Το νερό των ποταμών βέβαια δεν είναι χημικά και φυσικά καθαρό, συμβαίνει μάλιστα ακριβώς το αντίθετο, αφού περιέχει πάρα πολλές προσμίξεις. Ένα μέρος των σημαντικών για τη Βιολογία φυσικοχημικών ιδιοτήτων των νερών των ποταμών οφείλεται στις ιδιότητες του νερού ως χημικής ένωσης, ενώ ένα άλλο μέρος οφείλεται στις προσμίξεις του. Θα εξετάσουμε πρώτα τις ιδιότητες που οφείλονται στο νερό, ως χημικά καθαρή ένωση.
1.1 Ένα μόριο πολύ «αντικομφορμιστικό»
1.1.1 Πώς είναι ένα μόριο νερού;
Τα μόρια του νερού (Η2Ο) προέρχονται από το συνδυασμό δύο ατόμων υδρογόνου και ενός ατόμου οξυγόνου. Ο συνδυασμός υδρογόνου-οξυγόνου είναι πολύ σταθερός και η ενέργεια που απαιτείται για τη διάσπαση αυτού του δεσμού είναι σημαντική (αντιστοιχεί σε θερμότητα 60.0000C).
Τα μόρια του νερού είναι λοιπόν πολύ σταθερά. Οι δεσμοί που αναπτύσσονται μεταξύ του υδρογόνου και του οξυγόνου είναι ομοιοπολικοί (αμοιβαία συνεισφορά ηλεκτρονίων μεταξύ του ατόμου του οξυγόνου και του κάθε ατόμου υδρογόνου).
Τα δυο άτομα του υδρογόνου που είναι συνδεδεμένα με το οξυγόνο δεν είναι τοποθετημένα συμμετρικά, αλλά σχηματίζουν με το άτομο του οξυγόνου ένα ισοσκελές τρίγωνο με γωνία 104,50. Έτσι η μια πλευρά του μορίου παρουσιάζει ένα θετικό φορτίο, ενώ η αντίθετη ένα αντίστοιχο αρνητικό φορτίο. Αυτός ο τύπος μορίου ονομάζεται δίπολο.
1.1.2 Πώς συνδέονται μεταξύ τους πολλά μόρια νερού;
Τα μόρια του νερού, επειδή είναι ασύμμετρα, παρουσιάζουν ηλεκτρικές διπολικές ιδιότητες, συμπεριφέρονται δηλαδή σαν γωνιακοί μικροσκοπικοί μαγνήτες που έλκονται ισχυρά μεταξύ τους (μοριακή πόλωση).
Σύμφωνα με την Κβαντομηχανική, είμαστε πλησιέστερα στην πραγματικότητα αν θεωρήσουμε τα ηλεκτρόνια ως ένα αρνητικά φορτισμένο νέφος, παρά ως μεμονωμένα σωματίδια. Οι υπολογισμοί της Κβαντομηχανικής δείχνουν ότι το άτομο του οξυγόνου, που βρίσκεται στη «γωνία» του μορίου νερού, παρουσιάζει στο ηλεκτρονικό του νέφος δυο μικρές «ουρές» αρνητικού φορτίου (ουσιαστικά, πρόκειται για πλεόνασμα αρνητικού φορτίου), ενώ τα δύο άτομα υδρογόνου παρουσιάζουν αντίστοιχο θετικό φορτίο (ουσιαστικά, πρόκειται για έλλειμμα αρνητικού φορτίου).
Συνέπεια αυτού είναι τα μόρια του νερού να έχουν την τάση να συνδεθούν μεταξύ τους, γιατί ο αρνητικός πόλος ενός μορίου (το οξυγόνο) έλκει τον θετικό πόλο (το υδρογόνο) ενός άλλου. Αυτό ονομάζεται δεσμός υδρογόνου (ή γέφυρα υδρογόνου) και είναι η βάση για τις μοναδικές ιδιότητες του νερού, που είναι το κλειδί για τη ζωή πάνω στη γή, όπως θα δούμε παρακάτω.
Χάρη σ’ αυτήν την ισχυρή σύνδεση και έλξη των μορίων νερού μεταξύ τους, το νερό παραμένει σε υγρή μορφή και λίγα μόνο μόριά του απομακρύνονται για να περάσουν στην αέρια κατάσταση. Έτσι, το νερό είναι εκτός του υδραργύρου, το μοναδικό ελεύθερο στη φύση σώμα που παραμένει υγρό σε κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης. Βράζει στους 1000C και στερεοποιείται στους 00C υπό την πίεση 1atm: συνθήκες αρκετά συνηθισμένες στον πλανήτη μας. (Στην πράξη θεωρούμε ότι οι μονάδες ατμόσφαιρα, 1atm, και βαρομετρικό, 1bar, ταυτίζονται, αφού 1atm = 1,013 x 105 Nm-2 = 1,013bar). Και ωστόσο, η σύγκριση με άλλες ενώσεις του υδρογόνου παρόμοιας δομής (H2S, H2Se, H2Te) δείχνει ότι εξ αιτίας της μοριακής του μάζας, θα έπρεπε να βράζει στους -600C και να παγώνει στους -900C.
«Ευτυχώς λοιπόν που το μόριο του νερού είναι ένα μόριο πολύ αντικομφορμιστικό» (Lacroix, 1991).
1.1.3 Πού οφείλεται η μεγάλη διαλυτική ικανότητα του νερού;
Στην ασυμμετρία των μορίων του και στη μοριακή του πόλωση οφείλει το νερό τη μεγάλη του διαλυτική ικανότητα. Το νερό μπορεί εύκολα να εισχωρήσει ανάμεσα στα άτομα άλλων μορίων εξ αιτίας της πολικότητας του φορτίου των μορίων του. Αυτές του οι ιδιότητες εξηγούν κατά ένα μέρος και τη δράση του νερού επάνω στο έδαφος, τη γνωστή διάβρωση (Lacroix, 1991).
1.1.4 Ένας παγκόσμιος διαλύτης
Τόσο πολλές ουσίες διαλύονται στο νερό, που σπανιότατα το βρίσκουμε καθαρό στη φύση. Κάθε μορφή νερού είναι ένα διάλυμα πολυάριθμων ανόργανων και οργανικών ουσιών, που άλλες από αυτές είναι χρήσιμες και άλλες βλαβερές για τους οργανισμούς.
Τα μόρια ενός άλατος μπορούν εύκολα να αλληλεπιδράσουν με τα μόρια του νερού εξ αιτίας της ηλεκτροστατικής φύσης του δεσμού του μορίου τους, που ονομάζεται ιοντικός δεσμός. Όταν τα μόρια του νερού έρθουν σε επαφή με τα μόρια ενός άλατος, τα έλκουν με ηλεκτροστατικές δυνάμεις. Στρέφουν το αρνητικό τμήμα του μορίου τους προς το θετικό ιόν του άλατος, και αντίστοιχα το θετικό τους τμήμα προς το αρνητικό ιόν. Έτσι καταστρέφεται η κρυσταλλική μορφή του άλατος, και όταν όλα τα ιόντα του άλατος θα έχουν «αντιδράσει» με τα μόρια του νερού, τότε το άλας θα έχει όλο διαλυθεί στο νερό (UNESCO-UNEP, 1993).
Σημαντικότατος είναι ο ρόλος του νερού ως διαλύτη στη διατροφή των οργανισμών: Οι διάφορες ουσίες που λαμβάνονται με την τροφή πρέπει να διαλυθούν, προκειμένου να δράσουν, για να μεταφερθούν στα διάφορα σημεία του οργανισμού ή για να ξαναχρησιμοποιηθούν στη σύνθεση καινούριων μορίων, απαραίτητων για τον οργανισμό. Το νερό είναι ο γενικότερος διαλύτης και έτσι αποτελεί ένα μόριο – κλειδί για τη διατροφή και τη ρύθμιση του μεταβολισμού όλων των ζωντανών υπάρξεων.
ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Το μόριο του νερού αποτελείται από ένα άτομο οξυγόνου και δύο υδρογόνου και είναι μία πολύ σταθερή ένωση. Το νερό λόγω της χημικής του σύστασης, θα έπρεπε να βρίσκεται μόνο σε αέρια μορφή στον πλανήτη. Το ότι δεν είναι, οφείλεται σε ηλεκτροστατικές έλξεις μεταξύ των μορίων του νερού, που ονομάζονται δεσμοί υδρογόνου. Στις ηλεκτροστατικές έλξεις που παρουσιάζει το μόριο του νερού οφείλεται και η ικανότητά του να διαλύει πολλές ουσίες.
ΘΕΜΑΤΑ ΣΥΖΗΤΗΣΗΣ
- Ποιές συνέπειες έχει για τη ζωή η διάλυση ουσιών στο νερό;
1.2 Επιφανειακή τάση
1.2.1 Γιατί η επιφάνεια του νερού συμπεριφέρεται σαν μια ελαστική μεμβράνη;
Αν προσέξουμε τα σταγονίδια του νερού, είτε αυτά είναι σταγονίδια δροσιάς πάνω στον ιστό μιας αράχνης, είτε μικρές σταγόνες που πέφτουν αργά-αργά από μια βρύση, θα παρατηρήσουμε ότι έχουν πάντα την τάση να σχηματίζουν σφαιρικές επιφάνειες, εξ αιτίας ενός φαινομένου που λέγεται επιφανειακή τάση. Αυτό το φαινόμενο οφείλεται στην έλξη που ασκεί κάθε μόριο νερού στα γειτονικά του. Στο εσωτερικό της σταγόνας, ένα μόριο έλκεται εξ ίσου απ’ όλα τα γειτονικά του, οπότε ισορροπεί. Αλλά στην επιφάνεια της σταγόνας, κάθε μόριο έλκεται μόνο από τα εσωτερικά μόρια και από τα μόρια της επιφάνειας, μια και δεν υπάρχουν άλλα να το τραβήξουν προς τα έξω. Έτσι, το νερό μορφοποιεί τη σφαιρική επιφάνεια της σταγόνας, που συμπεριφέρεται σαν τεντωμένο δέρμα.
1.2.2 Κάποιοι οργανισμοί βαδίζουν επάνω στο νερό εκμεταλλευόμενοι την επιφανειακή του τάση.
Η ελεύθερη υδάτινη επιφάνεια με την επίδραση της επιφανειακής τάσης δημιουργεί ένα λεπτό επιφανειακό στρώμα που μοιάζει με ένα τεντωμένο σεντόνι. Η επιφάνεια του νερού είναι πολύ σημαντική για τις περισσότερες μορφές ζωής του νερού. Το ατμοσφαιρικό οξυγόνο διαχέεται μέσω αυτής, και προσφέρεται στους οργανισμούς.
Η «επιδερμίδα» που δημιουργεί η επιφανειακή τάση στο νερό, είναι αρκετά ισχυρή για να αντέξει το βάρος μικροσκοπικών εντόμων, όπως αυτό που τρέχει γρήγορα πάνω σ’ ένα νερόλακκο. Από την άλλη μεριά, δημιουργεί ένα φράγμα που είναι δύσκολο για τα μικροσκοπικά ζώα να το διαπεράσουν.
Γενικά, τα ζώα που κινούνται στην επιφάνεια του νερού πρέπει να έχουν α) σχετικά μικρό βάρος, β) το βάρος τους να είναι σχετικά ομοιόμορφα κατανεμημένο, γ) η επιφάνεια των ποδιών τους να αντιστέκεται στο νερό.
Τα έντομα που ζουν και κινούνται στην επιφάνεια του νερού, οι υδροβάτες, είναι πολύ συνηθισμένα και τα συναντούμε στις περισσότερες περιοχές που υπάρχει στάσιμο νερό. Αυτά πιάνουν μικρούς οργανισμούς που έχουν κολλήσει στην επιφάνεια του νερού και ρουφούν τα υγρά του σώματος των θυμάτων τους δια μέσου μιας πολύ λεπτής αιχμηρής προβοσκίδας ή ράμφους. Χρησιμοποιούν την επιφανειακή τάση για να στηρίζονται αλλά και για να καταλαβαίνουν τη θέση που βρίσκονται τα θηράματά τους (μέσω δονήσεων).
Τα μικρά πουλιά επίσης μπορούν και επιπλέουν στην επιφάνεια του νερού βασιζόμενα και αυτά στην επιφανειακή τάση, αλλά και σε άλλα φυσικά φαινόμενα.
Ως προς τις εσωτερικές λειτουργίες των οργανισμών, η μεγάλη επιφανειακή τάση του νερού έχει μεγάλη σημασία στο σχηματισμό βιολογικών μεμβρανών καθώς και στη μετακίνηση του νερού (επομένως και των ουσιών των διαλυμένων σ’ αυτό) στον κορμό και τα κλαδιά των φυτών (τριχοειδές φαινόμενο).
1.2.3 Πως καταστρέφεται η επιφανεική τάση;
Η επιφανεική τάση του νερού όμως καταστρέφεται από τα απορρυπαντικά, οπότε οι βιολογικές ισορροπίες είναι εύκολο να ανατραπούν. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα για κάποιες επιπτώσεις που μπορεί να έχει στους οργανισμούς η καταστροφή της επιφανεικής τάσης είναι η εξής:
Τα πουλιά κολυμπούν και βουτούν κάτω από την επιφάνεια του νερού, ωστόσο πρέπει να διατηρούν το σώμα τους στεγνό. Αυτό επιτυγχάνεται γιατί τα φτερά τους είναι αδιάβροχα. Επιπλέον τα περισσότερα πουλιά απλώνουν στα φτερά τους ένα είδος λαδιού το οποίο ενισχύει την ικανότητά τους να είναι αδιάβροχα.
Τα απορρυπαντικά καταστρέφουν την ιδιότητα της επιφανειακής τάσης και έτσι μπορούν να διαλύσουν το μονωτικό λάδι του φτερώματος των πουλιών.
ΘΕΜΑΤΑ ΣΥΖΗΤΗΣΗΣ
- Γιατί ένα λεπτό και επίπεδο κομμάτι λαμαρίνας μπορεί να επιπλέει στο νερό, αφού τα μέταλλα είναι βαρύτερα από το νερό;
1.3 Ιξώδες
1.3.1 Γιατί οι οργανισμοί συναντούν μεγαλύτερη αντίσταση κατά την κίνησή τους μέσα στο νερό, απ’ ό,τι στον αέρα;
Το ιξώδες ενός ρευστού μετριέται από την αντίσταση που παρουσιάζει κατά τη μετακίνηση ενός σώματος μέσα σ’ αυτό. Για παράδειγμα, όσο πιό μεγάλη δύναμη βάζουμε για την ανάδευση ενός υγρού, και όσο γρηγορότερα ηρεμεί η επιφάνεια μετά την ανάδευση, τόσο πιο μεγάλο ιξώδες έχει. Το ιξώδες του νερού είναι υψηλό, εξ αιτίας των δεσμών υδρογόνου που ενώνουν τα μόριά του: στους 200C το νερό έχει 50 φορές μεγαλύτερο ιξώδες από τον αέρα. Το αποτέλεσμα είναι η σχετικά μέτρια ταχύτητα μετατόπισης των υδρόβιων ζώων.
1.3.2 Οι οργανισμοί μετακινούνται μέσα στο νερό υπερνικώντας την αντίστασή του χάρη…
1.3.2.1 Στη μορφή τους
Η ιδεώδης μορφή που ελαχιστοποιεί την αντίσταση του νερού είναι η υδροδυναμική μορφή, δηλαδή μια κατασκευή στρογγυλεμένη μπροστά και μυτερή πίσω. Η μορφολογία πολλών υδρόβιων ζώων εξελίχθηκε προς αυτήν την ιδεατή μορφή. Έτσι, η ομοιομορφία του σχήματος των ψαριών, των δελφινιών και των απολιθωμένων θαλάσσιων ερπετών (ιχθυόσαυρων), ακόμη και της βίδρας (Lutra lutra) με το υδροδυναμικό της προφίλ, είναι ένα θεαματικό παράδειγμα «εξαιρετικής σύγκλισης» συνδεδεμένο με το υδρόβιο περιβάλλον. Ακόμη και σε μικροσκοπικά ζώα του πλαγκτού, στα κωπήποδα, παρατηρείται υδροδυναμική μορφή (σώμα που μοιάζει με σταγόνα νερού ή με τορπίλλη) χάρη στην οποία αναπτύσσουν μεγάλες ταχύτητες για να ξεφεύγουν από τους εχθρούς τους.
1.3.2.2 Σε εξειδικευμένες κινήσεις
Τα ψάρια αποτελούν το πιο κοινό παράδειγμα τέλειας προσαρμογής στο κολύμπι: σώμα λείο και ατρακτοειδές, πτερύγια που λειτουργούν σαν πηδάλια και χρησιμεύουν παράλληλα σαν προωθητήρες, σταθεροποιητές ή κατευθυντήρες. Τα ψάρια χρησιμοποιούν κυρίως το ουραίο τμήμα του σώματός τους ως όργανο προώθησης, για να μετακινούνται γρήγορα (τα πιο γρήγορα μπορούν να πιάσουν μέγιστη ταχύτητα 60 km την ώρα).
1.3.2.3 Στη μείωση των τριβών
Τέλος, τα περισσότερα ψάρια είναι καλυμμένα από βλέννα χάρη στην οποία γλιστρούν κι έτσι επιτυγχάνεται σημαντική μείωση των τριβών (Lacroix, 1991).
1.3.2.4 Στην αντίσταση του
Οι προσαρμογές για το κολύμπι αφορούν, εκτός από το σχήμα του σώματος, και το σχήμα των ποδιών: τα πουλιά που μπορούν να κολυμπούν, έχουν πόδια προσαρμοσμένα για να διασχίζουν το νερό, να κολυμπούν γρήγορα ή αργά, ή και να βουτούν (τα βουτηχτάρια και οι χήνες έχουν παλαμοειδή πόδια, τα σκουφοβουτηχτάρια και οι φαλαρίδες απλά πλατυσμένα άκρα). Τα πόδια τους έχουν μεγάλη επιφάνεια, σαν κουπιά, και βοηθούν πολύ στην προώθηση, παρέχοντας αντίσταση στο νερό κατά την κίνησή τους προς τα πίσω. Όταν το πόδι επιστρέφει μπροστά στην αρχική του θέση, χάρη στην κλίση που παίρνει, παρουσιάζει μικρότερη μετωπική επιφάνεια και μικρότερη αντίσταση. Τα πόδια των πτηνών που είναι σαν κουπιά ή παλάμες δεν λειτουργούν καλά για περπάτημα ή τρέξιμο στην ξηρά.
Παρόμοιες τροποποιήσεις στα πόδια έχουν παρατηρηθεί σε διάφορες ομάδες πολύ διαφορετικών ζώων (έντομα, αμφίβια, πτηνά, θηλαστικά). Τα πόδια των υδρόβιων εντόμων είναι συχνά πλατυσμένα ή καλυμμένα με τρίχες. Όσο για τα δάχτυλα των οπίσθιων μελών των βατράχων, είναι έντονα παλαμοειδή. Τα πίσω πόδια των θηλαστικών του γλυκού νερού είναι επίσης πολλές φορές παλαμοειδή, ενώ η ουρά τους είναι πλατυσμένη και συχνά μετασχηματισμένη σε προωθητικό όργανο ή τιμόνι.
Η μορφολογία της ευρωπαϊκής βίδρας (Lutra lutra) με το υδροδυναμικό της προφίλ, τα παλαμοειδή της μέλη, την πυκνή και μακριά ουρά της, το λείο και αρκετά αδιάβροχο τρίχωμά της, της επιτρέπει να κολυμπά με ταχύτητα που ξεπερνά τα 10 km την ώρα (Lacroix, 1991).
1.3.3 Πώς μπορεί η ρύπανση να μεταβάλει το ιξώδες;
Το ιξώδες ενός υγρού αυξάνει με τη διάλυση ουσιών μέσα σ’ αυτό (Δημόπουλος & Ηλιόπουλος, 1976). Μιά από τις επιπτώσεις της απόρριψης λυμάτων και αποβλήτων στους ποταμούς είναι και η αύξηση του ποσοστού των διαλυμένων ουσιών μέσα σ’ αυτούς, η οποία συντελεί και στην αύξηση του ιξώδους του.
1.4 Πυκνότητα
1.4.1 Γιατί το νερό στηρίζει πολύ καλύτερα τους οργανισμούς απ’ ό,τι ο αέρας;
Το γλυκό νερό έχει πυκνότητα 833 φορές μεγαλύτερη απ’ αυτήν του αέρα. Προσφέρει λοιπόν πολύ καλύτερη στήριξη, και γι αυτό το υδρόβιο περιβάλλον έχει αποικιστεί από φυτικούς και ζωικούς οργανισμούς στερεωμένους ή όχι στο υπόστρωμα, ανάλογα με την προσαρμογή που ο καθένας τους έχει αναπτύξει στις συνθήκες αυτές.
Για παράδειγμα, ενώ οι περισσότεροι εδαφόβιοι οργανισμοί έχουν δυνατές δομές στήριξης για ν’ αντιστέκονται στη βαρύτητα (όπως στέρεα και ξυλώδη αγγεία στα φυτά, ενισχυμένους σκελετούς στα σπονδυλωτά), αντίθετα, οι ξυλώδεις δομές είναι πολύ περιορισμένες στα φυτά κάτω από το νερό, τα οποία έχουν συνήθως μειωμένο αγγειακό σύστημα.
1.4.2 Οι οργανισμοί επιπλέουν στο νερό…
1.4.2.1 Μειώνοντας την πυκνότητά τους
Πολυάριθμοι υδρόβιοι οργανισμοί έχουν προσαρμογές (π.χ. περιορισμός της πυκνότητας) που τους εξασφαλίζουν καλύτερη πλευστότητα. Έτσι, αεροφόροι ιστοί επιτρέπουν στα φύλλα της Hydrocharis, του Potamogeton natans και της Lemna να επιπλέουν. Επίσης οι μίσχοι των φύλλων του κάστανου της λίμνης Trapa natans είναι φουσκωμένοι και βοηθούν τα φύλλα να επιπλέουν (Μπαμπαλώνας, 1997).
Τα υδρόβια ζώα έχουν αναπτύξει τρόπους για να μετακινούνται τόσο επάνω όσο και κάτω από την επιφάνεια του νερού. Πώς το καταφέρνουν αυτό;
Τα πουλιά επιπλέουν χάρη στα αεροφόρα οστά τους, είτε χάρη στο πτέρωμά τους όπου αποθηκεύεται ένα στρώμα αέρα που κάνει την πυκνότητα του σώματός τους μικρότερη από του νερού. Εξαίρεση αποτελούν μερικά πουλιά που ονομάζονται βουτηχτάρια, τα οποία για να μπορούν να βουτούν σε βάθος μεγαλύτερο από 30m χρειάζονται μικρότερη άνωση στο νερό, και γι αυτό τα οστά τους δεν είναι αεροφόρα.
Πολλά ζώα έχουν την ικανότητα να μεταβάλλουν το ειδικό τους βάρος αναλόγως του βάθους. Τα ψάρια είναι βαρύτερα από το νερό, καταφέρνουν όμως να επιπλέουν στο νερό είτε με ενεργητικές κατάλληλες κινήσεις των πτερυγίων, είτε με ένα ειδικό όργανο, τη νηκτική κύστη. Η νηκτική κύστη είναι μια θήκη γεμάτη με αέρα, παραπλήσιο του ατμοσφαιρικού, που τους επιτρέπει να αυξομειώνουν το ειδικό τους βάρος ανάλογα με το βάθος. Η έκκριση και απορρόφηση αυτού του αέρα υπό την επίδραση της υδροστατικής πίεσης συντελεί στη γρήγορη ανάδυση ή βύθιση του ψαριού (Οικονομίδης, 1991).
Παρόμοια με τα ψάρια, κάποιες πλαγκτονικές προνύμφες διπτέρων (εντόμων) μεταβάλλουν το ειδικό τους βάρος με τη βοήθεια δύο αεροφόρων μικρών μπαλονιών, κατά τη διάρκεια της καθόδου τους σε λιμνάζοντα νερά. Επίσης, πολλά έντομα χρησιμοποιούν τα αποθέματα αέρος που έχουν κάτω από το δέρμα τους, για να μετακινηθούν κάθετα (Λαζαρίδου-Δημητριάδου, 1992).
1.4.2.2 Αυξάνοντας την επιφάνειά τους
Οι οργανισμοί που έχουν πυκνότητα μεγαλύτερη από το νερό έχουν την τάση να βυθίζονται, εάν εξειδικευμένες κινήσεις δεν εμποδίζουν αυτό το παθητικό βύθισμα. Το νερό όμως, λόγω του ιξώδους του, εξασκεί μιαν αντίσταση στο βύθισμα των σωμάτων. Για ν’ αποφευχθεί η παθητική μετακίνηση ενός τέτοιου οργανισμού προς τον πυθμένα, μπορεί αυτός να εκμεταλλευθεί την αντίσταση του νερού. Δηλαδή θα πρέπει η μορφή του να είναι ακριβώς το αντίθετο της υδροδυναμικής μορφής, ώστε να προκαλεί μεγάλη αντίσταση.
Η παρουσία βλεφαρίδων, μαστιγίων, αγκαθιών και διακοσμήσεων με διάφορα σχήματα, συντελεί στην αύξηση της σχετικής επιφάνειας των πλαγκτονικών και άλλων οργανισμών, χωρίς ωστόσο να αυξάνεται αισθητά ο όγκος τους (Λαζαρίδου-Δημητριάδου, 1992).
1.4.3 Γιατί το νερό είναι καλύτερος μεταφορέας μηνυμάτων απ’ ό,τι ο αέρας;
Το νερό είναι μέσον πυκνό και λίγο συμπιεστό. Οι δονήσεις ή οι κυματισμοί μεταδίδονται πιο εύκολα και πιο γρήγορα στο νερό απ’ ό,τι στον αέρα. Σαν αποτέλεσμα, οι οργανισμοί δέχονται περισσότερα μηνύματα μέσα στο νερό απ’ ό,τι στον αέρα, και ανέπτυξαν τα κατάλληλα αισθητήρια όργανα γι αυτό.
Η αίσθηση της ακοής είναι γενικά ανεπτυγμένη στα ψάρια του γλυκού νερού, ιδιαίτερα σε είδη όπως ο κυπρίνος και το γατόψαρο, που χρησιμοποιούν τη νηκτική τους κύστη ως ενισχυτή. Αυτή εφάπτεται από τη μιά με τη σπονδυλική στήλη και από την άλλη με το έσω αυτί, ώστε όταν η σπονδυλική στήλη δέχεται μηχανικές διαταραχές, η νηκτική κύστη τις ενισχύει και τις μεταβιβάζει στο εσωτερικό αυτί. Ωστόσο, το πιο αξιοσημείωτο όργανο είναι αναμφίβολα η «πλευρική γραμμή» των ψαριών και των γυρίνων των αμφιβίων, για την υποδοχή δονήσεων χαμηλής συχνότητας που το σύστημα ακοής δεν μπορεί ν’ αντιληφθεί. Στα ψάρια, αυτό το αισθητήριο σύστημα, αποτελούμενο από πολυάριθμους νευρικούς υποδοχείς, είναι συχνά τοποθετημένο πλευρικά, δεξιά και αριστερά κατά μήκος του σώματός τους. Προειδοποιεί τα ζώα για τις παραμικρές μηχανικές διαταραχές στο νερό και τους επιτρέπει να εντοπίσουν εύκολα τη λεία τους, τα εμπόδια ή τους πιθανούς εχθρούς. Αυτοί οι νευρικοί υποδοχείς της «πλευρικής γραμμής» χρησιμεύουν κυρίως για την καταγραφή των μεταβολών της πίεσης, λειτουργώντας κατά κάποιο τρόπο ως όργανα της εξ αποστάσεως αφής και μάλιστα τόσο επιτυχημένα, ώστε τυφλά σαρκοφάγα ψάρια ξεπερνούν αυτό το μειονέκτημά τους και συνεχίζουν να κυνηγούν και να επιβιώνουν χάρη στην λειτουργία αυτή της πλευρικής τους γραμμής (Λαζαρίδου-Δημητριάδου, 1998).
1.4.4 Η ανωμαλία μεταβολής της πυκνότητας του νερού με τη θερμοκρασία συμβάλλει…
1.4.4.1 Στη διατήρηση της ζωής
Η μεταβολή της πυκνότητας του νερού σε σχέση με τη θερμοκρασία ακολουθεί ένα διάγραμμα μη κανονικό. Ενώ σχεδόν όλα τα σώματα γίνονται πυκνότερα και βαρύτερα όσο κατεβαίνει η θερμοκρασία τους, το νερό δεν ακολουθεί αυτόν τον κανόνα στην περιοχή ανάμεσα στους 40C και στους 00C, όπου διαστέλλεται προοδευτικά μέχρι την πήξη του. Είναι λοιπόν πιο ελαφρύ ως στερεό παρά ως υγρό και η πυκνότητά του είναι μέγιστη στους 40C. Για το λόγο αυτό ο πάγος επιπλέει στο νερό, σε αντίθεση με τη στερεή μορφή όλων των άλλων υγρών.
Αυτό συμβαίνει γιατί κάτω από τους +40C τα μόρια του νερού αρχίζουν να οργανώνονται σε ένα κανονικό αλλά πολύ ευρύ κρυσταλλικό πλέγμα: Εξ αιτίας των δεσμών υδρογόνου, τα μόριά του σχηματίζουν «δαχτυλίδια», με διάκενα ανάμεσά τους. Έτσι στη θερμοκρασία αυτή που αρχίζει μια μορφή κρυσταλλοποίησης, χωρίς να εμφανίζεται ακόμη μακροσκοπικά ο πάγος, η διαστολή του νερού είναι η μέγιστη και η πυκνότητά του η ελάχιστη (Ericsson, 1993). Όταν όμως ο πάγος λιώνει, το πλέγμα καταστρέφεται και οι ισχυροί ελκτικοί δεσμοί μεταξύ των παγωμένων μορίων του, τα φέρνουν πιο κοντά από πριν. Αυτό το γεγονός εξηγεί τη μοναδική ιδιότητα του νερού να είναι πυκνότερο ως υγρό απ’ ό,τι είναι ως στερεό και να διαστέλλεται κατά την πήξη.
Και η συνέπεια αυτής του της ιδιότητας είναι πολύ γνωστή: ο πάγος επιπλέει. Αλλιώς ο πάγος θα συσσορευόταν στο βάθος των λιμνών και των θαλασσών και τα νερά του πλανήτη μας στο σύνολό τους θα είχαν προοδευτικά παγώσει. Όταν ο πάγος βρίσκεται στην επιφάνεια, συνεχίζει να υπάρχει ζωή κάτω απ’ αυτόν, αφού η θερμοκρασία του νερού είναι πάνω από 00C. Αυτό το φαινόμενο προστατεύει τα φυτά και τα ζώα που περνούν το χειμώνα κάτω απ’ το νερό, είτε είναι ενεργά, είτε βρίσκονται σε χειμέρια νάρκη.
Μια άλλη συνέπεια αυτής του της ιδιότητας είναι η αύξηση της διαβρωτικής του ικανότητας. Καθώς το νερό κυλά, διεισδύει σε σχισμές και χαραμάδες βράχων και πετρωμάτων στην επιφάνεια της γης. Αν αυτές οι μικρές ποσότητες νερού παγώσουν, βράχοι και πετρώματα κομματιάζονται από τις δυνάμεις διαστολής του πάγου και τα θρύμματα μεταφέρονται από τα ρεύματα νερού. Με το κομμάτιασμα αυτό επίσης διευκολύνεται και ο εμπλουτισμός του νερού σε άλατα και αυξάνει η αποτελεσματικότητα της διαλυτικής του ικανότητας. Αυτό το γεγονός είναι πολλές φορές καλό για τη γεωργία, αλλά σε ορισμένες περιοχές η αυξημένη διάβρωση μπορεί ν` αποτελέσει μέγιστο πρόβλημα (UNESCO-UNEP, 1993).
1.4.4.2 Στην καλύτερη κατανομή της τροφής, του οξυγόνου και της θερμότητας
Η μεταβολή της πυκνότητας του νερού σε διαφορετικές θερμοκρασίες συμβάλλει στην ανάδευση του νερού μέσα σε μια υδάτινη μάζα, γιατί όταν το νερό κρυώνει στην επιφάνεια, κατεβαίνει προς τα κάτω, και αντίστροφα, το ζεστό νερό, ως ελαφρύτερο, ανεβαίνει προς τα πάνω. Οι συνέπειες αυτού του φαινομένου για τη ζωή μέσα στο νερό είναι πολύ σημαντικές γιατί:
Α. Γίνεται δασπορά των θρεπτικών συστατικών σε όλη τη μάζα του νερού.
Β. Οξυγονώνονται τα βαθύτερα στρώματα του νερού, δηλαδή γίνεται κατανομή του οξυγόνου σε όλη τη μάζα του νερού.
Γ. Επιτυγχάνεται σχετικά ομοιόμορφη κατανομή της θερμοκρασίας σε όλη τη μάζα του υγρού, εξασφαλίζοντας στους οργανισμούς που ζουν μέσα σ’ αυτό ένα ομοιόμορφο περιβάλλον.
1.4.5 Πώς επιδρά η ρύπανση στην πυκνότητα του γλυκού νερού
Η πυκνότητα ενός υγρού αλλάζει αν μεταβληθεί η θερμοκρασία του ή αν διαλυθούν άλλες ουσίες μέσα σ’ αυτό. Σε κάθε περίπτωση θ’ αλλάζει και η συμπεριφορά των σωμάτων που βρίσκονται μέσα στο υγρό.
ΘΕΜΑΤΑ ΣΥΖΗΤΗΣΗΣ
- Τι γνωρίζετε για τη θερμική ρύπανση του νερού και τι αποτελέσματα νομίζετε ότι μπορεί να έχει αυτή στην πυκνότητα του;
- Τι θα συνέβαινε αν οι πάγοι βυθιζόντουσαν στο νερό;
- Όπως ένα στερεό σώμα επιπλέει σ’ ένα υγρό μεγαλύτερης πυκνότητας, κάτι ανάλογο συμβαίνει και όταν έρθουν σ’ επαφή δύο υγρά που δεν αναμιγνύονται: το λιγότερο πυκνό επιπλέει. Τι μπορεί να σημαίνει αυτό για ένα υδάτινο ρεύμα το οποίο έχει ρυπανθεί με λάδια ή πετρέλαια; Τι μπορεί να σημαίνει αυτό όταν το υδάτινο ρεύμα έχει δεχθεί λύματα ειβαρυμένα με γλυκερίνες ή απορρυπαντικά;
- Πως επιτυγχάνεται η διασπορά τροφής και οξυγόνου στο νερό, με τη βοήθεια της ανώμαλης μεταβολής της πυκνότητας του νερού;
ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΕΣ: 12, 14, 15α, 15β.
1.5 Θερμική συμπεριφορά του νερού
1.5.1 Γιατί η μεγάλη θερμοχωρητικότητα του νερού ευνοεί τη ζωή;
Ειδική θερμότητα ονομάζεται η απαραίτητη ποσότητα θερμότητας για ν’ ανέβει η θερμοκρασία 1 γραμμαρίου νερού κατά 10C, από τους 140C στους 150C (Η θερμοκρασία των 150C στη Φυσική ονομάζεται θερμοκρασία περιβάλλοντος).
Από όλα τα γνωστά στοιχεία, το νερό έχει την υψηλότερη ειδική θερμότητα. Για να θερμάνουμε 1kg νερού από τους 200C στους 210C, χρειάζονται 4187J/kg (Ericsson, 1993).
Αυτή η θερμική συμπεριφορά είναι πολύ σημαντική και προσδίδει στο νερό μεγάλη θερμική αδράνεια. Χάρη σ’ αυτήν, όταν ένα ζωντανό κύτταρο (που αποτελείται μέχρι και 90% από νερό) δέχεται ή χάνει μεγάλα ποσά θερμότητας, υφίσταται μικρή μεταβολή της θερμοκρασίας του. Είναι αναμφισβήτητη η σημασία των παραπάνω για να είναι δυνατή η ζωή πάνω στη γη, στα γλυκά νερά και στις θάλασσες. Αν εξαιρέσουμε τις επιφανειακές και αβαθείς υδατοσυλλογές, το ετήσιο θερμοκρασιακό εύρος δεν ξεπερνά τους 250C σε υδάτινες περιοχές της εύκρατης ζώνης, ενώ η διακύμανση της θερμοκρασίας του αέρα φθάνει αρκετά συχνά τους 400C (Lacroix, 1991).
1.5.2 Το νερό ρυθμιστής του κλίματος
Μεγάλα ποσά θερμότητας απαιτούνται για την εξάτμιση του νερού και για το λιώσιμο του πάγου (τήξη). Αντίστοιχα όμως απελευθερώνεται θερμότητα στο περιβάλλον κατά την υγροποίηση ή στερεοποίηση των υδρατμών της ατμόσφαιρας (ομίχλη, βροχή, χιόνι, χαλάζι), όπως και κατά τη διάρκεια του χειμώνα, όταν σχηματίζεται πάγος στα επιφανειακά νερά. Η εξάτμιση και η συμπύκνωση του νερού είναι πολύ σημαντικοί παράγοντες για τη ρύθμιση του κλίματος μιας περιοχής, αλλά και του κλίματος όλης της γης, γιατί «φρενάρουν» τις απότομες μεταβολές της θερμοκρασίας (Ericsson, 1993). Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελούν οι έρημοι, όπου η απουσία βλάστησης, επιφανειακών νερών και υδρατμών προκαλεί μεγάλες θερμοκρασιακές μεταβολές, ακόμη και μεταξύ ημέρας και νύχτας.
1.5.3 Οι οργανισμοί εξοικονομούν ενέργεια μέσα στο νερό
Τα περισσότερα υδρόβια ζώα είναι εξώθερμα (ή ποικιλόθερμα) δηλαδή η θερμοκρασία του σώματός τους δεν είναι σταθερή, αλλά εξαρτάται από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντός τους. Η ενδοθερμία (ή ομοιοθερμία), δηλαδή η διατήρηση της θερμοκρασίας του σώματος σε μια σταθερή τιμή, χαρακτηρίζει μόνο τα πουλιά και τα θηλαστικά. Τα εξώθερμα αποτελούν το σύνολο των ασπονδύλων, των ψαριών, των αμφιβίων και των ερπετών. Η ενδοθερμία βέβαια παρέχει στα ανώτερα σπονδυλωτά ένα σημαντικό πλεονέκτημα, καθιστώντας τα λιγότερο εξαρτημένα από το περιβάλλον τους και επιτρέποντάς τα να παραμένουν δραστήρια σε μεγαλύτερο εύρος θερμοκρασιών, με μεγάλο όμως ενεργειακό κόστος, που είναι 10 έως 30 φορές μεγαλύτερο από αυτό των εξώθερμων.
1.5.4 Κάποιες φορές η θερμοχωρητικότητα του νερού δεν αρκεί για να εμποδίσει τη μεγάλη άνοδο της θερμοκρασίας του
Οι άνθρωποι συμβάλλουν στη θέρμανση του νερού είτε απορρίπτοντας ζεστά υγρά (κυρίως τα εργοστάσια), είτε κόβοντας θάμνους και κλαδιά από δένδρα που σκιάζουν το νερό, και αυτό έχει επίδραση στην υποβάθμιση της ποιότητας του νερού.
Η ανάπτυξη βακτηριδίων, φυτο- ή ζωο-πλαγκτού, εξαρτάται επίσης από τη θερμοκρασία του νερού, και έτσι πολλά αναερόβια βακτήρια μπορούν να αναπτυχθούν σε θερμοκρασίες πάνω από 100C. Η ευπάθεια των οργανισμών στις ασθένειες και σε επιθέσεις παρασίτων αυξάνεται με την άνοδο της θερμοκρασίας. Το ποσοστό του διαλυμένου οξυγόνου επίσης μειώνεται πολύ με την άνοδο της θερμοκρασίας.
ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Τα μόρια του νερού συνδέονται μεταξύ τους με δεσμούς υδρογόνου στους οποίους οφείλονται πολλές από τις ιδιόρρυθμες φυσικοχημικές ιδιότητες του νερού, καθώς και η ανάπτυξη της ζωής στον πλανήτη. Χάρη σ’ αυτές τις ιδιότητες το νερό ρυθμίζει το κλίμα της γης και προσφέρει σταθερό και φιλόξενο περιβάλλον στους υδρόβιους οργανισμούς, οι οποίοι και ανέπτυξαν ειδικές προσαρμογές κατά την εξελικτική τους πορεία μέσα σ’ αυτό.
Οι καταπληκτικές αυτές ιδιότητες του νερού επηρεάζονται από ανθρώπινες δραστηριότητες και επηρεάζουν με τη σειρά τους τη βιοσιμότητα των υδρόβιων οργανισμών.
ΘΕΜΑΤΑ ΣΥΖΗΤΗΣΗΣ
- Γιατί το καλοκαίρι το νερό της θάλασσας είναι πολύ πιο δροσερό απ’ ότι η άμμος;
