океанического ложа, называют ультраабиссалью. Кромка берега, заливаемая во время приливов, называется литоралью. Выше уровня приливов часть берега, увлажняемая брызгами прибоя, получила название супралиторали.

Обитатели сублиторали живут в условиях относительно невысокого давления, дневного солнечного освещения, часто довольно значительных изменений температурного режима. Обитатели абиссальных и ультраабиссальных глубин существуют во мраке, при постоянной температуре и огромном давлении в несколько сотен, иногда и около 1000 атмосфер. Поэтому одно лишь указание на то, в какой зоне бентали обитает тот или иной вид организмов, уже говорит о том, какими общими экологическими свойствами он должен обладать. Все население дна океана получило название бентоса.

Организмы, обитающие в толще воды, или пелагиали, относятся к пелагосу. Пелагиаль также делят на вертикальные зоны, соответствующие по глубине зонам бентали: эпипелагиаль, батипелагиаль, абиссопелагиаль. Нижняя граница эпипелагиали (не более 200 м) определяется проникновением солнечного света в количестве, достаточном для фотосинтеза. Фотосинтезирующие растения глубже этих зон существовать не могут. В сумеречных батиальных и полных мрака абиссальных глубинах обитают лишь микроорганизмы и животные. Разные экологические зоны выделяются и во всех других типах водоемов: озерах, болотах, прудах, реках и т.д. Разнообразие гидробионтов, освоивших все эти места обитания, очень велико [4].

Глава 2. Основные свойства водной среды

2.1 Плотность воды

Это фактор, определяющий условия передвижения водных организмов и давление на разных глубинах. Плотность природных вод, содержащих растворенные соли, может доходить до 1,35 г/см3. Давление возрастает с глубиной примерно в среднем на 1 атм. на каждые 10м [5].

В связи с резким градиентом давления в водоемах гидробионты в целом значительно более эврибатны по сравнению с сухопутными организмами. Некоторые виды, распространенные на разных глубинах, переносят давление от нескольких до сотен атмосфер. Однако многие обитатели морей и океанов относительно стенобатны и приурочены к определенным глубинам. Стенобатность чаще всего свойственна мелководным и глубоководным видам. Многие рыбы, головоногие моллюски, ракообразные, погонофоры, морские звезды встречаются лишь на больших глубинах при давлении не менее 400-500 атм.

Плотность воды обеспечивает возможность опираться на нее. Плотность среды служит условием парения в воде, и многие гидробионты приспособлены именно к этому образу жизни (планктон).

2.2 Газовый режим

Основные газы в водной среде - кислород и углекислый газ; сероводород и метан имеют второстепенное значение.

Наличие и количество растворенного кислорода в воде для гидробионтов является важнейшим экологическим фактором. Кислород поступает в воду из воздуха и выделяется растениями при фотосинтезе. Его содержание в верхних слоях воды составляет 6--8 мл/л, что в 21 раз ниже, чем в атмосфере. Содержание О2 в воде обратно пропорционально ее температуре и солености. В слоях, сильно заселенных животными и бактериями, может создаваться дефицит кислорода из-за усиленного его потребления, а около дна водоемов условия могут быть близкими к анаэробным [5]. При застойном режиме в небольших водоемах вода также резко обедняется кислородом. При концентрации ниже 0,3--3,5 мл/л жизнь аэробов в воде невозможна. Содержание кислорода в условиях водоема оказывается лимитирующим фактором.

Виды способные переносить широкие колебания содержания кислорода в воде - эвриоксибионты. К ним относятся пресноводные олигохеты, брюхоногие моллюски (Viviparus viviparus). Очень слабое насыщение воды кислородом из рыб могут выдерживать сазан, линь, караси. Однако многие виды являются стеноксибионтными, т. е. могут существовать только при достаточно высоком насыщении воды кислородом, например радужная форель, кумжа, гольян и др. Многие виды живых организмов способны при недостатке кислорода впадать в неактивное состояние, так называемый аноксибиоз, и таким образом переживать неблагоприятный период.

Дыхание гидробионтов осуществляется как через поверхность тела, так и через специализированные органы -- жабры, легкие, трахеи и даже через кожные покровы. У отдельных видов встречается комбинирование водного и воздушного дыхания (двоякодышащие рыбы, сифонофоры, дискофанты, многие легочные моллюски и др.). Вторичноводные животные сохраняют обычно атмосферный тип дыхания как энергетически более выгодный, и поэтому нуждаются в контактах с воздушной средой. К ним относятся ластоногие, китообразные, водяные жуки, личинки комаров и т. д.

Нехватка кислорода в воде приводит иногда к катастрофическим явлениям - заморам, сопровождающимся гибелью множества гидробионтов. Зимние заморы часто вызываются образованием на поверхности водоемов льда и прекращением контакта с воздухом; летние - повышением температуры воды и уменьшением вследствие этого растворимости кислорода. Иногда заморы возникают и в морях.

Кроме недостатка кислорода, заморы могут быть вызваны повышением концентрации в воде газов, образующихся в результате разложения органических материалов на дне водоемов - метана, сероводорода, СО2 и др.,

Наряду с недостатком кислородом в водной среде живые организмы могут испытывать недостаток СО2. СО2 является одним из составляющих процесса фотосинтеза. Углекислота поступает в воду 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 атмосфере. СО2 растворяется в воде в 35 раз лучше кислорода. Морская вода является главным резервуаром углекислого газа, так как содержит от 40 до 50 см3 газа на литр в свободной или связанной форме, что в 150 раз превышает его концентрацию в атмосфере.

Углекислый газ, содержащийся в воде, принимает участие в формировании известковых скелетных образований беспозвоночных животных и обеспечивает фотосинтез водных растений. При интенсивном фотосинтезе растений идет усиленное потребление углекислого газа (0,2--0,3 мл/л в час), что приводит к ее дефициту. На увеличение содержания СО2 в воде гидрофиты реагируют, повышая фотосинтез.

Кислород и углекислый газ очень важны для жизни гидробионтов. Они участвуют в процессах дыхания и фотосинтеза - наиболее важных процессов для жизнедеятельности водных организмов.

2.3 Солевой режим

В жизни водных организмов важную роль играет соленость воды или солевой режим. Химический состав вод формируется под влиянием естественно-исторических и геологических условий, антропогенном воздействии. Содержание химических соединений (солей) в воде определяет ее соленость и выражается в граммах на литр или в промилле (‰). По общей минерализации воды можно разделить на пресные с содержанием солей до 1 г/л, солоноватые (1-25 г/л), морской солености (26-50 г/л) и рассолы (более 50 г/л). Наиболее важными из растворенных веществ в воде являются карбонаты, сульфаты и хлориды (таб. 1).

Таблица 1. Состав основных солей в различных водоемах [3].

Водоемы	Карбонаты	Сульфаты	Хлориды	Соленость, г/л
Пресные воды	79,9	13,2	6,9	--
Открытый океан	0,4	10,8	88,8	35

Среди пресных вод много почти чистых, но много и таких, которые содержат до 0,5 г растворенных веществ на литр. Катионы по их содержанию в пресной воде в среднем располагаются следующим образом: кальций--64%, магний-- 17%, натрий-- 16%, калий -- 3% [4].

Важным элементом в пресных водах является содержание кальция. Кальций может выступать в роли ограничивающего фактора. Различают воды «мягкие», бедные кальцием (менее 9 мг на 1 л), и воды «жесткие», содержание его в большом количестве (более 25 мг на 1 л).

В морской воде обнаружены 13 металлоидов и не менее 40 металлов. По степени значимости первое место занимает поваренная соль, затем хлористый барий, сернокислый магний и хлористый калий.

Поддержание водного баланса гидробионтов имеет свою специфику. Для гидробионтов существенным является поддержание определенного количества воды в теле при ее избытке в окружающей среде. Излишнее количество воды в клетках приводит к изменению в них осмотического давления и нарушению важнейших жизненных функций.

Большинство водных обитателей пойкилосмотичны: осмотическое давление в их теле зависит от солености окружающей воды. Поэтому пресноводные формы не могут существовать в морях, морские - не переносят опреснения. Если соленость воды подвержена изменениям, животные перемещаются в поисках благоприятной среды. Позвоночные животные, высшие раки, насекомые и их личинки, обитающие в воде, относятся к гомойосмотическим видам, сохраняя постоянное осмотическое давление в теле независимо от концентрации солей в воде [5].

У пресноводных видов соки тела гипертоничны по отношению к окружающей воде. Им угрожает излишнее обводнение, если не препятствовать поступлению или не удалять избыток воды из тела. У простейших это достигается работой выделительных вакуолей, у многоклеточных - удалением воды через выделительную систему. Некоторые инфузории каждые 2-2,5 мин выделяют количество воды, равное объему тела. На «откачку» избыточной воды клетка затрачивает очень много энергии. С повышением солености работа вакуолей замедляется.

Если вода гипертонична по отношению к жидкостям тела гидробионтов, им грозит обезвоживание в результате осмотических потерь. Защита от обезвоживания достигается повышением концентрации солей также в теле гидробионтов. Обезвоживанию препятствуют непроницаемые для воды покровы гомойосмотических организмов - млекопитающих, рыб, высших раков, водных насекомых и их личинок.

Многие пойкилосмотические виды переходят к неактивному состоянию - анабиозу в результате дефицита воды в теле при возрастании солености. Это свойственно видам, обитающим в лужах морской воды и на литорали: коловраткам, жгутиковым, инфузориям, некоторым рачкам, и др. Солевой анабиоз - средство переживать неблагоприятные периоды в условиях переменной солености воды [3].

2.4 Температурный режим

Температурный режим водоемов более устойчив, чем на суше. Это связано с физическими свойствами воды, прежде всего высокой удельной теплоемкостью, благодаря которой получение или отдача значительного количества тепла не вызывает слишком резких изменений температуры.

Изменение температуры в текущих водах следует за ее изменениями в окружающем воздухе, отличаясь меньшей амплитудой. Амплитуда годовых колебаний температуры в верхних слоях океана не более 10-15 °C, в континентальных водоемах - 30-35 °C. Глубокие слои воды отличаются постоянством температуры. В экваториальных водах среднегодовая температура поверхностных слоев +26-27°С, в полярных - около 0°C и ниже. В горячих наземных источниках температура воды может приближаться к +100°C, а в подводных гейзерах при высоком давлении на дне океана зарегистрирована температура +380°C [5].

Изменение температуры в текущих водах следует за ее изменением в окружающем воздухе, отличаясь меньшей амплитудой тогда как в озерах и прудах термический режим определяется тем, что вода обладает максимальной плотностью при 4°С. Вода в них четко делится на три: верхний -- эпилимнион, температура которого испытывает резкие сезонные колебания; переходный, слой температурного скачка, -- металимнион, где отмечается резкий перепад температур; глубоководный (придонный) -- гиполимнион доходящий до самого дна, где температура в течение года изменяется незначительно [5]. Такое разделение толщи воды по плотности носит название стратификация вод.

Летом наиболее теплые слои воды располагаются у поверхности, а холодные -- у дна. Это явление прямой стратификации. Зимой, с понижением температуры, происходит обратная стратификация. Поверхностный слой воды имеет температуру близкую к 0°С. На дне температура около 4°С, что соответствует максимальной ее плотности. Таким образом, с глубиной температура повышается - температурная дихотомия. Наблюдается в большинстве наших озер летом и зимой. В результате нарушается вертикальная циркуляция, образуется плотностная стратификация воды, наступает период временного застоя -- стагнация (рис. 3). С дальнейшим повышением температуры верхние слои воды становятся все менее плотными и уже не опускаются -- наступает летняя стагнация. Осенью поверхностные воды снова охлаждаются до 4°С и опускаются на дно, вызывая вторичное в году перемешивание масс с выравниванием температуры, т. е. наступлением осенней гомотермии.

Рис. 3. Стратификация и перемешивание воды в озере [4].

В морской среде также существует термическая стратификация определяемая глубиной. В водоемах существует довольно значительное разнообразие температурных условий. Между верхними слоями воды с выраженными в них сезонными колебаниями температуры и нижними, где тепловой режим постоянен, существует зона температурного скачка, или термоклина. Термоклин резче выражен в теплых морях, где сильнее перепад температуры наружных и глубинных вод [5].

В связи с более устойчивым температурным 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 значительны суточные и сезонные колебания температуры [5].

В воде как среде жизни, с одной стороны, существует довольно значительное разнообразие температурных условий, а с другой -- термодинамические особенности водной среды, такие, как высокая удельная теплоемкость, большая теплопроводность и расширение при замерзании (при этом лед образуется лишь сверху, а основная же толща воды не промерзает), создают благоприятные условия для живых организмов.

2.5 Световой режим

На водные организмы большое влияние оказывают световой режим и прозрачность воды. Света в воде гораздо меньше, чем в воздухе, что связано с прозрачностью воды. Часть падающих на поверхность водоема лучей отражается в воздушную среду. Отражение тем сильнее, чем ниже положение Солнца, поэтому день под водой короче, чем на суше. Быстрое убывание количества света с глубиной связано с поглощением его водой [4].

Лучи с разной длиной волны поглощаются неодинаково: красные исчезают уже недалеко от поверхности, тогда как сине-зеленые проникают значительно глубже. Сгущающиеся с глубиной сумерки в океане имеют сначала зеленый, затем голубой, синий и сине-фиолетовый цвет, сменяясь наконец постоянным мраком. Соответственно сменяют друг друга с глубиной зеленые, бурые и красные водоросли, специализированные на улавливании света с разной длиной волны. Данное явление получило название хроматической адаптации [5].

Окраска животных меняется с глубиной так же закономерно. Наиболее ярко и разнообразно окрашены обитатели литоральной и сублиторальной зон. Многие глубинные организмы, подобно пещерным, не имеют пигментов. В сумеречной зоне широко распространена красная окраска, которая является дополнительной к сине-фиолетовому свету на этих глубинах. Дополнительные по цвету лучи наиболее полно поглощаются телом. Это позволяет животным скрываться от врагов, так как их красный цвет в сине-фиолетовых лучах зрительно воспринимается как черный. Красная окраска характерна для морского окуня, красных кораллов, различных ракообразных.

Поглощение света тем сильнее, чем меньше прозрачность воды, которая зависит от количества взвешенных в ней частиц. Прозрачность характеризуют предельной глубиной, на которой еще виден специально опускаемый белый диск диаметром около 20 см (диск Секки). Самые прозрачные воды в Саргассовом море (66,5 м). В Тихом океане диск Секки виден до 59 м, в Индийском - до 50, в мелких морях - до 5-15 м. Прозрачность рек в среднем 1-1,5 м. Граница зоны фотосинтеза поэтому сильно варьирует в разных водоемах. В самых чистых водах эуфотическая зона (зона фотосинтеза) простирается до глубин не свыше 200 м, сумеречная (дисфотическая) зона занимает глубины до 1000-1500 м, а глубже, в афотическую зону, солнечный свет не проникает совсем.

Количество света в верхних слоях водоемов сильно меняется в зависимости от широты местности и от времени года. Длинные полярные ночи сильно ограничивают время, пригодное для фотосинтеза, в арктических и приантарктических бассейнах, а ледовый покров затрудняет доступ света зимой во все замерзающие водоемы [5].

В темных глубинах океана в качестве источника зрительной информации организмы используют свет, испускаемый живыми существами. Свечение живого организма получило название биолюминесценции, которая многократно возникала во многих группах организмов на разных этапах эволюции. Реакции, используемые для генерации света, разнообразны. Но во всех случаях это окисление сложных органических соединений (люциферинов) с помощью белковых катализаторов (люцифераз). Люциферины и люциферазы у разных организмов имеют неодинаковую структуру. В ходе реакции избыточная энергия возбужденной молекулы люциферина выделяется в виде квантов света. Живые организмы испускают свет импульсами, обычно в ответ на раздражения, поступающие из внешней среды [6]. Свечение может быть побочным результатом жизнедеятельности клеток (бактерии, низшие растения). Экологическую значимость оно получает только у животных, обладающих достаточно развитой нервной системой и органами зрения. У многих видов органы свечения приобретают очень сложное строение с системой отражателей и линз, усиливающих излучение (рис. 4). Ряд рыб и головоногих моллюсков, неспособных генерировать свет, используют симбиотических бактерий, размножающихся в специальных органах этих животных.

Рис. 4. Органы свечения водных животных [6]:

1- глубоководный удильщик с фонариком над зубатой пастью; 2- распределение светящихся органов у рыбы сем. Mystophidae.

Биолюминесценция имеет в жизни животных в основном сигнальное значение. Световые сигналы могут служить для ориентации в стае, привлечения особей другого пола, подманивания жертв, для маскировки или отвлечения. Вспышка света может быть защитой от хищника, ослепляя или дезориентируя его. У хищных глубоководных рыб из отряда удильщиковидных первый луч спинного плавника сдвинут к верхней челюсти и превращен в гибкое «удилище», несущее на конце червеобразную «приманку» - железу, заполненную слизью со светящимися бактериями. Регулируя приток крови к железе и, следовательно, снабжение бактерии кислородом, рыба может произвольно вызывать свечение «приманки», имитируя движения червя и подманивая добычу [7]. Свет - фактор, влияющий на суточную активность, окраску, фотосинтез и другие приспособительные реакции гидробионтов.

2.6 Концентрация водородных ионов (рН)

Сказывается на распределении водных организмов и уменьшается с глубиной. Пресноводные бассейны с рН 3,7-- 4,7 считаются кислыми, 6,95--7,3 нейтральными, с рН более 7,8 -- щелочными. В пресных водоемах рН испытывает значительные колебания, нередко в течение суток. Морская вода более щелочная, и рН ее меньше изменяется, чем пресной. Из растений при рН меньше 7,5 развиваются полушник (Jsoetes), ежеголовник (Sparganium). В щелочной среде (рН 7,7--8,8) распространены многие виды рдестов, элодея, при рН 8,4--9 сильного развития достигает Typha angustifolia. Кислые воды торфяников способствуют развитию сфагновых мхов [5].

Большинство пресноводных рыб выдерживает рН от 5 до 9. Если рН меньше 5, наблюдается массовая гибель рыб, а выше 10 -- погибают все рыбы и другие животные. В озерах с кислой средой часто встречаются личинки двукрылых из рода Chaoborus, а в кислых водах болот распространены раковинные корненожки (Testaceae), отсутствуют пластинчато-жаберные моллюски из рода беззубок (Unio), редко встречаются другие моллюски [5].

2.7 Звук, электричество и магнетизм

Восприятие звука у водных животных развито лучше, чем у наземных. Звук в воде распространяется быстрее и дальше, чем в воздухе. Некоторые гидробионты могут улавливать инфразвуковые колебания, благодаря чему «слышат» звуки, возникающие от трения волн о воздух (8 - 13 Гц). Вследствие этого они (медузы) заранее узнают о приближении шторма и отплывают от берегов, где могли бы пострадать от ударов волн. Известное значение в жизни гидробионтов имеют шумовые нагрузки, связанные с деятельностью человека -- работой лодочных и корабельных моторов, турбин, подводным бурением, сейсморазведкой и др. Звуковое давление земснаряда в 36 дБ уже на расстоянии 150 м вызывало уход рыб от источника шума. Весьма значительную, но пока еще малоизученную роль играют в жизни гидробионтов электрические и магнитные поля. В 1958 г. Г. Лиссман открыл у водных животных электрорецепторы (ампулы Лоренцини, расположенные в боковой линии). Согласно открытию, практически любые процессы, происходящие в воде, генерируют электрические поля, распространяющиеся в проводящей среде на значительные расстояния. Электрические поля возникают в результате перемещения водных масс в геомагнитном поле Земли, при контакте этих же масс, различающихся по температуре, солености, содержанию кислорода и др. Электрические поля генерируются и гидробионтами. Благодаря высокой чувствительности электрорецепторов многие гидробионты способны воспринимать богатейшую информацию: в частности, различают особей своего вида и врагов, скорость и направление течений, температурные, солевые, газовые и другие градиенты, изменения солнечной активности, течение времени, а также улавливают сигналы, предшествующие аномальным природным явлениям. В настоящее время эти рецепторы обнаружены примерно у 300 видов рыб. В опытах на акулах и скатах показано, что эти рыбы безошибочно находят добычу (камбалу), зарытую в песок или заключенную в агаровую (токопроводящую) камеру, но не обнаруживают жертву, если она экранирована электроизолирующей (полиэтиленовой) пленкой; пищевая реакция наблюдалась и на скрытую в песке пару электродов, имитирующих электрическое поле добычи. Электрорецепция известна и для многих беспозвоночных, в том числе простейших. Некоторые из них при пропускании слабого тока движутся к катоду, другие -- к аноду, третьи -- перпендикулярно к направлению силовых линий электрического тока. Отрицательный электротаксис червей, моллюсков и ракообразных используют для предупреждения их оседания на днища кораблей и другие объекты, охраняемые от обрастания. Какие-либо рецепторы магнитного поля у водных животных неизвестны, что, однако, не исключает сигнальной роли магнитных полей. Движение проводников в магнитном поле и его изменение вокруг проводников индуцирует в них возникновение электротока. Таким образом, гидробионты, имеющие электрорецепторы, могут опосредованно ориентироваться в магнитных полях. Особенное значение в этом отношении имеет геомагнитное поле, его горизонтальная и вертикальная составляющие. Периодические колебания магнитного поля Земли служат гидробионтам хорошим датчиком времени. Существует много данных о том, что рецепция напряженности и направления магнитного поля Земли имеет место при выборе рыбами миграционных путей. Способны ориентироваться в магнитном поле водоросль Volvox, моллюск Nassartius и некоторые другие организмы. Моллюски Helisoma duryl проявляли большую двигательную активность, когда искусственное магнитное поле усиливало геомагнитное, и меньшую, если оно было направлено перпендикулярно или противоположно геомагнитному [11].

Электричество, звук и магнетизм в жизни гидробионтов играют в основном сигнальную роль (средства общения, ориентации и оценки среды).

Вода играет уникальную роль, как вещество, определяющее возможность существования и саму жизнь всех существ на Земле. Видовой состав форм, обитающих в том или ином водоеме, определяется всей совокупностью химических, физических и других факторов. Все водные обитатели, несмотря на различия в образе жизни, должны быть приспособлены к главным особенностям своей среды, таким как ее плотности, теплопроводности, способностью растворять соли и газы, плотности…

Глава 3. Экологические группы гидробионтов

Наибольшим разнообразием жизни отличаются теплые моря и океаны (40 тыс 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 [5].

Нектон - 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.

Планктон - совокупность растений (фитопланктон: диатомовые, зеленые и сине-зеленые водоросли, растительные жгутиконосцы, перидинеи и др.) и мелких животных организмов (зоопланктон: мелкие ракообразные, из более крупных - крылоногие моллюски, медузы, гребневики, некоторые черви), обитающих на разной глубине, но не способных к активным передвижениям и к противостоянию течениям. В состав планктона входят и личинки животных, образуя особую группу - нейстон. Это пассивно плавающее «временное» население самого верхнего слоя воды, представленное разными животными (десятиногие, усоногие и веслоногие ракообразные, иглокожие, полихеты, рыбы, моллюски и др.) в личиночной стадии. Личинки, взрослея, переходят в нижние слои пелагели. Выше нейстона располагается плейстон - это организмы, у которых верхняя часть тела растет над водой, а нижняя - в воде (ряска - Lemma, сифонофоры и др.). Планктон играет важную роль в трофических связях биосферы, т.к. является пищей для многих водных обитателей, в том числе основным кормом для усатых китов [6].

Планктонные организмы обладают многими сходными адаптациями, повышающими их плавучесть и препятствующими оседанию на дно. К таким приспособлениям относятся: общее увеличение относительной поверхности тела за счет уменьшения размеров, сплющенности, удлинения, развития многочисленных выростов или щетинок, что увеличивает трение о воду; уменьшение плотности за счет редукции скелета, накопления в теле жиров, пузырьков газа и т.п. (рис. 5). Плотность и вязкость воды сильно влияют на возможность активного плавания.

A - палочковидные формы: 1- диатомея Synedra;2-цианобактерия Aphanizomenon; 3-перидинеевая водоросль Amphisolenia; 4- Euglena acus; 5- головоногий моллюск Doratopsis vermicularis; 6- веслоногий рачок Setella; 7- лчинка Porcellana (Decapoda)	Б - расчлененные формы: 1- моллюск Glaucus atlanticus; 2- червь Tomopetris euchaeta; 3- личинка рака Palinurus; 4- личинка рыбы морского черта Lophius; 5- веслоногий рачок Calocalanus pavo.

Рис. 5. Увеличение относительной поверхности тела у планктонных организмов [10]

Бентос - гидробионты дна. Представлен в основном прикрепленными или медленно передвигающимися животными (зообентос: фораминефоры, рыбы, губки, кишечнополостные, черви, плеченогие моллюски, асцидии, и др.), более многочисленными на мелководье. На мелководье в бентос входят и растения (фитобентос: диатомовые, зеленые, бурые, красные водоросли, бактерии). На глубине, где нет света, фитобентос отсутствует. У побережий встречаются цветковые растения зостера, рупия. Наиболее богаты фитобентосом каменистые участки дна.

В озерах зообентос менее обилен и разнообразен, чем в море. Его образуют простейшие (инфузории, дафнии), пиявки, моллюски, личинки насекомых и др. Фитобентос озер образован свободно плавающими диатомеями, зелеными и сине-зелеными водорослями; бурые и красные водоросли отсутствуют.

Укореняющиеся прибрежные растения в озерах образуют четко выраженные пояса, видовой состав и облик которых согласуются с условиями среды в пограничной зоне «суша-вода». В воде у самого берега растут гидрофиты - полупогруженные в воду растения (стрелолист, белокрыльник, камыши, рогоз, осоки, трищетинник, тростник). Они сменяются гидатофитами - растениями, погруженными в воду, но с плавающими листьями (лотос, ряски, кубышки, чилим, такла) и - далее - полностью погруженными (рдесты, элодея, хара). К гидатофитам относятся и плавающие на поверхности растения (ряска).

Деление гидробионтов на экологические группы обусловлено различиями в условиях их существования. Это обусловлено различиями в рельефе Мирового океана, типом климата, широты, самих свойств воды в местах обитания [6].

Глава 4. Специфические приспособления гидробионтов

4.1 Основные пути приспособления живых организмов к условиям среды

Во всем разнообразии приспособлений живых организмов к неблагоприятным условиям среды можно выделить три основных пути.

Активный путь - это усиление сопротивляемости, развитие регуляторных процессов, позволяющих осуществить все жизненные функции организмов, несмотря на отклонения фактора от оптимума (образование подкожного жира в холодный период) [9].

Пассивный путь - подчинение жизненных функций организма изменению факторов среды. При недостатке тепла это приводит к угнетению жизнедеятельности и понижению уровня метаболизма, что способствует экономному использованию энергетических запасов. Компенсаторно повышается устойчивость клеток и тканей организма Элементы пассивной адаптации присущи и типичным гомойотермным животным, обитающим в условиях крайне низких температур. Это выражается в некотором снижении уровня обмена, замедлении темпов роста и развития, что позволяет экономнее тратить ресурсы по сравнению с быстро развивающимися видами.

Такой способ адаптации используется гидробионтами в процессе осморегуляции, также пассивный путь характеризует путь адаптации гидробионтов к неблагоприятным условиям как впадание в спячку или образование цист и спор [9].

Избегание неблагоприятных воздействий - третий возможный путь приспособления к среде. Общий способ для всех групп организмов - выработка таких жизненных циклов, при которых наиболее уязвимые стадии развития завершаются в самые благоприятные по температурным и другим условиям периоды года. Для животных основным способом избегания пессимальных температур являются разнообразные формы поведения.

Например, некоторые виды рыб могут мигрировать в поисках лучших мест для кормления и нерестилища.

Избегание, уход от действия крайних температур или недостатка влаги свойствен организмам в той или иной мере и при активном, и при пассивном пути адаптации к среде. Все три пути приспособления характерны и по отношению к другим экологическим факторам среды. Чаще всего приспособление вида к среде осуществляется тем или иным сочетанием всех трех возможных путей адаптаций [7].

4.2 Способы ориентации животных в водной среде

Жизнь в постоянных сумерках или во мраке сильно ограничивает возможности зрительной ориентации гидробионтов. В связи с быстрым затуханием световых лучей в воде даже обладатели хорошо развитых органов зрения ориентируются при их помощи лишь на близком расстоянии.

Звук распространяется в воде быстрее, чем в воздухе. Ориентация на звук развита у гидробионтов в целом лучше, чем зрительная. Многие обитатели водоемов сами издают звуки. Ракообразные осуществляют это трением друг о друга разных частей тела; рыбы - с помощью плавательного пузыря, глоточных зубов, челюстей, лучей грудных плавников и другими способами. Звуковая сигнализация служит чаще всего для внутривидовых взаимоотношений - например, для ориентации в стае, привлечения особей другого пола, и особенно развита у обитателей мутных вод и больших глубин, живущих в темноте [6].

Ряд гидробионтов отыскивает пищу и ориентируется при помощи эхолокации - восприятия отраженных звуковых волн. Многие воспринимают отраженные электрические импульсы, производя при плавании разряды разной частоты. Для ориентации в глубине служит восприятие гидростатического давления. Оно осуществляется при помощи статоцистов, газовых камер и других органов [4].

Наиболее древний способ, свойственный всем водным животным, - восприятие химизма среды. Хеморецепторы многих гидробионтов обладают чрезвычайной чувствительностью. В тысячекилометровых миграциях, которые характерны для многих видов рыб, они ориентируются в основном по запахам, с поразительной точностью находя места нерестилищ или нагула.

4.3 Фильтрация как тип питания

Некоторые гидробионты обладают особым характером питания - это отцеживание или осаждение взвешенных в воде частиц органического происхождения и многочисленных мелких организмов. Такой способ питания характерен для пластинчатожабренных моллюсков, сидячих иглокожих, полихет, мшанок, асцидий, планктонных рачков и других. Пресноводные дафнии, циклопы, а также рачок Calanus finmarchicus отфильтровывают в сутки до 1,5 л воды на особь. Мидии, обитающие на площади 1 м2, могут прогонять через мантийную полость 150--280 м3 воды за сутки, осаждая взвешенные частицы. Животные-фильтраторы выполняют важнейшую роль в биологической очистке водоемов. Литоральная зона океана, особенно богатая скоплениями фильтрующих организмов, работает как эффективная очистительная система [8].

4.4 Особенности адаптации растительных организмов к обитанию в водной среде

Водные растения имеют значительные отличия от наземных растительных организмов. Способность водных растений поглощать влагу и минеральные соли непосредственно из окружающей среди отражается на их морфологической и физиологической организации. Характерным для водных растений является слабое развитие проводящей ткани и корневой системы. Корневая системой служит главным образом для прикрепления к подводному субстрату и не выполняет функции минерального питания и водоснабжения, как у наземных растений. Питание водных растений осуществляется всей поверхностью их тела.

Значительная плотность воды дает возможность обитания растений во всей ее толще. У низших растений, заселяющих различные слои и ведущих плавающий образ жизни, для этого имеются специальные придатки, которые увеличивают их плавучесть позволяют им удерживаться во взвешенном состоянии. Высшие гидрофиты имеют слабо развитую механическую ткань. В их листьях, стеблях, корнях располагаются воздухоносные межклеточные полости, увеличивающие легкость и плавучесть взвешенных в воде и плавающих на поверхности органов, что также способствует смыванию внутренних клеток водой с растворенными в ней солями и газами. Гидрофиты отличаются большой поверхностью листьев при малом общем объеме растения, что обеспечивает им интенсивный газообмен при недостатке растворенного в воде кислорода и других газов.

У ряда водных организмов развита разнолистность, или гетерофилия. Так, у сальвинии (Salvinia) погруженные листья обеспечивают минеральное питание, а плавающие -- органическое.

Важной особенностью адаптации растений к обитанию в водной среде является и то, что листья, погруженные в воду, как правило, очень тонкие. Часто хлорофилл в них располагается в клетках эпидермиса, что способствует усилению интенсивности фотосинтеза при слабом освещении. Такие анатомо-морфологические особенности наиболее четко выражены у водяных мхов (Riccia, Fontinalis), валиснерии (Vallisneria spiralis), рдестов (Potamageton).

От вымывания у водных растений из клеток минеральных солей или выщелачивания защитой является выделение специальными клетками слизи и образование эндодермы из более толстостенных клеток в виде кольца.

Относительно низкая температура водной среды обусловливает отмирание вегетирующих частей у погруженных в воду растений после образования зимних почек и замену летних тонких нежных листьев более жесткими и короткими зимними. Низкая температура воды отрицательно сказывается на генеративных органах водных растений, а высокая ее плотность затрудняет перенос пыльцы. В связи с этим водные растения интенсивно размножаются вегетативным путем. Большинство плавающих на поверхности и погруженных растений выносят цветоносные стебли в воздушную среду и размножаются половым путем. Пыльца разносится ветром и поверхностными течениями. Плоды и семена, которые образуются, также распространяются поверхностными течениями. Это явление носит название гидрохории. К гидрохорным относятся не только водные, а также многие прибрежные растения. Их плоды имеют высокую плавучесть, длительное время находятся в воде и не теряют при этом всхожесть (стрелолист, сусак, частуха [5].

4.5 Особенности адаптации животных к водной среде

У животных, обитающих в водной среде, по сравнению с растениями адаптивные особенности более многообразны, к ним относятся такие, как анатомо-морфологические, поведенческие и др.

Животные, обитающие в толще воды, обладают в первую очередь приспособлениями, которые увеличивают их плавучесть и позволяют противостоять движению воды, течениям. Данные же организмы вырабатывают приспособления, которые препятствуют поднятию их в толщу воды или уменьшают плавучесть, что позволяет удержаться на дне, включая и быстро текущие воды [6].

У мелких форм, живущих в толще воды, отмечается редукция скелетных образований. Так, у простейших (Radiolaria, Rhizopoda) раковины обладают пористостью, кремневые иглы скелета внутри полые. Удельная плотность гребневиков, медуз уменьшается благодаря наличию воды в тканях. Скопление капелек жира в теле (ночесветки, радиолярии) способствует увеличению плавучести. Крупные скопления жира наблюдаются у некоторых ракообразных (Cladocera, Copepoda), рыб и китообразных. Удельную плотность тела снижают и тем самым повышают плавучесть плавательные пузыри, наполненные газом, которые имеют многие рыбы. У сифонофор развиты мощные воздухоносные полости [5].

Большая группа животных, обитающих в пресной воде, при передвижении использует поверхностное натяжение воды (поверхностную пленку). По поверхности воды свободно бегают клопы водомерки (Gyronidae, Veliidae), жуки вертячки (Gerridae) и др. Членистоногое, касающееся воды окончанием своих придатков, покрытых водоотталкивающими волосками, вызывает деформацию ее поверхности с образованием вогнутого мениска. Когда подъемная сила, направленная вверх, больше массы животного, последнее и будет удерживаться на воде благодаря поверхностному натяжению. Т.о., жизнь на поверхности воды возможна для сравнительно мелких животных, так как масса растет пропорционально кубу размера, а поверхностное натяжение увеличивается как линейная величина [5].

Активное плавание у животных осуществляется с помощью ресничек, жгутиков, изгибания тела, реактивным способом за счет энергии выбрасываемой струи воды. Наибольшего совершенства реактивный способ передвижения достиг у головоногих моллюсков. У крупных животных нередко имеются специализированные конечности (плавники, ласты), тело их обтекаемой формы и покрыто слизью, что позволяет им развивать достаточно большую скорость передвижения, преодолевая сопротивление воды [5].

Только в водной среде встречаются животные, ведущие прикрепленный образ жизни - гидроиды (Hydroidea), коралловые полипы (Anthozoo), морские лилии (Crinoidea), двустворчатые и др. Для них характерны своеобразная форма тела, незначительная плавучесть (плотность тела больше плотности воды) и специальные приспособления для прикрепления к субстрату.

Водные животные большей частью пойкилотермны. У гомойотермных же, например, млекопитающих (китообразные, ластоногие) образуется значительный слой подкожного жира, который выполняет теплоизоляционную функцию [6].

Смена условий в водной среде вызывает и определенные поведенческие реакции организмов. С изменением освещенности, температуры, солености, газового режима и других факторов связаны вертикальные (опускание вглубь, поднятие к поверхности) и горизонтальные (нерестовые, зимовальные и нагульные) миграции животных. В морях и океанах в вертикальных миграциях принимают участие миллионы тонн гидробионтов, а при горизонтальных миграциях водные животные могут преодолевать сотни и тысячи километров [5].

На Земле существует много временных, неглубоких водоемов, возникающих после разлива рек, сильных дождей, таяния снега и т. д. Общими особенностями обитателей пересыхающих водоемов является способность давать за короткие сроки многочисленное потомство и переносить длительные периоды без воды, переходя в состояние пониженной жизнедеятельности -- гипобиоза [6].

Свойства среды во многом определяют пути адаптации ее обитателей, их образ жизни и способы использования ресурсов, создавая цепи причинно-следственных зависимостей. Так, высокая плотность воды делает возможным существование планктона, а наличие парящих в воде организмов - предпосылка для развития фильтрационного типа питания, при котором возможен и сидячий образ жизни животных. В результате формируется мощный механизм самоочищения водоемов биосферного значения. В нем участвует огромное количество гидробионтов, как бентосных, так и пелагиальных, от одноклеточных простейших до позвоночных животных. По расчетам, вся вода в озерах умеренного пояса пропускается через фильтрационные аппараты животных от нескольких до десятков раз в течение вегетационного сезона, а весь объем Мирового океана профильтровывается в течение нескольких суток. Нарушение деятельности фильтраторов различными антропогенными воздействиями создает серьезную угрозу в поддержании чистоты вод.

Заключение

На нашей планете обитает большое количество видов растений и животных, для которых вода является непосредственной средой обитания. Водная среда обитания организма - это совокупность абиотических и биотических условий его жизни. Свойства водной среды постоянно меняются, и любое существо, чтобы выжить, приспосабливается к этим изменениям. С экологических позиций среда - это природные тела и явления, которыми организм находится в прямых или косвенных отношениях.

1 В водоемах выделяют такие экологические области как пелагиаль - толща воды и бенталь - дно. Такое деление обусловило появление у гидробионтов в процессе эволюции специфических приспособлений - адаптаций к обитанию в них. Адаптация гидробионтов в зоне пелагиали направлена на повышение обтекаемости тела, приспособлений для активного плавания, сопротивлению действиям течений и т.д., а для обитателей бентали - приспособления для прикрепления ко дну, приспособления для закапывания в песок организмов, ведущих роющий образ жизни и т.д.

2 В данной работе были изучены следующие свойства водной среды: плотность, солевой, температурный и световой режимы, газовый состав, рН, звук, электричество и магнетизм. Изученные свойства водной среды явились основополагающими в развитии приспособлений гидробионтов к обитанию в воде.

3 Выделяют следующие группы гидробионтов: планктон, нектон, бентос. Такое деление гидробионтов на экологические группы обусловлено различиями в условиях их существования. Деление гидробионтов на экологические группы является специфической формой организации живого в гидросфере и представляет собой совокупность организмов, имеющих комплексы конвергентных адаптаций к условиям водной среды.

4 При выполнении данной работы были рассмотрены следующие пути приспособления живых организмов к условиям среды, а именно активный путь, пассивный путь, избегание неблагоприятных условий. Были рассмотрены также приспособления растительных и животных организмов к обитанию в воде.

Список литературы

1. Бигон М., Харпер Дж., Таунсенд К. Экология. Особи, популяции и сообщества / Пер. с англ. М.: Мир, 1989. В 2-х томах.

2. Радкевич В.А. Экология. Минск: Высшая школа, 1998. 159 с.

3. Степановских А.С. Общая экология. - М.: Юнити, 2001. 510 с.

4. Степановских А.С. Общая экология. - М.: Юнити,2003. 703 с.

5. Степановских А.С. Общая экология. - М.: Юнити,2005. 687 с.

6. Чернова Н.М., Былова А.М. Экология. - М.: Дрофа,2004. 407 с.

7. Шилов И.А. Экология. М.: Высшая школа, 2003. 512 с.

8 Адаптация животных к водной среде [Электронный ресурс] // экологический портал [сайт]. URL: http://ecology-portal.ru/publ/Основы%20общей%20экологии/4-1-0-455.htm (дата обращения: 15.04.2010).

9 Общая экология. Чернова Н.М., Былова А.М. [Электронный ресурс] // Библиотека FictionBook [сайт]. URL: http:// http://www.fictionbook.ru/author/aleksandra_mihayilovna_biylova/obshaya_yekologiya/read_online.html?page=7.htm (дата обращения: 24.04.2010).

10 Общая экология. Чернова Н.М., Былова А.М. [Электронный ресурс] // Библиотека FictionBook [сайт]. URL: http://www.fictionbook.ru/author/aleksandra_mihayilovna_biylova/obshaya_yekologiya/read_online.html?page=8.htm (дата обращения: 24.04.2010).

11 Физико-химические явления в водоемах. [Электронный ресурс] // Геоприрода мира [сайт]. URL: http://geopriroda.ru/water/328-fiziko-ximicheskie-yavleniya-v-vodoemax.html (дата обращения: 18.04.2010).

Размещено на Allbest.ru