Raft Master » Научная библиотека » Биоэкология » Водообмен в косных и живых объектах биогидросферы


  • 4-01-2013, 13:18
  • | Views: 1082


Водообмен в косных и живых объектах биогидросферы

Водообмен в косных и живых объектах биогидросферы

  • Водные объекты в метрике биогидросферы

Глядя на карту мира, воочию видим, что вода - самая обширная часть общей поверхности Земли, около Ул. По общему геометрическому объему континенты Земли (в той их части, которая лежит выше уровня воды) и океаны по порядку величин примерно равны. В составе живых организмов вода по массе и объему преобладает, составляя в среднем тоже около ЪА (от 95 в некоторых морских водорослях до 7 % в сухих, но жизнеспособных семенах растений).

Во всех открытых водных системах, будь то озёра реки (путешествуя по рекам не забываем про снаряжение для рафтинга) и моря, одуванчики и куры стационарное (в динамическом равновесии) содержание воды удерживается в сравнительно узком диапазоне, а её обновление происходит постоянно. Приход и расход в совокупности составляют водообмен. Обозначим стационарный объём воды в объекте символом V, а скорость притока воды AV/t. где t - время. Рассчитаем также интенсивность водообмена: ц = AV/V t. Обратная величина, 1/ц - это время полного оборота воды в объекте, а курица это, или озеро, принципиального значения не имеет.

Понятно, что чем больше объект, тем больше он потребляет воды. Нам важно выяснить каков оборот воды по отношению к её стационарному объёму, т.е. одинаково ли изменяется ц в размерных рядах косных и живых объектов, например, озёр и кур, морей и одуванчиков каким либо закономерным образом? Или же моря и одуванчики (куры и озёра) настолько каждый по-своему специфичны, уникальны, что общих законов водообмена у них "принципиально" не может быть?

Вопрос может показаться пустым и надуманным. Однако, он вполне серьезен и без научного исследования не обойтись. Впрочем, все это давно изучено и нам остается только узнать результат. Один ответ был найден в географии, при изучении размерных рядов водоёмов. Биологи изучали водообмен в размерных рядах организмов. Те и другие работали раздельно - биологи не заглядывали в книги географов, а географы в книги биологов, полагая, что это науки о разном, и сравнивать водоёмы и организмы незачем. Полученные теми и другими результаты будем сравнивать, начав с водоёмов разного размера.

На рис. 9.6 показано соотношение ц и V в небольшой выборке водоемов, куда входят представители группы океанов, морей, озёр и несколько рукотворных объектов - водохранилищ. Как следует из графика, имеются признаки как закономерных соотношений (особенно между океанами и морями), так и различия (особенно в группе озёр, где большая дисперсия указывает на преобладание различий при весьма сомнительном тренде). Ниже, будут показаны более надежные результаты, полученные в широком размерном диапазоне озёр.

Гораздо более определенным образом соотношение ц и V складывается в размерных рядах сочных плодов растений (9.7 я). На графике показан водообмен в разных плодах и корнеплодах. Это молодые завязи грецких орехов, ягоды винограда, зрелые помидоры и крупные, тоже вызревшие клубни картофеля. Растения, на которых они выросли, различающихся по общей разветвлённости и по рассечённости листьев, а плоды и корнеплоды, напротив, имеют округлые формы, но разный индивидуальный объем. На графике замечаем явные закономерные тренды ц по V, которые могут быть описаны уравнением: H = aV где а и А коэффициенты, характеризующие положение линии регрессии в поле двух переменных. Из графика следует, что интенсивность водообмена у молодых завязей грецкого ореха в несколько раз выше, чем в зрелых ягодах винограда, в помидорах и клубнях картофеля. На рис. 9.7 б видим аналогичное соотношение в цветоносных стеблях садового ириса на разных стадиях их формирования. Как следует из графика, по мере старения стеблей ириса интенсивность водообмена в них существенно снижается, что вполне естественно. Нам важно отметить, что на обоих графиках закономерные тренды явно преобладают над дисперсией.

Сравним теперь интенсивность водообмена в размерных рядах разных таксономических (моллюски, рыбы, птицы) и экологических (водные и наземные) групп животных (рис. 9.8). Прежде всего, находим, что тренды согласно уравнению (1) соблюдаются во всех группах и не "забиваются" дисперсией, хотя она значительна. Различны у разных групп животных и углы наклона регрессий к абсциссе (значения коэффициента Ь в уравнении водообмена). Заметим, что в диапазоне одинаковых значений объёма живого тела интенсивность водообмена у мидий и рыб на 1 - 2 порядка величин выше, чем у кур, собак и лошадей.

Заметим, что на рис. 9.8 приведены данные о водообмене не только в живых телах, но и в культиваторах для водных животных (в проточных бассейнах для рыб и водных беспозвоночных). Они следуют той же закономерности.

Наконец, войдём внутрь живых тел и проследим за водопроводящими органами растений и животных. Сосуды - это трубки разного диаметра и длины. Каждый тип сосудов имеет свой характерный объем, V, и известна скорость, AVt , протока жидкостей (крови у животных и воды у растений). На рис. 9.9 показано соотношение ц и V для крови в сосудах головного мозга собаки, и в более крупных сосудах внутренних органов тела. Соотношение (1) выполняется и здесь. Для сравнения на том же рисунке показаны значения интенсивности водообмена, при прохождении воды через фильтрующие органы планктонных рачков, удерживающие взвешенные в воде пищевые частицы (напомним, что рачки питаются одноклеточными водорослями, которые они отфильтровывают из воды; это не та вода, которая поступает в ткани тела; понятно, что её необходимо во много раз больше, чем поступает непосредственно в живые ткани).

Водообмен важен ещё и потому, что с ним связан общий метаболизм и минеральный обмен как в организмах, так и в водоёмах. Вместе с водой и кровью в организме циркулируют необходимые для жизни растворенные минеральные соли, растворенные органические вещества и газы, в том числе поступает кислород и удаляется накопившаяся в тканях животных токсичная углекислота и другие молекулярные продукты жизнедеятельности. Поэтому соотношение (1) касается обмена многих веществ. Тоже и в водоёмах.

Ещё одно важное смысловое значение уравнения (1) состоит в том, что для всех объектов, показанных на рис. 9.7 - 9.9, линии регрессий отражают скоррелиро-ванную с объёмом водного пула скользящую норму интенсивности водообмена, а дисперсия - это отклонения от групповой нормы у отдельных объектов данного множества. Понятно, что если выборка мала, относится к небольшой локальной группе совместно обитающих организмов, то численные значения коэффициентов в уравнении (1) показывают "норму", относящуюся только к условиям жизни данной локальной группы. В других условиях жизни коэффициенты а и А будут иметь иные значения (на рис. 9.7 б показано, что по мере старения стеблей садового ириса интенсивность водообмена в них существенно снижается; это отражается в уменьшении коэффициента а). И напротив, если выборка по тому или иному виду растений или животных охватывает разные - трофические, климатические и прочие условия обитания, то значения коэффициентов уравнения будут отражать "универсальную норму" по соотношению ц и V для данного вида.

Вода абсолютно необходима для жизни любого организма. От соблюдения баланса прихода и расхода воды зависит жизнедеятельность. Снижение или повышение (в сравнении с нормой) интенсивности водообмена у человека - признак заболевания. Но удивительное дело, в школьных учебниках по биологии о воде в составе живых тел сообщается только то, что она в них есть и её недостаток опасен для жизни. Но различается ли интенсивность водообмена у растений и животных, живущих рядом друг с другом на суше? А у живущих в воде и на суше различается? Есть ли смысл сравнивать интенсивность водообмена в теле человека и, например, в Атлантическом океане? Не только ответов, но даже таких вопросов в учебниках по общей биологии (или физической географии, если речь о водоёмах в биогидросфере) не найти.

Проследив, как соотношение ц и V соблюдается в разных типах природных и рукотворных (аквариальные системы) объектах, уместно сопоставить их в общей метрике. На рис. 9.10 такое обобщение выполнено. На абсциссе графика показан индивидуальный геометрический объем (V км3) водоемов, организмов и водных биокультиваторов (это те же объекты, что на рис. 9.7 - 9.9). На ординате графика - интенсивность водообмена, ц (здесь эта величина показывает сколько раз в год вода обменивается в каждом данном объекте).

По полноте охвата природных объектов метрика на рис. 9.10 охватывает все основные биокосные объекты биогидросеры. По значениям V диапазон биогидросферы лежит в пределах от 10~22 до 108 км3, что составляет примерно 30 порядков. В график на рис. 9.10 включены все объекты, показанные на рис. 9.6 - 9.9. Как видим, все они выстраиваются в мега-структуру, состоящую из отдельных кластеров. Тренды, отвечающие уравнению (1), соответствуют группам разных объектов. Дисперсия во всех случаях кроме одного (небольшая группа озёр) меньше, чем длина самих трендов. Выборка охватывает объекты нескольких уровней организации природы. На организменном уровне это ткани, органы и целые тела животных. Надтелесные (экологические) уровни организации представлены небольшими культиваторами для гидробионтов и природными водоемами вплоть до морей и океанов.

Рис. 9.11. Связь удельной поверхности (S/V) и интенсивности водообмена (H20|_iv) на разных уровнях организации биогидросферы (объекты и обозначения те же, что и на предыдущем рисунке). Сплошная линия проведена по данным о водообмене в океанах, морях, озерах, и экстраполирована в зону S/V организмов, их органов и тканей. Верхняя штриховая линия обобщает водообмен крови в органах человека и кровеносных сосудах, нижняя штриховая линия обобщает водообмен в телах животных и растений.

Соотношение и взаимное положение регрессий указывают на то, что биогидросфера эволюционировала как единое целое, с водообменом по общей закономерности для всех частей от океанов до кровеносных сосудов в телах животных, не только обитающих в воде (соотношение ци Уна рис. 9.9 было показано на примере сосудов головного мозга собаки).

Всем изучавшим биологию в средней школе известно, что повышение организации живых тел в их эволюции объясняется действием естественного отбора, адаптаций к среде обитания. Ко всей совокупности телесных и надтелесных объектов биогидросферы такая интерпретация неприменима. В этих лекциях уже не раз отмечалось, что в надтелесных объектах типа экосистем, биокультиваторов законы наследственности и её изменчивости не могут играть сколько-нибудь значимой роли.

Конкуренция между такими объектами отсутствует, естественного отбора среди них наука не знает. Искусственный отбор возможен, но до появления человека, т.е. в период формирования физического облика Земли и её поверхности искусственного отбора не было, а геологическая эволюция шла.

Как глобальная картина водообмена, так и частные тренды показывают, что при всём многообразии форм, внешних контуров, при всем разнообразии внешних переменных, главную роль в формировании структурно-функциональной организации биогидросферы (в данном случае по водообмену в разных её подразделениях) играют общие физические и геометрические законы. В системе же образования основное внимание направляется на изменчивость частных внешних и внутренних переменных, которые на фоне трендов выступают как факторы вторичные, корректирующие основные законы применительно к локальным условиям.




  • Вернуться



  • Еще по теме


    Обитаемая область Земли в начале XXI века


    Величины удельной поверхности планктона


    Географическое распространение нектона и его распределение в водоемах


    Турбулентные участки обтекания


    Прочие приспособления нектеров

     

    Последние новости



    Пользовательский поиск

    Партнеры