Raft Master » Научная библиотека » Биоэкология » Молекулярный перенос между телом и обтекающим его потоком воды или воздуха


  • 5-01-2013, 05:17
  • | Views: 730


Молекулярный перенос между телом и обтекающим его потоком воды или воздуха

Молекулярный перенос между телом и обтекающим его потоком воды или воздуха

В потоках воды и воздуха изменяется внешний вид растений и животных. "Включение" этого важного фактора добавляет исследователю целый ряд переменных, прежде физических, например, вязкость среды. Вязкость воды и воздуха различается на несколько порядков, причём в обоих случаях она зависит от температуры. Все твердые тела - сами организмы, дно водоёмов, обтекаются потоками и оказывают движению воды определённое сопротивление. Непосредственно вблизи дна, разных стенок, вдоль поверхности неподвижных организмов скорость потока понижена и увеличивается по мере отдаления от стенок, поверхностей. При обтекании физических и биологических тел водой образуются завихрения, турбулентные вихри разного масштаба, от незримых, до легко наблюдаемых при добавлении в воду ярких красителей.

Смысл понятия "линейная плотность потока" можно пояснить следующим сравнением. Представим себе поток пассажиров и грузов в железнодорожных составах, идущих из Киева в Севастополь и обратно. На железнодорожной линии составы могут располагаться с разной "линейной плотностью". Она может быть 0,5 состава на 100 км, 1 состав, 5 составов и т. п. Понятно, что чем больше линейная плотность потока людей или грузов на железной дороге в Украине (как и молекул на пищевом пути в морской экосистеме), тем мощнее поток вещества и тем большая работа производится потоком, а это требует затрат энергии. Таков же и смысл величины в экологическом контексте.

Изучать всё это в рамках экологии нет большой необходимости. Часть важных для эколога вопросов можно обсудить на примере физико-химических моделей и специально "под них" задуманных биологических наблюдений, сопровождаемых не очень сложными измерениями. Откажемся на время от разнообразия форм реальных косных и живых тел. Возьмём тело идеальной формы и простого химического состава, состоящее из медленно растворимого в воде вещества. Пусть это будет гладкий гипсовый (состоящий из CaS04*2H20) шарик. Будем изучать как "ведет себя" такой шарик, неподвижно закрепленный в потоке воды. Рассматривать "поведение" шарика можно с физической и химической точек зрения. Как физики, мы увидели бы такую картину (рис. 7.16 из книги: Vogel, 1981, с. 74).

Понятно, что энергия, необходимая для отрыва молекул гипса (как и любого вещества) с поверхности косного тела, находящегося в потоке воды или воздуха, поступает из движущегося потока. Производимая потоком воды химическая работа обеспечивает сольватацию и отрыв молекул от поверхности обтекаемого тела. Иное дело, когда поток воды обтекает тела живых, но закрепившихся на одном месте организмов, например, крупных моллюсков на подводных валунах, или мелких моллюсков, обитающих на постоянно омываемых водой слоевищах донных макрофитов.

Выделение веществ с поверхности живых тел может быть как пассивным, физико-химическим (растворение избыточных слизистых веществ или отмерших участков тканей), так и активным (выделение автотокисических метаболитов, например, выдыхаемой С02 или балластных органических веществ). Для переноса веществ через живые мембраны, при поглощении растворенных веществ из воды и при их активном транспорте в среду, организмы затрачивают собственную энергию. Но соблюдается ли в случае живых тел соотношение (2)? Или жизнь настолько специфична, что этот физический закон перекрывается биологическими различиями формы особей?

Обратимся к живым телам. Идеально круглых среди них нет. Изучать обмен веществ между организмом и обтекающей его водой можно на особях с разной внешней конфигурацией. Если закон (2) выполняется, то отклонение формы от идеальной сферической приведет к тому, на фоне закономерного тренда появится дисперсия, как в случае с гипсовыми шариками. Вопрос лишь в том, не окажется ли дисперсия настолько значительной, что нивелирует тренд, обесценит закон?

Транспирация, а говоря шире, водообмен, - один из важнейших жизненных процессов у растений. На рисунке показано, что интенсивность водообмена (uw) , как и интенсивность фотосинтеза, закономерно снижается по мере увеличения объема (V) тела, органа, ткани. Заметим, что у растений разных таксономических групп (молодые стебли грецкого ореха и взрослая древесина айланта) |_iw и V соотносятся между собой одинаковым образом (точки расположены вдоль одной линии). Примечательно также, что интенсивность водообмена у мелких водных растений значительно выше, чем у наземных.

Возьмем представителей наземной растительности и слоевища морских многоклеточных водорослей, обитающих на литорали. Всем растениям свойственна транспирация с выделением воды через внешние такни. Во время отливов морские водоросли на несколько часов оказываются на воздухе и естественным образом теряют воду. Форма органов растений очень разнообразна. Поместим отдельные фрагменты растений в слабый поток воздуха и проследим, как они теряют тканевую воду ( понятно, что в предполагаемом стационарном состоянии скорость обмена веществ можно изучать как по входу, так и по выходу). Формализм, который был использован для описания связи между обтеканием и растворением косных тел, применим и к организмам. Поэтому все расчеты для системы "тело - движу щихся воздух" примерно те же, что для системы "тело - движущаяся вода".

На рис. 7.18 показано соотношение между цпо тканевой воде и массой тканевых высечек разной формы, взятых у разных растений (понятно, что все это в размерных рядах объектов). В выборку вошли мелкие, конической формы веточки цистозиры, высечки из молодых ткани грецкого ореха (форма округлая) и цилиндрические высечки из одревесневших побегов айланта. Прежде всего, находим, что ткани растений, находящиеся в потоке воздуха, теряют тканевую воду по тому же закону, уравнение (2), по которому гипсовые шарики теряют свое вещество. Однако при этом выявляются различия, определяемые спецификой объектов - разные углы наклона регрессий, т.е. значения коэффициента Ь в уравнении (2).

Биологи давно знают, что закон (2) соблюдается как у растений, так у животных, у одноклеточных и многоклеточных организмов, в водной, и воздушной средах. Он действует по отношению к целым организмам со всем их частями тела, а также в рядах отдельных гомологичных органов, тканях и даже на клеточном уровне. Закон универсален, но везде наблюдаются частные отклонения от него.

Из всего этого следует, что химическое взаимодействие между движущейся водой и телами, живыми и косными безразлично, подчиняется физическому закону и так называемая "специфика" организмов в этом процессе не участвует. Иное дело, когда речь идет не о химическом растворении веществ с поверхности, а о биологической экскреции метаболитов. В этом случае ведущая роль в выделении вещества зависит от физиологического состояния организмов и от его внешней формы.

  • Сформулируем итог в методологической плоскости

То, что последовательно происходит в науке, затем в таком же порядке переходит в учебники. В обоих случаях сначала появляются аксиоматические утверждения. Они принимают форму простейших уравнений и абстрактных моделей, предельно упрощающих сложное явление. Модель последовательно усложняется путем введения в нее переменных, которые существуют в реальности. Поскольку потоки веществ движу тся в пространстве, длина пути веществ является необходимой характеристикой движения, будь это живое тело, или локальное помещение в котором оно находится (нора лисицы, скворечник, людская жилая комната, небольшой пруд, озеро или океан).




  • Вернуться



  • Еще по теме


    Экологический метаболизм


    Граничные поверхности, их соотношения и молекулярные транспортные расстояни ...


    Кусочно-линейная модель молекулярного пути в ограниченном экологическом про ...


    Косные и живые тела в потоках воды и воздуха


    Динамические характеристики молекулярного переноса веществ

     

    Последние новости



    Пользовательский поиск

    Партнеры