Hydrobiologia Biologia organizmów wodnych

1. HydrobiologiaBiologia organizmów wodnych Pływalność Ruch Osmoregulacja i jonoregulacja Oddychanie Odżywianie Rozmnażanie i rozwój

2. Pływalność • Każde ciało znajdujące się w wodzie podlega prawom hydrostatyki, a wśród nich prawu Archimedesa. • Gdyby takie ciało miało gęstość równą gęstości wody, to wyparte unosiłoby się przy powierzchni. • Dlatego organizmy, aby żyć w toni wody, muszą mieć gęstość niewiele większą od gęstości wody. • Powoduje to, że organizmy opadają

3. Szybkość opadaniazgodnie z prawem Ostwalda D gdzie: Vo - szybkość opadania k - opór kształtu, w - lepkość wody Dq - nadmiar ciężaru, który wylicza się według równania: qorg - gęstość organizmu, qw - gęstość wody worg - objętość organizmu,

4. Swobodne unoszenie się organizmów w toni wodnej • Ruchy wody – prądy turbulencyjne; • Aktywny ruch organizmów • Tworzy się seston – zawiesina w wodzie • W jego skład wchodzi zawiesina żywa - bioseston lub inaczej plankton, oraz nieżywa - abioseston. Seston nie może unosić się nieskończenie długo. Pomimo wszelkich przystosowań służących do unoszenia się w wodzie, aby być w niej zanurzonym, musi być od niej cięższy, tym samym kiedyś musi opaść na dno.

5. Typy ruchu organizmów wodnych • Aktywne przemieszczanie się organizmów w wodzie polega na: • - ruchu amebowatym, czyli odkształcaniu plazmy, • - ruchu wiciowo-rzęskowym, czyli ruchu odpowiednich wyrostków ciała, • - ruchu za pośrednictwem aparatu mięśniowego.

6. Ruch wiciowo-rzęskowy • Typowy dla organizmów jednokomórkowych roślinnych i zwierzęcych. • Wić wykonuje zwykle ruch drgający lub śrubowy, ciągnąc za sobą cały organizm. Większość organizmów ma tylko jedną wić. Spotyka się także kilka wici o jednakowej lub różnej długości. • Występujące u niektórych organizmów rzęski są tworami podobnymi do wici, ale zwykle ustawionymi w rzędach. Wykonują one ruch falowy, powodujący odpychanie się od wody.

7. Ruch mięśniowy • Oparty jest na zasadzie skurczu i rozkurczu mięśni. • U zwierząt pozbawionych sztywnego szkieletu ruch skurczowo-rozkurczowy mięśni powoduje skracanie lub wydłużanie ciała oraz jego zgięcia na boki. • Najbardziej typowa odmiana ruchu mięśniowego to ten, w którym mięśnie oddziałują na zasadzie dźwigni na kończyny lub, w przypadku ryb, na ogon.

8. Przystosowania organizmów do ruchu w wodzie • U skorupiaków różne typy odnóży są przystosowane do ruchu wiosełkowatego - spłaszczone lub zaopatrzone w rzędy wyrostków przypominają wiosła. • U kręgowców odnóża służące do pływania przypominają też wiosła. • Poruszanie się w wodzie jest trudniejsze niż na lądzie ze względu na większą gęstość środowiska wodnego od gęstości powietrza. Dlatego też w procesie tym istotną rolę odgrywa hydrodynamiczny, czyli opływowy, kształt ciała

9. Hydrodynamiczny (opływowy) kształt ciała • Ciało opływowe ma kształt wrzeciona, w którym najbardziej rozszerzona część jest przesunięta do przodu i znajduje się w mniej więcej 1/3 długości. • Przedni koniec jest zaokrąglony, a tylny wyciągnięty

10. Ruch organizmów zasiedlających dno zbiornika wodnego • Innym przykładem ruchu organizmów wodnych jest zwykły ruch kroczący, typowy dla tych, które zasiedlają dno. • Dla nich, wtedy gdy zamieszkują biotop mobilny, np. potok lub brzeg morza gdzie obecne jest zjawisko płwów, kształt ciała opływowy jest również ważny.

11. Zróżnicowanie roztworu wewnątrz- a zewnątrzkomórkowego • W wodzie tak silnie zasolonej jak morska, ciśnienie osmotyczne wnętrza komórki i otoczenia jest podobne. Zjawisko to nosi nazwę izotonii, a ciśnienie izotonicznego. • U organizmów bytujących w środowisku słodkowodnym większe ciśnienie osmotyczne panuje we wnętrzu komórki niż w otoczeniu. To ciśnienie określa się nazwą hypertonicznego w stosunku do hypotonicznego w środowisku zewnętrznym. • W takim przypadku, gdy ciśnienia te są różne, zachodzi proces zdążający do wyrównania ciśnienia - osmoza.

12. Osmoregulacja – zdolność do wydalania nadmiaru wody • Są organizmów, które mogą zmieniać ciśnienia osmotycznego wraz z wahaniami stężenia soli w środowisku. Są to organizmy poikiloosmotyczne. Do nich zalicza się gąbki, jamochłony, pierścienice, mięczaki i niektóre skorupiaki. • Inne, takie jak bardziej uorganizowane skorupiaki, larwy owadów wodnych oraz ryby, mają zdolność utrzymania mniej więcej stałego ciśnienia osmotycznego, niezależnie od środowiska. Te noszą nazwę organizmów homoioosmotycznych.

13. Przystosowania fukcjonalno-anatomiczne do osmoregulacji • Są różne i zależą od stopnia organizacji. • U pierwotniaków funkcję osmoregulatora spełniają wodniczki tętniące. Wodniczki takie u form morskich występują rzadko, jeśli bytują one w układzie izotonicznym. • U pozostałych grup bezkręgowców rolę taką spełniają narządy wydalnicze o specyficznej budowie. • U niektórych larw owadów (np. Chironomus) rolę taką częściowo spełnia końcowy odcinek jelita.

14. Jonoregulacjagospodarka jonowa • Jonoregulacja, w odróżnieniu od osmoregulacji (zjawiska odpowiedzialnego za gospodarkę wodną w organizmie), dotyczy wymiany elektrolitów między komórką a środowiskiem zewnętrznym. • Każdy organizm wymaga dla zabezpieczenia swoich procesów życiowych pewnej równowagi jonowej. Wobec tego można mówić o bilansie wymiany jonowej,

15. Bilans wymiany jonowej, według Karandajewej gdzie: Co - początkowe stężenie soli, C1 - końcowe stężenie soli, A - różnica między pozyskiwaniem a utratą soli na jednostkę ciężaru ciała, S - osmotycznie czynna przestrzeń, wyliczana z różnicy między ciężarem masy świeżej i suchej, P - ciężar początkowy DP - zmiana ciężaru.

16. Oddychaniew środowisku wodnym • W atmosferze zawartość tlenu jest prawie stała, w wodzie jest uzależniona od warunków fizycznych, a przede wszystkim od temperatury. • Zawartość tlenu podlega ponadto znacznym wahaniom dobowym spowodowanym róż nym natężeniom procesu fotosyntezy w zależności od pory dnia. • Na intensywność procesu oddychania wpływać może stopień zasolenia wody. Jest ono, według Thienemanna, łatwiejsze w wodzie słonej. Forma bałtycka skorupiaka Mysis relicta toleruje w wodzie słonej stężenie 1,6 cm3/l O2, natomiast w wodzie słodkiej nie wytrzymuje 4 cm3/l.

17. Przystosowaniado oddychania w wodzie I • Rośliny i wiele zwierząt wodnych nie ma specjalnych narządów oddechowych i wymiana gazowa odbywa się całą powierzchnią ciała, drogą dyfuzji. Intensywność tego procesu zależy od powierzchni ciała danego organizmu stykającej się z wodą. • Specjalnych narządów oddechowych brak jest u pierwotniaków, gąbek, jamochłonów, wirków, wrotków, niektórych pierścienic i drobnych skorupiaków.

18. Przystosowaniado oddychania w wodzie II • U wielu typowych mieszkańców wód w oddychaniu biorą udział różne narządy wewnętrzne. Meduzy i ukwiały pobierają tlen nie tylko poprzez zewnętrzną ścianę ciała, ale także powierzchnią jamy chłonąco-trawiącej. Strzykwy i larwy ważek wciągają wodę do odbytnicy i wykorzystują zawarty w niej tlen. Podobny typ oddychania jelitowego stwierdzono u wieloszczetów. • Większość organizmów wodnych ma specjalne narządy umożliwiające oddychanie. Są to skrzela i skrzelotchawki.

19. Przystosowaniado oddychania w wodzie III • Zwierzęta wodne wtórnie przystosowane do środowiska wodnego, np. wszystkie ssaki morskie, oddychają powietrzem atmosferycznym. Duża pojemność płuc i inne przystosowania pozwalają im na długie przebywanie pod wodą, np. wieloryb grenlandzki bez odnowienia powietrza w płucach może pływać pod wodą do 20 minut, a kaszalot nawet do półtorej godziny. • Zimą, gdy powierzchnia wody jest zamarznięta, mieszkańcy rejonów biegunowych (np. foki) wykonują stale utrzymywane przeręble umożliwiające im kontakt z atmosferą.

20. Przystosowaniado oddychania w wodzie IV • Owady wodne mają zdolność korzystania z powietrza atmosferycznego. Niektóre z nich wynurzają się z wody i łapią pęcherzyk powietrza skrzydłami. Trzymając bańkę gazu między okrywami skrzydeł a powierzchnią odwłoka - tu mieszczą się przetchlinki - wciągają ją pod wodę. • Wodne ślimaki płucodyszne (błotniarki i zatoczki) również oddychają powietrzem atmosferycznym, dlatego też występują w rejonach płytkowodnych, tuż przy brzegu.

21. Przystosowaniado oddychania w wodzie V • Larwy komarów, np. widliszka, żyją w wodzie uczepione od spodu do błonki napięcia powierzchniowego. Mają w ten sposób ułatwiony kontakt z powietrzem. Tę właściwość biologiczną komarów wykorzystano w metodzie zwalczania malarii za pomocą rozlewów ropy naftowej na powierzchni kałuż i bagien, co powoduje odcięcie dostępu powietrza. • Larwy owadów nakłuwają liście roślin wodnych i wykorzystują tlenu zawartego w przestrzeniach międzykomórkowych.

22. Zapotrzebowanie tlenowe na procesy respiracji (cm3O2/h.100 g biomasy) • Zależy od potrzeb energetycznych ( in- tensywnością ruchu. • Wymagania tlenowe zależą zasadniczo od temperatury wody. Zużycie tlenu stosuje się w pewnej mierze do reguły Vant Hoffa: szybkość reakcji chemicznych zwiększa się dwukrotnie o każde 10oC.

23. Przystosowania do warunków beztlenowych • Bakterie siarkowe, żelaziste i inne czerpią energię z anaerobowego rozkładu materii organicznej. • Wiele gatunków wodnych ma zdolność oddychania śródcząsteczkowego polegającego na rozkładzie glikogenu. Jest to typowe dla zwierząt morskich żyjących na skraju strefy pływów, np. pąkli (Balanus). Przy niskiej wodzie mogą dłuższy czas żyć bez dostępu tlenu, szczelnie zamknięte płytkami swego szkieletu zewnętrznego. Niektóre z larw, np. larwa muchówki z rodzaju Chaoborus, żyją na dnie, czyli w środowisku, gdzie są śladowe ilości lub • nawet brak tlenu. • Stadia przetrwalne po zimowym przebywaniu w mule dennym nie tracą zdolności życiowych.

24. Ekologiczne grupy gatunków ze względu na wymagania tlenowe • Euryoksybionty - organizmy odporne na szerokie wahania zawartości tlenu w wodzie (skorupiaki planktonowe, jak Daphnia pulex, Diaptomus gracilis); • Stenooksybionty, nie znoszące wahań: - polioksybiontyo dużych wymaganiach tlenowych(np. ryby łososiowate, a spośród skorupiaków Mysis relicta), - anoksybionty lub anaerobionty bytujące w środowisku beztlenowym lub ze śladowymi ilościami tlenu, czyli (np. rurecznik Tubifex tubifex żyjący w mule).

25. Podział jezior wg Thienemanna (zawartość tlenu w hypolimnionie latem) • Zbiorniki tanytarsusowe - przewaga w bentosie larw ochotek z grupy Tanytarsus, o dużych wymaganiach tlenowych. Nasycenie tlenem w ponad 50%. Obecne są w nich ryby łososiowate oraz skorupiaki reliktowe, takie jak Mysis relicta. • Zbiorniki chironomusowe - masowy roz- wój larw ochotkowych z grupy Chironomus. Tlenu przy dnie zawsze mniej od 50%, a w wielu przypadkach spada nawet do 0%. Wtedy gdy zawartość tlenu jest mniejsza niż około 5%, larwy ochotek znikają, a jedynym przedstawicielem makrofauny pozostaje larwa Chaoborus.

26. Odżywianie organizmów wodnych • Wyróżnia się dwa typy odżywiania: autotroficzne i heterotroficzne. • Materia organiczna wytwarzana jest w procesie odżywiania autotroficznego w wyniku fotosyntezy, dzięki energii promienistej. • Również w wyniku procesu chemosyntezy powstaje nowa materia organiczna z soli mineralnych przy użyciu energii wyzwolonej podczas rozkładu rozmaitych związków chemicznych.

27. Intensywność fotosyntezy w wodzie zależy od: • ilości światła, • jego zakresu, • powierzchni asymilacyjnej, • ilości i charakteru chemicznego dwutlenku węgla..

28. Ze względu na różną postać CO2 wykorzystywaną w procesie fotosyntezy przez rośliny, Ruttner wydzielił trzy grupy roślin wodnych: • Typ Fontinalis - mchy wodne i krasnorosty; CO2 pobierany jest wyłącznie w stanie molekularnym, rozpuszczonym. • Typ Elodea - liczne zanurzone makrofity; prócz rozpuszczonego CO2 jest pobierany także jon HCO3-, który rozszczepiany jest na CO2 i OH-, co prowadzić może nawet do zmiany pH środowiska. W typie tym pobieranie rozpuszczonego CO2 jest około 5 razy większe od wykorzystania HCO3-. • Typ Scenedesmus - zielenice z planktonu, głównym źródłem dwutlenku węgla jest HCO3-, który jest pobierany około 25 razy więcej niż CO2.

29. Pozyskiwanie pokarmu przez zwierzęta wodne • Zwierzęta pozyskują pokarm na zasadzie fagotrofii, czyli pochłaniania w całości cząstek pokarmowych. • U niewielkiej grupy mało uorganizowanych zwierząt następuje osmotrofia (pasożytnicze pierwotniaki) lub tzw. pinocytoza, czyli wnikanie przez osłony ciała dużych cząstek organicznych.

30. Przystosowania anatomiczne fagotrofów wodnych • Wszystkie fagotrofy mają wykształcone specjalne narządy, które ułatwiają wprowadzanie pokarmu do przewodu pokarmowego. • Ich kształt zależy od wielkości i zagęszczenia pokarmu, sposobu jego zdobywania i od jego jakości.

31. Ze względu na wielkość pokarmu wyodrębnia się dwie grupy zwierząt: • makrofagi, pobierające stosunkowo duży pokarm, niekiedy ich własnych rozmiarów, • mikrofagi, żywiące się pokarmem drobnym, o wiele od nich mniejszym.

32. Przystosowania makrofagów do zdobywania pokarmu • Makrofagi to przede wszystkim drapieżcy oraz niektórzy roślinożercy żywiący się dużymi roślinami. • U drapieżców istotnym elementem przystosowawczym są narządy chwytne, zwykle rozmieszczone niedaleko otworu gębowego. Są to przeważnie czułki, macki lub silne zęby, które służą do schwytania ofiary, przytrzymania jej i ćwiartowania. • Również makrofagi-roślinożercy mają podobne narządy, ale odpowiednio zmodyfikowane.

33. Przystosowania mikrofagówdo zdobywania pokarmu • Pokarm rozproszony w postaci drobnej zawiesiny, aby mógł być wykorzystany jako pożywienie, musi zostać zagęszczony i pobrany. • Odbywa się to dwoma sposobami, albo poprzez sedymentację, albo filtrację, czyli odsączanie

34. Sedymentacja czynna • Zwierzę wywołuje prąd wody w postaci wiru, w wyniku czego cząstki pokarmu napędzane są w okolice otworu pokarmowego i tam się osadzają. Wrotki-aparat wrotny. Orzęski-wiry wody za pomocą rzęsek.

35. Sedymentacja bierna • Wytwarzanie przez zwierzęta różnego typu sit, zastawek itp. w formie narzędzi łownych. Ustawiane są one zwykle w wodzie ruchomej, np. płynącej. Wskutek przemieszczania się wody na sitach osadza się zawiesina, która jest zjadana razem z zastawionymi uprzednio sitami

36. Filtracja i filtratorzyczynne zdobywanie pokarmu I • U wioślarek aparat filtracyjny tworzą spłaszczone odnóża zaopatrzone w wyrostki ze szczecinami, w postaci jakby grzebienia. Przy odpowiednim ustawieniu odnóży tworzy się układ sit zatrzymujących cząsteczki pokarmowe, które przesuwane są następnie w kierunku otworu gębowego.

37. Filtracja i filtratorzyczynne zdobywanie pokarmu II • U rozwielitek, dzięki odpowiedniemu ustawieniu odnóży, tworzą się komory, które są na przemian napełniane wodą i opróżniane.

38. Filtracja i filtratorzyczynne zdobywanie pokarmu III • Typowymi filtratorami morskimi są wieloryby fiszbinowe. Nabierają one w ogromną paszczę wodę, która następnie wypychana językiem przesącza się przez sita fiszbinów. Osadzony w nich kryl jest następnie zjadany.

39. Specyficzne grupy mikrofagów • Małże pozyskujące pokarm z wody dostającej się syfonem wpustowym do jamy płaszczowej- sedymentatorzy. • Ślimaki żywią się peryfitonem - skrobacze. • Zwierzęta żyjące na dnie i żywiące się mułem - masojady.Skąposzczety i wieloszczety. Rureczniki żerują w osadach na głębokości do 3 m, zaś larwy ochotek żywią się mikroglonami żyjącymi na powierzchni mułu.

40. Racja pokarmowai wskaźnik nasycenia • Pobrany pokarm musi pokryć wydatki energetyczne • Każdy organizm potrzebuje w określonym czasie odpowiedniej ilości pokarmu, czyli racji pokarmowej. • Przewód pokarmowy może być napełniony kilka razy w ciągu doby, zależy to od pojemności przewodu oraz rodzaju pożywienia. • Ciężar napełnionego jednorazowo przewodu pokarmowego wyrażony w procencie masy ciała zwierzęcia nazywa sięwskaźnikiem nasycenia. • Z wartości tego wskaźnika (n) i czasu potrzebnego na przejście jednorazowego napełnienia przez przewód (t) można wyliczyć dobową rację pokarmową: • R=24n/t.

41. Od czego zależy wielkośćracji pokarmowej • Wielkość racji pokarmowej świadczy o intensywności odżywiania. • U filtratorów tempo filtracji zależy od takich czynników zewnętrznych, jak: temperatura, światło oraz zagęszczenie pokarmu w wodzie. • Racja pokarmowa jest zależna od wielkości organizmu, a tym samym jego ciężaru.Zwykle jest duża u mniejszych, a spada u większych. • Zmiana racji pokarmowej może być także spowodowana raptownym przejściem na inny rodzaj pokarmu. • Skoro intensywność odżywiania zależy od warunków środowiskowych, a przede wszystkim temperatury oraz nasycenia wody tlenem, to tak jak te czynniki, wykazuje ona rytmiczność dobową i sezonową.

42. Wybiórczość pokarmowawskaźnik Szorygina • I = b/a • a - procentowa zawartość danego składnika pokarmowego w środowisku (np. w sestonie), • b - procentowa zawartość tego składnika w przewodzie pokarmowym (np. żołądku drapieżnika). • Gdy w planktonie zjadany gatunek np. wioślarki stanowi 50%, a w żołądku ryby zaledwie 5%, wówczas wskaźnik I = 0,1. Jest on mały, więc można sądzić, że albo ryba ta specjalnie nie wybiera rozwielitki, albo rozwielitka ma zdolność jej unikania.

43. Wskaźniki wybiórczości i unikaniawedług Konstantinowa • Wskaźnik wybiórczości Konstantinowa. • I = (a-b)/a • Wskaźnik unikania Konstantinowa. • I' = (a-b)/b • Wskaźnik wybiórczości przyjmuje wartości od 0 do 1, a unikania od 1 do nieskończoności.

44. Ekologiczne grupy zwierzątze względu na wybiórczość pokarmową • - polifagi lub euryfagi zwierzęta wszystkożerne, • - monofagi lub stenofagi żerujące na jednym typie pokarmu. • Do monofagów zalicza się organizmy roślinożerne (fitofagi) lub zwierzęcożerne (zoofagi), które dalej można zróżnicować, np. z grupy ryb planktonożernych niektóre żywią się jedynie wioślarkami. • Wybiórczość pokarmowa jest cechą wrodzoną, może się ona jednak zmieniać w różnych okresach roku i także w różnych fazach cyklu rozwojowego.

45. Odżywianie bakterii • Specyficzny mechanizm odżywiania występuje u bakterii - wydzielone są trzy grupy: • fotoautotroficzne, • chemoautotroficzne • heterotroficzne. • Dwie pierwsze grupy to bakterie samożywne, przy czym fotoautotrofy przyswajają dwutlenek węgla na świetle, a chemoautotrofom światło w tym procesie nie jest niezbędne.

46. Bakterie fotoautotroficzne –specyfika odżywiania • Bakterie fotoautotroficzne mają barwniki do przeprowadzenia fotosyntezy, która różni się od fotosyntezy roślin zielonych tym, że wodór nie pochodzi z rozkładu wody a z innych zredukowanych związków np. z siarkowodoru (H2S), kwasów organicznych lub innych związków organicznych • W tej grupie bakterii intensywność fotosyntezy zależy od natężenia światła, stężenia CO2, temperatury wody i stężenia dostawcy wodoru.

47. Bakterie fotoautotroficznebarwniki asymilacyjne • . Barwniki asymilacyjne w tej grupie bakterii to: • - bakteriowirydyna - barwnik zielony, podobny do chlorofilu a, o niejasnej budowie chemicznej; • - bakteriopurpuryna - barwnik czerwony, zbliżony do karotenoidów; • - bakteriochlorofil - barwnik zielony, zbliżony do chlorofilu a, o sumarycznym wzorze C55H74O6N4Mg (wzór chlorofilu a - C55H72O5N4Mg).

48. Typy bakterii fotoautotroficznychI • Wśród fotoautotrofów wyróżnia się bakterie zielone (Chlorobacteriaceae) z bakteriowirydyną i bakterie purpurowe (Thiorhodaceae) z bakteriochlorofilem lub bakteriopurpuryną. • Wymagają one mineralnych dostawców wodoru do procesu fotosyntezy, która przebiega zgodnie z reakcją: • CO2 + 2H2S ------ energia świetlna (+ 30,2 cal) ------> (CH2O) + H2O + 2S

49. Typy bakterii fotoautotroficznychII • Istnieje grupa bakterii purpurowych bezsiarkowych (Athiorhodaceae), które wykorzystują wodór z kwasów organicznych. Schematycznie proces fotosyntezy u bakterii fotoautotroficznych (siarkowych i bezsiarkowych) przebiega następująco: • CO2 + 2H2A ------ energia świetlna------> (CH2O) + H2O + 2A • gdzie: • - u bakterii siarkowych A = S (siarka) • - u bakterii bezsiarkowych A = R (rodnik organiczny).

50. Bakterie chemoautotroficznespecyfika odżywiania • Bakterie chemoautotroficzne do rozszczepienia CO2 wykorzystują energię procesów egzotermicznych, które same stymulują. Ta uwolniona energia spożytkowana jest do asymilacji CO2 przez bakterie; jest to proces endotermiczny i przebiega według schematu: • CO2 + H2O ------> (CH2O) + O2 - 113 kcal • Ponieważ energia ta pochodzi z reakcji chemicznych, przyjęto określać ten proces nazwą chemosynteza. • W zależności od związków, które podlegają utlenianiu, bakterie nazwano siarkowymi, żelazowymi, manganowymi, wodorowymi, metanowymi itp.