В какой зоне океана невозможен фотосинтез. Жизнь животных и растений в океанах
Температура Мирового океана существенно влияет на его биологическое разнообразие. Это означает, что деятельность человека может изменить глобальное распределение жизни в воде, что, по всей видимости, уже происходит с фитопланктоном, численность которого в среднем снижается на 1% в год.
Океанский фитопланктон - одноклеточные микроводоросли - представляют собой основу практически всех пищевых цепей и экосистем в океане. Половина всего фотосинтеза на Земле приходится на долю фитопланктона. Его состояние влияет на количество углекислого газа, которое может абсорбировать океан, на количество рыбы, и, в конечном счете, на благополучие миллионов людей.
Термин «биологическое разнообразие» означает вариабельность живых организмов из всех источников, включая среди прочего наземные, морские и иные водные экосистемы и экологические комплексы, частью которых они являются; это понятие включает в себя разнообразие в рамках вида, между видами и разнообразие экосистем.
Так гласит определение этого термина в Конвенции о биологическом разнообразии. Целями этого документа являются сохранение биологического разнообразия, устойчивое использование его компонентов и совместное получение на справедливой и равной основе выгод, связанных с использованием генетических ресурсов.
Ранее было проведено много исследований биологического разнообразия на суше. Знания же человека о распределении морской фауны существенно ограничены.
Но исследование под названием «Перепись морской жизни» (Census of Marine Life, о котором неоднократно писала «Газета.Ru»), продолжавшееся десятилетие, изменило ситуацию. Человек стал знать об океане больше. Его авторы свели воедино знания о глобальных тенденциях биологического разнообразия по основным группам морских жителей, в том числе кораллов, рыб, китов, тюленей, акул, мангровых лесов, морских водорослей и зоопланктона.
«Хотя мы все больше осознаем глобальные градиенты разнообразия и связанные с ними экологические факторы, наши знания о работе этих моделей в океане существенно отстают от того, что мы знаем про сушу, и настоящее исследование проводилось с целью ликвидировать это несоответствие» , – объяснил Вальтер Джетц из Йельского университета цель работы.
На основе полученных данных ученые сопоставили и проанализировали глобальные структуры биологического разнообразия более 11 тысяч морских видов растений и животных, начиная от крошечного планктона до акул и китов.
Исследователями было обнаружено поразительное сходство между закономерностями распределения животных видов и температурой воды в океане.
Эти результаты означают, что будущие изменения температуры океана могут значительно повлиять на распределение морской фауны.
Кроме того, ученые обнаружили, что положение «горячих точек» разнообразия морской жизни (областей, где в настоящий момент наблюдается большое количество редких видов, которым грозит вымирание: такими «точками», например, являются коралловые рифы) в основном приходится на районы, где зафиксирован высокий уровень воздействия человека. Примерами такого воздействия являются рыболовство, адаптация окружающей среды для своих нужд, антропогенное изменение климата и загрязнение окружающей среды. Вероятно, человечеству стоит задуматься о том, насколько эта деятельность укладывается в рамки Конвенции о биологическом разнообразии.
«Совокупный эффект деятельности человека ставит под угрозу разнообразие жизни в Мировом океане» , – утверждает Камило Мора из Университета Делхаузи, один из авторов работы.
По соседству с этой работой в Nature опубликована другая статья, посвященная проблемам морского биологического разнообразия на Земле. В ней канадские ученые рассказывают о современных колоссальных темпах снижения биомассы фитопланктона в последние годы. Используя архивные данные в совокупности с последними спутниковыми наблюдениями исследователи установили, что в результате потепления океана количество фитопланктона снижается в год на 1%.
У фитопланктона соотношение размера и численности то же, что и у млекопитающих
Фитопланктон – это часть планктона, которая проводит фотосинтез, прежде всего протококковые водоросли, диатомовые водоросли и цианобактерии. Фитопланктон имеет жизненно важное значение, поскольку на его долю приходится примерно половина продукции всего органического вещества на Земле и большая часть кислорода в нашей атмосфере. Помимо существенного сокращения кислорода в атмосфере Земли, что пока все-таки является делом долгосрочным, снижение численности фитопланктона грозит изменениями морских экосистем, что обязательно скажется на рыболовстве.
При изучении проб морского фитопланктона выяснилось, что чем больше размер клеток того или иного вида водорослей, тем ниже их численность. Удивительно, но это снижение численности происходит пропорционально массе клетки в степени –0,75 - точно такое же количественное соотношение этих величин ранее было описано для наземных млекопитающих. А значит, «правило энергетической эквивалентности» действует и для фитопланктона.
Фитопланктон распределен по океану неравномерно. Его количество зависит от температуры воды, освещенности и количества питательных веществ. Прохладные годы умеренных и полярных областей больше подходят для развития фитопланктона, чем теплые тропические воды. В тропической зоне открытого океана фитопланктон активно развивается только там, где проходят холодные течения. В Атлантике фитопланктон активно развивается в районе о-вов Зеленого Мыса (недалеко от Африки), там холодное Канарское течение образует круговорот.
В тропиках количество фитопланктона одинаково в течение года, тогда как в высоких широтах наблюдается обильное размножение диатомей весной и осенью и сильный спад в зимнее время. Наибольшая масса фитопланктона сосредоточена в хорошо освещенных поверхностных водах (до 50 м). Глубже 100 м, куда не проникает солнечный свет, фитопланктона почти нет так как там невозможен фотосинтез.
Азот и фосфор - главные питательные вещества, необходимые для развития фитопланктона. Они скоплены ниже 100 м, в зоне, недоступной фитопланктону. Если вода хорошо перемешивается, азот и фосфор регулярно доставляются к поверхности, питая фитопланктон. Теплые воды легче холодных и не опускаются на глубину - перемешивания не происходит. Поэтому в тропиках азот и фосфор не доставляются к поверхности, и скудость питательных веществ не дает развиться фитопланктону.
В полярных областях поверхностные воды охлаждаются и опускаются на глубину. Глубинные течения несут холодные воды к экватору. Натыкаясь на подводные хребты, глубинные воды поднимаются к поверхности и несут с собой минеральные вещества. В таких областях фитопланктона значительно больше. В тропических зонах открытого океана, над глубоководными равнинами (Северо-Американской и Бразильской котловинами), где не происходит подъема воды, фитопланктона совсем мало. Эти области - океанические пустыни, их обходят даже крупные мигрирующие животные, такие как киты или парусники.
Морской фитопланктон Trichodesmium является важнейшим азотфиксатором в тропических и субтропических районах Мирового океана. Эти крошечные фотосинтетические организмы используют солнечный свет, углекислый газ и другие нутриенты для синтеза органического вещества, которое составляет основу морской пищевой пирамиды. Азот, поступающий в верхние освещенные слои океана из глубинных слоев водной толщи и из атмосферы, служит необходимой подпиткой планктона.
Диатомовые водоросли преимущественно автотрофные растения, у них, как и у прочих автотрофных организмов, процесс образования органического вещества происходит в хлоропластах с помощью пигментов в процессе фотосинтеза. Первоначально было установлено, что пигменты у диатомей состоят из смеси хлорофиллов с ксантофиллами и фукоксантином. Позже для уточнения состава пигментов у диатомей был применен хроматографический метод, с помощью которого было выяснено присутствие в хлоропластах диатомей восьми пигментов (Dutton, Manning, 1941; Strain, Manning, 1942, 1943; Strain a. oth., 1943, 1944; Wassink, Kersten, 1944, 1946; Cook, 1945; Hendey, 1964). Эти пигменты следующие: хлорофилл α, хлорофилл с, β-каротин, фукоксантин, диатоксантин, диадиноксантин, неофукоксантин А и неофукоксантин В. Последние четыре пигмента входят в состав диатомина, открытого ранее. Некоторые авторы указывают еще на минимальное присутствие ксантофилла и феофитина (Strain а. oth., 1944).
Общее количество пигментов у диатомей составляет в среднем около 16% фракции липидов, но содержание их разное у различных видов. В литературе имеется очень мало данных о количественном содержании пигментов у морских планктонных диатомей, а для бентосных видов, которые особенно богаты желтыми и бурыми пигментами, данные почти отсутствуют (табл. 1 и 2).
Вышеприведенные данные показывают, что содержание пигментов варьирует даже у одного и того же вида. Имеются сведения о том, что содержание пигментов подвержено колебаниям в зависимости от интенсивности света, его качества, содержания питательных веществ в среде, от состояния клетки и ее возраста. Так, например, изобилие в среде питательных веществ при относительно слабой интенсивности света стимулирует продуктивность пигментов, и наоборот, высокая интенсивность света при недостатке питательных веществ в среде ведет к уменьшению концентрации пигментов. При недостатке фосфора и азота содержание хлорофилла а может снизиться в 2.5-10 раз (Финенко, Ланская, 1968). Установлено, что с возрастом клетки уменьшается содержание хлорофилла с.
Функции пигментов, кроме хлорофиллов, у диатомей еще недостаточно выяснены. Хлорофилл α является основным пигментом, поглощающим световую энергию всех лучей спектра, причем он имеет две формы, отличающиеся усвоением света: одна из них возбуждается непосредственно красным светом, а вторая, кроме того, также и энергией, передаваемой вспомогательным пигментом фукоксантином (Emerson, Rabinowitch, 1960). Остальные пигменты являются вспомогательными к хлорофиллу а, но они также играют относительно важную роль при фотосинтезе. Хлорофилл с имеет более высокий максимум поглощения в синей области, чем в красной, и следовательно, он способен утилизировать световые лучи меньшей длины волн, максимум поглощения у него лежит при 520-680 нм и падает до нуля при длине волны 710 нм, поэтому его абсорбция более интенсивна в зоне голубого света, т. е. на глубинах 10-25 м от поверхности воды, где хлорофилл а менее эффективен. Роль β-каротина недостаточно ясна, его спектр поглощения резко обрывается при 500 нм, что свидетельствует о его способности абсорбировать в лучах длины волн 500-560 нм, т. е. в области зелено-желтого света (в воде на глубинах 20-30 м). Таким образом, β-каротин передает усвоенную энергию хлорофиллу α (Dutton, Manning, 1941). Это известно, например, для Nitzschia dissipata , которая абсорбирует энергию в области зелено-желтого света (Wassink, Kersten, 1944, 1946). Бурые пигменты из группы фукоксантинов имеют максимум поглощения при длине волн около 500 нм и, по-видимому, обеспечивают фотосинтез диатомовых водорослей на глубинах 20-50 м путем передачи хлорофиллу поглощенной ими энергии. Даттон и Меннинг (Dutton, Manning, 1941), а позже Вассинк и Керстен (Wassink, Kersten, 1946) показали, что фукоксантин у диатомей является главным из дополнительных пигментов. Свет, абсорбируемый фукоксантином, утилизируется для фотосинтеза почти с такой же эффективностью, как свет, абсорбируемый хлорофиллом. Этого не наблюдается у зеленых и синезеленых водорослей, лишенных фукоксантина. Танада (Tanada, 1951) также выяснил, что у пресноводной диатомеи Navicula minima var. atomoides фукоксантин поглощает сине-голубой свет (450-520 нм) и утилизирует его так же эффективно, как свет, абсорбированный хлорофиллом. Хенди (Hendey, 1964) указывает длину световых волн, при которых происходит максимальная абсорбция света различными пигментами диатомей. В ацетоне они следующие (в ммкм): хлорофилл α - 430 и 663-665, хлорофилл с - 445 и 630, β-каротин - 452-456, фукоксантин - 449, диатоксантин - 450-452, диадиноксантин - 444-446, неофукоксантин А - 448 - 450 и неофукоксантин В - 448.
Химизм фотосинтеза у диатомей, по-видимому, несколько иной, чем у других растительных организмов, у которых конечным продуктом фото-синтеза являются углеводы, тогда как у диатомей - жиры. Исследования с помощью электронного микроскопа не обнаружили присутствия крах-мала ни в строме хлоропластов, ни вблизи пиреноидов. Фогг полагает, что у диатомей конечным продуктом ассимиляции также являются углеводы, но в быстро идущих дальнейших процессах метаболизма они превращаются в жиры (Collyer, Fogg, 1955; Fogg, 1956). Химический состав жиров у диатомей неизвестен ни для продуктов ассимиляции, ни для запасных питательных масел и масляных телец (Goulon, 1956).
В океанах, морях и пресноводных водоемах у поверхности воды условия для фотосинтеза близки к условиям в воздушной среде, но с погружением в глубину они меняются в связи с изменением интенсивности и качества света. В отношении освещенности различают три зоны: эуфотическую - от поверхности до 80 м глубины, в ней происходит фотосинтез; дисфотическую - от 80 до 2000 м, здесь некоторые водоросли еще встречаются, и афотическую - ниже, в которой свет отсутствует (Das, 1954 и др.). Фотосинтез морского и пресноводного фитопланктона в поверхностном слое воды достаточно исследован как в природных, так и в культуральных условиях (Wassink, Kersten, 1944, 1946; Вотинцев, 1952; Tailing, 1955, 1957а, 1966; Ryther, 1956; Edmondson, 1956; Ryther, Menzel, 1959; Steemann Nielsen, Hensen, 1959,1961, и др.). В частности, круглогодичные наблюдения в Черном море показали, что наибольшая интенсивность фотосинтеза фитопланктона совпадает с наибольшей солнечной радиацией. Летом максимальный фотосинтез фитопланктона наблюдается в период от И до 16 час. (Ланская, Сивков, 1949; Бессемянова, 1957). У разных планктонных видов максимальная интенсивность фотосинтеза имеет пределы изменений, свойственных тому или иному виду. При этом большое значение имеет широтное расположение акваторий (Doty, 1959 и др.).
Среди диатомей (как планктонных, так и бентосных) существуют светолюбивые и тенелюбивые виды, у которых различны интенсивность фотосинтеза и коэффициент использования солнечной энергии при одинаковой радиации. У светолюбивых видов, как Cerataulina bergonii (планктонная) и Navicula pennata var. pontica (сублиторальная), фотосинтез идет параллельно радиации и достигает максимума в полдень, а у тенелюбивых - Thalassionema nitzschioides (планктонная) и Nitzschia closterium (тихопелагическая) - днем наблюдается депрессия фотосинтеза, а максимум интенсивности этого процесса приходится на утренние и послеполуденные часы (Бессемянова, 1959). Такое же течение фотосинтеза наблюдается в культурах северных пелагических видов Coscinosira polychorda и Coscinodiscus excentricus (Marshall, Огг, 1928; Jenkin, 1937). У бентосных форм интенсивность фотосинтеза на единицу биомассы значительно больше, чем у планктонных (Бессемянова, 1959). Это вполне закономерно" потому что бентосные диатомеи имеют крупные, интенсивно окрашенные пигментами хлоропласты, т. е. общее количество фотосинтезирующих пигментов у них значительно больше. Наблюдения показали, что фотосинтез протекает активнее у подвижных форм, чем у неподвижных и заметно активизируется в период деления диатомей (Talling, 1955). Фотосинтез не прекращается и при лунном свете, но в этих условиях кислорода выделяется в 10-15 раз меньше, чем днем. В верхнем горизонте водной толщи ночной фотосинтез составляет только 7-8% от суточного (Ивлев, Мухаревская, 1940; Subrahmanyan, 1960).
С глубиной сила света резко падает. Измерение на различных глубинах в зал. Пьюджет-Саунд (сев.-вост. часть Тихого океана) с помощью фотоэлектрической камеры Кунца показало, что интенсивность освещения (у поверхности воды принимаемая за 100%) на глубине 10 м падает до 9.6%, на глубине 20 м равна 4%, а на 35 м - 2.4%, практически на этой глубине совсем темно (Grein, in: Feldmann, 1938; Gessner, 1955-1959, I). Параллельно падению освещения укорачивается световой день. В океане на широтах 30-40° при наибольшей прозрачности воды на глубине 20 м длина летнего дня около И час., на 30 м - 5 час., на 40 м - всего 5 мин.
С глубиной не только убывают интенсивность освещения и световой период, но изменяется также качество света вследствие неодинакового поглощения лучей солнечного спектра разной длины световых волн. В табл. 3 приведены изменения поглощения световых лучей и цвета сумеречного освещения на разных глубинах.
Эта таблица показывает, что поглощение света в воде моря обратно пропорционально длине световых волн, т. е. чем длиннее световые волны лучей спектра, тем быстрее они поглощаются водой. По мере поглощения световых лучей на соответственных глубинах изменяется цвет сумеречного освещения. То и другое лимитирует фотосинтез на глубинах. Убывание интенсивности различных лучей спектра на разных глубинах в море представлено в табл. 4.
Данные этой таблицы свидетельствуют, что некоторые морские бурые и красные водоросли еще могут вегетировать на глубине 75 м и, вероятно, глубже при условии очень высокой прозрачности воды. Как известно, прозрачность воды сильно варьирует не только в различных водоемах, но и в одном и том же водоеме. В пелагической области морей и океанов вода прозрачна до глубины от 40 до 160 м, а в морской сублиторали прозрачность воды падает до 20 м и ниже. Нижняя граница распространения водорослей определяется той интенсивностью света, при которой ассимиляция и дыхание взаимно уравновешиваются, т. е. когда достигается так называемая компенсационная точка (Marshall, Orr, 1928). Естественно, что компенсационная точка у водорослей зависит от прозрачности воды, от состава пигментов и ряда других факторов. В этом отношении имеются некоторые данные для морских водорослей-макрофитов, имеющих различные пигментные системы (Levring, 1966), но для диатомей таких сведений нет (табл. 5).
При равных условиях освещения компенсационная точка у водорослей разных отделов зависит от функции их пигментов. У синезеленых водорослей (имеющих пигменты: хлорофиллы а и b, β-каротин, кетокаротиноид, миксоксантофилл) компенсационная точка находится на глубине около 8 м, у зеленых (пигменты: хлорофиллы а и b, β-каротин, ксантофилл) - около 18 м, а у бурых и красных водорослей, имеющих кроме хлорофилла, каротина и ксантофилла дополнительные пигменты (у бурых фикоксантин, у красных - фикоэритрин и фикоциан), компенсационная точка опускается значительно ниже 30 м.
У некоторых видов диатомей сублиторали Черного моря компенсационная точка, по-видимому, может опускаться до глубины 35 м. Современная методика сбора сублиторальных диатомей не дает точного показателя условий обитания отдельных видов. На основании последних данных установлена общая закономерность расселения сублиторальных диатомей по глубинам. В условиях сублиторали Черного моря они обитают до глубины около 30 м (Прошкина-Лавренко, 1963а), в Средиземном море - до глубины 60 м (Aleem, 1951), что вполне естественно при прозрачности воды в этом море 60 м. Есть указания на обитание диатомей до 110 м (Smyth, 1955), до 200 м (Bougis, 1946) и до 7400 м (Wood, 1956), причем Вуд утверждает, что на этой глубине обнаружены живые диатомеи (обычно сублиторальные морские виды вместе с пресноводными!). Данные последних двух авторов недостоверны и требуют проверки.
Компенсационная точка у одного и того же вида диатомей непостоянна, она зависит от географической широты обитания вида, от сезона года, прозрачности воды и других факторов. Маршалл и Opp (Marshall, Orr, 1928) экспериментально установили, опуская культуру диатомей на раз-ные глубины в заливе (Лох Страйвен; Шотландия), что Coscinosira polychorda летом имеет компенсационную точку на глубине 20-30 м, а зимой близ поверхности воды. Подобные же результаты получены ими для Chaetoceros sp.
Бентосные диатомеи несомненно обладают хроматической адаптацией, этим объясняется способность многих из них обитать на некотором диапазоне глубин в условиях изменения спектрального света и его интенсивности; возможно, что они имеют различные расы (некоторые виды Amphora, Carrtpylodiscus, Diploneis, Navicula ). Экспериментально установлено, что процесс приспособления к интенсивности освещения происходит довольно быстро. Так, например, пресноводная неподвижная планктонная диатомея Cyclotella meneghiniana приспосабливается к освещению от 3 тыс. до 30 тыс. лк в течение 24 час., она способна выносить значительно большую интенсивность света - до 60 тыс. лк и даже до 100 тыс. лк (Jorgensen, 1964а, 1964b). Фотосинтетический аппарат подвижных сублиторальных видов (Tropidoneis, Nitzschia ) приспосабливается к условиям освещения на глубинах их обитания 1-3 м, где интенсивность света колеблется от 10 до 1% (Taylor, 1964). Вообще вопросу о хроматической адаптации у диатомовых водорослей посвящена большая литература (Talling, 1955, 1957а; Ryther, 1956; Ryther, Menzel, 1959; Steemann Nielsen, Hensen, 1959; Jørgensen, 1964a).
Планктонные диатомеи могут обитать значительно глубже сублиторальных, что связано преимущественно с большей прозрачностью воды в пелагиали. Известно, что в морях и океанах диатомовый планктон распространяется до глубины 100 м и более. В Черном море на глубине 75-100 м фитопланктон состоит из Thalassionema nitzschioides и нескольких видов Nitzschia , причем здесь они обитают в значительно большем количестве, чем в слое воды 0-50 м (Морозова-Водяницкая, 1948-1954). Многие виды Nitzschia , как известно, легко переходят от автотрофного питания к миксотрофному и гетеротрофному. По-видимому, этим же свойством обладают планктонные виды, обитающие в дисфотической и афотической зоне морей, они создают глубоководный теневой планктон. Впрочем, Стиман Нильсен и Хенсен (Steemann Nielsen, Hensen, 1959) рассматривают поверхностный фитопланктон как "световой" в условиях интенсивности радиации 600-1200 л к и как "теневой" в условиях низкой радиации: 200-450 лк. По мнению этих исследователей, зимний поверхностный фитопланктон в умеренном поясе является типичным "теневым". Однако зимний фитопланктон состоит из позднеосенних и ранневесенних видов, которые к "теневым" видам причислять нельзя. Следует признать, что проблема фитосинтеза у диатомовых водорослей пока находится на первоначальной стадии исследования, и по многим актуальным вопросам этой проблемы имеются только отрывочные и непроверенные данные.
Океаны и моря занимают 71% (более 360 млн км2) поверхности Земли. Они содержат около 1370 млн км3 воды. Пять огромных океанов - Тихий, Атлантический, Индийский, Северный Ледовитый и Южный, - связаны друг с другом через открытое море. В некоторых частях Северного Ледовитого и Южного океанов сформировалась всегда замерзшая материковая отмель, тянущаяся от побережья (шельфовый лед). В чуть более теплых районах море замерзает только зимой, образуя паковый лед (большие плавающие ледяные поля толщиной до 2 м). Некоторые морские животные используют ветер для путешествий по морю. У физалии («португальского кораблика») есть наполненный газом пузырь, помогающий ловить ветер. Янтина выпускает воздушные пузырьки, служащие ей плотом-поплавком.Средняя глубина воды в океанах - 4000 м, однако в некоторых океанских впадинах она может достигать 11 тыс. м. Под воздействием ветра, волн, приливов и течений вода океанов находится в постоянном движении. Волны, поднимаемые ветром, не затрагивают глубинные водные массы. Это делают приливы, перемещающие воду с периодичностью, соответствующей фазам Луны. Между океанами воду переносят течения. Поверхностные течения, двигаясь, медленно вращаются по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой стрелки в Южном.
Океанское дно:
Большая часть океанского дна представляет собой плоскую равнину, однако местами над ним на тысячи метров поднимаются горы. Иногда они возвышаются над поверхностью воды в виде островов. Многие такие острова - действующие либо потухшие вулканы. Через центральную часть дна ряда океанов тянутся горные хребты. Они постоянно растут за счет излияния вулканической лавы. Каждый новый поток, выносящий горную породу на поверхность подводных хребтов, формирует рельеф ложа океана.
Океанское дно в основном покрыто песком или илом - их приносят реки. Местами там бьют горячие источники, из которых осаждаются сера и другие минералы. Останки микроскопических растений и животных опускаются с поверхности океана на дно, образуя слой крошечных частиц (органический осадок). Под давлением вышележащей воды и новых осадочных слоев рыхлый осадок медленно превращается в горную породу.
Океанические зоны:
В глубину океан можно разделить на три зоны. В солнечных поверхностных водах наверху - так называемой зоне фотосинтеза - плавает большинство океанских рыб, а также планктон (сообщество из миллиардов микроскопических существ, обитающих в толще воды). Под зоной фотосинтеза лежат более тускло освещенная сумеречная зона и глубокие холодные воды зоны мрака. В нижних зонах встречается меньше форм жизни - там обитают главным образом плотоядные (хищные) рыбы.
В большей части океанской воды температура примерно одинаковая - около 4 °С. При погружении человека вглубь давление на него воды сверху постоянно растет, затрудняя быстрое движение. На больших глубинах, кроме того, температура падает до 2 °С. Света становится все меньше, пока наконец на глубине 1000 м не воцаряется полная темнота.
Жизнь у поверхности:
Растительный и животный планктон в зоне фотосинтеза - это пища для мелких животных, например рачков, креветок, а также молоди морских звезд, крабов и других морских обитателей. Вдали от защищенных прибрежных вод животный мир менее разнообразен, однако здесь живет множество рыб и крупные млекопитающие - например, киты, дельфины, морские свиньи. Одни из них (усатые киты, гигантские акулы) питаются, фильтруя воду и заглатывая содержащийся в ней планктон. Другие (белые акулы, барракуды) охотятся на остальных рыб.
Жизнь в морских глубинах:
В холодных, темных водах океанских глубин животные- охотники способны обнаружить силуэты своих жертв при самом тусклом свете, едва проникающем сверху. Здесь у многих рыб по бокам есть серебристые чешуйки: они отражают любой свет и маскируют форму их владельцев. У некоторых рыб, плоских с боков, силуэт очень узкий, едва заметный. У многих рыб огромный рот, и они могут поедать добычу, превосходящую их размерами. Хаулиоды и рыбы- топорики плавают, разинув свою большую пасть и хватая по пути все, что только смогут.
Биосфера (от греч. «биос» - жизнь, «сфера» -шар) как носитель жизни возникла с появлением живых существ в результате эволюционного развития планеты. Под биосферой подразумевается часть оболочки Земли, населенная живыми организмами. Учение о биосфере создано академиком Владимиром Ивановичем Вернадским (1863-1945). В. И. Вернадский - основоположник учения о биосфере и метода определения возраста Земли по периоду полураспада радиоактивных элементов. Он впервые раскрыл огромную роль растений, животных и микроорганизмов в перемещении химических элементов земной коры.
Биосфера имеет определенные границы. Верхняя граница биосферы находится на высоте 15- 20 км от поверхности Земли. Она проходит в стратосфере. Основная масса живых организмов находится в нижней воздушной оболочке - тропосфере. Наиболее населена самая нижняя часть тропосферы (50-70 м).
Нижняя граница жизни проходит по литосфере на глубине 2-3 км. Жизнь сосредоточена в основном в верхней части литосферы - в почве и на ее поверхности. Водная оболочка планеты (гидросфера ) занимает до 71% поверхности Земли.
Если сравнить величину всех геосфер, то можно сказать, что наибольшая по массе литосфера, наименьшая - атмосфера. Биомасса живых существ по сравнению с величиной геосфер невелика (0,01%). В разных частях биосферы плотность жизни не одинакова. Наибольшее количество организмов находится у поверхности литосферы и гидросферы. Содержание биомассы изменяется также по зонам. Максимальную плотность имеют тропические леса, незначительную - льды Арктики, высокогорные области.
Биомасса. Организмы, составляющие биомассу, обладают громадной способностью размножения и распространения по планете (см. раздел «Борьба за существование»). Размножение обусловливает плотность жизни. Она зависит от размеров организмов и необходимой для жизни площади. Плотность жизни создает борьбу организмов за площадь, пищу, воздух, воду. В процессе естественного отбора и приспособленности на одной площади сосредоточивается большое количество организмов с наибольшей плотностью жизни.
Биомасса суши.
На суше Земли, начиная от полюсов к экватору, биомасса постепенно увеличивается. Наибольшее сгущение и многообразие растений имеет место во влажных тропических лесах. Количество и разнообразие видов животных зависит от растительной массы и тоже увеличивается к экватору. Цепи питания, переплетаясь, образуют сложную сеть передачи химических элементов и энергии. Между организмами идет жесточайшая борьба за обладание пространством, пищей, светом, кислородом.
Биомасса почвы. Как среда жизни почва имеет ряд специфических особенностей: большую плотность, малую амплитуду колебаний температуры; она непрозрачна, бедна кислородом, содержит воду, в которой растворены минеральные соли.
Обитатели почвы представляют своеобразный биоценотический комплекс. В почве много бактерий (до 500 т/га), разлагающих органическое вещество грибов, в поверхностных слоях живут зеленые и сине-зеленые водоросли, обогащающие почву кислородом в процессе фотосинтеза. Толща почвы пронизана корнями высших растений, богата простейшими - амебами, жгутиконосцами, инфузориями. Еще Ч. Дарвин обратил внимание на роль дождевых червей, которые рыхлят почву, проглатывают и пропитывают ее желудочным соком. В почве, кроме того, живут муравьи, клещи, кроты, сурки, суслики и другие животные. Все обитатели почвы производят большую почвообразовательную работу, участвуют в создании плодородия почвы. Многие почвенные организмы принимают участие в общем круговороте веществ, происходящем в биосфере.
Биомасса Мирового океана.
Гидросфера Земли, или Мировой океан, занимает более 2/3 поверхности планеты. Вода обладает особыми свойствами, важными для жизни организмов. Ее высокая теплоемкость делает более равномерной температуру океанов и морей, смягчая крайние изменения температуры зимой и летом. Физические свойства и химический состав вод океана весьма постоянны и создают среду, благоприятную для жизни. На океан приходится около 1/3 фотосинтеза, происходящего на всей планете.
Взвешенные в воде одноклеточные водоросли и мельчайшие животные образуют планктон. Планктон имеет преимущественное значение в питании животного мира океана.
В океане, кроме планктона и свободноплавающих животных, много организмов, прикрепленных ко дну и ползающих по нему. Обитателей дна называют бентосом.
В Мировом океане живой биомассы в 1000 раз меньше, чем на суше. Во всех частях Мирового океана имеются микроорганизмы, разлагающие органические вещества до минеральных.
Круговорот веществ и превращение энергии в биосфере. Растительные и животные организмы, находясь во взаимосвязи с неорганической средой, включаются в непрерывно происходящий в природе круговорот веществ и энергии.
Углерод в природе находится в горных породах в виде известняка и мрамора. Большая часть углерода находится в атмосфере в виде углекислого газа. Из воздуха углекислый газ поглощается зелеными растениями при фотосинтезе. Углерод включается в круговорот благодаря деятельности бактерий, разрушающих мертвые остатки растений и животных.
При разложении растений и животных азот выделяется в виде аммиака. Нитрофицирующие бактерии превращают аммиак в соли азотистой и азотной кислот, которые усваиваются растениями. Кроме того, некоторые азотфиксирующие бактерии способны усваивать атмосферный азот.
Большие запасы фосфора содержат горные породы. При разрушении эти породы отдают фосфор наземным экологическим системам, однако часть фосфатов вовлекается в круговорот воды и уносится в море. Вместе с отмершими остатками фосфаты погружаются на дно. Одна часть из них используется, а другая теряется в глубинных отложениях. Таким образом, наблюдается несоответствие между потреблением фосфора и его возвращением в круговорот.
В результате круговорота веществ в биосфере происходит непрерывная биогенная миграция элементов. Необходимые для жизни растений и животных химические элементы переходят из среды в организм. При разложении организмов эти элементы снова возвращаются в среду, откуда опять поступают в организм.
В биогенной миграции элементов принимают участие различные организмы, в том числе и человек.
Роль человека в биосфере. Человек - часть биомассы биосферы - долгое время находился в непосредственной зависимости от окружающей природы. С развитием мозга человек сам становится мощным фактором в дальнейшей эволюции на Земле. Овладение человеком различными формами энергии - механической, электрической и атомной - способствовало значительному изменению земной коры и биогенной миграции атомов. Наряду с пользой, вмешательство человека в природу нередко приносит ей вред. Деятельность людей часто приводит к нарушению природных закономерностей. Нарушение и изменение биосферы вызывают серьезное беспокойство. В связи с этим в 1971 г. ЮНЕСКО (Организация Объединенных Наций по вопросам образования, науки и культуры), в состав которой входит и СССР, была принята Международная биологическая программа (МБП) «Человек и биосфера», изучающая изменение биосферы и ее ресурсов под воздействием человека.
В статье 18 Конституции СССР сказано: «В интересах настоящего и будущих поколений в СССР принимаются необходимые меры для охраны и научно обоснованного, рационального использования земли и ее недр, водных ресурсов, растительного и животного мира, для сохранения в чистоте воздуха и воды, обеспечения воспроизводства природных богатств и улучшения окружающей человека среды».
| Первый нуклеотид | Второй нуклеотид | Третий нуклеотид |
|||
фенилаланин | |||||
бессмыслен | триптофан |
||||
гистидин | глутамин (глун) | ||||
изолейцин | метионин | ||||
аспарагин (аспн) | |||||
аспарагиновая к-та (асп) | глутаминовая к-та | ||||
Цитологические задачи бывают нескольких типов.
1. В теме «Химическая организация клетки» решают задачи на построение второй спирали ДНК; определение процента содержания каждого нуклеотида и др., например задача № 1. На участке одной цепи ДНК расположены нуклеотиды: Т - Ц - Т-А - Г - Т - А - А - Т. Определить: 1) структуру второй цепи, 2) процент содержания в данном отрезке каждого нуклеотида.
Решение: 1) Структура второй цепи определяется по принципу комплементарности. Ответ: А - Г - А - Т - Ц - А - Т -Т - А.
2) В двух цепочках данного отрезка ДНК 18 нуклеотидов (100%). Ответ: А = 7 нуклеотидов (38,9%) Т=7 — (38,9%); Г =2 - (11,1%) и Ц = 2 — (11,1%).
II. В теме «Обмен веществ и превращения энергии в клетке» решают задачи на определение первичной структуры белка по коду ДНК; структуры гена по первичной структуре белка, например задача № 2. Определить первичную структуру синтезируемого белка, если на участке одной цепи ДНК нуклеотиды расположены в такой последовательности: ГАТАЦААТГГТТЦГТ.
- Не нарушая последовательность, сгруппировать нуклеотиды в триплеты: ГАТ - АЦА - АТГ - ГТТ - ЦГТ.
- Построить комплементарную цепь и-РНК: ЦУА - УГУ - УАЦ - ЦАА - ГЦ А.
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ
3. По таблице генетического кода определить аминокислоты, кодируемые этими триплетами. Ответ: лей-цис-тир-глун- ала. Сходные типы задач решаются аналогично на основе соответствующих закономерностей и последовательности, происходящих в клетке процессов.
Генетические задачи решают в теме «Основные закономерности наследственности». Это задачи на моногибридное, дигибридное скрещивания и другие закономерности наследственности, например задача № 3. При скрещивании между собой черных кроликов в потомстве получено 3 черных кролика и 1 белый. Определить генотипы родителей и потомства.
- Руководствуясь законом расщепления признаков, обозначить гены, определяющие в этом скрещивании проявление доминантных и рецессивных признаков. Черная масть-А, белая - а;
- Определить генотипы родителей (дающих расщепляющееся потомство в отношении 3:1). Ответ: Аа.
- Используя гипотезу чистоты гамет и механизм мейоза, написать схему скрещивания и определить генотипы потомства.
Ответ: генотип белого кролика - аа, генотипы черных крольчат - 1 АА, 2Аа.
В такой же последовательности, используя соответствующие закономерности, решаются другие генетические задачи.
