69. Экология и космос

Околоземное космическое пространство (ОКП) представляет собой внешнюю газовую оболочку, которая окружает планету. Оно играет роль в сложнейших солнечно-земных взаимосвязях, определяющих условия жизни на Земле. Антропогенные воздействия на ОКП, связанные с началом космической эры, весьма опасны. Они оказались значительнее уровня более продолжительного влияния человека на любую другую природную среду, например приземную атмосферу. Ближний космос, или ОКП, уязвимее, нежели другие среды, поскольку количество вещества в нем неизмеримо меньше, а энергетика процессов гораздо слабее по сравнению с тропосферой, а тем более гидро- и литосферой. Выделяют следующие виды воздействия человека на эту среду:

1) выброс химических веществ вследствие работы двигателей ракет;

2) создание энергетических и динамических возмущений в результате полетов ракет;

3) загрязнение твердыми фрагментами, космическим мусором;

4) электромагнитное излучение радиопередающих систем;

5) радиоактивное загрязнение и жесткое излучение от ядерных энергетических установок, используемых на космических аппаратах;

6) попадание загрязнителей из приземной атмосферы.

Практически бесконтрольное использование ОКП привело к его загрязнению огромным количеством мусора - более 3000 т, по данным М.Н. Власова, 1998 г. Фрагменты последнего сосредоточиваются на высотах более 400 км, они занесены в специальный каталог, за ними ведется постоянное слежение. Наиболее опасно большое количество мелких (менее 10 см) осколков; их поток существенно превышает поток метеоритов. По некоторым данным, при сохранении современных темпов загрязнения общее количество твердых частиц размером более 1 см вырастает за 100 лет более чем в два раза, что представит реальную опасность для космических полетов.

Наиболее опасным с позиции изменения свойств ОКП в негативную сторону признается выброс химических веществ. Сообщалось, что наиболее крупномасштабные нарушения были зарегистрированы после запуска ракет «Сатурн-5» (США). Горизонтальные размеры такой «дыры» составили тысячи километров, а содержание электронов уменьшилось в них в несколько раз. Кроме того, диоксид углерода, который при запуске ракеты распространяется на сотни километров, играет большую роль в тепловом балансе термосферы (усиливает «парниковый эффект»). При запусках ракет происходит также разрушение озонового слоя, что является негативным экологическим явлением. Таким образом, освоение ближнего космоса, или ОКП, осложняет в глобальном масштабе экологическую обстановку.

Первичная продукция - продукция автотрофных организмов

Скорость образования биомассы первичными продуцентами (растениями) называют первичной продукцией.

Первичная продукция - продукция автотрофных организмов. Автотрофы занимают первый трофический уровень. Перевод слова с греческого: avto - «сам», trophe - «питание», т.е. самопитающиеся. Биосферная функция автотрофных организмов - вовлечение неживой природы в состав тканей организмов, в биологический круговорот.

95% всех живых организмов в биосфере составляет масса автотрофовпродуцентов. Основная роль в живом веществе Земли принадлежит автотрофным растениям суши.

Автотрофные организмы (первичные продуценты) синтезируют органическое вещество из неорганических составляющих с использованием внешних источников энергии. Распределение автотрофных организмов географически неравномерно и зависит от количества тепла и влаги. Максимум запасов фитомассы приходится на область тропиков, где первичная продуктивность достигает 650 т/га. Запасы фитомассы в полярных и пустынных областях составляют 1 - 2 т/га. Годовая продукция наземной растительности составляет 180 - 200 млрд т.

Фитомасса Мирового океана, состоящая из водорослей и фитопланктона, невелика, так как быстро вовлекается в цепи питания. Максимум фитомассы достигается в умеренном поясе. Приток питательных веществ с континентов обеспечивает насыщенные жизнью зоны океанов вблизи берегов. Годовая продукция фитомассы океана составляет около 50100 млрд т. Продуценты по характеру источника энергии для синтеза делятся на фотоавтотрофы и хемоавтотрофы. Фотоавтотрофы используют для синтеза энергию солнечного излучения (длина волны 380710 нм) и диоксид углерода, воду, азот, фосфор, калий и другие элементы минерального питания. Фотоавтотрофы - это зеленые растения. Автотрофыфотосинтетики играют большую роль в высвобождении молекулярного кислорода. Выработка кислорода в наземных экосистемах осуществляется только растениями. В водной среде к фотосинтезу способны цианобактерий, но они не выделяют кислород.

Хемоавтотрофы используют энергию химических связей в процессах синтеза органического вещества. Кхемоавтотрофам относятся прокариоты: бактерии, архебактерий и отчасти синезеленые водоросли. В процессе окисления минеральных веществ аммиак окисляется до нитритов, затем до нитратов, закисное железо - до окисного, сероводород - до сульфатов.

Некоторые живые организмы, сочетающие свойства автотрофности с использованием в пищу готовых органических веществ, называют миксотрофами. Типичный представитель миксотрофов - омела.

Значение фото и хемосинтеза

Реакция синтеза органических веществ с помощью световой энергии называется фотосинтезом. В ходе фотосинтеза усваивается порядка 200 млрд т СО2 и выделяется около 145 млрд т свободного кислорода. Поток солнечной энергии, используемой для фотосинтеза, может быть прямым либо отраженным от других предметов, сквозь них прошедшим. Зеленым листом поглощается в среднем 75% падающей на него лучистой энергии, но на фотосинтез используется только небольшая ее часть. На уровень фотосинтеза влияют внешние факторы - температура, свет, диоксид углерода и кислород. Оптимальными температурными условиями являются тепловые условия, при которых фотосинтез достигает 90% своей максимальной величины. Повышение концентрации СО2 в атмосфере ведет к усилению фотосинтеза (до определенного предела). Недостаток воды может быть ограничителем процесса фотосинтеза.

Диоксид углерода и вода - основные исходные вещества, которые используются для фотосинтеза, осуществляемого пигментной системой - хлорофиллом (в некоторых случаях его аналогами). Хлорофилл придает листьям растений зеленую окраску. Процесс фотосинтеза выражается через уравнение: солнечная энергия

6СО2 + 12Н2ОС6 Н12О6 + 6О2 + 6Н2О.

Продукты реакции фотосинтеза - вода, кислород и углеводы, молекулы которых обладают богатой энергией.

Кислород возвращается в атмосферу через мелкие поры в листьях растений - устьица, а углеводы становятся со временем пищей для консументов. В результате фотосинтеза накапливается первичная продукция - биомасса растений.

Современный газовый состав атмосферы образовался в результате процесса фотосинтеза. Благодаря процессу фотосинтеза замыкается круговорот углерода в биосфере. В результате деятельности фотасинтезирующих организмов появился кислород, играющий важнейшую роль в жизни большинства живых организмов. Кислород под действием ультрафиолетовых лучей превращается в озон.

Озоновый слой планеты является экраном, отражающим губительные ультрафиолетовые солнечные лучи.

Процессы фотосинтеза протекают и у прокариот - бактерий, архебактерий, цианобактерий, использующих для этой функции пигмент бактериохлорин и не выделяющих в окружающую среду кислород.

Среди прокариот распространены также различные формы хемосинтеза. Микроорганизмы, в ходе своей жизнедеятельности осуществляющие процесс синтеза органических веществ из углекислого газа за счет энергии окисления аммиака, сероводорода и других веществ, называются хемотрофами. Хемотрофы являются начальным этапом круговорота веществ в экосистемах районов геотермальных источников.

Пищевые цели «выедания» (пастбищные) и пищевые цепи «разложения» (детритные)

Пищевые цепи - трофические цепи - включают ряд видов или их групп, каждое предыдущее звено в котором служит пищей для следующего.

Всех первичных консументов независимо от размеров и места обитания можно считать растительноядными животными на пастбище. От растений через таких животных, называемых пасущимися, идет поток энергии. Этот поток обозначается пастбищной пищевой цепью.

В пастбищных пищевых цепях наблюдается явление «выедания» в результате повышения плотности популяций. Несмотря на большое количество растительноядных животных, масса наземных растений очень велика.

Между членами трофической цепи складываются сложные отношения, которые прошли длительный путь совместной эволюции. При возрастании плотности популяции включаются регулирующие механизмы, которые закономерно сменяют друг друга. В результате этого растения выработали средства защиты от потребителей - защитные покровы, химические вещества, делающие их несъедобными для консументов. В ответ на повышение плотности жертв возрастает их потребление каждой особью хищника (до определенных пределов).

При высокой плотности популяции влияют на ее динамику различные инфекционные заболевания. Так работает защита пастбищных цепей от выедания. Связь типа регуляции с положением вида в трофической цепи проявляется только в среднем и только в наземных экосистемах. Напротив, основные продуценты водной среды - микроскопические планктонные водоросли - могут сильно выедаться зоопланктоном.

Организмы, использующие в качестве пищи мертвое органическое вещество (трупы, фекалии, растительный опад и т.п.), называются редуцентами. Поток энергии от мертвого органического вещества - детрита - до полного использования и рассеивания в виде тепла при дыхании, называется детритной пищевой цепью. Животные участвуют на первых стадиях разложения - они измельчают ткани пищевых объектов, разлагая в процессе пищеварения молекулы белков, углеводов. Основная часть процесса деструкции идет в почве. В категорию редуцентов входят многие виды бактерий, грибов и актиномицетов и простейших, завершающих минерализацию органического вещества. Энергия в цепях разложения частично аккумулируется в составе тканей организмов-редуцентов, тела которых после гибели также попадают в цикл редукции. При определенных условиях (недостатке кислорода, повышенной кислотности, высокой влажности, мерзлоте) редукция в почве замедляется и происходит накопление не полностью переработанного высокоэнергоемкого вещества, превращающегося со временем в торф, нефть и уголь.