Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Экологические основы природопользования на водном транспорте. Учебное пособие
.pdf
Таким образом, один и тот же фактор в сочетании с другими оказывает
неодинаковое воздействие. При этом один и тот же экологический результат
может быть получен разными путями. Например, увядание растений можно
приостановить либо путем увеличения влаги в почве (полив), либо снижением
температуры воздуха, уменьшающей скорость испарения. Так создается эффект
частичного взаимозамещения факторов или эффект компенсации. Однако
взаимная компенсация действия факторов среды имеет определенные пределы
и полностью заменить один из них другим нельзя. Например, исключение воды
из рациона питания растения делает его жизнь невозможной, несмотря на благоприятные сочетания других условий.
В тоже время разнородные факторы могут и взаимно усиливать отрицательные воздействия на организм. Так, при повреждении дерева, ранее отравленного ядохимикатом, каким-либо вредителем, биотический и антропогенный
факторы не ослабляют, а, напротив, усиливают взаимно вредное влияние.
1.10 Адаптация организмов к факторам
Живые и растения вынуждены приспосабливаться к множеству факторов
непрерывно изменяющихся условий жизни.
Адаптация (от лат. адаптацио — приспособляю) может выражаться в
приспособлении организма к условиям среды на уровне клетки, тканей или целого организма путем изменения окраски, формы тела и т.д. (морфологическая
адаптация), путем изменения метаболизма на клеточном уровне (биохимическая адаптация). Проявляются адаптивные свойства организмов также в ана-
томии, поведении, жизненных ритмах, географии распространения и могут
быть как генетическими, так и возникшими в процессе индивидуальной жизни
организма.
Активный путь — развитие сопротивляемости, т.е. регуляторных процессов, которые позволяют осуществить все функции организма, несмотря на
неблагоприятные факторы.
Так, теплокровные животные (гомойотермные организмы) — птицы и мле-
копитающие, обитая в условиях изменчивой температуры, поддерживают внутри
себя постоянную температуру, оптимальную для биохимических процессов в клетках тела. Это пример так называемых физиологических адаптаций.
31
Примерами поведенческих адаптаций могут служить создание убежищ,
передвижение с целью выбора оптимальных температурных условий, особенно
в условиях экстремальных (очень высоких или очень низких) температур.
Активное сопротивление влиянию неблагоприятной среды способствует
развитию морфологической адаптации отдельных видов, т.е. приобретению
таких особенностей внешнего строения, которые обеспечивают выживание в
экстремальных и успешную жизнедеятельность организмов в привычных для
них условиях.
Так, растения, обитающие в пустыне, лишены листьев, и их строение
наилучшим образом приспособлено к минимальным потерям влаги.
Морфологический тип приспособления животного или растения, при котором они имеют внешнюю форму, отражающую способ взаимодействия со
средой обитания, называют жизненной формой вида. При этом разные виды
могут иметь сходную жизненную форму, если ведут близкий образ жизни.
Примерами здесь могут быть кит (млекопитающее), пингвин (птица) и акула
(рыба).
Пассивный путь адаптации связан с подчинением жизненных функций
организма изменению факторов среды. Так, при недостатке тепла это приводит
к понижению уровня метаболизма (обмена веществ), что способствует экономному использованию энергетических запасов.
При резком ухудшении условий среды организмы разных видов могут
практически приостанавливать свою жизнедеятельность и переходить в состояние так называемой скрытой жизни.
Различают три уровня адаптации:
— быстрые (острые) изменения в ответ на кратковременные отклонения
факторов внешней среды. В качестве примера можно привести реакцию растений на изменение освещенности или быстрое изменение обмена веществ и поведения у животных, испытывающих стресс при нападении хищника;
— глубокие изменения обмена веществ, связанные с сезонной и годичной
цикличностью, например, подготовка к зимней спячке;
— генетический уровень адаптации, обусловленный свойствами организмов, выработавшимися у них в процессе эволюции.
Но в любом случае, условия среды обитания организма связаны с гене-
тической предопределенностью в соответствии с правилом: вид организмов
32
может существовать до тех пор и постольку, поскольку ОС соответствует его
генетическим возможностям приспособления к ее колебаниям и изменениям.
Таким образом, существуют генетические пределы адаптации.
33
Тема 2. БИОСФЕРА И ЕЕ СТРУКТУРА
2.1 Биосфера как глобальная экосистема
Биосфера (от греч. Bios — жизнь, sphaira — шар) — особая оболочка
Земли, в которой присутствует жизнь во всех её формах (животные, растения,
микроорганизмы). Биосфера, как глобальная экосистема, представляет собой
совокупность всех экосистем Земли. Биосфера теснейшим образом связана с
Космосом. Само строение биосферы, её структура и эволюция были предопределены начальными условиями.
Потоки космической энергии создают на Земле условия, без которых
жизнь не смогла бы зародиться в прошлом, не смогла бы сохраниться в настоящем. При этом, характеризуясь огромной энергией, космическое излучение
способно за относительно короткий срок разложить на ионы и электроны весь
воздух атмосферы, а, следовательно, уничтожить жизнь на планете. Подсчитано, что каждую секунду на площадку в 1 м2 через границу атмосферы из космоса в направлении земной поверхности влетают более 10 тысяч заряженных частиц со скоростями, близкими к световой. Находящиеся за пределами биосферы
магнитное поле Земли, возникшее задолго до появления жизни, окружают земной шар и защищает живые организмы от солнечного ветра. С другой стороны
жизнь от губительного космического излучения и интенсивной солнечной радиации защищает и озоновый экран, являющийся порождением живого вещества планеты. Таким образом, сочетание множества факторов различного происхождения обеспечивают существование биосферы.
Современная биосфера включает в себя всю гидросферу, нижнюю часть
атмосферы и верхнюю часть литосферы. Её границы связаны с пределами распространения организмов.
Нижняя граница биосферы обусловлена, прежде всего, температуры
горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает с глубиной и на
уровне 1,5–15 км превышает 100 °С. Наибольшая глубина, на которой в породах земной коры были обнаружены живые бактерии, составляет 4 км. В океане
жизнь распространена до более значительных глубин, она встречается даже на
дне океанических впадин в 10–11 км от поверхности.
Верхняя граница жизни в атмосфере определяется уровнем УФ-
радиации. На высоте 25–30 км большую ее часть поглощает находящийся здесь
относительно тонкий слой озона. Если живые организмы поднимаются выше
защитного слоя озона, они погибают. Атмосфера над поверхностью Земли
34
насыщена многообразными живыми организмами, которые передвигаются в
воздухе активным или пассивным способом. Споры бактерий и грибов обнаруживают до высоты 20–22 км, но основная часть аэропланктона сосредоточена в
слое до 1–1,5 км. В горах граница распространения наземной жизни около 6 км
над уровнем моря.
Концентрация и активность жизни особенно велика у поверхности нашей
Земли. Водоемы заселены по всей толще со сгущениями у поверхности и у дна.
Выделяются своим богатством прибрежные и мелководные участки. На суше
более 99 % живого вещества или биомассы сосредоточено в слое на несколько
метров вглубь и на несколько десятков метров (высокие деревья) вверх от поверхности. Следовательно, жизнь сосредоточена в тончайшей пленке планеты,
где и протекают главные процессы взаимодействия живой и неживой (косной)
природы. Этот тонкий слой наибольший концентрации организмов в биосфере
В.И. Вернадский назвал «пленками жизни».
Комплекс физико-географических и почвенно–климатических условий
жизни образуется в результате взаимодействия оболочек Земли: атмосферы,
гидросферы и литосферы, которые, в свою очередь, характеризуются соответствующим составом и свойствами веществ.
2.2 Атмосфера
Атмосфера (от греч. Athmos — пар, sphaira — шар) — газообразная обо-
лочка планеты, состоящая из смеси различных газов, водяного пара и пыли. На
Земле сформировалась в результате геологической эволюции и непрерывной
деятельности организмов.
Общая масса атмосферы Земли составляет (5,15–5,9) · 1015, причем 90 %
сосредоточено в околоземном слое толщиной около 16 км. Поскольку атмосфера является наружной оболочкой Земли, она «разграничивает» планету и космическое пространство, ослабляя ряд поступающих из космоса излучений и
сглаживая резкие колебания температуры в биосфере. Кроме того, она является
средой распространения микроорганизмов, семян, плодов, а также местообитанием многих насекомых, птиц и млекопитающих.
Структура атмосферы. Параметры, характеризующие атмосферу (температура, давление, химический состав и др.), изменяются, прежде всего, с высот относительно уровня моря, а в нижних слоях зависят и от географической
широты. Давление, также как и плотность газов атмосферы, связаны с изменением сил гравитации по мере удаления от поверхности планеты, температура
зависит от того, как взаимодействует солнечное излучение с разными газами в
35
различных слоях атмосферы, а именно — как эти газы поглощают излучения
Химический элемент
Содержание (в среднем), %
по объему
по массе
Азот (N2)
78,08
75,51
Кислород (O2)
20,95
23,14
Аргон (Ar)
0,93
1,28
Диоксид углерода (СO2)
0,03
0,046
Неон (Ne)
1,8∙10-3
1,25∙10-3
Гелий (He)
5,2∙10-4
0,72∙10-4
Метан (CH4)
2,2∙10-4
1,2∙10-4
Криптон (Kr)
1∙10 -4
2,9∙10-4
разных длин волн.
Структурно атмосферу подразделяют на тропосферу (толщина в среднем
11–12 км: 8–10 км — над полюсами, 16–18 км — над экватором), тропопауза
(на высоте 18–20 км), стратосферу (20–50 км от земной поверхности), стра-
топаузу (на высоте 50–55 км), мезосферу (на высоте 55–80 км), мезопаузу (на
высоте 80–1000 км), экзосферу (на высоте 1000–2000 км), Верхняя граница атмосферы находится на той высоте, где уравновешивается плотность атмосферы
и межпланетного пространства. В состав биосферы входит лишь тропосфера.
Тропосфера содержит половину всего водяного пара атмосферы, при
конденсации которого образуется облачность нижняя (до высоты 1–2 км),
средняя (на высоте 2–4 км) и верхняя (6–10 км). Содержание водяных паров
может колебаться от 0 по объему в сухом воздухе почти до 4 % в максимально
влажном.
Газовый состав. Первичный состав атмосферы Земли определили газо-
образные продукты химических реакций, происходивших в первичном веществе под действием высоких давлений и температур; при этом в земной атмосфере оказалось так много паров воды, что большая их часть сконденсировалась, образовав первичный океан. Эти процессы продолжаются на Земле и сейчас, хотя уже совсем не так интенсивно, как в начале эволюции.
Сухой воздух, лишенный твердых примесей, по составу практически
одинаков по всей территории земного шара.
Состав атмосферного воздуха над незагрязненной территорией (на уровне
моря) приведен в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Химический состав атмосферного воздуха
36
Химический элемент
Содержание (в среднем), %
по объему
по массе
Оксид азота (NO2)
1∙10 -4
1,5∙10 -4
Водород (H2)
5∙10 -5
0,3∙10 -5
Ксенон (Xe)
5∙10 -6
3,6∙10 -5
Озон (O3)
1∙10 -6
3,6∙10 -5
Озоновый слой. К числу наиболее важных характеристик атмосферы
Земли, имеющих существенное эколого-биологическое значение, относится
наличие в ней озонового слоя, резко (примерно в 6500 раз) ослабляющего часть
ультрафиолетового спектра электромагнитного излучения Солнца, крайне
опасную для всего живого на Земле.
Одним из важнейших процессов, протекающих в верхних слоях атмосферы, является диссоциация О2 с образованием атомарного кислорода:
О2 + hυ → О + О.
На высоте около 130 км содержание О2 и О одинаково, а на высотах более
200 км присутствует практически только атомарный кислород.
На высотах 30–50 км взаимодействие атомарного кислорода с молекулярным приводит к образованию озона. Пик содержания озона приходится на высоты 20–30 км (иногда выделяют диапазон 15–50 км) над уровнем моря. Считают, что нижняя граница озоносферы лежит над полюсами на высоте 7–8 км, а
над экватором – на высоте 17–18 км. У поверхности Земли, где озон образуется
преимущественно во время грозовых разрядов, его средняя концентрация почти
в 10 раз ниже пиковой, он интенсивно разлагается ультрафиолетовым излучением (λ < 320 нм):
О3 + hυ (< 320 нм) → О2 + О.
2.3 Гидросфера
Гидросфера (греч. hydrо – вода + sphaira – шар) — прерывистая водная
оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и твёрдой земной корой
(литосферой) и представляющая собой совокупность океанов, морей и поверхностных вод суши. В более широком смысле в состав гидросфера включают
также подземные воды, лёд и снег Арктики и Антарктики, а также атмосферную воду и воду, содержащуюся в живых организмах.
37
Основная масса воды гидросферы сосредоточена в морях и океанах, вто-
Вид воды
Название
Объём,
млн. км3
Количество по от-
ношению к обще-
му объёму гидро-
сферы, %
Морские воды
Морская
1370
94
Подземные (за исключением почвен-
ной) воды
Грунтовая
61,4
4
Лёд и снег (Арктика, Антарктика,
Гренландия, горные ледниковые обла-
сти)
Лёд
24,0
2
Поверхностные воды суши: озёра, во-
дохранилища, реки, болота, почвенные
воды
Пресная
0,5
0,4
Атмосферные воды
Атмосферная
0,015
0,01
Воды, содержащиеся в живых организ-
мах
Биологическая
0,00005
0,0003
рое место по объёму водных масс занимают подземные воды, третье — лёд и
снег арктических и антарктических областей. Поверхностные воды суши, атмосферные и биологически связанные воды составляют доли процента от общего
объёма воды гидросферы (табл. 2.2). Химический состав гидросферы приближается к среднему составу морской воды.
Таблица 2.2
Распространение воды в гидросфере
Поверхностные воды, занимая сравнительно малую долю в общей массе
гидросферы, тем не менее, играют важнейшую роль в жизни нашей планеты,
являясь основным источником водоснабжения, орошения и обводнения.
Вода обладает рядом уникальных особенностей (аномальных свойств),
отличающих ее от большинства других жидкостей и влияющих на протекающие в экосистемах физико-химические и биологические процессы:
— высокая универсальная растворяющая способность; поверхностное
натяжение; скрытая теплота плавления льда (336 Дж/г); теплопроводность; диэлектрическая проницаемость;
— полярность молекулы;
— полная прозрачность в видимом участке спектра;
— наивысшая среди жидкостей и твердых тел удельная теплоемкость;
— аномально высокая для жидкости удельная теплота испарения
(2263,8 Дж/г при 100 °С);
— способность испаряться и сублимироваться при любой температуре;
38
— малая сжимаемость;
— источник кислорода, выделяемого при фотосинтезе, и донор ионов водорода в фотосинтетических реакциях;
— наличие максимальной плотности при +4 °С.
Морская вода, содержащая 3,5 % солей, не имеет температурного максимума плотности, что является одним из ее важных отличий от пресной воды.
Чем морская вода холоднее, тем тяжелее, вплоть до температуры минус 2 °С,
когда в ней появляются кристаллы льда.
Вода — единственное вещество на Земле, которое одновременно и в
больших количествах встречается во всех трех агрегатных состояниях.
Если условно воду всей гидросферы равномерно распределить по поверхности планеты, то она покроет ее слоем толщиной около 3000 м. Если земной шар уподобить яйцу, то земная кора будет соответствовать скорлупе, а
гидросфера — тончайшей, менее микрона толщиной, пленке на ее поверхности.
Тончайшая в масштабах нашей планеты пленка воды на ее поверхности
оказывает стабилизирующее воздействие на условия среды, прилегающей к поверхности, в которой развивалась и существует биосфера. Средняя глобальная
температура у поверхности планеты на протяжении всей ее истории, т. е. около
4,6 млрд. лет, изменялась в очень незначительных пределах. Гидросфера за этот
период никогда не кипела, не испарялась полностью и не замерзала. Все это говорит о достаточно узком диапазоне колебаний температуры в гидросфере,
верхний предел которого заведомо был значительно ниже 100 °С, а нижний
выше 0 °С.
Объем вод, на нашей планете лишь около 3 % приходится на долю пресной воды (с минерализацией менее 1 г/л), причем в пресных озерах и реках ее
содержится всего 0,007 % от общих запасов. Большая часть пресной воды содержится в снегах, пресноводных айсбергах и ледниках (1,7 %), находящихся в
основном в районах южного полярного круга, а также глубоко под землей (4 %).
2.4 Литосфера
Литосфера (от греч. litos — камень, sphaire — шар) — верхняя «твердая»
(каменная) оболочка Земли, постепенно переходящая с глубиной в сферы с
меньшей прочностью вещества. Она включает в себя земную кору и часть
верхней мантии Земли.
Глубина нижней границы мантии 2900 км. Ядро делится на две части —
внешнюю и внутреннюю. Внешнее ядро состоит из размягченных сверхплот-
39
ных силикатов или же окиси железа. Вещество внешнего ядра характеризуется
высокой плотностью — 6–12,2 г/см3. Глубже 5100 км располагается внутреннее
ядро, состоящее из сплава железа с никелем и находящееся в твердом состоянии. Плотность вещества в центре Земли достигает 13 г/см3. Центр ядра находится на глубине 6 371 км.
Слой литосферы, состоящий из кремниевых и алюминиевых пород, называют земной корой. Нижняя граница земной коры располагается вдоль поверхности Мохоровича. Поверхность Мохоровича – граница раздела между земной
корой и мантией Земли. Различают два типа земной коры: континентальная и
океаническая, континентальная имеет толщину до 70 км, а океаническая — до
10 км. Кора суши отличается от океанической по химическому составу и по
структуре: только кора суши имеет верхний слой — педосферу, у океанической
коры верхний слой – осадочные породы.
Грунт (нем. grund – основа, почва) — любые горные породы, почвы,
техногенные (антропогенные) образования, представляющие собой многокомпонентные, динамичные системы, являющиеся компонентами геологической
среды и объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека.
Экологическая функция литосферы выражается в том, что она является
«базовой подсистемой биосферы»: образно говоря, вся континентальная и почти вся морская биота опирается на земную кору. Например, техногенное разрушение минимального слоя горных пород на суше или шельфе автоматически
уничтожает биоценоз. Литосфера является основным поставщиком минерально-сырьевых и в том числе энергетических ресурсов, большая часть которых
относится к «невозобновимым», а поверхность земной коры формирует почвенный покров.
Почва — особое органико — минеральное естественноисторическое при-
родное образование, возникшее в результате воздействия живых организмов на
минеральный субстрат и разложения мертвых организмов, влияния природных
вод и атмосферного воздуха на поверхностные горизонты горных пород в различных условиях климата и гравитационном поле Земли.
Почвенный покров — совокупность почв, покрывающих земную поверхность. В большинстве областей Земли толщина почвенного покрова, обеспечивающего получение большей части пищевых продуктов, составляет всего 150 300 мм.
В результате естественных и антропогенных воздействий происходит деградация почвенного покрова, т.е. постепенное ухудшение свойств почв, вызываемое изменением условий почвообразования в результате естественных причин (например, наступления лесов или сухой степи на черноземы) или хозяйственной деятельности человека (неправильная агротехника, загрязнение и др.)
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]