2.4. Наземно-воздушная среда

Наиболее сложной по экологическим условиям является наземно-воздушная среда. Здесь, на границе двух земных оболочек обитает подавляющее большинство растений и животных. Специфику их местообитаний определяет рельеф местности, характер грунта и атмосферные явления.

Основными особенностями наземно-воздушной среды является большая амплитуда изменения экологических факторов, неоднородность среды, действие сил земного тяготения, низкая плотность воздуха. Комплекс физико-географических и климатических факторов, свойственных определенной природной зоне, приводит к эволюционному становлению морфофизиологических адаптаций организмов к жизни в этих условиях, многообразию форм жизни.

В зависимости от условий увлажнения и плодородия почвы растительные сообщества занимают оптимальные местообитания, характерные для преобладающего древостоя. Характер грунта влияет на специфику передвижения животных. Каменистый грунт предъявляет особые требования к конструкции тела животных. Копытные, страусы, дрофы, живущие на открытых пространствах, приспособили свои конечности к твердому грунту для усиления отталкивания при быстром беге. У животных, обитающих на рыхлых сыпучих песках, пальцы окаймлены бахромкой из роговых чешуй, как у некоторых ящериц. У живущего в пустыне Намиб песчаного геккона лапки напоминают плавательные перепонки водоплавающих птиц. Они выполняют функцию своеобразных лыж, с помощью которых он передвигается. В жаркое время дня с их помощью геккон роет себе норы для укрытия. Другие ящерицы, например, аптечный сцинк в Сахаре и путынная игуана в калифорнийских пустынях прямо-таки «плавают», усиленно загребая лапками и погружаясь в песок.

Условия жизни в наземно-воздушной среде во многом определяется погодными условиями. Многолетний режим погоды характеризует климат местности. Он определяется географическими условиями района.

Для большинства наземных организмов важен не столько климат района, сколько условия их непосредственного обитания. Часто на жизнедеятельность организмов большую роль оказывают местные элементы среды (рельеф, экспозиция, растительность), которые принципиально изменяют в конкретном участке режим температуры, влажности, света, движения воздуха и т.п. Такая локальная модификация климата, складывающаяся в приземном слое воздуха, называется микроклимат. В каждой климатической зоне микроклиматы очень разнообразны, что отражается в неравномерности развития природных явлений. Так, весьма различается микроклимат северной и южной экспозиции холмов и гористых участков. Микроклимат оголенных почв отличается от такового в местах, занятых растительностью (лесной или луговой). Особый микроклимат возникает в норах, гнездах, дуплах, пещерах и других сходных местообитаниях.

Жизнь на суше во многом зависит также и от состояния воздуха. Естественная смесь газов, сложившаяся в ходе эволюции Земли, - это и есть воздух, которым мы дышим. Причем, следует отметить, что воздух представляет собой смесь газов, а не их соединение. Нужно сказать, что атмосфера Земли совершенно уникальна. Современный состав ее мало похож на тот, который был у газо-пылевого облака, из которого миллиарды лет назад образовалась наша планета.

Воздух как среда жизни обладает особенностями, направляющими эволюционное развитие обитателей этой среды. Так, высокое содержание кислорода определяет возможность формирования высокого уровня энергетического метаболизма (обмена веществ между организмом и средой). Атмосферный воздух отличается низкой и изменчивой влажностью, что ограничило возможности освоения воздушной среды, а у ее обитателей направило эволюцию системы водно-солевого обмена и структуру органов дыхания. Также следует отметить низкую плотность воздуха в атмосфере как среде жизни, благодаря чему жизнь сосредоточена вблизи поверхности земли, проникая в толщу атмосферы на высоту не более 50 – 70 м (кроны деревьев тропических лесов).

Основными компонентами атмосферного воздуха являются азот - N₂ (78,08%), кислород - O₂ (20,9%), аргон - Ar (около 1%) и углекислый газ (0,03%) (табл.1).

Кислород появился на Земле примерно 2 млрд лет тому назад, когда происходило активное формообразование поверхности при активной вулканической деятельности. В настоящее время доля кислорода составляет 21%, и постепенное возрастание этой доли происходило в течение последних 20 млн лет. Главную роль в этом играло развитие растительного мира суши и океана.

С точки зрения планетолога современная атмосфера Земли представляет собой астрономическое чудо. Почему? Да потому, что одна пятая ее часть состоит из химически очень активного газа - кислорода. Кислород в земной атмосфере находится в состоянии динамического равновесия. Если бы не жизнедеятельность растений, то исключительно активные молекулы этого элемента вступили бы в различные химические реакции, а значит, за какие-нибудь 10 000 лет исчезли бы из нашей атмосферы.

Без пищи человек может жить пять недель, без воды - пять дней, без воздуха пять - минут. Избыток же кислорода может угрожать нашему существованию, потому что чистый кислород становится ядом, если дышать им очень долго. К тому же, если бы в атмосфере было слишком много кислорода, то горючие материалы стали бы весьма огнеопасными, и их трудно было бы держать под контролем.

Таблица 1. Газовый состав земной атмосферы

Элементы и газы	Содержание в нижних слоях атмосферы, %
	по объему	по массе

Азот 78,084 75,5

Кислород 20,946 23,14

Аргон 0,934 1,28

Неон 0,0018 0,0012

Гелий 0,000524 0,00007

Криптон 0,000114 0,0003

Водород 0,00005 0,000005

Углекислый газ (в среднем) 0,034 0,0466

Водяной пар:

в полярных широтах 0,2 -

у экватора 2,6 -

Озон:

в тропосфере 0,000001 -

в стратосфере 0,001-0,0001 -

Метан 0,00016 0,00009

Оксид азота 0,000001 0,0000003

Окись углерода Тысячные доли,

в воздухе городов - до

0,000008 0,0000078

Содержание кислорода в воздухе определяет границу распространения жизни для растений и животных. По вертикали это примерно 4000 м.

Из таблицы 2 видно, что процентное содержание кислорода, как и других газов, с высотой изменяется.

Таблица 2. Состав воздуха на разной высоте от земной поверхности

Высота (км)

Кислород

Азот

Аргон

Гелий

Водород

Давление (мм рт.ст.)

0 20,94 78,09 0,93 - 0,01 760

5 20,94 77,89 0,94 - 0,01 405

10 20,99 78,02 0,94 - 0,01 168

20 18,10 81,24 0,59 - 0,04 41

100 0,11 2,97 - 0,56 96,31 0, 0067

Как известно, кислород образуется в результате фотосинтеза органических продуктов в растениях и поступает затем в атмосферу. Очень упрощенно этот процесс можно представить как химическую реакцию, протекающую за счет энергии солнечных лучей при участии хлорофилла – зеленого пигмента растений:

Таким образом, за счет двуокиси углерода и воды синтезируется органическое вещество и выделяется кислород. Прямыми продуктами фотосинтеза являются различные органические соединения. Весь процесс фотосинтеза носит довольно сложный характер.

При дыхании происходит реакция, обратная фотосинтезу. В настоящее время пока наблюдается примерное сохранение равновесия между производством кислорода и его потреблением. Однако интенсивное потребление кислорода промышленностью и транспортом в последнее время вызывает опасение нарушить баланс кислорода в окружающей среде.

Атмосфера предохраняет Землю от метеоритной бомбардировки. Большинство метеоритов никогда не достигает земной поверхности, потому что они сгорают при вхождении в атмосферу с огромной скоростью, создавая при этом иллюзию падающих звезд. Представьте себе, что бы случилось, если бы вся эта метеоритная масса достигала поверхности Земли?

Кроме того, атмосфера также способствует сохранению тепла на планете, которое в противном случае рассеивалось бы в холоде космического пространства. Сама же атмосфера благодаря силам притяжения Земли не улетучивается.

Атмосфера не только поддерживает жизнь, она служит также защитным экраном. На высоте 20-25 километров от поверхности Земли под воздействием ультрафиолетовой радиации Солнца часть молекул кислорода расщепляется на свободные атомы кислорода. Последние могут вновь вступать в союз с молекулами кислорода и образовывать трехатомную его форму:

О + О₂ → О₃

Такая трехатомная форма кислорода называется озоном. Озон играет исключительную роль в жизни нашей планеты. Если кислороду мы обязаны тем, что без него невозможно существование жизни, то озон, образуя в высших слоях атмосферы тонкий слой - так называемый озоновый экран, обеспечивает этой хрупкой земной жизни дальнейшее ее существование. Тонкий слой озона отфильтровывает вредный компонент солнечного излучения - ультрафиолетовые лучи, прямое влияние которых губительно для всего живого. Не будь этого озонового слоя, такое излучение могло бы уничтожить жизнь на Земле. К сожалению, в 80-90-е годы нашего века наблюдается негативная тенденция истоньшения и разрушения озонового экрана.