Уязвимые звенья экологических систем океана
В начале 60-х гг. XX века, когда стало ясно, что "неисчерпаемые" запасы сырья на суше стали быстро таять, взоры и мысли обратились к Мировому океану. Делая упор прежде всего на его огромные размеры, заговорили об "океане возможностей", подразумевая биологические, минеральные, энергетические и другие ресурсы, гигантскую емкость как резервуара для сброса отходов производства. Однако вскоре стало ясно, что океан под действием мощного антропогенного пресса оказался весьма уязвимым. И уже сейчас видно, что не с "океаном возможностей", а скорее с "океаном проблем" будут иметь дело наши потомки в XXI в., причем проблем в основном экологических.
Человечество наносит два удара по природе: во-первых, истощает ресурсы, во-вторых, загрязняет ее. Оба эти удара поражают не только сушу, но и океан. Мировой океан является перспективным источником ресурсов. Значительный энергетический потенциал заключен в океанических волнах, приливах, термальных градиентах, морских течениях. Дно океана дает около четверти суммарной мировой добычи нефти. Предполагается, что к 2000 г. морская добыча нефти повысится еще на 50%. По оценкам специалистов, морские ресурсы магнетита, ильменита, рутила, олова, золота, платины и других металлов сопоставимы с их запасами на суше. В железомарганцевых конкрециях, устилающих дно океана, содержится около 30 элементов таблицы Менделеева. Океан обеспечивает 90% мировой добычи брома, 60% магния, 30% поваренной соли, большую часть алмазов.
Океан служит одним из важнейших источников пищевых ресурсов для человечества, поставляя 25% белков животного происхождения. Велико его транспортное значение -более 75% мирового грузооборота приходится на его долю.
Возрастающая эксплуатация ресурсов Мирового океана уже сама по себе оказывает все более сильное воздействие на его экосистему Однако имеются и мощные внешние источники загрязнения - это атмосферные потоки и материковый сток. В результате, на сегодняшний день можно констатировать наличие загрязняющих веществ не только в зонах, прилегающих к материкам, и в районах интенсивного судоходства, но и в открытых частях океанов, включая высокие широты Арктики и Антарктики.
В Мировой океан ежегодно сбрасывается более 30 тыс. различных химических соединений, общая масса которых составляет 1,2 млрд т. Загрязнение его вод отдельными веществами приобрело глобальный характер. Самыми опасными загрязнителями, поражающими экосистему океана из-за их отравляющего, мутагенного либо канцерогенного действия на морские организмы являются углеводороды (пестициды, нефть и нефтепродукты и др.), токсичные металлы (ртуть, свинец, кадмий, мышьяк и др.) и радиоактивные вещества. Все более опасным для прибрежных районов является микробиологическое загрязнение. Патогенные организмы, в частности кишечная микрофлора, начинают проникать в открытые акватории некоторых морей. Загрязняющие вещества не только непосредственно воздействуют на экосистему океана, но и изменяют физико-химические свойства вод, определяющие газообмен, потоки солнечной радиации и теплоты через его поверхность.
Мировой океан как единая система. Научный подход к решению проблем океана заключается в изучении закономерностей функционирования его как единой природной системы, определении пространственной и функциональной неоднородности, выяснении характера и интенсивности антропогенного воздействия на разные блоки океанической природно-хозяйственной системы. Чтобы понять целое, необходимо рассмотреть взаимодействие его частей.
Океан неоднороден по физико-географическим условиям. Элементы его структуры, отличающиеся по характеру природных процессов, разделяют так называемые активные граничные поверхности, являющиеся в тоже время областями бурно протекающих биологических процессов: 1) контакт поверхностной толщи океана с атмосферой; 2) контакт океана с сушей (морские мелководья, шельф); 3) контакт океана с дном.
Поверхностная и донная границы являются, по выражению В.И. Вернадского, "пленками жизни", в прибрежных же районах выделяются "сгущения жизни", поражающие воображение своим богатством и разнообразием. Для обеспечения экологического равновесия всей биосферы эти пленки и сгущения жизни в океане играют ключевую роль. Живое вещество океана вносит свой вклад не только в продуцирование биомассы, но и в поддержание газового состава атмосферы, регулирование химического состава океанических вод, процессов образования осадочных горных пород, формирование берегов и подводного рельефа.
Деятельность человека уже охватывает практически всю акваторию океана, но локализуется в тонких контактных зонах: поверхностная зона служит для рыболовства и мореплавания; прибрежная зона - для получения биологических, минеральных, энергетических, рекреационных ресурсов, интенсивного жилого и промышленного строительства; дно океана - в перспективе зона добычи полезных ископаемых.
Океаны представляют собой огромные впадины в рельефе Земли. В эти впадины устремляется практически весь сток поверхностных вод суши, промывая самые отдаленные участки земной поверхности. За исключением небольшого числа замкнутых бессточных котловин, земная поверхность промывается атмосферными осадками. Ручейки впадают в реки, реки несут свои воды в моря и океаны и, таким образом, в загрязнении океана участвуют почти все города и поселки. Поскольку скорость течения в реках довольно высока (в среднем вода из верховьев рек достигает океана всего за 12 дней), отбросы, попавшие в реку у ее истоков за тысячи километров от берега, очень скоро стекут в океан. Площади речных бассейнов огромны. Реки вбирают в себя и несут в океан не только сточные воды городов, но также и ядохимикаты, и удобрения, которые в больших количествах вносятся на поля.
Устье реки - это точка в береговой зоне. Однако оказываемое стоком рек загрязнение выходит далеко за пределы прибрежных вод. Благодаря мощным циркуляционным процессам океан представляет собой единое целое. Воды океанов и морей связаны течениями. Даже внутренние моря (например Черное) обмениваются своими водами с открытым океаном. Течения способны многократно увеличивать площадь загрязнения и переносить ядохимикаты, смытые с полей, за тысячи километров, например к берегам Антарктиды. Здесь они, пройдя по пищевой цепи, обнаруживаются даже в теле пингвинов.
Существуют глубоководные котловины и желоба, которые открыто или тайно используют для захоронения вредных, в том числе радиоактивных, отходов производства. Несмотря на кажущуюся стагнацию вод в котловинах, доказано, что существует медленное перемешивание всей толщи вод Мирового океана. Это должно служить основанием для международного соглашения, запрещающего захоронение ядовитых и радиоактивных отходов в глубинах океана.
Единство океана поддерживается целостностью его экологической системы. Океан заполнен жизнью от поверхности до максимальных глубин. Однако весь процесс биологического круговорота начинается в верхнем, освещаемом Солнцем слое воды. Главным производителем первичной биологической продукции в океане является фитопланктон - микроскопические водоросли (продуценты), плавающие в толще воды. Дальнейшие звенья круговорота состоят из мелких животных, питающихся фитопланктоном, различных хищников, поедающих свои жертвы, детритофагов и микроорганизмов - редуцентов. В цепочке пищевых связей биомасса каждого последующего звена приблизительно в 10 раз меньше, чем предыдущего.
Одна из особенностей техногенеза - активное рассеяние металлов. Происходит интенсивная "металлизация" общего фона геохимической среды. Более 30 химических элементов опасны для морских организмов и человека, причем большую часть составляют переходные и тяжелые металлы. Многие из них биофильны, т. е. морские организмы накапливают их в своих тканях, в концентрациях в десятки, сотни тысяч раз превышающих содержание в морской воде.
Опасность заключается в том, что содержание тяжелых металлов увеличивается с продвижением вверх по трофической цепочке. В 1 кг крупной хищной рыбы содержится металлов примерно столько же, сколько их сконцентрировано в 10 000 кг фитопланктона. По сравнению с пирамидой биомасс пирамида содержания тяжелых металлов в экосистеме оказывается перевернутой. Об этом следует знать, поскольку человек питается преимущественно крупными хищными морскими рыбами. Металлы, рассеиваемые человеком в процессе техногенеза, возвращаются к нему в концентрированном виде вместе с морской пищей.
Живое вещество в океане выполняет важную функцию насоса, откачивающего СО2 из атмосферы. Как известно, сжигание углеводородного топлива обусловливает выброс в атмосферу огромного количества СО2. Повышение его концентрации в атмосфере вызывает парниковый эффект, глобальное потепление климата. В результате начинают таять ледяные шапки на полюсах, повышается уровень океана. Трансгрессия океана уже сейчас вызывает озабоченность государств Микронезии, население которых живет на атоллах, возвышающихся над поверхностью океана на считанные метры. Океан захватывает из атмосферы и захоранивает СО2 в осадочных породах типа известняков и доломитов, а также в толще морской воды благодаря образованию биомассы живого вещества и растворенной органики.
Уязвимость этого звена в том, что темпы антропогенного накапливания СО2 в атмосфере выше, чем скорость откачивания его морскими организмами. К тому же многие экосистемы, особенно интенсивно связывающие СО2, расположены на мелководьях или в поверхностной толще океана. Они страдают в первую очередь от антропогенного воздействия и снижают свою продуктивность, поэтому злободневен вопрос об охране коралловых рифов - одной из наиболее продуктивных экосистем.
Загрязнение океана разрушает тонкие биохимические связи между его обитателями. Разные группы организмов, особенно бактерии и беспозвоночные животные, выделяют растворенные органические вещества, играющие роль пищи и биостимуляторов для членов сообщества. Физиологические системы многих морских организмов являются открытыми, а все сообщество объединяется биохимическими связями по принципу дополнительности: гидробионты выделяют вещества, необходимые для других организмов, и сами включают в свой обмен выделения соседей. Морская экосистема представляет собой физиологическую целостность. Гибель определенных групп организмов в такой системе можно уподобить удалению железы внутренней секреции, производящей гормоны у высшего животного, а введение в воду ядовитых веществ -инъекции яда.
Есть еще одна важная сторона экологического метаболизма - это роль прижизненных выделений в общении гидробионтов. Подобно специфическим ароматическим веществам, выделяемым животными на суше, эти вещества помогают морским обитателям общаться между собой: самцам и самкам находить друг друга, особям определенных видов собираться в стаи, хищникам находить жертву, а жертве избегать хищника. Вторжение чужеродных веществ в океан способно вызвать хаос в поведении гидробионтов, разрушить всю систему биоценотических отношений.
Итак, в структуре океана выделяются контактные зоны, для которых одновременно характерны максимальная напряженность физико-географических и биологических процессов и деятельность человека, обусловливающая истощение ресурсов и загрязнение. Граничные поверхности при этом не являются непреодолимыми барьерами. Напротив, здесь вещество и энергия интенсивно переходят из одной природной системы в другую. Циклы массо-энергообмена не только связывают географическую оболочку планеты (атмосферу, гидросферу, часть литосферы и биосферу), материки и океаны в единое целое, но и поддерживают устойчивость океана как единой природной системы.
Рассмотрим своеобразие природных процессов; в контактных зонах океана, выделяя антроаогенные нарушения, которые имеют негативные последствия. Характерной особенностью функционирования главнейших экосистем океана, формирующихся на границах раздела геосфер, является единство противоположностей. С одной стороны, каждая из этих систем относительно автономна. С другой стороны, каждая система открыта и обладает широкими связями с контактными системами. Последнее определяет ее вклад в целостность структуры океана и всей географической оболочки.
Контакт океана с сушей. В прибрежных мелководьях, занимающих 13% площади океанов, продуцируется 40% органического вещества; здесь вылавливается более 90% рыбы. Вместе с тем это зона наиболее активного антропогенного воздействия. Около 65% населения Земли живет в пределах. 5 00 км от морских побережий; около 50% городов с населением более 1 млн человек расположено около устьев рек и заливов океанов (рис. 11.4): Поэтому огромная масса веществ, в том числе промышленных, сельскохозяйственных и бытовых отходов, поступает на мелководья со стоком с суши, замыкающим большой круговорот воды.
Твердый сток при впадении рек в море осаждается лавинно, так что до 90% веществ, выносимых с суши, остается в пределах мелководий и в океан не поступает. Таким образом, морские мелководья являются глобальной геохимической ловушкой, задерживающей большую часть веществ, сносимых с континентов. Морские мелководья -область сгущения жизни, и на их долю приходится основная масса рыбы и морепродуктов, употребляемых человеком в пищу. Относительная замкнутость биохимической системы морских мелководий делает ее особенно уязвимой как в отношении нарушения экологии гидробионтов, так и в отношении биоаккумуляции веществ, опасных для человека.
В пределах морских мелководий выделяется еще более узкая контактная полоска -береговая зона. Важную роль в формировании берегов играет вдольбереговой поток наносов: там, где он не насыщен, образуется дефицит наносов - берега разрушаются морем. Казалось бы, на современном этапе тектонического развития планеты, когда "раствор гипсометрических ножниц" достиг максимальной величины, можно было бы ожидать поступления с суши в береговую зону огромного количества обломочного материала, насыщение потока наносов и широкое развитие пляжей. Сама природа создала гигантский цех строительных материалов, который, как надеялись, с лихвой может обеспечить нужды быстро развивающихся портово-промышленных комплексов и песком, и гравием, и галькой. Однако на изъятие человеком рыхлых наносов из береговой зоны море ответило катастрофически быстрым разрушением берегов. Возникла необходимость проведения дорогостоящих мероприятий по защите инфраструктуры портово-промышленных комплексов от волн.
Оказывается, для стока рек характерен точечный" вынос осадочного материала. Устья рек - это, как правило, ловушки осадков. Из этих ловушек наносы не попадают на соседние участки береговой зоны. Современный этап развития береговой зоны океана характеризуется дефицитом рыхлого материала, в связи с чем преобладают процессы абразии - волнового разрушения берегов. Поэтому так уязвим баланс наносов в береговой зоне. Если человек выбирает рыхлый материал, это неминуемо ведет к разрушительным последствиям: исчезают пляжи, а вместе с ними дороги и строения.
Особую проблему создает переудобрение морских мелководий, вызываемое избытком растворенных в воде питательных солей. Последние попадают в море в результате смыва с полей минеральных удобрений. Парадокс состоит в том, что в то время как биопродуктивность большинства морских экосистем сдерживается недостатком биогенных солей, человек навязывает традиционно малоплодородным морским экосистемам избыточное минеральное питание. Экосистемы отвечают на это сначала бурной вспышкой биопродуктивности специфических групп гидробионтов, а затем их гибелью. Уязвимым звеном становится быстрое потребление кислорода. Без растворенного в воде кислорода гибнут практически все животные морских мелководий. Разложение трупов ведет к сероводородному заражению, которое завершает превращение прибрежных экосистем в черную зловонную мертвую зону.
Контакт океана с атмосферой. Эта граничная поверхность может рассматриваться широко, тогда к ней относится вся фотическая зона, или узко, тогда это поверхностная пленка и первые сантиметры воды (гипонейсталь).
Одним из главных загрязнителей поверхности океана являются нефть и нефтепродукты. Экологической катастрофой грозят аварии супертанкеров, перевозящих по несколько сот тысяч тонн нефти. Но основная масса нефтепродуктов сносится в океан с суши. Около 60% загрязнений дает автотранспорт. Это мытье в ручьях автомашин, слив бензина и масла. Капля бензина создает на поверхности воды круг пленки диаметром 30 см. Мальку рыбы, едва он появился из икринки, чтобы заполнить плавательный пузырь, необходимо сделать глоток воздуха. Малек поднимается к поверхности, но там нефтяная пленка. Малек делает глоток - и погибает.
Нефтяные пленки, образуемые на поверхности моря разного рода нефтепродуктами, -настоящее бедствие для обитателей гипонейстали. Они препятствуют газообмену между океаном и атмосферой, что ведет к дефициту кислорода в воде, экранируют солнечные лучи, практически лишая организмы биологических активных инфракрасных и ультрафиолетовых лучей. Многие углеводородные соединения являются сильно действующими ядами, к которым особенно чувствительны икра и молодь организмов, составляющих основу жизни в гипонейстали.
В.И. Вернадский (1960), говоря о поверхностной пленке жизни, имел в виду более мощный, освещаемый Солнцем (фотический) слой океана глубиной около 100 м. С ним связана жизнедеятельность фитопланктона - основы трофической цепочки в океане.
А. П. Лисицын (1987) коренным образом пересмотрел роль живого вещества в осадочном процессе. Если прежде основная роль отводилась обломкам горных пород, выносимым в океан материковым стоком, то теперь установлено, что морские мелководья захватывают практически весь твердый сток с суши. Ведущую роль в питании дна открытого океана осадочным материалом А.П. Лисицын отводит его верхнему слою, гае благодаря жизнедеятельности организмов, главным образом диатомовых водорослей, ежегодно возникает огромное количество взвеси, во много раз превосходящей массу осадочного материала, поступающую с континентов. Вместе с осадками из зоны жизнедеятельности фитопланктона уносятся на дно загрязняющие вещества. Это очищает поверхность океана, но загрязняет его дно.
Следует выделить особую роль биофильтра, которую выполняет зоопланктон. Для удовлетворения суточного рациона организмы зоопланктона отфильтровывают около 100 км3 воды в сутки. Вся зона планктона в океане отфильтровывается всего за 20 суток. Образуемые фильтраторами пищевые комочки - пеллеты - оседают на дно. Понятно, что нарушение экологического равновесия в фотаческой зоне, даже частичная гибель зоопланктона, может привести к сбоям в механизме самоочищения вод океана, а это еще больше усугубит кризисные явления.
В последние годы признано большое значение атмосферных переносов в загрязнении Мирового океана. Так, вещества континентального происхождения попадают в океан в результате переноса ветром пыли. По экспериментальным данным среднегодовой поток пыли на поверхность Тихого океана в его экваториальной части, например, составляет 15-30 мкг/м2, что соизмеримо со среднегодовой скоростью осаждения взвешенных веществ в морской воде (50 мкг/см2). Это подтверждает положение о том, что атмосферные потоки играют большую роль в процессах морской седиментации и формирования донных отложений в открытой части Мирового океана.
Из атмосферы на поверхность океана оседают органические вещества, которые необходимы для развития бактерионейстона - "живого фильтра". Общий поток важнейшего биогенного элемента фосфора в океан достигает 1,4 х 103 т/год.
Свинец, ртуть и другие тяжелые металлы, а также используемые в сельском хозяйстве ядохимикаты, низкомолекулярные нефтяные углеводороды и иные органические вещества в газообразной фазе или во взвешенном состоянии переносятся атмосферными потоками на десятки тысяч километров.
Контакт океана с дном. Срединно-океанические хребты, а точнее, рифтовые разломы, образующиеся в результате расхождения литосферных плит, занимают ключевое положение в геохимии океана. Здесь на глубине около 4000 м при давлении 400 атм происходит постоянный контакт расплавленной магмы с холодными придонными водами. Срединно-океаничес-кие хребты - это мощные химические реакторы, где во взаимодействие вступают атомы всех известных находящихся в земной коре элементов. О масштабах геохимических процессов можно судить по тому, что протяженность этого "реактора" около 800 тыс. км, а весь объем океанической воды проходит через него в течение 3 млн лет.
Глубокие трещины - рифты - можно сравнить с ранами в тонкой земной коре, через которые сочатся вязкие потоки лавы. Застывая в холодной воде, они превращаются в причудливые нагромождения. Холодная придонная вода (ее температура даже в тропических широтах едва превышает 0 °С), проникает сквозь пористые вулканические породы, нагревается и под большим давлением устремляется назад к поверхности в виде подводных гейзеров - гидротерм.
Гидротермы напоминают промышленный ландшафт с лесом труб металлургических и химических заводов, из которых валит ядовитый дым. Такая картина на суше стала символом экологической катастрофы.
Однако в глубинах океана именно гидротермы в условиях полного мрака и холода служат животворными источниками, создающими оазисы жизни.
С "черными курильщиками" связано формирование обширного класса рудных гидротермальных месторождений. Поднимаясь из недр, гидротермы насыщаются не только метаном, сероводородом, но и сернистыми соединениями металлов, главнейшими из которых являются железо, цинк, медь, молибден, серебро, свинец, кобальт, марганец, ванадий, мышьяк и др. По сути дела, "дым" - это настоящая жидкая руда.
При контакте гидротермальных растворов с холодной придонной водой происходят интенсивные геохимические реакции, в результате которых многие минералы выпадают в осадок. В итоге гидротермальный источник обрастает осадочными породами, образующими гигантские конусы высотой с 20-этажный дом (до 50 -70 м). Отложения гидротерм представляют собой весьма богатые полиметаллические руды.
Итак, дно океана - это мощный геохимический фильтр, связывающий тяжелые металлы, поступающие из недр. Инженеры пытаются решить вопрос о промышленной разработке металлоносных осадков. Возникает опасение, что такого рода деятельность нарушит работу геохимического фильтра, и тогда концентрация тяжелых металлов в водах океана быстро возрастет, что представляет опасность как для гидробионтов, так и для человека.
Проблемы охраны океана - прежде всего задача международного сотрудничества. Об этом страстно писал известный ученый и путешественник Тур Хейердал: "Я призываю отказаться от близоруких личных и национальных мерок, призываю осознать огромную ответственность перед нынешним и грядущим поколениями. Морские течения не считаются с политическими границами. Государства могут делить между собой сушу, но океан - не знающий неподвижности океан, без которого невозможна жизнь, - всегда будет общим и неделимым достоянием человечества".
|
|
Читайте в рубрике «Экология океана»: |