Om at optage stof fra vand

Figur 4-10. Tre døgnfluer, som får stadigt større, mere buskede og bevægelige gæller i takt med, at vandbevægelsen i deres naturlige miljøer mindskes. A) Baetis lever i hastigt strømmende vand og har små, ubevægelige gæller på bagkroppen. B) Ephemerella lever mellem planterne i vandløb og har pladeformede, bevægelige gæller. C) Ephemera lever nede i grusbunden og har stærkt buskede og bevægelige gæller, der selv kan fremkalde en vandstrøm.

.
Licens: Begrænset anvendelse

Figur 4-9. Et vandløbs frie vandmasser strømmer altid turbulent. Dvs., at strømhastigheden i et hvilket som helst punkt til stadighed ændrer hastighed og retning. Her vises strømhastighedens variation i tre dimensioner i løbet af 10 sekunder.

.
Licens: Begrænset anvendelse

De ferske vandes dyr og planter optager en lang række af de stoffer, de skal bruge i deres stofskifte, fra det omgivende vand – og de afgiver deres affaldsstoffer til vandet. For vigtige, lavmolekylære stoffer som ilt, kuldioxid, næringssalte, aminosyrer og sukkerstoffer sker optagelsen/udskillelsen gennem organismernes overflade – enten den, der beklæder hele organismen, eller den, der beklæder særlige organer som f.eks. gæller eller tarmkanal.

Det lyder umiddelbart simpelt, men sådan er det ikke. Bl.a. spiller stoffernes diffusionshastighed og koncentration i vand en rolle for muligheden for at optage dem. For både ilt, CO2 og andre gasser er diffusionen ca. 10.000 gange hurtigere i luft end i vand. Sammenholdt med, at iltkoncentrationen ved luftmætning er ca. 25 gange lavere i vand end i luft, er den samlede effekt en 250.000 gange større risiko for utilstrækkelig iltforsyning hos vanddyr end hos landdyr. Nogle smådyrtyper, som uden problemer klarer sig med ilttransport over deres hudoverflade på land, har slægtninge i vand, hos hvem der enten er udviklet gæller eller evnen til at tage luft med ned under overfladen.

Også vandets strømning spiller en rolle for stofoptagelsen. Vand kan bevæge sig på to væsensforskellige måder, laminært, velordnet, eller turbulent, kaotisk. Ved lave strømhastigheder og i små dimensioner er bevægelsen altid velordnet, idet de tidligere omtalte pakker af vand holdes sammen af de viskøse klæbekræfter. Vandet glider derfor af sted i parallelle, såkaldt laminære baner med konstante hastigheder omkring faste overflader, herunder organismer, uden opblanding mellem banerne (figur 4-8A). Meget tæt på overfladerne står vandet helt stille i det såkaldt viskøse grænselag. De stoffer, organismerne skal optage eller udskille, skal derfor diffundere frem eller tilbage igennem overfladen mellem deres indre og det fritstrømmende vand uden for grænselaget.

Ved høje strømhastigheder og i store dimensioner er bevægelsen derimod turbulent, idet hvirvler flytter vandet i stadigt skiftende retninger og med skiftende hastigheder (figur 4-8B). Man ser tydeligt de store og mellemstore hvirvler og deres stadigt ændrede forløb i strømfyldte vandløb. Store hvirvler sætter gang i flere mellemstore hvirvler, der føder endnu flere små hvirvler i det, man kalder en hvirvelkaskade, som får vandløbet til at klukke. Til sidst dør de mindste, 1-2 mm store hvirvler ud og opløses af vandets viskositet. Hvirvlerne flytter stoffer på kryds og tværs med meget større hastigheder, end det er muligt ved molekylernes passive diffusion.

Al vandbevægelse i vandløb og i søernes øvre vandmasser foregår turbulent med hvirveldannelse, som får strømmen til hele tiden at ændre retning i et givet punkt (figur 4-9). Men der er selvfølgelig store forskelle på, hvor hvirvelfyldt vandbevægelsen er i et hastigt strømmende vandløb med en ujævn stenbund og i et langsomt flydende vandløb med en jævn, regelmæssig bund. Kun helt tæt på den regelmæssige bund, hvor strømhastigheden er lav, opløses hvirvlerne, og vandbevægelsen bliver laminær. Er bunden uregelmæssig og strømmen stærk, forbliver strømmen imidlertid turbulent hele vejen ned.

Organismernes størrelse er vigtig for, hvordan de oplever strømningen. Er organismerne mikroskopiske, er de mindre end de mindste hvirvler og derfor omgivet af laminære strømme. Er organismerne omvendt store, er de større end den mindste strømhvirvel og derfor omgivet af turbulente strømninger. Helt tæt på organismerne kan overfladerne dog godt stedvist være omgivet af ultratynde vandlag, hvor strømmen er laminær.

Mikroskopiske organismer

Hos mikroskopiske organismer som bakterier og planktonalger er diffusion en effektiv metode til optagelse af opløste stoffer. Det skyldes, at de er små og kugleformede og derfor kan optage stof over et meget stort overfladeareal set i forhold til deres volumen (se ovenfor om forholdet mellem en organismes overfladeareal og volumen). En bakterie med en radius på 1 µm kan f.eks. være omgivet af et stillestående, viskøst grænselag med en tykkelse på eksempelvis 63 µm, hvilket lige netop er den distance, et iltmolekyle kan tilbagelægge på 1 sekund. Grænselagets overfladeareal ud mod det tilstødende vand er 4.100 gange større end bakteriens overfladeareal og det vandvolumen, bakterien kan modtage ilt eller andre lavmolekylære stoffer fra, er hele 26.000 gange større end dens egen volumen.

På grund af diffusionens store effektivitet, kan bakterier hurtigt rense grænselagets stillestående vand for eftertragtede stoffer som aminosyrer og sukkerstoffer. Ny tilførsel sker ganske vist som netop beskrevet fra et relativt set stort vandvolumen uden for grænselaget, men da nytilførslen afhænger af disse vandmassers strømninger, og da stofferne som regel forefindes i ekstremt lave koncentrationer, slipper de alligevel ofte op. Bakterierne skal derfor kunne skifte lynhurtigt mellem en aktiv tilstand, når stofferne er til stede, og en inaktiv, når stofferne ikke er det.

Principperne er de samme, når mikroalger skal have fosfor, som er et stærkt eftertragtet næringssalt. En mikroalge med en radius på blot 1 µm kan i teorien klare sig med en fosforkoncentration på blot 0,06 µg pr. liter og alligevel dele sig hver 6. time. Beregningen støtter den erfaring, at små mikroalger kan vokse med maksimal hastighed selv under meget næringsfattige forhold i søerne.

Større mikroalger stiller større krav til fosfor­koncentrationen i vandet for at opretholde maksimal væksthastighed, selv om denne er lavere end hos de mindste alger. Det skyldes, at de større alger har mindre overfladeareal i forhold til volumenet og altså et mindre areal at optage fosfor fra til den enkelte volumenenhed.

Man kan også udtrykke det på den måde, at diffusion bliver en mindre og mindre effektiv forsyningsproces, jo større organismerne bliver. Det stemmer overens med den erfaring, at såvel bakterier som mikroalger bliver mindre, desto fattigere vandet er på eftertragtede organiske stoffer og næringssalte.

Større organismer

En del af den ovenfor nævnte diffusionsfordel findes også hos tynde, cylindriske organismer som f.eks. alger, orme og de tynde hår på planternes rødder.

F.eks. kan en 10 µm tyk, cylindrisk organisme, der er omgivet af et ligeledes cylindrisk grænselag med en tykkelse på 63 µm, få tilstrækkeligt med ilt i løbet af 1 sekund. Grænselagets ydre overflade er dog i dette tilfælde kun 13,6 gange større end organismens overflade og har kun 184 gange større volumen end den selv. Havde organismen i stedet været en kugle med diameteren 10 µm, havde kugleskallen haft et 2.500 gange større volumen. Og var organismen 10 µm tyk, men flad og udbredt, ville diffusionen ind i grænselaget foregå igennem et areal af samme størrelse som organismens og fra et volumen, der nu blot var 130 gange større.

Det er derfor ikke så mærkeligt, at mange dyr, som udelukkende forsynes med ilt over huden, er cylindriske og ganske tynde. Og flade makroskopiske alger producerer ofte tynde, cylindriske hår, der stikker ud fra overfladen under næringsfattige forhold for at assistere med næringsoptagelsen. Også tykke, cylindriske alger producerer tynde hår til næringsoptagelse på tilsvarende måde som tynde rodhår sidder på tykkere planterødder.

Hos smådyr som døgnfluer sker iltoptagelsen både gennem huden og gennem gællerne. Gællerne er tyndhudede dannelser med en særlig stor overflade. På steder med frisk strøm hen over stenene kan arterne klare sig med små, ubevægelige gæller, men inde mellem planterne eller nede i grusbunden har arterne store, buskede og bevægelige gæller, som skaber deres egen vandstrøm (figur 4-10).

Vejviser

Værket Naturen i Danmark i fem bind udkom i årene 2006-2013. Teksten ovenfor er kapitlet Om at optage stof fra vand.

Kommentarer

Kommentarer til artiklen bliver synlige for alle. Undlad at skrive følsomme oplysninger, for eksempel sundhedsoplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer, når de kan.

Du skal være logget ind for at kommentere.

eller registrer dig