Исследование взаимоотношений организмов друг с другом и с окружающей средой

 Растения суши при  создании органических веществ  из углекислого газа и воды  в процессе фотосинтеза ежегодно  выделяют в атмосферу 336 Гт  O₂. Создаваемое при этом органическое вещество (или его энергетический эквивалент) называют валовой первичной продукцией (GPP). Ровно половина от GPP используется на дыхание самими растениями (дыхание автотрофов), при этом из атмосферы расходуется 168 Гт O₂. Оставшаяся часть органического вещества называется чистой первичной продукцией (NPP), равной 168 Гт КЭ. Вещество чистой первичной продукции пополняет пулы биомассы, детрита (то есть мертвых остатков живых организмов) и органического вещества почвы. Окисление органического вещества этих пулов производится гетеротрофными организмами (животные, грибы, бактерии), в результате ежегодно потребляется 154 Гт O₂. Кроме того, часть вещества окисляется в результате горения (лесные, степные и тундровые пожары, контролируемые палы на сельскохозяйственных землях, использование биомассы в качестве топлива и т. д.). Этот поток приводит к потреблению 11 Гт O₂. Суммировав все потоки потребления и образования молекулярного кислорода, получим, что биота суши ежегодно выделяет около 3 Гт O₂ (тем самым частично компенсируя его потери, связанные со сжиганием ископаемого топлива).

Мировой океан, как и атмосфера, является хранилищем молекулярного  кислорода. Суммарное количество кислорода, растворенного в морской воде, равно 7200 Гт O₂, или около 0.6% от его содержания в атмосфере. Процессы обмена кислорода между океаном и атмосферой регулируются температурными условиями, вертикальным и горизонтальным транспортом водных масс, а также градиентами концентраций, создающимися в результате деятельности поверхностной морской биоты. Наибольший вклад в регуляцию кислородного обмена вносят сезонные изменения температуры. При весеннем прогревании воды кислород покидает поверхностные воды и переходит в атмосферу, в осенний период возвращается обратно. На кислородном обмене между атмосферой и поверхностью океана сказываются и суточные колебания температуры. В результате суммарный годичный обмен кислородом между океаном и атмосферой достигает 4480 Гт O₂, причем потоки растворения и выделения практически равны друг другу. Однако современное потепление климата приводит к повышению температуры поверхностных вод океана и тем самым некоторому уменьшению растворимости кислорода. По существующим оценкам, в период 1990-2010 гг. мировой океан ежегодно выделял в атмосферу около 1 Гт O₂. Этот кислород попадает в атмосферу за счет уменьшения его запаса в морских водах. Тренды к уменьшению концентрации растворенного кислорода зарегистрированы в различных районах мирового океана.

В поверхностных водах  до глубин распространения солнечного света (так называемая фотическая зона) планктонные организмы осуществляют фотосинтез, при котором выделяется 288 Гт O₂. Суммарное дыхание автотрофов и гетеротрофов фотической зоны приводит к поглощению 258 Гт O₂. Часть органического вещества, образуемого в фотической зоне, осаждается в глубинные воды (детритный дождь) и там разлагается гетеротрофными организмами. На их дыхание ежегодно расходуется 30 Гт кислорода, который транспортируется из поверхностных слоев воды. Таким образом, годичные потоки кислорода внутри океане являются хорошо сбалансированными.

Следует обратить внимание на принципиальное различие роли океана и суши в регулировании атмосферных  концентраций углекислого газа и  кислорода. На суше круговороты кислорода  и углекислого газа тесно связаны, при поглощении углекислого газа  выделяется кислород и наоборот при  мольном соотношении 1.05. Совершенно иная ситуация имеет место в океане, который является наиболее мощным поглотителем углекислого газа атмосферы, изымющим из нее около 7.3 Гт CO₂ ежегодно. Однако этот процесс связан с физико-химическими процессами растворения углекислого газа в морской воде и не приводит к возвращению в атмосферу молекулярного кислорода.

Проведенный выше анализ круговорота  кислорода на суше приводит к выводу, что наземная биота является ежегодно выделяет в атмосферу 3 Гт кислорода (с учетом сжигания биомассы), а океан  – 1 Гт. Антропогенное потребление  кислорода в результате сжигания ископаемого топлива составляет 21-23 Гт O₂, значит, ежегодные потери млекулярного кислорода атмосферой должны быть на уровне 17-19 Гт.

Наземная биота компенсирует в настоящее время лишь около 13% от антропогенного потребления кислорода, связанного со сжиганием ископаемого  топлива. В результате имеет место  постоянное снижение запасов молекулярного  атмосферного кислорода. Однако в относительном  выражении это снижение крайне незначительно  из-за очень больших запасов молекулярного  кислорода атмосферы (1 184 000 Гт O₂). Годовое антропогенное потребление кислорода составляет лишь 0.0019% от его запаса в атмосфере, а снижение запаса кислорода – лишь 0.0016% (Рис. 4Б). При нынешних темпах потребления кислорода человечеству нужно более 600 лет, чтобы уменьшить содержание кислорода на 1%.

Содержание кислорода  в атмосферном воздухе является одним из важнейших метеорологических  факторов, определяющих здоровье и  самочувствие людей. Этот фактор во многом определяет повышенную общественную обеспокоенность  по отношению к использованию  кислородного ресурса атмосферы. Следует  отметить, что самочувствие людей  определяется не концентрацией кислорода  в воздухе (то есть относительной  долей по кислорода отношению  к общему газовому составу воздуха), а его весовым содержанием  в единице объема, называемым также  парциальной плотностью и измеряемым в г на м³. В медицине разработана классификация типов погоды (Никберг и др., 1986), среди критериев которой используется и весовое содержание кислорода. Выделяют три основных типа погоды: 1) благоприятную (колебание весового содержания кислорода не превышают 5 г м^-3), 2) умеренно неблагоприятную (снижение весового содержания кислорода на 5-10 г м^-3 при его содержании менее 275-280 г м^-3), 3) неблагоприятную (падение весового содержания кислорода до 270 г м^-3 и менее или его уменьшение более чем на 15 г м^-3). Главной колебаний весового содержания кислорода в воздухе являются изменения атмосферного давления. Из школьного курса физики известно, что плотность и давление газа взаимосвязаны. Чем больше давление, тем больше плотность, то есть большее количество молекул содержится в единице объема. При установлении зоны пониженного атмосферного давления или при прохождении теплого атмосферного фронта в полном соответствии с физическими законами весовое содержание кислорода в единице объема уменьшается, но при этом концентрация кислорода не меняется.

Еще в большей степени  физиологический дефицит кислородом ощущается при подъеме на высоту, например, в горной местности. Среднее  атмосферное давление в Алма-Ате, например, составляет 90% от давления в  Москве, соответственно, и весовое  содержание кислорода настолько  же меньше. Однако человеческий организм способен достаточно успешно адаптироваться к такому или даже большему снижению весового содержания кислорода по прошествию нескольких дней или недель. Этим свойством  организма пользуются, например, альпинисты, проходящие период адаптации перед  штурмом высоких горных вершин.

Приведенные выше критерии классификации типов погоды позволяют  оценить, какие колебания весового содержания кислорода вызывают ухудшения  самочувствия. При умеренно-неблагоприятной  погоде весовое содержание кислорода  снижается на 2-3%, при неблагоприятной  – более чем на 5%. Годовое снижение содержания кислорода составляет ныне 0.0016%, что в 1000 раз меньше, чем уровень  колебаний кислорода при умеренно-неблагоприятной  погоде. Следовательно, нельзя всерьез  говорить о каком-либо влиянии антропогенного потребления кислорода на здоровье и самочувствие людей.

В российском обществе широко распространено мнение о недостатке кислорода в северных широтах. Это  вопрос часто обсуждается на страницах  периодической печати и в Интернете. Однако физические причины для такого явления отсутствуют. Концентрация кислорода практически одинакова  в различных районах земного  шара, весовое содержание кислорода  в северных широтах существенно  больше по сравнению с умеренными за счет более высокого давления. Именно высокое весовое содержание кислорода  в атмосферном воздухе и приводит к развитию в организме человека так называемой вторичной гипероксической  гипоксии (Овчарова, 1981), то есть в данном случае имеет место обратный физиологический  ответ человеческого организма. Этот пример приводит к парадоксальному  выводу – с физиологической точки  зрения человек более легко адаптируется к недостатку весового содержания кислорода, чем к его избытку.

Со второй половины XX века вопросы, связанные с состоянием атмосферы и качеством атмосферного воздуха, входят в круг постоянно обсуждаемых экологических проблем. На национальном и международном уровне предпринимаются вполне конкретные практические шаги, связанные с охраной компонентов атмосферы и регуляции производства атмосферных загрязнителей.

 Критический анализ  потребления кислорода.

Современное потребление  кислорода в результате сжигания ископаемого топлива составляет около 15% от дыхания гетеротрофных  организмов суши, то есть скачок не столь  уж резкий. Количество атмосферного кислорода  уменьшается в относительном  выражении крайне незначительно, однако этот процесс стартовал на грани  XIX и XX столетий. Значит, порог естественного воспроизводства кислорода был превышен более ста лет назад.

Суммарное выделение кислорода (то есть разность между валовой  первичной продукцией и суммарным  дыханием) всей биотой суши составляет около 3000 млн. т. По существующим балансовым оценкам (Nilsson et al., 2000), наземные экосистемы России выделяют около 560 млн. т кислорода в год.

Снижение содержания кислорода  зарегистрировано во многих районах  мирового океана. Его причиной является не снижение концентрации атмосферного кислорода, а повышение температуры  воды в результате глобального потепления, приводящее к снижению растворимости  кислорода. Негативные последствия  этого процесса для морских экосистем  пока изучены недостаточно.

При одновременном сжигании всех горючих ископаемых будет израсходовано  лишь 2% от современного запаса кислорода  атмосферы. Полное разложение всех растений, почвенного гумуса и торфа удалит из атмосферы 0.5% кислорода.

Кислородного голодания  на суше нет, так как израсходована  слишком малая часть кислорода  атмосферы. Содержание CO₂ в атмосфере очень мало по сравнению с кислородом, и потому человечество способно существенно изменить его. Роль CO₂ как регулятора парникового эффекта не вызывает сомнений у подавляющей части мирового научного сообщества.

Уничтожение лесов, конечно  же, крайне негативное явление. Однако кислород производит лишь растущий лес, в спелом лесу годичные потоки продукции  и разложения сбалансированы. Роль спелых лесов состоит в хранении связанного углерода. Обезлесивание приводит к выделению CO₂ в атмосферу и поглощению O₂ за счет окисления биомассы сведенных лесов.

И Россия, и промышленные страны западного мира, и бурно  развивающиеся Китай и страны Юго-Восточной Азии используют в  настоящее время не собственные  кислородные ресурсы и не ресурсы  других стран, а тот кислород, который  был накоплен в атмосфере за время  развития биосферы. Основным фактором этого накопления, как было показано выше, являлось захоранивание органического  углерода в осадочных породах  литосферы. Возвращение этого углерода в атмосферу в массовых количествах  невозможно, поскольку в ископаемом топливе содержится лишь 0.08% от общих  запасов органического углерода литосферы. И потому кислородный  ресурс атмосферы может в настоящее  время рассматриваться как неисчерпаемый

4. Приведите примеры основных источников загрязнения атмосферы

К природным источникам загрязнения  относятся: извержения вулканов, пыльные  бури, лесные пожары, пыль космического происхождения, частицы морской  соли, продукты растительного, животного  и микробиологического происхождения. Уровень такого загрязнения рассматривается  в качестве фонового, который мало изменяется со временем.

Главный природный процесс  загрязнения приземной атмосферы  – вулканическая и флюидная активность Земли Крупные извержения вулканов приводят к глобальному и долговременному  загрязнению атмосферы, о чем  свидетельствуют летописи и современные  наблюдательные данные (извержение вулкана  Пинатубо на Филиппинах в 1991 году). Это  обусловлено тем, что в высокие  слои атмосферы мгновенно выбрасываются  огромные количества газов, которые  на большой высоте подхватываются движущимися  с высокой скоростью воздушными потоками и быстро разносятся по всему  земному шару. Продолжительность  загрязненного состояния атмосферы  после крупных вулканических  извержений достигает нескольких лет.

Антропогенные источники  загрязнения обусловлены хозяйственной  деятельностью человека. К ним  следует отнести:

1. Сжигание горючих ископаемых, которое сопровождается выбросом 5 млрд. т. углекислого газа в  год. В результате этого за 100 лет (1860 – 1960 гг.) содержание  СО2 увеличилось на 18 %  (с 0,027 до 0,032%). За последние три десятилетия  темпы этих выбросов значительно  возросли. При таких темпах к  2000 г. количество углекислого  газа в атмосфере составит  не менее 0,05%.

2. Работа тепловых электростанций, когда при сжигании высокосернистых  углей в результате выделения  сернистого газа и мазута образуются  кислотные дожди.

3. Выхлопы современных  турбореактивных самолетов с  оксидами азота и газообразными  фторуглеводородами из аэрозолей,  которые могут привести к повреждению  озонового слоя атмосферы (озоносферы).

4. Производственная деятельность.

5. Загрязнение взвешенными  частицами (при измельчении, фасовке  и загрузке, от котельных, электростанций, шахтных стволов, карьеров при  сжигании мусора).

6. Выбросы предприятиями  различных газов.

7. Сжигание топлива в  факельных печах, в результате  чего образуется самый массовый  загрязнитель – монооксид углерода.

8. Сжигание топлива в  котлах и двигателях транспортных  средств, сопровождающееся образованием  оксидов азота, которые вызывают  смог.

9. Вентиляционные выбросы  (шахтные стволы).

10. Вентиляционные выбросы  с чрезмерной концентрацией озона  из помещений с установками  высоких энергий (ускорители, ультрафиолетовые  источники и атомные реакторы) при ПДК в рабочих помещениях 0,1 мг/м3. В больших количествах  озон является высокотоксичным  газом.