4. Экология

Наука о жизни (биология). Пособие для учителей. Роберт Дэй Аллен

• 24. Планета Земля (см. ниже)
• 25. Поток энергии и круговорот веществ
• 26. Время и изменения экосистем
• 27. Влияние человека на биосферу

Предыдущие разделы книги дали представление о разнообразии организмов и о взаимосвязи структуры, функций и поведения некоторых из них. Характер структуры, функций и поведения каждого вида либо позволял ему приспособиться к окружающей среде, либо он вымирал. Ископаемые остатки показывают, что вымерло огромное количество процветавших ранее видов. Ко многим из нас, следящим за газетными сообщениями о гонке вооружения, о загрязнении окружающей среды промышленными отходами и о демографическом взрыве, приходит иногда мысль, что сам человек когда-нибудь может испытать судьбу динозавров.

Экология изучает взаимоотношения организмов друг с другом и с изменяющимися условиями окружающей среды. Земля сама постепенно изменяется в результате астрономических и физических событий, а также в результате биологической деятельности населяющих ее организмов. Экологу необходимо знать, какие изменения происходят в естественной среде. Экология также изучает потоки энергии и круговорот некоторых основных элементов и соединений, важных для жизни.

Экология — это область, где пересекаются биологическая наука и социальная и политическая деятельность людей. В данный период истории человечества народонаселение растет с такой скоростью, что со временем это может привести к массовому голоданию, когда производство продуктов питания нельзя будет увеличивать в связи с нехваткой нефти и других источников энергии.

Сейчас очень вовремя экологическая наука начинает разрабатывать количественные методы для прогнозирования последствий различных форм человеческой деятельности.

Последняя глава этой истории еще не написана, а именно она ответит на вопрос: научился ли человек использовать приобретенные им знания экологии?

24. Планета Земля

Ключевые вопросы

• Каков научный смысл термина «экология» и почему в последнее время эта наука приобрела социальное значение?
• Почему экологам нужны знания астрономии, геологии и метеорологии?
• Каким образом горы влияют на климат близлежащих районов?
• Являются ли дельты рек (эстуарии) экологически важными или это просто пустующие зоны, как полагают многие?

Экология — древнее слово, происшедшее от греческого слова oikos, что означает «семья, домашнее хозяйство». В настоящее время слово «экология» используется применительно к изучению «хозяйства» природы, т. е. природной среды и особенно взаимоотношений между земными организмами, а также между ними и неживой окружающей средой. В прошлом основное внимание в экологии уделялось вопросам: каковы же эти сложные взаимоотношения? Каким образом, например, азот переходит от растения к животному, от животного в почву и затем опять к растению? Или каким образом песчаные дюны стабилизируются сначала под действием роста трав, затем кустарников и потом деревьев?

Сегодня уже недостаточно только документировать эти процессы. Экологи должны применить свои знания, чтобы предсказать, что произойдет с такими хрупкими системами, если люди будут грубо вмешиваться в эти процессы. Остается надеяться, что прогноз экологов будет сделан вовремя и их советы будут учтены.

Поскольку, вероятно, эту книгу будут читать только люди, не испытывающие недостатка в продуктах питания, то, по-видимому, им трудно будет осознать в полной мере всю остроту этих проблем. Но на каждого такого человека приходится другой, которому едва удается себя прокормить, и третий, который голодает и недоедает изо дня в день (рис. 24-1). И каждый час днем и ночью население увеличивается более чем на 7500 человек. За год чистый прирост населения достигает 70 млн. человек. При такой скорости примерно за 30 лет население в мире увеличится вдвое (рис. 24-2). А наши пищевые ресурсы останутся такими же. А что же произойдет через следующие 30 лет? И еще через 30 лет? Очевидно, что запросы человека не ограничиваются только потребностями в продовольствии. Его влечет голубое небо, леса, полные жизни, где бы он мог иногда оставаться наедине с природой. Мы хотим жить, не страдая от несчастных случаев и болезней. Нам нравятся прогулки пешком и на велосипедах, нам нравится звездное небо. Но если с ростом населения не будет решена проблема увеличения пищевых продуктов, если развитие промышленности повлечет за собой больше вредных последствий, связанных с загрязнением среды, нежели пользы для человечества, и если преступность и другие антиобщественные проявления возрастут вместе с увеличением населения, как предполагают некоторые специалисты, — может ли тогда быть счастливым человек?

Рис. 24-1. Распределение продуктов питания в мире по содержанию в них белка и калорий

Надеемся, что эта и последующие главы помогут найти сколько-нибудь действенный ответ на эти вопросы.

Рис. 24-2. Рост человеческой популяции. Резкое увеличение популяции (справа) объясняется технической революцией и достижениями медицины

24.1. Экология изучает взаимоотношения между живыми организмами, а также взаимоотношения между ними и неживой окружающей средой

Тонкий слой земной поверхности и атмосферы, где: существует жизнь, называют биосферой. При изучении любого сообщества живых организмов становится ясным, что существуют две группы компонентов окружающей среды. Живые, или биотические, компоненты среды включают растения, животных и микроорганизмы; неживые, или абиотические, компоненты включают горные породы, воду, воздух, углерод и азот, а также такие физические факторы, как температура, солнечный свет, ветер и водные течения. Живые и неживые формы в разных сочетаниях образуют экосистемы, которые являются функциональной экологической единицей. Тундра, пустыня и болото — все это различные экосистемы, и в каждой из них растения и животные взаимодействуют между собой и с физической средой. Для всех экосистем характерен ряд основных процессов. Например, во всех экосистемах существует поток энергии, заключающийся в том, что солнечная энергия сначала поглощается растениями, затем переходит от растений к травоядным, от травоядных к плотоядным животным и т. д. Все экосистемы имеют особый комплекс путей, по которым осуществляются поток и распределение веществ, например азота и углерода и других важных элементов.

Третьим основным компонентом экосистемы является изменяющаяся совокупность генотипов, которые организуют или информируют материю, используя имеющуюся энергию. Распространение этих генотипов, а иначе говоря, видов растений и животных, и вместе с ними перемещение различных веществ в пространстве и во времени обычно происходит в определенном порядке. Кроме того, все системы определенным образом изменяются до тех пор, пока не достигнут состояния динамического равновесия под влиянием существующих условий среды. Эти условия могут вызывать экологическую регрессию или экологический прогресс.

Данная глава рассматривает окружение, абиотическую среду земных экосистем. В последующих главах будут рассмотрены процессы, происходящие внутри самих систем.

24.2. На абиотическую среду оказывает влияние положение Земли в солнечной системе

Мы живем на обитаемой планете, вращающейся вокруг звезды, называемой Солнцем. Земля также вращается вокруг своей оси, которая наклонена относительно плоскости этой эксцентрической траектории под углом 23,5°. Этот наклон (а не эксцентрическая траектория движения Земли относительно Солнца) обусловливает существование на Земле времен года. Лето наступает поочередно в северном и южном полушарии, когда то или другое из них обращено в сторону Солнца. Смена дня и ночи происходит в соответствии с вращением Земли вокруг своей оси.

Земная среда частично обусловлена сферической формой нашей планеты. Поэтому находящаяся наиболее близко к Солнцу поверхность получает прямые солнечные лучи и обогревается сильнее, чем области, расположенные ближе к полюсу, куда лучи Солнца падают под острым углом. Различия в температуре, возникающие в результате, превращают планету в гигантский тепловой двигатель, передающий тепло с тропиков по направлению к полюсу. Энергетический градиент приводит в движение атмосферные и океанические течения, которые, в свою очередь, участвуют в формировании массивов суши и океанических впадин и определяют их специфические климатические условия.

Движение воздушных масс, показанное на рисунке 24-3 в обобщенном виде,, может быть описано следующим образом. Теплый воздух на поверхности экваториальной зоны расширяется и становится менее плотным; он поднимается вверх под действием потоков более холодного и плотного воздуха, которые двигаются по направлению к экватору, располагаясь близко к земной поверхности. Находящийся выше более теплый воздух остывает при выпадении осадков, а также в результате теплового излучения в более высокие слои атмосферы, и затем оседает под углом 30° по обеим сторонам экватора в виде двух поясов, называемых «конскими широтами».

Рис. 24-3. Движение воздушных масс в земной атмосфере

Эти опускающиеся воздушные массы нагреваются в результате сжатия, что увеличивает их способность поглощать и уносить влагу в зонах этих двух поясов расположены крупные пустыни. Часть воздуха возвращается к поверхности экваториальной зоны, часть продвигается по направлению к полюсам, но оба течения двигаются под углом к широтным меридианам. В северном полушарии, в северной части конских широт, где находятся огромные пустыни, ветры отклоняются к востоку и при наблюдении с Земли кажется, что они приходят с юго-запада. Это западные ветры. В южной части конских широт ветры отклоняются к западу, и их называют восточными. (К югу от экватора все наоборот.) Эти ветры играют важную роль в формировании климата на суше и обусловливают температуру моря.

24.3. Расположение материков и океанических бассейнов, по-видимому, сильно зависит от конвективных течений в недрах Земли

Другим важным источником тепла, кроме Солнца, являются глубинные слои Земли. По различным причинам, включая образование тепла в результате радиоактивного распада, ядро Земли сильно нагрето и расплавлено. Конвективные течения в этой расплавленной массе несут тепло вверх в земную мантию. Мантия излучает это тепло в атмосферу. Некоторые особенности земной поверхности, вероятно, обусловлены такими конвективными системами (рис. 24-4).

Рис. 24-4. Полагают, что дно океана формируется в результате действия конвективных течений в земной мантии. Эти течения частично обусловливают такие особенности подводного грунта, как образование горных хребтов в океане

Разработанная недавно теория расширения площади морского дна предполагает, что направленные вверх расходящиеся (дивергентные) течения могут приводить к растяжению и утончению земной коры и к образованию океанических бассейнов. Сходящиеся (конвергентные) течения могут приводить к образованию глубоких морских впадин. Поверх этих огромных конвективных течений, которые образуются и угасают в недрах Земли с медленной и неизвестной нам периодичностью, движется, словно по конвейерной ленте, земная поверхность. Эта теория хорошо согласуется с концепцией континентального дрейфа, которая была подсказана явной соразмерностью конфигураций Африки и Южной Америки. Согласно этой концепции, континенты постоянно передвигаются.

24.4. Горы оказывают большое влияние на природу Земли

Конвективные течения внутри планеты могут играть важную роль в образовании гор. Силы сжатия, вызванные встречным движением (надвигами) огромных частей земной коры, приводят к ее поднятию, в результате чего образуются горные цепи. Через многочисленные трещины и разломы, которые образуются при этом, расплавленная масса выбрасывается из недр Земли в виде потоков лавы. Из некоторых таких потоков формируются большие вулканы. Другие потоки лавы образуют слои, покрывающие Землю на тысячу квадратных километров.

Когда возникает горная цепь, она становится преградой для воздушных течений, что влечет за собой определенные последствия. Ветры изменяют направление, и часть воздуха вынуждена подниматься вверх, в результате чего он охлаждается. По мере охлаждения воздуха его способность нести водяной пар уменьшается. В результате выпадают осадки, особенно с наветренной стороны гор. Тот же воздух, уже лишенный влаги, спускается вниз с подветренной стороны гор и нагревается по мере снижения. Нагреваясь, он поглощает из почвы влагу, что приводит к образованию сухой зоны, которую называют дождевой тенью. Поэтому большинство горных систем имеют влажные и сухие склоны, возникшие таким образом.

Кроме того, температура поверхности горы уменьшается в направлении от подножия к вершине. Температура воздуха понижается на 0,7° С через каждые 100 м подъема на высоту 10 км.

Для гор, расположенных на широтах 30° или выше, важен еще один фактор. В результате вращения Земли вокруг Солнца и наклона земной оси создается впечатление, что Солнце как бы поднимается и опускается в небе. Обычно оно опускается довольно низко и вызывает широкое затенение на северных склонах гор в северном полушарии и на южных склонах гор в южном полушарии. Таким образом, одна четвертая часть поверхности горы может быть солнечной и влажной, другая часть — солнечной и сухой, третья — затененной и влажной и четвертая — затененной и сухой (рис. 24-5). Разные виды организмов заселяют те участки, которые соответствуют их потребностям.

Рис. 24-5. Влияние гор на климат близлежащих районов

Горы — не статические образования. Они появляются и разрушаются. Подвергшиеся эрозии частицы горных пород и почвы уносятся потоками воды и осаждаются в ближайших водных бассейнах слой за слоем. Образовавшиеся отложения иногда достигают толщины в несколько тысяч метров. И при определенных условиях эти осадочные отложения могут подвергнуться сжатию, в результате чего начинается новый цикл горообразования.

24.5. На окружающую среду влияют другие геологические факторы, например виды горных пород

Состав горных пород в сочетании с эрозией, разрушающей их, играют большую роль в формировании условий окружающей среды. Осадочные породы (песчаник, известняк и сланец) можно обычно определить по их структуре, напоминающей слоеный торт. На обнаженной поверхности скал, например, Большого каньона прекрасно видны слои различных видов осадочных пород. Отлагаясь первоначально горизонтальными слоями, напластования могут принять наклонное положение почти под любым градусом в результате движений земной коры. Таким образом, можно увидеть слои различных видов почвы, образовавшиеся в результате эрозии осадочных пород. Эти песчаные (частицы диаметром от 2 до 0,02 мм), илистые (от 0,02 до 0,002 мм) или глинистые (менее 0,002 мм) почвы благодаря своим химическим свойствам обеспечивают обитание на них определенных сообществ растений и животных.

Когда русла рек образуются на отлого наклонных подстилающих осадочных породах, один из откосов может быть более крутым, чем другой (рис. 24-6), потому что участки восходящих напластований или слоев разрушаются и соскальзывают в реку, в то время как на другой, покатой стороне реки они остаются без движения. На более высоких широтах особо важную роль в эрозии склонов могут играть замерзание и оттаивание. На крутых склонах пышно разрастаются растения, способные закрепляться на подпочвенном слое и даже, возможно, жить на обнаженных породах, в то время как на более пологих склонах обитают растения, которым нужна более глубокая почва. Следовательно, геологическая ориентация осадочных слоев может играть важную роль в определении состава растительных и животных форм, населяющих данную местность.

Рис. 24-6. Наклон русла реки может привести к резкому контрасту условий естественной среды на ее берегах

Наклон слоев горных пород также играет важную роль в движении подземных вод. Дождевые осадки легко просачиваются через пористые слои и даже могут перемещаться под землей, появляясь в виде источника на противоположной стороне горы, как показано на рисунке 24-5.

24.6. На биосферу влияет характер земной атмосферы

Тропосфера, та часть атмосферы, в которой мы живем и в которой возникают мощные потоки воздушных масс, представляет собой газовую оболочку Земли толщиной 10-14 км. Она состоит из 79% азота, примерно 21% кислорода, 0,03% углекислого газа и незначительного количества других газов. Давление, оказываемое этими газами на земных обитателей, составляет 10 332 кг/м² на уровне моря и только 30% этой величины на вершине Гималаев. В такой разреженной атмосфере животные и растения должны приспосабливаться к среде с меньшим количеством кислорода и углекислого газа на единицу объема воздуха.

Наша атмосфера характеризуется умеренной прозрачностью для световых волн длиной от 400 до 700 нм. Это та часть энергетического спектра, которую мы воспринимаем как видимый свет, и он составляет около 50% солнечной энергии. Когда свет достигает поверхности Земли и начинает вновь рассеиваться в виде длинноволнового инфракрасного (теплового) излучения, атмосферные облака и углекислый газ становятся препятствием для его обратного прохождения в космическое пространство (рис. 24-7). Отсутствие облаков позволяет теплу легко рассеиваться в космическое пространство, и Земля резко остывает. По этой причине ясная звездная ночь часто сменяется холодным утром. В пустынях, где небо безоблачное, ночью становится намного холоднее.

Рис. 24-7. Чистый воздух в сельской местности хорошо пропускает видимые и инфракрасные лучи, а углекислый газ и некоторые другие загрязняющие вещества, производимые в городе, задерживают инфракрасное излучение, так же как стекло оранжерей и теплиц задерживает энергию солнечного света, не допуская вторичного инфракрасного излучения

Сжигание ископаемого топлива, например нефти и угля, а также изменения почвы, растительности и лесов, которые ускоряют окисление, способствуют увеличению содержания в окружающей среде углекислого газа, непроницаемого для инфракрасного или теплового излучения. Это, в свою очередь, приводит к повышению температуры вблизи земной поверхности, подобно тому как это происходит в теплице, стекла в которой также непроницаемы для излучаемого тепла. Однако общее влияние загрязнения атмосферы пылевыми и макрочастицами, а также газовыми, жидкими и твердыми взвесями, известными как аэрозоли, по-видимому, приводит скорее к охлаждению, нежели к нагреванию. Это объясняется тем, что частицы прежде всего мешают солнечной радиации достигнуть земной поверхности.

24.7. В атмосфере вода перемещается в виде дождя, снега и тумана

Ежегодное количество атмосферных осадков колеблется от нуля в самых сухих пустынях до 7 м и более в самых влажных дождевых лесах. Такое количество осадков может выпасть в течение одного сезона, как это происходит в зимние месяцы в Средиземноморье или на юге Калифорнии, или же оно равномерно распределяется в течение всего года, как, например, в штате Нью-Йорк в США. Растениям и животным приходится адаптироваться к таким условиям.

Грызуны и жабы, живущие в пустынях, могут впадать в летнюю спячку во время сухих периодов, а растения в таких случаях могут накапливать воду, или сбрасывать листья, или отмирать до уровня корневых структур. Растения также выживают в виде семян и затем быстро прорастают и распускаются после выпадения обильных дождей. Это значит, что жизненный цикл организмов приспособлен таким образом, что они могут использовать все преимущества благоприятных сезонов и избежать воздействий неблагоприятных периодов, когда вода отсутствует или, наоборот, имеется в избытке.

Воздух и моря содержат твердые частицы веществ, играющие важную роль в формировании погоды и климата. Возьмем, например, пенистые буруны морского прибоя. Они имеют белый цвет благодаря наличию крохотных пузырьков воздуха в воде. После того как волны разбиваются о берег, пузырьки поднимаются на поверхность, лопаются с небольшим, но сильным взрывом и выбрасывают маленькую каплю воды в воздух. Эта капля движется так быстро, что вскоре испаряется, и все частицы, которые она несла, уносятся с воздухом. Потом эти частицы начинают действовать как конденсационные центры, вокруг которых конденсируется воздушный водяной пар. В результате образуется туман или, если воздух загрязнен дымом, — смог.

Если водяные капли становятся достаточно крупными, они могут выпасть в виде дождя. В отсутствие центров конденсации дождя может не быть. Если центров конденсации очень много, так что капли остаются мелкими, атмосферные осадки тоже могут не выпасть. Одна из опасностей загрязнения воздуха заключается в том, что избыток центров конденсации может привести к длительным туманам вместо ожидаемых осадков.

24.8. Около 70% земной поверхности покрыто водой, что влияет на состояние всей биосферы

В биосфере постоянно происходит циркуляция воды. Вода и тепло с различных источников (живых и неживых) не достигает атмосферы в результате испарения. Когда водяной пар движется вместе с ветром, теряя тепло и конденсируясь, образуются аэрозоли или другие конденсационные центры. Позднее он выпадает в виде дождя, снега и града или вновь конденсируется на более холодной поверхности в виде росы или инея.

Вода, проникшая в почву, может сразу попасть в живые ткани, в которых она накапливается или из которых вновь испаряется. Некоторая часть воды проходит через почву и собирается поверх непропускающего влагу сланцевого или глинистого слоя, но в обоих случаях вся она в конечном итоге возвращается в постоянные водные массивы. Без учета подземных вод озера и океаны занимают более 70% поверхности земного шара.

В результате специфических физических свойств воды, обусловленных ее молекулярной структурой и наличием водородных связей, которые образуются между молекулами воды, водные массы оказывают большое влияние на температуру близлежащих районов. Вода нагревается и охлаждается медленнее, чем земля, и поэтому она оказывает смягчающее действие на климат. Если осенью понаблюдать за листьями деревьев вокруг крупных озер, можно заметить, что деревья возле берега изменяют цвет «позднее, чем деревья, более удаленные от берега. Но и весна на берегу начинается «позднее, так как для нагрева воды в озере требуется больше энергии, чем для нагрева окружающей ее земли.

Влияние океанов еще более значительно, и сообщества, живущие на прибрежных территориях, обычно испытывают более холодное лето и более теплую зиму, чем те, которые обитают в удаленных районах. Такие водные массивы представляют собой тепловые буферы.

24.9. В водной среде обычно хорошо выражены температурные слои

Озеро может быть разделено на три основные части: верхний слой, где температура воды постоянна,средний слой, где температура изменяется быстро, и более глубокий слой, в котором температура тоже постоянная, но более низкая. В мелких озерах в результате действия ветра, которое приводит к смешению слоев, такое расслоение возникает редко, однако в более глубоких водных массивах оно

существует (в зависимости от климата) в течение всего года, за исключением зимнего периода (рис. 24-8). Такие озера имеют определенный годовой цикл. Весной поверхностные воды начинают нагреваться. Ветры и течения могут распространить это тепло на глубину в несколько метров, но не в более глубокие слои, которые имеют сравнительно постоянную температуру. Когда наступает лето, образуется слой теплой воды — эпилимнион, а под ним слой температурного скачка — термоклин. Меньше всего в летний период изменяется температура нижнего слоя — гиполимниона. При таком расслоении глубокие и поверхностные воды почти не смешиваются в теплое время года. Осенью поверхностные воды начинают охлаждаться, ветры приводят их в движение и постепенно температура в верхнем слое падает. Поздней осенью или ранней зимой температура верхнего и среднего слоев становится равной температуре воды на дне и водные слои озера начинают смешиваться. Благодаря этому на поверхность со дна озера выносятся питательные и другие вещества, а аэрированные воды перемещаются из верхних слоев в более глубокие. Этот период смешения называют осенним круговоротом.

Рис. 24-8 Температурный профиль озера можно определить, опустив в воду несколько бутылок с термометрами. Температура в бутылке долгое время остается постоянной после поднятия на поверхность

С наступлением зимы озеро охлаждается еще сильней; холодная вода опускается ко дну, поскольку она более плотная, чем теплая. Однако, когда достигается постоянная температура 4°С, дальнейшее понижение температуры влечет за собой поднятие более холодной воды на поверхность, так как пресная вода достигает максимальной плотности при температуре 4° С, а при более низкой температуре она становится легче и превращается в лед. При образовании льда возникает расслоение воды.

Весной лед тает. Вода равномерно нагревается, начиная с верхних слоев, пока на глубине не будет достигнута постоянная температура 4°С. После этого происходит еще одно смешение — весенний круговорот. Он сопровождается наиболее значительным перемещением питательных веществ и кислорода. Когда весна сменяется летом, опять образуется расслоение воды на верхний, средний и нижний слои, и цикл таким образом повторяется.

В некоторых озерах круговорот происходит раз в год или его вообще не бывает. Если в верхние слои воды плохо проникают растворенные питательные вещества со дна озера, то в конечном итоге это может ограничить рост планктона. Круговорот может сопровождаться бурным взрывом роста (или «цветением») водорослей и других организмов. Если нижний слой богат органическими веществами, при респирации (включая разложение) расходуется кислород и в экстремальных случаях возникают анаэробные условия. Многие организмы не могут жить в нижнем слое воды при таких условиях. Более того, при этом может образовываться и накапливаться сероводород. Если при осеннем круговороте сероводород попадает в верхние слои, рыба и другие организмы в озере погибают. Такие же условия существуют и в океане, охватывая довольно большие участки.

24.10. Давление воды гораздо выше атмосферного давления и поэтому оказывает большое влияние на организмы

Организмы, живущие в воде, должны приспосабливаться не только к изменениям температуры, но и к давлению воды, или к гидростатическому давлению. Через каждые 10 м давление увеличивается на 1 атм (101,325 кПа). Когда рыба опускается в глубину, то с увеличением давления происходит также сжатие газов в ее плавательном пузыре, и она может погибнуть. Обычно это увеличение давления не оказывает серьезного влияния на мягкие части организма, потому что благодаря наличию жидкостей в теле давление распределяется равномерно. Больше всего испытывают давление полости, заполненные воздухом, как вы, возможно, наблюдали при нырянии. Даже при нырянии на метровую глубину чувствуется боль в барабанных перепонках. Водолазы учатся приспосабливаться к давлению, пропуская воздух через евстахиевы трубы, которые идут от гортани к внутреннему уху. Помимо влияния на полости, заполненные воздухом, повышение давления увеличивает количество газов (азота, кислорода, углекислого газа), растворенных в жидкостях организма.

Когда давление сбрасывается, эти газы высвобождаются из раствора. Если спуститься на глубину 25 м и пробыть там в течение получаса или более, при возвращении на поверхность в крови могут образоваться пузырьки газа. Они могут вызвать сильную боль, кровотечение и даже более серьезные последствия. Эти симптомы были впервые обнаружены у людей, строящих подводные сооружения (caissons), и были названы кессонной болезнью или воздушной эмболией. Ныряющие млекопитающие избегают этого в основном за счет того, что ныряют с пустыми легкими и перестают дышать под водой. Их ткани, таким образом, перестают накапливать газы, пока они погружены в воду.

24.11. Приливы и отливы, течения и другие передвижения водных масс приводят к их смешению, тем самым перераспределяя организмы, питательные вещества и влияя на жизнь морских обитателей

В течение всего своего существования человек сталкивался с действием приливов и отливов, т.е. ритмичных повышений и понижений уровня моря, происходящих раз или два раза в сутки. Давно было замечено, что приливы и отливы каким-то образом связаны с влиянием Луны.

Приливы и отливы вызываются взаимным действием гравитационного притяжения, которое оказывают Солнце и Луна на все части Земли (сушу, воду, атмосферу), и центробежных сил, заставляющих массу вращающегося объекта удаляться от оси вращения. Эти силы приводят к «вздутию» воды как на стороне земного шара, обращенной к Луне, так и на противоположной стороне. Поскольку эти поднятия воды находятся в одной плоскости с Луной и связаны с вращением вокруг Земли, в определенной точке моря происходят два высоких прилива (поднятия) и два отлива каждые 24 ч 50 м (период вращения Земли относительно Луны).

Приливы оказывают огромное экологическое влияние на организмы. Вся жизнь животных и растений, обитающих в приливо-отливной зоне (литоральной зоне), зависит от этого массивного, изменчивого и беспрерывного повышения и понижения моря, которое происходит независимо от температуры или относительной влажности воздуха. Таким образом, дважды в день животные и растения могут испытывать жару и недостаток влаги, избыток влаги и холод. Их питание и рост, их размножение и распространение, их безопасность и защита от потенциальных хищников — все это регулируется непреодолимыми силами, существующими за пределами их водной среды обитания.

Хотя озера слишком малы и видимых приливов в них не наблюдается, уровень воды в них тоже колеблется и такие колебания называются сейшами. Подобно воде, перекатывающейся взад и вперед из одного конца ванны в другой, вода в озере ведет себя, как маятник, двигающийся с постоянной частотой. Амплитуда тем не менее может изменяться в зависимости от климатических условий: ветра, давления воздуха и т. д. Например, на восточном и западном берегах озера Эри в США можно наблюдать сейш высотой 25-30см. Экологические последствия этого очевидны: животные и растения, живущие в таких зонах, периодически обнажаются и покрываются водой и поэтому должны приспосабливаться к таким условиям.

Вода на земном шape также непрерывно перемещается мощными течениями. Управляемые ветрами, под влиянием различий в температуре и солености эти течения несут с собой огромное количество воды. Помимо влияния на распространение организмов, перенос питательных веществ и т. д., они оказывают значительное воздействие на климат всего земного шара.

24.12. Особые условия существуют на границе суши и воды, как, например, в дельтах рек (эстуариях)

Обычно береговая линия определяется как граница суши и воды. Это может быть песчаный пляж, скалистый берег, болото, лагуна, эстуарий или их вариации. Каждый представляет собой разную экосистему. Эстуарий — полузамкнутое пространство прибрежной морской воды, имеющее доступ пресной воды и выход к морю, — является одной из самых необычных форм экосистем (рис. 24-9).

Рис. 24-9. Эстуарии получают пресную воду, смываемую с суши. Клин соленой воды (поскольку она тяжелее) находится под слоем пресной воды. Стрелки указывают направление движения течений, которые организмы могут использовать для своего передвижения в эстуарии

Жидкости, имеющие различную температуру (и, следовательно, разную плотность), различное количество растворенных солей, не способны к свободному смешиванию. Там, где встречаются воды с разной соленостью, как, например, в эстуарии, могут существовать две совершенно разные формы жизни, и это может привести к удивительному разнообразию организмов. Пресная речная вода, несмотря на осадки и растворенные вещества, которые она несет, легче, чем соленая морская, и поэтому она распространяется над слоем морской воды. Этот нижележащий слой образует клин соленой воды под речным стоком. Между двумя слоями происходит некоторое смешивание (рис. 24-9), и часть соленой воды возвращается в море, уносимая потоками , пресной речной воды, а часть пресной воды движется назад к реке под действием втекающей в нее морской воды. Используя это движение, некоторые организмы не попадают в неблагоприятную для них зону. Для других поверхность водораздела является смертельной ловушкой, поскольку лишь очень немногие организмы способны адаптироваться к резким изменениям в составе воды.

При смешивании вод в эстуариях и других мелководных зонах, таких, как болота, мелкие взвешенные набухшие частицы (чаще всего частицы глины) собираются в комки или хлопья и осаждаются на дне. В связи с этим значительная часть питательных веществ, которые несет река, не смывается в море, а задерживается в осадках на дне болота или эстуария. В результате образования отложений питательных веществ эстуарий становится прекрасным питомником для многих мелких животных. Если мы допускаем, что в эстуариях накапливаются устойчивые пестициды и другие токсины, они превращаются в губительные ловушки.

Воды эстуариев относятся к наиболее продуктивным. На их поверхности собираются стаи гусей, лебедей и других водоплавающих птиц. Здесь же выводятся в большом количестве кефаль, камбала, красный окунь и другая рыба, а также креветки. Здесь же проходит путь к нерестилищу лососей и угрей. Постоянными обитателями эстуариев являются устрицы, моллюски, крабы и бугристые черепахи.

В эстуариях производится в 6 раз больше органического вещества на единицу площади, чем на среднем пшеничном поле, и, возможно, две трети нашего огромного улова морских рыб и панцирных животных обеспечивается за счет видов, которые питаются и иногда находят безопасное место в эстуариях. Тем не менее мы постоянно ищем новые способы заполнения или осушения прибрежных болот, загрязняем их отходами, сточными водами и отстоями. Потенциально опасным следствием нашей деятельности являются накопление и концентрирование ДДТ и сходных с ним пестицидов в эстуариях. Даже неядовитые отложения вызывают в этих зонах не пропускающее свет помутнение, когда же эти вещества оседают, они погребают под собой яйца всех видов животных.

24.13. Выпадая на землю в виде атмосферных осадков, вода в конце * концов достигает уровня грунтовых вод

Влага, скапливающаяся в почве, поступает из атмосферы в виде дождя, тумана, снега и т. д. Если она не сразу испаряется или используется растениями и животными, то проникает сквозь почву и собирается в насыщенной зоне поверх водонепроницаемого сланцевого или глинистого слоя. Расположение этой воды называется уровнем грунтовых вод. Подземный слой воды (которая часто просачивается через крупнозернистый песок или гравий) является водоносным собой пластом почвы. В конце концов вся вода возвращается в водоносные пласты и постоянные водоемы, такие, как озера или моря.

Некоторые из этих подземных вод, например «ископаемая» вода Сахары, находится под землей десятки тысяч лет, однако большинство вод медленно двигается по водоносным пластам и вновь выходит по берегам рек или в виде ключей.

Пути, по которым движется вода в период такого гидрологического цикла, изменяются в зависимости от места. В пустынях дождевые осадки бывают редкими, но сильными, большая часть воды течет на поверхности в виде потоков к водосборной площади. Если эти водосборы не имеют выхода, они превращаются в соленые озера, как, например, Мертвое море или крупные озера Ирана, Восточной Турции и штата Юта в США, или же они могут временно высыхать, образуя прекрасные ровные соленые плато, как, например, в Долине Смерти в США.

В районах южных и средних широт с умеренным количеством дождевых осадков вода может быть полностью поглощена растительностью. Американские прерии и луга Больших равнин служат типичным примером такой ситуации. Конечно, также имеет значение водонепроницаемость субстрата, поэтому почвы с высоким содержанием глины могут способствовать стоку вод и впоследствии подвергнуться эрозии, особенно в том случае, если растительность уничтожена.

24.14. Большую роль в экосистмах играет соотношение количества атмосферных осадков и испарения влаги

В районах с избытком осадков вода проникает в землю, разделяя и унося с собой

отдельные компоненты почвы. Сохранившаяся почва содержит нерастворимые остатки, которые чаще всего представляют собой ярко окрашенные оксиды металлов. Такие почвы обычны в тропических зонах с большим количеством осадков. Если расчистить влажный лес, темноокрашенные почвы, богатые органическими веществами, отложенными растительным покровом, окисляются в течение нескольких лет. В результате образуются желтые и оранжевые окислы нерастворимого железа и алюминия.

Если уровень испарения превышает количество осадков, вода поднимается по капиллярам почвы таким же образом, как масло движется по фитилю лампы. Она испаряется на поверхности, где после этого остаются только нерастворимые вещества. Если этот процесс продолжается беспрепятственно, в почве накапливается такое количество солей, что многие растения перестают на ней расти. Излишки солевых отложений могут вызвать поднятия и трещины почвы, в результате чего образуются участки с неровной поверхностью.

Если пресная вода из прибрежных морских районов чрезмерно расходуется на жилищные, оросительные, промышленные и прочие нужды, то соленая вода иногда поднимается и замещает пресную.

Очевидно, равновесие между количеством осадков и испарением оказывает большое влияние на формирование почвенного покрова, на его использование различными организмами, в том числе человеком.

24.15. Формирование почвенного покрова зависит от составляющих его веществ, от климатических условий и организмов, живущих в почве и на поверхности

При обсуждении роли экологических факторов становится ясным, что не только абиотическая среда влияет на жизнь, но и живые организмы изменяют среду. В частности, почвенный покров образуется в результате длинной цепочки взаимодействий между коренным материалом (различного рода породы и отложения), рельефом местности, климатом (осадки, температура) и органической средой (растения и животные). Все это почвообразующие факторы (рис. 24-10), и, действуя одновременно, они формируют слои различных почв, называемые горизонтами. Горизонты составляют почвенный профиль.

Рис. 24-10. Почвы формируются в результате длительного взаимодействия горных и осадочных пород с водой и живыми организмами при различной температуре. Соотношение испарения и осадков играет важную роль в определении направления общего потока растворенных веществ и в установлении двух верхних почвенных горизонтов (А и Б)

Если взглянуть на поперечное сечение холма, то у основания почвенного профиля можно увидеть коренную породу. Поверх нее находятся другие породы и гравий, которые постепенно распадаются на более мелкие частицы, способствуя тем самым образованию минерального слоя почвы, лежащего выше.

Очевидно, почвенный профиль может быть не везде одинаков. Он может отличаться по величине и минеральному составу. Известняковые почвы могут быть тонкими из-за быстрого растворения основной породы, почвенных частиц и смещения остаточных веществ в результате поверхностной эрозии или опускания в нижележащие подземные полости и трещины. Гранитные почвы могут хорошо пропускать воду на большую глубину, потому что гранит сравнительно плохо растворяется и легко распадается на куски, что позволяет воде быстро просачиваться через него. Некоторые почвы могут пропитываться водой; другие так хорошо пропускают воду, что из них выщелачиваются все растворимые питательные вещества.

Структура почвы зависит от наличия в ней глины, ила и песка. Если количество песка (частицы диаметром 0,02-2 мм) в почве очень высокое, она не сможет удерживать воду и воздух, в результате чего будет происходить окисление основных органических веществ. Если в почве имеется высокое содержание глины (частицы диаметром менее 0,002 мм) и ила, почва будет менее проницаемой для воды и газов.

Глина вместе с частично распавшимися органическими веществами, или гумусом, также способствует задержке питательных веществ, таких, как кальций, калий, фосфор и азот. Из-за чрезвычайно малых размеров частиц глины, свойств их кристаллов, а также наличия поверхностного заряда их поверхность составляет большую площадь, способную удерживать питательные вещества в почве до использования их растениями. (Площадь поверхности 1 га обычной глины составляет около 800 м².) Обычно почвы с высоким содержанием глины накапливают и удерживают питательные вещества, необходимые для активного роста растений.

Растения и животные также влияют на характер почвы. В верхних слоях почвенного профиля откладываются растительные вещества, которые впоследствии распадаются под действием различных почвенных организмов. Корни растений проникают в почву глубже зоны распада и накопления органических веществ. Когда корни растений отмирают и разлагаются, они оставляют проходы для воздуха и воды. Роющие животные размером от сурка и гофера до муравья, земляного червя и крохотных беспозвоночных также проделывают каналы сквозь почву.

Состав почвы, в свою очередь, влияет на скорость эрозии, хот,я этот процесс сильнее изменяется под влиянием осадков, рельефа местности и величины вегетативного покрова растений. Максимальная эрозия бывает при осадках около 30 см в год, в переходной зоне — от луговой растительности к пустыне.

Человек значительно изменил скорость эрозии. Так, экологи, работающие на водоразделах в северной части реки Миссисипи, обнаружили, что эрозия в культивируемых районах происходит в сотни раз быстрее, чем в районах, стабилизируемых лесным покровом.