Raft Master » Научная библиотека » Биоэкология » Граничные поверхности, их соотношения и молекулярные транспортные расстояния в обитаемых пространствах


  • 5-01-2013, 05:36
  • | Views: 826


Граничные поверхности, их соотношения и молекулярные транспортные расстояния в обитаемых пространствах

Граничные поверхности, их соотношения и молекулярные транспортные расстояния в обитаемых пространствах

Водоёмы - океаны, моря, бесчисленные озёра, пруды являются не только объектами пристального внимания разных наук, но постоянно, с разными целями используются людьми, например сплав по реке, это и туризм и экономика. В учебниках по географии и в географических справочниках о водоемах обычно сообщаются три их главные численные характеристики - объем воды, площадь поверхности зеркала и средняя глубина, определяемая путем промеров глубин из разных точек зеркала. Объем чаши водоема вычисляется как произведение площади поверхности (S) на зеркала на среднюю глубину (L,). Между тем в обмене веществ любого водоёма участвуют и другие граничные поверхности. Это площадь поверхности дна (величина трудно вычислима и почти всегда неизвестна) и суммарная площадь внешней биологической поверхности каких-либо групп водных организмов (иногда вычисляется) или всей биоты (в экологических расчетах используется редко).

Понятно, что для вычисления общей площади живой поверхности какой-либо группы организмов необходимо знать среднюю площадь поверхности типичной по массе тела особи данного вида и численность его популяции в водоеме. По отношению к морскому и пресноводному фитопланктону такие расчёты выполняются и результаты публикуются. В наземных и водных экосистемах нередко вычисляется общая площадь биологической поверхности особей и локальных групп разных видов одноклеточных и многоклеточных водорослей, а также высших растений. Методики оценки площади поверхности имеются также по основным сельскохозяйственным и древесным растениям; учитывается либо общая поверхность листьев и стеблей, либо только листьев.

Граничные поверхности условно можно подразделить на биологические (поверхность листа, корня, стебля, целого водного или наземного растения, популяции растений и фитоценоза и т. д.) и поверхности косных тел (зеркало водоема, дно, в наземных экосистемах чаше всего почва, площадь водосборной территории, площадь леса, агропосева и т.д.).

Между косными граничными поверхностями происходит обмен веществ через атмосферу или водную толщу (кислород воздуха через воду достигает дна, а выделяемые со дна химические вещества доходят до поверхности водоёма и до разных биологических поверхностей в толще воды). Поэтому для интерпретации обмена веществ в наземных и водных экосистемах нередко используются безразмерные соотношения разных площадей поверхности. В водной экологии используется "коэффициент Kss". В общем виде: Kss= S,/S,. где i и j - разные мерные поверхности. На рис. 6.4 а- г показано несколько вариантов таких соотношений; чаще всего i - это разные биологические поверхности (и соотношения Био-Био), j - разные экологические поверхности (и соотношения Био-Гео). Интерес представляет также соотношение двух разных косных поверхностей, например площади поверхности зеркала озера и площади водосборной территории впадающих в озеро рек (соотношения Гео-Гео). На рис. 7.12 а - б показано несколько разных вариантов, когда Kss вычисляются и используются при интерпретации обменных процессов в экосистемах.

Численные значения глубины (L) водоемов необходимы и часто применяются для практических целей. В науке средняя глубина, площадь поверхности зеркала и объём водной массы связывается соотношением: Li= Vl;o l/S..,e|;lK. В тех пока ещё редких случаях, когда площадь поверхности дна (S lllo) известна, может быть вычислена ещё одна научно важная характеристика водоема: L2= V,;,a/S;lllo. Смысл Ь2 тот же, что и для Li : среднее расстояние между всеми точками на поверхностях S lll(l и всеми точками в объёме V. Понятно, что в любом случае L2 > Lb а поэтому "глубиной" в общепринятом смысле Ь2 называть не следует. Каков же её смысл и как её следует правильно называть?

Рассмотрим сначала одну биологическую ситуацию. Внешняя поверхность листа или стебля растения вычисляются из простых геометрических соотношений; вполне вычислима и общая поверхность разветвленного тела растения*. По массе и удельному весу тканей вычисляется его геометрический объём. Какой биологический смысл по отношению к телу растения может иметь соотношение L3 =Vpacx /Spacx? Можно полагать, что это среднее расстояние между всеми точками на поверхности SpacT и всеми точками в объёме его живого тела VpacT. С формальной точки зрения, L3 - это средняя длина линейного (диффузия) пути молекул вещества, проходящих от внешней поверхности растения во все точки в объёме растения. Иными словами, L3 -это длина среднего минимально возможного метаболического пути в толщу, в объем растения (поступление пищевых веществ) или обратно (выделение наружу молекулярных продуктов жизнедеятельности). Параметр L3 можно, поэтому интерпретировать как "метаболическую глубину" живого тела, в данном случае - растения.

Нетрудно убедиться в том, что ситуация с водоёмами разной геометрической формы аналогична В большинстве случаев водоёмы относительно плоски, при глубине гораздо меньше длины и ширины (фигура крайняя слева). Встречаются и относительно глубоководные озёра и пруды (второй тип в ряду водоёмов на рис. 7.12 в). Редко, но встречаются водоемы в форме бутылки (третий тип). Известны также затопленные водой пещеры и расщелины с узким горлом и небольшим зеркалом. В водоёмах с узким горлом площадь зеркала (в широком смысле - воздушного входа) гораздо менее важна, чем общая площадь дна и внутренних стенок. Химические и некоторые физические свойства воды в подземных водоёмах во многом определяются составом пород на их внутренней поверхности. Да и в типичных поверхностных водоемах геохимический состав скальных донных пород, илов и разных органических отложений существенно влияет на химизм воды и на жизнь гидробионтов.

В общем случае, с учетом разных пользовательских целей в водоеме по мере надобности можно учитывать (хотя иногда путем не всегда простых вычислений) площади всех поверхностей, через которые обмен веществ осуществляется разным путём. Полная* граничная поверхности водоема такова:

Se = Sj + S2 +... Sn.

Где 1,2, ..., п - разные типы вешней поверхности водоема.

Водоёмный параметр типа L3= V,.,,.,/S,.г,,,,ня граничная можно рассматривать как метаболическую глубину водоёма, отличную от его традиционно вычисляемой глубины (Li = VBoa/S3epK). L3=VBoa/SnapH (здесь SnaPH - каждая парциальная площадь поверхности) может интерпретироваться как длина метаболического пути между всеми точками в объеме Veod и всеми точками на данной парциальной поверхности Snap.

Термин "метаболическая глубина" можно использовать по отношению к воздушной и водной средам. В водоёмах он наиболее подходит в двух случаях: а) когда изучается обмен веществ между водной массой и окружающими средами - воздухом и дном, и б) когда изучается обмен веществ между внешней поверхностью водоёма и живыми организмами в толще воды. Во втором случае наиболее активной оказывается внешняя биологическая поверхность всех организмов или отдельных экологических групп. В экологическом метаболизме разные биологические поверхности играют основную роль.

Значения L3 для индивидуального объёма живых тел разной формы (рис. 7.12 в, три позиции справа) могут быть вычислены как по отношению к его общей поверхности, так в соответствии с функциональными различиями поверхностных тканей. Например, у деревьев принято рассчитывать отдельно общую площадь поверхности листьев (Sj на рис. 7.12 в) и поверхности ствола и одревесневших ветвей (S2). Понятно, что интенсивность обмена веществ через эпидермис листа с устьицами и кору ствола не может быть одинаковой.

Для экологов, интересующихся жизнью растений, животных и микроорганизмов в окружающей среде, особенно изучающих их внешний обмен веществ, желателен и возможен дифференцированный учет разных биологических и экологических поверхностей. На рис. 7.12 г, схематически показан водоём с тремя видами донных водорослей. Черной точкой обозначен условный метаболический центр водоема, символизирующий все точки внутри водного тела с пищевыми молекулами в них. От метаболического центра к внешней поверхности растений направлены стрелки, символизирующие прямые и обратные молекулярные потоки (диффузионные, если нет стратификации и перемешивания), длина которых зависит от общей геометрической конфигурации системы "вода-организмы".

Зная площади живой поверхности разных групп растений и скорость роста их массы, можно рассчитывать суммарные потоки веществ, поступающих на активную поверхность каждой видовой группы растений. По скорости роста массы каждого вида, можно вычислить скорость потока углерода (dW/dt), необходимого для синтеза приросшей за время t живой массы. Разделив эту величину на площадь живой поверхности растений каждого вида, получим значения = dW/S dt) . Такие же расчеты можно провести и по результатам экспериментов с усвоением отдельных питательных веществ с радиоактивной изотопный меткой. Понятно, что при наличии соответствующих экспериментальных возможностей, таким же образом можно вычислить молекулярные потоки веществ к сообществу фитопланктона или бактерио-планктона водоёма. В свою очередь, это даёт возможность обоснованно оценивать наличие или отсутствие пищевой конкуренции между видами, совместно использующими общий трофический пул водоёма На рис. 7.12 д показана ситуация доминирования одних видов над другими, что может вызывать (или не вызывать) конкуренцию за пищевые ресурсы.




  • Вернуться



  • Еще по теме


    Обитание, как присвоение земной поверхности


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


    Соотношение питающей и питаемой поверхностей


    Молекулярные связи и отношения в наземных сообществах


    Динамические характеристики молекулярного переноса веществ

     

    Последние новости



    Пользовательский поиск

    Партнеры