Б.Г. Александров

Одесский филиал Института биологии

южных морей НАН Украины (ОФИнБЮМ)

ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ИДЕЙ В.И. ВЕРНАДСКОГО В РЕШЕНИИ АКТУАЛЬНЫХ ПРОБЛЕМ ЭКОЛОГИИ МОРЯ

Владимир Иванович Вернадский является основателем таких наук, как радиогеология, геохимия и биогеохимия. Он автор учения о биосфере и ее эволюции. В своих работах на основе глубоких теоретических обобщений он смог сделать ряд прогнозов в области экологии моря, которые нашли яркое подтверждение. Сформулированные им проблемы продолжают оставаться актуальными сегодня, многое из сказанного и написанного им нуждается в переосмыслении в будущем.

В.И. Вернадский писал, что «изучаемая биологическими науками живая природа ближе к нашим чувственным представлениям, чем более отвлеченное другое ее выражение, которое дается биогеохимией. Функциональная морфология сформировалась в контексте общей биологии, пережившей несколько тематических дивергенций (расхождений), отделивших живые организмы от косной «среды», растения – от животных, низшие водные растения – от высших наземных. Аналогичное разделение совершилось и в функциональной морфологии, но интеграции не последовало. Лишь в биогеохимии и экологии живое и косное вещество были воссоединены, дав возможность для сравнения структур и функций на разных уровнях организации земной природы» (Вернадский, 1975).

Проиллюстрирую развитие идей В.И. Вернадского в области экологии водных экосистем примерами научных достижений Одесского филиала Института биологии южных морей им. А.О. Ковалевского Национальной академии наук Украины (ОФИнБЮМ).

Биогеохимический подход к анализу процессов взаимодействия живой и неживой природы особенно ярко проявился в глубоком предвидении В.И. Вернадским особенностей взаимодействия на граничных поверхностях, в областях раздела фаз различного состояния вещества: твердого, жидкого и газообразного. Характеризуя зоны физико-химических и биологических взаимодействий водных экосистем, В.И. Вернадский уподобил водную толщу Мирового океана «дремлющему гиганту» в сравнении с узкой береговой полосой, либо поверхностью моря, которые отличаются максимальным уровнем активности.

Представление о вертикальном распределении функциональной активности Мирового океана изменялось во времени. К концу 50-х годов ХХ века верхний, наиболее продуктивный слой Мирового океана, так называемый фотический слой, или граница взаимодействия между водной средой и атмосферой по В.И. Вернадскому, представлялся поверхностным слоем океанических вод толщиной от 80 до 200 м. Нижняя граница этой области определялась освещенностью, равной 1% от освещенности поверхности океана. По своей протяженности она составляла около 2% его средней глубины, равной 3760 м. Именно в этой зоне формируется органическое вещество, обеспечивающее пищей океаническую экосистему от ее поверхности до предельных глубин (Дедю,1990). При этом продукция растений в Мировом океане в 1000 раз выше и, несмотря на превосходство наземной растительности по биомассе (в 300 тыс. раз), суммарная годовая продукция фотосинтеза Океана составляет 1/3 органического вещества, синтезируемого растениями всей нашей планеты (Сытник и др., 1987).

В 1959 г. исследованиями Ю.П. Зайцева (академик НАНУ, главный научный сотрудник ОФИнБЮМ) было сделано открытие всемирного значения. В середине ХХ века была открыта новая жизненная форма (ЖФ) обитателей моря – «нейстон». Под жизненной формой, по определению Александра Гумбольдта (1806), понималось сообщество организмов, различающихся по происхождению, но имеющих сходное строение для обитания в одинаковых условиях среды. Другие жизненные формы, такие как известные сегодня каждому «планктон» и «бентос», были описаны в среднем за полвека до этого. Было установлено, что местообитание морского нейстона – это приповерхностный слой воды толщиной всего 5-25 см, в котором было зарегистрировано скопление мелких планктонных животных, до 10 раз отличающееся по численности от остальной толщи. При этом наиболее важной особенностью нейстона является тот факт, что его главным компонентом являются личинки донных и пелагических беспозвоночных, а также рыб. «Нейсталь - это ясли моря», по образному выражению Ю.П. Зайцева (1970).

В начале 1990-х годов тонкими исследованиями ученика Ю.П. Зайцева, М.И. Гладышева, проректора Красноярского государственного технического университета при Институте биофизики СО РАН, с применением высокоточной регистрирующей аппаратуры был зарегистрирован факт изменения теплообмена между океаном и атмосферой за счет деятельности нейстонных организмов. При этом было установлено, что толщина зоны активного взаимодействия в приповерхностном слое составляет от 0,5 до 5 мм и обусловлена движением животных. Их высокая концентрация в сочетании с биотурбулентными возмущениями воды приводит к активизации испарения и охлаждению поверхностной пленки (Гладышев, 1999). Так как основу питания нейстона составляют поверхностные активные вещества, выделяемые всем населением водной толщи, максимум которого приходится на теплое время года, интенсивное развитие животных в приповерхностном слое стимулирует снижение температуры воды в водоеме, что, в свою очередь, приводит к сокращению концентрации органических веществ (механизм обратной связи). Таким образом, представления В.И. Вернадского об активных поверхностях и их роли в функционировании биокосных систем нашли не только свое подтверждение, но и дальнейшее развитие. В частности, удалось уточнить масштабы и интенсивности процессов, протекающих в водных экосистемах на границах раздела фаз.

Наряду с теоретическим осмыслением новых научных фактов в области экологии моря идеи В.И. Вернадского были воплощены и на практике. В частности, экспериментально было доказано, что эффективный контроль состояния экосистемы моря можно вести в приповерхностном слое (нейстали), на границе «вода-атмосфера». Это позволяет следить за изменениями состояния всех жизненных форм одновременно. Ведь здесь сосредоточены представители планктона, бентоса и нектона (рыб) на ранних стадиях развития. Иными словами, наблюдая за состоянием нейстона, можно контролировать условия жизни во всей водной толще (планктоне), на дне (бентосе), а также активно плавающих рыб. Не удивительно, что прогноз восстановления популяции черноморской камбалы, сделанный на основе анализа нейстонных проб, предвосхитил данное событие за несколько лет. Появлению крабов у Одесского побережья в последние годы, как пример восстановления условий жизни в северо-западной части Черного моря (СЗЧМ), предшествовало обнаружение их личинок в приповерхностном слое моря. Анализ нейстона позволил зарегистрировать факт снижения уровня нефтяного загрязнения моря – одной из ключевых угроз существования жизни у морской поверхности. Успехи выполненных прогнозных оценок способствовали включению нейстона в качестве объекта регулярных мониторинговых исследований в мировом масштабе “neustone watch”, а также для всех стран Черного моря. Методам изучения нейстона был посвящен проведенный в Одессе на базе ОФИнБЮМ специальный обучающий семинар (2005) представителей ведущих институтов министерств охраны природы шести черноморских стран, осуществляющих экологический мониторинг в национальных водах.

Идеи В.И. Вернадского об особенностях взаимодействия на границе поверхностей были реализованы при оценке и прогнозировании состояния водной растительности. На основе развития морфофункционального подхода в изучении водной растительности научными школами К.М. Хайлова (1992) и Г.Г. Миничевой (1993) были разработаны новые показатели и методы определения их функциональной активности. Было установлено, что интенсивность взаимодействия живого (водоросли) и косного (вода с растворенными в ней питательными солями - биогенами) определяется площадью поверхности тела (таллома) растения. Каждое растение характеризуется своим диапазоном изменчивости и средней величиной удельной поверхности, измеряемой в квадратных метрах таллома на 1 кг массы водоросли. Было установлено, что видовой состав водорослей макрофитов из СЗЧМ (258 видов) имеет поверхность талломов в пределах 6-170 м²/кг, в то время как фитопланктон (477 видов) – 153-5804 м²/кг. Специальными исследованиями было показано, что увеличение содержания в воде солей азота и фосфора может привести к смене видового состава водорослей, появлению видов с большей удельной поверхностью тела. Например, увеличение содержания биогенных веществ в СЗЧМ, наблюдаемое с начала 70-х годов, привело к исчезновению ряда водорослей с низкой удельной поверхностью таллома (Cystoseira barbata) и увеличению средней удельной поверхности с 30-60 до 90 м²/кг (Миничева, 1998). Разработанный метод, базирующийся на взаимодействиях у границы «живое растение-вода», позволяет по уровню биогенной нагрузки прогнозировать видовой состав водорослей, их среднюю биомассу и продуктивность. Данный метод и показатели были рекомендованы Секретариатом Международной комиссии по охране Черного моря к использованию в 2005 году. С его помощью впервые проведена диагностика уровня эвтрофирования прибрежных экосистем всех стран Черного моря. Исследование взаимодействия на границе «твердый искусственный субстрат-вода» позволило обосновать количественные методы управления качеством водной среды с помощью обрастания гидротехнических сооружений, разработать количественные методы в проектировании искусственных рифов (ИР). Уже давно известен эффект сгущения жизни вблизи погруженных в воду твердых субстратов (камни, затонувшие корабли, портовые сооружения), на котором формируется богатое в количественном и качественном отношении сообщество обрастания. Японские рыбаки использовали его в практической жизни еще в XVI веке. В подтверждение идей В.И. Вернадского здесь зарегистрировано мощное развитие живого вещества (сообщества обрастания) и его взаимодействие с водной средой. В СЗЧМ биомасса обрастания достигала свыше 100 кг/м² (Золотарев и др., 1993). При этом водоросли и беспозвоночные обрастания с одного квадратного метра берегозащитных сооружений г.Одессы в среднем за сутки способны полностью извлечь минеральные соединения азота и фосфора из 2-8 м³, взвешенное органическое вещество – из 4-17 м³, в зависимости от интенсивности водообмена (Александров и др., 1995). ОФИнБЮМ занимается теоретическим обоснованием применения ИР для улучшения экологического состояния моря с 1980-х годов. С его участием в 1982 у входа в Григорьевский лиман (порт Южный) был сооружен приурезовый ИР на площади 50000 м². Он защищает разрушающийся берег, подверженный оползням, сооружен он с помощью грунтов, извлеченных при строительстве Одесского припортового завода. Морская часть ИР была образована глыбами известняка, выложенными на 1 км вдоль берега. Создание рифа способствовало 10-кратному увеличению биомассы зеленых водорослей и 3-кратному увеличению видового состава животного населения прибрежной зоны моря. Данный участок берега стал местом активного любительского лова бычков (Зайцев, Яценко, 1983). Общий экологический эффект от улучшения качества водной среды в результате строительства ИР был оценен в 56,8 тыс. долларов США (Лапчинская, 1987). Практически в этот же период в Одесском заливе был создан ИР «распластанного типа», это заглубленный на 1,5-2,0 м от водной поверхности вариант волнолома. В отличие от волнолома обычного типа, заглубленного всего на 0,5 м, данная конструкция имела большую удельную поверхность. Сравнительное изучение водорослей на рифе и волноломе показало, что, несмотря на более низкое видовое разнообразие, водоросли ИР обладали большей функциональной активностью (Еременко, Миничева, 1989). Это объяснялось более высокой прозрачностью воды и некоторым увеличением соединений фосфора вблизи рифа за счет деятельности мидийного обрастания. Интенсивное развитие водорослей обеспечивало деэвтрофирующий эффект (Гаркавая и др., 1987). На основе последующих теоретических разработок идей В.И. Вернадского о взаимодействии на граничных поверхностях были выведены количественные зависимости по определению ближайшего жизненного пространства обрастания, в котором протекают биологические и физико-химические взаимодействия, а также уравнения, позволяющие прогнозировать удельную площадь поверхности твердых субстратов, достаточную для доведения качества водной среды до нормативного уровня (Александров, 2001; 2005). В настоящий момент в Одесском городском совете проходит последнюю стадию согласования проект реконструкции пляжа в районе Ланжерона для оптимизации качества морской среды с помощью сооружения ИР.

В одном из своих последних произведений, «Автотрофность человечества», В.И. Вернадский уподобляет человечество растительному миру, обращая внимание на то, что только растения связывают живой и неживой мир планеты. Только они способны из минеральных соединений и углекислого газа синтезировать органические вещества, используя энергию солнечного света (Вернадский, 1993). Поэтому растения названы автотрофами, т.к. сами себя обеспечивают синтезируемой пищей. Человечество в ближайшем будущем обретет аналогичную способность, когда сможет синтезировать продукты питания искусственным путем и овладеет неисчерпаемыми источниками энергии, например, тем же излучением солнца. Об этом свидетельствует прорыв в генной инженерии – человек научился производить генетически измененные растения и животные с заданными свойствами. А пока идеи Вернадского помогают совершенствовать систему экологического мониторинга, прогнозировать развитие водорослей, оценивать изменение их продуктивности, оптимизировать качество воды с помощью искусственных рифов.

Литература

1. Александров Б.Г. Ближайшее жизненное пространство обрастания и способ определения его объема // Вестн. Тюмен. гос. ун-та. – 2005. – Т. 5. – С. 23-31.

2. Александров Б.Г. Теоретические основы управления качеством водной среды с помощью твердых субстратов // Доп. Нац. акад. наук України. – 2001. – № 5. – С. 181-184.

3. Вернадский В.И. Размышления натуралиста. Пространство и время в неживой и живой природе / В.И. Вернадский. – М. : Наука, 1975. – С.173.

4. Вернадский В.И. Автотрофность человечества // Русский космизм : антол. филос. мысли. – М. : Педагогика-Пресс, 1993. – С. 288-303.

5. Возможности и перспективы гидробиологической мелиорации Одесского залива / Б.Г. Александров, Г.П. Гаркавая, Т.П. Горбылева [и др.] // Тр. междунар. науч.- практ. конф. «Экологические проблемы Одесского региона и их решение» (14-15 дек. 1994). – О., 1995. – С. 157-159.

6. Гаркавая Г.П. Искусственные рифы как фактор воздействия на гидрохимические параметры в прибрежной зоне северо-западной части Черного моря / Г.П. Гаркавая, Ю.П. Зайцев, Ю.И. Богатова // Тез. докл. Всесоюз. конф. «Искусственные рифы для рыбного хозяйства» (Москва, 2-4 дек. 1987). – М., 1987. – С. 86-87.

7. Гладышев М.И. Основы экологической биофизики водных систем / М.И. Гладышев. – Новосибирск : Наука, 1999. – С.113.

8. Дедю И.И. Экологический энциклопедический словарь / И.И. Дедю. – Кишинев : Глав. ред. Молд. Сов. Энцикл., 1990. – С. 408.

9. Еременко Т.И. Структурно-функциональная характеристика сообществ макрофитов на искусственных рифах Одесского побережья / Т.И.Еременко, Г.Г. Миничева // Ин -т биологии юж. морей им. А.О. Ковалевского, Одес. отд. – О., 1989. – 17 с. – Деп. в ВИНИТИ 03.11.89 г., № 6689-В89.

10. Зайцев Ю.П. Морская нейстонология / Ю.П.Зайцев. – К. : Наук. думка, 1970. – 264 с.

11. Зайцев Ю.П. Экологические аспекты гидротехнического строительства в прибрежной зоне моря / Ю.П.Зайцев, В.А. Яценко // Биология моря. – 1983. – № 5. – С. 62-66.

12. Золотарев П.Н. Оценка фильтрационной способности обрастаний морских стационарных платформ в Черном море и их роли в экосистеме / П.И. Золотарев, Н.М. Литвиненко, И.Г. Рубинштейн // Основные результаты коллективных исследований ЮГНИРО в Азово-Черноморском бассейне и Мировом океане 1992 г. – Керчь, 1993. – С. 54-59.

13. Лапчинская Л.М. Об экологической эффективности строительства искусственных рифов / Л.М. Лапчинская, О.Н.Таран, Т.И. Еременко // Тр. Всесоюз. конф. «Искусственные рифы для рыбного хозяйства» (Москва, 2-4 дек. 1987). – М., 1987. – С. 45-48.

14. Миничева Г.Г. Морфо-функциональные основы формирования морского фитобентоса : автореф. Дис. ... д-ра биол. наук / Г.Г.Миничева. – Севастополь, 1998. – 32 с.

15. Миничева Г.Г. Структурно-функциональные особенности формирования сообществ морских бентосных водорослей // Альгология. – 1993. – Т. 3, № 1. – С. 3-12.

16. Сытник К.М. Биосфера, экология, охрана природы : справ. пособие / К.М.Сытник, А.В. Брайон, А.В. Гордецкий - К. : Наук. думка, 1987.– 523 с.

17. Функциональная морфология морских многоклеточных водорослей / К.М.Хайлов, А.В.Празукин, С.А.Ковардаков, В.Е. Рыгалов. – К. : Наук. думка, 1992. – 280 с .

В.А. Зедгенидзе

Одесская государственная академия

строительства и архитектуры

ПРОБЛЕМЫ ПОДТОПЛЕНИЯ ТЕРРИТОРИЙ УКРАИНЫ

Подтопление сельских, промышленных и городскох территорий грунтовыми водами наносит весьма значительный ущерб хозяйственной деятельности на этих территориях. По данным Института проблем национальной безопасности при СНБО Украины, региональное подтопление земель Украины принимает масштабы национальной угрозы, при этом уже в нстоящее время убытки государства могут достигать 5-6 млрд грн /год. По данным Государственного комитета Украины по водному хозяйству, от подтопления в той или иной мере страдают 16 миллионов граждан Украины, социально-экономические убытки в денежном выражении составляют до 500 грн на один гектар пораженных территорий в сельской местности, а на городских территориях – более 12 тыс. гривен на один гектар.

В последние десятилетия проблема подтопления земель Украины существенно обострилась. Связано это обстоятельство с тем, что во второй половине двадцатого столетия интенсивно развивалось народнохозяйственное освоение территории Украины. Практически полностью был зарегулирован шестью крупнейшими водохранилищами Днепр, возведены 1089 крупных водохранилищ с объемом воды более 1 млн м³ каждое и 28, 5 тысяч прудов и ставков с объемом до 1 млн м³ воды каждый. Общий объем всех водохранилищ Украины превысил 55 млрд м³, а общая площадь водной поверхности техногенного происхождения достигла 12 тыс. км², что составляет около 2% всей плащади Украины. В то же время были построены крупнейшие каналы: Северский Донец – Днепр – Донбасс, Днепр – Кривой Рог, Днепр – Ингулец, предназначенные для переброски стока рек в маловодные районы. Северо-Крымский канал длиной 400,5 км и расходом 335 м³/с, обслуживающий более 250 тыс. га орошаемых земель Херсонщины и Северного Крыма; Каховский магистральный канал длиной 129 км и расходом 530 м³/с и межхозяйственными распределительными каналами длиной 643 км. Общая площадь оросительных систем превышает 2400 тыс. га.

Высокими темпами развиваются металлургическая и химическая промышленности, являющиеся весьма водоемкими потребителями; строятся горно-обогатительные комбинаты с хвостохранилищами, ГРЭС и атомные станции, требующие для выработки электроэнергии значительного количества воды.

По данным Министерства охраны окружающей природной среды, водопотребление в Украине возросло от 15,9 млрд м³/год в 1960 году до 35 млрд м³/год в 1990 году. Следует особо подчеркнуть, что экономика Украины использует в несколько раз больше воды на единицу произведенного внутреннего продукта, чем в развитых странах.

Резко усиливается техногенная нагрузка на уровни грунтовых вод в районах урбанизированных городских и промышленных территорий. Потери из водонесущих и водоотводящих инженерных городских сетей составляют 30-35%; в селах действуют водопроводы при отсутствии систем водоотведения; значительно уменьшилась дренажная способность малых рек в связи с замуливанием их русел; природный сток поверхностных и грунтовых вод перекрывается различными инженерными коммуникациями (железные и автомобильные дороги, газо- и нефтепроводы, фундаменты сооружений и т.д.). Весьма существенной техногенной причиной подтопления территорий в последние пятнадцать лет является повреждение и засорение дренажных систем, предназначенных для защиты сельскохозяйственных земель и селитебных территорий, разрушение дренажных насосных станций и линий электропередач, несвоевременный ремонт дренажных систем.

Пиродные факторы лишь усиливают влияние всех техногенных факторов подтопления территории Украины. В таблице 1 приведены данные по первым пяти наиболее подтопленным в результате разных причин областям и суммарные данные по Украине.

Таблица 1

Наиболее подтопленные области Украины

Название области	Подтопленные и переувлажненные земли тыс. га на 01.-11.2003	Процент от общей площади области, Украины	Подтопление по данным 2000 г.
			городов и пгт	Сел
Волынская	1655	81,9	11	36
Днепропетровская	1540	13,0	43	226
Николаевская	10708*)	42,6*)	10	87*)
Одесская	777	23,3	40	347
Херсонская	765	27,0	19	127**)
Всего по Украине	8786	14,6	541***)	1631

Примечание: *) данные на 2004 год; **) данные на 2005 год; ***) данные на 2003 год

Значительная опасность подтопления территории Украины заключается в возможности существенного загрязнения поверхностных и подземных вод, предназначенных для использования в качестве питьевых; в деградации плодородных земель и ухудшении показателей сельскохозяйственной продукции; в изменении физико-механических свойств грунтов, что, соответственно, приводит к неравномерным осадкам зданий и сооружений; возникновению оползневых процессов, опасных для зданий и сооружений; в нарушении санитарно- гигиенических условий и др.

Для улучшения ситуации в Украине был принят ряд нормативных актов, в частности:

-«Комплексна програма захисту від шкідливого впливу вод сільських населених пунктів і сільськогосподарських угідь в Україні в 2001-2005 роках і прогноз до 2010” (схвалена Постановою Кабінету Міністрів України від 26.07.2000 р. № 1173; 491 млн грн) ;

-“Комплексна програма розвитку меліорації земель і поліпшення екологічного стану зрошуваних і осушених угідь у 2001-2005 роках і прогноз до 2010 року” (схвалена Постановою Кабінету Міністрів України від 16.11.2000 р. № 1704; 484, 3 млн грн);

-“Комплексна програма ліквідації наслідків підтопленням територій в містах і селищах України (затверджена Постановою Кабінету Міністрів України від 15.02.02 р. № 160; 550,7 млн грн);

-“Державна програма запобігання і боротьби з підтоплення земель”

(затверджена Постановою Кабінету Міністрів України від 29.04.2004 р. № 45; 629 млн грн).

Однако финансирование работ, связанных с защитой от подтопления, проводилось не в полном объеме: по некоторым данным, в размере не более 10% от выделяемых сумм. Такая ситуация, естественно, значительно услугубляет проблемы подтопления.

На наш взгяд, ситуация с подтоплением выходит из-под контроля и требует изменения стратегии в борьбе с подтоплением; принятия законодательных актов; комплексного межведомственного обследования территорий с подготовкой соотвествующей документации; разработки общегосударственных и региональных программ предупреждения и борьбы с подтоплением.

С.П. Ковалишина

Украинский научный центр экологии моря