Водная экология учебно-методическое пособие к образовательной программе

Морская среда обитания отличается значительным изменением условий обитания живых организмов от поверхности в глубину и от прибрежной зоны в открытую часть океана. Дно морей и океанов называют бенталь. В бентали выделяют следующие зоны:

• 
  супралитораль - зона заплеска и штормовых выбросов
  
• 
  литораль - приливно-отливная зона
  
• 
  сублитораль- зона шельфа или материковой отмели (глубиной до 150-200 м)
  
• 
  батиаль - зона континентального склона (от 200 до 3000 м)
  
• 
  абиссаль – зона океанического ложа (3000-6000 м)
  
• 
  ультраабиссаль - зона наибольших океанических глубин (до 11000 м) - дно морей и океанов.
  

• 
  эпипелагиаль - верхний слой толщи воды глубиной 0-200 м
  
• 
  мезопелагиаль - слой толщи воды глубиной 200-1000 м
  
• 
  глубоководную зону - толща воды на глубине более 1000 м.
  

1. Используя литературные данные, составьте схему вертикального разреза океана, выделив на ней следующие зоны и подзоны: бенталь (литораль,сублитораль, батиаль, абиссаль, ультраабиссаль), пелагиаль(эпипелагиаль, мезопелагиаль, глубоководная зона).

2. Укажите, какие подзоны, по-вашему мнению, наиболее богато заселены живыми организмами

3. Составить сравнительные таблицы, указать роль течений в пресных и соленых водоемах (перемешивание воды; влияние на температуру водных масс и, как следствие влияние, на распространение живых обитателей; привести примеры из литературных и других источников), отметить, в каких водоемах может отмечаться значительное промерзание толщи воды.

1. 
   Что такое эфотическая зона океана?
   
2. 
   Какова роль течений в морях и океанах? Назовите известные крупные течения?
   
3. 
   Какая средняя соленость морской воды?
   

1. 
   Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2005.
   
2. 
   Христофорова Н.К. Основы экологии. – Владивосток: Дальнаука, 1999.
   
3. 
   Колесников С.И. Биология с основами экологии. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2004.
   
4. 
   Internet-ресурсы: www.apus.ru (раздел «Архив новостей» - статья «Жизнь океана зависит от течения»)
   

В организме животных для обеспечения нормальной жизнедеятельности поддерживается определенная концентрация ионов в жидкостях тела и величина осмотического давления, что обеспечивается механизмами водно-солевого обмена. Водные животные делятся на две группы:

• 
  пойкилосмичные организмы – организмы, осмотическое давление в теле которых, зависит от концентрации солей в окружающей среде;
  
• 
  гомойосмотичные животные – животные, сохраняющие в своем теле постоянное осмотическое давление, независимо от солености среды.
  

1. 
   Каких животных называют пойкилоосмотичными?
   
2. 
   Почему пресноводные животные приспособились выводить из организма воду?
   

1. 
   Колесников С.И. Биология с основами экологии. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2004.
   
2. 
   Христофорова Н.К. Основы экологии. – Владивосток: Дальнаука, 1999.
   
3. 
   Константинов А.С. Общая гидробиология. – М.: Высшая школа, 1979.
   

В отличие от наземных растений водные поглощают влагу и минеральные соли из окружающей среды и поэтому имеют свои особенности в строении корневой системы, которая служит в основном для прикрепления к субстрату и имеет в этом случае слабое развитие. В отдельных случаях корневая система может быть развита достаточно сильно и выполняет также функцию запасания некоторых веществ и вегетативного размножения. Плавучесть органов обеспечивается за счет развития аэренхимы – воздушной ткани, создающейся за счет крупных межклетников и полостей.

Для обеспечения растений кислородом, концентрация которого в водной среде значительно ниже чем в наземно-воздушной, служат тонкие покровы, легко проницаемые для кислорода, а также сильная расчлененность листьев, что увеличивает площадь газообмена. Так как вода лучше поддерживает тело, чем воздух, механическая ткань у водных растений теряет свое значение по сравнению с наземными растениями.
Порядок выполнения работы

1. Собрать различные водные растения (4-5 штук, включая водоросли).

2. Зарисовать и описать для каждого особенности строения листьев (форма листьев, наблюдается ли явление гетерофиллии, если да, то зарисовать, есть ли устьица на листьях высших водных растений), корневой системы (слабое или сильное развитие).

3. Сделать срезы и зарисовать особенности строения механической, проводящей тканей (слабое или сильной развитие), аэренхимы (имеется или отсутствует).

4. Указать, для чего служат описанные особенности строения.

Вопросы для обсуждения

1. 
   Почему у многих водных растений корневая система развита слабее чем у наземных?
   
2. 
   Что такое аэренхима?
   
3. 
   Какие приспособления имеются у водных растений для обеспечения их кислородом?
   

1. 
   Христофорова Н.К. Основы экологии. – Владивосток: Дальнаука, 1999
   
2. 
   Ботаника с основами экологии: Учеб. пособие для студентов пед. ин-тов /Л.В. Кудряшов и др. – М.: Просвещение, 1979
   
3. 
   Горышина Т.К. Экология растений. – М.: Высшая школа,1979
   
4. 
   Крафтс А. Вода и ее значение в жизни растений. – М.: Иност. лит., 1951
   
5. 
   Культиасов И.М. Экология растений. – М.: Изд-во московского ун-та, 1982
   

Особенности водных животных в качестве приспособления к водной среде проявляются на различных уровнях: анатомо-морфологическом, физиологическом и поведенческом. Например, на анатомо-морфологическом уровне приспособление к водной среде проявляется в строении органов дыхания (жабры у рыб), наличии плавательных пузырей и воздухоносных полостей, увеличивающих плавучесть тела, строении конечностей, наличии покровов и частом выделении слизи, уменьшающих трение воды, и других.

У донных животных выработаны приспособления, позволяющие удерживаться на дне. Например, тяжелые раковины некоторых моллюсков. У животных, передвигающихся по поверхности воды (жуки-вертячки, водомерки), конечности имеют особое строение.

На физиологическом уровне, например, в особенностях размножения (размножение икринками, внешнее оплодотворение у ряда животных), питания (например, процеживание воды и задерживание планктонных организмов усатыми китами).

Поведенческие приспособления характерны для каждого вида водных животных в связи с конкретными условиями обитания и образом жизни (одиночным, стайным). Поведенческие особенности проявляются в половом поведении, в заботе о потомстве (например, колюшка строит гнезда из травы, некоторые рыбы вынашивают икру во рту, чтобы защитить от хищников), защите от хищников (стайное поведение у некоторых рыб служит именно для этого, так как в стае легче ускользать от хищников).
Порядок выполнения работы

1. Собрать водных животных (3-4 особи).

2. Определить видовую принадлежность животных с помощью определителя.

3. Проанализировать с помощью лупы или микроскопа, если потребуется, и описать особенности строения как способа приспособления к обитанию в воде: форму тела, характер наружных покровов, форму конечностей, тип дыхания и особенности строения органов дыхания, приспособления к передвижению в водной толще или по поверхности воды; для донных обитателей - наличие приспособлений, позволяющих удерживаться на дне.

4. Если есть возможность провести наблюдения за обитателями аквариума, связать особенности строения и поведения.
Вопросы для обсуждения

1. 
   Опишите приспособления на анатомо-морфологическом, физиологическом и поведенческом уровне у следующих животных: лягушка, тритон, колюшка, сазан, дельфин, личинка стрекозы.
   

1. 
   Захаров В.Б., Соснин Н.И. Биология. Многообразие живых организмов. 7 кл. – М.: Дрофа, 2004
   
2. 
   Махлин М. Амурский аквариум. – Хабаровск, 1990
   
3. 
   Константинов А.С. Общая гидробиология. – М.: Высшая школа, 1979
   
4. 
   Христофорова Н.К. Основы экологии. – Владивосток: Дальнаука, 1999
   
5. 
   Internet-ресурсы: www.floranimal.ru
   

Жизнь на Земле получила своё начало и развитие в водной среде. Однако эволюция и появление новых типов животных в водной среде не пошло дальше класса рыб. Затем жизнь вышла на сушу, где более высокая концентрация кислорода в воздухе позволила появиться другим классам животного мира, с более высокой потребностью организма в кислороде при повышении обмена веществ, характерном для животных высших классов.  Некоторые представители высших наземных классов животных, произошедших от водных предков, в процессе эволюции вторично перешли к водному образу жизни.

Таким образом, водные животные делятся на:

• 
  первичноводных – предки данных животных всегда обитали в воде;
  
• 
  вторичноводных – происходят от наземных предков и имеют особенности в дыхании и размножении.
  

1. Используя литературные источники, проанализировать и описать какие, приспособления по сравнению с сухопутными животными позволили морским змеям, черепахам, ластоногим и китам вновь завоевать водную толщу (указать тип дыхания и особенности поведения в связи с этим, форма тела, строение конечностей, особенности размножения и вскармливания детенышей).

2. Собрать крупных водных жуков 1-2 видов и описать особенности внешнего строения (форма тела, характер покровов, строение конечностей), указать органы дыхания.

3. Сделать вывод о том, что характерно для водных и для наземных жуков, что позволило водным жукам вновь приспособиться к жизни в воде.

1. 
   Каких животных называют вторичноводными?
   
2. 
   К какой группе животных (первично- или вторичноводных) относится моллюск прудовик и почему?
   

1. 
   Энциклопедия Биология. –М.: Советская энциклопедия,1986.
   
2. 
   Internet-ресурсы: www.apus.ru (раздел «Удивительный мир» - статья «Эти удивительные киты и дельфины»)
   

Развитие и жизнедеятельность некоторых животных связаны не с одной, а с несколькими средами обитания. Некоторые организмы проводят одну фазу жизни в воде, а другую – в наземно-воздушной или почвенной средах. Такие организмы называют амфибийными – это ряд насекомых и земноводные.

Другие животные в течение жизни связаны с водной средой как с источником питания, например, целый ряд рыбоядных птиц, ластоногие. Птицы и млекопитающие, питающиеся рыбой и обитающие на прибрежных территориях, играют огромную роль в круговороте биогенных элементов в прибрежных водах, так как с их экскрементами происходит возврат в окружающую среду минеральных форм азота и фосфора.
Порядок выполнения работы

1. Используя литературные данные и собственные наблюдения, описать один из видов птиц или млекопитающих, связанных как с водной, так и с наземной средой обитания, уделив особое внимание образу жизни и типу связи с водной средой (место добычи пищи, среда для размножения и так далее).

1. 
   Назовите 5-6 видов амфибийных животных.
   
2. 
   Опишите 2-3 вида животных, связанных с водной средой как с местом добычи пищи.
   

1. 
   Энциклопедия Биология. – М.: Советская энциклопедия, 1986.
   
2. 
   Internet-ресурсы: www.apus.ru (статьи раздела «Удивительный мир»)
   
3. 
   Internet-ресурсы: www.floranimal.ru
   

Трофические связи не только связывают все компоненты биоценоза. По трофическим цепям передается органическое вещество и энергия, но и загрязняющие вещества, устойчивые к биоразрушению, в том числе тяжелые металлы и радиоактивные изотопы.

Так в Арктике были проанализированы пробы экскрементов морских птиц, взятые в двух обширных колониях. Оказалось, что эти образцы в 10 раз более радиоактивны, чем все остальные пробы грунта. В Арктике птичий помет является основным источником питательных веществ для растений, которые затем поедаются животными, в том числе и северными оленями. Птицы поедают загрязненную рыбу и ракообразных, а изотопы концентрируются в фекалиях. Избыток питательных веществ в них поощряет рост растений, и последние, таким образом, концентрируют радиоактивные вещества. Кроме того, часть экскрементов возвращается в морскую воду, вызывая вторичное загрязнение радиоактивными изотопами, а питательные вещества приводят к развитию фитопланктона, также концентрирующего в себе изотопы.
Порядок выполнения работы

1. Составить трофическую цепочку для одного из видов морских птиц, морского котика, выдры.

2. Проанализировать и описать роль морских птиц в экосистеме, особенно в круговороте биогенных элементов (с учетом трофических связей птиц и прижизненного выделения ими экскрементов во внешнюю среду). Указать, чем опасно исчезновение птичьих базаров на морских побережьях.

3. Проанализировать роль одного из промысловых видов морских рыб (треска, навага, минтай) в трофических цепочках и указать, к каким последствиям может привести чрезмерный лов данного вида рыб.

1. 
   Чернова Н.М., Галушин В.М., Константинов В.М. Основы экологии. – М.: Дрофа, 2004.
   
2. 
   Небел Б. Наука об окружающей среде. Том 1. – М.: Мир, 1993.
   
3. 
   Христофорова Н.К. Основы экологии. – Владивосток: Дальнаука, 1999.
   

Эвтрофирование  - повышение биологической продуктивности (т.е. интенсивности образования органического вещества) водоемов под воздействием антропогенных или природных факторов.

Основную роль в процессах образования (синтеза) органического вещества в водоеме играют водоросли и высшие водные растения. Интенсивность образования ими органических веществ зависит в ходе фотосинтеза от концентрации в воде биогенных элементов.

Эвтрофирование водоемов является природным процессом, приводящим к медленному изменению трофического статуса водоема и изменению всего биоценоза. Но деятельность человека привела к усиленному поступлению в водоемы биогенных веществ (за счет стоков с сельскохозяйственных полей, ферм, ливневых стоков с городских территорий, канализационных стоков и так далее), что приводит к значительному увеличению темпов образования органического вещества в водоеме. Во многих водоемах в течение нескольких последних десятилетий наблюдается увеличение трофности, сопровождающееся резким увеличением обилия фитопланктона, зарастания водной растительностью прибрежных мелководий и изменением качества воды. Этот процесс называется антропогенным эвтрофированием.

Антропогенное эвтрофирование водоемов в настоящее время рассматривается как самостоятельный процесс, принципиально отличающийся от естественного эвтрофирования водоемов. Антропогенному эвтрофированию может подвергаться не весь водоем, а только часть крупного водоема.

Естественное эвтрофирование - процесс очень медленный во времени (тысячи, десятки тысяч лет), развивается главным образом вследствие накопления донных отложений и обмеления водоемов.

Антропогенное эвтрофирование - процесс очень быстрый (годы, десятки лет), отрицательные последствия его для водоемов проявляются зачастую в очень резкой и уродливой форме.
Порядок выполнения работы

1. На примере местного водоема указать, есть ли причины для антропогенного эвтрофирования. На схеме водоема указать источники, влияющие на эвтрофирование водоемов.

2. Указать, в каком состоянии находится водоем, есть ли признаки эвтрофирования (цветение воды и его тип - в виде отдельных пятен или по всей поверхности, зарастание отмелей высшими растениями, повышенная мутность воды, не связанная с временным смывом с берегов во время дождя или паводка) и какие изменения могут произойти в дальнейшем.
Вопросы для обсуждения

1. 
   Что такое эвтрофирование?
   
2. 
   Чем отличается антропогенное эвтрофирование от природного?
   

1. 
   Алекин А.А. Эвтрофирование озер // Водные ресурсы.-1979.-N4.-С.8-14.
   
2. 
   Одум Ю. Экология. Т.2. – М., 1986.
   
3. 
   Сиренко Л.А. Основные факторы естественного и антропогенного эвтрофирования водохранилищ и его последствия // Водные ресурсы.-1979.-N4.-С.15-30.
   
4. 
   Небел Б. Наука об окружающей среде. Т. 1. – М.: Мир.
   
5. 
   Каретникова Е.А. Эвтрофирование природных вод: причины и последствия. Часть I// Научно-методический  журнал «ЭГБО: Экологическое, географическое и биологическое образование в школах Хабаровского края».-2006.-.№1.-С.4-7.
   
6. 
   Каретникова Е.А. Эвтрофирование природных вод: причины и последствия. Часть I// Научно-методический  журнал «ЭГБО: Экологическое, географическое и биологическое образование в школах Хабаровского края».-2006.-.№2.-С.4-8.
   

Сапробность (от греч.sapros – гнилой) водоемов – это характеристика степени загрязненности водоемов органическими веществами.

Все водные обитатели приспособлены к обитанию в воде с определенным содержанием органических веществ. Способность гидробионтов обитать в воде с тем или иным содержанием органических веществ, благодаря физиологическим и биохимическим свойствам организма, называют сапробностью гидробионта. Благодаря такому свойству водных обитателей сапробность водоема может быть определена по видовому составу обитающих в нем организмов-индикаторов.

Полисапробы - организмы, обитающие в сильно загрязнённой органическими веществами воде, например, зелёная водоросль Polytoma uvella; червь Tubifex tubifex; из насекомых - крыска (личинка мухи-пчеловидки — Eristalis tenax).

Мезосапробы- организмы, обитающие в воде умеренно загрязненной органическими веществами (многие коловратки, некоторые малощетинковые черви, личинки двукрылых насекомых, например, личинки мошек (мокрецов), водяные ослики, бокоплавы, , двустворчатые моллюски-шаровки, битинии, лужанки, личинки стрекоз и пиявки).

Олигосапробы - организмы, обитающие в чистых или слабо загрязнённых органическими веществами водах (некоторые коловратки, губки, моллюск дрейссена, ветвистоусые ракообразные (дафнии), личинки веснянок, поденок, вислокрылок и ручейников, из рыб — стерлядь, форель, гольян, из земноводных — тритоны).

Различают олигосапробные, мезосапробные и полисапробные водоемы.

Система Ф. Вудивисса дает возможность оценить степень загрязнения по видовому разнообразию и показательному значению таксонов в биотических индексах, которая определяется по специальной таблице.

Величина биотического индекса зависит от числа присутствующих «групп» и их видового разнообразия. Например, если на станции обнаружено от двух до пяти групп, среди них есть только один вид веснянок, биотический индекс будет равен 6. Если при таком же числе «групп» население составлено исключительно тубифицидами и красными личинками хирономид, то он будет равен 2. Количество особей разных «групп» здесь не принимается во внимание. По системе Вудивисса биотический индекс принимает значение от 0 до 10. Он тем меньше, чем выше степень загрязнения. Индекс, равный 5 и ниже, указывает на выраженное загрязнение

1. Определить сапробность воды местного водоема по животным и растениям.

Использовать для проведения определения виды - олиго-, мезо- и полисапробы.

2. Наблюдения провести в различное время (весна, начало и конец лета, осень). Составить дневник данных наблюдений.

1. 
   Что такое сапробность водоема и сапробность гидробионта?
   
2. 
   Как называются сильно загрязненные органическими веществами водоемы?
   
3. 
   Назовите гидробионтов-олигосапробов
   

1. 
   Вудивисс Ф. Биотический индекс реки Трент. Макробеспозвоночные и биологическое обследование // Научные основы контроля качества поверхностных вод по гидробиологическим показателям: Тр. совет.-англ. семинара. – Л.: Гидрометеоиздат, 1977.
   
2. 
   Макрушин А.В. Биологический анализ качества вод / Под ред. Г.Г. Винберга. – Л.: АН СССР, 1974.
   
3. 
   Макрушин А.В. Возможности и роль биологического анализа в оценке степени загрязнения водоемов // Гидробиол. журн. – 1974. – Т. 10, № 2. – С. 98-104.
   
4. 
   Абакумов В.А. Руководство по гидробиологическому мониторингу пресноводных экосистем. – СП.: ГМИ, 1992.
   
5. 
   Константинов А.С. Общая гидробиология. – М.: Высшая школа, 1979
   
6. 
   Internet-ресурсы: www.bezmater.narod.ru (Объекты и методы исследования. Раздел «Использование структурных и функциональных характеристик зообентоса для индикации качества поверхностных вод).