2. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ К ИЗУЧЕНИЮ ОТДЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ И ТЕМ ДИСЦИПЛИНЫ
Блок
2. Экологические основы жизнедеятельности гидробионтов
Тема
1. Роль света в жизни гидробионтов
Свет прямо или косвенно является одной из
самых необходимых условий жизни гидробионтов. Значение
света для органического мира заключается в том, что:
•
оно необходимо для существования зеленых растений, которые являются источником питания водных
животных;
•
свет непосредственно влияет на ход обмена веществ, суточный ритм активности,
способа получения пищи, защиты от врагов;
•
свет влияет и на созревание половых продуктов. Ряд гидробиологов считают,
что подъем рыб и других животных с половыми продуктами, созревают, к
поверхностных слоев водоема
обусловлен
воздействием ультрафиолетовых лучей; • с условиями освещения водоемов связаны черты
строения водных животных, степень развития органов зрения и других органов чувств,
окраска гидробионтов и т.д.
Гидробионты обитают
в разных условиях освещения: в хорошо освещенных верхних горизонтах; при
сумеречном освещении; в условиях полной темноты (в абісалі морей и океанов,
подземных водах). У большинства гидробионтов реакция на
свет меняется в процессе развития. Молодые стадии, как правило, обитают в
условиях более яркого освещения, чем взрослые. Однако, наблюдается и
противоположное явление: например, у молоди лососевых и некоторых других рыб имеет место
защитная реакция - они прячутся под камни.
Основным источником света в водоемах являются солнечные
лучи и лишь в незначительной степени - лучи других небесных тел (луны,
звезд). В самом водоеме источником света являются светящиеся растения и животные. В глубинах
абісалі светящиеся организмы оказываются единственным источником света.
Вода - это среда очень плотное и свет оно
пропускает плохо. Свет в водоеме быстро поглощается и рассеивается, а
частично превращается в теплоту. Процессы поглощения и рассеяния зависят
от спектрального состава излучения Солнца. Солнечный луч, как известно,
состоит из лучей видимого и невидимого спектра. К видимой части
спектра относятся все лучи, которые улавливаются нашими органами зрения - от
красных до фиолетовых включительно. К невидимой части спектра относятся
ультрафиолетовые и тепловые инфракрасные лучи. Наибольшую длину волны имеют
инфракрасные лучи. По мере продвижения к ультрафиолетовой части спектра
длина световой волны постепенно уменьшается.
Световые лучи с разной длиной волны
поглощаются и рассеиваются водной средой неодинаково. Наиболее интенсивно
поглощаются инфракрасная и ультрафиолетовая части спектра. Практически вся
радиация этих видов поглощается в верхнем метровом слое воды. С видимой
части спектра наиболее интенсивно поглощаются лучи с большой водой
длиной волны.
В чистой воде на глубину 10 м проникает всего 2
% красных лучей, оранжевых - 8%, желтых - 32%, а синих - 75%. На
глубинах свыше 500 м присутствуют только фиолетовые лучи - они распространяются до
глубины около 1500 м.
Проникновению света вглубь водоемов препятствует и
процесс рассеивания солнечных лучей. Рассеивание света происходит благодаря
отражению световых лучей от различных взвешенных в воде частиц, а также
вследствие отражения их от молекул самой воды. Рассеиваются преимущественно коротковолновые лучи.
Окраска водоемов зависит от тех лучей,
благодаря процессу рассеивания света выходят из воды и попадают в глаз
наблюдателя. Из чистой воды выходят преимущественно синие лучи. Поэтому, чем
прозрачнее воды, тем она кажется более голубой. В воде, в которой содержится
много взвесь, рассеиваются преимущественно желтые, зеленые лучи. Поэтому такая вода
воспринимается нами как зеленая или коричневая.
С условиями освещения очень тесно связано
вертикальное распределение растительности как донной, так и пелагических.
В процессах фотосинтеза наибольшее значение
имеют красные и желтые лучи, то есть лучи, которые поглощаются водой
быстрее всего. Поэтому понятно, что растения могут существовать только в тех слоях
водоемов, куда эти лучи проникают в достаточном для фотосинтеза количества.
В морских водоемах чертой массового распространения
растений глубины около 100 м - здесь полностью исчезают красные, оранжевые и
желтые лучи и остаются лишь следы зеленых. Лишь некоторые растительные организмы
обитают на глубинах 200-350 м.
В пресных водоемах вследствие их значительно меньшей
прозрачности растительность обычно встречается не ниже 30 м. В связи с
большим разнообразием континентальных водоемов эта граница очень колеблется,
Например, в прозрачных горных озерах водоросли обычно бывают очень много
численные на глубине и 75 м. Наоборот, в равнинных водоемах с малой прозрачностью
воды предел распространения водорослей и цветковых растений проходит на глубине
всего 1-2 м.
Условия освещения имеют очень большое влияние на
распределение различных систематических групп донных растений. Особенно ярко
проявляется это влияние на вертикальном распределению донной растительности в
морских водоемах.
Различные систематические группы красных, бурых,
зеленых водорослей, населяющих прибрежную часть моря, не образуют на дне
красочного ковра, а размещаются в определенной последовательности. Зеленые водоросли
обитают до глубины 5-6 м, далее идет пояс бурых водорослей - они преобладают на
глубинах до 20-30 м, а ниже, в слабо освещенной зоне, обитают красные
водоросли. Нижней границей их распространения является глубины около 200 м. Однако, некоторые
виды красных водорослей обитают и на малых глубинах в прибрежной зоне.
Эта специфическая закономерность получила
объяснение благодаря исследованиям Гайдукова. Он
установил, что растения, которые имеют помимо хлорофилла и другие пигменты, наиболее
интенсивно используют для фотосинтеза те лучи солнечного спектра, которые являются
дополнительными к их окраски. Например, зеленые водоросли из всех лучей
спектру наиболее энергично используют красные и часть фиолетовых, почти
бесследно пропуская зеленые. Подавляющее большинство зеленых водорослей и живет
на глубине 5-6 м.
Красные водоросли используют для
фотосинтеза главным образом лучи желто-зеленой части спектра, которые в
значительных количествах присутствуют еще на глубинах до 100 м. Поэтому красные водоросли
могут обитать на такой глубине, где зеленые водоросли существовать не могут.
У бурых водорослей максимальная ассимиляция
углекислоты происходит при поглощении оранжевых и желтых частично
лучей, которые в большом количестве присутствуют только до глубины 50-60 м.
Строение органов зрения водных животных
отличается большим разнообразием (мал.2.1). Хорошо развитые глаза, как
правило, у хищных животных, которые активно преследуют свою добычу. Наоборот, животные
прикрепленные или малоподвижные, а также много планктонных организмов, нередко
лишенные глаз. Например, из планктонных животных не имеют органов зрения много
медуз, крилоногі моллюски. Ряд глубоководных и пещерных животных совсем лишены
органов зрения. Однако в таких слепых рыб хорошо развиты органы боковой линии и
органы осязания (удлиненные лучи плавников, усы).
Количество глаз у водных животных различна: от 1,
2-х, 4-х до нескольких сотен (мал.2.1 А). Сильно колеблются и размеры глаз:
от микроскопически малых до гигантских. Органы зрения многих жителей
сумеречной зоны развиты очень сильно: глаза достигают огромных размеров и
имеют сложное строение (рис. 2.1 Б). Например, диаметр глаза некоторых глубоководных
рыб составляет 40 и даже 50% длины головы. У многих глубоководных рыб
развитые телескопические глаза (мал.2.1 В)
Глаза у рыб разного цвета. У морского петуха -
голубые, у меч-рыбы - темно-синие, в илового прыгуна - красные, в бризкуна - ярко-желтые с большим черным зрачком
посередине, в білоочки - белые, в зеленоочки - зеленые.
Спектр света, который воспринимается глазами
большинства рыб и беспозвоночных другой, чем у человека. Только у рыб, которые обитают в
верхних слоях водоема, шкалы свет восприятия приближаются к человеческим. Рыбы
же, которые живут в сутінковій зоне и в абісалі, воспринимают лишь незначительную
количество лучей солнечного спектра.
Большинство рыб (кроме акул) различают цвета,
потому что сетчатка их глаз содержит колбочки (нервные клетки, различают
цвета) и палочки (клетки нечувствительны к цвету). У рыб, которые обладают
цветным зрением, отмечается затягивающая действие света определенного цвета. Это
свет имеет, как правило, сигнальное значение. Например, на черноморскую ставриду
наиболее привлекательно действует оранжевый-красный цвет, который ассоциируется с утренним
окраской верхних горизонтов воды, в условиях которого осуществляется питание
ставриды. Черноморского же горбыля привлекает зелено-синий цвет, который
ассоциируется с цветом прибрежных зарослей, где эта рыба обитает.
Какую же информацию получают рыбы с помощью
органов зрения? В прозрачной воде рыбы видят на расстоянии до 15 м. Они четко
различают предметы, их форму, цвет и даже оттенки цветов в пределах
1-1,5 м. Особенности строения глаз рыб дают им возможность наблюдать за значительной
частью окружающей среды. Не поворачивая тела, рыбы могут видеть
предметы каждым глазом в секторе около 150°, а по горизонтали - в секторе
около 160-170° (рис.2). Однако наиболее четко они различают те надводные
предметы, расположенные непосредственно над ними, под углом около 97°.
Остальные предметы рыбы видят в искаженном
виде. Хорошо видеть надводные и прибрежные предметы рыбам помогает то, что
световой луч, отразившись от сетчатки глаза рыбы, при переходе из воды в
воздух преломляется, в результате чего край берега не мешает рыбе видеть
расположенные недалеко от берега предметы.
Органы зрения водных животных играют
важнейшую роль в поиске пищи. Установлено, что от остроты зрения рыб зависят
их поисковые способности, а также состав пищи в разные периоды суток. Например,
азовская перкарина днем питается мелкими
планктонными ракообразными, а ночью переходит на питание тюлькой, которую ищет
с помощью органов боковой линии.
Планктоноїдні рыбы,
которые пользуются при вловлюванні добычи только органами зрения, ночью прекращают
питаться.
Изучение особенностей зрения рыб имеет большое
практическое значение. Со зрением рыб связаны очень важные реакции, которые надо
знать при организации промысла: движение рыб на свет, на искусственные приманки,
восприятие рыбой окраска сеток. Человек издавна пользуется различными
реакциями, которые выработались у рыб на определенные зрительные сигналы. Особенно широко используется в рыбном
промысле привлечения рыб на искусственное освещение. Привлекаемое светом подводных
электроламп, несколько засасывается мощными насосами на судно. На Дальнем
Востоке используют световой лов сайры.
Искусственным светом привлекаются преимущественно
зграйні планктоноїдні рыбы, но не хищники и не детритоїди.
Окраска любого предмета в воде
определяется тем, какие лучи отражаются от его поверхности. Если, например,
организм при солнечном свете кажется нам красным, это означает, что от его
поверхности отражаются красные лучи. Однако в том случае, когда такой
организм находится на глубине, где красных лучей уже нет, то он не может
их отбивать и поэтому кажется нам черным или серым.
Окраску водных растений и животных очень
разнообразное. Особенно ярко окрашенные жители прибрежной области
тропических морей. В умеренных и полярных областях организмы окрашены более
однотонно.
Широко распространены среди водных животных разных
формы защитного окраску, которая делает их незаметными для врагов и добычи.
Одним из примеров защитной окраски является полная прозрачность и безколірність
многих планктонных животных, которые обитают в верхних слоях. В этих горизонтах
встречается также много животных, которые окрашены в синий или голубые тона. В
большинства рыб окраска верхней части тела темно, а нижней - светлое, что имеет
маскировочная значение. Рибоїдні птицы сверху не видят их темную спину на темном
фоне дна, а хищники не могут разглядеть белое брюхо на фоне светлого неба.
Окраска рыб зависит от наличия в их
коже, под прозрачной чешуей, особых клеток - хроматофорів (кольороносіїв), содержащие различные (желтые, красные,
оранжевые, черные и другие) зернышки пигмента; а также от присутствия
кристалликов особого вещества - гуаніну, которые в зависимости от их количества и
размещения могут давать белые, серебристые или радужные цвета. В сочетании с
черным пигментом гуанин дает синие и зеленые металлические блики. Самое яркое
окраска у рыб во время размножения (в основном ярче есть самцы).
Некоторые животные - ракообразные, моллюски, рыбы -
обладают уникальной способностью активно менять окраску в зависимости от
цвета окружающей среды. Среди ракообразных наибольший интерес в этом
отношении представляет небольшая креветка Hippolite varians (длина 2,5 см), которая широко распространена в
прибрежной зоне морей, а именно в зарослях морских трав и водорослей. На
красных водорослях креветка имеет красную окраску, на морской траве -
приобретает зеленый цвет, на бурых водорослях - коричневый. Ночью же все креветки,
независимо от дня окраску, становятся прозрачными и приобретают очень хорошего
голубого цвета. Если креветку перенести на водоросли другого цвета, они
начинают постепенно менять окраску и через несколько дней приобретают цвет
нового основного фона.
Менять свою окраску могут и много
рыб. Особенно ярко эта способность выражена у камбаловых. Как известно, у камбал
оба глаза находятся на одной стороне. Нижняя часть тела, которая обращена к
почвы, конечно света, верхняя же сторона, на которой находятся глаза, окрашенная
в зависимости от цвета субстрата. Камбалы обладают способностью не только
воспроизводить окраска почвы, но и его рисунок. Если почва пятнистый, то
верхняя сторона тела камбалы тоже становится пятнистой, причем абсолютно точно
повторяются даже размеры пятен.
Способность к активной изменения окраски
достигается у всех этих животных тем, что в коже их рассредоточено большое количество
мелких ячеек, которые содержат разный пигмент: зеленый, голубой, красный
т.д. Изменение окраски тела происходит благодаря тому, что меняется форма
пигментных клеток, а также и распределение пигмента в середине их. Например, в
креветки Нірроlitte в каждой клетке содержится 3
пигменты: красный, синий, желтый. Эти цвета могут сочетаться различным образом.
Если красный пигмент заполняет всю клетку, рачок кажется нам красным. Ночная
голубой окрас креветок определяется тем, что красный и желтый пигменты
сосредоточены в середине клетки в виде маленькой точечки, а синий пигмент
распространяется по всей клетке. Этот процесс регулируется нервной системой.
Явление свечения моря привлекает к себе внимание
человека с далекой древности. И действительно, картина ночного моря, вся поверхность которого
загорается зеленым или голубым светом, представляет незабываемое зрелище.
Явление свечения, или біолюмінесценція, известное и
на суши. Однако, здесь число светящихся организмов небольшое: несколько видов бактерий,
грибов и немного насекомых. В морских водоемах светящиеся организмы, наоборот, есть
много численными и встречаются в разных систематических группах - от бактерий
до рыб включительно. Способностью светиться обладают организмы, которые ведут и
планктонный, и донный образ жизни, и подвижные и прикрепленные формы и т.д.
Море светится по-разному и разным светом, в
зависимости от самой природы светящихся организмов. Лишь небольшое количество
организмов светятся непрерывно - только бактерии. Это свет конечно
зеленовато-голубое, реже белое.
Подавляющее большинство организмов светится
отдельными вспышками, то загораясь, то затухая под влиянием механического
раздражение: ударов волн, столкновения друг с другом, движения корабля и т.д. Вспышки
светящихся организмов длятся от нескольких долей секунды до нескольких десятков
секунд.
Наиболее распространены среди светящихся организмов
различные светящиеся жгутиковые, которые обитают в верхних слоях водоема. Масса этих
организмов появляется весной, в конце лета и осенью. Исключительно большой силы
достигает свечение, которое вызывается джгутиковими из класса Dinofladellatae
(Peredinium, Ceratium,
рис.3 Б). Обычно в конце лета и осенью перидінеї
развиваются в таких количествах, вызывают "цветение" моря.
Скопления перидіней образуют на поверхности моря большие
красноватые и коричневые пятна и полосы. Ночью в этих районах наблюдается
свечение: вся поверхность моря кажется покрытой расплавленным серебром сияет бледным
светом. Свет, которым светятся перидінеї зеленоватый
или белый. Свечение перидіней иногда бывает настолько
интенсивным, что при его вспышках можно читать. Перидінеї
распространены в морях различных температурных областей. Наряду с перидінеями
очень широко распространен и другой представитель дінофлагеллят
ночесвітка Noctiluca (рис.3 А), которая обитает в морях
умеренных и тропических областей.
Крупные организмы - медузы, ракообразные,
головоногие моллюски и другие при механическом раздражении светятся достаточно
крупными вспышками - свет их очень яркое и разноцветное. Медузы светятся
зеленым или голубым светом, сифонофори - красным или фиолетовым. Днем
сифонофори играют всеми цветами радуги.
Большинство рыб светятся зеленоватым светом.
Светящиеся формы встречаются и среди донных животных. Много червей излучают
фиолетовое или сине-зеленый свет. Очень ярким и красивым бывает свечение некоторых
кораллов, все тело которых горит и играет фиолетовым, рубиновым, оранжевым
светом.
Интенсивность свечения в поверхностных слоях
воды бывает очень существенной, особенно в тропических морях. Толщина поверхностного
слоя, что светится, различна: от нескольких сантиметров до нескольких десятков
метров. Сила света, излучаемая светящимися организмами, бывает очень
большой. Наблюдения, осуществленные с батискафом и батисфер, показывают, что в
глубинах океана біолюмінесценція очень интенсивная. Например, освещенность на
глубинах свыше 500 м благодаря присутствию светящихся организмов оказывается в 2-5
раз выше, чем сила ночного света на поверхности моря.
Какова же природа свечения водных организмов?
Известны три типа свечения морских животных и растений:
•
внутриклеточное;
•
внеклеточную;
•
бактериальное - через опосредованность симбиотических микроорганизмов.
В первом случае светящиеся специальные
клетки, которые находятся в теле организма. Это наиболее распространенный тип свечения:
он встречается как в водных, так и наземных животных и растений. В водоемах
внутриклеточное свечение встречается у представителей разных систематических
групп-от простейших до рыб. В таких высокоорганизованных форм, как ракообразные,
головоногие моллюски, рыбы, внутриклеточное свечение бывает сосредоточенным в
специальных органах - фотофорах. Эти органы имеют
сложное строение, часто наделены настоящим отражателем, покрытым слоем пигмента, и
имеют своего рода линзу, с помощью которой свет собирается и концентрируется.
Многие животные имеют способность управлять своими органами свечения и могут
включать и выключать их как электрическую лампочку. Светящиеся органы размещаются на
различных участках тела животных: на голове, по бокам и т.д. Часто они
располагаются в несколько рядов (рис. 3).
Во втором случае светящаяся жидкость или слизь,
выделяемые организмами и вырабатываются специальными железами. Внеклеточную
свечение осуществляется путем рефлекторного выброса светящихся облаков или светящихся
завес. Этот тип свечения характерен, главным образом, глубоководным животным.
Свечение с помощью симбиотических
микроорганизмов выявлено только у головоногих моллюсков и костистых рыб.
Бактерии находятся в специальных органах и излучают непрерывный свет.
Весь свет, что излучается светящимися
организмами, относится к видимой части спектра: в нем нет ни тепловой
инфракрасной, ни невидимой ультрафиолетовой составляющих. Соответственно, свет,
излучается организмами, холодное.
Реакция биолюминесценции дает огромную
количество света. Например, 1 г сухой светящейся вещества ракушечного рачка Сурridina дает видимый свет при растворении в 1700 т воды.
Как показывают многочисленные
исследования, у подавляющего большинства организмов процесс свечения очень тесно
связан с процессом дыхания и при отсутствии кислорода
не происходит. Однако есть организмы, которые способны к люминесценции и в без кислородном
среде: некоторые медузы, радиолярии.
У ряда организмов біолюмінесценція - процесс
ферментативный. Свет возникает при окислении особой сложной органической
вещества - люциферину в присутствии фермента люциферазы.
Однако во многих светящихся организмов (бактерии, ночесвітка, ряд ракообразных,
некоторые рыбы) не удалось обнаружить ни люциферин, ни люциферазу.
Биологическое значение свечения для организмов еще
не до конца изучено, но оно заключается:
•
в привлечения добычи;
•
в защите от врагов;
•
органы свечения служат своего рода опознавательными признаками, которые позволяют
животным распознавать особей своего вида.
Явление свечения имеет большое практическое значение
для мореплавания и рыбного промысла:
1.
Благодаря свечению даже в условиях полной темноты можно своевременно заметить с
судна берег, рифы, скалы, потому что в местах с сильным волнением моря свечения
бывает наиболее интенсивным. Однако во время военных действий часто свечения
играет демаскирующих роль, выдавая присутствие затемненных кораблей или субмарин
светящимся следом.
2.
Свечение помогает выявить косяки рыб. Издавна рыбаки при ночном лове судят
о присутствие стай рыб по посилюючому свечению с характерными одиночными
вспышками, которые вызваны стремительным движением отдельных рыб. Но в то же время,
сильное свечение может демаскировать орудия лова - сетки, ловушки. Известно,
например, в Черном море при сильном свечении сетки превращаются в
настоящую огненную завесу, которая отпугивает рыб.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.
В чем заключается значение света для органического мира?
2.
Что является основным источником света в водоемах? От чего зависят процессы поглощения
и рассеяния света в водоемах?
3.
От чего зависит окраска воды водных объектов?
4.
Имеют ли влияние условий освещения на распределение различных систематических групп
донных растений?
5.
Особенности строения органов зрения гидробионтов. Или
различают ли рыбы цвета?
6.
Какую информацию получают гидробионты за помощью
органов зрения?
7.
От чего зависит окраска рыб?
8.
Имеют способность гидробионты менять свое
окраску?
9.
В чем заключается сущность явления биолюминесценции?
10. Биологическое и практическое значение явления
свечения.