23.1 Динамика популяций хищника и жертвы

Рассматривая динамику численности популяций хищника и жертвы, экологи прежде всего стремятся понять ее закономерности и разъяснить различия между типами динамик. В простейших моделях хищник и жертва рассматриваются безотносительно влияния на них других видов. Одна из самых первых и простых моделей была предложена, как и модель межвидовой конкуренции, Лоткой и Вольтеррой, и носит их имя.

Модель состоит из двух компонентов: C - численность популяции хищника и N - численность популяции жертвы.

Предполагается, что в отсутствие хищника популяция жертвы растет экспоненциально. Чем больше численность той и другой популяции, тем чаще происходят встречи. Число встреченных и съеденных жертв будет зависеть от эффективности, с которой хищник находит и ловит жертву. Если обозначить через a′ "эффективность поиска", то скорость поедания жертвы будет равна a′·C·N, и окончательно для численности жертвы получаем

В отсутствие пищи отдельные особи хищника голодают и гибнут. Предположим вновь, что численность хищника в отсутствие пищи будет уменьшаться экспоненциально:

( q - смертность). Скорость рождения новых особей в данной модели полагается зависящей от двух обстоятельств: скорости потребления пищи a′·C·N, и эффективности f, с которой эта пища переходит в потомство хищника. Итак, для численности хищника окончательно получаем

Так как процессы надо рассматривать вместе, объединим уравнения в систему:

Как и в предыдущем пункте, свойства этой модели можно исследовать, построив изо-клины.

Для жертвы имеем

или, выражая C, получаем

Соответствующее уравнение изоклины для популяции хищника

Е сли поместить обе изоклины на одном рисунке, получим картину взаимодействия популяций (рис. 3).

Рис. 3. Динамика численности популяции хищника и жертвы. Численность обеих популяций совершает периодические колебания

Как видно на рис. 4, численности популяций хищника и жертвы совершают периодические колебания: при увеличении численности хищников уменьшается численность популяции жертвы и наоборот. Такие колебания численности будут продолжаться в соответствии с моделью до тех пор, пока какое-либо внешнее воздействие не изменит численность популяций, после чего произойдет переход в новое устойчивое состояние (такая ситуация называется "нейтральные устойчивые циклы").

Рис. 3. Динамика численности популяции хищника и жертвы при r = 5, a′ = 0,1, q = 2, f = 0,6, N₀ = 150, C₀ = 50. Сплошная линия - численность жертвы, штриховая - хищника

23.2 Глобальные экологические проблемы, связанные с загрязнением биосферы

На конференции в Рио-де-Жанейро и на других экологических форумах (27-й Международный географический конгресс (Вашингтон, США, 1992), 6-й Международный экологический конгресс (Манчестер, Великобритания, 1994)) были сформулированы глобальные экологические проблемы биосферы:

1. Изменение химического состава атмосферы, ведущее к кислотным дождям, разрушению озонового слоя, фотохимическим смогам, глобальному потеплению климата и т. д.

2. Рост дефицита водных ресурсов и ухудшение их качества.

3. Возрастающее загрязнение различными токсикантами морей и океанов.

4. Обезлесивание и опустынивание.

5. Снижение биологического разнообразия планеты.

6. Проблема опасных отходов (горючие и радиоактивные вещества).

7. Резкое ухудшение состояния среды обитания человека. Одной из важнейших экологических проблем, с которой связывают деградацию природной среды, являются кислотные дожди (рис. 30). Они образуются при промышленных выбросах в атмосферу диоксида серы и оксидов азота, которые соединяются с атмосферной влагой и образуют серную и азотную кислоты. В результате дождь и снег оказываются подкисленными (число рН ниже 5,6).

Опасность представляют, как правило, не сами кислотные осадки, а протекающие под их влиянием процессы:

1. Закисление почв и уменьшение их плодородия. Изменение кислотности почвы приводит к деградации почвы, нерастворимые химические соединения становятся растворимыми (горные породы, тяжелые металлы, радионуклиды и т. д.) — в результате страдает микрофлора почвы, биомасса планеты, нарушаются процессы круговорота веществ в глобальных масштабах.

2. Закисление водоемов, гибель их фауны и флоры. Ярким примером негативного воздействия кислотных осадков на природные экосистемы является закисление озер. Особенно интенсивно оно происходит в Канаде, Швеции, Норвегии и на юге Финляндии. Объясняется это тем, что значительная часть выбросов серы в таких промышленно развитых странах, как США, ФРГ и Великобритания, выпадает именно на их территории.

Наиболее уязвимы озера, так как коренные породы, слагающие их ложе, обычно представлены гранито-гнейсами и гранитами, не способными нейтрализовать кислотные осадки, в отличие, например, от известняков, которые создают щелочную среду и препятствуют закислению. Сильно закис лены и многие озера на севере США.

3. Повреждение и гибель лесных формаций. Пятьдесят миллионов гектаров леса в 25 европейских странах страдают от действия сложной смеси загрязняющих веществ, включающей кислотные дожди, озон, токсичные металлы и др. Так, например, гибнут хвойные горные леса в Баварии. Отмечены случаи поражения хвойных и лиственных лесов в Карелии, Сибири и в других районах нашей страны.

Воздействие кислотных дождей снижает устойчивость лесов к засухам, болезням, природным загрязнениям, что приводит к еще более выраженной их деградации как природных экосистем.

4. Уничтожение и гибель многих видов животных.

5. Ускорение коррозии мостов, плотин, зданий, металлических конструкций, трубопроводов.

6. Ущерб памятникам мировой культуры.

7. Большие экономические потери.

8. Вред здоровью людей.

В 70-е гг. XX в., чтобы уменьшить загрязнение воздуха, на предприятиях-загрязнителях стали возводить высокие дымовые трубы. Это значительно улучшило качество воздуха непосредственно в конкретном районе, но вызвало перенос загрязнений на дальние расстояния, в частности через национальные границы. Воздушные потоки переносят загрязняющие вещества из

одних слоев атмосферы в другие, и кислотные осадки выпадают за сотни и тысячи километров от места выброса соответствующих газов.

Неэквивалентный трансграничный обмен кислотными дождями сделал весьма уязвимой экологическую безопасность соседних государств. Например, в 1991 г. из России на Украину поступило 25 тыс. т сернистых соединений, а на территории России выпало 405 тыс. т соединений серы, принесенных из Украины. Из США ветрами переносится свыше половины кислотных осадков, поражающих территорию Канады. Швеция получает около 70% загрязнения со стороны Великобритании, ФРГ и других соседей.

Кроме кислотных дождей, непрерывное загрязнение атмосферы может привести и к разрушению озонового слоя Земли.

Озоновый слой охватывает весь земной шар и располагается на высотах от 10 до 50 км с максимальной концентрацией озона на высоте 20—25 км. Насыщенность атмосферы озоном постоянно меняется в любой части планеты, достигая максимума весной в приполярной области.

Поглощая большую часть вредного ультрафиолетового излучения Солнца, озоновый слой выполняет роль экрана, предохраняющего живые организмы от губительного влияния коротковолновой ультрафиолетовой радиации. Земной поверхности достигают только те ультрафиолетовые лучи, которым мы обязаны загаром.

В 1985 г. английский ученый Джозеф Фарман и японский ученый Сигэру Тюбати первыми обнаружили разрыв озонового слоя (до 50% снижено содержание озона) над Антарктикой. За 7 лет содержание озона в «дыре» уменьшилось более чем вдвое. Это вызвало тревогу в мире. Затем «озоновые дыры» наблюдались над Арктикой и другими районами. В связи с этим проблема озонового слоя стала одной из острых глобальных проблем человечества. На планете есть места, где слой озона уменьшился на 3%.

Как отмечает А.И. Григорьев, обычно содержание общего стратосферного озона в январе над Скандинавией и над Северо-Западом России бывает ниже, чем над Северо-Восточной Сибирью и Камчаткой на 20-25%. Однако в последние годы снижение содержания общего стратосферного озона стало наблюдаться и над другими областями России. Так, например, в России за последние десять лет концентрация озонового слоя снизилась на 4-6% в зимнее время и на 3% — в летнее.

Известно несколько факторов, истощающих озоновый слой. Наиболее важный из них — это действие фреонов, применяемых в качестве хладагентов, пенообразователей.

В 1996 г. Ш. Роуланд, М. Молина из Калифорнийского университета США и П. Крутцен из Института химии имени Макса Планка в Германии были удостоены Нобелевской премии за установление причин снижения концентрации стратосферного озона. Они смогли доказать, что основными разрушителями озона являются атомы хлора или брома, отделившиеся под действием солнечной радиации от молекул химических веществ, синтезированных человеком, относящихся к классу галоидированных углеводородов.

К числу основных озоноразрушающих веществ были отнесены: хлорфторуглероды (международное обозначение — CFC), такие как фтортрихлорметан (CFC-11), дифтордихлорметан (CFC-12) и др.; фторхлорбромуглероды, иначе называемые галлонами; а также гидрохлорфторуглероды (международное обозначение — HCFC); метилбромид, метилхлороформ и четыреххлористый углерод. В год в мире их производится 1,3 млн т. В озоновом слое эти соединения взаимодействуют с озоном, образуют монооксид хлора и молекулярный кислород. Многие хлорфторуглероды могут сохраняться в атмосфере сотни лет.

Вторым по значимости фактором являются сверхзвуковые самолеты, космические аппараты и автотранспорт, которые разрушают 10—20% озонового слоя атмосферы. В этом случае оксиды с озоном образуют оксид азота и молекулярный кислород. Установлено, что уменьшение содержания озона на 1% увеличивает жесткое ультрафиолетовое излучение на 2% и на 2,5% онкологические заболевания кожи. Кроме того, наблюдается увеличение случаев заболевания катарактой хрусталика глаз, ослабление иммунитета, понижение эффекта вакцинации. Так, например, по мнению ряда ученых-экологов, к 2030 г. в России при сохранении нынешних темпов истощения озонового слоя заболеют раком кожи дополнительно 6 млн человек. Кроме кожных заболеваний, возможно развитие глазных болезней (катаракта и др.), подавление иммунной системы.

Установлено также, что растения под влиянием сильного ультрафиолетового излучения постепенно теряют свою способность к фотосинтезу, а нарушение жизнедеятельности планктона приводит к разрыву трофических цепей биоты водных экосистем, и т. д. При этом снижается продуктивность сельского хозяйства, Мирового океана и т. д.

Некоторые исследователи считают, что выбросы фреонов играют второстепенную роль, и связывают снижение устойчивости озонового слоя с полетами сверхзвуковых самолетов и запусками ракет, увеличивающими поступление водорода в верхние слои атмосферы. Водород рассматривается как катализатор процесса.

Около 10% общего количества озона содержится в нижней части атмосферы. Здесь озон играет роль загрязнителя. При больших концентрациях он воздействует на дыхательные пути, раздражает глаза, может нарушать рост растений и воздействовать отрицательно на различные материалы (резину, ткани, краски и др.), вызывая их старение.

Согласно ст. 56 Закона Российской Федерации об охране окружающей природной среды, в соответствии с международными соглашениями, все организации и предприятия обязаны сократить и в последующем полностью прекратить производство и использование озоноразрушающих веществ. В соответствии с Монреальским протоколом, страны, производящие такие вещества, обязывались к 2005 г. — наполовину и к 2007 г. — на 85% уменьшить потребление и производство хлорфторуглеродов.

Однако ряд ученых продолжает настаивать на естественном происхождении «озоновой дыры». Причины ее возникновения одни видят в естественной изменчивости озоносферы, циклической активности Солнца, другие связывают эти процессы с дегазацией Земли.

Образование фотохимического смога происходит в результате фотохимического взаимодействия слагающих его компонентов с атомарным кислородом. Двуокись азота, сернистый ангидрид и альдегиды поглощают ультрафиолет и переходят в активное состояние. Идет образование озона. Этот процесс повторяется многократно. Озон и оксиды азота реагируют с органическими примесями в воздухе, в результате чего образуется ряд более токсичных веществ. Фотохимический смог образуется обычно в период температурных инверсий, когда приземный слой воздуха прижат верхним теплым воздухом, предотвращающим вертикальный перенос загрязнений.

Накапливающиеся в нижних слоях атмосферы углекислый газ и другие газы окутывают Землю, как парниковая пленка. По Г. Хеф-лингу (1990), атмосфера, насыщенная парниковыми газами, действует как крыша теплицы. Она, с одной стороны, пропускает внутрь большую часть солнечного излучения, с другой — почти не пропускает наружу тепло, переизлучаемое Землей. В настоящее время вклад парниковых газов в глобальное потепление климата составляет: диоксида углерода — 66%, метана — 18%, фреонов — 8%, оксида азота — 3% и остальных газов — 5%.

«Парниковые» газы не поглощают солнечное излучение в оптическом диапазоне, поэтому большая часть солнечной радиации достигает земной поверхности и нагревает ее.

В то же время парниковые газы не пропускают в обратном направлении длинноволновое тепловое (инфракрасное) излучение Земли. Это приводит к повышению температуры в нижних слоях атмосферы планеты.

Последствия этого потепления уже наблюдаются нашим поколением. За последние 100 лет температура Земли увеличилась на 0,3-0,7 °С, уровень Мирового океана повысился на 10-14 см, резко увеличилась скорость таяния льдов горных вершин, Арктики и Антарктики, стали чаще регистрироваться ураганы, цунами, сели, наводнения.

Прогноз ученых неблагоприятен. К 2100 г. температура Земли может увеличиться на 4,5-5 °С, что приведет к повышению уровня Мирового океана на 6-8 м, затоплению прибрежных территорий и сокращению площади суши на 30%. Природная среда, видимо, не сможет приспособиться к столь резким переменам. В результате этого может измениться циркуляция атмосферы, и на месте плодородных земель возникнут пустыни. Для России, 60% территории которой составляет зона вечной мерзлоты, возрастет риск подтоплений.

В связи с постоянным увеличением объемов сжигаемого ископаемого топлива (нефти, газа, угля) концентрация СО₂ в атмосфере постоянно повышается.

На 1-1,5% в год увеличивается содержание метана (выбросы из подземных горных выработок, сжигание биомассы, выделения крупным рогатым скотом и др.). В меньшей степени растет содержание в атмосфере и оксида азота (на 0,3% ежегодно).

По вопросу о степени влияния парниковых газов на глобальное потепление климата также нет единства во мнениях. Так, в отчете Межправительственной группы экспертов по проблеме изменения климата (1992) отмечается, что наблюдающееся в последнее столетие потепление климата на 0,3-0,7 С могло быть обусловлено преимущественно природной изменчивостью ряда климатических факторов.

В связи с этими данными академик К.Я. Кондратьев (1993) считает, что нет никаких оснований для одностороннего увлечения стереотипом парникового потепления и выдвижения задачи по сокращению выбросов парниковых газов для предотвращения нежелательных изменений глобального климата.

По его мнению, важнейшим фактором антропогенного воздействия на глобальный климат является деградация биосферы. Следовательно, в первую очередь необходимо заботиться о сохранении биосферы как основного фактора глобальной экологической безопасности.

Глобальное потепление отразится и на состоянии лесов планеты. Лесная растительность, как известно, может существовать в очень узких пределах температуры и влажности. Большая часть ее может погибнуть, следовательно, сложная экологическая система окажется на стадии разрушения, что повлечет за собой катастрофическое уменьшение генетического разнообразия растений.

Исследования показали, что во избежание глобальной катастрофы необходимо уменьшить выбросы углерода в атмосферу до 2 млрд т в год (одна треть нынешнего объема). Учитывая естественный прирост населения, к 2030-2050 гг. на душу населения должно выбрасываться не более 1/8 объема углерода, приходящегося сегодня в среднем на одного жителя Европы.

Учитывая огромный экологический риск парникового эффекта, Международная конференция (Буэнос-Айрес, Аргентина, 1998) приняла решение о снижении экономически развитыми странами к рубежу XXI в. выброса двуокиси углерода в атмосферу с 3,5 т (в расчете на одного человека) до 1 т в год.

В частности, до 2012 г. страны Европейского Союза и Швейцария должны снизить выброс парниковых газов по сравнению с 1990 г. на 8%, США — на 7%, Япония — на 6%. Учитывая, что Россия в связи с экономическим спадом загрязняет атмосферу на 20-25% меньше, чем раньше, ее обязали удержаться в исходной точке.

Однако ряд ученых видят в предполагаемом глобальном потеплении климата и положительные экологические последствия (Вронский, 1993). Повышение концентрации СО₂ в атмосфере и связанное с ним увеличение фотосинтеза, а также возрастание увлажнения климата могут, по их мнению, привести к увеличению продуктивности как естественных фитоценозов (лесов, лугов, саванн), так и агроценозов (культурных растений, садов, Виноградников и др.).