Факторы водной среды и их влияние на организмы. Экологические особенности условий дыхания у организмов

Целый ряд гидробионтов обладают особым характером питания - это отцеживание  или осаждение взвешенных в воде частиц органического происхождения, многочисленных мелких организмов. Этот способ питания не требует больших затрат энергии на поиски добычи и характерен для пластинчатожаберных моллюсков, сидячих иглокожих, асцидий, планктонных рачков и др. Животные-фильтраторы выполняют важную роль в биологической очистке водоемов.

В связи с быстрым затуханием световых лучей в воде жизнь в постоянных сумерках или во мраке сильно ограничивает возможности зрительной ориентации гидробионтов. Звук распространяется в воде быстрее, чем в воздухе, и ориентация на звук у гидробионтов развита лучше зрительной. Отдельные виды улавливают даже ультразвуки. Звуковая сигнализация служит больше всего для внутривидовых взаимоотношений: ориентации в стае, привлечения особей другого пола и т.д. Китообразные, например, отыскивают пищу и ориентируются при помощи эхолокации - восприятия отраженных звуковых волн. Принцип локатора дельфина заключается в излучении звуковых волн, которые распространяются перед плывущим животным. Встречая препятствие, например рыбу, звуковые волны отражаются и возвращаются к дельфину, который слышит возникающее эхо и таким образом обнаруживает предмет, вызывающий отражение звука.

Известно около 300 видов рыб, которые  способны генерировать электричество  и использовать его для ориентации и сигнализации. Ряд рыб (электрический скат, электрический угорь) используют электрические поля для защиты и нападения.

Водным организмам свойственен  древний способ ориентации - восприятие химизма среды. Хеморецепторы многих гидробионтов (лососи, угри) обладают чрезвычайной чувствительностью. В тысячекилометровых миграциях они с поразительной точностью находят места нерестилищ и нагула.

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.

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.

                                                Принцип водного дыхания.

Относительно небольшое количество кислорода, растворенного в воде, предъявляет определенные требования к конструкции органов внешнего дыхания. Эти органы должны быть представлены структурами с большой поверхностью, что морфологически чаще выражается в виде сложноветвящихся, складчатых, тонких эпителиальных образований. Дыхательная поверхность во всей полноте должна контактировать с окружающей водой. Именно эти две позиции реализованы у ряда беспозвоночных животных, дыхательные органы ( жабры) которых свободно контактируют с водой во всей поверхности.

Эволюция, направленная на повышение уровня метаболизма, связана с активизацией газообмена. В простейшем случае это выражается в использовании течений и других перемещений водной массы, что ускоряет газообмен. В более сложных вариантах возникают специальные приспособления, активно прогоняющие воду через дыхательный аппарат ( некоторые моллюски и др.). В наиболее выраженной форме этот принцип реализован у первичноводных позвоночных животных.

У всех рыб жаберный аппарат устроен так, что вода активно прокачивается сквозь систему многочисленных жаберных лепестков, на поверхности которых происходит газообмен. У высших костных рыб движение ротового и жаберного аппаратов сочетают нагнетательный (ротовая полость) и всасывающий (околожаберная полость) принципы, что обеспечивает интенсивное продвижение воды через жабры. У акуловых рыб из-за отсутствия жаберной крышки этот механизм выражен слабее.

При быстром плавании, сопряженном с большими затратами энергии, для прокачивания воды через жабры используется самодвижение: рыба плывет с открытым ртом, и вода проталкивается через жабры тем интенсивнее, чем выше скорость движения. Такой же «напорный» тип жаберной вентиляции используют и хорошие пловцы из костных рыб. Видимо, при большой скорости такой тип вентиляции оказывается более экономичным.

Во всех описанных случаях вода проходит через жабры только в одном направлении; движений типа вдох- выдох у водных позвоночных нет. Это связано с необходимостью непрерывного извлечения кислорода из воды; «холостые» (типа выдоха) фазы резко снизили бы эффективность дыхания.

Извлечение кислорода из воды в жабрах рыб усиливается еще и вследствие использования принципа противотока: движение крови в капиллярах вторичных жаберных пластинок ориентировано так, что оказывается противоположным току воды через систему этих пластинок. Благодаря противоточной системе на протяжении всей длины жаберной пластинки сохраняется градиент концентрации кислорода и углекислого газа  в крови и в воде, в силу чего процесс диффузии идет непрерывно, и отходящая от жабр кровь имеет почти тот же уровень насыщения кислородом, что и поступающая в жабры вода.

Дыхание гидробионтов осуществляется как через поверхность тела, так  и через специализированные органы — жабры, легкие, трахеи. При этом покровы могут служить дополнительным органом дыхания. Например, рыба вьюн через кожу потребляет в среднем 63% кислорода. Если через покровы тела происходит газообмен, то они очень тонки. Дыхание облегчается также увеличением поверхности. Это достигается в ходе эволюции видов образованием выростов, уплощением, удлинением, общим уменьшением размеров тела. Некоторые виды при недостатке кислорода активно изменяют величину дыхательной поверхности. Многие сидячие и малоподвижные животные обновляют вокруг себя воду, либо создавая ее направленный ток, либо колебательными движениями способствуя ее перемешиванию. Двустворчатым моллюскам для этой цели служат реснички, выстилающие стенки мантийной полости; ракообразным - работа брюшных или грудных ножек. Пиявки, личинки комаров-звонцов (мотыль), многие олигохеты колышут тело, высунувшись из грунта. У некоторых 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.

                                  Химическое загрязнение природных вод.

Всякий водоем  или водный источник связан с окружающей его внешней  средой. На него оказывают влияние  условия формирования поверхностного или подземного водного стока,  разнообразные природные явления, индустрия, промышленное и коммунальное строительство, транспорт,  хозяйственная и бытовая деятельность человека.  Последствием этих влияний является привнесение в водную среду новых, несвойственных ей веществ -  загрязнителей, ухудшающих качество воды. Загрязнения, поступающие в водную среду,  классифицируют  по разному,  в зависимости от подходов, критериев и задач. Так, обычно выделяют химическое, физическое и биологические загрязнения, как неорганической (минеральные соли, кислоты, щелочи, глинистые частицы),  так и органической природы (нефть и нефтепродукты, органические  остатки,  поверхностноактивные  вещества, пестициды).

Неорганическое загрязнение

Основными неорганическими  (минеральными)   загрязнителями пресных и  морских  вод являются разнообразные химические соединения, токсичные для обитателей водной среды.  Это соединения мышьяка, свинца, кадмия, ртути, хрома, меди, фтора. Большинство из них попадает в воду в результате человеческой деятельности. К опасным загрязнителям водной среды можно отнести неорганические кислоты и основания, обуславливающие широкий диапозон  рН промышленных  стоков ( 11,0 - 11,0).  Среди основных источников  загрязнения гидросферы  минеральными веществами и биогенными элементами следует упомянуть предприятия пищевой промышленности и сельское хозяйство. Загрязнение ртутью значительно снижает первичную продукцию морских экосистем,  подавляя развитие фитопланктона. Отходы,  содержащие ртуть, обычно скапливаются в донных отложениях заливов или эстуариях рек.  Дальнейшая ее миграция сопровождается  накоплением  метиловой  ртути  и  ее включением в трофические цепи водных организмов. Так, печальную известность  приобрела болезнь Минамата,  впервые обнаруженную японскими учеными у людей,  употреблявших в пищу рыбу,  выловленную в заливе Минамата,  в который бесконтрольно сбрасывали промышленные стоки с техногенной ртутью.

Органическое загрязнение.

Среди вносимых в океан с суши растворимых веществ, большое значение для обитателей водной среды имеют  не  только  минеральные, биогенные элементы, но и  органические остатки.  Сточные воды,  содержащие суспензии органического происхождения или растворенное органическое вещество, пагубно влияют на состояние водоемов.  Осаждаясь, суспензии заливают дно и задерживают развитие или полностью прекращают жизнедеятельность данных микроорганизмов, участвующих в процессе самоочищения вод. При гниении данных осадков могут образовываться вредные соединения и отравляющие вещества, такие как сероводород, которые приводят к загрязнению всей воды в реке. Наличие суспензий  затрудняют также проникновение света в глубь воды и замедляет процессы фотосинтеза.  Одним из основных санитарных требований, предъявляемых к качеству воды, является содержание в ней необходимого количества  кислорода.  Вредное действие оказывают все загрязнения, которые так или иначе содействуют снижению содержания кислорода в воде. Поверхностно активные вещества -  жиры,   масла, смазочные материалы - образуют на поверхности воды пленку, которая препятствует газообмену между  водой и атмосферой,  что снижает степень насыщенности воды кислородом.  Значительный объем  органических  веществ, большинство из которых не свойственно природным водам, сбрасывается в реки вместе с промышленными и бытовыми  стоками. В связи с быстрыми темпами урбанизации и несколько замедленным строительством очистных сооружений или их неудовлетворительной эксплуатацией водные бассейны и почва загрязняются бытовыми отходами.  Бытовые отходы опасны не  только тем, что  являются  источником  некоторых  болезней человека (брюшной тиф,  дизентерия, холера), но и тем, что требуют для своего разложения много кислорода.

     Проблема   загрязнения   Мирового   океана (на примере  ряда органических соединений)

     Нефть и нефтепродукты

Нефть представляет  собой  вязкую  маслянистую  жидкость, имеющую темно- коричневый цвет и обладающую  слабой  флуоресценцией. Нефть и нефтепродукты являются наиболее  распространенными загрязняющими веществами в Мировом океане. К началу  80-ых  годов в океан ежегодно поступало около 10,23%  мировой добычи нефти. Наибольшие потери нефти связаны с ее транспортировкой из районов добычи.  Аварийные ситуации, слив за  борт танкерами промывочных и балластных вод,  - все это обуславливает присутствие постоянных полей загрязнения на трассах морских путей. Нефтяная пленка изменяет состав  спектра и интенсивность проникновения в воду света. Пропускание света тонкими пленками сырой нефти составляет  1-10%  (280 нм),  60-70%  (400нм). Пленка толщиной   130-40 мкм полностью поглощает инфракрасное излучение.  Смешиваясь  с водой,  нефть   образует эмульсию двух типов: прямую  "нефть в воде"  и обратную  "вода в нефти" . При удалении летучих фракций, нефть образует вязкие обратные эмульсии, которые могут сохраняться на поверхности, переноситься течением, выбрасываться на берег и оседать на дно.

    Пестициды

Пестициды составляют  группу  искусственно  созданных  веществ, используемых для  борьбы с вредителями и болезнями  растений. Пестициды делятся на следующие  группы:   инсектициды - для борьбы  с вредными насекомыми,    фунгициды и бактерициды - для борьбы с бактериальными болезнями растений,   гербициды  -  против сорных растений.  Установлено, что пестициды уничтожая вредителей, наносят вред многим полезным организмам и подрывают здоровье биоценозов. В сельском хозяйстве давно уже стоит проблема перехода от химических (загрязняющих среду) к биологическим (экологически чистым) методам борьбы с вредителями.

     Синтетические поверхностно-активные вещества.

Детергенты (СПАВ)  0относятся к  обширной группе веществ, понижающих поверхностное  натяжение  воды.  Они входят в состав синтетических моющих средств ( СМС) , широко применяемых в быту и промышленности.  Вместе  со сточными водами СПАВ попадают в материковые воды и морскую среду. Наиболее распространенными среди СПАВ являются  анионоактивные вещества.  На их долю приходится более  50%  всех производимых в мире СПАВ.  Присутствие СПАВ в сточных водах промышленности связано  с  использованием  их в таких процессах, как флотационное обогащение руд, разделение продуктов химических технологий,  получение полимеров, улучшение условий бурения нефтяных и газовых скважин, борьба с коррозией оборудования. В сельском хозяйстве СПАВ применяется в составе пестицидов.

     Соединения с канцерогенными свойствами.

     Канцерогенные  вещества - это химически однородные соединения, проявляющие трансформирующую  активность  и  способность  вызывать  канцерогенные, тератогенные  (нарушение  процессов  эмбрионального развития) или мутагенные изменения в  организмах. В зависимости от условий воздействия они могут приводить к ингибированию роста,  ускорению старения, нарушению индивидуального развития  и  изменению генофонда организмов.  К веществам, обладающим канцерогенными свойствами, относятся  хлорированные алифатические углеводороды, винилхлорид,  и особенно,  полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Основные антропогенные источники ПАУ  в  окружающей среде - это пиролиз органических веществ при сжигании различных материалов, древесины и топлива.

     Тяжелые металлы.

Тяжелые металлы (ртуть,  свинец,  кадмий, цинк, медь, мышьяк,) относятся к числу распространенных  и  весьма  токсичных  загрязняющих веществ. Они широко применяются в различных промышленных производствах,  поэтому, несмотря на очистные мероприятия, содержание соединения тяжелых металлов в промышленных  сточных водах довольно высокое. Большие массы этих соединений поступают в океан через атмосферу. Для морских биоценозов наиболее опасны ртуть,  свинец и кадмий.  Ртуть  переносится  в океан с материковым стоком и через атмосферу. Около половины годового промышленного производства  этого металла различными путями  попадает  в  океан. Заражение морепродуктов неоднократно  приводило  к ртутному отравлению прибрежного населения. Свинец - типичный рассеянный элемент, содержащийся во всех компонентах окружающей среды: в  горных породах, почвах,  природных водах, атмосфере, живых организмах. Наконец,  свинец  активно рассеивается в окружающую среду в процессе  хозяйственной  деятельности  человека.  Это выбросы с промышленными и бытовыми стоками,  с дымом и пылью промышленных предприятий, с  выхлопными  газами   двигателей внутреннего сгорания.  Миграционный поток свинца с континента в океан идет не только с речными стоками, но и через атмосферу.