Життя у водному та ґрунтовому середовищах
- 1-05-2021, 23:57
- 2 771
11 Клас , Біологія і екологія 11 клас Шаламов, Каліберда, Носов (рівень стандарту)
§ 7. Життя у водному та ґрунтовому середовищах
Умови у водному середовищі змінюються з глибиною
Водне середовище є «колискою життя» — саме в ньому виникли перші організми й протягом понад 3 млрд років там розвивалося все живе. У водному середовищі виділяють дві основні екологічні зони: товщу води й дно. Умови в середовищі змінюються із глибиною. Так, для поверхневого шару характерна часта зміна умов (до прикладу, зміна освітлення вдень і вночі, температури влітку й взимку, концентрації речовин після дощу тощо), оскільки цей шар контактує з мінливим наземно-повітряним середовищем. Чим глибше проживають організми, тим зміни умов менші, й, починаючи з глибини в кілька сотень метрів, майже всі параметри стають досить сталими (окрім тиску, що безперервно зростає). А умови середовища на дні водойми залежать від того, як глибоко це дно розташоване.
Життєві форми гідробіонтів відрізняються своєю рухливістю
У водному середовищі існують різні життєві форми водних організмів — гідробіонтів1. Залежно від прикріплення виділяють дві основні життєві форми рослин і тварин: ті, які вільно плавають, і прикріплені. А рослини, що плавають, поділяють на групу тих, які плавають на поверхні, й тих, які плавають у товщі водойми (рис. 7.1). Адаптаціями до розміщення на поверхні води є різноманітні повітроносні утворення, що зменшують середню густину тіла рослин. Тварини ж товщі води можуть плисти за течією, не маючи змоги протидіяти їй, і тоді їх відносять до планктону, або ж активно рухатися проти течії — це представники нектону (рис. 7.2). Планктонні організми, завдяки високій густині води, можуть у ній зависати на одній глибині. Для цього в них сформувалися специфічні пристосування: зменшена густина тіла за рахунок накопичення крапель жиру, пухирців газу чи втрати скелета і збільшене тертя завдяки сплющеній формі тіла й утворенню численних виростів. Нектонні тварини мають пристосування до активного руху — це плавці й ласти для греблі, утворення для реактивного руху (у головоногих молюсків і медуз) та обтічна форма тіла.
Рис. 7.1. Життєві форми рослин-гідробіонтів
A. Папороть сальвінія є представником рослин, які плавають на поверхні водойм. Б. Комахоїдна рослина альдрованда плаває в товщі води й ловить водних комах своїм листям. В. Лотос має довге стебло й кореневище, що закріплює його на дні.
1 Від грец. hyder — вода і bion — той, що живе.
Наявність численних планктонних істот призвела до виникнення великої екологічної групи організмів-фільтраторів. До них належать губки, ланцетники, двостулкові молюски, синій кит, китова акула. Ці представники пропускають крізь себе воду, при цьому виловлюючи планктонні організми й органічні рештки. Здебільшого вони ведуть придонний спосіб життя на відносно невеликій глибині.
Рис. 7.2. Життєві форми тварин-гідробіонтів
A. Планктонні організми мають густину, близьку до густини води, й вирости, що допомагають зависати в її товщі. Б. Червонокнижний білобокий дельфін завдяки потужним ластам і хвостовому плавцю може розвивати швидкість до 60 км/год. B. Смертельно небезпечна кубомедуза морська оса використовує реактивний рух для плавання.
Водні тварини адаптувалися до незначних змін температури
Температура у водоймах змінюється лише біля поверхні, й то незначно. Це пояснюється тим, що вода має великі теплоємність, значення теплот випаровування й плавлення. Тому для того, щоб змінити її температуру, випарувати чи перетворити на лід, потрібно надати або забрати багато теплоти. У результаті весь тепловий «удар» під час спеки чи заморозків бере на себе поверхневий шар водойми, підтримуючи більш-менш сталу температуру протягом усього року в розташованих глибше шарах. Більшість гідробіонтів Світового океану живе у досить сталих температурних умовах і має адаптації до певного вузького інтервалу температур, тобто є екологічно непластичними за температурою. Наприклад, кити холодних районів океанів мають потужний шар підшкірного жиру, який є гарним теплоізолятором. А ось тварини континентальних водойм помірного клімату при зниженні температури часто суттєво знижують активність і переходять у стан спокою.
Глибинні гідробіонти здатні випромінювати світло в суцільній темряві
Зі зростанням відстані від поверхні зменшується кількість світла у водоймах, тому на глибинах більше 1500 м панує вічна темрява. Зменшення освітлення зумовлене тим, що вода інтенсивно відбиває світлові промені, а організми і тверді частинки, завислі у воді, поглинають їх. Унаслідок фотосинтетична зона простягається лише від поверхні й до глибин 200 - 250 м. Зі зростанням глибини змінюється також забарвлення фотосинтезувальних організмів: якщо біля поверхні поширені зелені й бурі водорості та зелені вищі рослини, то глибше збільшується кількість червоних водоростей. Зміна набору пігментів зумовлена тим, що глибина проникнення світлових променів залежить від їхньої енергії. А найбільш енергетичні синьо-фіолетові промені найкраще поглинаються червоними пігментами.
Тварини поверхневого шару мають розвинені очі, що дозволяють їм орієнтуватися в добре освітлюваному різнокольоровому світі. У глибоководних тварин очі є спрощеними, бо світло в місцях їхнього існування є рідкістю. Зате його поява в глибинній темряві є ефективним сигналом, тому численні глибоководні тварини здатні до біолюмінесценції — випромінювання світла живими організмами (рис. 7.3). Завдяки ній вони приваблюють статевих партнерів, комунікують між собою, полюють і захищаються.
Рис. 7.3. Біолюмінесцентні тварини
A. Медуза екворея стала джерелом зеленого флуоресцентного білка, який широко використовується в біологічних дослідженнях. Б. Риби-вудильники мають спеціальну видозміну спинного плавця — вудку, що світиться, приваблюючи жертв до хижака.
Зміни хімічного складу й тиску також визначають адаптації водних організмів
Хімічний склад прісних і солоних водойм суттєво відрізняється вмістом солей. Оскільки в клітинах їх зазвичай більше, ніж у прісній воді, то одноклітинні еукаріоти зіткнулися з проблемою постійного надходження води до клітини1. Для того, щоб виводити її надлишок, у них сформувалися спеціальні скоротливі вакуолі (рис. 7.4, А). Іншою проблемою є низька розчинність кисню у воді. Тому великі гідробіонти мають спеціальні органи дихання — зябра, крізь які проходять значні об'єми води із киснем (рис. 7.4, Б). Оскільки на великій глибині не живуть фотосинтетики, які здатні виділяти кисень, і вода погано перемішується, там виникли умови, близькі до анаеробних. Тому й обмін речовин глибоководних організмів є не таким активним, як у поверхневих аеробних гідробіонтів. До речі, саме на дні океанів живе значна кількість хемосинтезувальних бактерій.
1 Вода крізь мембрану переходить із розчину з низькою концентрацією солей до розчину з великою. Це вже відоме вам явище осмосу.
Рис. 7.4. Адаптації до особливостей хімічного складу води
A. У клітині інфузорії-туфельки наявні дві скоротливі вакуолі, схожі на квіточки. Б. Зябра риб мають червоний колір через насичення їх кров'ю для ефективного поглинання кисню з води.
Висока густина води спричиняє значне зростання тиску зі збільшенням глибини: приблизно на 1 атм кожні 10 м. Тому для вертикального переміщення організми повинні бути екологічно пластичними до зміни тиску. Для полегшення спливання чи занурення в кісткових риб сформувався спеціальний виріст передньої кишки — плавальний міхур. Крім того, витримування величезного тиску на дні океанів є проблемою: для глибоководних організмів характерна втрата скелету, який за такого тиску міг би руйнуватися.
Ґрунтове середовище має риси подібності до водного середовища
Іще одним заселеним живими організмами середовищем є ґрунтове. Ґрунт — це верхній родючий шар літосфери, утворений трьома компонентами: твердими частинками мінеральних і органічних речовин, повітрям та водними розчинами між ними. За аналогією до водного середовища, коливання температурних умов спостерігаються лише в поверхневому шарі, а з глибини в 1-1,5 м температура є сталою. А от вологість ґрунтового середовища є вищою за вологість наземно-повітряного, що дозволило організмам позбутися товстих покривів, як адаптації до зменшення випаровування. Уміст кисню в ґрунті більший за вміст у воді, але також зменшується із глибиною. Основною відмінністю ґрунтового середовища від наземно-повітряного й водного є відсутність світла, а тому й фотосинтезувальних організмів у його товщі немає.
Це означає, що основним джерелом поживних речовин є відмерлі рештки організмів наземно-повітряного середовища й поверхні ґрунту, яких особливо багато у верхньому гумусовому шарі. Крім того, корені й видозміни пагонів рослин розташовані в ґрунті й можуть бути використані організмами, які там живуть, у якості їжі. Відсутність світла також спричинила втрату очей чи їхнє спрощення в підземних організмів.
Кожна група ґрунтових організмів має свій набір адаптацій до життя
За розміром мешканців ґрунту можна розділити на кілька груп. Найбагатшою за видовим складом і кількістю особин є група бактерій і мікроскопічних грибів (у 1 см3 ґрунту живе кілька мільярдів бактерій!). Здебільшого це сапротрофні організми (харчуються рештками), що забезпечують гниття. Задля цього в багатьох із них є ферменти, які вони виділяють у навколишнє середовище для позаклітинного травлення. Саме ці організми забезпечують родючість ґрунту, перетворюючи органічні речовини решток на неорганічні в процесі життєдіяльності.
Дуже дрібні ґрунтові організми формують групу мікрофауни. До них відносять одноклітинних еукаріотів, здатних до руху, найменших членистоногих, нематод (рис. 7.5). Для них ґрунт фактично є системою водойм. Але через низьку шпаристість ґрунту їхні розміри значно менші за розміри споріднених видів, що вільно живуть у водному середовищі. Крім того, оскільки через малі розміри вони не можуть суттєво змінити своє положення в середовищі, то володіють здатністю легко й надовго переходити в захищений стан цист чи впадати в анабіоз.
Рис. 7.5. Мікрофауна ґрунту
A. Черепашкова амеба. Б. Коловертка. B. Тихохід.
Рис. 7.6. Мезофауна ґрунту
A. Гамазовий кліщ. Б. Дрібна багатоніжка. В. Колембола.
Рис. 7.7. Макрофауна ґрунту
A. Личинка жука-ковалика. Б. Вовчок. В. Багатоніжка кістянка.
Мезофауна ґрунту представлена численними членистоногими розміром до 2-3 мм (рис. 7.6). Для них ґрунт є системою печер, якою вони пересуваються за допомогою кінцівок. Завдяки вологості ґрунтового повітря багато з них дихає через покриви й має спрощену дихальну систему. За несприятливих умов (під час посухи чи похолодання) найдрібніші види намагаються переміщуватися углиб, тоді як більші переживають їх завдяки наявності потовщених захисних покривів.
Розміри представників макрофауни можуть сягати кількох сантиметрів — це личинки комах, великі багатоніжки, дощові черви (рис. 7.7). Вони пересуваються, розширюючи наявні ходи за рахунок зміни об'єму тіла чи прокопуючи нові щелепами або копальними кінцівками. Завдяки здатності активно рухатися такі тварини швидко залишають зони з несприятливим для себе умовами. Також вони відіграють важливу роль у перемішуванні ґрунту, що покращує умови гниття рослинних решток і сприяє збільшенню родючості.
Великих землерийних ссавців, які живуть у ґрунті, відносять до мегафауни. Вони мають потужні копальні кінцівки з кігтями (кроти) чи великі копальні різці (сліпаки), малорозвинені очі та зменшені вушні раковини (рис. 7.8). Усе це дозволяє їм активно пересуватися в товщі землі в пошуках їжі й сприятливих умов.
Рис. 7.8. Мегафауна ґрунту
A. Кріт. Б. Сліпак.
Цікаве життя
Голий та унікальний землекоп
Неймовірно дивовижною є сукупність адаптацій голого землекопа — дрібного гризуна розміром 8-10 см, що веде підземний спосіб життя в саванах і пустелях сходу Африки. Назва виду зумовлена майже повною відсутністю хутра на шкірі тварини. Він має лише чутливі волосини — вібриси — на морді й біля хвоста та жорсткі волосини між пальцями, що допомагають йому краще копати. До речі, вібриси на задній частині тіла — це дуже зручне надбання для вузьких нір, коли часто доводиться задкувати. Великі зуби стирчать перед губою, що дає змогу використати їх для копання й не дозволяє землі потрапляти до рота. Гола шкіра землекопа унікальна тим, що вона зовсім не чутлива до болю, тому дрібні порізи й потертості, ба навіть неконцентровані кислоти не завдають тваринці клопоту! Особливістю тіла землекопа, що відрізняє його від більшості інших тварин, є асиметрія тіла за кількістю сосків: їх у самки п'ять з одного боку й шість із іншого.
Не менш унікальною є тривалість життя землекопа — 28-32 років, що у 8 разів (!) більше за тривалість життя звичайної хатньої миші й робить його рекордсменом за довголіттям серед гризунів. Учені вважають, що це наслідок ефективного підтримання стійкості ДНК і відновлення активних форм Оксигену, здатності знижувати швидкість метаболізму й високої стійкості до раку. За всю історію спостережень лише у двох представників цього виду було знайдено пухлини й то лише тому, що вони жили в багатій на кисень атмосфері! Річ у тім, що голі землекопи живуть у норах, де вміст кисню всього лише 2-9 %. Ба більше, вони здатні 18 хвилин протриматися в безкисневій атмосфері й нормально почуватися в повітрі із 80 % умістом вуглекислого газу! Неймовірно, але голі землекопи — єдині холоднокровні ссавці, температура тіла яких залежить від температури зовнішнього середовища, подібно до риб і ящірок!
Для цих гризунів характерна складна соціальна організація колонії, схожа на таку у бджіл і мурах: усі члени колонії (їх зазвичай 70-80 особин) є родичами й нащадками однієї самки-цариці, що спарюється виключно з 2-3 плодовитими самцями. Решта ж її членів — нездатні до розмноження робочі особини. При цьому менші з них копають ходи, а більші — переважно охороняють їх від нападу змій.
Цікаво, що всі робочі особини лишаються здатними до розмноження, але не спарюються. Лише у разі смерті цариці самки змагаються між собою, й одна з них стає королевою колонії. При цьому її тіло змінюється: зростає відстань між хребцями, вона набирає жирову масу й стає приблизно в два рази важчою за будь-яку іншу особину колонії. Вагітність у землекопів триває 70 днів, тож приплід може з'являтися кожні три місяці, хоча в природі розмноження відбувається лише раз на рік.
Життєві запитання — обійти не варто!
Елементарно про життя
• 1. Сергій уважає, що планктонні організми мають густину, близьку за значенням до густини води. А Валерія стверджує, що нектонні тварини здатні плисти за течією. Хто з підлітків має рацію?
- А Сергій
- Б Валерія
- В обидвоє
- Г жоден
• 2. Низька екологічна пластичність за температурою багатьох гідробіонтів спричинена
- А відсутністю світла на глибині водойм
- Б низькою теплоємністю води
- В високою температурою кипіння води
- Г малою мінливістю температур у водоймах
• 3. Ґрунтове й водне середовища подібні
- А відсутністю кисню й більшою густиною за повітря
- Б наявністю світла
- В залежністю умов від відстані до поверхні
- Г сталістю температурних умов біля поверхні
• 4. Розгляньте діаграму складу ґрунту за масою й укажіть правильне твердження.
- А найпоширеніший компонент ґрунту — живі організми
- Б гумус є основною частиною органіки ґрунту
- В уміст води в ґрунті приблизно такий же, як в наземно-повітряному середовищі
- Г у ґрунті міститься майже у два рази більше повітря, ніж у воді
• 5. Увідповідніть тварину й групу ґрунтових організмів, до якої вона належить.
- 1 інфузорія
- 2 сліпак
- 3 личинка хруща
- 4 панцирний кліщ
- А мікрофауна
- Б мезофауна
- В макрофауна
- Г мегафауна
- Д норні тварини
У житті все просто
• 6. Чому фотосинтезувальних організмів із зеленими пігментами багато біля поверхні, а із червоним — на глибині? Як це пов'язано із тим фактом, що глибоководні організми зазвичай мають одноманітне темне забарвлення?
• 7. Відомо, що кролі, на відміну від зайців, живуть у власноруч створених норах. Спрогнозуйте, які особливості будови можуть відрізняти кролів і зайців у зв'язку з життям у норах. Перевірте свої гіпотези на світлинах і описах цих тварин.
У житті не все просто
• 8. Як глибоководним тваринам вдається добувати світло у своїх організмах? У який спосіб біолюмінесценція допомагає їм захищатися від хижаків?
• 9. Для виробництва харчового згущувача агар-агару використовують суміш полісахаридів, добутих із червоних водоростей. Чи є можливим виробництво агар-агару в Україні? Які для цього потрібні ресурси й інструменти?
Коментарі (0)