Вода и минеральные соли

Вода составляет значительную массу животных и растений: ее содержание в тканях колеблется в пределах 50-80 %, а у некоторых гидробионтов - до 95 %. Питательные вещества циркулируют в организме главным образом в виде водных растворов. У высших растений около 5 % воды используется для фотосинтеза, а остальное – на компенсацию испарения. Животные получают влагу в виде питья, а выводят с мочой и экскрементами, а также путем испарения.

В наземной среде поступление влаги связано с осадками, которые определяют гидрологический режим водоемов, наличие и количество почвенной воды, влажность воздуха. Влажность воздуха определяет поступление воды в организм через покровы, а также потерю воды этим путем и с поверхности дыхательных путей. Дефицит насыщения – разность между количеством паров, насыщающих воздух при данной температуре, и абсолютной влажностью.

Водный обмен связан с обменом солей. Набор солей представляет собой необходимое условие нормальных функций организма, т. к. соли входят в состав тканей. Водный и солевой аспекты обмена веществ связаны общими приспособлениями, поэтому обычно говорят об адаптациях водно-солевого обмена к условиям среды.

Водно-солевой обмен у водных организмов. По типу водно-солевого обмена гидробионты довольно четко делятся на пресноводных и морских, хотя некоторые эвригалинные формы могут обитать и в тех, и в других. Изначально жизнь сформировалась в морской воде. Это наложило свой отпечаток на физико-химические показатели организмов: концентрация солей и их ионный состав в организме близки к таковым в океане, а благодаря проницаемости покровов изменения солености уравновешиваются осмотическим током воды. Такие организмы называются пойкилоосмотическими (цианобактерии, низшие растения, большинство морских беспозвоночных). Животные, способные к регуляции осмотического давления жидкостей тела и поддерживающие его постоянным независимо от окружающей среды, называют гомойоосмотическими (осморегуляторы). Животные, у которых осмотическое давление жидкостей тела близко к таковому морской воды и изменяется вслед за колебаниями океана, называются изотоничными (иглокожие, кишечнополостные). У большинства других беспозвоночных отмечено превышение осмотического давления внутренней среды организма (гипертоничность), что обеспечивает постоянный приток в организм воды.

Способность изотоничных животных переносить изменения солености среды определяется главным образом механизмами клеточной устойчивости к обводнению. Осморегуляторы способны переносить значительные колебания солености. Это обеспечивается механизмами активной регуляции осмотического давления внутренней среды, которое не связано с набором и соотношением ионов в жидкостях тела, а определяется суммой растворенных частиц. Поэтому пойкилоосмотические организмы, которые избирательно извлекают и накапливают в организме соли, способны к активной ионной регуляции. У пресноводных организмов концентрация жидкостей в клетках и тканях выше, чем в окружающей среде (гипертония). Поэтому гомойоосмотические гидробионты должны поддерживать давление внутренней среды организма. У пресноводных животных покровные образования затрудняют проникновение воды через кожу (чешуя, панцирь, слизь). Но полной изоляции нет, поскольку по меньшей мере эпителий органов дыхания и слизистой оболочки кишечника неизбежно контактирует с водой. Механизмом поддержания постоянства осмотического давления в организме является активное выведение избытка воды. Наиболее эффективная адаптация позвоночных к обитанию в гипертонической среде – образование клубочковых почек.

В океане осмотическое давление внутренней среды организма ниже, чем морской воды. В силу этого организм постоянно обезвоживается. В результате функция почек у костных рыб ослаблена. Поэтому морские рыбы регулярно пьют воду, получая при этом избыточное количество солей. Если бы они не пили воду, организм обезводился бы и после потери 12-20 % массы погиб. Реабсорбция ионов в почечных канальцах морских костных рыб резко снижена. Избыток соли также выводится через кишечник. В выведении избытка солей существенную роль играют жабры.

В целом, сложная система осморегулирующих механизмов определяет общую адаптацию гидробионтов к жизни в водоемах разного типа и приспосабливает к занятию разных экологических ниш в различных водных средах, в том числе и в условиях неустойчивой солености (эстуарии рек, приливно-отливные зоны).

Водно-солевой обмен на суше. Выработка адаптаций к дефициту влаги – ведущее направление эволюции при освоении организмами наземной среды. Освоение суши шло постепенно. Растения вначале селились только в мелководных водоемах и по их берегам. Затем они вышли на сушу и освоили сухие местообитания. Беспозвоночные животные осваивали сушу через этап обитания в почве или околоводных биотопах. Поэтому в почве до сих пор встречаются формы как с водным, так и с воздушным типом дыхания. Позвоночные животные осваивали наземную среду в конце девона–начале карбона, когда условия влажности и температуры были уже благоприятными. Освоение воздушной среды у них связано с перестройкой системы органов дыхания, поскольку водное дыхание в мелких водоемах затруднено (много органики и мало кислорода).

В биотопах с высокой влажностью большинство растений принадлежит к пойкилогидрическим. Содержание воды в их тканях очень изменчиво и зависит от влажности среды. Влагообмен идет через поверхность тела. При высыхании растение переходит в состояние оцепенения. Это позволяет им заселять и те биотопы, где высокая влажность выражена сезонно. К пойкилогидрическим относятся низшие (зеленые водоросли) и высшие растения (мхи, папоротники, некоторые виды цветковых), цианобактерии, некоторые грибы и лишайники. Высшие наземные растения в основном принадлежат к гомойогидрическим, которые способны поддерживать относительное постоянство обводненности тканей. Регуляция может достигаться либо работой корневой системы, либо ограничением транспирации.

Вода для растений в отличие от животных – ресурс (а не только фактор среды), участвующий в продукции (элемент фотосинтеза). Отсюда важна роль структуры корневой системы. Растения получают через корневую систему воду и минеральные соли, т. е. водно-солевой обмен у них и в наземной среде остается единым процессом в отличие от животных. У животных взаимосвязь водного и солевого обменов сохраняется лишь на уровне клеточно-тканевых процессов. Внешние источники минеральных солей и воды у них различны.

По отношению к влажности растения подразделяются на несколько экологических групп.

-Гидрофиты – наземные растения, укореняющиеся на дне водоема. Их распространение лимитирует переувлажненность почвы и, как следствие, недостаток кислорода. Гидрофиты (тростник, кубышка, калужница, аир и др.) имеют хорошо выраженную систему аэренхимы – заполненные воздухом полости, губчатость тканей. Их погруженные части имеют полости, которые сообщаются с устьицами воздушных частей.

-Гидатофиты – растения, полностью погруженные в воду. Корневая система у них редуцирована, поглощение воды и минеральных солей идет по всей поверхности. К ним относятся элодея, рдесты, уруть, ряска, которые обитают только в воде.

-Гигрофиты – растения влажных местообитаний (обитатели влажных тропических лесов и тенистых лесов умеренной зоны). Теневые гигрофиты растут в приземном влажном ярусе тенистых лесов (бодяк, недотрога, тропические лесные травы), они обладают слабой устойчивостью к сухости воздуха. Световые гигрофиты растут на открытых местах, но в условиях высокой влажности воздуха и почвы (папирус, рис, росянка), они отличаются от теневых более эффективной транспирацией.

-Мезофиты – растения, приспособленные к изменчивой влажности и ограниченному водоснабжению. У них высокое осмотическое давление клеточного сока, что обеспечивает сосущую силу корневой системы. К ним принадлежат многие растения из различных местообитаний (все лиственные деревья, многие лесные и луговые травы).

-Ксерофиты – растения, приспособившиеся к обитанию в местах с недостаточным увлажнением. Они распространены в пустынях, степях, жестколистных вечнозеленых лесах, на дюнах и т. д. Подразделяются на 2 подгруппы: а) суккуленты – растения, запасающие воду впрок. Это сочные, мясистые растения (кактусы, агавы, алоэ и др.). Их корневая система развита слабо, а расходование запасов воды происходит очень медленно. Для них характерна редукция листьев, поверхность покрыта мощной кутикулой, часто имеется восковой налет или густое опушение, которые сокращают испарение; б) склерофиты отличаются слабой обводненностью и внешне выглядят как сухие растения. Они не способны запасать воду в органах и тканях. Принцип их адаптации – активная перестройка водного режима в соответствии с обеспеченностью влагой извне. Склерофиты имеют высокую тканевую устойчивость к дегидратации (теряют до 25 % влаги без заметных последствий), корневая система обладает большой сосущей силой (давление клеточного сока до 60 атмосфер), что позволяет извлекать влагу даже при малом ее количестве. В почвах аридных районов отмечается повышенное содержание солей. Их избыточное поступление через корневую систему вредно для растений, но растения-галофиты переносят достаточно высокие концентрации солей и часто растут на засоленных почвах. Они накапливают в тканях до 10 % солей. Узнать что такое посев на уреаплазму норма или получить бесплатную консультацию по беременности, венерическим заболеваниям, маммологии, гинекологическим операциям, вы сможете на сайте womanrul.ру.

Корневая система надежно обеспечивает растения водой. Экстенсивная корневая система охватывает большой объем почвы, но слабо ветвится в нем. Интенсивная корневая система отличается тем, что небольшой объем почвы густо пронизан корнями. Оба типа отражают стратегии эффективного использования запасов влаги. Существуют переходные формы структуры корней.

Амфибии первыми приспособились к факторам наземной среды (4-ногое передвижение и дыхание легкими), но система водно-солевого обмена у них сходна с пресноводными рыбами. Кроме того, их кожа обязательно участвует в дыхании, поскольку примитивные легкие не обеспечивают необходимый уровень газообмена (отсюда особенности ее структуры: голая и слизистая). Земноводные отличаются тем, что ведут околоводный образ жизни, а многие – вторично-водный. Безногие амфибии обитают во влажных биотопах подстилки и верхних горизонтов почвы. Заселение биотопов с переменной влажностью у них сопровождается изменениями в характере активности. Виды, проникающие в аридные зоны (например, зеленая жаба), охотятся лишь ночью, когда влага конденсируется на почве и растениях, а остальное время проводят в укрытиях с устойчивым микроклиматом.

Пассивное переживание сухого сезона свойственно многим животным. Так, наземные брюхоногие моллюски закупориваются в раковине с помощью слизистой пленки и впадают в оцепенение. Для амфибий характерно запасание воды в мочевом пузыре, откуда она может абсорбироваться в кровь. Но более существенна роль покровов в восполнении водного дефицита. У многих бесхвостых есть особый участок кожи в тазовой области, где абсорбция росы происходит через тонкий эпителий и трубчатые железы.

Среди беспозвоночных животных наиболее полно освоили наземную среду насекомые и паукообразные. У них образовались плотные, слабо проницаемые для воды покровы и повышенная способность к утилизации метаболической воды. Некоторые из них могут жить и размножаться в условиях полного отсутствия воды, восполняя все потребности организма только метаболическим путем.

У позвоночных животных вода, образующаяся при окислении органических веществ, вступает в общий обмен. Наибольшее количество воды выделяется при окислении жиров. Многие пустынные рептилии и грызуны перед наступлением засушливого сезона накапливают жировые запасы, расходуя их на обеспечение затрат энергии и нужды в воде. В летней спячке или оцепенении, когда общий уровень обмена резко снижен, этих запасов хватает на длительный срок. Некоторые пустынные грызуны вообще не пьют, поддерживая водный баланс влагой кормов. Но большинство млекопитающих и птиц нуждается в поступлении воды.

Одним из приспособлений водного обмена к условиям аридности является поведение. Ряд видов антилоп (бубал, импала и гну) обитают только в местах, где могут регулярно находить водопои. Канна, дик-дик, орикс могут обходиться росой и влагой растений, но охотно посещают и водоемы. У птиц частота прилетов к источникам воды возрастает при повышении температуры воздуха и в периоды отсутствия сочной пищи.

Еще одна адаптация - выбор мест, имеющих благоприятный микроклимат. Рептилии и мелкие млекопитающие обитают в норах, где относительно низкая температура и высокая влажность способствуют водному обмену. Птицы используют дупла, укрытия среди камней и скал. Участки с благоприятными условиями могут дать возможность даже не имеющим специальных приспособлений видам проникать в глубь аридных территорий.

У всех наземных позвоночных избыток солей выводится через почки. Развитие этой функции почек зависит от экологической специфики вида. Среди птиц наиболее интенсивно выводят соли с мочой пустынные виды, связанные с солеными водоемами. У млекопитающих также степень почечной экскреции солей коррелирует с условиями естественной солевой нагрузки на организм. Дополнительно они выводят соли через кишечник. Рептилии и птицы выводят избыток солей также через солевые железы. В природе могут возникать ситуации, характеризующиеся солевой недостаточностью. Это свойственно растительноядным животным, так как содержание солей в тканях растений зависит от их количества в почве. Изменение содержания солей в пище вызывает у фитофагов ряд адаптивных реакций. Например, поедание костей и оленьих рогов в качестве минеральной подкормки свойственно грызунам и некоторым копытным. Для многих копытных характерно солонцевание – реакция на солевое голодание в виде поедания минеральных солей с почвой. У птиц солевое голодание не распространено, за исключением кальциевого в период яйцекладки. В начале периода размножения у многих птиц наблюдается накопление кальция в виде окостенений внутри костей скелета; 20-40 % его переходит затем в скорлупу яиц. Большое значение в солевом обмене имеют микроэлементы. Их дефицит вызывает различные патологии.