1. Моя освіта – реферати, конспекти, доповіді
  2. Біологія
  3. Екологічні чннннкн водного середовища

Екологічні чннннкн водного середовища

Щоб ліпше зрозуміти вплив абіотичних чинників водного середовища на живі організми, необхідно з’ясувати питання про воду як мінеральну речовину та її найголовніші властивості. Незважаючи на широке поширення, вода має цілу низку унікальних властивостей. Унікальність води полягає в її молекулярній будові та міжмолекулярній структурі. Між атомами кисню й водню, з яких складається вода, наявний так званий ковалентний зв ‘язок, який надає електронним парам надзвичайної стійкості не лише на поверхні, а й у мантії Землі та в космічному просторі.

Водночас вода має певні аномальні властивості. Насамперед вона дуже стійка до впливу зовнішніх чинників, що пояснюють існуванням додаткових сил між молекулами (водневий зв ‘язок). Іон водню, зв’язаний з іоном кисню, здатний притягувати до себе іон того ж елемента з іншої молекули. Кожна молекула води може утворювати чотири водневі зв’язки завдяки двом парам неподілених електронів кисню і двох позитивно заряджених атомів водню. Крім звичайного водню, у воді трапляється водень з масою 2, тобто дейтерій (D), і з масою 3 – тритій (Т). Кисень також має різні ізотопи. Окрім звичайного (з атомною вагою 16), виявлено ще два інші – з атомною вагою 17 і 18.

Отже, теоретично може існувати 42 різновидності ізотопної води, з яких лише 7 мають стійку форму, тобто вони нерадіоактивні.

Гідросфера Землі на 99,73% складається зі звичайної води (молекулярний склад Н21О16). Ще 0,04% – це важкокиснева вода зі складом Н21О17 і 0,02% – вода, що складається з Н21О18. Частка важкої води зі складом DO2 у природних водах становить пересічно 0,15 мл на 1 л природної води. Така різниця в ізотопному складі впливає на фізичні властивості води – щільність, температуру кипіння й замерзання. У таблиці Менделєєва поряд з киснем розміщені сірка (S), селен (Se), телур (Те), їхні сполуки з воднем називають гідратами: H2S, H2Se, H2Te. Заряд ядра визначає фізичні властивості речовин цього ряду. Зокрема, якщо Н2Те – речовина з цього ряду, яка має найважчу молекулярну вагу цього ряду, кипить при температурі -4°С, а замерзає при -51°С, то дві інші значно легші сполуки (H2Se і H2S) киплять і замерзають при нижчій температурі, прямо пропорційній їхнім молекулярним вагам. Відповідно вода, як найлегша з цього ряду сполука, мала б замерзати при температурі -90°С, а кипіти при -70°С. Вода ж, як відомо, замерзає при 0°С, а кипить при 100°С, тобто зовсім не відповідає виявленій закономірності (рис. 12.2).

Вода має здатність розчиняти різноманітні речовини, з якими стикається у водозбірному басейні. У ній наявні всі елементи таблиці Менделєєва. З цього приводу В. Вернадський (1960) зауважив: “…у кожній краплі води, як у мікрокосмосі, відображається склад космосу”. Наприклад, за останні роки із 87 стабільних хімічних елементів, відомих у складі земної кори, близько 80 виявлені у природних водах.

Усі ці елементи впливають на властивості й хімічний склад води. Не дивно, що електропровідність розчинів у десятки тисяч разів вища, ніж електропровідність води. Це пояснюють наявністю у розчинах йонів, які прискорюють перенесення електричних зарядів. Якщо у дистильованій воді розчинити звичайну кухонну сіль з таким розрахунком, щоб отримати 1 кг морської води, то зниження температури води буде відповідати втраті близько 2514 Дж тепла. Крім цього, об’єм розчину виявиться меншим за суму початкових об’ємів води й солі. Розчин ніби стиснеться. Таке явище має назву електрострикції.

Вплив зовнішніх чинників суттєво змінює структурні особливості води. Експериментально доведено, що вода й водні розчини після високотермічного прогрівання й тиску впродовж певного часу перебувають у метастабільному стані. 400°С вода підвищує розчинну здатність щодо кальциту відповідно у 2, 3 і 4 рази. Здатність води впродовж певного часу зберігати свій структурний стан після зміни зовнішніх чинників А. Блох (1969) називає структурною пам ‘яттю води.

Досі ми вели мову про живі організми суходолу, для яких середовищем життя були ґрунти й повітря. Тепер йтиметься про живі організми, середовищем життя яких є води Світового океану. В цьому випадку першим виникає таке запитання: звідки на Землі взялася вода, яка нині покриває понад 71% її поверхні?

Отже, вода існувала на поверхні Землі вже на її ранніх стадіях (етапах) геологічного розвитку. Вона стала розчинником для речовин, що потрапляли на поверхню внаслідок вулканічної діяльності або ж опадів з атмосфери. В атмосферу такі речовини потрапляли внаслідок дегазації земних надр. Геологічні дані свідчать про те, що вода була наявна на поверхні Землі в достатній кількості вже 3 млрд років тому. Проте якщо порівнювати її обсяг із сучасним, то він був на порядок меншим.

Другим постає таке запитання: як утворилися океанічні котловини? Сучасні океанічні котловини утворилися на земній поверхні порівняно недавно. Майже всі вони мають вік, молодший за 250 млн років, тобто існують лише 5% геологічного часу Землі. Ми знаємо, що океанічна і континентальна земна кора мають у своїй будові суттєві відмінності. Дослідження останніх десятиліть виявили, що топографія океанічних басейнів тісно пов’язана з розсуванням морського дна – спредінгом, що є складовою концепції тектоніки літосферних плит. Згідно з цією концепцією, океанічна кора утворилася з магми Землі, що піднялася на поверхню в тих зонах, де відбувається розсування кори. Внаслідок спредінгу сформувалася світова система серединно-океанічних хребтів, що підвищуються над суміжними ділянками на 2-3 км. Вчені дослідили, що океанічне дно в південній частині Атлантики на східному фланзі Серединно-Атлантичного хребта за останні 80 млн років розсувалося в горизонтальному напрямі зі швидкістю 2 см/рік. Отже, ширина океанічного басейну збільшувалась зі швидкістю 1 км за 50 тисяч років.

Інша важлива риса підводного рельєфу – абісальні горби і гори, які мають здебільшого вулканічне походження. Деякі з них мають плоскі вершини, хоч і розміщені на 1-2 км нижче від рівня океану. Їх називають гайоти. Це свідчить, що в минулому ці вулкани сягали рівня океану. Переважну більшість ложа океану займають абісальні рівнини з вирівняною поверхнею, яка утворилася внаслідок нагромадження потужної товщі осадів.

Щодо інших абіотичних чинників водного середовища та їхнього впливу на живі організми, то відомо, що їх поділяють на абіотичні, біотичні й антропічні. Для живих організмів суходолу найважливішими чинниками є поєднання тепла й вологи. Оскільки волога в океані є повсюдно, то розглянемо температуру, світло, прозорість, тиск, густину, солоність, газовий склад тощо.

Температура. Якщо оцінювати масу води в океані, то загалом її можна вважати холодною. Прогрівається лише приповерхнева кількаметрова плівка океанічних вод. З глибиною температура знижується, досягаючи в придонних горизонтах 0°С. Ізотерми океану характеризують тонкий верхній горизонт вод. Лише 8% вод океану мають температуру понад 10°С. Половина океанічних вод характеризується температурою, яка нижча за 2,3°С.

У горизонтальному плані, тобто від екватора до полюсів, простежується певна закономірність: екваторіальні води цілий рік характеризуються високою постійною температурою, яка становить 25-28°С, температура тропічних вод коливається на 2-3°С, помірних широт – на 5-6°С. У напрямку до полюсів температура поступово знижується до 0°С. У північній півкулі найбільші коливання річних температур води простежуються на широтах 50-70°; у південній – на широтах 40-55°. Тепловий екватор, порівняно з географічним, зміщений на північ на 10°. Це зміщення пояснюють охолоджувальним впливом Антарктиди на всю земну кулю (рис. 12.3).

У вертикальному плані поверхневий горизонт з досить однорідною температурою змінюється областю різкого зниження температури, яка відділяє його від холодних глибинних вод. Поверхневий горизонт часто називають горизонтом змішування, а область швидкої зміни температури – термоклином. Оскільки в тропіках поверхневий шар тепліший, ніж у високих широтах, а глибинні води скрізь однорідно холодні, то характер термоклину змінюється з широтою. Найпотужніші термоклини в тропіках. У деяких глибоководних западинах океану з глибиною простежується повільне підняття температури. Температурна інверсія певною мірою зумовлена нагріванням води теплом, що надходить з внутрішніх глибин Землі,

Світовий океан є важливим акумулятором тепла на Землі. Загальна кількість сонячного тепла, яке поглинають води Світового океану протягом року, становить 29,7* 1019 ккал, що перевищує 80% всієї радіації, яка досягає поверхні Землі. Океаносфера, за визначенням В. Н. Степанова (1983), містить у 21 раз більше тепла, ніж та кількість, яка щорічно надходить від Сонця на Землю. У десятиметровому горизонті океанічних вод міститься в чотири рази більше тепла, ніж у всій атмосфері.

Головна планетарна закономірність турбулентного теплообміну полягає в тому, що океанічне тепло пом’якшує глобальний клімат. Поглинаючись у тропічних і екваторіальних водах Світового океану, воно переноситься течіями у високі широти, пом’якшуючи водночас клімат помірних і полярних областей. Яскравим прикладом є відома течія Гольфстрім, яка несе у 22 рази більше тепла, ніж всі річки нашої планети. Понад 80% нагромадженого протягом року водами Світового океану тепла витрачається на випаровування. Це становить 3% від всього тепла, яке зосереджено в океані.

Світло. Якщо для суходільних організмів найсуттєвішим абіотичним чинником є поєднання тепла й вологи, то для водних організмів таким є поєднання світла і тепла. Прозорість води – це здатність пропускати світлові промені, яка залежить від вмісту у воді домішок розчинених і завислих речовин, фізичних властивостей тощо. Прозорість води визначається межею зникнення білого диска (Секкі-Коцебу), а в лабораторії – за шаром води, через який видно стандартний (3,5 мм) шрифт.

Загалом в океані не тільки холодно, а й темно. Десятиметрова товща води поглинає 10% сонячного світла, а 100-метрова – понад 99%. На глибині понад 100 м підводник серед білого дня не може побачити нічого, крім рідкісних біолюмінісцентних спалахів світла від риб і зоопланктону. В каламутній воді неможливо побачити будь-що на відстані 10 м.

Втрати сонячного випромінювання в морській воді добре визначаються так званим законом Беєра, згідно з яким кількість енергії, поглинутої на деякій відстані, пропорційна до вихідної кількості. Якщо на поверхню надходить 100 одиниць випромінювання, то на глибині одного метра збережеться 90%, або 90 одиниць; двометрової глибини досягне 81 одиниця випромінювання, тобто 90% від випромінювання на першому метрі глибини (0,9^90 = 81), а триметрової -72,9 одиниці (0,9×81=72,9), чотирьох метрів – 65,6 і т. д.

Виявлено, що на 100-метрову глибину в океан проникає менше одного відсотка сонячної енергії від тієї, що надходить на поверхню. Прозорість океанічних вод помітно зменшується від екватора до полюсів і становить у різних частинах акваторії від декількох метрів до 66 м у Саргасовому морі та Бенгальській затоці, а також в морі Уеделла.

Стосовно забарвлення морської води, то воно, по-перше, залежить, від вмісту завислих рослинних і тваринних організмів та інших речовин, що розсівають і поглинають світлові промені; по-друге, від умов відображення променів від поверхні води (хмарності, хвилювання, висоти спостереження). У тропіках колір океанічної води ясно-голубий, північніше широти 40° він зелено-голубий, а в дельтах великих річок вода зелена й дуже каламутна.

Тиск з глибиною зростає на одну атмосферу через кожні 10 м глибини. Однак організми пристосувалися до життя в умовах від 0,3 атмосфер (в горах) до 1100 атмосфер у глибоководних западинах.

Густина морської води залежить від тиску, температури й солоності. Густина прісної води при 20°С становить 1 г/см3. Морська вода важча. При тій же температурі і солоності 35%о її густина близька до 1,025 г/см3. Охолоджуючись, вода стає важчою. Зокрема, густина морської води при температурі 20°С становить 1,028 г/см3. Тиск також збільшує густину як прісної, так і морської води. На глибині 5000 м густина морської води зростає до 1,050 г/см3.

Хімізм. Солоний смак морської води є найбільш характерною ознакою. Солоністю називають сумарну кількість розчинених у морській воді речовин. Загальна кількість солей у Світовому океані, за даними В. Степанова (1983), становить 46,5*1015 т. Близько 80% цієї кількості солей припадає на хлористий натрій – звичайну кухонну сіль. Загалом солоність 2/3 вод Світового океану становить від 34,7 до 35%о. Половина вод Тихого океану має солоність від 34,6 до 34,7%о. Водні організми надзвичайно чутливі до зміни солоності. Коливання солоності, зокрема, між солоними водами океану і солонуватими водами гирлових літоральних зон зумовлюють різко виражені флористичні й фауністичні (біотичні) межі. На рисунку 12.4 зображена гістограма, яка показує число кубічних кілометрів води із солоністю в інтервалах 0,1 %о

Органічне життя характерне для .всього спектра засолення природних вод – від слабомінералізованих вод північних річок і озер до водойм із самоосадовою сіллю. Прісні води за солоністю акад. О. Альокін (1970) поділяє на ультрапрісні (вміст солей < 10 мг/л), слабомінералізовані (100-200), середньої мінералізації (200-500), підвищеної мінералізації (500-1000) і високої мінералізації (>1000 мг/л).

У водах Світового океану 99,6% солей складаються з хлору, натрію, калію, магнію та сульфатів Са і Mg. Вміст біогенних та інших важливих для живих організмів елементів, таких як фосфор, йод, залізо, разом з кальцієм, сіркою, вуглецем, становить менше від Як вуглець, а також водень і кисень, фосфор і азот відіграють важливу будівельну функцію у житті організмів. Фосфор і азот в морській воді головно наявні у складі фосфатів (РО4-3) і нітратів (КО3-), які перетворюють морські організми (здебільшого водорості) в органічні сполуки і трофічними ланками мандрують від організму до організму аж до вивільнення в глибоких шарах води внаслідок деструкції. Відношення кількості атомів вуглецю до кількості атомів азоту й фосфору в більшості морських організмів засвідчує, що фосфор, азот і вуглець наявні у пропорції 1:15:80, але концентрація фосфатів і нітратів у морській воді значно менша від концентрації бікарбонатів (і карбонатів).

Отже, саме азот і фосфор, а не вуглець лімітують життєзабезпечення екосистем в океані (коли азот і фосфор вже вичерпані, вуглець ще залишається в значних кількостях).

Надзвичайно важливим показником якості води для живих організмів є вміст розчиненого кисню. Концентрація його зростає від екватора до полюсів. Адже в холодній воді кисень розчиняється значно ліпше, ніж у теплій.

Середній вміст кисню у водах Світового океану становить 5 мг/л води. Найменша концентрація кисню є у водах середніх глибин океану поблизу екватора – 0,3-0,5 мг/л, тобто майже на порядок менша від пересічної. У водах Північної Атлантики вміст кисню становить 6,6 мг/л і є одним з найвищих. За підрахунками Іваненкова (1979), фітопланктон Світового океану щорічно поглинає з атмосфери 55 млрд т, а виділяє в повітря 61 млрд т кисню. Отже, атмосфера Землі щорічно отримує додаткових 6 млрд т кисню. Однак збагачення атмосфери киснем не простежується тому, що, за даними В. Вульфсона (1969), на спалювання органічного палива щорічно витрачається 11-13% кисню від тієї кількості, яку щорічно виділяють рослини планети.

У поверхневих шарах океану наявна висока концентрація кисню як внаслідок розчинення атмосферного, так і надходження його внаслідок фотосинтезу фітопланктону. У процесі опускання поверхневих вод у глибини океану вони збагачуються завислими органічними частками, що утворилися у верхніх шарах океану. Розкладання органіки потребує багато кисню на хімічні реакції окиснення, денітрифікації і сульфат-редукції. Якщо надходження нових порцій води з високим вмістом кисню своєчасний, то кисень цілком забезпечує розкладання органіки. У деяких морях, зокрема в Чорному морі, швидкість оновлення глибинних вод настільки повільна порівняно зі швидкістю надходження органіки з поверхневих шарів води, що весь кисень витрачається на окиснення і виникають анаеробні умови. В цьому випадку розкладання органічної речовини відбувається з відновленням сульфатів, коли в морській воді утворюється сірководень. Така ж ситуація тимчасово простежується в Балтійському та інших морях, коли збагачені киснем води Північного моря з певних причин своєчасно сюди не надходять.

Акад. О. Карпінський стосовно значення води висловився так: “Вода – це не просто мінеральна сировина, це не тільки засіб для розвитку промисловості й сільського господарства. Вода – це дієвий провідник культури, це сама кров, яка створює життя там, де його не існувало”.

ПОДІЛИТИСЯ: