Разнообразие форм жизни

Качество воздуха. Атмосфера является источником кислорода и диоксида углерода, необходимых для жизненно важных биохимических процессов. Атмосфере принадлежит также роль одеяла, которое поддерживает температуру в пределах, допускающих жизнь, и роль щита, который препятствует проникновению из космоса излучения, губительного для подавляющего большинства организмов (или, по крайней мере, значительно его ослабляет). Чтобы эти важнейшие функции атмосферы сохранялись, ее состав не должен подвергаться серьезным изменениям. Земная атмосфера - это единая система. Методы современной метеорологии, в частности наблюдения со спутников, убедительно доказывают теснейшую взаимосвязь атмосферных явлений, ответственных за состояние погоды, на обширных пространствах земного шара. Эффект от изменения атмосферы в каком-то одном регионе в конце концов распространяется по всей атмосфере.Изменения в атмосфере, вызванные деятельностью человека, всегда связаны с выбросом тех или иных веществ, разносимых далее ветрами. Чаще всего это выбросы продуктов сжигания. В большом количестве поступают в атмосферу газы, отходы химического производства и радиоактивные вещества. Наиболее очевидное загрязнение - выброс в атмосферу веществ, оказывающих прямой отравляющий эффект на все живое. Однако некоторые загрязняющие вещества проявляют свое действие спустя длительное время. Например, поступление в атмосферу хлорфторуглеродов (ХФУ), используемых в качестве наполнителей аэрозольных упаковок, охлаждающих агентов (фреонов) и химических растворителей, приводит к разрушению озона - газа, который образует в стратосфере слой, поглощающий ультрафиолетовое излучение Солнца. (Под действием ультрафиолетовых лучей молекулы ХФУ распадаются с высвобождением атомов хлора и оксидов хлора, которые и разрушают озоновый слой).

Озоновая дыра. Собственно говоря, озоновый слой не является слоем в строгом смысле этого слова: молекулы озона присутствуют везде в атмосфере, но на высоте 10-40 км над уровнем моря озон содержится в количестве 1 молекула озона на 100 000 других молекул, тогда как на меньшей высоте его концентрация ниже. Выражение "озоновая дыра" означает снижение концентрации озона в стратосфере над определенными районами земного шара. Чаще всего под "озоновой дырой" понимают весеннее снижение содержания озона над Антарктидой, но недавно истощение озонового слоя обнаружено и в Северном полушарии. Поскольку ученые связывают наблюдаемое в последние годы сезонное уменьшение концентрации озона в стратосфере с возросшим поступлением в атмосферу ХФУ, отдельными государствами и на международном уровне были предприняты попытки сократить применение этих веществ. В США, например, применение ХФУ в качестве наполнителей аэрозольных упаковок не допускается с 1978, а все производство ХФУ запрещено начиная с 1995. В 1987 в Монреале представителям разных государств удалось достичь соглашения, предписывающего обязательное сокращение использования ХФУ. Эти договоренности были подтверждены в 1990, когда на международном уровне было решено полностью прекратить применение ХФУ к 2000. Некоторые ученые оспаривали наличие непосредственной связи между выбросами ХФУ и уменьшением содержания озона в стратосфере на том основании, что, во-первых, относительно большая молекулярная масса ХФУ препятствует попаданию этих веществ в стратосферу в ощутимом количестве, а во-вторых, соединения хлора, поступающие в верхние слои атмосферы из природных источников, например из морской воды или при извержении вулканов, должны в значительной мере перекрывать эффект, оказываемый ХФУ. Однако специалисты в этой области указывают на то, что движения крупных воздушных масс перемешивают тяжелые и легкие молекулы газов в равной мере и что хлорсодержащие соединения естественного происхождения вымываются из атмосферы дождями и только ничтожное количество их достигает стратосферы; в то же время ХФУ, нерастворимые в воде и химически крайне инертные, сохраняются и в конечном итоге попадают в стратосферу. Многое остается неясным. Так, например, не доказано, что интенсивность ультрафиолетового излучения, достигающего поверхности Земли, действительно возрастает. Кроме того, степень сезонного уменьшения содержания озона колеблется, из чего следует, что на этот процесс существенное влияние оказывают какие-то другие факторы помимо концентрации ХФУ; это могут быть природные изменения в характере атмосферной циркуляции или выделение серной кислоты при извержении вулканов.

Парниковый эффект и глобальное потепление. С состоянием атмосферы связана и другая серьезная проблема, а именно изменения температуры в масштабах всего земного шара. Вследствие сжигания ископаемого топлива (нефти, каменного угля, природного газа) и выжигания лесов в атмосферу выбрасывается ежегодно громадное количество углерода. Определенная доля его остается взвешенной в воздухе в виде мельчайших твердых частиц, препятствующих проникновению солнечного света, а следовательно, и процессам фотосинтеза. Значительная часть выброшенного в атмосферу углерода соединяется с кислородом, образуя диоксид углерода, что не только сокращает запас свободного кислорода - потенциального источника озона, но и способствует удержанию атмосферой тепла. Сохраняющееся в атмосфере тепло приводит к повышению температуры земной поверхности. Явление это широко известно как "парниковый эффект". Парниковый эффект не является, однако, чем-то новым для Земли. Изолирующий покров атмосферы - естественное образование, существующее уже по крайней мере более миллиарда лет и совершенно необходимое для сохранения жизни. Установлено, что природный парниковый эффект обеспечивает в настоящее время поддержание средней температуры на поверхности Земли на 33° C выше той, которая наблюдалась бы в отсутствие атмосферного покрова. Современные ежегодные выбросы в атмосферу углерода за счет таких источников, как промышленность, автомобильный транспорт и сжигание растительности (лесов и травяного покрова с целью расчистки площадей для сельскохозяйственных культур), оценивается приблизительно в 7 млрд. т. Это намного больше того количества углерода, которое выбрасывалось в атмосферу до наступления промышленной эры. По данным регулярных измерений, за период с 1958 содержание диоксида углерода в атмосфере возросло на 15% (в объемных единицах), что соответствует повышению его концентрации с 0,030% до 0,035%. Существует убеждение, что рост содержания углерода в атмосфере может стать причиной усиления парникового эффекта и глобального потепления с вероятными разрушительными последствиями. Некоторые математические модели, учитывающие повышение концентрации СО2 в атмосфере, предсказывают сравнительно быстрое возрастание средней температуры на Земле на 5° C, что может привести к разрушению многих естественных местообитаний и сельскохозяйственных угодий, а также к таянию полярных шапок и затоплению прибрежных городов. Хотя 7 млрд. т - огромное количество, это лишь малая доля от массы углерода, выделяемого в атмосферу естественным образом. Дыхание растений, животных и микроорганизмов, биологическое разложение органических остатков и другие природные процессы в сумме дают ежегодное поступление в атмосферу ок. 200 млрд. т углерода в год, что составляет ту часть глобального круговорота углерода, которая связана с выделением СО2 (см. также ЦИКЛ УГЛЕРОДА). Кроме того, содержащаяся в атмосфере вода (пары и капли) обеспечивают поддержание парникового эффекта на 98%. Общее (в масштабах земного шара) возрастание температуры с 1880 по 1990 составило всего 0,5° C, что находится в пределах обычных температурных колебаний. В течение этого времени были периоды как похолодания (1940-е и 1950-е годы), так и относительного потепления (1890-е, 1920-е и 1980-е годы). Кроме того, надо отметить, что в разных регионах ситуация складывалась по-разному. В США, например, фактического потепления за последние 100 лет не обнаружено. Оказалось также, что ежегодное увеличение содержания диоксида углерода в атмосфере составляет только около половины той величины, которую следовало бы ожидать при учете реальных промышленных выбросов этого вещества в атмосферу. Причина такого несоответствия - поглощение СО2 океанами и лесами, функционирующими фактически как громадные поглотители или резервуары. Более того, общее повышение температуры на Земле не пропорционально отмеченному выше увеличению содержания диоксида углерода в атмосфере. Наконец, небольшое глобальное потепление всегда можно объяснить не парниковым эффектом, а иными причинами, например продолжающимся восстановлением "нормальной" температуры после длительного глобального похолодания, наблюдавшегося с 1400-х до 1850-х годов.

Кислотные дожди. Нейтральный раствор характеризуется величиной рН 7,0. Более низкие значения указывают на кислую реакцию, а более высокие - на щелочную. "Чистый" дождь обычно имеет слегка кислую реакцию, поскольку содержащийся в воздухе диоксид углерода вступает в химическую реакцию с дождевой водой, образуя слабую угольную кислоту. Теоретически такой "чистый", слабо-кислотный дождь должен иметь рН 5,6, что соответствует равновесию между СО2 воды и СО2 атмосферы. Однако из-за постоянного присутствия в атмосфере различных веществ дождь никогда не бывает абсолютно "чистым", и его рН варьирует от 4,9 до 6,5, со средним значением ок. 5,0 для зоны умеренных лесов. "Кислотным" считают дождь, рН которого ниже 5,0. Загрязнение атмосферы большим количеством оксидов серы и азота может увеличить кислотность осадков до pН 4,0, что выходит за пределы значений, переносимых большинством организмов. Соединения серы, попадающие в атмосферу, могут вступать в реакцию с парами воды, образуя разбавленную серную кислоту. По крайней мере половина общего количества соединений серы в атмосфере имеет естественное происхождение; это может быть диоксид серы, высвобождающийся при извержении вулканов, или диметилсульфид, выделяемый некоторыми микроскопическими планктонными водорослями. Остальное же приходится на диоксид серы, поступающий в атмосферу при сжигании угля, используемого в промышленности, а также для обогрева домов и приготовления пищи. В формировании кислотных дождей участвуют также оксиды азота, которые образуются при сжигании топлива, в результате жизнедеятельности некоторых почвенных микробов, а также при грозовых разрядах (из содержащегося в атмосфере свободного азота). За счет электрических разрядов образуется менее 10% от общего количества азотсодержащих соединений (связанного азота). Оксиды азота, подобно оксидам серы, растворяются в дождевой воде, образуя разбавленную азотную кислоту. Даже очень слабая (в тысячу раз менее кислая, чем апельсиновый сок) угольная кислота "чистого" дождя способна оказывать заметный эффект: действуя в течение столетий, она разъедает мраморные статуи и бетонные сооружения. Последствия настоящих "кислотных" дождей бывают гораздо более серьезными. Помимо коррозии, вызванной выпадающими с дождями разбавленными кислотами (серной и азотной), кислые вещества, накапливаясь в почве, могут выводить из нее биогенные (необходимые для питания растений) элементы, повреждать и даже уничтожать леса, а также приводить к необратимым нарушениями химического баланса экосистем. Из-за этих разрушительных последствий именно кислотные дожди считают основной причиной очень сильного закисления озер и прудов (в некоторых из них рН понижается до 3,0, что сопоставимо с уксусом), приводящего к гибели рыб и многих водных растений. Однако, как показали исследования, закисление большинства водоемов в восточной части Северной Америки связано не столько с кислотными дождями, сколько с естественной кислотностью почв. (Кислотные дожди выпадают в основном на востоке США; на западе страны они нейтрализуются пылью щелочных почв этого региона.) В Новой Англии, например, вклад кислотных дождей в закисление водоемов оценивался в 16%, тогда как вклад кислотности почв - в 80%. Предполагается, что богатая в прошлом жизнь ныне сильно закисленных озер была временным явлением, связанным со сведением на окружающих территориях лесов и выжиганием растительности (при этом не только удалялось много скопившегося на поверхности почвы кислого органического вещества растительного происхождения, но и происходила нейтрализация кислот пеплом, имеющим щелочную реакцию). Когда в окрестностях этих озер снова выросли леса, возобновилось закисление и почв, и озер.

Биоразнообразие. Термин "биоразнообразие" обозначает богатство видов, обитающих на определенной территории в определенный период времени. Уменьшение биоразнообразия, т.е. сокращение числа видов, образующих фрагменты экологической сети, есть одно из проявлений деградации природной среды. Представим себе, что в умеренных широтах озерцо, окруженное небольшим болотом, подверглось воздействию очень кислых осадков; это может привести к гибели, скажем, 25% видов планктона. Уменьшение количества планктона подорвет пищевую базу двух из пяти видов лягушек (поскольку головастики питаются водорослями и другими мелкими организмами) и одного из трех видов рыб, обитавших в этом озере. В итоге сложная пищевая сеть этого небольшого озера и связанного с ним болота потеряет внезапно несколько важных своих компонентов. Произошедшие перемены затронут далее и другие компоненты экосистемы; в частности, они скажутся на птицах, прилетающих на этот водоем кормиться, и на мелких млекопитающих, охотящихся здесь на птиц или водных животных. Разнообразие птиц, посещающих данное место, уменьшится, соответственно менее разнообразным станет и набор семян растений, заносимых сюда птицами на лапках или с пометом. Исчезновение таких млекопитающих, как выдра или енот, открывает возможности для проникновения на их место других видов, например серой крысы, которая легко вторгается в сложную пищевую сеть. Крысы, будучи гораздо менее разборчивы в питании, используют широкий набор пищевых объектов и способны очень быстро увеличивать свою численность. Крупная популяция крыс будет способствовать дальнейшему сокращению биоразнообразия, вытесняя конкурирующие виды.

Осознание угрозы окружающей среде. Деятельность человека, разрушительная для природной среды, - это обычно слишком интенсивная эксплуатация каких-либо ресурсов или загрязнение экосистем синтетическими токсичными веществами, действие которых не может быть полностью нейтрализовано природными процессами. В большинстве случаев деградация природной среды начинает по-настоящему беспокоить общество только тогда, когда оно видит, что в результате деятельности человека вдруг существенно снизилась продуктивность экосистем. Так, 1960-е и 1970-е годы стали периодом серьезной озабоченности по поводу незащищенности различных экосистем и отдельных биологических видов от загрязнения, вызванного развитием промышленности и городского хозяйства. Широкое применение в 1940-х и 1950-х годах в качестве пестицидов двух хлорсодержащих углеводородов, ДДТ и дильдрина, как выяснилось, имело тяжелые последствия для популяций многих видов птиц. Эти вещества, попадая в организм птиц с пищей, накапливались в них в высоких концентрациях и вызывали истончение скорлупы яиц - это препятствовало размножению и привело к значительности сокращению численности. Особенно пострадали такие птицы, как белоголовый орлан и некоторые виды соколов. 
Однако, как это часто бывает и в других случаях, связанных с экологическими проблемами, мнения о пользе и вреде пестицидов расходятся. К примеру, практика использования ДДТ отнюдь не сводится только к отрицательным последствиям. В Шри-Ланке (на Цейлоне) в 1948 было отмечено 2,8 млн. случаев заболевания малярией, но применение ДДТ для истребления комаров, переносящих возбудителя этой болезни, привело к тому, что в 1963 наблюдалось всего 17 случаев заболевания малярией. В 1964 использование ДДТ в Шри-Ланке было запрещено, и к 1969 число заболевших малярией вновь выросло до 2 млн. человек. Необходимо все же отметить, что успех, достигнутый с помощью ДДТ, мог оказаться временным, поскольку комары, как и другие насекомые, способны за ряд поколений выработать устойчивость к пестицидам.

ПЕРСПЕКТИВЫ НА БУДУЩЕЕ

Можно ли восстановить поврежденную экосистему? В некоторых  случаях деградация окружающей среды  бывает обратимой, и чтобы вернуть  систему в исходное состояние, достаточно просто прекратить дальнейшее загрязнение  и дать системе очиститься за счет природных процессов. В других случаях, например при попытках восстановить леса Западной Африки или соленые марши (заболоченные места) на восточном побережье Северной Америки, достигнутые успехи были очень скромными. Часто к моменту, когда деградация окружающей среды становится очевидной, соответствующие экосистемы оказываются настолько поврежденными, что восстановить их уже невозможно. В период между 1960 и 1990 народонаселение земного шара почти удвоилось, достигнув 5,3 млрд. человек, а к 2025 ожидается, что оно будет составлять 8,5 млрд. Поскольку с ростом численности населения растут и потребности в продуктах питания, жилье и проч., а освоенное пространство ограниченно, деятельность человека начинает распространяться на такие регионы, которые ранее считались малопригодными для заселения (маргинальными), будучи слишком влажными, или слишком засушливыми, или слишком удаленными. В будущем основная активность в деле охраны природы, видимо, развернется именно в подобных маргинальных экосистемах - в заболоченных и аридных местностях, а также в дождевых тропических лесах.

Заболоченные земли. Прибрежные приливо-отливные зоны и пресноводные болота - весьма важные местообитания. Марши, располагающиеся в приливно-отливной зоне, выполняют роль питомника для множества морских организмов. Кроме того, наряду с пресноводными болотами, они служат убежищем для птиц во время их сезонных миграций. Заболоченные участки действуют и как фильтрационные системы, улавливая многие природные и синтетические загрязнители и токсины еще до того, как они попадут непосредственно в водоемы. Эффект от разрушения подобных местообитаний может сказываться далеко за их пределами. Например, если на болотах не будет достаточно пищи для останавливающихся здесь во время перелетов птиц, многие из них погибнут. А поскольку они в свою очередь являются компонентами экосистем, расположенных на противоположных концах их миграционных путей (и удаленных друг от друга порой на тысячи километров), внезапное изменение их численности может оказать сильное дестабилизирующее влияние на эти системы. Когда европейцы начали заселять Северную Америку, площадь заболоченных земель в ней составляла 87 млн. га. В настоящее время их остается не более 40 млн. га, причем каждый год уничтожается примерно 160 тыс. га. Засыпание болот и использование занятого ими ранее пространства для строительства жилья или в коммерческих целях - один из наиболее обычных способов уничтожения этих местообитаний. В настоящее время предпринимаются некоторые меры, направленные на сохранение заболоченных земель. Например, во многих регионах США болота находятся под охраной закона и любая деятельность по их освоению строго контролируется.