Глава 2. Вода как среда обитания
Животные, о которых идет речь в этой книге, приспособлены к условиям жизни в воде, наложившим определенный отпечаток на их морфологию, физиологию и историю развития. Для того чтобы разобраться в особенностях этих приспособлений, необходимо ясно представлять те качества, которыми обладает вода как среда обитания, знать ее физические и химические свойства.
Дестиллированная химически чистая вода представляет прозрачную жидкость, лишенную цвета и запаха. При 15°С вода в 815 раз тяжелее воздуха при той же температуре.
Плотность воды изменчива. Наибольшего значения она достигает при +4° С; при этой температуре при нормальном напряжении силы тяжести, то есть на уровне моря на 45° географической широты местности, 1 см3 воды весит в пустоте ровно 1 гр., а 1 литр воды - 1 килограмм. При повышении температуры от 4° до 100° или при понижении ее от 4° до 0° плотность воды уменьшается; при t° в 1° один кубический см воды весит 999,9 мг, при 50° - 988,3 мг, при 100°- 958,7 мг. При 100° вода закипает, то есть переходит из жидкого состояния в газообразное. При 0° вода замерзает, то есть переходит из жидкого состояния в твердое. При этом плотность ее резко падает: 1 см3, льда при 0° весит 916,7 мг; объём воды при превращении в лёд увеличивается на 10%. Такого рода аномалия воды имеет большое значение для жизни в ней организмов: лёд, будучи легче воды, не погружается вниз, а всплывает, поэтому при замерзании водоёмы лишь сверху покрываются ледяной корой, а под нею сохраняется вода в жидком состоянии, в которой зимует богатый и разнообразный мир пресноводных организмов.
Лёд, как и вода, являются плохими проводниками тепла; толщина ледяной коры зависит от характера водоёма, от широты места и климата. Лужи, а в суровом климате мелкие пруды, речки и небольшие озера промерзают до дна или почти до дна.
Весной при таянии ледяного покрова и нагревании верхних слоев воды вместе с повышением температуры от 0° до 4° вода по мере нагревания становясь тяжелее, опускается вниз, а на ее место поднимаются более холодные ниже лежащие слои воды. Таким образом, в толще воды возникают конвекционные токи, которые способствуют равномерному ее прогреванию весной. Когда температура поверхности воды поднимется выше 4°, конвекционные токи прекращаются, и в стоячих водоемах возникает летняя температурная слоистость. При этом температура воды понижается от поверхности водоёма к его дну. Ветер часто нарушает температурную слоистость и перемешивает толщу воды водоёма. В реках перемешивание воды непрерывно осуществляется течением.
Осенью по мере падения температуры верхних слоев воды плотность её увеличивается, и в водоёме снова возникают вертикальные тока, которые приводят к равномерному охлаждению всей толщи воды до 4°; после этого вертикальные токи прекращаются, и охлаждаемая ниже 4° вода остается на поверхности, до тех пор, пока водоём на замерзнет.
Теплоёмкость воды очень велика. Чтобы нагреть 1 килограмм воды на 1° требуется тепла в 30 раз больше, чем для 1 кг ртути; поэтому изменения температуры воды отличаются постепенностью, что также представляет очень важную особенность воды, как среды обитания населяющих её организмов.
Несмотря на постепенность, изменения температуры воды её сезонные колебания существенно отражаются на жизни организмов. Летом сильно увеличивается испарение воды. Последнее может повести к полному исчезновению таких водоёмов, как лужи, мелкие пруды и речки и микроводоёмы, образующиеся в дуплах деревьев и в пазухах листвы. Часть обитателей пересыхающего водоёма гибнет вместе с его исчезновением, другая часть сохраняется в виде покоящихся стадий и снова возвращается к деятельной жизни по мере заполнения водоёма, водой.
Благодаря весу вода оказывает на заключающихся в ней животных давление, которое увеличивается с высотой столба воды, находящегося над животным, то есть с глубиною, на которой оно находится. Глубоководные животные, будучи приспособлены к постоянной жизни при высоком давлении, гибнут, если попадают в верхние слои водоема или вовсе будут вынуты на время из воды. В частности у морских глубоководных рыб газы, сдавленные в плавательном пузыре до уравновешивания окружающего давления, расширяются и выдавливают изо рта рыбы часть ее внутренностей; чешуя при этом топорщится. Пресноводные животные не живут на таких глубинах и не испытывают на себе столь высоких давлений, потому что населенные ими водоёмы в большинстве своем мелководны. На земном шаре существует всего 29 озёр с максимальной глубиной 325 м и выше (Из озёр СССР в число этих глубочайших озёр мира входит только четыре (Байкал - 1741 м, Каспийское озеро-море - 946 м, Иссык-куль - 702 м и Телецкое озеро на Алтае - 325 м)). Такие глубины для водных организмов не столь значительны, и у населяющих их животных описанных выше явлений не наблюдается.
Большое значение в жизни водных обитателей имеет удельный вес их тела, от чего зависит характер их плавания. Вода обладает значительной подъёмной силой, и те животные, удельный вес тела которых равен единице, оказываются взвешенными в воде; животные с удельным весом тела меньшим единицы пассивно всплывают в ней, а с удельным весом большим единицы тонут.
Такие животные, чтобы не упасть на дно, должны одолеть свой остаточный вес (Остаточный вес водного животного представляет разность веса его тела и веса вытесненной им воды), затратив на то мускульное усилие или уменьшив свой удельный вес, что свойственно некоторым водным животным.
Подъёмная сила облегчает передвижение животных в водной среде, вязкость воды затрудняет его. От вязкости воды зависит сопротивление, которое оказывает она движущемуся в ней предмету. Получить об этом наглядное представление можно по собственному опыту: стоит только сравнить легкость передвижения шагом по земле при безветрии, и трудность ходьбы по дну реки, если вода доходит до шеи. О беге в таком случае нечего и думать. Типичным водным обитателям постоянно приходится испытывать на себе действие вязкости воды; при этом хорошие пловцы преодолевают его при помощи особой формы тела, приспособленной к разрезанию воды; у рыб, например, тело сплющено с боков и заострено спереди; у некоторых водных жуков и клопов оно сжато сверху вниз. Микроскопические животные с малым остаточным весом, населяющие толщу воды (планктон), используют вязкость воды, как положительный фактор среды, препятствующий погружению вниз их маленького тела. Это препятствие еще более возрастает с увеличением поверхности тела при помощи различных шипов и выростов, присущих многим планктонным организмам.
При соприкосновении с воздушной средой на поверхности воды образуется плёнка поверхностного натяжения. Силу поверхностного натяжения выражают в динах, относя ее к воображаемому отрезку прямой в 1 см длины, проходящей в поверхностной пленке воды. В химически чистой воде сила поверхностного натяжения при 0° равна 75,6 дин/см, при 18° - 72,9 дин/см, при 30° - 71,2 дин/см. В природных водах естественных водоёмов величины эти несколько ниже.
В существовании пленки поверхностного натяжения легко убедиться при помощи простого опыта с иглой, осторожно опущенной на поверхность воды в стакане. Поверхностная плёнка удерживает на себе иголку, и последняя не тонет. Опыт удается еще лучше, если иголка смазана жиром, который не смачивается водой. С этим физическим свойством воды связываются некоторые особенности организации ряда водных животных. Так, у клопов-водомерок, живо снующих по поверхности воды, лапки ног покрыты волосками, которые не смачиваются водой. Благодаря этому ноги такого клопа превращены в своеобразные водяные лыжи, не дающие насекомому потонуть, хотя тело его и несколько тяжелее воды. Свойство несмачивания водой всего тела или ограниченных участков его поверхности имеет большое значение для тех водных животных, которые, обитая в толще воды, пользуются для дыхания воздухом атмосферы. Такие животные, прикасаясь несмачиваемым участком тела к поверхностной пленке воды, как бы пробивают в ней отверстие, ведущее в воздушную среду. Благодаря этой особенности личинки комаров, например, подвешиваются к поверхности воды своими несмачиваемыми водой пальмовидными волосками и стигмальными пластинками.
При соприкосновении с твердой средой вода дает явления капиллярности: в стеклянной трубке диаметром в 1 мм вода поднимается почти на 15,5 мм. Это свойство косвенно отражается и на животном населении водоёма. Вследствие капиллярности вода пронизывает и делает влажными рыхлые породы, образующие берега водоёма; сюда-то и забираются личинки некоторых водных насекомых, чтобы проделать в покое конечную часть своего развития, а именно окукление и вылет взрослого насекомого.
Вода обладает прозрачностью, что позволяет световым лучам проникать в толщу воды на некоторую глубину. Прозрачность воды в природных водоёмах значительно уменьшается вследствие присутствия в ней механических примесей; прозрачность мутной воды совершенно незначительна. В больших и чистых озёрах с наиболее высокой прозрачностью воды солнечный свет проникает до глубины 170 м. Но на такую большую глубину проникает лишь очень слабый свет, который можно уловить лишь наблюдая действие его на фотографическую пластинку. Вода вообще довольно быстро поглощает световые лучи, и сила света с глубиною уменьшается: на глубину 1 м проникает лишь 52% света, на глубину 7 м - 31%, а на глубину 11 м - 20%. Таким образом, освещение даже верхней толщи водной среды значительно ослаблено, и слои воды, лежащие на глубине 5-10 м в яркий солнечный день освещены лишь сравнительно слабым, как бы сумеречным светом. Плавающие на поверхности воды листья водных растений и заросли погруженных макрофитов, как и разные механические взвеси в воде, еще более ослабляют силу освещения скрытых под ними слоев воды; на дне пруда, заросшего покровом ряски, почти совершенно темно. С другой стороны - мелкие открытые водоёмы, как например, весенние и дождевые лужи, мелкое открытое побережье озёр и рек, хорошо освещаются солнцем до самого дна.
В небольшом объёме чистая вода кажется бесцветной; в толстом слое она голубого цвета, - это явление наблюдается в химически чистой воде, а также в некоторых природных водоёмах с достаточно чистой водой, как, например, в горных озёрах или в озёрах с ключевым питанием. Чтобы заметить это, достаточно опустить в воду какой-нибудь белый предмет, например, белую фарфоровую тарелку, укрепленную в горизонтальном положении на бичевке или палке; при опускании на некоторую глубину белая пластинка приобретает ясный голубой оттенок большей или меньшей густоты. В других водоёмах в зависимости от растворенных в воде веществ и мелких механических взвесей вода приобретает зеленый, желтый, бурый, а иногда даже коричневый цвет.
Вода является хорошим растворителем для разных веществ, в частности для воздуха; химически чистой воды в естественных условиях быть не может. Соприкасаясь с атмосферой, поверхность водоёма поглощает составляющие её газы, но не в той пропорции, в какой они представлены в воздухе - кислород поглощается водой энергичнее, чем азот. Атмосферный воздух содержит в ста частях 21 часть кислорода, 79 частей азота и ничтожную примесь углекислоты (0,03%); воздух же, растворённый в воде, состоит из 34 частей кислорода, 64 частей азота и около 2% углекислоты. Объёмное содержание кислорода к азоту в атмосфере равно почти 1:4; в воздухе, растворенном в воде, эта пропорция возрастает до 1:2.
При кипячении вода лишается заключавшихся в ней газов и снова их приобретает, если постоит некоторое время на воздухе открытой.
Способность воды растворять воздух есть важнейшее условие жизни в ней. Некоторые животные, хоть и живут в воде, но дышат атмосферным воздухом; для дыхания эти животные поднимаются на поверхность водоёма (например, личинки комаров, жуки плавунцы). Другие животные более тесно связаны с водой и для дыхания могут пользоваться только кислородом, растворенным в воде, для потребления которого им служат особые водные органы дыхания (жабры). В атмосферном воздухе такие существа скоро гибнут; равным образом они погибают и в остуженной кипяченой воде. Заметим здесь, что следует строго различать кислород, растворённый в воде, и кислород, который в соединении с водородом образует самую воду (Н2О). Этот так называемый конституционный кислород не может быть извлечен животным из воды, и для дыхания он совершенно бесполезен.
Указанные количественные соотношения газов, растворённых в воде, относятся к тому случаю, когда источником их поступления является атмосферный воздух. Такие соотношения принято называть нормальными. В естественных условиях кислород, растворённый в воде, энергично тратится на дыхание животных и растений и на процессы гниения органического вещества; при этом кислород (в толще воды распределяется неравномерно: в верхних слоях воды его бывает больше, а в придонных, где процессы гниения совершаются энергичнее, - меньше. Разницу между наблюдаемым количеством кислорода и нормальным его содержанием в воде при данных температуре и давления принято называть дефицитом кислорода; дефицит кислорода на поверхности воды при соприкосновении её с воздушной атмосферой обычно бывает невелик, по направлению к дну водоёма он постепенно возрастает. Иначе дело обстоит с содержанием углекислоты; в процессах дыхания и гниения углекислоты выделяется так много, что этот газ почти всегда содержится в воде, в количестве значительно превышающем нормальное её содержание.
Соотношения существенно меняются летом в богатых растительностью водоёмах. Зеленые растения на свету в процессе фотосинтеза потребляют свободную углекислоту в водоёме и выделяют кислород. В яркие солнечные дни в тёплое время года в зарослях зеленых растений количество кислорода может значительно превышать нормальное; в таких случаях принято говорить об избытке кислорода или перенасыщении им воды. В солнечные дни в прозрачной воде можно видеть, как выделяемый растениями кислород в виде мельчайших пузырьков скопляется на поверхности их листьев. Свободная углекислота при таких условиях иногда нацело потребляется.
Зимой, когда зеленые растения отмирают, а ледяная кора изолирует воду от атмосферы, пополнение запасов кислорода в воде прекращается; в неглубоких стоячих водоемах запасы кислорода иногда нацело потребляются, и в обескислороженной воде таких водоёмов наступает состояние "замора". Рыбы в "заморных" водоёмах ищут спасения около прорубей или проталин в ледяной коре, образующихся вблизи впадения ключей, а если не находят себе таких отдушин, нередко гибнут массами.
Сходное явление наблюдается и летом, если поверхность водоёма каким-нибудь иным путем будет изолирована от доступа к ней воздуха, например, путем разрастания плавающих на поверхности воды растений. В прудах, затянутых сплошным покровом ряски, количество кислорода резко снижается, а у дна нередко совершенно исчезает. Зачерпывая воду таких прудов, можно ясно уловить в ней запах сероводорода, образовавшегося при гниении органического вещества, присутствие которого свидетельствует о полном или почти полном потреблении кислорода в воде.
При взаимодействии с породами, слагающими бассейн, берега, и ложе водоёма, и под влиянием отмирающих растительных и животных организмов природные воды всегда содержат некоторое количество растворенных минеральных и органических веществ. Количество тех и других обычно бывает невелико и измеряется миллиграммами на литр воды.
Минеральные соли в воде находятся в растворе в виде их мельчайших составных частиц-ионов, имеющих положительный или отрицательный заряд (катионы и анионы). В природной пресной воде в существенных количествах встречаются из катионов: ионы кальция (Са"), магния (Mg") и натрия (Na')5 а из анионов: гидрокарбонатный ион (НСО'3), сульфатный ион (SO"4) и хлоридный ион (СL'). В пресных водах количество этих ионов сравнительно невелико, и сумма их редко превышает 500 мг/л. От содержания в пресной воде ионов кальция и магния зависит важное в практическом отношении качество воды - ее жесткость. В жесткой воде плохо разваривается пища и мылится мыло, а в котлах при кипячении остается накипь.
Кроме перечисленных главнейших ионов природной пресной воды, в ней присутствуют очень важные для развития растительных организмов ионы: нитратный ион (N0'3), нитритный ион (N0'2), ион аммония (NH4), фосфатные ионы (НРО"4 и Н2Р0'4) и кремний (Si). Эти элементы, присутствующие в пресной воде в очень малых количествах (менее 1 мг/л, а часто в сотых долях мг/л), определяют возможность развития жизни в водоёме и в первую очередь водной растительности, в частности микроскопических водорослей, населяющих толщу воды (фитопланктон). Присутствие названных ионов в воде играет ту же роль для вегетации водной зеленой растительности, что и наличие удобрения в почве для её плодородия.
Животный мир в воде, как и на суше, тесно связан с растительным. Поэтому водоёмы с большим запасом биогенных химических веществ обладают богатой жизнью, а бедные ими имеют слабое развитие жизненных процессов.
Водоёмы суши разделяются на текучие и стоячие. Главное внимание в этой книге уделено мелким стоячим водоёмам (лужи, пруды, водоёмы поймы, неглубокие озёра) и медленно текущим небольшим речкам. В этих хорошо прогреваемых водоёмах в летнее время развивается богатая флора и фауна, и их животные обитатели легко могут быть добыты при помощи тех простых методов сбора, которые были описаны выше.
