Вопросы экологии применительно к лесному хозяйству

52 Вода, как среда обитания животных организмов: плотность, давление, кислород, освещенность, солевой режим, течения, температура. Отличия от воздушной среды. Приспособления растений и животных. Благода ря широкой распространённости воды и её роли в жизни людей, она издавна считалась первоисточником жизни. Предста вление философов античности о воде как о начале всех вещей нашло отражение в учении Аристотеля (4 в. до н. э.) о четырёх ст ихиях (огне, воздухе, земле и воде), причём вода считалась носителем холода и влажности. Вплоть до конца 18 века в науке существовало представление о воде, как об индивидуальном химическом элементе. В 1781— 82 годах английский учёный Г. Кавендиш впервые синтезировал воду , взрывая электрической искрой смесь водорода и кислорода, а в 1783 году французский учёный А. Лавуазье повторив эти опыты, впервые сделал правильный вывод, что вода есть соединение водорода и кислорода. В 1785 году Лавуазье совместно с французским учёным Ж. Менье о пределил количественный состав воды . В 1800 году английские учёные У. Николсон и А. Карлейл ь разложили воду на элементы электрическим током. Т аким образом, анализ и синтез воды показали сложность её состава и позволили установить для неё формулу H 2 O . Изучение физических свойств воды началось ещё до установления её состава в тесной связи с другими научно-техническими проблемами. В 1612 году итальянский учёный Г. Галилей обратил внимание на меньшую плотнос ть льда сравнительно с жидкой водой как на причину плавучести льда. В 1665 году голландский учёный Х. Гюйгенс предложил принять температуру кипения и температуру пл авления воды за опорные точки шкалы термометра. В 1772 году французский физик Делюк нашёл, что максимум плотности воды лежит при 4°С ; при установлении в конце 18 века метрической системы мер и весов это наблюдение было использовано для определения единицы массы – килограмма. В связи с изобретением паровой машины французские учёные Д. Араго и П. Дюлонг (1830 г. ) изучили зависимо сть давления насыщенного пара воды от температуры. В 1891— 97 годах Д. И. Менделеев дал форму лы зависимости плотности воды от температуры. В 1910 году американский учёный П. Бриджмен и немецкий учёный Г. Тамман обнаружили у льда при высоком давлении несколько полиморфных модификаций. В 1932 году американские учёные Э. Уо шберн и Г. Юри открыли тяжёлую воду . Развитие физических методов исследования позволило существенно продвинуться в изучении структуры молекул воды , а также строения кристаллов льда. В последние десятилетия особое внимание учёны х привлекает структура жидкой воды и водных растворов. Физические свойства и строение воды . В ажнейшие физические константы воды приведены в таблице 1. Тройная точка для воды , где находятся в равновесии жидкая вода , лёд и пар, лежит при температуре +0,01°С и давлении 6,03 · 10 -3 атм . Многие физические свойства воды обнаруживают существенные аномалии. Как известно, свойства однотипных химических соединений у элементов, находящихся в одной и той же группе периодической системы Менделеева, изменяются закономерно. В ряду водородных соединений элементов VI группы (H 2 Te, H 2 Se, H 2 S, H 2 O) температуры плавления и кипения закономерно уменьш аются лишь у первых трёх; для воды эти температур ы аномально высоки. Плотность воды в интервале 100— 4°С нормально возрастает, как и у огромного большинства других жидкостей. Однако, достигнув максимального значения 1,0000 г/см 3 при +3,98°С, при дальнейшем охлаждении уменьшается, а при замерзании скачкообразно падает, тогда как почти у всех остальных веществ кристаллизация сопровож дается увеличением плотности. Вода способна к значительному переохлаждению, т. е. может оставаться в жидком состоянии ниже температуры плавления (даже при — 30°С). Удельная теплоёмкость, удельна я теплота плавления и кипения воды аномально высоки по сравнению с другими веществами, причём удельная теплоёмкость воды минимальна при 40°С. Вязкость воды с ростом давления уменьшается, а не повышается, как следовало бы ожидать по аналогии с др угими жидкостями. Сжимаемость воды крайне невелика, причём с ростом температуры уменьшается. Таблица 1. Физические свойства воды Свойство Значение Воздух для ср. Плотность, г/см 3 лёд 0,9168 (0°С) ж идкость 0,99987 (0°С) 1,0000 (3,98°С) 0,99823 (20°С) 0,001248 (20°С ) П ар насыщенный 0,5977 кг/м 3 (100°С) Температу ра плавления 0°С Температу ра кипения 100°С Критическая температу ра 374,15°С — 140,7°С Критическое давление 218,53 кгс/см 2 3,7 Мн/м 2 (37,2 am ) Критическая плотность 0,325 г/см 3 Теплота плавления 79,7 кал/г Теплота испарения 539 кал/г (100°С) Удельная теплопровод ность, кал/(см · сек · град ) лёд 5,6 · 10 -3 (0°С) жидкость 1,43 · 10 -3 (0°С) 1,54 · 10 -3 (45°С) П ар насыщенный 5,51 · 10 -5 (100°С) Уд. электропровод ность, ом --1 · см -1 лёд 0,4 · 10 -8 (0°С) ж идкость 1,47 · 10 -8 (0°С) 4,41 · 10 -8 (18°С) 18,9 · 10 -8 (50°С) Удельная т еплоёмкость К ал/(г · град) жидкость 1,00 (15°С) 10,045 · 10 3 дж/ ( кг · К ) П ар насыщенный 0,487 (100°С) Диэлектрическая про ницаемость лёд 74,6 (°С) ж идкость 81,0 (20°С) 1,000059 (0°С). П ар насыщенный 1,007 (145°С) Вязкость, спз Ж идкость 1,7921 (0°С) 0,000171 (0°С) 0,284 (100°С) Поверхностное натя жение жидкой во ды на границе с воздухом, дин/см 74,64 (0°С) 62,61 (80°С) Показатель прелом ления ( D — линия натр ия) 1,33299 (20°С) 1,00029 Примечание: 1 кал/(см · сек · град) = 418,68 вт/( м · К); 1 ом -– 1 · см -– 1 = 100 сим/м ; 1 кал/(г · град) =.4,186 кдж (кг · К); 1 спз = 10 — 3 н · сек/м 2 ; 1 дин/см = 10 – 3 н/м. Аномалии физических свойств воды связаны со структурой её молекулы и особенностями межмолекулярных взаимодействий в жидкой воде и льде. Три ядра в молекуле В. образуют равнобедренный треугольник с протонами в ос новании и кислородом в вершине (Рис. 1, а). Распределение электронной плотности в молекуле В. таково (Рис 1, б, в), что создаются 4 полюса зарядов: 2 положительных, связанных с атомами водорода, и 2 отрицательных, связанных с электронными облаками необобществлённых пар электронов атома кислорода. Указанные 4 полюса зарядов располагают ся в вершинах тетраэдра (Рис 1, г). Благодаря этой полярности вода имеет высокий дипольный момент (1,86 D ), а четыре полюса заря дов позволяют каждой молекуле воды образовать четыре водородные связи с соседними (такими же) молекулами (например, в кристаллах льда). м Рис. 1. Структура молекулы воды: а — геометрия молекулы H 2 O (в парообразном состоянии); б — электронные орбиты в молекуле H 2 O; в — электронная формула молекулы H 2 O (видны необобществленные электронные пары); г — четыре полюса зарядов в молекуле H 2 O расположены в вершинах тетраэдра. Вода входит в состав всех живых организмов, причём в целом в них содержится лишь вдвое меньше воды , чем во всех реках Земли. В живых организмах количество воды , за исключением семян и спор, колеблется между 60 и 99,7% по массе. По словам французского биолога Э. Дюбуа-Реймона, живой организм есть l'eau anim й e (одушевлённая вода). Все воды Земли постоянно взаимодействуют между собой, а также с атмосферой, литосферой и биосферой . Вода в природных условиях всегда содержит растворённые соли, газы и органические вещества. Их количественный состав меняется в зависимости от происхождения воды и окружающих условий. При концентрации солей до 1 г/кг воду считают пресной, до 25 г/кг — солоноватой, свыше — солёной. Наименее минерализованными водами являются атмосферные осадки (в среднем около 10— 20 мг/кг ), затем пресные озёра и реки (50— 1000 мг/кг ). Солёность океана колеблется около 35 г/кг; моря имеют меньшую минерализацию (Чёрное 17— 22 г/кг ; Балтийское 8— 16 г/кг ; Каспийское 11— 13 г/кг ). Минерализация подземных вод вблизи поверхности в условиях избыточного увлажнения составляет до 1 г/кг , в засушливых условиях до 100 г/кг , в глубинных артезианских вода минерализация колеблется в широких пределах. Максимальные концентрации солей наблюдаются в соляных озёрах (до 300 г/кг ) и глубокозалегающих подземных водах . (до 600 г/кг ). В пресных водах обычно преобладают ионы HCO 3 - , Са 2+ и Mg 2+ . По мере увеличения общей минерализации растет концентрация ионов SO 4 2- , Cl - , Na + и К + . В высо-коминерализованных водах преобладают ионы Cl - и Na + , реже Mg 2 + и очень редко Ca 2+ . Прочие элементы содержатся в очень малых количествах, хотя почти все естественные элементы периодической системы найдены в природных водах . Из р астворённых газов в природных водах присутствуют азот, кислород, двуокись углерода, благородные газы, редко сероводород и углеводороды. Концентрация органических веществ невелика — в среднем в реках около 20 мг/л , в подземных водах ещё меньше, в океане около 4 мг/л . Исключение составляют воды болотн ые и нефтяных месторождений и воды , загрязнённые промышленными и бытовыми стоками, где количество их бывает выше. Качественный состав органических веществ чрезвычайно разнообразен и включает различные продукты жизнедеятел ьности организмов, населяющих воду , и соединения, образующиеся при распаде их остатков. Пер воисточниками солей природных вод являются вещества, образующиеся при химическом выветривании изверженных пород (Ca 2+ , Mg 2+ , Na + , К + и др.), и вещества, выделявшиеся на протяжении всей истории Земли из её недр (CO 2 , SO 2 , HCI, NH 3 и др.). От разнообразия состава этих веществ и условий, в которых пр оисходило их взаимодействие с водой, зависит состав воды . Г ромадное значение для состава воды имеет и воздейст вие живых организмов . В связи с существова нием двух стабильных изотопов у водорода ( 1 H и 2 H, обычно обозначаемые Н и D) и трёх у кислорода ( 16 O, 17 O и 18 O) извест но 9 изотопных разновидностей воды , которые находятся в природной воде в среднем в следующих соотношениях (в молярных %): 99,73 H 2 16 O; 0,04 H 2 17 O; 0,20 H 2 18 O, 0,03 HD ’ 16 O, а также 10 -5 — 10 -15 %(суммарно) HD 17 O, HD 18 O, D 2 16 O , D 2 17 O, D 2 18 O. Особый интерес представляет тяжелая вода D 2 O, содержащая дейтерий. В водах Земли находится всего13— 20 кг «сверхтяжёлой» воды . содержащей радиоактивный изотоп водорода — тритий ( 3 H, или Т). Вода в организме — основная среда (внутриклеточная и внеклеточная), в которой протекает обмен веществ у всех растений, животных и микроорганизмов, а также субстрат ряда химических ферментативных реакций. В процессе фотосинтеза вода вместе с углекислым газом вовлекается в образование органических веществ и, таким образом, служит материалом для создания живой материи на Земле. Таблица 2. Содержание воды в различных организмах, их органах и тканях Организмы, органы, ткани Содержание воды, % Растения (наземные) верхушка растущего побега 91— 93 листья . . . . . . . . . . . . . . . . . 75— 86 Семена злаков . . . . . . . . . . . 12— 14 Водоросли . . . . . . . . . . . . . . . 90— 98 Мхи, лишайники . . . . . . . . . . 5— 7 Медузы . . . . . . . . . . . . . . . . . 95– 98 Дождевые черви . . . . . . . . . . 84 Насекомые взрослые . . . . . . . . . . . . . . . 45— 65 личинки . . . . . . . . . . . . . . . . 58— 90 Рыбы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Млекопитающие (в т. ч. человек) 63— 68 скелет 20— 40 мышцы 75 печень 75 Мозг человека серое вещество 84 бел ое вещество 72 Вода обеспечивает тургор тканей, перенос питательных веществ и продуктов обмена (кровь, лимфа, сок растений), физическую терморегуляцию и другие процессы жизнедеятельности. Жизнь, вероятно, возникла в водной среде. В ходе эволюции различные водные животные и водные растения вышли на сушу и приспособились к наземному образу жизни; тем не менее и для них вода — важнейший компо нент внешней среды. Жизнь без воды невозможна. При недостатке воды жизнедеятельность организмов нарушается. Лишь покоящиеся формы жизни — споры, семена — хорошо переносят длительное обезвожив ание. Растения при отсутствии воды увядают и могут погибнуть, но чувствительность ра зличных растений к недостатку воды неодинакова. Животные, если лишить их воды , быстро погибают: упитанная собака может прожит ь без пищи до 100 дней, а без воды — менее 10. Содержа ние воды в организмах велико (см. таблицу 2). В жидкостях организма — межклеточных пространствах, лимфе, крови, пищеварительных соках, соке растени й и др. — содержится свободная вода . В тканях животных и растений вода находится в связанном состоянии — она не выте кает при рассечении органа. Вода способна вызывать набухание коллоидов, связываться с белком и другими органическими соединениями, а также с ионами, входящими в состав кл еток и тканей (гидратационная вода). Молекулы воды , находящиеся внутри клеток, но не входящие в состав гидратационных оболочек ионов и моле кул, представляют иммобильную воду , легче гидратационной в овлекаемую в общий круговорот воды в организме . Вода физиологически необходима любой протоплазме и с экологической точки зрения является лимитирующим фактором, как в наземных, так и в водных местообитаниях, если там ее количество подвержено резким изменениям (приливы, отливы) или происходит ее потеря организмом в сильно соленой воде осмотическим путем. В наземно-воздушной среде этот абиотический фактор характеризуется величиной количества осадков, влажности, иссушающими свойствами воздуха и доступной площадью водного запаса. Количество атмосферных осадков обусловлено физико-географическими условиями и неравномерно распределено на земном шаре. Но для организмов важнейшим лимитирующим фактором является распределение осадков по сезонам года. В умеренных широтах даже при достаточном количестве годовых осадков их неравномерное распределение может привести к гибели растений от засухи (лесных пожаров) или, наоборот, от переувлажнения. В тропической зоне организмам приходится переживать влажные и сухие сезоны, регулирующие их сезонную активность при постоянной почти круглый год температуре. Адаптированные к условиям пустыни растения содержат ингибитор прорастания, который вымывается лишь при определенном количестве осадков, достаточном для вегетации (например, 10 мм) и тогда только прорастает. Начинается кратковременное «цветение пустыни» (обычно весной). Иссушающее действие воздуха наиболее важное экологическое значение имеет для растений. Подавляющее большинство растений всасывает воду корневой системой из почвы. Иссушение почвы затрудняет всасывание. Адаптация растений к этим условиям – увеличение всасывающей силы и активной поверхности корней. Величина этой силы у корней умеренной зоны от 2 до 4