Raft Master » Научная библиотека » Биоэкология » Адаптивное обитание одноклеточных водорослей на физических моделях подводного рельефа


  • 5-01-2013, 06:57
  • | Views: 865


Адаптивное обитание одноклеточных водорослей на физических моделях подводного рельефа

Адаптивное обитание одноклеточных водорослей на физических моделях подводного рельефа

Известно, что глобальное моделирование - один из самый наукоемких и сложных типов системного анализа земных процессов, особенно протекающих при участии жизни. Глобальная экология развивается во всем мире, во многом на основе сложного математического моделирования с учетом всего комплекса структур и процессов - физических, химических, биологических и социальных (включая все главные формы технической и технологической активности). Такая работа студентам мало доступна. Напротив, эксперименты на лабораторных физических моделях для входящих в науку учащихся, особенно для биологов и экологов, представляют одну из лучших форм исследовательского обучения - доступную, но требующую биофизического мышления.

Обитание живых существ на Земле существенно зависит от ее рельефа. Жизнь на плоской равнине, на пологом склоне холма, на крутом склоне высокой горы, как и на аналогичном рельефе в водоемах, заставляет обитателей адаптироваться к разному набору внешних переменных и к самым разным численным значениям одних и тех же переменных.

Конус, пластина и стержень - наиболее типичные геометрические формы, подходящие для имитации рельефа Земли и тел живых существ на ней, особенно растений. От геометрии рельефа местности, прежде всего от размера выпуклых и вогнутых объектов, зависит средний индивидуальный размер их обитателей. Действительно, на частицах песка или ила обитают только бактерии, на мелкой гальке - бактерии и другие одноклеточные, на небольшом холме - многие виды, но нет крупных хищников и гигантских секвой, а в придорожной канаве самым крупным животным может оказаться головастик. В океане же обитают все - от бактерий до десятиметровых водорослей и многотонных китов. От наклона поверхности обитания ("угла атаки" светового, воздушного или водного потоков) зависит освещенность местообитания, приповерхностная скорость воздушных и водных струй, турбулентность, а соответственно скорость притока и оттока химических веществ, как питательных, так и токсичных.

Перейдем к наиболее ярким результатам исследований, продолжавшихся двумя студентами три год подряд. На рис. 6.10 показано соотношение между биомассой водорослей на конусе, W и геометрическими характеристиками конусов - S' и S7S0'. Здесь S'- площадь заселяемой водорослями поверхности каждого конуса, SD -площадь "дна, т.е. площадь поверхности, которую каждый конус занимает на модели Земли. Соотношение S7S0 как бы аккумулирует в себе сразу несколько геометрических характеристик, соответствующих понятиями "уплощенные", "распластанные" конусы (серия 1Д на рис. 6.10) и "вытянутые", "вздымающиеся" конусы (серия 2Д). Из рис. 6.10 а следует, что геометрия конусов каждой серии имеет свой характерный нелинейный вид - "паттерн". При этом общая биомасса водорослей на поверхности конуса в серии 1Д примерно на порядок величин выше, чем у 2Д (действительно, на рис. 6.8 (внизу) пленка на пологих конусах незаметна глазу). Иначе выглядит соотношение между площадью боковой поверхности конуса , S' , и общей биомассой на нем (рис. 6.10 б). В обеих сериях соотношение W(S') имеет линейный вид, следуя уравнению:

Обратимся к следующей важной характеристике обитания - "густоте", "плотности" жизни (W/S0 и W/S ) на разных поверхностях (S0 и S ). По соотношению W/S0 и S0 (рис. 6.10 в) тренды конусов обеих серий имеют линейный вид (при одинаковых значениях углового коэффициента А, но разном значении коэффициента я). По соотношению W/S'h Sd (рис. 6.10 г) обе серии располагаются вдоль одной общей регрессии. Соответствующие уравнения:

W = a (S')b

Понятно, что в (1), (2) и (3) и в последующих численные значения коэффициентов а и А соответственно различны.

Взаимно линейное (рис. 6.10 г) расположение численных данных, при равенстве коэффициентов а и Ь , служит весьма существенным признаком: по параметрам обрастания ( W/S'h W/Sd ) и SD условия обитание водорослей на конусах серий 1Д и 2Д оказываются взаимно подобными. Если перенести этот вывод на модель рельефа Земли (что можно сделать лишь очень осторожном приближении), то окажется, что на всех конусах (т.е. конусообразных формах рельефа дна) водоросли оказались в конце опыта одинаково приспособленными (адаптированными), следуя уравнениям (2) и (3).

Закономерные соотношения между параметрами роста водорослей на конусах и геометрией конусов подтверждаются расчетными значениями интенсивности, ц,,. (рис. 6.11 а) и скорости, Р = (.ц. * W (рис. 6.11 6) роста водорослевых пленок на конусах серий 1Д и 2Д. На рис. 6.11 б показано аналогичное соотношение для Р и S'/S0.'

Главное условие роста - поступление из внешней среды, у водорослей из воды, питательных веществ. Известно, что при повышении скорости обтекания клеток, или многоклеточных растений водой приток питательных веществ внутрь тела усиливается, а при чрезмерной скорости они ослабляется. Иными словами, это соотношение описывается одновершинной кривой с некоторым оптимумом поступления веществ. Поэтому в опытах с биообрастанием конусов важно было выяснить, коррелирует ли скорость роста водорослевой пленки с интенсивностью отекания поверхности конусов морской водой.

Косвенно такое сравнение можно сделать по рис. 6.12. На нем показано как интенсивность и скорость обтекания конусов, связаны и их геометрией. Как следует из сравнения рис. 6.11 и 6.12, два интегральных показатели жизни - скорость и интенсивность роста, а вместе с ними также и интенсивность обтекания обрастающих тел, с характерным нелинейным паттерном коррелириют с геометрическими параметрами обитания. Как отражено в уравнениях (4) и (5) параметр S VSD а также величина удельной поверхности тела, S/V, являются наиболее важными регуляторами обитания и жизни организмов, не только растений, а и животных. Важная регулятор-ная роль этих параметров была показана и в предыдущей лекции.

В начале лекции сообщалось, что на подводном стенде были размещены как выпуклые конусы (имитация разного рода и размера поднятий рельефа), так и вогнутые (имитация водоемов разного размера и глубины). У нас нет возможности рассматривать здесь результаты этой, еще более обширной работы (она проводилась с обрастанием также и многоклеточными водорослями). Скажем только, что в нескольких сериях вогнутых конусов также наблюдалась четкая связь между параметрами обитания (W/S0 и W/ S') и геометрическими характеристиками конусов (S0, S\ S'/V и S'/So), но с несколько иным, более разнообразным видом зависимостей между тем и другими.

Понятно, что обсуждавшая выше студенческая работа по "глобальному моделированию" не отражает действительного богатства реального земного рельефа. Не отражает она и множества других, сопутствующих геоморфологии вешних переменных - физических, химических и биологических. Задача работы заключалась лишь в том, чтобы показать разнообразие закономерных связей между Био и Гео через геоморфологические структуры, возможность и необходимость использования таких знаний в аквакультуре.

О студенческих работах было так подробно рассказано еще и потому, что эти эксперименты (и их последующее развитие теми же двумя лицами) хорошо иллюстрируют смысл и значение продуманной и отвечающей задаче научной методологии. Чтобы привлечь к научным поискам студентов, замученных опостылевшим школярством, можно и нужно применять намеренно "сильные " учебные приемы - показывать и предлагать учащимся вызывающие и даже дерзкие научные задачи. Преследуя важную образовательную цель, можно позволять себе и студентам значительные упрощения в постановке и решении предлагаемых им задач, обязательно объясняя, что при строго научном подходе такие упрощения не допускаются.




  • Вернуться



  • Еще по теме


    Обитание: присвоение земного пространства и владение им


    Обитание растений на тверди, подводной и не только


    Обитание на любых косных дискретных телах


    Управляющие параметры и их действие в водных объектах типа "искусственный ...


    Модели рельефа Земли

     

    Последние новости



    Пользовательский поиск

    Партнеры