Влажность

Вода - основа живой материи. Для громадного числа живых организмов вода является одним из главных экологических факторов. Исключительная значимость воды состоит в том, что она является основным условием существования всего живого на Земле. Все жизненные процессы в клетках живых организмов протекают в водной среде.

Вода медленно нагревается и медленно остывает. Нужны большие затраты энергии для превращения льда в жидкость и жидкой воды в пар. Эти свойства определяют роль воды как аккумулятора энергии и главного регулятора климата на Земле.

Максимальная плотность воды приходится на температуру +4 °С. У других жидкостей максимальная плотность соответствует температуре плавления. При температурах выше и ниже +4 °С вода имеет меньшую плотность, то есть она расширяется. Поэтому лед не тонет в собственном расплаве. Благодаря этому водоемы замерзают с поверхности и образовавшаяся ледяная корка защищает их от полного промерзания, а живые организмы от гибели.

Вода – инертный и универсальный растворитель. Газы достаточно хорошо растворяются в ней, если способны вступать в химическое взаимодействие (аммиак, сероводород, сернистый газ, двуокись углерода). Прочие газы в ней мало растворимы. При понижении давления и повышении температуры растворимость газов. уменьшается.

Вода химически не изменяется под действием большинства технических соединений, которые растворяет. Это очень важно для всех живых организмов на нашей планете, поскольку необходимые их тканям питательные вещества поступают в водных растворах в сравнительно мало измененном виде. В природных условиях вода всегда содержит то или иное количество примесей, взаимодействия не только с твердыми и жидкими веществами, но растворяя также и газы.

Даже из свежевыпавшей дождевой воды можно выделить несколько десятков миллиграммов различных растворенных в ней веществ на каждый литр объема. Абсолютно чистую воду никогда и никому ещё не удавалось получить ни в одном из её агрегатных состояний; химически чистую воду, в значительной мере лишенную растворенных веществ, производят путем длительной и кропотливой очистки в лабораториях или на специальных промышленных установках.

В природных условиях вода не может сохранить “химическую чистоту”. постоянно соприкасаясь со всевозможными веществами, она фактически всегда представляет собой раствор различного, зачастую очень сложного свойства. В пресной воде содержание растворенных веществ обычно превышает 1 г./л. От нескольких единиц до десятков граммов на литр колеблются содержание солей в морской воде: например, в Балтийском море их всего 5 г./л., в Чёрном - 18, а в Красном море - даже 41 г./л.

Вода способна к значительному переохлаждению, т. е. может оставаться в жидком состоянии ниже температуры плавления (даже при —30°С). Ее удельная теплоёмкость, удельная теплота плавления и кипения аномально высоки по сравнению с другими веществами, причём удельная теплоёмкость воды минимальна при 40°С. Теплоемкость воды принята за единицу. Теплоемкость песка, например, составляет 0,2, а железа - лишь 0,107 теплоемкости воды. Способность воды накапливать большие запасы тепловой энергии позволяет сглаживать резкие температурные колебания на прибрежных участках Земли в различные времена года и в различную пору суток: вода выступает как бы регулятором температуры на всей нашей планете.

Большое экологическое значение имеют высокая плотность и вязкость воды. Плотность воды примерно в 1300 раз, а вязкость примерно в 55 раз выше, чем у воздуха. Вязкость с ростом давления уменьшается, а не повышается, как следовало бы ожидать по аналогии с другими жидкостями. Сжимаемость воды крайне невелика, причём с ростом температуры уменьшается.Удельная масса воды соизмерима с таковой тела живых организмов.

Из-за высокой плотности воды 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.

По сравнению с почвой и воздухом вода отличается гораздо большей термостабильностью, что благоприятно для существования жизни. Когда вода начинает нагреваться, возрастает испарение, вследствие чего повышение температуры замедляется. При охлаждении воды ниже 0'С и образовании льда, выделяющееся тепло тормозит дальнейшее понижение температуры.
По сравнению с воздухом вода гораздо менее прозрачна, и падающий в нее свет довольно быстро поглощается и рассеивается.

Уникальные свойства воды предопределяют особую ее миссию в формировании лика планеты Земля, ее физической и химической среды, а также в появлении и поддержании удивительного явления - жизни. Напомним, что человек почти на 65-70% состоит из воды. Если посчитать в литрах, то это будет 40-50 литров в человеке среднего возраста и среднего веса. Мышцы человека состоят из воды на 75%, печень - на 70%, мозг - на 79%, почки - на 83%.

Для поддержания водного баланса медики рекомендуют выпивать в сутки два литра воды. При этом считается все: соки, кисели, супы, компоты и т.п. Еда на самом деле состоит в основном из воды. Даже в засушенной корочке черного хлеба ее около пяти процентов, в молоке - 87, в помидорах - 85, в мясе - 50-70%.

Суточная же потребность в воде составляет для взрослого человека 9-10 литров, то есть около 15 процентов веса тела. Это не означает, что здоровый человек должен пить каждый день по ведру воды. Дело в том, что 7-8 литров наши ткани создают сами. Эта так называемая эндогенная жидкость рождается в организме при сжигании питательных веществ кислородом, строительстве новых молекул, их переделке. И эту воду непрерывно «выпивают» ткани. Перераспределение ее идет через желудочно-кишечный тракт. Например, человек 1,5 литра воды глотает со слюной, столько же дает желудок в виде желудочного сока, 3 литра соков выделяет кишечник, 0,7 литра - поджелудочная железа и 0.5 литра образуется желчи.

Но "приток" эндогенной влаги меньше, чем ее потери через почки, кожу, легкие, и поэтому 2 литра воды человек должен получить извне - либо в "чистом виде", либо с различной пищей. За несколькими исключениями это правило распространяется и на животных.

Больше всего воды в сутки из наземных животных нужно слону - около 90 литров, причем для нормальной жизнедеятельности он должен пить ежедневно. Может, потому и стали слоны одним из лучших "гидрогеологов" среди зверей и птиц? Водоемы они чувствуют на расстоянии до 5 километров! Только бизоны чуют еще дальше - на 7-8 километров. В засушливое время слоны роют бивнями в руслах опустевших рек ямы, куда собирается вода. Буйволы, носороги и другие африканские животные охотно пользуются слоновьими колодцами. Задними лапами роют колодцы и кенгуру. Глубина таких углублений доходит до метра.

Но что делать, если воды в округе почти нет? Чтобы удовлетворить жажду, гиены иногда едят дыни, арбузы, другие овощи. Горный кенгуру (валлару) обдирает кору деревьев и слизывает проступающий сок. Сурок, жираф, коала, некоторые антилопы и многие другие обитатели саванн и пустынь живут без водопоя многие недели, но при условии, что они получают влагу с сочной зеленью. Верблюду же обходиться безо всякой воды помогает жир в горбах. При окислении 100 граммов жира в организме образуется 107 граммов воды.

Первый признак того, что организму не хватает воды - усталость. При потере всего 5% из положенного организму количества жидкости пульс тут же учащается, а температура повышается. Если воду заменить на чай, кофе, вино, то эффект будет обратный. Все это мочегонное, поэтому жидкости в таких случаях теряется гораздо больше, чем выпивается. Если обезвоживание произойдет на 20 %, то надо срочно пить воду.

Тела животных содержат, как правило, не менее 50% воды. Упоминавшийся великан из мира животных - слон - на 70% состоит из воды; столько же ее в теле утки-кряквы; гусеницы, поедающие листья растений, состоят из воды на 85-90%; у медуз воды более 98%. Из животных наиболее "сухой" амбарный долгоносик (Sithophilus granarus). В его теле содержится всего 46% воды.

Сочные плоды растений также содержат большое количество воды: в картофеле ее 80%, в помидоре - 95%.

Организмы теряют воду прежде всего в процессе метаболизма; теряется она и при испарении с поверхности тела. Для поддержания жизнедеятельности животным приходится восполнять недостаток воды. Вода и растворенные в ней соли проникают в тела животных различными путями. Животные, обитающие в водной среде, получают ее через наружные покровы. Насекомые, моллюски, черви, амфибии адсорбируют влагу из воздуха. Поэтому лягушке пить совсем не обязательно. Для многих животных основной источник воды – пища. Бабочки питаются главным образом жидким кормом, комары довольствуются капельками росы.

Количество воды, которое может потерять живой организм без ущерба для себя, колеблется в широких пределах. Для млекопитающих эти величины составляют 10-15% от их веса. Исключением среди млекопитающих являются верблюд, который способен возместить потерю воды в количестве до 30% веса (выпивая сразу 10-15 ведер воды верблюд в четверть часа восстанавливает свой прежний вид), и домовая мышь, выдерживающая потерю до 40% воды. Такая устойчивость к "высыханию" позволяет мыши селиться в жилищах человека.

Среди других животных, к примеру, дождевой червь может терять даже 43 процента воды, и, хотя после этого он становится неподвижным и жизнь словно замирает в нем, его можно возродить. Чемпион же обезвоживания - африканская двоякодышащая рыба протоптерус. К концу спячки, которую она проводит в иле, в ней остается 10 процентов начального веса, и похудение идет в основном за счет потери воды.

Современное распространение жизни на Земле напрямую связано с осадками. Влажность в разных точках земного шара неодинакова. Больше всего осадков выпадает в экваториальной зоне и особенно много в верхнем течении реки Амазонки и на островах Малайского архипелага. Количество их в отдельных районах достигает 12 000 мм в год. Для сравнения в тундре и пустынях выпадает менее 250 мм осадков в год. Как видим, разница значительная.

Говоря об экологической роли воды, нужно учитывать характер выпадающих осадков. Всем известно выражение "грибной дождь", когда продолжительно моросящая влага хорошо увлажняет почву. Для растений такой дождь гораздо более ценен, чем кратковременный ливень, несущий большие потоки воды. Атмосферные осадки в любой форме (дождь, туман, снег, иней и т.д.) создают приток воды в почву, через нее к растениям, а от них к травоядным животным. Различные типы осадков в разных местах могут отличаться по воздействию на водный баланс территории. Например, в лесах побережий и в пустынях очень важный вклад в общее количество осадкой вносят роса и приземный туман. Отмечено, что на Западном побережье США туман за год дает в два-три раза больше воды, чем ее выпадает с осадками .

Животные по-разному относятся к влаге. Вода как физико-химическое тело оказывает непрерывное воздействие на жизнь гидробионтов (водных организмов). Она не только удовлетворяет физиологические потребности организмов, но и служит им опорой, доставляет кислород и пищу и уносит метаболиты, переносит половые продукты и самих гидробионтов. Благодаря подвижности воды в гидросфере возможно существование прикрепленных животных, которых, как известно, нет на суше. Поэтому свойства воды - важнейший фактор абиотической среды водного населения.

Отличаются потребности в воде и в мире растений. Известно, что одни растения предпочитают влажную среду - окраины озер, болота, другие прекрасно чувствуют себя при значительном недостатке влаги и способны произрастать чуть ли не на голом песке. Такое отношение растительных организмов к воде выработалось у них за время длительного эволюционного процесса.

По отношению к влажности все растения делятся на различные экологические группы. Растения для которых вода не просто экологический фактор, а среда обитания, составляют группу водных растений.

■ Гидадофиты (от греч. гидатос - вода и фитон – растение) - полностью или большей своей частью погруженные в воду растения. К ним относятся такие обычные водные растения, как кувшинка белая (Nymphaea alba), кубышка желтая (Nuphar lutea), стрелолист (Sagittaria sagittifolia).

■ Гидрофиты (от греч. гидро - вода) - растения погруженные в воду меньшей своей частью. Среди них можно назвать тростник обыкновенный (Phragmites australis), частуху подорожниковую (Аlisma plantago-aquatica), рогоз узколистный (Typha angustifolia) и др.

Растения с надземными частями, не погруженными в воду, разделяются еще на три группы.

■ Гигрофиты (греч. гигрос - влажный) - растения, приуроченные к избыточно увлажненным местообитаниям, где воздух насыщен водяными парами относятся. Это калужница болотная (Caltha palustris), чистяк весенний (Ficaria verna), вахта трехлистная (Menyanthes trifoliata).

■ Мезофиты(от греч. мезос - средний") - растения умеренно влажных местообитаний. В наших условиях это наиболее обширная экологическая группа растений. Здесь и обычные луговые травы (клевера луговой, ползучий, средний - Trifolium pratense, T. repens, T. medium) и большинство лесных трав (ландыш майский Convallaria majalis, майник двулистный - Majanthemum bifolium, папоротник орляк - Pteridium aquilinum), и почти все лиственные деревья - осина, береза, клен, ольха, многие полевые культуры и сорняки.

■ Ксерофиты (от греч. ксерос - сухой) - растения, приспособившиеся к местам с засушливым климатом и способные переносить большой недостаток влаги. К ним относятся такие обитатели сухих песчаных почв как молодило (Sempervivum tectorum) и очиток едкий (Sedum acre).

Среди ксерофитов выделяют две группы растений. Одни имеют сочные, мясистые стебляи или листья. Эта группа носит название суккулентов (от лат. "суккулентус" - сочный, жирный). Все эти растения в процессе эволюции выработали свойство накапливать воду в листьях или стеблях. В зависимости от того, в каких частях суккулентов развивается водозапасающая ткань, их делят на стеблевые и листовые. У стеблевых суккулентов листья чаще всего превращены в колючки или чешуйки. К ним относятся такие популярные у цветоводов растения, как кактусы. Некоторые кактусы способны концентрировать в своих стеблях до 3000 л воды и экономно расходовать ее в условиях засушливого климата. К листовым суккулентам принадлежат разводимые многими в лечебных целях виды из рода алоэ и бриофиллюм.

Встречаются суккуленты в разных семействах растительного царства и обитают на всех материках земного шара, но больше всего их произрастает в засушливых пустынях и полупустынях Африки и Америки.

Вторая группа растений-ксерофитов имеет жесткие кожистые листья и стебли, которые эффективно задерживают испарение воды. Они способны без вреда для себя потерять до 20-25% содержащейся в них влаги. Эта группа растений носит название склерофиты (от греч. «склерос» - твердый, жесткий). По внешнему виду склерофиты являются полной противоположностью суккулентам. Листья и стебли их не содержат запасов воды и кажутся суховатыми. К склерофитам относятся ковыли, многие полыни, саксаул, верблюжья колючка, оливковое дерево, пробковый дуб.

 

Эдафические факторы (факторы почвенной среды)

Жизнь многих организмов теснейшим образом связана с почвой. Почва – это удивительный мир, в котором существуют бок о бок многочисленные мельчайшие, мелкие и более крупные организмы. Она обильно пронизана корнями многочисленных растений, которые используют ее как питательную среду. Условия их жизни в первую очередь зависят от особенностей и свойств почвы.

Вся совокупность физических и химических свойств почвы, оказывающих экологическое воздействие на живые организмы относится к эдафическим факторам (от греч. эдафос - основание, земля, почва). К основным эдафическим факторам относятся механический состав (размер ее частиц), относительная рыхлость, структура, водопроницаемость, аэрируемость, химический состав самой почвы и циркулирующих в ней веществ (газов, воды).

Механический состав почвы определяется содержанием в ней механических элементов (гранулометрический состав) (табл. 5).

 

Таблица 5. Характеристика механических элементов почвы

 

Механические элементы

Диаметр частиц, мм

 

Камни > 3

Гравий 3-1

Песок крупный 1-0,5

Песок средний 0,5-0,25

Песок мелкий 0,25-0,05

Пыль крупная 0,05-0,01

Пыль средняя 0,01-0,005

Пыль мелкая 0,005-0,001

Ил грубый 0,001-0,005

Ил тонкий 0,0005-0,0001

Коллоиды <0,0001

 

Характер гранулометрического состава почвы может иметь экологическое значение для животных, которые по крайней мере в какой-то период своей жизни обитают в почве или ведут роющий образ жизни. Личинки насекомых, как правило, не могут жить в слишком каменистой почве; роющие перепончатокрылые, откладывающие свои яйца в подземных ходах, многие саранчевые, зарывающие яйцевые коконы в землю, нуждаются в том, чтобы она была достаточно рыхлой.

Важной характеристикой почвы является ее кислотность. Из школьного курса химии хорошо известно, что кислотность среды, определяемая водородным показателем (pH), является величиной, характеризующей концентрацию ионов водорода в растворе, и численно равна отрицательному десятичному логарифму этой концентрации: рН=-lg[H⁺]. Водные растворы могут иметь рН от 0 до 14. Нейтральные растворы имеют рН 7, кислая среда характеризуется значениями рН меньше 7, а щелочная - больше 7. Кислотность может служить индикатором скорости общего метаболизма сообщества. Если рН почвенного раствора слишком низка, то в ней содержится мало биогенных элементов, поэтому продуктивность такой почвы крайне мала.

В связи с отношению к степени кислотности почвы можно выделить следующие экологические группы растений:

■ ацидофильные виды могут расти на кислых почвах с рН почвенного

раствора менее 6,7 (это растения сфагновых болот, вереск (Calluna vulgaris), багульник (Ledum palustre), виды родов хвощ (Equisetum), черника (Vaccinium myrtillus), многие мхи);

■ нейтрофильныевиды растут на почвах со значением рН близко к нейтральному (большинство культурных растений, виды родов клевер (Trifolium), люцерна (Medicago), тимофеевка (Phleum), орех (Juglands) и др.);

■ базифильныевиды малочувствительны к щелочной реакции и растут при рН более 7 (в основном это растения меловых отложений, степей, пустынь и полупустынь);

■ индифферентные виды могут произрастать на почвах с разным значением рН (ландыш (Convallaria majalis), овсяница овечья (Festuca оvina) и др.).

По отношению к плодородию почвы (валовому составу химических элементов) различают следующие экологические группы растений:

■ олиготрофы (от греч. олигос – небольшой и трофе – питание) – растения бедных, малоплодородных почв (сосна обыкновенная (Pinus sylvestris);

■ мезотрофы (от греч. мезос – средний) – растения с умеренной потребностью к питательным веществам – большинство наших лесных растений;

■ эвтрофы(от греч. эу – хорошо) – растения, требовательные к содержанию большого количества питательных веществ в почве (дуб (Quercus robur), лещина (Corylus avellana), сныть (Aegopodium pоdagraria).