Zimní hydrobiologie

Voda jako prostředí k životu Unikátní vlastnosti jsou dány asociací molekul prostřednictvím vodíkových můstků =tvorba „clusterů“, dynamických shluků. Průměrný počet molekul v clusteru závisí na teplotě: při 0°C jich je cca 65, při 100°C jen 12. Při zmrznutí dramatická změna – konec clusterů, ale tvorba krystalové mřížky.

největší hustotu (1 g/cm3) má voda při teplotě 3,98 °C při ohřívání nad 4 °C klesá hustota rychleji než při ochlazování led je mnohem lehčí než voda (8.5%) Hustotní anomálie

Hustotní anomálie (pokračování) každých 10 atm (~ 100 m) tlaku znamená pokles teploty, při které je voda nejhustší, o 0.1°C tj. jezero hluboké 500 m má u dna vodu o teplotě cca 3.98 – 0.5 ≈ 3.5 stupně Tepelné vlastnosti Vysoké specifické teplo: při 15°C vzestup o jeden stupeň vyžaduje 4,8186 kJ (jen amoniak a vodík mají víc). Proto voda ztrácí teplo jen velmi pomalu – má velkou tepelnou kapacitu. Velké vodní nádrže a moře/oceány – „klimatické pufry“. Voda též velmi špatně teplo vede. Při gradientu 1°C se předává toliko J cm -1 grad -1 s -1. Neboli přenos tepla molekulární difusí je zanedbatelný = teplo má tendenci zůstat tam, kde k ohřevu došlo (u hladiny). Což se ovšem neděje, protože jsou tu vodní proudy a míchání větrem  Charakteristické teplotní gradienty (bude dále).

ZIMA - zimní stagnace

Stratifikace a kyslík

Saturace kyslíkem – teplotně závislá Při 5° C je 100% ml. l-1 Při 20° C 8.84 Kyslík ubývá,, ryby nahoru nebo do přítoků Bez kyslíku: Winterkill Obrana – anaerobní dýchání glykogen  laktát (= glykolýza, 16 x méně výkonná než kompletní oxidace). (Někdy laktát zůstává, a pak se spálí v aerobním prostředí) U některých ryb výjimečně tolerantních – laktát se dál mění na ethanol, ten přes žábry difuzí do vody. (= řešení problému s kyselostí laktátu)

Permafrost lake Garrow lake – efekt salinity, extrémní meromixe

chemolithoautotrophs and mesothermophiles, whose representatives were found in hydrothermal vent areas and fields in oceans and continents at temperatures up to 40-60°С (Fig ). The first species (Hydrogenophilus thermoluteolus) represents microorganisms discovered in hot springs (Japan, Izu district and USA, Yellowstone) and deep mines (Japan) and capable to oxidize hydrogen in the presence of carbon dioxide as a source of carbon. The second species is related to thiosulfate-oxidizing hydrothermal vent strains isolated from the Galapagos hydrothermal system. The third species is related to uncultured bacterial strains of OP11 division isolated from deep-sea (2 km) sediments of the hydrothermal Guaymas basin (Gulf of California, Mexico) which contains sulfides-sulfates and methane in anaerobic and organic carbon rich environment and from deep-sea (4 km) sediments of the Izu-Bonin trench (Japan Islands). Detailed studies were made on the samples of lake ice I from 3551 and 3607 m depths. To make the findings confident 6 databases of potential contaminants were established. As a result, the overwhelming majority of the bacteria found in these samples were recognized as contaminants. Only three bacteria (their fragmented years-old DNA), all from 3607 m sample, have passed all controls and can be considered as true representatives of Lake Vostok microbiota. All these bacteria (three different species) proved to be related to

Ale díky anomálii – není nebezpečí zmrznutí, pod bod mrazu (moře -1,9, ale mořské ryby -0,8 !!!) – ryba by měla zmrznout na kost dříve než voda okolo. - řešení – migrace do tepla - do chladných hloubek, kde je možné podchlazení bez nebezpečí výskytu krystalizačních jader. Nebo tam zůstat, ale vyrobit nemrznoucí kapalinu: funguje lehounce přes - 2° C, STAČÍ! Agens: hlavně NaCl, jiné soli (K, CA, urea), AA, glukosa už jen přidají pár desetinek navíc. U antarktických a dalších ryb ze studených vod: mají NACl víc, ale ne tolik, aby to vysvětlilo odolnost, ty navíc vyrábí, antifreeze peptidy nebo glykopeptidy. Všechny tyhle brání dalšímu růstu zárodečných krystal ledu. Řada ryb to dělá jen sezónně, ty co to dělají celý rok mají problém to energeticky zvládnout (/když je tma a žádná PP), ale řeší to tak že ty peptidy a GP jednoduše nevylučují – v ledvinách jim chybí glomeruly!.

V tocích kde to může promrzat (viz obrázek) Benthos – stěhuje se aktivně jinam (pokusy) Řada vodního hmyzu vydrží minusové teploty – ale ne supercooling jako hodně terestrického hmyzu, protože ve vodě výskyt krystalizačních jader. Takže podchlazení jen menší, do úrovně ° C (jepice, chrostíci – ale styejně se raděj vyhnou) Rekord – „larvy kroužilek (Empis, Diptera) na Aljašce -22°C Aktivita x dormance Při chladu problém – 1) „tekutost“ lipidových buněčných membrán 2) obecná pomalost biochemických reakcí (enzymová kinetika)  dormance  semihibernace. Třeba u zooplanktonu: hustší voda je lépe nadnáší, proto i menší energetické výdaje na udržení se ve vodním sloupci. Řada ryb (úhoř americký) navíc (= víc než by odpovídalo pravidlu 2x o 10° C) snižuje metabolismus, jak?? U jiných adaptace - nesnížení. Polární ryby při 0°C několikanásobně větší metabolismus než ryby z temperátních oblastí Aklimace – obojživelníci i ryby. Mechanismy: ? Jiné formy enzymů – izozymy (funguje u některých ryb) – ty ale spíše biogeograficky. Sezónní adaptace – spíše namožením enzymu. Ryby z chladných vod – též víc červených svalových vláken.

U buchanek typické přezimování (nebo i estivace) jako V.kopepodit – encystace v bahně. Nebo trvalá vajíčka Diapauza nutně v případech, kdy nádrž vymrzá až na dno nebo pod ledem vysychá = odteče. Přiklad: Daphnia Žábronožky E.grubii Branchinecta palludosa

„Microbial matts“ = nárosty Pohyblivé sinice migrují k povrchu a zpět podle ozářenosti. Navrchu karotenoidy – ochrana před silným zářením.

Among the most well known psychrophiles are the worms that dwell in methane ice at the bottom of the Sea of Cortez. Polychaeta - Hesiocaeca methanicola

Clamydomonas nivalis - „watermelon“ alga