Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Федеральное агентство по рыболовству
ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет»
Институт рыбного хозяйства, биологии и природопользования
Кафедра прикладной
биологии и микробиологии
курсовая работа
по дисциплине «Экология организмов»
РОЛЬ ВОДЫ ДЛЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ
Специальность 020801.65 «Экология»
Студент группы ДБЭ-31
Куздекенова Гульвира Биржановна
Проверила:
канд. биол. наук, доцент
Ершова Татьяна Сергеевна
Допущена к защите
«____»___________201_
Оценка ______________
Астрахань 2012
Содержание
Введение……………………………………………………………………..3
Глава 1.Вода и ее свойства………………………………………………….5
1.1.Физические свойства……………………………………………..5
1.2.Биологические свойства……………………………………….....7
Глава 2.Вода как ресурс и условие жизни………………….........................10
Глава 3.Круговорот воды как глобальный гидрологический цикл………20
Глава 4. Роль воды для живых организмов………………………………..23
4.1.Экологические группы растений по отношению к влаге и адаптации к их водному режиму. ……………………………………………………………24
4.2. Адаптации животных к водному режиму……………………………..28
Заключение…………………………………………………………………
Выводы……………………………………………………………………...
Список литературы…………………………………………………………
ВВЕДЕНИЕ
Вода – весьма распространенное на Земле вещество. Она обеспечивает жизнь всем организмам, и является единственным источником кислорода в главном жизненном процесса на Земле – фотосинтезе. Все живые существа на 80-90 % состоят из воды. Согласно современным представлениям само происхождение жизни связывается с морем. Во всяком организме вода представляет собой среду, в которой протекают химические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма; кроме того, она сама принимает участие в целом ряде биохимических реакций.
Доля воды в теле человека близка к 60 %, но в отдельных органах и тканях она варьирует от 1 до 96 %.
Масса пресной воды на земном шаре составляет 31 млн. км3, основное количество которой (96%) сосредоточена в ледниках Гренландии, Антарктиды, горных массивов, в айсбергах и зоне вечной мерзлоты. Из всего количества пресной воды только около 1 % используется человечеством для удовлетворения своих потребностей.
Под биосферой понимают тонкую оболочку Земли, в которой все процессы протекают под прямым воздействием живых организмов. Живые организмы, включающие в себя все известные химические элементы, в процессе жизнедеятельности осуществляют превращение энергии( http://www.gumer.info). Деятельность живых организмов в биосфере сопровождается извлечением из окружающей среды больших количеств минеральных веществ. После смерти организмов, составляющие их химические элементы возвращаются в окружающую сред (http://sbio.info) .
Круговорот воды приводит в движение водную оболочку Земли, но связывает воедино все части гидросферы, обеспечивая их возобновление.
Круговорот объединяет не только различные воды Земли. Он связывает водную оболочку, или гидросферу, с другими сферами нашей планеты: атмосферой, литосферой и биосферой.
Вся земная жизнь основана на углероде. Каждая молекула живого организма построена на основе углеродного скелета. Атомы углерода постоянно мигрируют из одной части биосферы (узкой оболочки Земли, где существует жизнь) в другую. На примере круговорота углерода в природе можно проследить в динамике картину жизни на нашей планете.
Цель работы — оценить роль воды для живых организмов.
Для достижения данной цели были поставлены задачи:
1)определить основные свойства воды
2)рассмотреть круговорот воды как глобальный планетарный гидрологический цикл
3)выявить роль живых организмов в круговороте воды
4)оценить роль воды для живых организмов
ГЛАВА 1. ВОДА И ЕЕ СВОЙСТВА
Чистая вода представляет собой бесцветную прозрачную жидкость, без запаха и вкуса. Однако в толстом слое водоёма она приобретает голубой цвет. После сильного охлаждения вода замерзает, превращаясь в лёд.
Таблица 1. Физико-химические константы воды
|
Показатель |
Значение |
|
Температура, °С кипения замерзания, Критическая (ий) температура, °С давление, МПа вязкость, г/см Теплота плавления за 0,101 МПа(1 атм.), Дж/г сублимации льда за 0°С, Дж/г Удельная теплоёмкость льда за 0°С.Дж/(г · град) теплопроводность, Дж/(см · с · град) льда жидкости при 0° пара при 100°С электропроводность, См/см (Ом · см) льда при 0°С жидкости при 0°С жидкости при 50°С Диэлектрическая проницаемость жидкости при 20°С пара при 145°С и 0,101 МПа (1 атм.) Показатель заломления для линии Na при 20°С и 0,101 МПа (760 мм рт. ст.) Скорость распространения звука при 25°С, м/с Термодинамические величины: энтропия (S, газ, 101325 Па, 25 С), Дж/(моль К) теплоёмкость при 25°С, Дж/(моль К) Теплота электролитической диссоциации при 20°С, кДж/моль |
100 0 374,15 22,07(218,53 атм.) 0,325 332,43 2334,46 2,74 23,45 · 10-3 5,987 · 10-3 0,231 · 10-3 0,4 · 10 -8 1,47 · 10-8 18,9 · 10-8 81,0 1,007 1,33299 1496,3 188,846 76,07 -57,15 |
Плотность воды при переходе ее из твёрдого состояния в жидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает. При нагревании воды от 0 до 4°С плотность её также увеличивается. При 4°C вода имеет максимальную плотность, и лишь при дальнейшем нагревании её плотность уменьшается.
Если бы понижение температуры и при переходе из жидкого состояния в твердое плотность воды изменялась так же, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природных вод охлаждались бы до 0°C и опускались на дно, освобождая место более теплым слоям, итак продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоема не приобрела бы температуру 0°C.Далее вода начинала бы замерзать, образующиеся льдины погружались бы на дно и водоем промерзал бы на всю его глубину. При этом многие формы жизни в воде были бы не возможны. Но так как наибольшей плотности вода достигает при 4°C, то перемещение ее слоев, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры. При дальнейшем понижении температуры охлажденный слой, обладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.
Аномальными для воды являются так же такие фундаментальные физические качества, как температура кипения и замерзания. Вода- гидрид кислорода своим молекулярным составом подобна гидридам элементов главной подгруппы шестой группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева (H2S, H2Se, H2Te). Заряд ядра атома элемента, который их образует, определяет физические свойства веществ этого ряда.
Исходя из определенных закономерностей для ряда H2Te - H2S, следовало бы ожидать, что вода должна кипеть при температуре -70°C, а замерзать – при -90°C. На самом деле при обычных условиях вода замерзает при температуре 0°C и закипает при температуре 100°C, то есть кривые поднимаются резко вверх вместо того, что бы опускаться (Ревель П.,2000).
1.2.Биологические свойства
Вода принимает участие в биологическом круговороте веществ, в процессе которого несколько изменяется. Она является одной из важнейших составных живых организмов. Вода входит в состав различных тканей и органов. Так, 22 - 34 % ее содержится в костях, до 70 – 80 % - в жировой ткани и до 82 – 94 % - в нервных волокнах.
В теле грудного ребенка воды содержится – до 65 % . По мере роста и накопления жировых отложений содержание воды в организме уменьшается, достигая примерно 60 % (40 – 42 литра) у среднего взрослого мужчины и 50% - у женщины (Воронков Н.А.,2000).
Автотрофы – зеленые растения – трансформируют неорганические соединения, в частности воду, оксид углерода (ΙV) и минеральные соли в органические вещества тела клетки, молекулярная структура которой неимоверно велика. Основой этого процесса является реакция фотосинтеза, в результате которой из углекислого газа и воды при участии хлорофилла и солнечной энергии появляются органические вещества, входящие в состав клеток и выделяется кислород:
6CO2 + 6H2O + 2,72 кДж―—–→ C6H12O6 + 6O2↑.
Хлорофилл
Гетеротрофные организмы не способны синтезировать все вещества, которые необходимы для их существования. Они используют питательные вещества, которые входят в состав организмов авто- и гетеротрофов. При этом вещества экзометрически расщепляются и окисляются на более простые. Все процессы происходят при непосредственном участии живого вещества.
Ряд автотрофных организмов – продуцентов неспособны использовать солнечную энергию, поскольку не имеют соответствующих пигментов. Они получают энергию, необходимую для их существования, в результате окисления минеральных соединений.
Катаболизм, или процесс внутриклеточного разрушения питательных веществ, включает образование воды или участие ее молекул в окислении органических веществ и протекании восстановительных реакций. Последние обеспечивают использование химической энергии, которая содержится во всех питательных веществах. Движущая сила разрушения (анаэробного или аэробного) органического вещества обеспечивается действием ферментов (энзимов). Важнейшие особенности последних обусловлены их структурой. В зависимости от условий, в которых происходит процесс биологического окисления, получаются различные конечные продукты расщепления. Например, окисление глюкозы при аэробных условиях происходит по уравнению:
C6H12O 6 + 6CO2 = 6CO2 + 6H2+2,72 кДж / моль,
В анаэробных –
C6H12O6 = 3CO2 + 3CH4 + 144 кДж /моль.
Выход энергии при анаэробных условиях составляет всего 5,3 % количества энергии, которая высвобождается в аэробных условиях. Исходя из этого, в аэробных условиях процесс получения жизненной энергии более экономичен, нежели в аэробных. Поэтому клеточное деление при аэробных условиях продуктивней, и, и как следствие этого, процессы разрушения органических веществ до конечного состояния происходят интенсивнее.
Итак, в природе вода совершает беспрерывный биологический круговорот при участии зеленых растений, консументов и при помощи микроорганизмов-редуцентов, которые трансформируют органические вещества в неорганические (воду, метан, углекислый газ, аммиак, водород и др.), и вода снова возвращается к зеленым растениям-продуцентам. Микроорганизмы имеют большое значение для поддержания биологической активности и осуществления круговорота веществ, в данном случае воды, в природе(Хомунцев Ю.Л.,2002).
ГЛАВА 2. ВОДА КАК РЕСУРС И УСЛОВИЕ ЖИЗНИ
Вода – самое распространенное вещество в природе. Она находится в свободном состоянии (океаны, моря, озера, реки, ледники), содержится в минералах, горных породах, почве и входит в состав живых организмов (50 – 90 % их массы, а в теле медузы и огурца – около 98 %). Планета Земля содержит около 16 млрд км3 воды, что составляет 0,25 % ее массы. Основная часть воды находится в глубинных зонах (мантии) Земли. По месту размещения воду разделяют на атмосферную, поверхностную и подземную (Давыдов Л.К.,2003).
Все водные источники (океаны, моря, реки, озера, водоемы, ледники, болота, атмосферные и подземные воды) входят в состав Мирового океана и образуют гидросферу планеты Земля. Большая часть поверхности планеты (около 71 %) покрыта водами Мирового океана. Общий объем воды в нем составляет 1 370 323 тыс. км3 – около 94 % всей воды планеты. Верхняя граница гидросферы проходит на высоте нижних слоев стратосферы до высоты озонового экрана (приблизительно на высоте 20 км). Вода в атмосфере находиться в парообразном состоянии и перемещается. Нижняя граница гидросферы проходит в литосфере на глубине 3 – 3,5 км от поверхности земли.
Кроме вод Мирового океана наибольшее количество воды находится в литосфере – подземные воды гидросферы (грунтовые, подгрунтовые, межпластовые безнапорные и напорные воды, воды трещин карстовых пустот). Подземные воды составляют 60 млн км3 , или 4,12 % общего объема, и находятся на различных глубинах (до нескольких сотен метров). Однако в зоне активного водообмена их содержится меньше чем 4 млн км3. В ледниках находится 24 млн км3 воды, в озерах и водохранилищах – 280 тыс. км3, в почвах – 85 тыс. км3, в атмосфере – 14 тыс. км3. Вода, находящаяся в руслах рек, составляет только 1,2 тыс. км3 (таблица 2).
Таблица 2. Распределение массы воды гидросферы
|
Составляющая гидросферы |
Масса воды, 1015 т |
Часть суммарной массы, % |
|
Мировой океан Подземные и грунтовые воды Снеголедниковые образования Озера, пруды Почвенная влага Болта Атмосферная влага Реки, ручьи Всего |
13338 (1386) 100 (4 - 200) 26 (24 - 30) 0,28 (0,18 – 0,17) 0,1 (0,06 – 0,1) 0,1 (0,01 – 0,1) 0,0014 0,012 (0,002) 1464,4826 |
91,363 6,828 1,776 0,019 0,0068 0,068 0,0000955 0,0000820 100 |
К поверхностным водам принадлежат воды океанов, морей, озер, рек, болот, ручьев и штучных озер. Океаны, моря и некоторые озера – соленые. В реках, большинства озер, прудах, штучных водохранилищах, болотах и ручьях вода пресная. Последнюю, как правило, используют для хозяйственного водообеспечения. Итак, на Земле большинство вод (почти 1.5 млрд км3) содержит значительное количество растворенных солей. К ним принадлежат воды океанов, морей, некоторых озер и большинства подземных вод вне зоны активного водообмена.
Пресная вода составляет незначительную часть гидросферы (менее 4 %). Основная масса пресной воды (до 77 %) находится в снего-ледниковом покрове. Распределение воды в гидросфере достаточно неравномерно, про это свидетельствуют данные таблицы 2.
Наибольшие запасы пресной воды сосредоточены в снего-ледниковых покровах Антарктиды, Гренландии и Арктики. Вода в ледниках пребывает в твердом состоянии и характеризуется наименьшим содержанием солей среди известных водных источников в природе. Максимальная минерализация ледниковой воды составляет 3мг/л. Человечество, рассматривая водный баланс будущего, с надеждой смотрит на эту огромную «кладовую» пресной воды, где сосредоточено до 77 % всех запасов пресной воды нашей планеты. Уже существуют проекты буксирования айсбергов из ледников Антарктиды в Австралию, Южную Америку и другие регионы. По стоимости вода из ледников не будет превышать стоимости подземных или пресных вод.
В недрах Земли вода может существовать в жидком состоянии до глубины 5 км от поверхности, а отдельных случаях и до глубины 10 км. На большей глубине при высокой температуре вода превращается в пароводяную смесь. В критических условиях при температуре 374ºC для пресной воды и 425ºC для соленых насыщенных растворов и давлении 21,8 МПа она образует своеобразную водяную плазму, то есть исчезает отличия между паром и жидкой водой. При этих условиях молекулы жидкой воды приобретают скорости молекул газа, а ее плотность приближается к плотности жидкой воды.
Подземная вода может пребывать в свободном, парообразном и физически связном состоянии. К физически связной воде обычно принадлежит крепко связная гигроскопическая вода, которая удерживается молекулярными силами на поверхности частичек породы. На больших глубинах при высоком давлении, которое достигает сотен мегапаскалей, вода выдавливается из породы и переходит в свободное состояние. К физически связной воды принадлежит также капиллярная вода, которая под действием капиллярных сил перемещается в тонких порах и трещинах.
В мировых запасах пресной воды часть подземных и грунтовых вод составляет около 22,4 %.
Подземные воды заполняют поры, трещины и пустоты, тесно контактируют с почвой и породами земной коры. Для них характерно слоевое размещение водоносных горизонтов , которые отделены водонепроницаемыми пластами пород, слабая связь с атмосферой, незначительное развитие биологических процессов, бедность форм жизни, повышенные температура и давление. Все это содействует меньшему загрязнению вод нечистотами и микроорганизмами, благодаря чему они по качеству приближены к питьевым водам. Находясь на значительных и различных глубинах, они характеризуются стабильным химическим составом, содержат больше полезных для здоровья человека веществ (соединений Кальция, Йода и др.). однако и подземные воды могут загрязняться, если фильтровального слоя пород недостаточно.
В подземных водах растворяется большое количество газов – кислорода, азота, оксида углерода (VI), метана, сероводорода, водорода (до 1000 – 1500 см3/л). Общая масса в растворенных подземных водах газов превышает их содержание в Мировом океане (до 20 см3/л) и приближается к уровню всей атмосферы Земли.
Все другие составные гидросферы, кроме вод Мирового океана, подземных и снего-лендниковых образований, являются, малыми составными гидросферы составляют незначительную часть мировых запасов пресной воды. Наибольшее количество пресной воды содержится в прудах и озерах (около 0,28∙1015 т), которых на Земле насчитываются миллионы. Некоторые из озер имеют очень большие размеры и достаточно глубоки. Больше всего пресной воды содержится в озере Байкал в России, которое имеет глубину 1620 м.
Озера различаются как по составу, так и по концентрации растворенных в их водах веществ. По своему составу они приближаются к подземным водам. В засушливых и пустынных зонах Земли преобладают соленые и солоноватые озера. Например, в озере Виктория содержание солей в 11 раз больше, нежели в океанических водах.
Болота являются промежуточным звеном биосферы между озерами и подземными водами. Значительное их количество находится в умеренных и высотных широтах. В них нагромождается болотный торф, в состав которого входит углерод. К болотам принадлежат переувлажненные почвы, которые в большинстве своём распространены в тропических районах. В них торф не нагромождается, поскольку органические вещества разлагаются полностью. Общая площадь болот и переувлажненных почв составляет около 3 млн. км2. В прибрежных морских районах вода в болотах бывает соленой или солоноватой.
Грунтовые воды по интенсивности обмена с поверхностными водами и атмосферой подобны поверхностным водам, по действию капиллярных сил – к подземным водам, а по содержанию различных веществ (газов, органических соединений и организмов) – это среда, в которой интенсивно протекает биогеохимические процессы. Последние обеспечивают плодородность почв. Массу пресной озерной и болотной воды оценивают в 0,35 % от общей пресной воды на Земле.
Речки и ручьи – источники пресной воды, которая обновляется наиболее быстро в сравнении с другими составными биосферы. Имея небольшую мгновенную массу (около 1,2∙1012 т), они втечение года доставляют воды в 37-38 раз больше (около 4,5∙1013 т), нежели сами водоемы. Средняя минерализация этих вод ~ 90 мг/л. Соленые реки встречаются очень редко. Это в большинстве своём реки, которые питаются солеными подземными водами или имеют в своих руслах залежи солей. Химический состав речных вод определяется преимущественно особенностями почв, растительности, климата территорий, по которым они текут, и характеризуется средними показателями(Салюк Е.В.,2001).
Вода в биосфере пребывает в непрерывном движении, принимает участие в геологическом и биологическом круговоротах веществ. Круговорот воды в природе – это непрерывный процесс движения и обмена водой между составными гидросферы под влиянием тепла и гравитационных сил. Под действием тепловой радиации солнца вода испаряется с поверхности океанов, морей, рек, озер, водохранилищ, прудов и суши и поступает в атмосферу. В атмосфере водяной пар конденсируется с образованием облаков. Кроме того, водяной пар охлаждается, конденсируется и под действием гравитационных сил выпадает в виде осадков – дождя, снега, града. Итак, вода переходит из одного агрегатного состояния (газового) в другое (жидкое или твердое) и перераспределяется по поверхности Земли, способствует движению поверхностных и подземных вод и даже течениям в океанах и морях.
В круговороте принимают участие все воды гидросферы, которые тесно связаны между собой. Однако, скорость перемещения отдельных видов воды (океанической, атмосферной, ледниковой, грунтовой, озерной, биологической) неодинакова. Поэтому продолжительность их обновления очень отличается и колеблется в широких границах – от нескольких часов для биологической воды до десятков тысячелетий для подземных вод.
Таблица 3. Продолжительность периодов обновления запасов воды на Земле.
|
Вид воды в биосфере |
Продолжительность периода обновления воды |
|
Мировой океан Полярные ледники и постоянный снежный покров Подземный лед в зоне многолетней мерзлоты Ледники горных районов Подземные воды Грунтовая влага Запасы воды в озерах Вода болот русел рек Атмосферная влага Биологическая вода |
2 500 лет 9 700 лет 10 000 лет 1 600 лет 1 400 лет 1 год 17 лет 5 лет 16 суток 8 суток несколько часов |
Исходя из данных таблицы 3, следует, что наиболее быстро обновляются биологические воды. Вследствие транспирации растений в атмосферу поступает большая часть грунтовой влаги. Атмосферная влага образуется за счет испарения с поверхностей водоемов, обновляясь, в среднем, каждые 8 суток.
Запасы воды в руслах рек, в среднем, полностью обновляются втечение 16 суток, и для отдельных континентов длительность периода обновления колеблется в пределах 9-16 суток. Из пресных вод наиболее медленный обмен характерен для ледников горных районов и полярных материков. Обновление запасов воды в горных ледниках происходит за счет осадков, а расходование – в результате таяния и испарения. Наибольшее количество пресной воды сосредоточено в ледяной оболочке Антарктиды. Расходование аккумулированной во льде воды происходит достаточно медленно через испарения и сползание льда в океан.
Грунтовая влага, которая имеет приблизительно годовой цикл наслоения, затрачивается преимущественно на испарение и транспирацию и частично на стекание в русла рек.
Обновление вод озер колеблется в широких границах: от 1 года для малых озер засушливых районов до нескольких сотен лет для наибольших озер. Так, обновление водных запасов Байкала происходит втечение 380 лет. Свободные воды земной коры до глубин 2000 м обновляются втечение 1400 лет. Подземные воды расходуются как в результате дренирования их реками, так и вследствие непосредственного попадания их в океан. Активность водообмена подземных вод зависит от глубины залегания и уменьшается с увеличением расстояния от земной поверхности. Наиболее быстро обновляются воды верхних горизонтов, залегающие на глубине не более 200 м от поверхности. Очень медленно обновляются солоноватые воды в глубоких горизонтах, которые превращаются в соленые воды и рассол, которые часто имеют застойный характер.
Количество влаги, поступающей из океанов на сушу, различно для отдельных районов мира. Общая величина речных осадков составляет почти 119 тыс. км3. Если бы все осадки равномерно распределились по всей площади суши, то толщина их слоя составляла бы 6 800 мм. Наименьшее количество осадков выпадает в Антарктиде и Австралии, где их среднегодовые величины соответственно равняются 178 и 456 мм. Суммарное количество осадков тут составляет 5,2 % от общего количества осадков, выпадающих на сушу, тогда как площадь континентов составляет 13 % всей площади суши. В Азии и Южной Америке, площадь которых составляет 41 % суши, выпадает 50 % всей суммы осадков.
Средняя величина стока всех рек мира составляет 46 800 км3 за год. Наибольший сток приходится на Азию – 31 %, Южную(26 %) и Северную(17 %) Америку, Африку – 10, Европу – 7, Антарктиду – 5, Океанию – 4 %.
В связи с возрастанием численности населения планеты водообеспеченность одного жителя постоянно уменьшается. Так, втечение 1971-1994 гг. величина речного стока, которая приходится на одного жителя втечение года, в Европе уменьшилась на 8 %, в Северной Америке – на 27, в Австралии и Океании – на 29, в Азии – на 38, в Южной Америке – на 42, в Африке – на 58% . Водообеспеченность одного жителя Земли в 1971 г. составляла 12,9 тыс. м3 в год, т.е. за период с 1971 до 1994 г. водообеспечение уменьшилось на 36 %.
Распределение водных ресурсов на земной поверхности неравномерно как в границах континентов, так и в границах каждого из них. Так, в Европе величина стока изменяется от 5 000 мм на южно-западном побережье Норвегии до 15 мм в южно-восточных районах европейской территории Российской федерации. На юго-востоке Азии сток составляет более 4 000 мм и уменьшается до 1 мм в засушливых районах Средней и Центральной Азии. Африка, за исключением экваториальных районов бассейна Конго в северо-восточной области, является сухим континентом. Наиболее сухим материком является Австралия, на значительной части которой сток не превышает 1 мм. Итак, в Европе и Азии, где сосредоточено 73,5 % населения мира (на 1994 г.), выпадает лишь 38 % мировых запасов пресных вод. В Южной Америке, где проживает 5,6 % населения мира, водные ресурсы составляют 25 % общего объема мирового речного стока.
Сток рек очень неравномерно распределен втечение года. Большая его часть (60-70 %) выпадает на паводковый период, и для разных континентов он изменяется в разные месяцы. Так, в Европе 48 % стока происходит в апреле – июле, в Азии 80 % стока – в мае-октябре, в Африке 74 % стока – в январе-июне, в Северной Америке 54 % стока – в мае-августе. Итак, многоводный сезон охватывает март-сентябрь. В течение этого периода поступает до 70 % годового стока, поэтому запасы воды на континенте увеличиваются на 28 %. В общем, для всей суши Земли многоводный сезон длится с мая по октябрь. За это время все реки мира сбрасывают 63 % речного стока. Суммарные запасы пресных вод на всех континентах увеличиваются на 26 %. Неравномерность распределения в течение года суммарного стока рек отдельных континентов и всего мира обуславливает необходимость его искусственного регулирования, создавая водохранилища различного предназначения (Фрог Б.И.,2004).
.
ГЛАВА 3. КРУГОВОРОТ ВОДЫ КАК ПЛАНЕТАРНЫЙ ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ ЦИКЛ
Круговорот воды в природе (гидрологический цикл) — процесс циклического перемещения воды в биосфере .Состоит из испарения, конденсации и осадков.
Моря теряют из-за испарения больше воды, чем получают с осадками, на суше — положение обратное. Вода непрерывно циркулирует на земном шаре, при этом её общее количество остаётся неизменным.
Три четверти поверхности земного шара покрыты водой. Водную оболочку Земли называют гидросферой. Большую ее часть составляет соленая вода морей и океанов, а меньшую — пресная вода озер, рек, ледников, грунтовые водыи водяной пар.
. Без воды невозможно существование живых организмов. В любом организме вода является средой, в которой происходят химические реакции, без которых не могут жить живые организмы. Вода является самым ценным и самым необходимым веществом для жизнедеятельности живых организмов (http://ru.wikipedia.org/wiki).
Постоянный обмен влагой между гидросферой, атмосферой и земной поверхностью, состоящий из процессов испарения, передвижения водяного пара в атмосфере, его конденсации в атмосфере, выпадения осадков и стока, получил название круговорота воды в природе. Атмосферные осадки частично испаряются, частично образуют временные и постоянные водостоки и водоемы, частично — просачиваются в землю и образуют подземные воды.
Различают несколько видов круговоротов воды в природе:
В итоге осадки в процессе движения опять достигают Мирового океана .
Материковое звено глобального гидрологического цикла– совокупность различных по размеру и интенсивности местных взаимосвязанных циклов влагооборота, сопровождающегося массо- и энергообменом между гидросферой, атмосферой, биосферой и литосферой в пределах материка. Материковые звенья совместно с океаническим звеном образуют единый глобальный гидрологический цикл , охватывающий всю географическую оболочку земли. Каждое из звеньев гидрологического цикла состоит из внешнего влаго- и солеобмена территории с соседними и внутреннего влагообмена в ее пределах. Особенности внешнего и внутреннего влагооборота любого материка проявляются в структуре водного баланса их территории, в пространственно-временной изменчивости его элементов и в конечном счете в особенностях гидрологического режима водных объектов, включая режим компонентов состава их вод. Главным источником водных ресурсов суши служит адвективная влага, поступающая с воздушными массами с океана на каждый из континентов. Адвекция влаги, то есть потенциальная влагообеспеченность материков, различается почти в 4 раза: в соответствии с влагонасыщенностью океанического воздуха она наиболее велика для материков, расположенных преимущественно в низких широтах — Австралии, Южной Америки и Африки. В пределах широтных макрозон (внутритропическая, умеренных широт) с увеличением линейных размеров территории адвекция влаги заметно снижается, причем тем больше, чем более влагонасыщены сформировавшиеся над океаном воздушные массы. Однако не вся влага (по-видимому, и соли), поступившая на континент с океана, выпадает в виде осадков — от 17 до 76% ее объема проходит над материками транзитом и уносится в океан в виде так называемого атмосферного стока (Михайлов В.Н.,Добровольский А.А.,2007).
В свою очередь, водные организмы воздействуют на среду обитания. В результате фотосинтетической деятельности растений она получает добавочное количество энергии. Жизнедеятельность органического мира оказывает влияние на химический и газовый состав вод.
ГЛАВА 4. РОЛЬ ВОДЫ ДЛЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ
Вода является необходимым условием существования всех живых организмов на Земле. Значение воды в процессах жизнедеятельности определяется тем, что она является основной средой в клетке, где осуществляются процессы метаболизма, служит важнейшим исходным, промежуточным или конечным продуктом биохимических реакций . Особая роль воды для наземных организмов (особенно растений) заключается в необходимости постоянного пополнения ее из-за потерь при испарении. Поэтому вся эволюция наземных организмов шла в направлении приспособления к активному добыванию и экономному использованию влаги. Наконец, для многих видов растений, животных, грибов и микроорганизмов вода является непосредственной средой их обитания.
Увлажненность местообитания и, как следствие, водообеснечение наземных организмов зависят прежде всего от количества атмосферных осадков, их распределения по временам года, наличия водоемов, уровня грунтовых вод, запасов почвенной влаги и т. п. Влажность оказывает влияние на распространение растений и животных как в пределах ограниченной территории, так и в широком географическом масштабе, определяя их зональность (смена лесов степями, степей — полупустынями и пустынями).
При изучении экологической роли воды учитывается не только количество выпадающих осадков, но и соотношение их величины и испаряемости. Области, в которых испарение превышает годовую величину суммы осадков, называются аридными (сухими, засушливыми). В аридных областях растения испытывают недостаток влаги в течение большей части вегетационного периода. В гумидпых (влажных) областях растения обеспечены водой в достаточной мере.
Под действием энергии Солнца вода испаряется с поверхности водоёмов и воздушными течениями переносятся на большие расстояния. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород и делает составляющие их минералы доступными для растений, микроорганизмов и животных. Она размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с растворёнными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими и неорганическими частицами в моря и океаны. Циркуляция воды между океаном и сушей важнейшее звено в поддержании жизни на Земле
Растения участвуют в круговороте воды двояким способом: извлекают её из почвы и испаряют в атмосферу; часть воды в клетках растений расщепляется в процессе фотосинтеза. При этом водород фиксируется в виде органических соединении. Животные потребляют воду для поддержания осмотического и солевого равновесия в организме и выделяют её во внешнюю среду вместе с продуктами обмена веществ (http://rudocs.exdat.com).
4.1.Экологические группы растений по отношению к влаге и их адаптации к водному режиму.
Высшие наземные растения, ведущие прикрепленный образ жизни, в большей степени, чем животные, зависят от обеспеченности субстрата и воздуха влагой. По приуроченности к местообитаниям с разными условиями увлажнения и по выработке соответствующих приспособлений среди наземных растений различают три основные экологические группы: гигрофиты, мезофиты и ксерофиты. Условия водоснабжения существенно влияют на их внешний облик и внутреннюю структуру.
Гигрофиты — растения избыточно увлажненных местообитаний с высокой влажностью воздуха и почвы. Для них характерно отсутствие приспособлений, ограничивающих расход воды, и неспособность переносить даже незначительную ее потерю. Наиболее типичные гигрофиты — травянистые растения и эпифиты влажных тропических лесов и нижних ярусов сырых лесов в разных климатических зонах (чистотел большой, недотрога обыкновенная, кислица обыкновенная и др.), прибрежные виды (калужница болотная, плакун-трава, рогоз, камыш, тростник), растения сырых и влажных лугов, болот (белокрыльник болотный, сабельник болотный, вахта трехлистная, осоки), некоторые культурные растения.
Характерные структурные черты гигрофитов — тонкие листовые пластинки с небольшим числом широко открытых устьиц, рыхлое сложение тканей листа с крупными межклетниками, слабое развитие водопроводящей системы (ксилемы), тонкие слаборазветвлен-ные корни, часто без корневых волосков. К физиологическим адаптациям гигрофитов следует отнести низкое осмотическое давление клеточного сока, незначительную водоудерживающую способность и, как следсгвие, высокую интенсивность транснирации, которая мало отличается от физического испарения. Избыточная влага удаляется также путем гуттации — выделения воды через специальные выделительные клетки, расположенные по краю лисга. Избыточная влага затрудняет аэрацию, а следовательно, дыхание и всасывающую деятельность корней, поэтому удаление излишков влаги представляет собой борьбу растений за доступ воздуха.
Ксерофиты -— растения сухих местообитаний, способные переносить продолжительную засуху, оставаясь физиологически активными. Это растения пустынь, сухих степей, саванн, сухих субтропиков, песчаных дюн и сухих, сильно нагреваемых склонов.
Структурные и физиологические особенности ксерофитов нацелены на преодоление постоянного или временного недостатка влаги в почве или воздухе. Решение данной проблемы осуществляется тремя способами:
1) эффективным добыванием (всасыванием) воды
2) экономным ее расходованием
3) способностью переносить большие потери воды
Интенсивное добывание воды из почвы достигается ксерофитами благодаря хорошо развитой корневой системе. По общей массе корневые системы ксерофитов примерно в 10 раз, а иногда и в 300—400 раз превышают надземные части. Длина корней может достигать 10—15 м, а у саксаула черного — 30—40 м, что позволяет растениям использовать влагу глубоких почвенных горизонтов, а в отдельных случаях и грунтовых вод. Встречаются и поверхностные, хорошо развитые корневые системы, приспособленные к поглощению скудных атмосферных осадков, орошающих лишь верхние горизонты почвы.
Экономное расходование влаги ксерофитами обеспечивается тем, что листья у них мелкие, узкие, жесткие, с толстой кутикулой, с многослойным толстостенным эпидермисом, с большим количеством механических тканей, поэтому даже при большой потере воды листья не теряют упругости и тургора. Клетки листа мелкие, плотно упакованы, благодаря чему сильно сокращается внутренняя испаряющая поверхность. Кроме того, у ксерофитов повышенное осмотическое давление клеточного сока, благодаря чему они могут всасывать воду даже при больших водоотнимающих силах почвы.
К физиологическим адаптациям относится и высокая водо-удерживающая способность клеток и тканей, обусловленная большой вязкостью и эластичностью цитоплазмы, значительной долей связанной воды в общем водном запасе и т. д. Это позволяет ксерофитам переносить глубокое обезвоживание тканей (до 75% всего водного запаса) без потери жизнеспособности. Кроме того, одной из биохимических основ засухоустойчивости растений является сохранение активности ферментов при глубоком обезвоживании.
Ксерофиты с наиболее ярко выраженными ксероморфными чертами строения листьев, перечисленными выше, имеют своеобразный внешний облик, за что получили название склерофиты.
К группе ксерофитов относятся и суккуленты —- растения с сочными мясистыми листьями или стеблями, содержащими сильно развитую водоносную ткань. Различают листовые суккуленты (агавы, алоэ, молодило, очитки) и стеблевые, у которых листья редуцированы, а надземные части представлены мясистыми стеблями (кактусы, некоторые молочаи, стапелии и др.). Фотосинтез у стеблевых суккулентов осуществляется периферическим слоем паренхимы стебля, содержащим хлорофилл. Длительные засушливые периоды преодолеваются ими путем накопления воды в водоносных тканях, связывания ее коллоидами клеток, экономного расходования, которое обеспечивается защитой эпидермиса растений восковым налетом, погруженными в ткань листа или стебля немногочисленными днем закрытыми устьицами. В результате транспирация у суккулентов чрезвычайно мала: в пустынях кактусы из рода Camegia транспирируют в сутки всего лишь I —3 мг воды на 1 г сырой массы.
Корневая система поверхностная, мало развитая, рассчитана на поглощение воды из верхних слоев почвы, увлажненных редко выпадающими дождями. В засуху корни могут отмирать, но после дождей быстро (за 2—4 дня) отрастают новые.
Суккуленты приурочены главным образом к засушливым зонам Центральной Америки, Южной Африки, Средиземноморья.
Мезофиты занимают промежуточное положение между гигрофитами и ксерофитами. Они распространены в умеренно влажных зонах с умеренно теплым режимом и достаточно хорошей обеспеченностью минеральным питанием. К мезофитам относятся растения лугов, травянистого покрова лесов, лиственные деревья и кустарники из областей умеренно влажного климата, а также большинство культурных растений и сорняки. Для мезофитов характерна высокая экологическая пластичность, позволяющая им адаптироваться к меняющимся условиям внешней среды.
Специфичные пути регуляции водообмена позволили растениям занять самые различные по экологическим условиям участки суши. Многообразие способов приспособления лежит, таким образом, в основе распространения растений на Земле, где дефицит влаги является одной из главных проблем экологической адаптации.
4.2.Адаптации животных к водному режиму
Способы регуляции водного баланса у животных разнообразнее, чем у растений. Их можно разделить на поведенческие, морфологические и физиологические.
К числу поведенческих приспособлений относятся поиски водоемов, выбор мест обитания, рытье нор и т. д. В норах влажность воздуха приближается к 100%, что снижает испарение через покровы, экономит влагу в организме.
К морфологическим способам поддержания нормального водного баланса относятся образования, способствующие задержанию воды в теле; это раковины наземных моллюсков, отсутствие кожных желез и ороговение покровов пресмыкающихся, хитинизированная кутикула насекомых и др.
Физиологические приспособления регуляции водного обмена можно разделить на три группы: 1) способность ряда видов к образованию метаболической воды и довольствованию влагой, поступающей с пищей (многие насекомые, мелкие пустынные грызуны);
2) способность к экономии влаги в пищеварительном тракте за счет всасывания воды стенками кишечника, а также образования высококонцентрированной мочи (овцы, тушканчики);
3) развитие выносливости к обезвоживанию организма благодаря особенностям кровеносной системы, эффективной терморегуляции потоотделением и отдачей воды со слизистых оболочек ротовой полости (верблюды, овцы, собаки).
Вместе с тем даже пойкилотермные животные не могут избежать потерь воды, связанных с испарением, поэтому основной путь сохранения водного баланса при жизни в пустыне — это избегание излишних тепловых нагрузок(http://sbio.info).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Вода покрывает 74% поверхности Земли и образует океаны, моря, реки и озёра. Немалая часть воды находится в газообразном состоянии (в виде паров в атмосфере), в виде снега и льда, в недрах земли. Общие запасы воды на Земле составляют 1454,3 млн км? ( из них менее 2% относятся к пресным водам, а доступны для использования 0,3%). Вода - одно из наиболее распространённых веществ на Земле, при этом она покрывает большую часть планеты(Горбачёв В.В.,2008).В первичной водной оболочке земного шара воды было гораздо меньше, чем теперь (не более 10% от общего количества воды в водоемах и реках в настоящее время). Дополнительное количество воды появилось впоследствии в результате освобождения воды, входящей в состав земных недр. По расчетам специалистов, в составе мантии Земли воды содержится в 10-12 раз больше, чем в Мировом океане. При средней глубине в 4 км Мировой океан покрывает около 71% поверхности планеты и содержит 97,6% известных нам мировых запасов свободной воды. Реки и озера содержат 0,3% мировых запасов свободной воды.
Большими хранилищами влаги являются и ледники, в них сосредоточено до 2,1% мировых запасов воды. Если бы все ледники растаяли, то уровень воды на Земле поднялся бы на 64 м и около 1/8 поверхности суши было бы затоплено водой.
Около 86% водяного пара поступает в атмосферу за счет испарения с поверхности морей и океанов и только 14% за счет испарения с поверхности суши. В итоге в атмосфере концентрируется 0,0005% общего запаса свободной воды. Количество водяного пара в составе приземного воздуха изменчиво. При особо благоприятных условиях испарения с подстилающей поверхности оно может достигать 2%. Несмотря на это, кинетическая энергия движения воды в морях составляет не более 2% от кинетической энергии воздушных течений. Происходит это потому, что более трети солнечного тепла, поглощаемого Землей, тратится на испарение и переходит в атмосферу. Кроме того, значительное количество энергии поступает в атмосферу за счет поглощения проходящего через нее солнечного излучения и отражения этого излучения от земной поверхности. Прошедшая же через водную поверхность лучистая энергия Солнца и небесного свода уменьшается в интенсивности наполовину уже в верхнем полуметре воды вследствие сильного поглощения в инфракрасной части спектра(Арабаджи В.И.,1973) .
Природная вода не бывает совершенно чистой, она содержит различные примеси: в пресных водах это обычно от 0,01 да 0,1% (масс.), в морской воде - 3,5%(масс.). Причём в последней главную массу растворённых веществ составляет хлорид натрия (поваренная соль). Горбачёв В.В. Концепции современного естествознания (учебник для вузов) Москва.«Оникс» 2008 г.
Вода, содержащая большое количество солей кальция и магния, называется жёсткой, в отличие от мягкой воды, например, дождевой.
Роль и значение воды для возникновения и существования жизни огромна, поскольку именно из неё в основном состоят почти все живые существа, да и сама жизнь по общепринятой модели А.И. Опарина зародилась в океане.
Растворенные в морской воде аммиак и углеводы в контакте с некоторыми минералами при достаточно высоком давлении и воздействии мощных электрических разрядов могли обеспечить образование белковых веществ, на основе которых в дальнейшем возникли простейшие организмы. По мнению К.Э. Циолковского, водная среда способствовала предохранению хрупких и несовершенных вначале организмов от механического повреждения. Суша и атмосфера стали впоследствии второй ареной жизни. Неизмеримо велика роль воды в природе и жизни человека. Можно сказать, что все живое состоит из воды и органических веществ. Она - активнейший участник формирования физической и химической среды, климата и погоды. При этом она влияет и на экономику, промышленность, сельское хозяйство, транспорт и энергетику.
Без пищи мы можем прожить несколько недель, а без воды - лишь 2-3 дня. Для обеспечения нормального существования человек должен вводить в организм воды примерно в 2 раза больше по весу, чем питательных веществ. Потеря организмом человека более 10% воды может привести к смерти. В среднем в организме растений и животных содержится более 50% воды, в теле медузы ее до 96%, в водорослях 95-99%, в спорах и семенах от 7 до 15%. В почве находится не менее 20% воды, в организме же человека вода составляет около 65%. Разные части человеческого организма содержат неодинаковое количество воды: стекловидное тело глаза состоит из воды на 99%, в крови ее содержится 83, в жировой ткани 29, в скелете 22 и даже в зубной эмали 0,2%. В течение всей своей жизни человек теряет воду из организма, и его биоэнергетический потенциал уменьшается. В шестинедельном человеческом эмбрионе содержание воды составляет до 97%, у новорождённого - 80%, у взрослого - 60-70%, а в организме пожилого человека - лишь 50-60%.
Вода абсолютна необходима для всех ключевых систем жизнеобеспечения человека. Вода и содержащиеся в ней вещества становятся средой питания и поставляют живым организмам необходимые для жизни микроэлементы. Она содержится в крови (79%) и способствует переносом по кровеносной системе в растворённом состоянии тысяч необходимых веществ и элементов (геохимический состав воды близок к составу крови животных и человека.).
В лимфе, которая осуществляет обмен веществ между кровью и тканями живого организма вода составляет 98%.
Вода сильнее других жидкостей проявляет свойства универсального растворителя. Через определённое время она может растворить почти любое твёрдое вещество.
ВЫВОДЫ
1. Вода является одним из наиболее распространенных веществ на Земле. Она играет большую роль в развитии не только живой, но и неживой природы. Сама по себе вода не имеет питательной ценности, хотя и является обязательной составной частью всего живого. Так, в растениях содержится до 90% воды от общей массы. Только вода встречается в земных условиях во всех трех состояниях: твердом, жидком и газообразном.
2. Вода является необходимым условием существования всех живых организмов на Земле. Значение воды в процессах жизнедеятельности определяется тем, что она является основной средой в клетке, где осуществляются процессы метаболизма, служит важнейшим исходным, промежуточным или конечным продуктом биохимических реакций . Особая роль воды для наземных организмов (особенно растений) заключается в необходимости постоянного пополнения ее из-за потерь при испарении. Поэтому вся эволюция наземных организмов шла в направлении приспособления к активному добыванию и экономному использованию влаги. Наконец, для многих видов растений, животных, грибов и микроорганизмов вода является непосредственной средой их обитания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.