Głębiny morskie

Życie
w warunkach
ekstremalnych
Woda a ląd
Woda to środowisko w którym powstało i rozwijało się życie.
Życie powstało ok. 3,8 miliarda lat temu.
Pierwsze rośliny i zwierzęta (kręgowce) wyszły na ląd ok. 500-400
milionów lat temu
Przez ponad 3 miliardy lat było więc ograniczone do wody.
Ponieważ życie powstało w wodzie, organizmy były przystosowane
do środowiska wodnego.
Warunki na lądzie różniły się znacznie od tych w wodzie.
Z tej perspektywy morza to „właściwe środowisko dla życia” a ląd
to ekstremalne środowisko
Niektóre cechy obu środowisk
które porównamy
Dostępność wody
Temperatura
Światło
Dostępność tlenu
Ciśnienie
Życie w wodzie
(oceanach)
Dostępność wody
Powszechna
Temperatura
małe różnice geograficzne:
najniższe temperatury wynoszą ok. −1,5OC
(Arktyka)
najwyższe temperatury wynoszą ok. 27OC
(Równik)
czyli różnice wynoszą mniej niż 30OC
Temperatura
małe dobowe i roczne zmiany temperatury,
największe zmiany roczne wynoszą ok. 8OC
(powyżej 40O szerokości geograficznej północnej)
najmniejsze w okolicach równika wynoszą ok. 1OC
Temperatura
ekstremalne miejsca - tzw. „kominy hydrotermalne” na
dnie oceanów:
spod powierzchni wypływa woda o temp. nawet
powyżej 300-400OC, woda obok ma ok. 2OC.
Światło
dostępne w warstwach przypowierzchniowych, głębiej
ciemno:
do ok. 10 m środowisko wodne jest bogate w kolory
poniżej ok. 50 m. dominuje kolor niebieski
na głębokości ok. 600 m. światło słoneczne ma
jasność gwiazdy na nocnym niebie
z tego wynika, że większość wody w oceanach
pogrążona jest w ciemnościach
Dostępność tlenu
największe stężenie przy powierzchni, ale dużo
mniejsze niż w powietrzu (1 litr powietrza
zawiera ok. 200 ml tlenu, woda morska
maksymalne 9 ml tlenu)
im głębiej tym stężenie tlenu spada, minimum
przy ok 1 km głębokości, głębiej zwykle
stopniowo wzrasta
Ciśnienie
zwiększa się gwałtownie wraz z głębokością
w najgłębszym miejscu (Głębia Challengera w
Rowie Mariańskim) przy ok 11 km głębokości
jest 1099 razy większe niż przy powierzchni
Życie na lądzie
Dostępność wody
Bardzo zróżnicowana dostępność wody
W tropikalnych lasach deszczowych roczne opady
mogą wynosić nawet powyżej 4000 mm, norma to
2000 − 4000 mm.
Na niektórych pustyniach nie notowano opadów
od setek lat.
Pustynie zajmują ok. 20% lądów
Temperatura
duże różnice geograficzne:
najniższa zanotowana temperatura to niemal −82OC
(Antarktyda)
najwyższa zanotowana temperatura to blisko 58OC
(Afryka - Libia)
czyli różnica między rekordami wynosi ok. 138OC
Temperatura
średnie temperatury roczne (przykłady):
tropikalne lasy deszczowe ok 26OC - zwykle wahania
roczne porównywalne z dobowymi
gorące pustynie - przez wiele miesięcy średnia
temperatura może przekraczać 30OC
Antarktyda: w zimie w interiorze < 80OC, latem przy
brzegach osiąga maksymalnie kilkanaście OC (rekord
15OC)
Dallol (Etiopia) - rekordowa średnia roczna 34,4OC dzienna 41,1OC
Ojmiakon (Jakucja, Rosja)- średnia roczna −16OC dzienna −46OC (w Antarktydzie są zimniejsze miejsca)
Temperatura
dobowe i roczne zmiany temperatury - duże zróżnicowanie
zmienności:
tropikalne lasy deszczowe zwykle wahania roczne
porównywalne z dobowymi, bardzo małe
Pustynia Gobi (Mongolia) - roczne (średnia miesięczna)
wahania temperatury od −20OC do ponad 40OC
Ojmiakon (Jakucja, Rosja): nawiększa roczna
amplituda temperatur: −70OC − 33OC, czyli ok 103OC
Temperatura
różnice temperatury w zależności od wysokości n.p.m
generalnie: im wyżej tym zimniej
Światło
Zmienność wynika głównie z cykli rocznych i
dobowych - dniem dociera na całą powierzchnię
lądów, pod powierzchnię ziemi nie dociera.
Dostępność tlenu
równomierna dostępność tlenu ok. 22% powietrza
Ciśnienie
zmniejsza się wraz z wysokością, ale znaczne
wolniej niż w wodzie:
przy powierzchni morza ok. 1013 hPa
wierzchołek Mont Everest ok. 310 hPa
wraz ze spadkiem ciśnienia, maleje ciśnienie
parcjalne tlenu
Przykłady środowisk
„ekstremalnych” i ich
mieszkańców
Głębiny morskie
Głębiny morskie
Wbrew temu co dawniej uważano, w
głębinach morskich także jest obecne życie.
Im głębiej - tym mniej światła i większe
ciśnienie.
Do ok. 4 km pojawiają się kałamarnice,
kaszaloty.
Poniżej 4 km uboga fauna głębinowa.
Głębiny morskie
W głębinach jest ciemno - brak więc fotosyntezy.
Źródła energii:
Materia spadająca z góry - dawniej uważano,
że to jedyne źródło pokarmu dla organizmów
głębinowych
Chemosynteza - na dnie oceanów istnieją
„oazy” skupione wokół „kominów
hydrotermalnych”
Żyjące w głębi organizmy często mają dość osobliwy
wygląd i przystosowania.
Głębiny morskie
Niektóre mają nieproporcjonalnie (z naszego puntu
widzenia) duże szczęki i zęby - co pozwala im na
spożywanie dużych zdobyczy - np. Chauliodus sloani
źródło: Wikimedia Commons
Głębiny morskie
Niektóre organizmy głębinowe posiadają zdolność bioluminescencji.
Bioluminescencja to świecenie wywołane reakcjami chemicznymi w żywych
organizmach
Może służyć wabieniu ofiar a także szukaniu partnera i porozumiewaniu się
źródło: Wikimedia Commons
Głębiny morskie
Niektóre mają z przodu wyrostki zaopatrzone w świecące
wabiki - ofiara znęcona światłem zbliża się, po czym zostaje
połknięta, tak robi np. osiągająca ponad 120 cm. Matronica
Holboella (Ceratias holboelli)
źródło: Wikimedia Commons
Głębiny morskie
Matronica jest przykładem także innego ciekawego
przystosowania do życia w głębinach
Głębiny morskie to nie tylko ciemność i ciśnienie,
to także ogromne przestrzenie dość ubogie w życie
co wymusza duże rozproszenie organizmów.
Jedną z konsekwencji jest trudność w znalezieniu
partnera.
Matronica rozwiązała to w ten sposób, że samiec
ma formę miniaturowego pasożyta na stałe
przyczepionego do samicy
Głębiny morskie
samiec
źródło: Wikimedia Commons
Głębiny morskie - kominy
hydrotermalne
Kominy hydrotermalne to
miejsca, gdzie spod dna
wydostaje się gorąca woda
(nawet powyżej 400OC)
bogata z związki chemiczne,
m. in. siarkowodór (H2S)
Utlenianie siarkowodoru
pozwala uzyskiwać energię
wykorzystywaną w reakcjach
metabolicznych:
2H2S + O2 -> 2S + 2 H2O + E
źródło: Wikimedia Commons
Głębiny morskie - kominy
hydrotermalne
Do najciekawszych mieszkańców
podwodnych oaz należą
rurkoczułkowce (Riftia pachyptila)
osiągające 4 m, które mają w
swoich tkankach symbiotyczne
bakterie przeprowadzające
chemosyntezę.
Symbiotyczne bakterie
mogą stanowić do 60%
biomasy
rurkoczułkowca
źródło: Wikimedia Commons
Głębiny morskie - kominy
hydrotermalne
Wydłużone ciało
rurkoczułkowców okryte jest
rurką chitynową na szczycie
której wystaje czerwony
„pióropusz” - którym zwierzę
pobiera siarkowodór i inne
substancje niezbędne do życia
(tlen, dwutlenek węgla….)
Czerwień wystających części
nie ma znaczenia
estetycznego (brak światła),
ale wynika z obecności
hemoglobiny
źródło: Wikimedia Commons
Głębiny morskie - kominy
hydrotermalne
Poza rurkoczułkowcami, przy kominach
hydrotermalnych żyją także inne zwierzęta - m. in.
kraby, ślimaki, małże - korzystają one z
chemosyntezy przeprowadzanej przez bakterie, także
ryby
Wg. niektórych hipotez, w takich warunkach mogło
powstać życie
Jeśli tak było, to można by przyjąć, że to warunki
przy kominach hydrotermalnych są „normalne” dla
życia, a my żyjemy w warunkach ekstremalnych.
Ląd - zimno
Niskie temperatury
Problemy:
niska temperatura - grozi wychłodzeniem/
zamarznięciem
zamarznięta woda jest niedostępna -> susza
fizjologiczna
w pobliżu biegunów - polarna zima
Niskie temperatury jak sobie radzą zwierzęta?
Zwierzęta stałocieplne bronią się izolując ciało przed
mrozem za pomocą:
futra (np. niedźwiedź polarny)
warstwy tłuszczu - (np. foki)
piór - (np. pingwiny)
ucieczki w rejony cieplejsze na okres zimy (np. Gęsi
śnieżne)
Niskie temperatury przykład: Niedźwiedź polarny
futro zbudowane z przeźroczystych włosków - z daleka
futro ma kolor biały, na śniegu maskujący
włosy są puste w środku co sprawia, że są doskonałą
izolacją
dodatkowo warstwa krótkiego futra - tzw. podszerstek
dodatkowo gruba warstwa
tłuszczu - szczególnie
ważna w wodzie (jest
świetnym pływakiem)
izolacja tak dobra, że w
podczerwieni niedźwiedź
jest niemal niewidoczny
źródło: Wikimedia Commons
Niskie temperatury jak sobie radzą rośliny?
Tundra:
przetrwanie zimy w formie nasion, latem szybki rozwój i
rozmnażanie (por. rośliny pustynne)
rośliny małe,
karłowate - np.
wierzba arktyczna
źródło: Wikimedia Commons
Niskie temperatury jak sobie radzą rośliny?
Tajga:
drzewa szpilkowe przystosowane są do tolerowania zimna i
suszy panującej w zimie, kiedy woda jest zamarznięta a więc
niedostępna dla roślin
drzewa liściaste
(nieliczne) zrzucają
liście na zimę
źródło: Wikimedia Commons
Niskie temperatury budowa szpilki
Niskie temperatury budowa szpilki
Niskie temperatury budowa szpilki
w przekroju zaokrąglona - mała
powierzchnia parowania
zbita tkanka miękiszowa
gruba epiderma, kutykula,
woski
aparaty szparkowe w
zagłębieniach, dodatkowo
czopy z wosków
dużo sklerenchymy - usztywnia
i ogranicza parowanie
Ląd - sucho i gorąco
Wysokie temperatury + brak wody
(pustynie, półpustynie, stepy)
Strategie umożliwiające przetrwanie suszy:
gromadzenie wody
ograniczanie jej ubytku
efektywne pozyskiwanie wody z otoczenia
pozyskiwanie wody z reakcji metabolicznych
obniżanie/zahamowanie aktywności w okresach
suchych - w okresach wilgotnych szybki rozwój i
rozmnażanie
aktywność nocą
Wysokie temperatury + brak wody
Przykłady: wielbłąd
jeśli jest chłodno - mogą nie pić zupełnie
gęste futro chroniące przed przegrzaniem
duże wahania temp. ciała w przypadku braku wody:
w nocy nawet 34OC,
za dnia nawet 40OC - dopiero wtedy się poci
mało, b. stężonego moczu, albo jego brak - mocznik zużywany przez
symbiotyczne bakterie
tkanki gromadzą wodę, którą mogą oddawać do krwi - nawet po
utracie 1/4 wody w organizmie gęstość krwi się prawie nie zmienia
krwinki b. odporne na wahania ciśnienia osmotycznego
twarda skóra warg i jamy gębowej, pozwalająca na zjadanie
twardych roślin
tkanka tłuszczowa w garbie - magazyn tłuszczu, ale nie jest to
znaczące źródło wody z przemian metabolicznych
Wysokie temperatury + brak wody
Przykłady: Szczuroskoczek Dipodomys agilis
prowadzi nocny tryb życia, za dnia kryje się w norach
bardzo małe zapotrzebowanie na wodę: ok 10% wody
pozyskują bezpośrednio z pokarmu, większość z procesów
metabolicznych.
można spotkać się
z informacjami, że
obywają się bez
picia wody
Dipodomys ordii (gatunek podobny) źródło: Wikimedia Commons
Wysokie temperatury + brak wody
Przekopnica australijska Triops australiensis
żyje w miejscach gdzie występują okresowe zbiorniki wodne
susze przeżywają jaja
kiedy spada deszcz na pustyni wylegają się młode, szybko
dojrzewają, po kilku tygodniach rozmnażają się i
pozostawiają następne pokolenie jaj pod powierzchnią ziemi.
źródło: Wikimedia Commons
Wysokie temperatury + brak wody
Rośliny - podstawowe strategie
kserofity (rośliny sucholubne)
sukulenty: gromadzą wodę w tkankach gdy jest
dostępna,
sklerofity (suchorośla): nie gromadzą dużych ilości
wody,
efemerydy: żyją krótko w okresie wilgotnym
Wysokie temperatury + brak wody
Rośliny - podstawowe strategie
sukulenty:
gromadzą wodę w tkankach gdy jest dostępna,
nawet gdy woda dostępna oszczędnie ja
gospodarują
liście zredukowane lub brak (np. kaktusy) albo
grube, mięsiste, gromadzące wodę (np. agawy)
rolę liści może przejmować łodyga,
Wysokie temperatury + brak wody
Rośliny - podstawowe strategie
sklerofity (suchorośla):
nie gromadzą dużych ilości wody,
pokrój: sztywne, skórzaste, mają dużo sklerenchymy
umożliwiającej zachowanie sztywności w przypadku braku
wody,
gdy wody pod dostatkiem prowadzą intensywną transpirację
blaszki liściowe o małej powierzchni, czasem brak, gęsta
tkanka miękiszowa,
gruba skórka, pokryta grubą kutykulą, woskami, czasem
włoskami - w czasie suszy transpiracja spada niemal do zera
głęboki system korzeniowy, czasem sięgający wód
gruntowych
Wysokie temperatury + brak wody
Rośliny - przykłady: kaktusy
kształt - mała powierzchnia w stosunku do objętości - w
skrajnych przypadkach kuliste - ograniczenie transpiracji
redukcja liści, zwykle do cierni - zmniejszenie powierzchni
parowania, funkcje obronne
żebra - obecne u wielu gatunków, pozwalają na „bezpieczne”
kurczenie się rośliny w razie braku wody
płytko umieszczony, ale rozległy system korzeniowy - szybko i
skutecznie pobierają wodę deszczową, wilgoć z rosy, mgły
tkanka miękiszowa gromadząca wodę w czasie jej dostępności
aparaty szparkowe otwierają się w nocy - w dzień są zamknięte
gruba warstwa kutyny i wosków na epidermie zabezpiecza
przed parowaniem
Wysokie temperatury + brak wody
Rośliny - przykłady: wilczomlecze (Euphorbia)
wiele wilczomleczów wykazuje podobne przystosowania do
suchego środowiska do tych obserwowanych u kaktusów
(konwergencja)
stąd często się je myli z kaktusami - można odróżnić je po
obecności mlecznego płynu wypływającego ze zranień
(trucizna!)
przykłady konwergencji:
Euphorbia virosa i Cereus peruvianus
Euphorbia obesa i Astrophytum asterias
Wysokie temperatury + brak wody
Rośliny - konwergencja
Cereus peruvianus
Euphorbia virosa
źródło: fotografii Wikimedia Commons
Wysokie temperatury + brak wody
Rośliny - konwergencja
Euphorbia obesa
Astrophytum asterias
źródło: fotografii Wikimedia Commons
Wysokie temperatury + brak wody
Rośliny: oleander (budowa liścia)
Wysokie temperatury + brak wody
Rośliny: oleander (budowa liścia)
skórka wielowarstwowa
gruba kutykula
dwie warstwy miękiszu palisadowego
aparaty szparkowe
po dolnej stronie
liścia, w kryptach
szparkowych
osłonięte dodatkowo
włoskami
Wysokie temperatury + brak wody
Wydmuchrzyca piaskowa (budowa liścia)
Wysokie temperatury + brak wody
Wydmuchrzyca piaskowa (budowa liścia)
liście zaopatrzone w dużą ilość sklerenchymy
aparaty szparkowe w zagłębieniach, które mogą się zamykać
dzięki komórkom zawiasowym
zbity miękisz
„Gorąca podziemna
biosfera”?
Gorąca podziemna biosfera?
Badania wskazują, że w porach skał pod powierzchnią
Ziemi, żyją bakterie
Znajdowane są nawet kilka km. pod powierzchnią, także w
wysokiej temperaturze
Wg. niektórych badaczy ich łączna biomasa może
przekraczać biomasę organizmów żyjących na powierzchni
Ciągle jednak bardzo niewiele wiadomo o podziemnej
biosferze