Внеклассное мероприятие по биологии и экологии: Что? Где? Когда? "Мир вокруг нас". Особенности, краткое описание и группы водных животных
Этот раздел будет посвящен прежде всего рыбам и амфибиям. Никто не стал бы отрицать, чТо киты и морские черепахи тоже водные животные, но о них речь пойдет в другом контексте. Они происходят от наземных.предков и дышат воздухом, поэтому удобнее рассматривать их как наземных животных, обитающих в среде, где нет пресной воды.
Основные стратегии, используемые водными позвоночными» будут понятны из рассмотрения табл. 9.6. В ней приведены примеры как морских, так и пресноводных позвоночных. Морские представители четко делятся на две группы: те, у кого осмотические концентрации такие же, как в морёной воде, или немного выше (миксияы, пластиножаберные, Latimeria и крабоядная лягушка), и те, у кого они примерно в три раза ниже, чем в морской воде (миноги, костистые рыбы). Для первой группы сохранение водного баланса не составляет серьезной проблемы, так как при равенстве внутренней и внешней концентраций осмотического тока воды нет. Напротив, явно гипооомютичным.животным постоянно угрожает утечка воды в осмотически более концентрированную среду. Таким образом, осмотические проблемы и способы их решения у разных морских позвоночных совершенно различны. С другой стороны, у всех пресноводных позвоночных концентрация солей в жидкостях тела всего лишь в 3-4 раза меньше, чем в морской воде; поэтому они гиперосмотичны по отношению к среде и в принципе сходны с пресноводными беспозвоночными.
Концентрация важнейших растворенных веществ (в миллимолях иа литр) в морской воде и в плазме крови некоторых водных позвоночных
Таблица 9.6
| Среда обитания | Na | Вещество к | Моче вина!) | Осмоти ческая концентра ция, мрсмоль/л |
Морская вода | | -450 | 10 | 0 | ~1000 |
Круглоротые Миксииа (Мух1пе)2) | Море | 549 | и | | 1152 |
Минога Petromyzon3gt; | Море | | | | 317 |
Минога Lampetra2gt; | Пресная | 120 | 3 | lt;1 | 270 |
| вода | | | | |
Пластиножабериые | | | | | |
Скат Raja2) 1 | Море | 289 | 4 | 444 | 1050 |
Акула Squalus2gt; | Море | 287 | 5 | 354 | 1000 |
Пресноводный скат Pota- | Пресная | 150 | 6 | lt;1 | 308 |
motrygon4gt; | вода | | | | |
Целакант Latimeria2’5gt; | Море | 181 | | 355 | 1181 |
Костистые рыбы | | | | | |
Золотая рыбка (Caras- | Пресная | 115 | 4 | | 259 |
sius)*gt; | вода | | | | |
Opsanus2gt; | Море | 160 | 5 | | 392 |
Угорь (Anguilla)2^ | Пресная | 155 | 3 | | 323 |
| вода | | | | |
| Море | 177 | 3 | | 371 |
Лосось (Salmo)2) | Пресная | 181 | 2 | | 340 |
| вода | | | | |
| Море | 212 | 3 | | 400 |
Амфибии | | | | | |
Лягушка (Rana)6gt; | Пресная | 92 | 3 | ~1 | 200 |
| вода | | | | |
Крабоядная лягушка | Море | 252 | 14 | 350 | 8308) |
(R. cancrivora)7) | | | | | |
’) Там, где цифры для мочевины не | даны, ее | концентрация составляет около | 1 ммоль/л |
и осмотически несущественна. Величины для ската, акулы и целаканта включают окись триметнламнна. Bentley, 1971. Robertson, 1954.
*) Thorson et ah, 1967. Lutz, Robertson, 1971. Mayer, 1969. Gordon et ah, 1961.
a) Величины для лягушек, находящихся в среде с осмотической концентрацией около 800 мосмоль/л (Vs концентрации обычной морской воды).
Основные среды жизни
Условия обитания различных видов удивительно разнообразны. Одни из них, например некоторые мелкие клещики или насекомые, всю жизнь проводят внутри листа растения, который для них - целый мир, другие осваивают огромные и разнообразные пространства, как, например, северные олени, киты в океане, перелетные птицы.
В зависимости от того, где живут представители разных видов, на них действуют разные комплексы экологических факторов . На нашей планете можно выделить несколько основных сред жизни, сильно различающихся по условиям существования: водную, наземно-воздушную, почвенную. Средой обитания служат также сами организмы, в которых живут другие.
Водная среда жизни . Все водные обитатели, несмотря на различия в образе жизни, должны быть приспособлены к главным особенностям своей среды . Эти особенности определяются прежде всего физическими свойствами воды: ее плотностью, теплопроводностью, способностью растворять соли и газы.
Рис.16. Разнообразные организмы, составляющие морской планктон
Плотность воды определяет ее значительную выталкивающую силу. Это значит, что в воде облегчается вес организмов и появляется возможность вести постоянную жизнь в водной толще, не опускаясь на дно. Множество видов, преимущественно мелких, неспособных к быстрому активному плаванию, как бы парят в воде, находясь в ней во взвешенном состоянии. Совокупность таких мелких водных обитателей получила название планктон. В состав планктона входят микроскопические водоросли , мелкие рачки, икра и личинки рыб, медузы и многие другие виды (рис. 16). Планктонные организмы переносятся течениями не в силах противостоять им. Наличие в воде планктона делает возможным фильтрационный тип питания, т. е. отцеживание, при помощи разных приспособлений, взвешенных в воде мелких организмов и пищевых частиц. Оно развито и у плавающих, и у сидячих донных животных, таких, как морские лилии, мидии, устрицы и другие. Сидячий образ жизни был бы невозможен у водных обитателей, если бы не было планктона, а он, в свою очередь, возможен только в среде с достаточной плотностью.
1 - скумбрия
2- меч-рыба
3 - акула
4 - тунец
Рис.17. Бысто плавающие рыбы.
Плотность воды затрудняет активное передвижение в ней, поэтому быстро плавающие животные, такие, как рыбы, дельфины, кальмары, должны иметь сильную мускулатуру и обтекаемую форму тела (рис. 17). В связи с высокой плотностью воды давление с глубиной сильно растет. Глубоководные обитатели способны переносить давление, которое в тысячи раз выше чем на поверхности суши.
Свет проникает в воду лишь на небольшую глубину, поэтому растительные организмы могут существовать только в верхних горизонтах водной толщи. Даже в самых чистых морях фотосинтез возможен лишь до глубин в 100-200 м. На больших глубинах растений нет, а глубоководные животные обитают в полном мраке.
Температурный режим в водоемах более мягок, чем на суше. Из-за высокой теплоемкости воды колебания температуры в ней сглажены, и водные обитатели не сталкиваются с необходимостью приспосабливаться к сильным морозам или сорокаградусной жаре. Только в горячих источниках температура воды может приближаться к точке кипения.
Одна из сложностей жизни водных обитателей - ограниченное количество кислорода . Его растворимость не очень велика и к тому же сильно уменьшается при загрязнении или нагревании воды. Поэтому в водоемах иногда бывают заморы - массовая гибель обитателей из-за нехватки кислорода, которая наступает по разным причинам.
Солевой состав среды также очень важен для водных организмов. Морские виды не могут жить в пресных водах, а пресноводные - в морях из-за нарушения работы клеток.
Наземно-воздушная среда жизни. Эта среда отличается другим набором особенностей. Она в целом более сложна и разнообразна, чем водная. В ней много кислорода, много света, более резкие изменения температуры во времени и в пространстве, значительно слабее перепады давления и часто возникает дефицит влаги. Хотя многие виды могут летать, а мелкие насекомые, пауки, микроорганизмы, семена и споры растений переносятся воздушными течениями, питание и размножение организмов происходит на поверхности земли или растений. В такой малоплотной среде, как воздух, организмам необходима опора. Поэтому у наземных растений развиты механические ткани, а у наземных животных сильнее, чем у водных, выражен внутренний или наружный скелет. Низкая плотность воздуха облегчает передвижение в нем. Активный и пассивный полет освоили около двух третей обитателей суши. Большинство из них - насекомые и птицы.
Воздух - плохой проводник тепла. Этим облегчается возможность сохранения тепла, вырабатываемого внутри организмов, и поддержание постоянной температуры у теплокровных животных. Само развитие теплокровности стало возможным в наземной среде. Предки современных водных млекопитающих - китов, дельфинов, моржей, тюленей - когда-то жили на суше.
У наземных обитателей очень разнообразны приспособления, связанные с обеспечением себя водой, особенно в засушливых условиях. У растений это мощная корневая система (рис. 18), водонепроницаемыи слои на поверхности листьев и стеблей, способность к регуляции испарения воды через устьица. У животных это также различные особенности строения тела и покровов, но, кроме того, поддержанию водного баланса способствует и соответствующее поведение. Они могут, например, совершать миграции к водопоям или активно избегать особо иссушающих условий. Некоторые животные могут жить всю жизнь вообще на сухом корме, как, например, тушканчики или всем известная платяная моль. В этом случае вода, необходимая организму, возникает за счет окисления составных частей пищи.
В жизни наземных организмов большую роль играют и многие другие экологические факторы, например состав воздуха, ветры, рельеф земной поверхности. Особо важны погода и климат. Обитатели наземно - воздушной среды должны быть приспособлены к климату той части Земли, где они живут, и переносить изменчивость погодных условий.
(1912-1985)
крупный зоолог, эколог,
академик
, основоподажник широких исследований мира почвенных животных
Почва как среда жизни. Почва представляет собой тонкий слой поверхности суши, переработанный деятельностью живых существ. Твердые частицы пронизаны в почве порами и полостями, заполненными частично водой, а частично воздухом, поэтому почву способны населять и мелкие водные организмы. Объем мелких полостей в почве - очень важная ее характеристика. В рыхлых почвах он может составлять до 70% , а в плотной - около 20% (рис. 19). В этих порах и полостях или на поверхности твердых частиц обитает огромное множество микроскопических существ: бактерий, грибов, простейших, круглых червей, членистоногих (рис. 20-22). Более крупные животные прокладывают в почве ходы сами. Вся почва пронизана корнями растений. Глубина почвы определяется глубиной проникновения корней и деятельностью роющих животных. Она составляет не более 1,5-2 м.
рис.21.
микроскопический почвенный гриб мукор
Рис. 22.
микроскопический почвенный гриб пеницилл
Воздух в почвенных полостях всегда насыщен водяными парами, а состав его обогащен углекислым газом и обеднен кислородом. Этим условия жизни в почве напоминают водную среду. С другой стороны, соотношение воды и воздуха в почвах постоянно меняется в зависимости от погодных условий. Температурные колебания очень резки у поверхности, но быстро сглаживаются с глубиной.
Главная особенность почвенной среды - постоянное поступление органического вещества в основном за счет отмирающих корней растений и опадающей листвы. Это ценный источник энергии для бактерий, грибов и многих животных, поэтому почва - самая насыщенная жизнью среда. Ее скрытый от глаз мир очень богат и разнообразен.
Примеры и дополнительная информация
1. В водной среде условия жизни ее обитателей сильно различаются в разных частях водоема. В глубине океанов царит вечный мрак. Здесь огромное давление. В глубоких впадинах оно в тысячу раз больше, чем на поверхности Земли. У дна постоянная низкая температура около -2 °С, низкое содержание кислорода. Живут здесь только микроорганизмы и некоторые животные. В верхних слоях морей и океанов вода пронизана светом, аэрирована, температура ее меняется в течение года, в ней обитают водоросли и идет фотосинтез.
2. Пустынные животные обладают удивительными приспособлениями для экономии влаги. Например, у жуков-чернотелок обнаружен замкнутый цикл в использовании воды. Подлежащие выделению продукты обмена веществ поступают из выделительных органов в кишечник в виде растворов, но в задней части кишки вода отсасывается вновь и используется для нового цикла. Дышат насекомые через трахеи, и в сухом воздухе это грозит большой потерей влаги. У жуков-чернотелок надкрылья срослись в прочную непроницаемую для воды «крышу» над телом, полость под которой насыщена водяными парами. Сюда и открываются дыхальца, поэтому иссушение через трахеи жукам не грозит.
3. Разная плотность водной и воздушной среды определяет предельные скорости передвижения животных. Дельфины плавают со скоростью 45 км/ч, а самые быстроходные среди рыб - тунец и мечрыба - 75 и 90 км/ч. В воздухе же сокол-сапсан в пикирующем полете разгоняется до 290 км/ч, а стрижи летают с обычной скоростью 180 км/ч. Рекордсмен в беге по земле - гепард, его скорость достигает 120 км/ч. Для сравнения: человек в воде плывет со средней скоростью 7 км/ч, а в беге достигает скорости 36 км/ч.
4. Заморы - это массовая гибель водных обитателей от удушья, когда по каким-либо причинам сильно снижается аэрация воды. Летние заморы могут быть в прудах, озерах и даже морях из-за нагревания воды, при котором падает растворимость кислорода. Гибнут в первую очередь рыбы, моллюски и планктонные организмы. Летние заморы часто бывают в Азовском и Балтийском морях. Зимние заморы возникают даже в реках из-за ледового покрова, который мешает проникновению кислорода из воздуха в воду. Обширные заморные явления каждую зиму возникают на реке Оби, в которую стекают бедные кислородом болотные воды.
6. Мелкие планктонные животные имеют очень разнообразные и причудливые формы. Рассмотрите рисунок 16 и решите, что же все-таки общего во внешнем строении этих видов в связи с их образом жизни в воде.
Темы для дискуссий.
1. Влияетли погода на обитателей водоемов?
2. Во многих районах с интенсивным земледелием в почвах исчезли черви из-за постоянного внесения ядохимикатов. Как вы думаете, отразится ли это на почвенном плодородии, если в землю регулярно вносят высокие дозы минеральных удобрений?
3. В научной фантастике рисуют картины построения подводных городов для человека. С решением каких основных проблем столкнутся проектировщики таких городов?
4. В воздухе постоянно находятся поднятые ветром мелкие насекомые, пауки, семена, споры. Почему же на суше нет сидячих животных, которые питались бы, фильтруя через себя воздух?
5. Как лучше называть: «воздушная среда жизни» или «наземно-воздушная среда жизни»? Обоснуйте ответ.
У различных позвоночных встречается экскреция всех трех азотистых продуктов, что, как правило, зависит от доступности воды для того или иного вида. Механизмы осморегуляции у позвоночных более эффективны, чем у беспозвоночных, благодаря малой проницаемости наружных покровов и наличию почек. Биологи до сих пор спорят о том, где возникли первые рыбы в морской или пресной воде. Многие биологи считают более вероятным морское происхождение первых рыб и рассматривают почки как более позднее приобретение, необходимое для выживания в гипотонических условиях пресных водоемов. В этих условиях почки служат для удаления избытка воды и задержки солей. Последующее развитие почек зависело от характера окружающей среды и шло по линии все большего усложнения в ряду позвоночных от рыб до млекопитающих. Увеличение сложности строения почек было связано с заселением суши. Благодаря повышенной эффективности механизмов выделения и осморегуляции состав внутренней среды у позвоночных колеблется в более узких пределах, чем у беспозвоночных.
Структурно-функциональной единицей почечной ткани является нефрон . Нефроны - сегментарные структуры, образовавшиеся из мезодермальных нефротомов (разд. 21.8), вступивших в тесный контакт с кровеносными сосудами, отходящими от аорты, и связанных с целомом через ресничную воронку. Нефроны у зародышей рыб имеют наиболее примитивное строение, при котором несколько нефронов открываются в перикардиальную полость и в совокупности образуют структуру, называемую пронефросом (рис. 19.13) или предпочкой. У всех взрослых рыб и амфибий пронефрос утрачивается, а вместо него развивается более компактное образование состоящее из значительно большего числа нефронов и расположенное в брюшном и хвостовом отделах тела. Это мезонефрос , или первичная почка. В мезо- нефросе нефроны утратили связь с целомом и объединены собирательным протоком, ведущим к мочеполовому отверстию. Такое строение идеально подходит для выделения разбавленной мочи, образующейся в основном у обитателей пресных вод.
Рептилии, птицы и млекопитающие приспособились к жизни на суше, где вместо проблемы удаления воды, стоящей перед рыбами и амфибиями, встает задача удержания воды в организме. У этих животных орган выделения представляет собой еще более компактную структуру - метанефрос , или вторичную почку, которая состоит из еще большего числа нефронов с еще более длинными канальцами. В канальцах происходит реабсорбция воды и образуется концентрированная моча, которая в конце концов поступает в почечную лоханку, а из нее - в мочевой пузырь. (Более подробно строение и функции почки млекопитающего описаны в разд. 19.5.)
Образование мочи в почке позвоночных основано на принципах ультрафильтрации, избирательной реабсорбции и активной секреции. Моча представляет собой жидкость, содержащую отходы азотистого обмена, воду и те ионы, содержание которых в организме превышает необходимый уровень. Ультрафильтрации подвергаются также и ценные для организма вещества, но они всасываются обратно в кровь. Реабсорбируется 99% растворенных веществ, и на этот процесс расходуется энергия. С энергетической точки зрения такой механизм кажется неэкономным, но он обеспечивает позвоночным большую гибкость при освоении новых мест обитания, так как позволяет выводить чужеродные или "новые" вещества, как только они появляются в организме, и для их удаления не нужно создавать новый секреторный механизм.
Рыбы
У рыб органами выделения и осморегуляции служат жабры и почки. Оба органа проницаемы для воды, азотистых отходов и ионов и обладают большой поверхностью, облегчающей обмен. Почки в отличие от жабр отделены от окружающей среды стенками тела, тканями и внеклеточной жидкостью, и поэтому они могут контролировать состав внутренней среды организма. Хотя все рыбы живут в водной среде, механизм экскреции и осморегуляции у пресноводных и морских рыб настолько различен, что эти две группы следует рассмотреть по отдельности.
Пресноводные рыбы. У пресноводных костистых рыб осмолярность жидкостей тела составляет около 300 мосмоль/л, и они гипертоничны по отношению к внешней среде. Несмотря на относительную непроницаемость наружного покрова из чешуй, покрытых слизью, внутрь тела путем осмоса поступает значительное количество воды через высокопроницаемые жабры, и через них же теряются соли. Жабры служат также органами выделения таких азотистых продуктов, как аммиак. Для поддержания стационарного состояния жидкостей внутренней среды пресноводные рыбы должны постоянно выводить много воды. Это происходит у них благодаря образованию большого объема ультрафильтрата, из которого растворенные вещества извлекаются путем их избирательной реабсорбции в капилляры, окружающие почечные канальцы. Почки образуют большое количество сильно разведенной мочи (гипотоничной по отношению к крови), в которой содержится и ряд других растворенных веществ. Количество мочи, выделяемой за сутки, может составлять до одной трети от всей массы тела. Потеря солей с мочой возмещается за счет электролитов, получаемых с пищей, и за счет активного поглощения их из окружающей воды особыми клетками, находящимися в жабрах.
Морские рыбы. Полагают, что рыбы впервые появились в морской среде, затем успешно заселили пресноводные водоемы, и после этого некоторые из них вторично переселились в море, дав начало пластиножаберным и морским костистым рыбам. В процессе эволюции в пресной воде у рыб сформировались многие физиологические механизмы, приспособленные к такому осмотическому давлению жидкостей тела, которое в 2-3 раза меньше, чем у морской воды. После возвращения рыб в морскую среду жидкости их тела сохранили осмотическое давление, присущее их предкам, и в связи с этим возникла проблема гомеостаза жидкостей тела в условиях гипертонического окружения (рис. 19.14).
Рис. 19.14. Приблизительные концентрации растворенных веществ в жидкостях тела морских позвоночных. Пластиножаберные рыбы - единственные позвоночные, у которых жидкости тела гипертоничны по отношению к окружающей среде; но, как видно из диаграммы, концентрация электролитов у них лишь ненамного выше, чем у костистых рыб. Благодаря задержке мочевины осмотическое давление у них такое же, как у морской воды, о чем свидетельствует депрессия точки замерзания (Δ°С)
Пластиножаберные рыбы. У этих рыб исходная осмолярность жидкостей тела примерно такова же, что и у морских костистых рыб, т.е. эквивалентна 1%-ному раствору соли. Избыточная потеря воды в гипертонической морской воде предотвращается за счет синтеза и удержания мочевины в тканях и жидкостях тела. По-видимому, большинство клеток тела, за исключением клеток головного мозга, способно синтезировать мочевину, и для своей метаболической активности они не только нуждаются в присутствии мочевины, но и обладают толерантностью к высоким ее концентрациям. Исследования, проведенные на изолированных сердцах акул, показали, что сердце может сокращаться только при перфузии сбалансированным солевым раствором, содержащим мочевину. Жидкости тела у акул содержат 2-2,5% мочевины, что в 100 раз превышает концентрацию, переносимую другими позвоночными. Как правило, высокая концентрация мочевины приводит к разрыву водородных связей, денатурации белков и тем самым к инактивации ферментов. Однако у пластиножаберных рыб этого почему-то не происходит. Мочевина в сочетании с неорганическими ионами и другим азотистым продуктом обмена - триметиламиноксидом (CH 3) 3 N=0, менее токсичным, чем аммиак,- создают в жидкостях тела более высокое осмотическое давление, чем в морской воде (Δ морской воды составляет 1,7°С, а у жидкостей тела пластиножаберных-1,8°С) (рис. 19.14). Будучи слегка гипертоничными по отношению к окружающей среде, пластиножаберные рыбы поглощают воду путем осмоса через жабры. Вода вместе с избытком мочевины и триметиламиноксидом выводится почками с мочой, которая слегка гипотонична по отношению к жидкостям тела. Почки имеют длинные канальцы, которые используются для избирательной реабсорбции мочевины, а не для выведения поступающих с пищей солей. Избыток же ионов натрия и хлора удаляется из жидкой среды организма путем активной секреции в прямую кишку клетками ректальной железы - маленькой железки, связанной протоком с прямой кишкой. Жабры относительно непроницаемы для отходов азотистого обмена, и их выведение целиком контролируется почками. Таким путем осмотическое давление жидкостей тела поддерживается на высоком уровне.
Морские костистые рыбы. У морских костистых рыб осмотическое давление жидкостей тела поддерживается на уровне более низком, чем у морской воды (рис. 19.14). Благодаря чешуе и слизи наружные покровы рыб относительно мало проницаемы для воды и ионов, но вода легко теряется из организма (а ионы поглощаются) через жабры. Для регуляции состава жидкостей тела костистые рыбы пьют морскую воду, а особые секреторные клетки в кишечнике извлекают из нее доли путем активного транспорта и выделяют их в кровь. В жабрах имеются хлоридные клетки , которые активно поглощают из крови ионы хлора и выделяют их в окружающую среду, а вслед за ионами хлора по принципу сохранения электрохимической нейтральности выходят и ионы натрия. Другие ионы, присутствующие в морской воде в большом количестве,- ионы магния и сульфата - удаляются с изотонической мочой, образуемой в небольшом количестве почками. Почки не имеют клубочков и поэтому не способны к ультрафильтрации. Все компоненты мочи, такие как азотистое соединение триметиламиноксид (придающий рыбе характерный запах) и соли, секретируются в почечные канальцы, а за ними осмотическим путем следует и вода.
Эвригалинные рыбы. Существует ряд видов эвригалинных рыб, которые не только переносят небольшие изменения солености воды, но и могут полностью адаптироваться к жизни в пресной и в морской воде на протяжении длительных периодов их жизни. В зависимости от того, куда эти рыбы движутся на нерест, различают анадромных и катадромных рыб. Анадромные рыбы (греч. аnа - вверх, dromein - бежать), такие как лосось (Salmo salar ), выводятся из икры в пресной воде и мигрируют в море; здесь они достигают зрелости и затем возвращаются для нереста в реки. Катадромные рыбы (греч. cata-вниз), к которым относится угорь (Anguilla vulgaris ), мигрируют в противоположном направлении. Они выводятся в морской воде и мигрируют в пресноводные водоемы, где достигают зрелости, после чего возвращаются для нереста в море. При переходе из реки в море угорь теряет за 10 часов около 40% своего веса. Чтобы компенсировать эту потерю и сохранить гипотоничность жидкостей тела, он пьет морскую воду, а соли выделяет путем активной секреции через жабры. При переходе угря из моря в реку его масса вначале увеличивается за счет поступления воды путем осмоса, но уже через два дня он достигает стабильного осмотического состояния. В пресной воде угорь поглощает соли через жабры путем активного транспорта.
На примере этих двух групп рыб мы видим, что механизмы активного транспорта в жабрах могут действовать в двух направлениях. Связано ли это с переменой направления работы ионных насосов в одних и тех же клетках или с функционированием разных групп клеток, пока неизвестно. Предполагается, что на эти механизмы влияют гормоны, выделяемые гипофизом и корой надпочечников. У рыб обеих групп при переходе в пресную воду существует период "выжидания", позволяющий механизмам осморегуляции приспособиться к новой среде.
Амфибии
Считается, что амфибии произошли от рыбообразных пресноводных предков и унаследовали от них проблемы осморегуляции, связанные с тем, что их кровь гипертонична по отношению к окружающей среде. Кожа лягушек проницаема для воды, и именно через кожу поступает из внешней среды в организм основная масса воды. Избыток поглощаемой организмом воды удаляется путем ультрафильтрации в многочисленных крупных почечных клубочках.
Почки амфибий широко использовались для изучения физиологии этих органов, так как их крупные клубочки расположены близко к поверхности. В эти клубочки и канальцы можно вводить микрошприц и извлекать из них фильтрат для анализа. Таким путем можно определить эффективность ультрафильтрации и избирательной реабсорбции. Амфибии выделяют большое количество очень разбавленной мочи, гипотоничной по отношению к жидкостям тела. Моча содержит мочевину, которая выводится путем ультрафильтрации и путем секреции в канальцы. Преимущество этого механизма состоит в том, что он позволяет амфибиям снижать скорость клубочковой фильтрации в засушливых условиях и таким образом уменьшать потерю воды с мочой, тогда как канальцы продолжают получать кровь из воротных сосудов почек, из которых в канальцы активно секретируется мочевина. В этом отношении данный механизм противоположен тому, что имеет место у пластиножаберных рыб, у которых мочевина в канальцах активно реабсорбируется.
Рис. 19.15. Экскреция и осморегуляция у пресноводных костистых рыб (А), пластиножаберных (Б) и морских костистых рыб (В). Сокращения Гипо-
, Изо-
и Гипер-
указывают тоничность внутренней среды по отношению к внешней
Некоторая часть солей неизбежно теряется с мочой и в результате диффузии через кожу, но эта потеря возмещается за счет солей, поступающих с пищей, а также активно поглощаемых из окружающей воды кожей, которая служит у амфибий главным органом осморегуляции. Личинка бесхвостой амфибии - головастик - является полностью водным организмом и выделяет аммиак через жабры, но при метаморфозе состав азотистых экскретов и механизм их выделения меняются и становятся такими, как описано выше.
Лягушки способны накапливать воду в мочевом пузыре и многочисленных подкожных лимфатических пространствах. За счет этих запасов возмещается потеря воды путем испарения в те периоды, когда лягушка находится на суше. Жабы способны находиться в сухих условиях более продолжительное время, так как их почки могут реабсорбировать воду из клубочкового фильтрата и образовывать более концентрированную мочу, а кожа менее проницаема для воды. Известно, что проницаемость кожи у амфибий регулируется антидиуретическим гормоном, выделяемым задней долей гипофиза; как полагают, механизм регуляции проницаемости здесь тот же, что и в почечных канальцах млекопитающих.
Водный баланс у сухопутных организмов
Для нормального функционирования клеток в организме животного необходимо стационарное состояние внутриклеточной жидкости. Гомеостатический обмен водой между клетками, тканевой жидкостью, лимфой, плазмой крови и окружающей средой представляет проблему и для водных, и для наземных организмов. Водные формы получают или теряют воду путем осмоса через все проницаемые участки поверхности тела в зависимости от того, каково окружение - гипотоническое оно или гипертоническое. Наземные организмы сталкиваются с проблемой потери воды и для поддержания устойчивого водного баланса используют многочисленные приспособления, приведенные в табл. 19.5. Это устойчивое состояние водного обмена достигается за счет баланса между отдачей воды и ее получением (табл. 19.6).
Рептилии
Эти животные первыми приспособились к наземной жизни. Они обладают множеством морфологических, биохимических и физиологических адаптаций для существования на суше. Однако во всех трех отрядах (черепахи, ящерицы и змеи, крокодилы) имеются виды, которые вторично приспособились к жизни в пресной и морской воде. У всех этих животных механизмы выделения и осморегуляции адаптированы к соответствующим условиям.
У наземных пресмыкающихся потере воды препятствует относительно непроницаемая кожа, покрытая роговыми чешуйками. Органами газообмена у них служат легкие, расположенные внутри тела, что уменьшает потерю воды. В тканях образуется нерастворимая мочевая кислота, которая может выводиться без большой потери влаги. Для удаления избытка ионов натрия и калия нужна вода, но поскольку экономия воды имеет жизненно важное значение, эти ионы соединяются с мочевой кислотой, образуя нерастворимые ураты натрия и калия, которые удаляются вместе с мочевой кислотой. Почечные клубочки имеют малые размеры и образуют лишь такое количество фильтрата, которое необходимо для вымывания мочевой кислоты из почечных канальцев в клоаку, где часть воды реабсорбируется. У многих наземных рептилий почечные клубочки вообще отсутствуют.
У сухопутных рептилий нет специальных механизмов для выведения солей, а ткани способны переносить повышение концентрации солей на 50% по сравнению с обычным уровнем после приема их с пищей или избыточной потери воды. Морские пресмыкающиеся, такие как галапагосская игуана и зеленая черепаха (Chelone mydas ), получают с пищей большое количество соли. Их почки не способны справиться с быстрым выведением этого избытка соли из жидкостей тела, и им помогают особые солевые железы , расположенные на голове. Эти железы способны секретировать раствор хлористого натрия, в несколько раз более концентрированный, чем морская вода. Солевые железы находятся у черепахи в глазницах, и протоки от них идут к глазам; отсюда впечатление, что черепаха плачет. В "слезах", выделяемых солевыми железами черепах, концентрация солей очень высока.
Клейдоические яйца
Важной особенностью рептилий и птиц, благодаря которой они могут существовать вне воды в течение всего жизненного цикла, является наличие у них клейдоических яиц (рис. 20.52). Яйцо заключено в плотную оболочку, которая предохраняет зародыша от обезвоживания. В процессе эмбриогенеза вырост задней кишки образует мешковидную структуру, называемую аллантоисом, в которой откладывается мочевая кислота, выделяемая эмбрионом. Поскольку мочевая кислота нерастворима и нетоксична, это служит для эмбриона идеальным способом депонирования экскретов. На более поздних стадиях развития аллантоис васкуляризуется, прижимается к оболочке и функционирует как орган газообмена.
Птицы
Птицы, по-видимому, произошли от наземных пресмыкающихся, таких как змеи и ящерицы, и унаследовали те же проблемы. Кожа птиц относительно непроницаема для воды, и благодаря наличию перьев и отсутствию потовых желез скорость испарения влаги у птиц очень мала. Однако значительное количество воды теряется у них в дыхательных путях в связи с очень активной вентиляцией легких и сравнительно высокой температурой тела. Вследствие большой интенсивности метаболизма некоторые мелкие птицы могут терять за сутки до 35% веса тела.
Азотистые продукты обмена удаляются в виде мочевой кислоты с мочой, гипертоничной по отношению к жидкостям тела. Моча поступает в клоаку, где часть воды из мочи и фекальных масс всасывается обратно, благодаря чему из организма выводятся почти твердые экскременты.
Почки птиц содержат мелкие клубочки. Вся кровь, снабжающая каналец, в котором происходит реабсорбция воды и секреция солей, поступает от клубочка, для эффективной работы которого необходимо относительно высокое кровяное давление. Таким образом осуществляется связь между образованием большого объема клубочкового фильтрата и последующим всасыванием большой части содержащихся в нем воды и солей. Это всасывание облегчается тем, что поверхность канальца увеличена за счет образования петли Генле . В результате деятельности этой структуры концентрация мочевой кислоты в моче достигает 21%, что почти в 3000 раз выше ее концентрации в жидкостях тела.
Некоторые морские птицы (пингвины, олуши, бакланы, альбатросы), которые питаются рыбой и пьют морскую воду, поглощают большие количества солей. Соли выводятся из жидкостей тела специализированными секреторными клетками солевых , или носовых, желез . Эти железы сходны с солевыми железами морских рептилий и тоже расположены в глазницах. Они выделяют раствор хлористого натрия, концентрация которого в 4 раза выше, чем в жидкостях тела. Носовые железы состоят из множества долек, содержащих большое число секреторных трубочек, которые открываются в центральный проток; этот проток ведет в носовую полость, где раствор соли освобождается в виде больших капель или выдувается в виде мельчайших брызг.
Цель: развитие логического мышления, памяти, познавательной активности; воспитание навыков работать сообща, выслушивать мнения товарищей, уметь серьезно подойти к каждому вопросу, концентрировать внимание на нем; воспитание внимательного слушателя и соблюдения правил поведения во время мероприятия.
Оформление: пословицы на бумажных листах:
“Умный товарищ - половина дороги”
“Умные речи приятно и слушать”
“Думай дважды, говори раз”
“Думают думу без шуму”.
Оборудование: волчок со стрелкой; табло; настольные игры для обозначения игровой минутки; часы; гонг; конверты с заданиями; стол, стулья; задания для болельщиков.
- Объяснение правил игры, напомнить, как игра проходит на телевидении;
- Из зрителей выбрать 8 человек.
ОТБОРОЧНЫЙ ТУР:
Начало - нота, потом оленя украшение,
А вместе - место оживленного движения. (До + рога = дорога)
Как инструмент меня ты ценишь
В искусной плотничьей руке.
Но если “д ” на “б ” ты сменишь,
Во мне утонешь, как в реке. (Долото - болото)
Я по России протекаю,
Я всем известна, но когда
Ко мне прибавишь букву с краю,
Свое значенье я меняю
И птицей становлюсь тогда. (И + Волга = иволга)
Два слога первые - цветок,
Татарский царь - мой третий слог,
А “ь ” поставь в конец
Коль отгадаешь - молодец! (Астра + хан = Астрахань)
На берегу морском я круглый год валяюсь,
Отнимешь “ь ”, и вверх я устремляюсь. (Галька - галка)
Какие птицы выводят птенцов зимой? (Клесты)
Какие птицы не садятся ни на воду, ни на землю? (Стрижи, ласточки)
С буквой “к ” живу в лесу,
С буквой “ч ” овец пасу. (Кабан - чабан)
ОРГАНИЗАЦИЯ УЧАСТНИКОВ
Игроки садятся за стол. Выбирается капитан, проходит представление игроков зрителям.
ПРОВЕДЕНИЕ ИГРЫ
На столе, по окружности, лежат конверты с вопросами, между ними - 3 игровых паузы (в роли игровых пауз могут выступать различные головоломки)
Знатоки заводят волчок. Время обсуждения - 1 минута. Капитан выбирает того игрока, который будет отвечать.
ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗНАТОКОВ
1. Учеными было замечено странное поведение обыкновенных ежей. Поймав жабу, еж впивается зубами в ее околоушные железы, после чего обильно смазывает свои иголки выделяемой слюной. Как объяснить такое поведение ежа?
ОТВЕТ: Слюна этих видов жаб, на которых охотятся ежи, ядовита. Смачивая свои иголки ядовитой жидкостью, ежи создают себе дополнительную защиту от своих врагов.
2. Плодовитость трехиглой колюшки, по сравнению с другими рыбами, очень мала - от 65 до 550 икринок. Но численность этих рыб сохраняется примерно на одном уровне. Почему?
ОТВЕТ: У трехиглой колюшки очень развит уход за потомством, в отличие от других рыб. Поэтому численность отложенных яиц у нее невелика.
3. Однажды в холодный осенний день из Юго-Восточной Азии в адрес российского зооцентра прибыл живой груз - 24 удава. Принимающий животных специалист без опаски рассматривал каждое животное. Таможенники решили, что он их загипнотизировал, так как змеи вели себя очень спокойно. Как вы объясните поведение удавов?
ОТВЕТ: Температура тела рептилий непостоянна и сильно колеблется в зависимости от температуры окружающей среды. В теплую погоду они активны и малоподвижны в прохладную. Этим объясняется спокойное поведение удавов.
4. Некоторые морские птицы, например, фрегаты, имеют недоразвитую копчиковую железу. Они летают над океаном и никогда не удаляются от берега на большие расстояния. Сильный дождь, застигший фрегата вдали от берега, представляет для него смертельную опасность. Почему?
ОТВЕТ: Сильный дождь вызывает намокание перьев у фрегата, так как из-за недоразвитости копчиковой железы они не смазываются специальным жиром. Намокание крыльев ведет к резкому увеличению массы тела, что может привести к гибели. Рыбу они хватают слету, на воду практически не садятся.
5. На теле медузы сарсии из Баренцева моря встречаются небольшие медузки кунины. У кунин есть длинный хоботок и отсутствует колокол, обычный для других медуз. Многочисленными щупальцами кунины держатся за сарсию. Чем объяснить необычный внешний вид кунин?
ОТВЕТ: Колокол медузе необходим для движения в воде: ритмичные сокращения колокола вызывают выталкивание из него воды (реактивный способ движения). Кунины же передвигаются на сарсие, поэтому колокол как средство передвижения у них редуцировался.
6. На одном из морских мелководий существовало сообщество из 8 видов малоподвижных животных: моллюсков мидий и морских блюдечек, сидячих рачков и морских желудей, морских уточек и других. Всеми ими питался один вид хищника - крупная морская звезда, которая больше всех поедала мидий. Чтобы сохранить сообщество, всех морских звезд выловили и удалили. Через некоторое время на участке не осталось никаких видов, кроме мидий. Объясните, как это могло произойти?
ОТВЕТ: Мидии, численность которых не сдерживалась хищниками, вытеснили другие виды сидячих животных как более сильные конкуренты.
7. Почему естественное загрязнение атмосферы не нарушает происходящих в ней процессов? В чем опасность загрязнения атмосферы выбросами промышленных предприятий?
ОТВЕТ: Вещества, попадающие в атмосферу при естественном загрязнении быстро включаются в естественные круговороты, так как эти вещества всегда были и есть в природе. Промышленные предприятия выбрасывают в атмосферу вещества, которых часто не бывает в природе: фреоны, пыль тяжелых металлов, радиоактивные вещества. Эти вещества могут нарушить естественные природные процессы.
8. У некоторых водных позвоночных, например у акул, скелет состоит не из костей, а из эластичного хряща. У наземных позвоночных скелеты только костные. Как это объяснить с экологической точки зрения?
ОТВЕТ: В воде вес животных облегчается действием выталкивающей силы. В наземно-воздушной среде нужен более прочный скелет из-за низкой плотности воздуха.
9. Это хищное животное, обитатель амазонской сельвы, в длину достигает 2 метров, весит до 120 кг. Имеет сильное тело, сильные и стройные ноги. Отлично бегает и плавает, хорошо залезает на деревья, охотится на любых животных (от мышей до обезьян), на домашних животных нападает редко. Имеет два названия. Одно из них позаимствовала английская автомобильная фирма, другое - фирма по производству спортивной одежды и обуви в США. Назовите это животное.
ОТВЕТ: Ягуар, или пума.
10. Если верить древнему историку, то во времена похода Александра Македонского в Индию офицеры его армии гораздо реже болели желудочно-кишечными заболеваниями, чем солдаты. Еда и питье у низ были одинаковые, но вот посуда - разная. Из какого металла была изготовлена посуда для офицеров?
ОТВЕТ: Серебро.
11.Эта водоросль была отправлена вместе с другими живыми растениями в кабине космического корабля “Восток-2”. Она и сейчас постоянно используется в биологических экспериментах на космических станциях. С чем связано ее использование в условиях космоса?
ОТВЕТ: Хлорелла. Она является самой продуктивной водорослью - улавливает 7-12 % солнечного света, вместо 1-2% цветковых.
ИГРОВАЯ ПАУЗА № 1
Задание: превратите выражение в известную пословицу или поговорку.
- Корневище крестоцветного содержит глюкозы не больше, чем другой представитель этого же семейства. (Хрен редьки не слаще).
- Сбился с азимута среди трех голосеменных. (Заблудился в трех соснах).
- На один из органов кровообращения не распространяется влияние дисциплинарного устава. (Сердцу не прикажешь).
- Сколько это млекопитающее не снабжай питательными веществами, оно постоянно смотрит в растительное сообщество. (Сколько волка не корми, он все в лес смотрит)
- Кровососущее насекомое не может сделать более острым ротовой аппарат. (Комар носу не подточит).
- Престарелое непарнокопытное не приведет в негодность сельскохозяйственные угодья. (Старый конь борозды не испортит).
- Процесс создания материальных ценностей несопоставим с представителем семейства волчьих, поэтому не имеет возможности скрыться в направлении лесного массива. (Работа- не волк, в лес не убежит).
- Если особа женского пола покидает транспортное средство, то движущая сила транспорта испытывает определенные положительные эмоции. (Баба с возу - кобыле легче).
- При желании продолжения обмена веществ в организме необходимо иметь навыки движения вокруг своей оси. (Хочешь жить - умей вертеться).
- Человек, которому в самом ближайшем будущем грозит прекращение насыщения
кислородом его организма, доходит до того, что пытается зажать в руке высохший злачный стебель. (Утопающий хватается за соломинку).
ИГРОВАЯ ПАУЗА № 2 “ САМЫЙ…САМЫЙ…”
- Самое упрямое домашнее животное. (Осел).
- Самое распространенное в России дерево. (Лиственница).
- Самая большая змея. (Удав анаконда - 11м, 200кг)
- Самая большая сухопутная ящерица. (Варан).
- Неморская птица с самым большим размахом крыльев. (Кондор, 2,8 - 3м).
- Самая крупнаяобезьяна.(Горилла).
- Самая крупная ягода. (Тыква).
- Кто является самым верным другом человека среди животных? (Собака).
- Назовите самый первый способ передвижения, который осваивает человек. (Ползание).
- Назовите самую большую рыбу. (Гигантская или китовая акула).
- Самое скоростное сухопутное животное. (Гепард, 110км1ч).
- Самый хитрый зверь в русских народных сказках. (Лиса).
- Животное с самыми большими ушами. (Слон).
- Назовите самое простейшее животное, состоящее из одной клетки. (Амеба).
- Назовите самый популярный в Голландии цветок. (Тюльпан).
- Самое крупное из сегодня обитающих на Земле пресмыкающихся. (Крокодил).
- Самое крупное млекопитающее животное. (Синий кит).
- Птица - обладатель самого большого в мире клюва. (Пеликан).
- Самая высокая трава. (Бамбук, 30 - 40м).
- Самая ядовитая змея. (Кобра).
ИГРОВАЯ ПАУЗА № 3 “ПЕРЕВЕДИТЕ ТЕРМИНЫ”
- На греческий - “учение о жилище” (экология).
- На латинский - “восстановление” (регенерация).
- На латинский - “окраска” (пигмент).
- На латинский - “помесь” (гибрид).
- На латинский - “народ, население” (популяция).
- На греческий - “совместная жизнь” (симбиоз).
- На греческий - “учение о животных” (зоология).
- На греческий - “сам питаюсь” (автотроф).
- На греческий - “слово (учение) о жизни” (биология).
- На латинский - “уничтожение, народ” (депопуляция).
ПОДВЕДЕНИЕ ИТОГОВ ИГРЫ
Подсчитывается результат, все участники награждаются небольшими сувенирами.
Рыбами обычно называют всех водных позвоночных животных, дышащих жабрами и имеющих парные конечности в виде плавников. Однако такое общее понятие объединяет на самом деле 3 самостоятельных класса позвоночных: круглоротых (в современной фауне представлены лишь миногами и миксинами) и хрящевых (акул, скатов и химер) и наиболее высокоорганизованных костных рыб. В наши дни известно около 20 тыс. видов рыб, больше, чем в остальных классах позвоночных (амфибии, рептилии, птицы и млекопитающие), вместе взятых. Ежегодно это число продолжает увеличиваться в результате описания новых видов.
Невероятное разнообразие рыбного населения - следствие широкого распространения рыб почти во всех участках чрезвычайно изменчивой водной среды. Рыб можно встретить в горных потоках со скоростью течения до 2 м/с и более и в стоячих прудах, на огромных глубинах, где давление достигает 1000 атм., у самой поверхности воды и в мелких, оставшихся после дождей или половодья лужицах, в горных озерах на высоте 600 м над уровнем моря и в подземных пещерах. Живут рыбы и при температурах, близких к точке замерзания соленой воды (-2°, -3°С), и в горячих источниках с температурой воды свыше 52° С, в прозрачных ключах и в мутных потоках и болотах и даже в артезианских, водах, они переносят соленость до 60-80 % и снижение содержания кислорода в воде до 0,5 см3 на литр.
Рыбы не только плавают в воде. Они могут ползать по дну, а иногда и по суше, зарываться в песок, ил и даже летать, планируя или взмахивая плавниками, как крыльями. Рыбы слышат, и сами издают звуки, видят и различают цвета, сами регулируют свою плавучесть и окраску, имеют органы обоняния, осязания, равновесия. Они реагируют на изменение наружного давления, осаждают взвеси в мутной воде, воспринимают магнитное поле Земли и могут ориентироваться по магнитному меридиану, улавливают малейшие колебания воды. Они не только отвечают на воздействие электрическим током, но могут сами производить электрические разряды (иногда мощностью до 600 вт) и создавать вокруг своего тела электромагнитное поле. У некоторых глубоководных форм есть специальные органы свечения, иногда сложно устроенные, у живущих при дефиците кислорода - дополнительные органы дыхания: наружные жабры, наджаберные камеры, преобразованный в "легкое" плавательный пузырь и др. Могут они дышать поверхностью тела и кишечником, заглатывать атмосферный воздух и использовать кислород плавательного пузыря...
Чрезвычайно разнообразна форма тела рыб: от змеевидной или лентовидной до шаровидной или широкой плоской со всей гаммой переходов. В окраске встречаются все возможные и невозможные оттенки, к тому же окраска может меняться в течение суток, с возрастом, к моменту полового созревания. Самая маленькая из известных рыб имеет длину 7,5-11,5 мм, а рыбы-гиганты могут достигать 18 м и более.
Ни в одной другой группе животного мира нет такого разнообразия в способах размножения и развития молоди, как у рыб. Большинству видов свойственно наружное оплодотворение, но у некоторых оплодотворение внутреннее, и развиваются специальные органы. Есть рыбы икромечущие, а есть и живородящие, у некоторых скатов образуется даже что-то вроде "детского места". Икру рыбы откладывают в гнезда, построенные из самого различного материала, вплоть до пузырьков воздуха, на камни, песок, растительный субстрат, в тело других животных или просто выметывают в толщу воды. Некоторые виды активно охраняют свои гнезда, другие прячут икру в расположенные на теле специальные выводковые камеры, носят свое потомство во рту, на теле и даже заглатывают. Молодь иногда бывает совершенно не похожа на родителей.
Такое многообразие форм рыб - результат длительной истории приспособления к непохожим условиям и разному образу жизни. Времени на этот процесс у рыб в целом было значительно больше, чем у других позвоночных животных, первые из которых - амфибии появились примерно на 100 млн. лет позднее первых рыбообразных.
Литература: "Рыбы, амфибии, рептилии". Т. О. Александровская, Е. Д. Васильева, В. Ф. Орлова. Издательство "Педагогика", 1988