Природные факторы водной среды

Факторы водной среды.

Водные условия создают своеобразную среду обитания организмов, отличающуюся от наземной прежде всего плотностью и вязкостью. Плотность воды примерно в 800 раз, а вязкость примерно в 55 раз выше, чем у воздуха. Вместе с плотностью и вязкостью важнейшими физико-химическими свойствами водной среды являются: постоянные перемещения водных масс в пространстве, способствующие сохранению физических и химических характеристик; температурная стратификация, то есть изменение температуры по глубине водного объекта; периодические изменения температуры; прозрачность воды, определяющая световой режим под ее поверхностью. От прозрачности зависит фотосинтез зеленых и пурпурных водорослей, фитопланктона, высших растений.

Как и в атмосфере важную роль играет газовый состав водной среды. В водных местообитаниях количество кислорода, углекислого газа и других атмосферных газов, растворенных в воде и потому доступных организмам, сильно варьирует во времени. В водоемах с высоким содержанием органических веществ кислород является лимитирующим фактором первостепенной важности.

Содержание кислорода в поверхностном слое воды зависит, главным образом, от обмена газом между воздухом и водой и варьирует в пределах 6 -12 млн -1 . Растворимость газа уменьшается при повышении темпе­ратуры и увеличении солености воды. Од­нако на большой глубине, где отсутствует контакт с атмосферой, этот обмен зависит от расхода кислорода на биологические про­цессы и пополнения его запасов при смешивании с водой, более богатой кислородом. Как правило, в гидросфере отсутствует равномерное распределение кислорода. Зональность распределения, главным образом, обусловлена ограниченными скоростями сме­шивания и диффузии кислорода, которые в свою очередь зависят от разности температур, плотности, содержания соли и растворенного кислорода, а также от скорости и направления движения смеси относительно окружающей массы воды. Скорость диффузии растворенного кислорода в массу воды, истощенную по кислороду, является, таким образом, весьма неоп­ределенной переменной величиной, уменьшающейся во времени в зависимости от разницы в содержании кислорода в двух соседних областях, и поэтому является локальной характеристикой.

Всякий раз, когда потребление кислорода превышает восста­новление его запасов, возникает более или менее устойчивое со­стояние истощения, что оказывает заметное влияние на существо­вание живых организмов в смеси воды и отходов, обедненной кис­лородом. Масштабы этого влияния зависят от относительных ско­ростей потребления и восстановления кислорода, движения воды и могут быть полностью определены только после нанесенного ущерба.

Когда концентрация растворенного кислорода снижается слишком сильно (менее 2 млн -1 ), некоторые виды бактерий начинают получать необходимый им кислород за счет восстановления сульфат-иона. В этом случае водная масса рассматривается как бескислородная система. Для системы становятся характерными совершенно иные химические процессы, чем для обычной воды, содержащей кислород; так, например, доминирующую роль в процессе продукции органического вещества в экосистеме будет играть бактериальный фотосинтез.

Система диоксид углерода — карбонат является одной из на­иболее сложных и важных для гидросферы. Она участвует в об­мене воздух — поверхностные слои воды, влияет на химию водной системы, биологическую структуру организмов и отложение осад­ка, содержащего углерод. От этой системы зависит рН среды, что непосредственно влияет на некоторые химические равновесия в данной локальной системе, особенно в отношении ионов, образую­щих комплексы. Она непосредственно влияет на биологический цикл организмов, в которых углерод используется в процессах раз­вития, гибели и разложения.

В настоящее время принято общее содержание СО₂ в гидро­сфере, равное примерно 4·10 -3 моль/л, из них более 80% в форме НСО₃ — . Распределение диоксида углерода неравномерно и частично зависит от био­логической активности в данном районе. Подобно кислороду, со­держание СО₂ в поверхностных слоях воды является функцией его содержания в атмосфере и парциального давления. Однако схемы распределения диоксида углерода и кислорода сильно от­личаются друг от друга: наблюдается единая тенденция, к повышению содержания уг­лерода по мере увеличения глубины вследствие оседания продук­тов распада погибших организмов из биологически более богато­го поверхностного слоя воды.

Усваиваемый углерод является существенной частью питательных веществ и имеет первостепенное значение во всей экологической структуре гидросферы и локализованных районов в особен­ности. Диоксид углерода играет основную роль в процессе фото­синтеза, и его концентрация, по-видимому, коррелирует с осве­щенностью или поступлением энергии для таких районов, где ре­акция фотосинтеза не подавляется другими физико-химическими процессами. Однако высокое содержание СО₂ является лимитирующим фактором для животных, так как оно сопровождается низким содержанием кислорода. Например, при слишком высоком содержании свободного углекислого газа в воде погибают многие рыбы.

Кислотность — концентрация ( активность) ионов водорода — тесно связана с карбонатной системой. Характеризуется величиной рН ( рН = -lg [ H + ] ). Величина рН изменяется в диапазоне 0 £ рН £ 14; при рН = 7 среда нейтральная, при рН7 — щелочная. Если кислотность не приближается к крайним значениям, то сообщества способны компенсировать изменения этого фактора — толерантность сообщества к диапазону рН весьма значительна. Кислотность может служить индикатором скорости общего метаболизма сообщества. В водах с низким рН содержится мало биогенных элементов, поэтому продуктивность здесь крайне мала.

Соленость — содержание карбонатов, сульфатов, хлоридов и т.д. — является еще одним значимым абиотическим фактором в водных объектах. В пресных водах солей мало, причем около 80% составляют карбонаты. Содержание же минеральных веществ в мировом океане составляет в среднем 35 г /_л. Организмы открытого океана обычно стеногалинны, тогда как организмы прибрежных солоноватых вод в общем эвригалинны. Концентрация солей в жидкостях тела и тканях большинства морских организмов изотонична концентрации солей в морской воде, так что здесь не возникает проблем с осморегуляцией.

Течение не только сильно влияет на концентрацию газов и питательных веществ, но и прямо действует как лимитирующий фактор. Многие речные растения и животные морфологически и физиологически особым образом приспособлены к сохранению своего положения в потоке: у них есть вполне определенные пределы толерантности к фактору течения.

Гидростатическое давление в океане имеет большое значение. С погружением в воду на 10 м давление возрастает на 1 атмосферу. В самой глубокой части океана давление достигает 1000 атмосфер. Многие животные способны переносить резкие колебания давления, особенно, если у них в теле нет свободного воздуха. В противном случае возможно развитие газовой эмболии. Высокие давления, характерные для больших глубин, как правило, угнетают процессы жизнедеятельности.

Источник

2.1. Водная среда и ее основные свойства

Вода была первой средой жизни. Именно в водной среде возникла жизнь, и в дальнейшем большинство групп организмов формировалось в гидросфере. Обитатели водной среды получили в экологии общее название гидробионтов.

Гидросфера — это прерывистая водная оболочка Земли, представляющая собой совокупность морей и океанов, пресных континентальных вод (поверхностных и подземных) и ледяных покровов.

Моря и океаны занимают около 71 % земной поверхности, в них сосредоточено около 97 % всего объема воды на Земле.

На пресные воды приходится всего 3 %. Большая часть пресных вод (85 %) сосредоточена во льдах полярных зон и ледников. Таким образом, в пресных водах рек и озер количество воды не превышает 0,019 % общего объема воды.

Характерной чертой водной среды является движение воды, которое проявляется в форме течений и волнений. В первом случае происходит перенос водных масс в определенном направлении, во втором – уклонение частиц воды от исходного положения с последующим возвратом к нему.

Протяженность некоторых морских течений нередко измеряется тысячами километров, а ширина несколькими десятками километров. Так, теплое течение Гольфстрим переносит ежегодно более 2,5 млн. км 3 , что в 25 раз больше, чем переносят все реки мира, вместе взятые.

В Мировом океане имеются как поверхностные, так и глубинные течения. В морях и океанах наблюдаются также приливо-отливные явления – периодические колебания уровня моря, возникающие под действием притяжения Луны и Солнца. Максимальная величина приливов (повышение уровня воды) в открытом океане не превышает 90 см. Большие величины приливов наблюдаются в проливах, в вершинах заливов и в устьях рек (свыше 6 м), максимальные в воронкообразных заливах (до 13 м).

Вертикальные перемещения воды в водоемах могут вызываться изменением плотности расположенных друг над другом слоев воды вследствие изменения температуры и солености.

Исключительно важное значение движение воды имеет для снабжения водных организмов пищей и кислородом, уноса метаболитов, переноса половых продуктов. Кроме того токи воды способствует выравниванию различных гидрологических градиентов: разницы температур, содержания солей, газов и т.д.

К числу важных свойств водной среды также относятся: плотность и вязкость, температура, прозрачность и световой режим, растворенный кислород и содержание минеральных веществ.

Плотность и вязкость воды в первую очередь определяют условия передвижения гидробионтов.

Чем выше плотность воды, тем она становится средой более опорной, т.е. тем легче организмам удерживаться в ней.

Другое значение плотности как экологического фактора связано с её давлением на организмы. С углублением на 10,3 м в пресную и на 9,986 м в морскую воду (при 4 о С) давление возрастает на 1 атмосферу, и в океанических глубинах оно может достигать сотни и тысячи атмосфер.

С повышением вязкости возрастает сопротивление активному движению организмов, но условия их плавучести улучшаются. Вода своим давлением как бы поддерживает организм.

В большинстве случаев плотность живых тканей выше, чем плотность соленой и пресной воды. Поэтому у водных организмов в процессе эволюции выработалось множество разнообразных структур, повышающих их плавучесть и препятствующих их погружению. 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.

Источник