Экология (стр. 6 )

Различные фракции воды гидросферы участвуют в круговороте по-разному и с разной скоростью. Так, полное обновление воды в составе ледников происходит за 8 тыс. лет, подземных вод - за 5 тыс. лет, океана - за 3 тыс. лет, почвы - за 1 год. Пары атмосферы и речные воды полностью обновляются за 10-12 суток.

Рис. 2.7.3.2 Круговорот воды в биосфере

До развития цивилизации круговорот воды был равновесным, однако в последние десятилетия вмешательство чело­века нарушает этот цикл. В частности, уменьшается испарение воды лесами ввиду сокращения их площади и, напротив, увеличивается испарение с поверхности почвы при ороше­нии сельскохозяйственных культур. Испарение воды с по­верхности океана уменьшается вследствие появления на ее значительной части пленки нефти. Влияет на круговорот воды потепление климата, вызываемое парниковым эффектом. При усилении этих тенденций могут произойти существен­ные изменения круговорота, опасные для биосферы.

Важную роль в годовом водном балансе биосферы играет океан. Испарение с его поверхности примерно в 2 раза больше, чем с поверхности суши.

Круговорот азота

Циркуляция азота в биосфере протекает по следующей схеме (рис. 2.7.3.3):

- перевод инертного азота атмосферы в доступные для растений формы (биологическая азотфиксация, образование аммиака при грозовых разрядах, производство азотных удобрений на заводах);

- усвоение азота растениями;

- переход части азота из растений в ткани животных;

накопление азота в детрите;

- разложение детрита микроорганизмами-редуцентами вплоть до восстановления молекулярного азота, который возвра­щается в атмосферу.

В морских экосистемах азотфиксаторами являются цианобактерии, связывающие азот в аммиак, который усваивается фитопланктоном.

В настоящее время вследствие уменьшения доли естественных экосистем биологическая азотфиксация стала меньше промышленной фиксации азота (соответственно 90-130 и 140 млн. т. в год), причем к 2020 г. ожидается увеличение промышленной азотфиксации на 60%. До половины азота, вносимого на поля, вымывается в грунтовые воды, озера, реки и вызывает эвтрофикацию водоемов.

Рис. 2.7.3.3. Круговорот азота в биосфере

Значительное количество азота в форме оксидов азота поступает в атмосферу, а затем в почву и водоемы в результате ее загрязнения промышленностью и транспортом (кислотные дожди). Этот азот был изъят из атмосферы экосистемами гео­логического прошлого и длительное время находился «на де­поненте» в угле, газе, нефти, при сжигании которых он возвра­щается в круговорот. Например, в США азота с атмосферными

осадками в год выпадает 20—50 кг/га, а в отдельных районах эмиссия достигает 115 кг/га.

Экологически безопасной считается величина эмиссии азо­та 10—30 кг/га в год. При более высоких нагрузках происходят значительные изменения в экосистемах: почвы подкисляются, происходит выщелачивание питательных элементов в глубокие горизонты, возможно усыхание древостоев и массовое развитие заносных видов-нитрофилов. Кроме того, высокое содержание азота в растениях, выросших на загрязненных азотом почвах, повышает их поедаемость, что может привести к выпадению из растительных сообществ даже доминантных видов. Так, в неко­торых пустошах Западной Европы после того, как в вереске по­высилось содержание азота, массово размножился вересковый жук (его количество достигало 2000 экземпляров на 1 м2). Жук практически полностью выел этот кустарник из сообществ. Те же изменения в составе загрязняемых промышленным азотом сообществ отмечены и в Калифорнии.

Однако не всегда кислотные дожди оказывают пагубное влияние на экосистемы. Экосистемы степной зоны, где почвы имеют слабощелочную реакцию, от выпадения кислотных дождей не только не страдают, но даже увеличивают свою про­дуктивность за счет дополнительного азота.

Восстановление естественного круговорота азота возмож­но за счет уменьшения производства азотных удобрений, рез­кого сокращения промышленных выбросов оксидов азота в атмосферу и расширения площади посевов бобовых, кото­рые симбиотически связаны с бактериями-азотфиксаторами.

Круговорот кислорода

Кислород атмосферы имеет биогенное происхождение, и его циркуляция в биосфере осуществляется путем пополнения запасов в атмосфере в результате фотосинтеза растений и поглощения при дыхании организмов и сжигании топлива в хозяйстве человека (рис. 2.7.3.4). Кроме того, некоторое количество кислорода образуется в верхних слоях атмосферы при диссоциации воды и разрушении озона под действием ультрафиолетового излучения; часть кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре, при вулканических извержениях и др.

Этот круговорот очень сложный, так как кислород вступа­ет в разнообразные реакции и входит в состав очень большого числа органических и неорганических соединений, и замед­ленный. Для полного обновления всего кислорода атмосферы требуется около 2 тысяч лет (для сравнения: ежегодно обнов­ляется около 1/3 диоксида углерода атмосферы).

В настоящее время поддерживается равновесный круговорот кислорода, хотя в крупных густонаселенных городах с большим количеством транспорта и промышленных предприятий возникают локальные нарушения.

Рис. 2.7.3.4. Круговорот кислорода в биосфере

Однако отмечается ухудшение состояния озонового слоя и образование «озоновых дыр» (областей с пониженным со­держанием озона) над полюсами Земли, что представляет эко­логическую опасность. Временные «дыры» возникают также над обширными районами вне полюсов (в том числе и над континентальными районами России). Причиной этих явле­ний является попадание в озоновый слой хлора и оксидов азо­та, которые образуются в почве из минеральных удобрений при их разрушении микроорганизмами, а также содержатся в выхлопных газах автомобилей. Эти вещества разрушают озон с более высокой скоростью, чем он может образовываться из кислорода под влиянием ультрафиолетовых лучей.

Сохранение озонового слоя — одна из глобальных задач мирового сообщества. Для прекращения разрушения озонового слоя и его восстановления необходимо отказаться от использования хлорсодержащих веществ - хлорфторуглеродов (фреонов), используемых в аэрозольных упаковках и холодильных установках. Необходимо также уменьшить количество выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания и дозы азотных минеральных удобрений в сельском хозяйстве.

Так как озон является фотооксидантом, образующимся из оксида азота и углеводородов под влиянием ультрафиолетовых лучей, то возможно увеличение содержания озона в приземном слое атмосферы. В этом случае он становится опасным загрязнителем, вызывающим раздражение дыхательных путей человека. Однако отрицательно сказывается на здоровье человека и чрезмерно низкое содержание озона в атмосфере.

Круговорот фосфора

О круговороте фосфора за обозримое время можно говорить лишь условно. Будучи гораздо тяжелее углерода, кислорода и азота, фосфор почти не образует летучих соединений — он стекает с суши в океан, а возвращается в основном при подъеме суши в ходе геологических преобразований. По этой причине круговорот фосфора называют «открытым» (рис. 2.7.3.5).

Рис. 2.7.3.5 Круговорот фосфора в биосфере

Фосфор содержится в горных породах, откуда выщелачивается в почву и усваивается растениями, а затем по пищевым цепям переходит к животным. После разложения мертвых тел растений и животных не весь фосфор вовлекается в круговорот, часть его вымывается из почвы в водоемы (реки, озера, моря). Там фосфор оседает на дно и почти не возвращается на сушу, лишь небольшое количество его возвращается с выловленной человеком рыбой или с экскрементами птиц, питающихся рыбой. Скопления экскрементов морских птиц служили в недалеком прошлом источником ценнейшего органического удобрения - гуано, но в настоящее время ресурсы гуано практически исчерпаны.

Отток фосфора с суши в океан усиливается вследствие возрастания поверхностного стока воды при уничтожении лесов, распашке почв и внесении фосфорных удобрений. Поскольку запасы фосфора на суше ограничены, а его возврат из океана проблематичен (хотя в настоящее время активно исследуются возможности его добычи со дна океана), в будущем в земледелии возможен острый дефицит фосфора, что вызовет снижение урожаев (в первую очередь зерна). Поэтому необходима экономия ресурсов фосфора.

2.7.4 Этапы эволюции биосферы

Возникновение биосферы теснейшим образом связано с появлением жизни на Земле.

Некоторые исследователи связывают появление жизни на нашей планете со временем ее остывания и оценивают возраст Земли по этому показателю в 24 млн. лет. Эти вычисления в 1861 г. сделал английский физик В. Томсон. Значительно позже, после открытия явле­ния радиоактивности и разработки на ее основе метода измерения геологического времени, оказалось, что расчеты В. Томсона ошибочны. По современным представлениям, возраст Земли оценивается в 4,55 млрд лет, а сохранившиеся древнейшие участки земной коры — в 4 млрд. пет.

Авторы большинства гипотез о происхождении жизни на Земле допускали, что наша планета в течение огромного промежутка вре­мени была безжизненной и на ее поверхности происходила химичес­кая эволюция, которая предшествовала биологической. На поверхности планеты, по их мнению, происходил медленный абиогенный синтез органических соединений, который в конечном счете привел к появлению примитивных форм жизни. Однако имеются и другие представления, согласно которым за такой период невозможно обра­зование столь огромного количества видов живых организмов, то есть продолжительность существования жизни на Земле не укладыва­ется в такие временные рамки.

Анализ новых данных космохимии свидетельствует о раннем зарождении жизни в пределах Солнечной системы. Химическая эволю­ция вещества Земли и других планет, вероятно, предшествовала их образованию. Первичная атмосфера нашей планеты в основном бы­ла представлена углекислым газом. Но это химическое соединение не может самопроизвольно образовывать более сложные органические соединения. В настоящие время существует много подтвержде­ний в пользу того, что зарождение жизни, возможно, произошло в космических условиях.

Анализ вещественного состава метеоритов показывает, что содер­жащееся в них органическое вещество имеет достаточно сложный состав. Впервые органическое вещество в метеоритах обнаружил шведский химик И. Берцелиус в 1834 г. при анализе углистого хондритового метеорита Алаис.

В органическом веществе метеоритов были обнаружены углеводороды, среди которых наиболее распространены соединения с 16 атомами углерода в молекуле, а также спирты, карбониловые соединения, аминокислоты и др. Следует отметить, что характерной особенностью органических соединений, обнаруженных в метеоритах, является отсутствие оптической плотности. Это свидетельствует об их происхождении за пределами Земли.

Теоретические и экспериментальные данные, полученные в последнее время, позволяют сделать вывод: синтез относительно слож­ных органических соединений, предшествующих появлению живого вещества, — закономерный этап химической эволюции Солнечной системы. Эти органические вещества, образовавшиеся в космических условиях, вошли в состав многих тел, но на Земле реализовались возможности дальнейшей эволюции, что обеспечило возникновение саморегулирующихся высокомолекулярных систем — непосредственных предков первых живых организмов.

Рассматриваются два варианта событий. Либо химическая эволюция, начавшаяся в космических условиях, продолжила свое развитие на Земле и в относительно короткое время привела к появлению первых живых организмов, либо образование молекул ДНК произошло в космических условиях, а реализация ее возможностей — в пер­вых водоемах планеты, которые содержали некоторое количество органического вещества.

Дальше в ходе геологической истории эволюция биосферы происходила по пути разрешения противоречия между безграничной способностью организмов к размножению и ограниченностью ресурсов, доступных в определенную геологическую эпоху. Данное противоречие разрешается путем овладения организмами новыми источниками вещества и энергии за счет приобретения ими новых качеств. В этом случае наследственная изменчивость является предпосылкой развития, а естественный отбор служит механизмом закрепления новых качеств.

Переломным этапом в эволюции древней биосферы был переход от гетеротрофного режима питания к автотрофному, основанному на фотосинтезе. С появлением фотосинтезирующих организмов началось образование свободного кислорода, что со временем стало предпосылкой для создания в атмосфере озонового экрана. Это произошло около 4 млрд. лет тому назад. Увеличение содержания кислорода в атмосфере способствовало выходу органического мира на поверхность континентов. О времени появления живых организмов на суше точных палеонтологических данных нет.

Переход от прокариотной флоры к эукариотной в древних морях происходил медленно, и обе группы длительное время существовали совместно. Соотношение между этими группами организмов постоян­но изменялось и к настоящему времени оно сложилось в пользу эукариотов. Эволюция растений длительное время происходила в водной среде. Далее по мере накопления кислорода создались предпосылки для появления озонового экрана, который защищает все живое от ультрафиолетового излучения. Это в конечном счете создало условия для выхода растений из водной среды на континенты. Считается, что первыми растениями, появившимся на суше, были псилофиты — споровые низкорослые растения, напоминающие плауны. Потом псилофиты уступили место папоротникообразным растениям, которые в свою очередь сменились хвойными.

Развитие растений, видимо, создало предпосылки для появления животных. Они так же, как и растения, произошли от одноклеточных организмов. В результате дифференциации функций отдельных клеток на определенном этапе эволюции образовались организмы, давшие затем начало многоклеточным.

На основании палеонтологических данных в ходе эволюции органического мира выделяют ряд закономерностей:

- необратимость эволюции. Это положение в 1893 г. сформулировал бельгийский палеонтолог Л. Далло: организм не может вернуться хотя бы частично к предшествующему состоянию, которое было в ряду его предков;

- ускорение биологической эволюции в ходе геологического времени;

- закономерность, впервые отмеченная в 1871 г.: «..каждая следующая большая эпоха Земли короче предыдущей, и в это короткое время успевало народиться и вымереть больше разнообразных форм, чем в предыдущую эпоху...» (цит. по , , 1996);

- эволюция различных групп организмов протекала с разной скоростью;

- существуют консервативные группы организмов, которые почти не изменились в ходе геологического времени (микроорганизмы, папоротниковые, плауны, голосеменные), однако они составляют небольшую часть из общего числа видов;

- на фоне общей тенденции ускорения эволюции определенные эпохи отличались повышенным видообразованием. Вероятно, это было связано с радиоактивностью. (1983) в геологической истории Земли выделил 30 эпох уранонакопления. Эти эпохи отличаются значительным усилением мутационных процессов, видообразования и сменой фауны и флоры;

- среди животных в ходе геологического времени происходит направленное изменение нервной системы.

На основании данных палеонтологии, геохимии и космохимии эволюцию биосферы Земли можно представить в виде трех последовательно сменяющихся этапов.

Первый этап — восстановительный. Он начался в космических условиях и завершился появлением на Земле первой гетеротрофной биосферы. На этом этапе протекали каталитические и радиохимические реакции синтеза сложных органических соединений, отсутствовал свободный кислород, основным источником живых организмов была радиация. Этот период, вероятно, был коротким по времени.

Второй этап — слабоокислительный — характеризовался появлением фотосинтеза. Он длился более 2 млрд. лет и закончился около 1,8 млрд. лет тому назад. Свободного кислорода образовывалось еще мало, и атмосфера состояла преимущественно из углекислого газа. Развитие организмов ограничивалось прокариотами.

Третий этап — окислительный — связан с появлением фотоавтотрофной биосферы. Он начался с медленного роста содержания кислорода в атмосфере и завершился значительным ускорением эволюции организмов. Увеличение продукции кислорода привело к появлению растительного покрова и животных на континентах, что резко увеличило продукцию фотосинтеза. Под воздействием живого вещества сформировался современный химический состав атмосферы и растворенного вещества гидросферы.

Биологическая эволюция, будучи необратимым процессом, предопределила необратимость эволюции биосферы в целом и создала предпосылки для ее перехода в качественно новое состояние — ноосферу, или сферу разума, когда все происходящие в биосфере изменения контролируются человеком.

2.8 Основные типы экосистем мира

В зависимости от природных и климатических условий можно выделить три группы и ряд типов природных экосистем — биомов. Биом — совокупность различных групп организмов и среды их обитания в определенной ландшафтно-географической зоне (например, в тундре, тайге, степи и т. д.)- В основе классификации для наземных экосистем лежит тип естественной (исходной) растительности, для водных экосистем — гидрологические и физические особенности (по Ю. Одуму, 1986).

Наземные экосистемы:

1)тундра: арктическая и альпийская;

2) бореальные хвойные леса (тайга);

3) листопадный лес умеренной зоны (широколиственные леса);

4) степь умеренной зоны;

5) чапараль (районы с дождливой зимой и засушливым летом);

6) тропические злаковники (грасленд) и саванна;

7) пустыня: травянистая и кустарниковая;

8) полувечнозеленый сезонный (листопадный) тропический лес (районы с выраженными влажным и сухим сезонами);

9) вечнозеленый тропический дождевой лес. Пресноводные экосистемы:

1) лентические (стоячие воды): озера, пруды, водохранилища и др.;

2) лотические (текучие воды): реки, ручьи, родники и др.;

3) заболоченные угодья: болота, болотистые леса, марши (приморские луга).

Морские экосистемы:

1) открытый океан (пелагическая экосистема);

2) воды континентального шельфа (прибрежные воды);

3) районы апвеллинга (плодородные районы с продуктивным рыбо­ловством);

4) эстуарии (прибрежные бухты, проливы, устья рек, лиманы, соленые марши и др.);

5) глубоководные рифтовые зоны.

Помимо основных типов природных экосистем (биомов) различают переходные типы — экотоны. Например, лесотундра, смешанные леса умеренной зоны, лесостепь, полупустыни и др.

2.8.1 Экосистемы суши

Размещение по земной поверхности основных наземных биомов определяют два абиотических фактора — температура и количество осадков. Климат в разных районах земного шара неодинаков. Годовая сумма осадков меняется от 0 до 2500 мм и более. При этом они выпадают равномерно в течение года или их основная доля прихо­дится на определенный период — влажный сезон. Среднегодовая температура также варьирует от отрицательных величин до 38°С. Температуры могут быть практически постоянными в течение всего года (у экватора) или меняться по сезонам.

Тундры (в северном полушарии к северу от тайги). Климат очень холодный с полярным днем и полярной ночью, среднегодовая температура ниже —5°С. За несколько недель короткого лета земля оттаивает не более чем на один метр в глубину. Осадков менее 200—300 мм в год. Растительность: отсутствуют деревья, господствуют медленно растущие лишайники, мхи, злаки и осоки, стелющиеся или карликовые кустарники (брусника, черника, карликовая береза). Животный мир. крупные травоядные копытные (северный олень, мускусный бык), мелкие роющие млекопитающие (лемминги), хищники, приобретающие зимой маскирующую белую окраску (песец, рысь, горностай, полярная сова). В тундре коротким летом гнездится большое число перелетных птиц, среди них особенно много водоплавающих, которые пита­ются имеющимися здесь в изобилии насекомыми и пресноводными беспозвоночными. Почвы тундровые — бедные с малой мощностью над слоем вечной мерзлоты.

Бореальные хвойные леса (тайга) (северные районы Европы, Азии и Северной Америки). Климат: долгая и холодная зима, много осадков выпадает в виде снега. Растительность: господствуют вечнозе­леные хвойные леса (ель, пихта, сибирская кедровая сосна, лиственница, сосна) с мощной лесной подстилкой. Животный мир: крупные траво­ядные копытные (лось, северный олень), мелкие растительноядные млекопитающие (заяц-беляк, белка, грызуны), волк, рысь, лисица, черный медведь, гризли, росомаха, норка и другие хищники, многочисленные кро­вососущие насекомые во время короткого лета. Множество болот и озер. Почвы подзолистые и дерново-подзолистые — маломощные и бедные.

Листопадные леса умеренной зоны (широколиственные леса) (Западная Европа, Восточная Азия, восток США). Климат сезонный с зимними температурами ниже 0°С, осадков 750—1500 мм в год. Растительность: господствуют леса из широколиственных листопадных пород деревьев высотой до 35—45 м (дуб, бук, клен), кустарниковый подлесок, мхи, лишайники, мощная лесная подстилка. Животный мир: млекопитающие (лоси, медведи, рыси, лисицы, волки, белки, землеройки), птицы (дятлы, дрозды, совы, соколы), пресмыкающиеся (змеи), земно­водные (лягушки, саламандры), рыбы (форель, окунь, сом и др.). Биота адаптирована к сезонному климату: спячка, миграции, состояние покоя в зимние месяцы. Почвы бурые лесные. В этих районах человеческая цивилизация получила наибольшее развитие, поэтому большая часть широколиственных лесов заменена культурными сообществами.

Степи умеренной зоны (в Евразии, центр Северной Америки (прерии), юго-восток Южной Америки (пампасы), отдельные районы Афри­ки, Австралии, Новой Зеландии (туссоки)). Климат сезонный, лето от умеренного теплого до жаркого, зимние температуры ниже 0°С, осад­ков 250—750 мм в год. Растительность: господствуют дерновинные злаки высотой до 2 м и выше в некоторых прериях Северной Амери­ки или до 50 см, например, в степях России, с отдельными деревьями и кустарниками на влажных участках. Животный мир: крупные расти­тельноядные млекопитающие — бизоны, вилорогие антилопы (Север­ная Америка), сайгаки, а ранее дикие лошади — тарпан (Евразия), кен­гуру (Австралия), жирафы, зебры, белые носороги, антилопы (Африка); мелкие роющие млекопитающие (суслики, сурки, полевки, кролики), хищники (койоты, львы, леопарды, гепарды, гиены), разнообразные птицы. Почвы: черноземы — самые плодородные почвы в мире — и каштановые. Большая часть степей в настоящее время используется под паш­ню, пастбища, сенокосы и т. д.

Чапараль (Средиземноморье, южный берег Австралии, в Калифорнии, Мексике и Грузии). Климат мягкий умеренный, осадков 500— 700 мм, выпадают теплой зимой, лето засушливое. Растительность: деревья (лавр, вечнозеленые дубы) и кустарники с жесткими вечнозе­леными листьями. Почвы коричневые и серо-коричневые.

Тропический грасленд и саванны (Центральная и Восточная Африка, Южная Америка, Австралия, значительная часть южной Индии). Климат сухой и жаркий большую часть года, температура высокая круглый год, осадки, 750—1650 мм в год, распределяются неравномерно по сезонам (влажный и сухой сезоны). Растительность: густая травянистая растительность (злаковые) с редкими листопадными де­ревьями (баобабы, акации, пальмы). Животный мир. крупные расти­тельноядные млекопитающие (антилопы, зебры, жирафы, носороги), хищ­ники (львы, леопарды, гепарды), птицы (африканский страус, грифы). Много кровососущих насекомых, например, муха цеце. Почвы красные ферраллитные, красно-бурые и коричнево-красные.