Основи гідробіології

Основні принципи і поняття гідробіології

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

Зміст

Введення

Предмет, метод і завдання гідробіології

Основні принципи і поняття гідробіології

Історія виникнення і розвитку гідробіології

Основні фактори абіотичного середовища водного населення та їх екологічне значення

Фізико-хімічні властивості води і грунту

ВСТУП

Населення Землі, утворює разом із субстратом, в якому воно живе, біосферу нашої планети, сконцентровано в газоподібному оболонці

- атмосфері, твердої -літосфері і рідкої - гідросфері, причому остання являє собою найбільш широку арену життя. Із загальної площі поверхні нашої планети, що дорівнює приблизно 510 млн. / їжак 2, близько 362 млн. км 2, т. е. більш 70,5%, припадає на частку водного дзеркала, а якщо взяти до уваги і підземні води, поширені майже повсюдно, то виявиться, що водна оболонка практично покриває всю Землю. Крім того, на відміну від атмосфери та

літосфери гідросфера заселена у всій своїй товщі, часто вимірюваної сотнями і тисячами метрів.

Населення гідросфери, або гідробіос, представлене водними організмами, або гідробіонтами, їх популяціями та спільнотами, грає в житті людини надзвичайно важливу роль, безперервно зростаючу в міру освоєння водойм. Одні з гідробіонтів широко використовуються промислом чи корисні в

інших відносинах, інші приносять шкоду, будучи патогенними для людини і домашніх тварин або створюючи перешкоди народному господарству, зокрема водопостачання, судноплавству та експлуатації гідротехнічних споруд. Тому в міру освоєння прісних і морських водойм все більш необхідним ставало вивчення їхнього населення з метою підвищення його позитивної і зниження негативної ролі в житті людини. Завдання такого вивчення населення водойм взяла на себе виникла в кінці минулого століття наука гідробіологія

Предмет, метод і завдання гідробіології

В даний час гідробіологію найбільш прийнято розглядати як науку, що вивчає життя в гідросфері в екологічному плані. Виділення гідробіології в самостійну дисципліну обумовлено особливостями водного середовища, що накладає характерний відбиток на життя її мешканців, а також необхідністю застосування щодо водного населення прийомів екологічного вивчення, що відрізняються від тих, які використовуються на суші.

Будучи наукою екологічної, гідробіологія вивчає водне населення в єдності з навколишнім середовищем, як живий компонент «блоків» біосферибіогеоценозів, або екосистем. На перших етапах свогоіснування гідробіологія найбільшу увагу приділяла екологічному вивчення окремих організмів. Таке аутоекологі-чеський напрямок збереглося й у сучасній гідробіології, але вже займає підлегле становище. На перший план

висунулися демекологіческіе і сінекологіческіе дослідження, тобто вивчення популяцій гідробіонтів і гідробіоценозів як цілісних систем, як надорганізменних форм живої матерії, що володіють певною структурою, функціями та характером взаємодії з навколишнім середовищем.

Стосовно до окремих організмам гідробіологія обмежується вивченням їх взаємодії з навколишнім середовищем, тобто з'ясуванням їх функціональної ролі в природі без аналізу морфології і фізіології самих

організмів, (оскільки цим займаються спеціальні науки. Інший підхід потрібен до демеко-логічним і сінекологіческім дослідженням, оскільки спеціальних наук, які вивчають морфологію та фізіологію надорганізменних систем, немає. Тому при демекологіческіх і сінекологіческіх дослідженнях гідробіологи повинні вивчати не тільки функціональну роль популяцій і біоценозів в природі, але також з'ясовувати їх структуру і внутрішньосистемні взаємозв'язки. Недостатня вивченість надорганізменних систем пов'язана з тим, що концепція ієрархії рівнів організації живої матерії, що представляє собою найбільше завоювання сучасної біології, досить чітко сформувалася лише в самий останній час. Разом з тим зараз стало абсолютно ясно, що головний шлях до управління живою природою лежить через пізнаннязакономірностей

існування та взаємодії надорганізменних систем, для чого необхідно їх вивчення у структурному і функціональному відношеннях. З цієї причини воно стало центральним завданням сучасної екології і відповідно гідробіології. Однак не зникла необхідність та екологічного вивчення окремих організмів як компонентів більш складних біологічних систем. Це тим більше справедливо, що нові концепції в екології, пов'язані з вивченням надорганізменних систем, зажадали, для своєї конкретизації багато таких відомостей

аутоекологіческого характеру, на отримання яких раніше, та вивчення популяцій і біоценозів, не зверталося достатньої уваги.

Гідробіологія вивчає в біологічному аспекті ту ділянку біосфери, який лежить в межах водної оболонки Землі і може бути названий гідробіосферой. Пізнання гідробіосфери у всій повноті - завдання не

тільки гідробіології, а й таких наук, як гідрохімія, Гідрофізика, гідрографія, гідрологія та ряду інших. Точно так само не можна вважати завданням гідробіології всебічне вивчення водних біогеоценозів, так як біолог за рівнем своєї підготовки не може кваліфіковано займатися дослідженням мертвого субстрату і його змін під впливом живої природи. Комплексне вивчення екосистем як блоків біосфери являє собою завдання особливої науки - біогеоценологиі. Разом з тим гідробіолог не вивчає

організми, популяції та біоценози у відриві від абіотичного оточення, а досліджує їх в рахмках екосистем як частина останніх з урахуванням всіх їх особливостей. Як орган тіла немислимий поза організмом, так не можна уявити собі організм поза популяції, останню - поза біоценозу, який у свою чергу не може існувати поза екосистеми. З іншого боку, єдність природи, в тому числі живої та мертвої, робить украй широким фронт її вивчення, який не може утримуватися і ефективно просуватися вперед силами однієї науки. Звідси зрозуміла необхідність обмеження завдань гідробіології вивченням водних організмів, їх популяцій і біоценозів в рамках екосистем. Пізнання абіотичних компонентів гідробіосфери, закономірностей їх існування і трансформації - завдання наук не біологічних.

Вивчаючи населення гідросфери, гідробіолог в першу чергу цікавиться тим, як зробити користь від нього найбільшою, а шкода - найменшим або, іншими словами, розробляє наукові основи біологічнораціонального користування водоймами гідросфери. Інша площина використання гідробіологічних знань - наукове обгрунтування прогнозів можливих змін стану біологічних параметрів гідросфери, без чого

немислимо перспективне планування експлуатації водойм. Третій напрямок практичного використання результатів гідробіологічних досліджень являють собою робота з регулювання складу та чисельності водного населення, робота з активної перебудови фауни і флори водойм в інтересах людини, а також охорона водних екосистем від небажаних впливів, загроза яких безперервно зростає паралельно розвитку цивілізації.

Специфічний метод гідробіології як науки екологічної полягає насамперед у кількісному обліку населення водойм, його структури та функціональної ролі окремих видів у біоценозах. Стосовно до окремих

організмам кількісний облік дозволяє скласти уявлення про їх аутоекологіческіх особливості. Наприклад, на підставі відмінності в чисельності особин на суміжних ділянках різного грунту нерідко можна судити про те, якому з них організми віддають перевагу, тобто який з них найбільшою мірою задовольняє їхні життєві потреби. Аналогічним шляхом можна, використовуючи результати кількісного обліку гідробіонтів, з'ясувати їхнє ставлення до інших елементів свого оточення. Визначаючи чисельність і біомасу (сумарна вага) особин, що зустрічаються в досліджуваному ділянці водойми, судять про структуру популяцій і біоценозів, їх динаміку в часі і просторі. Підводні телебачення, фотографування і ехолокація, а також візуальні спостереження, що виконуються за допомогою аквалангів, підводних човнів і батискафів, доповнюють арсенал засобів, за допомогою яких отримують уявлення про структуру популяцій і біоценозів водних організмів.

Для оцінки функціональної ролі водного населення в природі в гідробіології дуже часто використовується енергетичний принцип. З цією метою визначають кількість енергії, що надходить на вхід живих систем, що розсіюється ними в процесі життєдіяльності і накопичується в утвореному органічній речовині. Облік потужності енергопотоків, що проходить через організми, популяції та біоценози, грунтується на використанні багатьох біохімічних, біофізичних, фізіологічних та інших методів (визначення величини фотосинтезу, дихання, калорійності органічної речовини, темпу і характеру його деструкції, трансформації енергії в процесі харчування та ін) - Сучасні засоби математичного аналізу, включаючи електронносчетную техніку, використовуються для створення схем, що моделюють основні процеси, що протікають упопуляціях і біоценозах гідробіонтів.

Кінцева практичне завдання гідробіології зводиться до знаходження тих форм відношення людей до населення гідросфери, при яких користь від останнього була б найбільшою, а шкода - найменшим. Перш за все це пов'язано з підвищенням біологічної продуктивності водойм, отриманням з них найбільшої кількості біологічної сировини, зокрема використовується для забезпечення людей їжею. Друга не менш важлива завдання гідробіології полягає у пошуку заходів забезпечення людей чистою водою, оскільки потреба в ній з розвитком цивілізації безперервно збільшується, а наявні природні запаси вичерпуються, особливо в результаті забруднення

водойм. Важливе значення має гідробіологія в розробці біологічних основ боротьби з водними організмами, що створюють перешкоди в навігації, промисловості, сільськомугосподарстві, а також шкідливими в медичному або ветеринарному відносинах. Гідробіологи беруть участь у проектуванні

штучних водних екосистем, що використовуються для забезпечення людей киснем і їжею в космічних кораблях і створюваних для очищення питних і стічних вод, або в деяких інших цілях.

Відповідно з необхідністю вирішення того чи іншого питання в гідробіології сформувалися окремі, добре відмежовується один від одного напряму. Продукційна гідробіологія вишукує шляхи отримання стійких високих урожаїв біологічної сировини з водних угідь, шляхи розширеного відтворення сировинної бази промислу і біологічно раціональної організації останнього. Санітарна гідробіологія вивчає процесизабруднення та самоочищення водойм, токсичну дію окремих речовин на гідробіонтів, їх

популяції та біоценози, (водна токсикологія) біологічні основи водопостачання та очищення стічних вод, заходи боротьби з цвітінням і заростанням водойм. Вивченням створюваних гідробіосом перешкод при експлуатації різних гідротехнічних споруд, промислових установок і водоводів займається технічна гідробіологія.Навігаційна гідробіологія вирішує коло проблем, пов'язаних з

мореплавством. Завдання сільськогосподарської гідробіології зводиться до з'ясування ролі та регулювання водного населення на ділянках обробітку напівводних культур, зокрема рису. Особливу медико-ветеринарне напрямок в гідробіології склалося у зв'язку з необхідністю зниження чисельності гідробіонтів, що мають патогенний або паразитологічні значення, - переносників малярії, проміжних господарів різних гельмінтів, личинок ряду кровососів (комарів, мошок) і ін

Останнім часом у гідробіології стало розвиватися напрямок, пов'язаний з космонавтикою, яке розробляє проблему забезпечення космонавтів киснем і їжею за рахунок культивування водоростей в біологічних реакторах з самонастраивающимся або протікає за певною програмою режимом.

Специфічні об'єкти, метод і завдання дослідження добре відмежовують гідробіологію від інших суміжних з нею дисциплін, але разом з тим вона тісно контактує з ними. На аутоеколо-ня щаблі своїх досліджень гідробіологія в першу чергу спирається на дані таких наук, як систематика, морфологія, фізіологія, які в свою чергу не можуть успішно

розвиватися у відриві від екології водних організмів. Популяції та біоценози водних організмів вивчають у тісному контакті з гідрологічними науками,

зокрема з океанології, лімнології 1 (Птпе - озеро), потамологіей (ро1атоз - річка)

і гідрогеологією, відповідно займаються дослідженням морів, озер, річок та підземних вод комплексно, з усіх точок зору, в тому числі і в біологічному аспекті. Гідрологія запозичує у гідробіології відомості, необхідні для пояснення

масових явищ, що проходять у водоймі за участю його населення. Гідробіологія користується даними гідрології про стан абіотичної середовища при вивченні закономірностей існування гідробіонтів, їх популяцій та біоценозів.Досліджуючи водні біоценози в рамках екосистем, гідробіологія зближується з геохимией і біогеоценологиі, що вивчає життя і її прояви в біосфері. Геохімічна характеристика кругообігу речовин у природі і дані про структуру біосфери допомагають гідробіології правильніше зрозуміти закономірності існування біоценозів, знання функціональної ролі яких в природі в свою чергу, необхідно для розвитку геохімії і біогеоценологиі. Оскільки сучасне життя висуває завдання комплексного господарського використання водойм як національного багатства, гідробіології необхідно контактувати у своїй роботі з представниками найрізноманітніших установ (інженерних, економічних, санітарних та інших).

Основні принципи і поняття гідробіології

Гідробіологія як наука екологічна насамперед виходить з уявлення про те, що організми і інші живі системи не можуть існувати без навколишнього їх зовнішнього світу, в той час як останній залишається об'єктивною реальністю незалежно від присутності або відсутності в ньому тих чи інших живих тіл.

Середа - це сукупність тих елементів зовнішнього світу, з-якими особини виду пов'язані прямими пристосувальними відносинами. Наприклад, розчинений у воді кисень - елемент середовища риб, адаптованих до його споживання, але не водних ссавців, хоча побічно впливає на них. З великого числа природних тіл і явищ, що становлять зовнішній світ, тільки деяка їх частина утворює середу особин того чи іншого виду. Середа організмів двох або декількох видів може збігатися або відрізнятися не однаковою мірою. Те ж саме справедливо по відношенню до середовища одного організму на різних

стадіях розвитку.У разі зникнення з водойми організмів він перестає бути для них середовищем. Разом з тим водоймище може розглядатися в якості можливої середовища для відсутніх у ньому організмів, зокрема тих, які вважаються такими, об'єктів акліматизації. Знаючи життєві потреби аккліматізіруемих організмів і властивості водойми, можна скласти правильне уявлення про останній як сприятливою або несприятливому середовищі для передбачуваних до вселення гідробіонтів. Слід зазначити, що багато екологів розуміють під середовищем всі елементи зовнішнього світу, прямо або побічно впливають на організм.

Елементи середовища, що роблять те чи інше безпосередній вплив на існування населення, називаються факторами впливу, або

просто факторами. По своїй природі вони можуть бути розділені наабіотичні - фізико-хімічні впливи мертвої середовища, біотичні - впливу одних елементів населення на інших і антропогенні - впливу людини на живу природу (як свідомі, так і мимовільні), супутні розвитку цивілізації. В одних випадках фактори середовища можуть мати невелику амплітуду мінливості (наприклад, температура, солоність і щільність води морських глибин), в інших - значно більшу (ті ж самі властивості морської води, але не в глибині, а біля поверхні).

Різні види можуть існувати тільки в певному межі мінливості окремих елементів середовища. Амплітуда коливань фактора, яке може витримувати вигляд, називається його екологічною валентністю. Форми з широкою екологічною валентністю позначаються як зврібіонтние, з вузькою-як стеіобіонтние (еігуз - широкий, з1епо5 - вузький). Прикладом стенобі-онтних форм можуть служити мадрепоровие корали, що мешкають тільки в морях на твердих грунтах при температурі не нижче 20 ° С і не виносять навіть легкого опріснення води. Як Еврі-біонтного виду можна назвати корненожки СурНоЛепа Атрі, яка зустрічається в морях, засолених болотах і

прісних водоймах, в теплих і холодних озерах. Види з дуже високим ступенем еврібіонтності, наче тільки-що зазначеною корненожки, називаються убіквістамі (і''щіе - скрізь).

Ступінь екологічної валентності виду можна оцінювати не тільки щодо широкого комплексу факторів (Еврі-або сте-нобіонтность), але і стосовно кожного з них окремо, додаючи до назви відповідногофактора грецьке «Еврі» або «стено». Наприклад, голотурія Е1рШ1а § 1аиаІз, не зустрічається у воді з температурою вище 1 ° С, являє собою стенотермную форму, а згадувана корненожки С. Атрі - еврітермную(Шегтоз - тепло).

Види, стенобіонтних щодо якогось чинника, існують при його високих або низьких абсолютних значеннях. Якщо вони потребують високих значеннях якогось фактора, то до російського назвою останнього додається «Любивий», а до грецького - «фильной» (Шео - люблю), і таким чином отриманим терміном характеризується екологічний вигляд

організмів. Наприклад, стенотермние форми, що живуть в теплих водах, будуть називатися теплолюбними, або термофільних, в холодних - холодолю-бівимі, або Кріофільні (КПОЗ-холод). Якщо особини виду уникають високих значень фактора, то це позначається терміном, утвореним з назви даного чинника з додаванням грецького «ФОБН» (! ОЬоз - острах). Наприклад, форми, що не терплять помітного осолоненія води, будуть називатися галофобнимі {^ а1зсіль). Іноді використовується інша термінологія: види, що живуть в умовах високої вираженості даного чинника, називаються його Біонт. Так, форми, які

населяють солоні води, називаються галобіонтамі, що мешкають на течії,

- реобіонтамі (гео - течу) і т. п.

Екологічна валентність виду тим ширше, ніж мінливіший його середовище. З цієї причини, наприклад, у морях, прибережні форми, як правило, більш зврітермни і евригалінні, ніж мешканці відкритої зони, де температурні і сольові умови стійкіше. Точно так само мешканці поверхневого шару води еврітермнее і евригалінні-неї глибоководних форм, що живуть в умовах високого ступеня сталості температурного і сольового режиму. Чим Варіаностабільні умови життя у водоймі, тим різноманітніше видовий склад його населення. Чим більше який-небудь фактор відхиляється у водоймі від середніх значень, тим одноманітніше населення останнього.

Знання типу водойми, в якому живуть ті чи інші гідро-Біонт, дозволяє отримати певне уявлення про середовище останніх, і, наприклад, називаючи види морськими, озерними або річковими, ми в якійсь мірі змальовує їх екологічний вигляд. Подальша конкретизація його можлива шляхом з'ясування приуроченості виду до тих чи інших біотопів всередині водойми та вивчення комплексу умов, якими характеризуються ці біотопи. До основних, найбільш различающимся між собою біотопів гідросфери відносяться товща води, або пелагіаль (ре1а ^ оз - відкрите море), і дно водойм, або бентал' (ЬепШоз - глибина). Відповідно до цього в якості основних життєвих форм водного населення виділяють пелагос - мешканців товщі води і бентос - населення дна. До пелагобентосу відносять форми, здатні поперемінно вести то

пелагический, то бентосних спосіб життя. Населення, що виявляється на різних предметах і живих тілах, що знаходяться в товщі води, отримало назву перифітон (реп - навколо, рЬу! Оп - рослина).

Серед населення пелагіалі розрізняють представників планктону і нектон (р1апйоз - ширяючий, пейоз -

плаваючий). До першого належать форми або не здатні до активних рухів, або володіють ними, але не можуть протистояти струмам води, якими переносяться з місця на місце (водорості, найпростіші, коловертки, рачки та інші дрібні тварини). Пелагічні організми, частина тіла яких знаходиться у воді, а частина над її поверхнею (деякі сифонофори, ряска та ін), отримали

назву плейстона (р! еш - плавати на кораблі). До нектон форм належать великі тварини, рухова активність яких достатня для подолання водних течій (риби, кальмари, ссавці). Особливу життєву форму, що отримала назву неістона (пет - плавати), утворюють рослини і тварини, життя яких пов'язане з поверхневою плівкою води. Організми бентосу, планктону, нектон, неістона і перифітон можуть бути відповідно названі бентонтамі, планктонтамі, нектонтамі і т. д.

(оп! О5 - існуюче). Сукупність завислих у воді органо-мінеральних частинок (детрит або тріптон) і планктонних організмів називається сестоном (5ез1о5 - просіяний).

Поряд з видами, адаптованими до життя тільки у водному середовищі, гідробіологія вивчає також ті, які можуть існувати як у воді, так і на суші. Деякі з таких форм (водний жовтець, земноводна гречка, стрілолист і ін) однаково добре живуть в обох середовищах, інші (жаби, тритони, деякі раки і риби) переважно адаптовані до життя у воді, але можуть значний час перебувати поза її, треті (бобер, хохуля, нутрія) значну частину життя проводять на суші і лише порівняно невеликий час знаходяться у воді. Всі перелічені форми, адаптовані до життя як у водному, так і повітряного середовища, називаються амфібіонтнимі.Серед них на особливу групу виділяють напівводні

організми, частина тіла яких знаходиться у воді, а частина - на повітрі (очерет, очерет, осока та ін) . Нарешті, до об'єктів гідробіологічного вивчення відносяться водні стадії гетеротопних, або повітряно-водних організмів, частина життєвого циклу яких здійснюється у повітряному, а частина - у водному середовищі (наприклад, багато комах, що ведуть у імагінальний стадії повітряний спосіб життя, а в личинкової - водний ).

Гідробіонти існують в гідросфері не ізольовано, а як компоненти більш складних біологічних тіл - популяцій і біоценозів. Популяції гідробіонтів і гідробіоценози - не арифметичне безліч організмів, так само як останні - не просто сума клітин. Подібно організмам, популяції гідробіонтів і водні біоценози володіють динамічною структурою, стан якої, мінливий в заданому порядку, визначається особливостями потоку матерії (хімічні перетворення), енергії (ентропійні процеси) та інформації (перетворення систем). Представляючи собою колективи більше простих біологічних тіл,

популяції гідробіонтів і гідробіоценози в свою чергу є компонентами систем наступних ієрархічних рангів. До них відносяться біоми - населення окремих водойм і біота - жива компонент всієї біосфери.

Вивчаючи надорганізменних системи, гідробіолог звертає головну увагу не на пізнання їх структури, взаємодії внутрішньосистемних компонентів, механізмів гомеостазу та інших рис організації. Точно так само

для нього не є самоціллю вивчення особливостей потоку матерії, енергії та інформації в надорганізменних системах, що відноситься до завдань биогеоцилогії.

Для гідробіолога популяції та біоценози становлять інтерес насамперед як системи, що виробляють потрібні людині організми і визначають якість