Водная среда жизни

По мнению большинства  авторов, изучающих возникновение  жизни на Земле, эволюционно первичной  средой жизни была именно водная среда. Этому положению мы находим немало косвенных подтверждений. Прежде всего, большинство организмов не способны к активной жизнедеятельности без поступления воды в организм или, по крайней мере, без сохранения определенного содержания жидкости внутри организма. Внутренняя среда организма, в которой происходят основные физиологические процессы, очевидно, по-прежнему сохраняет черты той среды, в которой происходила эволюция первых организмов. Так, содержание солей в крови человека (поддерживаемое на относительно постоянном уровне) близко к таковому в океанической воде. Свойства водной океанической среды во многом определили химико-физическую эволюцию всех форм жизни. Пожалуй, главной отличительной особенностью водной среды является ее относительная консервативность. Скажем, амплитуда сезонных или суточных колебаний температуры в водной среде намного меньше, чем в наземно-воздушной. Рельеф дна, различие условий на различных глубинах, наличие коралловых рифов и проч. создают разнообразие условий в водной среде.

Особенности водной среды  проистекают из физико-химических свойств  воды. Так, большое экологическое  значение имеют высокая плотность  и вязкость воды. Удельная масса  воды соизмерима с таковой тела живых  организмов. Плотность воды примерно в 1000 раз выше плотности воздуха. Поэтому водные организмы (особенно, активно движущиеся) сталкиваются с большой силой гидродинамического сопротивления. Эволюция многих групп водных животных по этой причине шла в направлении формирования формы тела и типов движения, снижающих лобовое сопротивления, что приводит к снижению энергозатрат на плавание. Так, обтекаемая форма тела встречается у представителей различных групп организмов, обитающих в воде, - дельфинов (млекопитающих), костистых и хрящевых рыб.

Высокая плотность воды является также причиной того, что  механические колебания (вибрации) хорошо распространяются в водной среде. Это  имело важное значение в эволюции органов чувств, ориентации в пространстве и коммуникации между водными  обитателями. Вчетверо большая, чем в воздухе, скорость звука в водной среде определяет более высокую частоту эхолокационных сигналов.

В связи с высокой  плотностью водной среды ее обитатели  лишены обязательной связи с субстратом, которая характерна для наземных форм и связана с силами гравитации. Поэтому есть целая группа водных организмов (как растений, так и животных), существующих без обязательной связи с дном или другим субстратом, "парящих" в водной толще.

Электропроводность открыла  возможность эволюционного формирования электрических органов чувств.

Термические свойства воды: большая теплоемкость, высокая скрытая  теплота плавления и испарения, низкая теплопроводность и расширение перед замерзанием. Благодаря этим свойствам, поддерживается относительное  постоянство температурного режима океанов, что, в свою очередь, уменьшает амплитуду колебания температуры на земной поверхности. Температурная аномалия воды – расширение перед замерзанием – в сочетании с аномальным изменением плотности в интервале от 0 до +4. обеспечивают перемешивание водных масс и препятствуют промерзанию водоемов. Не будь этих аномалий, образующийся в холодное время года лед опускался бы на дно, превращая водные бассейны в залежи льда, оттаивающие летом лишь на поверхности, где находили бы приют лишь эфемерные водные организмы. Благодаря высокой теплоемкости и низкой теплопроводности вода обеспечивает не только относительное постоянство температуры океанов, но и способствует сохранению температуры тела организмов, как никакое другое вещество.

Вода является растворителем. Это свойство и исключительная подвижность делают воду основным фактором обмена веществ в неживой природе. Ту же функцию вода исполняет и в организмах – благодаря воде растворенные и нерастворенные органические вещества поступают к потребителям. Без этого обмена не могли бы существовать ни планктонные, ни неподвижные организмы. Как растворитель и как переносчик питательных веществ вода, естественно, имела большое значение в раннем периоде существования жизни до появления органов активного движения. С водой транспортируются вещества внутри организма и выделяются продукты распада.

Органический обмен веществ, включающий поглощение питательных  веществ и их трансформацию и  выделение продуктов метаболизма, является аналогом обмена в неорганической природе, осуществляющегося с помощью воды. Благодаря высокому поверхностному натяжению воды (по ее поверхности способны бегать водомерки), она удерживается на поверхности живых и неживых объектов и поднимается по капиллярам. Без этого свойства организмы вряд ли вышли бы на сушу, потому что питание наземных растений основано на капиллярности воды. Практическая не сжимаемость воды позволяет организмам населять большие глубины. Благодаря ряду оптических свойств, прежде всего прозрачности, в воде на значительных глубинах может идти фотосинтез. Вода на Земле представляет собой раствор солей и газов, в частности углекислоты. Американский физиолог Л. Гендерсон считал углекислоту вторым после воды веществом по своей пригодности для жизни. Благодаря высокой растворимости, углекислота так же подвижна, как и вода. Углекислота способна поддерживать в растворе со своими нейтральными солями постоянство концентрации водородных ионов, обеспечивая так называемую буферность.  Она поддерживает реакцию крови, близкую к нейтральной И, наконец, углекислота является источником углерода в питании зеленых растений и некоторых хемотрофных бактерий. В связи с изучением свойств воды следует еще раз остановиться на тех особенностях океана, которые способствовали возникновению в нем жизни. Воды океана имеют относительно постоянную температуру, устойчивый состав минеральных солей, постоянную концентрацию водородных ионов, постоянное осмотическое давление и подвижность, которая обеспечивает перенос питательных веществ и их разнообразие. Океан представляет собой идеальную среду жизни.

 Влияние морских течений  на распределение температуры  в водных массах.

Самым главным фактором, обуславливающим границы распространения  организмов в море, является температура, и морские обитатели гораздо более чувствительны к ней, чем наземные. Распределение поверхностных температур океанов, в общем следует широтной зональности Однако, морские течения, переносящие огромные водные массы. Значительно перераспределяют температуру. Существуют системы горизонтальных и вертикальных течений

Адаптивные особенности водных растений

Водные растения, в отличие от наземных, поглощают влагу и минеральные  соли непосредственно из окружающей воды, поэтому их организация имеет свои особенности. У них слабо развиты проводящие ткани, а также корневая система. Поскольку корни служат для прикрепления к подводному субстрату, они лишены корневых волосков. Мощное развитие корневой системы у некоторых из них – рдестов, кубышек, кувшинок – обеспечивает вегетативное размножение и запасание некоторых веществ. Главной структурной особенностью гидрофитов является наличие крупных межклетников и полостей, создающих особую воздушную ткань – аэренхиму, которая обеспечивает плавучесть органов. Подводные гидрофиты отличаются от надводных отсутствием кутикулы и функционирующих устьиц и тонкими расчлененными листьями. Для них также характерно слабое развитие механических тканей. Интенсивный газообмен при недостатке в воде растворенного кислорода обеспечивается либо очень длинными и тонкими стеблями и листьями, покровы которых легко проницаемы для кислорода – рдесты, либо сильной расчлененностью листьев – водяной лютик, уруть. Тонкость погруженных листьев обеспечивает интенсивность фотосинтеза в условиячх слабого освещения. Хлорофилл в этих клетках располагается непосредственно в клетках эпидермиса. Рдесты, водяные мхи, элодеи, валлиснерии. Клетки водных растений имеют низкий осмотический потенциал, тем не менее, им необходима защита от вымывания минеральных солей . Она достигается выделением слизи специальными клетками и образованием эндодермы из более толстостенных клеток. У ряда растений развита гетерофиллия – разнолистность. У сальвинии, например, плавающие листья обеспечивают органическое питание, а погруженные – минеральное. У кувшинок и кубышек плавающие листья  приспособлены к лучшему газообмену – с устьицами только на верхней стороне листа. Водные растения размножаются вегетативным путем, однако, у палвающих присутствуют цветоносные стебли и плавающие плоды. Водные растения – гидрофиты подразделяются на несколько групп:

Плавающие на поверхности – контактирующие с водой и воздухом – ряска, сальвиния, водокрас.

Погруженные – взвешенные – контактирующие только с водной средой. Рдесты, роголистник, пузырчатка, планктонные водоросли. Эти растения образуют зону подводной вегетации.  Рдестовые  - семейство Potamogetonaceae – роды Potamogeton, Ruppia, Zanichellia.

Погруженные – укорененные, связанные  с водой и почвой. Элодея, валлиснерия, уруть. Водоросль хара – ее появление свидетельствует о переходе от литоральной зоны к большим глубинам.

Плавающие на поверхности – укорененные  – контактирующие с тремя средами  – вода, воздух, почва. Кубышки, кувшинки, некоторые виды рдестов, виктория. Горизонтально расположенные листья этих растений препятствуют проникновению света в воду. Затененные нижние поверхности плавающих листьев используются водными животными для отдыха и откладки яиц.

Амфибийные виды – обитающие  на прибрежном мелководье., стебли и  листья которых обычно высоко возвышаются над водой – стрелолист, частуха, рис, рогоз, камыш, мангровые растения. Эти виды являются «мостом» между водной и наземной средой. Они удобны для выхода насекомых из воды и для входа в воду. Каждой форме высшего растения соответствует характерное для него водорослевое обрастание.

Кроме прикрепленных или иным образом  связанных с высшими растениями микроводорослей, многие виды обладают специальными приспособлениями, увеличивающими плавучесть.

Диатомовые – желто-коричневые водоросли, резко уменьшаются в загрязненных водоемах.

Зеленые – плавающие и прикрепленные  нитчатые

Синезеленые. В загрязненных водоемах организуют очень высокую биомассу, не выедаются, после гибели отравляют воду многочисленными токсинами.

Адаптивные особенности водных животных.

 Адаптации животных  к водной  среде более разнообразны, чем  адаптация растений – включают  анатомические, физиологические,  морфологические и поведенческие  признаки. Приспособления для плавучести  у животных, обитающих в толще  воды, позволяющие им противостоять движению воды и течениям. Уменьшение удельной плотности тканей тела плавающих животных – медузы, гребневики, пористость скелетных образований и раковин, скопления жира в тканях, газовые пузырьки в протоплазме клеток., плавательные пузыри у рыб и воздухоносные полости у сифонофор. Увеличение удельной поверхности тела при помощи различных выростов, придатков, шипов. Жгутики, реснички, изгибания тела, способность выбрасывать струю воду для большей реактивности движения, плавательные ноги, плавники, ласты, слизь на теле. Большая группа пресноводных животных используют для передвижения поверхностную пленку воды.

Донные животные вырабатывают приспособления, уменьшающие плавучесть и позволяющие  удерживаться на дне, даже в условиях сильной текучести или в зоне прилива-отлива. Прикрепленные животные, роющие. Большинство водных животных пойкилотермны – температура тела зависит от температуры окружающей среды. У гомойотермных животных образуется мощных слой подкожного жира.

Приспособление к давлению водной среды. Эврибатные – обитающие и  при высоком, и при низком давлении. Стенобатные – в условиях высокого давления.

 Осмос. Сложные механизмы  водно-солевого обмена.

 Большинство водных организмов  пойкилоосмотичны., т.е., осмотическое  давление в телде зависит от концентрации солей в окружающей среде. Многие беспозвоночные не имеют механизма водно-солевого обмена, поскольку они изотоничны. Гомойоосмотичны высшие раки, насекомые и их личинки. Сократительные вакуоли простейших и почки у рыб помогают эффективно удалять воду из тела. Восполняя постоянный выход воды из тела, морские животные и рыбы пьют морскую воду. При этом одновалентные ионы соленой воды активно удаляются жабрами, а двухвалентные – почками. Лососи, угри, осетровые имеют мощные механизмы осморегуляции для перехода из соленой воды в пресную и наоборот.

 Биологическая роль биофильтрации. 

В водной среде содержится большое  количество частичек органического  вещества – детрита. Большая часть  животных приспособилась отцеживать воду, отфильтровывая взвешенные в ней частицына специфических микропористых структурах. Другая группа животных осаждает детрит либо на поверхности собственного тела, либо на специальные ловчие устройства – седиментаторы. Животные фильтраторы и седиментаторы играют большую роль в очистке водоемов – асцидии, полихеты. Мшанки, моллюски, рачки – калянусы.