2. Фізико-хімічні властивості води і грунту.

Вода надає організмам опору, приносить їм їжу та кисень, виносить продукти метаболізму, переносить статеві продукти. Завдяки рухомості води в гідросфері можливе існування сидяче-прикріплених тварин (яких немає на суходолі), та здійснюється пасивне розселення гідробіонтів.

Для бентосних організмів першорядного значення набувають фізико-хімічні особливості грунту, який вони заселяють.

2.1. Хімічний склад і будова води.

Молекула води складається з двох атомів водню (гідрогеніума) та одного атома кисню (оксігеніума), але враховуючи той факт, що перші мають 3 ізотопні форми, а другі – 6, то існує 36 різновидів води, з яких у природі зустрічаються 9. Важка вода (молекулярна вага - >18; концентрація - 0,07 мольних %) може включати до складу своїх молекул дейтерій, тритій і важкі ізотопи кисню. Така вода замерзає при 3,3ºС, а кипить при 101,4ºС.

Молекула води має 2 негативних і 2 позитивних заряди, чим визначається дипольний характер води. Завдяки цій особливості розчинені у воді електроліти легко дисоціюють на йони. За допомогою водневих зв’язків формуються агрегати молекул води, що підвищує структурну впорядкованість та помітно змінює її властивості. Під час замерзання води кожна з молекул з’єднується з 4-а іншими, формуючи структуру з відносно рихлою «упаковкою» молекул. Цим пояснюється нижча питома вага льоду. З підвищенням температури структура води поступово руйнується, щезаючи повністю при 40ºС.

Є дані про те, що свої специфічні функції в живому організмі вода може виконувати лише в структурованому стані (за температури не вище 40ºС, яка є летальною для багатьох живих організмів). З іншого боку, є ряд спостережень про стимулюючу дію талої води на рослини і тварин.

2.2. Термічні та оптичні властивості води.

У порівнянні з грунтом і повітрям вода відрізняється набагато більшою термостабільністю (завдяки високій теплоємкості – 1 кал/г), що є сприятливим для існування життя. Навіть значні надходження чи втрати тепла не призводять до різких змін температури води (у Світовому океані максимальні коливання її не перевищують 30-40ºС, в той час як у грунті і повітрі вони можуть сягати 120-140ºС). Підвищенню термостабільності води сприяє її аномальна властивість зменшувати свою щільність при зниженні температури від 4 до 0ºС. Спливаючи, пористий лід утворює теплоізоляційний шар, що попереджає промерзання водойм (і грунту).

Підвищенню термостабільності води сприяє її вкрай висока теплота пароутворення (539 кал/г) і танення льоду (80 кал/г). Випаровування води затримує підвищення температури, а замерзання (супроводжується вивільненням тепла) – її різке зниження.

Вода має відносно низьку теплопровідність, що обмежує поширення температурних змін з одної ділянки водойми в інші. Пошарованість, або температурна стратифікація, попереджає літнє прогрівання, або зимове промерзання води до дна.

2.3. Щільність природних вод.

Питома вага води визначається кількістю розчинених у ній речовин (може сягати 1,347 г/см³) і температурою. Залежність щільності води від температури має наступний вигляд:

Температура, ºС … 0 4 10 20 30

Щільність, г/см³ … 0,99986 1,00000 0,99972 0,99823 0,99567

Зміни щільності води в межах 3-4 знаків мають важливе значення в житті пелагічних (особливо – планктонних) організмів у звязку з різною опорністю середовища (Мертве море!). З іншого боку, щільність води пов’язана з її тиском на організм (із зануренням на 10,3 м в прісну і на 9,986 м в морську воду (при 4ºС) тиск зростає на 1 атм і в океанічних глибинах може сягати понад 1000 атм.

Організми, здатні існувати в широкому діапазоні тиску води, називаються еврибатними (bathus - глибина), а ті, що не витримують великих коливань цього фактора – стенобатними. Наприклад, голотурії Elpidia і Myriotrochus зустрічаються на глибинах від 100 до 9000 м, а черв Priapulus caudatus - від літоралі і до 7000 м. В умовах досліду гідробіонти проявляють надзвичайно високу стійкість до підвищення тиску. Я.А.Бірштейн (1957) висловив припущення, що зі зростанням тиску зростає щільність цитоплазми, що пояснює збільшення розмірів гідробіонтів з глибиною мешкання.

Органами сприйняття гідростатичного тиску слугують різноманітні газові камери (плавальні пухирі риб, газові включення в цитоплазмі найпростіших, повітроносні порожнини в тілі медуз, в черепашках молюсків тощо). Літоральні раки Synchelidium реагують на зміну тиску до 0,01 атм, що відповідає глибині у 10 см.

2.4. В’язкість води.

Під в’язкістю розуміють властивість тіл проявляти супротив зсуву їх шарів відносно один одного. Одиницею вязкості є пуаз (пз). Пуаз – це така в’язкість, за якої градієнт швидкості, що дорівнює 1 см/сек на 1 см відстані між шарами рідини, призводить до виникнення сили внутрішнього тертя в 1 дину (10¯³ -5ньютонів) на 1 см² поверхні дотику шарів. Зазвичай в’язкість води позначають у сотих частках пуаза – сантипуазах (спз). Підвищення температури супроводжується зниженням в’язкості води:

Температура ºС………………………. 10 20 30

Вязкість, спз ….…………………… 1,31 1,1 0,87

Зі збільшенням солоності в’язкість води дещо зростає. Зміни в’язкості зі зміною температури і солоності води мають суттєве значення в житті гідробіонтів, особливо дрібних, суттєво впливаючи на швидкість їх руху. За відсутності тертя гідробіонти, які не мають локомоторної системи, втратили б здатність утримуватись в товщі води, а рухливим формам довелося б витрачати багато додаткової енергії, щоб запобігти занурення на дно.

2.5. Рух води.

Пересування водних мас спричинюється гравітаційними силами (притягування Місяцем і Сонцем – припливи і відпливи; сили земного тяжіння спричинюють течію річок), впливом вітру (хвилі, нагонні течії) та живими організмами (рух гідробіонтів, фільтраційні потоки).

Рух води проявляється у формі течій та хвилювань. У першому випадку відбувається перенос водних мас у певному напрямі, у другому – відхилення часток води від вихідного положення з наступним поверненням до нього. Течії бувають горизонтальними і вертикальними, поверхневими та глибинними. У розподілі швидкості по глибині і ширині існують загальні закономірності. При відкритому руслі максимальна швидкість спостерігається біля поверхні води, а мінімальна – біля дна. Коли річка вкрита льодом, найбільша швидкість переміщується вниз від поверхні води.

Рух води має для гідробіонтів пряме та опосередковане значення. У першому випадку – це перенос пелагічних організмів у горизонтальному напрямі, переміщення їх по вертикалі та вимивання бентосних форм з грунту. Опосередковане значення проявляється в принесенні їжі та кисню, виносі метаболітів, вирівнюванні температурних та інших гідрологічних градієнтів.

Хвилі мають особливо велике значення для мешканців узбережь. В замкнутих водоймах вони є причиною утворення нагонних течій.

Для сприйняття рухів води у гідробіонтів існують різноманітні рецептори. Риби оцінюють швидкість і напрям течії за допомогою органів бічної лінії; ракоподібні – антенами; молюски – рецепторами на мантії. У багатьох безхребетних є віброрецептори, які сприймають коливання води.

2.6. Фізико-хімічні властивості грунтів.

З великого різноманіття властивостей грунтів найбільше значення для мешканців бентосу мають розміри часток, щільність їх прилягання одної до іншої та стабільність взаєморозміщення, ступінь змиву течіями і темп акумуляції за рахунок седиментації. Фізичні властивості грунтів характеризуються насамперед їх механічним, або гранулометричним, складом залежно від розміру часток (табл. 2).

Таблиця 2