Курсовая работа (т): Влажность как экологический фактор

Влажность как экологический фактор

КУРСОВАЯ РАБОТА

Влажность как экологический фактор

вода экологический гумидный

ВВЕДЕНИЕ

вода экологический

Часто встречается перевод термина ≪экология≫ как учения о доме, жилище. Это не точно. Древние греки понимали этот термин значительно шире. Экосом они называли любое место пребывания человека: и хороший пляж, где люди собирались для купания, и горное пастбище, где пастухи пасли овец.

В середине XX в. экологию стали понимать как науку об экосистемах и биосфере. Начало такому пониманию положили работы В.И. Вернадского, В.В. Докучаева, Ю.П. Одума, А.Дж. Тенсли, Н.В. Тимофеева-Ресовского и других известных ученых. В результате стало ясно, что современная биосфера, среда обитания всех живых организмов, является продуктом их жизнедеятельности: неустанного воспроизведения, метаболизма (обмена веществ) и посмертного разложения мириадов живых существ. Почвенная, водная, наземная, воздушная среда жизни есть результат постоянного взаимодействия и взаимопроникновения живого и неживого веществ. Ни один вид живых организмов не может существовать среди себе подобных. Жизнь возможна только в сообществах (биоценозах) и в строго определенной совокупности условий, характеризующей место их обитания (биотоп). Единство биотопа и биоценоза - основная концепция современной экологии, концепция экосистемы [Николайкин, Николайкина, Мелехова, 2004, с. 6].

Целью данной курсовой работы является изучение влажности как экологического фактора. Для достижения поставленной цели предполагается решить комплекс взаимосвязанных задач: рассмотреть свойства воды и ее биологическую роль, дать характеристику воды как экологического фактора, определить аридные и гумидные условия, исследовать водный баланс организмов, источники получения воды, рассмотреть водный дефицит, а также изучить потери воды и солевой баланс, определить эколого-физиологические показатели, характеризующие водный режим организмов, рассмотреть воду как среду обитания организмов, изучить экологию водных организмов, а также хроматическую адаптацию, дать характеристику редким водным животным Красной книги Краснодарского края, а также редким видам гигрофитов Западного Кавказа.

1. Свойства воды и ее биологическая роль

Вода − уникальное вещество и все её аномальные свойства: высокая температура кипения, значительная растворяющая и диссоциирующая способность, малая теплопроводность, высокая теплота испарения и другие обусловлены строением её молекулы и пространственной структурой. У отдельно взятой молекулы воды есть качество, которое проявляется только в присутствии других молекул: способность образовывать водородные мостики между атомами кислорода двух оказавшихся рядом молекул, так, что атом водорода располагается на отрезке, соединяющем атомы кислорода. Свойство образовывать такие мостики обусловлено наличием особого межмолекулярного взаимодействия, в котором существенную роль играет атом водорода. Это взаимодействие называется водородной связью. Каждая из присоединённых к данной молекул воды сама способна к присоединению дальнейших молекул. Этот процесс можно называть "полимеризацией". Если только одна из двух возможных связей участвует в присоединении следующей молекулы, а другая остаётся вакантной, то "полимеризация" приведёт к образованию либо зигзагообразной цепи, либо замкнутого кольца.

Вода −превосходный растворитель для полярных веществ. К ним относятся ионные соединения, такие как соли, у которых заряженные частицы (ионы) диссоциируют в воде, когда вещество растворяется, а также некоторые неионные соединения, например сахара и простые спирты, в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы (-OH).Присущие воде свойства растворителя означают также, что вода служит средой для транспорта различных веществ. Эту роль она выполняет в крови, в лимфатической и экскреторных системах, в пищеварительном тракте и во флоэме и ксилеме растений.

Удельной теплоёмкостью воды называют количество теплоты в джоулях, которое необходимо, чтобы поднять температуру 1 кг воды на 1° C. Вода обладает большой теплоёмкостью (4,184 Дж/г). Это значит, что существенное увеличение тепловой энергии вызывает лишь сравнительно небольшое повышение её температуры. Объясняется такое явление тем, что значительная часть этой энергии расходуется на разрыв водородных связей, ограничивающих подвижность молекул воды. Большая теплоёмкость воды сводит к минимуму происходящие в ней температурные изменения. Благодаря этому биохимические процессы протекают в меньшем интервале температур, с более постоянной скоростью и опасность нарушения этих процессов от резких отклонений температуры грозит им не столь сильно. Вода служит для многих клеток и организмов средой обитания, для которой характерно довольно значительное постоянство условий [Коробкин, 2000, с.52−60].

Скрытая теплота испарения есть мера количества тепловой энергии, которую необходимо сообщить жидкости для её перехода в пар, то есть для преодоления сил молекулярного сцепления в жидкости. Испарение воды требует довольно значительных количеств энергии (2494 Дж/г). Это объясняется существованием водородных связей между молекулами воды. Именно в силу этого температура кипения воды - вещества со столь малыми молекулами - необычно высока.

Скрытая теплота плавления есть мера тепловой энергии, необходимой для расплавления твёрдого вещества (льда). Воде для плавления (таяния) необходимо сравнительно большое количество энергии. Справедливо и обратное: при замерзании вода должна отдать большое количество тепловой энергии. Это уменьшает вероятность замерзания содержимого клеток и окружающей их жидкости. Кристаллы льда особенно губительны для живого, когда они образуются внутри клеток.

Плотность воды (максимальна при +4° С) от +4 до 0° С понижается, поэтому лёд легче воды и в воде не тонет. Вода - единственное вещество, обладающее в жидком состоянии большей плотностью, чем в твёрдом, так как структура льда более рыхлая, чем структура жидкой воды.

Когезия - это сцепление молекул физического тела друг с другом под действием сил притяжения. На поверхности жидкости существует поверхностное натяжение - результат действующих между молекулами сил когезии, направленных внутрь. Благодаря поверхностному натяжению жидкость стремится принять такую форму, чтобы площадь её поверхности была минимальной (в идеале - форму шара). Значительная когезия, характерная для молекул воды, играет важную роль в живых клетках, а также при движении воды по сосудам ксилемы в растениях. Многие мелкие организмы извлекают для себя пользу из поверхностного натяжения: оно позволяет им удерживаться на воде или скользить по её поверхности[Дедю, 1990].

Биологическое значение воды определяется и тем, что она представляет собой один из необходимых метаболитов, то есть участвует в метаболических реакциях. Вода используется, например, в качестве источника водорода в процессе фотосинтеза, а также участвует в реакциях гидролиза.

2 Характеристика воды как экологического фактора. Аридные и гумидные условия

.1 Характеристика воды как экологического фактора

Тело растения на 50-90% состоит из воды. Особенно богата водой цитоплазма (85-90%), много ее и в органеллах клетки. Весьма богаты водой сочные плоды, мягкая листва, корни, однако семена, особенно маслянистые, могут содержать незначительные количества воды. Вода имеет первостепенное значение в жизни растений. Все биохимические процессы растения протекают в водной среде. Растворяя почти все питательные вещества вода служит и транспортным средством для них.

Вода играет непосредственную роль в обеспечении роста растений, являющегося функцией растяжения клеток. Тургорное давление, производимое изнутри на молодые оболочки клеток водой, вызывает их растяжение, пока они еще не эластичны. Это способствует увеличению размера клетки. Поэтому сухость замедляет рост, так как клетка полностью не растягивается. С уменьшением пластичности оболочки (при отложении целлюлозы) полного увеличения размера клетки не происходит даже при достаточном обеспечении растения водой. Днем в период недостатка воды стебли растений имеют меньший диаметр, чем ночью, что обусловлено разницей в тургоре[Березина, 2009,с.36−39].

Но для растения важно не только количество воды, поступающее в его распоряжение, но также и ее состояние в атмосфере и в почве. Очень велика в жизни растений и для закономерностей формирования растительного покрова роль относительной влажности, воздуха (процентное отношение реального давления водяного пара к давлению насыщенного пара при той же температуре). Она показывает долю (процент) от того максимального количества влаги, которое могло бы содержаться при полном насыщении данного объема воздуха при данной температуре. Более теплый воздух, естественно, может содержать влаги больше, чем холодный. При охлаждении воздуха относительная влажность его увеличивается, и когда достигает 100% (так называемая точка росы), начинается конденсация паров в виде капель (рис. 1).

Рисунок 1 - Влияние температуры на относительную влажность воздуха[по ГорышинойТ., 1979]

Относительной влажность обычно измеряют психрометром, по разности температур, показываемых сухим и смоченным термометрами прибора. Применяют также гигрометры и гигрографы, в которых использован волос, имеющий свойство сокращаться или удлиняться при изменении влажности. В отличие от дождя, количество которого можно измерить дождемером, или снега, количество которого определяют растаиванием определенного его объема, росу и туман измерить дождемером невозможно. Но роса и туман имеют также важное значение для растений и растительности. Подсчеты показали, что выпадение осадков в виде росы может достигать иногда 10−20% от годовой суммы осадков в данном месте. Однако количество конденсирующейся при выпадении росы влаги в течение суток невелико. Имеются данные, что количество росы, выпадающее за одну ночь, как правило, не превышает 0,2 мм. Поэтому, например, в пустынях, где малое количество осадков, юго-западной части Африки, где, кстати, очень часты туманы, они почти не имеют значения в жизни растений, поскольку могут смочить слой песка толщиной не более 1−2 см, а такой слой полностью пересыхает днем. Но в засушливых местах и в пустынях роса может поддерживать водный режим листьев, и, кроме того, имеет довольно большое значение для существования низших растений (лишайников и водорослей), покрывающих иногда значительным слоем поверхность песка, почвы или скал. Определенную роль играет туман как источник увлажнения листьев и почвы в поясе так называемых туманных лесов во многих горных системах мира, особенно в Новой Зеландии, в Северной и Южной Америке и др. Очень сильное образование росы наблюдается во влажных тропиках. Но в этих районах так часты осадки, что добавление влажности за счет росы почти не имеет значения, разве что для многочисленных эпифитов[Горышина, 1979, с. 104−107].

.2 Аридные и гумидные условия

Характерными аридными условиями являются сухой климат с высокими температурами воздуха, испытывающими большие суточные колебания, и малым количеством атмосферных осадков (100−150 мм/год) или полным их отсутствием. Аридами называют фазы иссушения климата в зонах пустынь и полупустынь, внеледниковых областей, примерно соответствующие межледниковьям областям, подвергавшихся оледенению во время антропогенового периода.

Вся получаемая влага быстро испаряется. Реки, протекающие через пустыню из соседних более влажных областей, здесь мелеют и часто заканчиваются бессточными котловинами с солёными озёрами. Обнажённая земная поверхность испытывает резкие колебания температуры в течение суток, из-за чего даже плотные горные породы разрушаются и превращаются в песок. Ветер беспрепятственно переносит массы сухого песка, создавая волнистый рельеф песчаных барханов и дюн.

Аридный климат в своих наиболее ярких формах характерен для тропических и субтропических широт (Сахара, пустыни Аравийского полуострова, Австралии). В более высоких широтах аридный климат связан или с защитным действием горных хребтов, препятствующих приносу влаги с океана (пустыни Северной и Южной Америки), или с удалённостью от океанов (пустыни Центральной и Средней Азии).

К гумидным условиям относятся области с избыточным увлажнением, при котором количество атмосферных осадков больше, чем может испариться и просочиться в почвогрунты. Это формирует обильный поверхностный сток ручьёв и рек, что способствует развитию эрозионных форм рельефа, густой гидрографической сети и процветанию влаголюбивых форм растительности. Различают два типа гумидного климата:

.Полярный тип гумидного климата (наблюдается в субарктическом и умеренном географическом поясах) характерен для зон с многолетнемерзлыми грунтами, которые тормозят грунтовое питание рек и усиливают сток атмосферных осадков;

.Фреатический, или тропический тип гумидного климата (наблюдается в экваториальном поясе) с частичным просачиванием осадков в почву и наличием грунтового питания[Культиасов, 1982, с. 48−50].

3. Водный баланс организмов. Источник получения воды. Водный дефицит. Потери воды и солевой баланс

.1 Водный баланс организмов

Все животные могут выдерживать определенные отклонения от нормального содержания воды в теле (обычно около 10%). Чтобы не допустить опасные для жизни отклонения содержания воды, многим из них приходится вырабатывать соответствующие адаптации. Приведем несколько примеров:

.        у жаб на брюхе находятся особые трубчатые железы, служащие не для выделения веществ, а для впитывания воды из влажной почвы;

.        те вещества, в составе которых выводятся продукты расщепления азотсодержащих соединений, отличаются у разных групп животных, те из них, которым важнее всего экономить воду, выводят азот в форме мочевой кислоты;

.        по мере развития яиц змей и ящериц их масса увеличивается, так как они получают из окружающей среды дополнительную воду, необходимую для их развития;

.        некоторые насекомые способны впитывать воду непосредственно из влажного воздуха через свои трахеи;

.        если потерпевшие кораблекрушение люди пьют морскую воду, они только усиливают обезвоживание своего организма, так как концентрация солей в ней выше концентрации солей в моче; морские черепахи, в отличие от людей, могут пить морскую воду благодаря тому, что имеют находящиеся в углах глаз солевые железы, выделяющие концентрированный раствор соли; у альбатросов и других трубконосых птиц аналогичную функцию выполняют трубчатые железы у основания клюва;

.        высокая концентрация молока у китообразных и ластоногих, которое способно плавать по поверхности воды, как суфле, уменьшает потерю воды организмом кормящей матери.

.2 Источник получения воды

Растения потребляют воду в основном в жидком состоянии. В умеренной и холодных зонах огромное косвенное влияние на растения оказывает вода в твердой фазе.

Снег помимо большого его значения для теплового режима местообитания играет немалую роль в весенний период, когда осадков обычно мало и тающий снег пополняет водные запасы почвы, как раз тогда, когда растущим растениям требуется повышенное количество влаги.

Лед оказывает на растение большей частью вредное влияние, а при возникновении в межклетниках причиняет механические повреждения. Зимой в случае образования слоя льда на поверхности почвы могут погибнуть культивируемые и дикорастущие растения. Ожеледь, т. е. накопление льда на органах растений на поверхности почвы при внезапных потеплениях после дождя, часто вызывает механические повреждения растений.

Изморозь или рыхлый лед на ветвях деревьев и листьях трав во время туманов, в некоторой степени способствует накоплению воды, при таянии часть ее может попасть в почву, часть испаряется в атмосферу. Подобное же значение имеет иней. Град обычно является нежелательным фактором, поскольку часто приводит к механическим повреждениям. В вегетационный период влага из атмосферы поступает в основном в жидкой фазе. Дожди, их количество сроки, частота выпадения, интенсивность, а также связь их с другими факторами - температурой, ветром и т. д. − имеют огромное значение. Количество осадков принято выражать толщиной слоя (в мм), который образуется на поверхности при их выпадении. Один миллиметр осадков соответствует выпадению 1 л воды на 1 м²[Культиасов, 1982, с. 91−93].

.3 Водный дефицит

Растения испытывают водный дефицит, когда скорость транспирации превосходит скорость поглощения воды корневой системой. Ниже показана интенсивность транспирации растений в дневные часы (по данным разных авторов, дан диапазон наиболее встречающихся величин) на рисунке 2.Такая ситуация возникает не только при засухе, но и в условиях почвенного засоления, а также при низких температурах. В двух последних случаях дегидратация является компонентом стрессов «неводной» природы и развивается в растениях, когда количество воды в почве чаще всего не ограничено, однако эта вода недоступна для растения. Например, при почвенном засолении вода не поглощается корневой системой из-за высокого осмотического давления (низкого водного потенциала) почвенного раствора.