БИОЛОГИЯ Том 1 - руководство по общей биологии - 2004

10. ОРГАНИЗМЫ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА

10.8. Влияние человека на экосистемы

Еще 10 000 лет назад экосистемы эволюционировали в соответствии с изменениями абиотических факторов, независимо от деятельности человека (антропогенных влияний). По мере развития технологии люди все больше влияли на окружающую среду. Эта тенденция стала особенно явной за последние 200 лет: повсеместная индустриализация привела к потенциально опасному даже для нас самих загрязнению среды.

В широком смысле загрязнение можно определить как поступление в местообитание такого количества вещества или энергии, которое отрицательно сказывается на выживании биоты. Загрязнитель действует на организмы прямо или косвенно — путем изменения абиотических факторов и легко переносится между разными компонентами экосистемы.

10.8.1. Загрязнение воздуха

Еще сравнительно недавно загрязнение воздуха считалось локальной проблемой крупных городов и промышленных центров. Сейчас понятно, что атмосферные загрязнители распространяются на огромные расстояния, причиняя ущерб окружающей среде далеко от источника выброса. Таким образом, борьба с ними стала глобальной задачей, требующей международного сотрудничества. К важным загрязнителям воздуха относятся антропогенные газы: хлорфторуглероды (ХФУ), диоксид серы (SО₂), углеводороды (УВ) и оксиды азота (NО_х). Одной из форм загрязнения можно считать вызванное человеком повышенное содержание в атмосфере ее жизненно важного природного компонента — диоксида углерода.

Загрязнители могут серьезно влиять на другие естественные составляющие атмосферы, в частности снижать концентрацию озона (О₃) в ее верхнем слое. По иронии судьбы сам озон местами загрязняет воздух на уровне земли. Он непосредственно поражает многие сельскохозяйственные культуры, вреден для нашего здоровья, а в сочетании с УВ и NO_x образует так называемый фотохимический смог. Загрязнителями атмосферы в принципе являются также пыль, шум, лишнее тепло, радиоактивность и электромагнитные поля.

Диоксид углерода и парниковый эффект

Движение углерода в ходе его биогеохимического круговорота обобщенно представлено на рис. 10.12. Основное количество этого элемента на Земле связано в минералах типа карбонатов, ископаемом топливе, биомассе и МОВ. Однако в последнее время происходит усиленное выделение углерода в атмосферу в форме его диоксида (углекислого газа), главным образом при сжигании ископаемого топлива; при этом изъятие диоксида углерода из атмосферы замедляется в результате широкомасштабного процесса сведения лесов (разд. 10.8.3).

10.18. Почему исчезновение лесов приводит к накоплению в атмосфере диоксида углерода?

Обычно диоксид углерода присутствует в нижнем слое атмосферы (тропосфере) в низкой концентрации — примерно 0,03% по объему. Повышение его концентрации усиливает глобальныйпарниковый эффект. Дело в том, что углекислый газ (как и некоторые другие газы) прозрачен для идущего от Солнца коротковолнового излучения, но сильно поглощает отражаемые Землей лучи с большой длиной волны. Другими словами, он, подобно стеклу в парнике, удерживает тепло около поверхности планеты, нагревая ее. Разумеется, в конечном итоге эта энергия тоже рассеивается в космосе, но дальнейшее накопление в атмосфере углекислого и других «парниковых» газов теоретически способно повысить глобальную температуру на 32 °С.

Важно осознавать, что без парникового эффекта, мало менявшегося на протяжении многих миллионов лет, современные экосистемы не могли бы существовать. Однако в последнее время концентрация в атмосфере диоксида углерода и других сходных парниковых газов, прежде всего угарного, метана и ХФУ, растет беспрецедентными темпами (рис. 10.24), а это чревато глобальным усилением парникового эффекта, т. е. повсеместным потеплением. Оно в свою очередь усилит испарение воды и повысит содержание ее пара в атмосфере. А пар тоже интенсивно поглощает длинноволновые лучи, и парниковый эффект будет нарастать по механизму положительной обратной связи. Глобальное потепление приведет к серьезному изменению и пространственному перераспределению погодных систем, что чревато весьма существенными последствиями для цивилизации и живой природы.

В 1988 г. была создана Межправительственная группа по вопросам изменения климата (IPCC) для координации обмена научной информацией и исследований возможных причин и последствий повышения уровней углекислого и других парниковых газов, а также для поиска эффективных путей исправления ситуации. В 1992 г. Всемирный экологический конгресс («Саммит Земли») сделал попытку заключить международное соглашение по снижению выбросов СО₂, обязательное для всех стран. Пока убедительных доказательств антропогенного глобального потепления нет, хотя некоторые ученые и считают, что оно уже началось. В любом случае, международные усилия по борьбе с нарастанием парникового эффекта можно только приветствовать.

Рис. 10.24. А. Кривая скорости роста объемной концентрации углекислого газа с 1958 г. по данным станции в Мауна-Лоа на Гавайских островах. Плавная кривая соответствует тем же данным, усредненным по периодам в 10лет. Современная объемная концентрация углекислого газа в атмосфере близка к 0,035% (355 млн.^-1). Б. Изменения количества промышленных выбросов углерода (за счет сжигания его ископаемых запасов) и его глобальных резервуаров с середины XIX в. Расчеты показывают, что наземная часть биосферы была чистым источником углерода до 1940 г. (отрицательные значения на графике), но примерно с 1960 г. начала его накапливать. (Из Climate Change (1994) IPCC Scientific Assessment, WMO/UNEP, CUP.)

Разрушение озонового слоя

Атмосфера служит для Земли теплоизоляционным одеялом и радиационным экраном. В верхнем ее слое — стратосфере (на высоте 15—50 км) — кислород и озон поглощают основную часть идущего от Солнца ультрафиолетового излучения, губительного в высоких дозах для всего живого — оно повреждает генетический материал. Ультрафиолет определенного волнового диапазона полезен для человека, поскольку ведет к образованию витамина D (разд. 8.7.9), однако известно, что чрезмерное пребывание на солнечном свете повышает риск рака кожи. Кроме того, поглощая солнечное излучение, озон в стратосфере нагревает ее, приводя к образованию глубокого слоя температурной инверсии, в котором температура воздуха повышается с высотой. Этот слой ограничивает распространение конвекционных токов, и любое его изменение серьезно отразится на глобальных погодных системах, т. е. на сложившемся климате.

Озон образуется в стратосфере при действии солнечного излучения на кислород. ХФУ и некоторые другие летучие вещества, например четыреххлористый углерод и хлороформ, часто применяемые как растворители, газы-вытеснители в аэрозольных баллончиках и хладагенты в холодильниках, довольно устойчивы химически и накапливаются в атмосфере, усиливая парниковый эффект. Главная проблема, однако, в том, что, диффундируя в верхние слои атмосферы, они расщепляются солнечным излучением, выделяя хлор и фтор, которые реагируют с озоном, превращая его в кислород быстрее, чем происходит обратный процесс; иными словами, эти газы разрушают озоновый экран.

В 1987 г. впервые зафиксировано его сезонное, но полное исчезновение над Антарктидой, а в девяностых годах регулярно наблюдалось истончение озонового слоя над Арктикой. Причины этого не вполне понятны. Возможно, произошло переохлаждение верхнего слоя атмосферы из-за усиления парникового эффекта, удерживающего тепло у поверхности Земли. Это способствует формированию стратосферных ледяных облаков над полюсами. А в таких условиях концентрация озона быстро падает. Следовательно, как ни печально, происходящее сейчас повсеместное снижение выбросов ХФУ не обязательно приведет в ближайшем будущем к восстановлению озонового экрана, на что надеялись ученые. Возможно, потребуется более радикальная борьба с усилением парникового эффекта.

Кислотные дожди

Кислотные дожди не простое и не единое по своей природе явление. Кислотообразующие газы, а именно диоксид серы (SО₂) и оксиды азота (NO_х) выделяются при сжигании ископаемого топлива. Неполное сгорание последнего приводит к выбрасыванию в атмосферу также углеводородов. Газы могут действовать сами по себе или вымываться из атмосферы водой, подкисляя снег и дождь (рис. 10.25). В наиболее промышленно развитых регионах планеты, например на востоке США, в Западной Европе, на северо-востоке Китая и в Японии, регулярно выпадают осадки с pH заметно ниже 4,0.

Рис. 10.25. Сложная природа кислотных дождей. Схема взаимодействия загрязнителей воздуха, приводящего к разным эффектам в зависимости от характера местности. (Из С. Rose (1985) Acad rain falls on British woodland, New Scientist, 108,1482, 52—57)

Кислотные дожди (рН<5) часто приводят к серьезным изменениям экосистем и наносят ущерб постройкам. Нередко это происходит в странах, соседних с теми, где находятся основные источники газов-загрязнителей. Например, в Норвегии и Швеции кислотные дожди обусловлены промышленными выбросами в Великобритании и индустриальных центрах Европы, сносимыми господствующими ветрами в сторону Скандинавии. В центральной части Швеции и на юге Норвегии эти осадки снижают уловы семги и форели (рис. 10.26), а также поражают леса. Отмирание деревьев из-за кислотного загрязнения сейчас широко распространено по всей Европе (рис. 10.27), а в Британии от него страдают бук и тисс.

Puc. 10.26. Колебания уловов семги в норвежских реках: А— на юге страны в области, наиболее страдающей от кислотных дождей; Б — в других 68реках Норвегии. (Из F. Pearce (1986) Unravelling a century of acid pollution, New Scientist 11, 1527, p. 33.)

Рис. 10.27. Вызванная кислотными дождями гибель леса в Германии.

Кислотные дожди вымывают магний и кальций из почвы и поврежденных листьев. В конечном итоге с понижением pH в почвенный раствор переходят алюминий, марганец и такие тяжелые металлы, как железо и кадмий, концентрации которых могут достигать токсичных значений, приводя к поражению корней и уничтожению микоризы. Это снижает способность деревьев поглощать из почвы воду и питательные вещества. Распространяются вызванные дефицитом минеральных веществ болезни, обостряющиеся в засушливых условиях.

Такие «раскисляющие» меры, как, например, известкование озер (Швеция) и лесных почв (Западная Германия), можно считать лишь временными мерами. Коренным образом исправить ситуацию поможет только снижение выбросов загрязнителей в атмосферу. Сейчас основное внимание уделяется борьбе с диоксидом серы, поскольку нетрудно выявить его промышленные источники, среди которых основными являются работающие на каменном угле электростанции. Кроме того, существуют эффективные, хотя и дорогостоящие технологии очистки от серы газовых выбросов. Однако в долгосрочной перспективе не менее важно сократить поступление в атмосферу углеводородов и оксидов азота.