Степановских А.С. Экология

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 4.25. Можжевельник туркестанский - на склонах хребта

Терекей-Алатау (по И. Г. Серебрякову, 1955):

А – древовидная форма (лугово-лесной пояс, 2900 м над уровнем моря); Б – стланник

(субальпийский пояс, 3200 м над уровнем моря)

Характерная морфологическая черта многих высокогорных приземистых

растений, например кустарников и кустарничков, — значительное

преобладание подземной массы по сравнению с надземной.

Низкорослость высокогорных растений связывают с адаптацией к низким

температурам и с формообразующим действием радиации, богатой

коротковолновой частью спектра, тормозящей ростовые процессы. В

анатомическом строении высокогорных растений есть ряд черт, которые

способствуют защите от избыточной радиации, связаны с характером водного

режима и обмена веществ в высокогорьях: утолщение покровных тканей,

придающих устойчивость к сильным ветрам и т. д. У растений, живущих на

скалах, наблюдаются изменения в сторону ксероморфоза: уменьшаются

размеры клеток и возрастает плотность тканей, увеличивается число устьиц на

единицу поверхности листа, уменьшаются их размеры. У видов же, обитающих

вблизи талых вод или других источников увлажнения, листья крупнее и

ксероморфные черты выражены слабее.

Низкие температуры и сильная освещенность способствуют образованию

больших количеств антоциана, отсюда глубокие, насыщенные тона окраски

цветов. Сочетание небольших листьев при малом росте и крупных

яркоокрашенных цветков — характерная черта многих альпийских растений.

Характерная черта физиологии и биохимии высокогорных растений —

повышение интенсивности окислительно-восстановительных процессов,

увеличение активности участвующих в них ферментов (каталазы, пероксидазы

и др.), более низкие, чем у равнинных растений, температурные оптимумы их

работы.

Дыхание высокогорных растений устойчиво к неблагоприятным

воздействиям, как правило, наблюдается усиление дыхания, а следовательно, и

увеличение энергии, освобождающейся при распаде сложных соединений. По

современным представлениям, это является одной из физиологических основ

приспособленности растений к крайним условиям.

При поднятии в горы меняется и сезонное развитие растений. Так,

весной, поднимаясь в горы, можно видеть развитие одного и того же вида в

следующей последовательности: в низкогорном поясе — цветение, в среднем

— бутонизацию, еще выше — начало вегетации и, наконец, только появление

после таяния снега. Осенью же при подъеме в горы наблюдаем ускоренное

наступление осенних фенофаз: расцвечивание листвы, листопад, отмирание

надземных частей. Четко прослеживается сокращение у растений

вегетационного периода.

Наряду с высотой над уровнем моря большое значение для живых

организмов имеют экспозиция и крутизна склонов.

В северном полушарии склоны гор, обращенные на юг, получают больше

солнечного света, интенсивность света и температура здесь выше, чем на дне

долины и на склонах северной экспозиции. В южном же полушарии

наблюдается обратная ситуация. Это оказывает поразительное влияние как на

естественную растительность, так и на угодья, используемые человеком.

Например, широкие расщелины между скалами над Дунаем в восточной

Сербии, защищенные от ветров и испытывающие увлажняющее действие реки,

способствовали сохранению многих редких, реликтовых и эндемических видов

растений, среди них «медвежий орешник» —Corylus colurna, грецкий орех —

Juglans regia, сирень (дикая форма) — Syringa vulgaris и др.

Для крутых склонов характерны быстрый дренаж и смывание почв. Здесь

почвы обычно маломощные и более сухие, с ксероморфной растительностью.

При уклоне, превышающем 35°, почва не образуется, растительность

отсутствует, создаются осыпи из рыхлого материала.

4.7. Прочие физические факторы

К прочим физическим факторам, окружающим живые организмы на

Земле, относят главным образом атмосферное электричество, огонь, шум,

магнитное поле Земли, ионизирующие излучения.

Атмосферное электричество действует на живые организмы

посредством разрядов и ионизации воздуха. Например, известно губительное

действие молний при попадании в крупные деревья, животных. Есть

определенные закономерности в частоте повреждаемости молнией различных

древесных пород. Это связывают как с формой кроны, так и с

электропроводящими свойствами коры, например с быстротой ее намокания.

По частоте поражения молниями на первом месте стоят ель и сосна, затем

береза, а осина повреждается значительно реже. Молнии вызывают

механическое повреждение деревьев (расщепление стволов, трещины),

выпадение крупных деревьев, тем самым оказывают влияние на структуру

древостоя, зачастую являются причиной возникновения пожаров. Около 21%

пожаров лесных угодий России происходит по вине молний, при грозах.

Роль атмосферных электрических разрядов состоит и в том, что они во

время грозы из атмосферного азота и кислорода синтезируют окиси азота,

которые с дождевыми водами попадают в почву и накапливаются в ней от 4 до

10 кг в год на 1 гектар в форме селитры и азотной кислоты.

Действие ионизации воздуха на человека, животных и растения еще

недостаточно изучено. Вместе с тем достоверно установлена прямая

зависимость между самочувствием человека и присутствием легких ионов в

воздухе. Высказывается мнение, что ионизация воздуха служит материальной

способности некоторых растений «предсказывать погоду» (снижение

фотосинтеза и дыхания, закрывание устьиц и прекращение транспирации перед

грозой задолго до падения атмосферного давления). Экспериментально

доказано влияние слабого тока на корневые системы некоторых растений.

Например, у саженцев ели и сосны фитомасса увеличивается на 100—120%.

Установлена возможность с помощью воздействия направленного

электрического поля регулировать темпы перемещения веществ внутри дерева,

а следовательно, и темпы его роста.

Огонь в жизни растений и животных — довольно редкий, но весьма

действенный фактор. Пожары, например, в лесах, как уже было отмечено ранее,

могут возникать как естественным путем от ударов молний, так и по вине

человека, его деятельности. Поэтому огонь относят как к естественным

экологическим факторам, так и антропогенным.

Серьезные последствия имеют не только верховые лесные пожары,

охватывающие весь древостой, но и низовые, которые губят напочвенную

растительность, подрост, нижние ветви деревьев, нередко корневую систему.

Гибнут животные. Кроме повреждений непосредственно от огня пожары

вызывают ухудшение состояния древостоя. Снижается прирост. Ослабленные

деревья в большей степени заражаются грибами, такими, как древесная гниль,

легко проникающими через «огневые раны», подвергаются нападению

насекомых-вредителей.

Лесные пожары сильно изменяют условия обитания растений и

животных. Во время пожара в хвойных лесах температура доходит до 800—

900°С, в почве на глубине 3,5 см — до 95°С, на глубине 7см — до 70"С. В

сухих лесах практически полностью сгорает подстилка и почвенный гумус.

Минеральные частицы верхнего слоя почвы спекаются. Образуются комки или

стекловидная корка, трудно проницаемые для воздуха, воды и корней. Почва

сильно уплотняется. От сгорания органических кислот и освобождения

оснований кислотность почвы резко уменьшается, в верхних горизонтах

значение рН нередко доходит до сильнощелочного. От высокой температуры

верхние слои почвы стерилизуются — гибнет почвенная микрофлора, а в более

глубоких — изменяется ее состав, происходит обеднение наиболее важными

для жизнедеятельности растений группами. Так, в почвах хвойных лесов после

пожаров преобладает деятельность микроорганизмов, вызывающих масляно-

кислое брожение и денитрификацию.

После лесных пожаров происходит резкое изменение условий в

растительных сообществах (осветление, изменение температурного и других

факторов микроклимата), особенно когда произошло уничтожение древостоя, и

ведет к тому, что в дальнейшем гари заселяются видами живых организмов с

различными адаптивными особенностями, помогающими перенести пожар и

выжить на гарях. Так, у растений это глубокие подземные почки

возобновления, способность семян долго сохраняться в почве и выдерживать

высокую температуру, выносливость к заморозкам, сильной освещенности и т.

д.

Возобновление растительности на гарях имеет свои особенности. На

выжженных местах из спор, занесенных ветром, появляются мхи-пионеры,

через три — пять лет из мхов наиболее обилен «пожарный мох» — Funaria

hygrometrica. Из высших растений быстро заселяет гари иван-чай

(Chamaenerion angustifolion). Постепенное заселение гарей происходит и

древесной растительностью — ивой, березой, осиной и др. (рис. 4.26).

Рис. 4.26. Влияние пожара на растительность древесных «колков»

Зауральской лесостепи (по Д. Ф. Федюнину, 1953) :

А — до пожара; Б — после пожара; В — через год после пожара; 1 — ива; 2 — береза, 3 — осина

Степные пожары («палы») могут быть более или менее регулярными,

связанными с деятельностью человека, и играть существенную роль в жизни

живых организмов, иногда и положительную для регулирования роста,

возобновления, отбора видов и поддержания постоянного состава травостоя.

Шум как естественный экологический фактор для живых организмов

несуществен, но может оказывать и существенное воздействие с усилением

антропогенных воздействий (шум, возникающий при работе транспортных

средств, оборудования промышленных и бытовых предприятий,

вентиляционных и газотурбинных установок и др.).

Величину звуковых давлений изменяют и нормируют в децибелах. Весь

диапазон слышимых человеком звуков укладывается в 150 дБ. На нашей

планете жизнь организмов проходит в мире звуков. Например, орган слуха

человека приспособлен к некоторым постоянным или повторяющимся шумам

(слуховая адаптация). Человек теряет работоспособность без привычных

шумов. Сильный шум еще более отрицательно сказывается на здоровье

человека. У людей, живущих и работающих в неблагоприятных акустических

условиях, имеются признаки изменения функционального состояния

центральной нервной и сердечно-сосудистой систем.

Исследованиями доказано воздействие шума и на растительные

организмы. Так, растения близ аэродромов, с которых непрерывно стартуют

реактивные самолеты, испытывают угнетение роста и даже отмечается

исчезновение отдельных видов. В целом ряде научных работ показано

угнетающее действие шума (около 100 дБ с частотой звука от 31,5 до 90 тыс.

Гц) на растения табака, где обнаруживали снижение интенсивности роста

листьев, в первую очередь у молодых растений. Привлекает внимание ученых и

действие ритмических звуков на растения. Исследования по изучению действия

музыки на растения (кукуруза, тыква, петуния, циния, календула), проведенные

в 1969 г. американским музыкантом и певицей Д. Ретолэк, показали, что на

музыку Баха и индийские музыкальные мелодии растения отзывались

положительно. Их габитус, сухой вес биомассы были наибольшими по

сравнению с контролем. И что самое удивительное, так это то, что их стебли

прямо-таки тянулись к источнику этих звуков. В то же время на рок-музыку и

непрерывные барабанные ритмы зеленые растения отвечали уменьшением

размеров листьев и корней, снижением массы, и все они отклонялись от

источника звука, как будто бы хотели уйти от губительного действия музыки

(рис. 4.27).

Рис. 4.27. Вид растений после действия разной музыки:

А — индийские мелодии (Р. Шанкар); Б — музыка И.-С. Баха; В — рок-музыка (опыты Д. Ретолэк,

1969)

Растения, подобно людям, реагируют на музыку как целостный живой

организм. Их чувствительными «нервными» проводниками, по мнению ряда

ученых, являются флоэмные пучки, меристема и возбудимые клетки,

расположенные в разных частях растения, связанные между собой

биоэлектрическими процессами. Вероятно, этот факт — одна из причин

сходства реакции на музыку у растений, животных и человека.

Магнитное поле Земли. Наша планета Земля обладает магнитными

свойствами. Стрелка компаса всегда ориентируется по магнитному меридиану,

указывая одним концом на север, другим — на юг. МагнитологГпоказали, что

для создания наблюдаемого геомагнитного поля в центре Земли необходимо

поместить гигантский цилиндрический магнит диаметром 200 км и длиной

4000 км. Ось земного магнита расположена под углом 1,5" к оси вращения

Земли, поэтому магнитные полюса не совпадают с географическими. Со

временем магнитные полюса меняют свое положение. Установлено, что

северный магнитный полюс за сутки перемещается по поверхности Земли на

20,5 м, или 7,5 км в год, а Южный — на 30 м (11 км в год). Как у всякого

магнита, магнитные силовые линии Земли выходят из одного полюса и через

околоземное пространство замыкаются в другом полюсе. За счет этого явления

около Земли создается магнитосфера (рис. 4.28).

Рис. 4.28. Меридиональные сечения магнитосферы Земли:

1 — солнечный ветер; 2 — ударный фронт; 3 — магнитная полость; 4 — магнитопауза; 5 — верхняя

граница магнитосферной щели; 6 — плазменная мантия; 7 — внешний радиационный пояс; 8 —

внутренний радиационный пояс, или плазмосфера; 9 — нейтральный слой; 10 — плазменный слой

Она задерживает потоки солнечных заряженных частиц, называемых

плазмой, или солнечным ветром, не пропуская их к поверхности планеты.

Солнечный ветер как бы огибает Землю и смещается на ночную сторону,

вытягивая, в свою очередь, и магнитные силовые линии в этом же направлении.

Деформация магнитных силовых линий связана с тем, что потоки солнечной

плазмы несут с собой как бы «вмороженное» магнитное поле, которое и

взаимодействует с магнитосферой Земли. За последние 600 тыс. лет

палеомагнитологи зафиксировали 12 эпох инверсии геомагнитного поля (табл.

4.10).

Таблица 4.10

Инверсия магнитного пола Земли за последние 600 тыс. лет

(по Е. М. Филиппову, 1990)

Европейская шкала (по данным

различных авторов), тыс. лет

Шкала Конг Юсуци (по данным

анализа Керна с берега Желтого

моря), тыс. лет

Название периода

инверсии для европейской

шкалы

—

10-12

20-24

36-36

106-112

218-268

326-346

378

500

600

2,9-3,2

7-8

11-13

19-31

41-43

50-60

110-130

198-215

293-311

400-420

500

—

Готтенборг

Лашами

Каргаполова

—

Блейк (х-зона)

Днепр-Чеган

у-эона

Уреки

—

К этим эпохам приурочиваются геологические, климатические,

биологические изменения на Земле, Спад геомагнитного поля до минимального

значения происходит примерно за 2700 лет, а его восстановление — за 8700

лет, т. е. полный цикл составляет около 11 400 лет. Г. Н. Матюшин (1982)

считает, что инверсия, происшедшая 250 тыс. лет назад, привела к появлению

неандертальца, обладающего зачатками речи.

Таким образом, жизнь на Земле существует в условиях естественного

(земного) магнитного поля. Однако напряженность его не везде одинакова. На

Земле есть области сильных магнитных аномалий, например в районах залежей

магнетитовых и других руд, богатых железом, где напряженность магнитного

поля зачастую превышает среднюю величину в 2—3 раза (район Курской

магнитной аномалии — КМА).

В последние годы значительно возрастает количество электромагнитной

энергии, рассеиваемой в атмосферу электростанциями, радио- и

телетрансляционными станциями, линиями электропередач. К 2000 г., по

прогнозам, оно составит 0,01% солнечной радиации, а следовательно, явится

существенным экологическим фактором. С этой точки зрения представляют

интерес экспериментальные исследования, в которых выявляется

чувствительность к действию магнитного поля. Например, в 1960 г. была

обнаружена способность растений реагировать на направление магнитных

силовых линий поля Земли. Семена растений, ориентированные зародышевой

частью к южному магнитному полюсу, прорастали более энергично, проростки

росли быстрее, чем в случае противоположной или поперечной ориентации.

Восприимчивость растений к магнитным воздействиям иллюстрируется рядом

других факторов: изгибание корешков и проростков высших растений,

спорангиев низших грибов по направлению магнитных силовых линий,

получившего название «магнитотропизма». Отмечено влияние магнитного поля

на преобладание особей мужского или женского пола у некоторых двудомных

видов, стимулирующее действие на рост культурных растений, подавление

инфекции, например у пшеницы и ячменя, грибного и бактериального

характера.

Обследование свекловичных полей Белгородской области (зона КМА)

показало отставание роста ботвы и корней сахарной свеклы в районе с

аномальным магнитным полем. В целом ряде экспериментальных исследований

выявлено, что искусственные магнитные поля большой напряженности

вызывают у растений различные нарушения.

Возможность восприятия позвоночными животными магнитного поля

обсуждается в научной литературе с середины XIX в. Впервые данный вопрос

на научной основе был поставлен в 1855 г. русским ученым А. Т.

Миддендорфом, предположившим возможность ориентации птиц по

геомагнитному полю. Позднее аналогичное предположение было высказано и в

отношение рыб, а с открытием электрорецепторов проблема восприятия

магнитного поля рыбами получила новый толчок к развитию. Оказалось, что

ампулы Лоренции скатов очень чувствительны к изменению магнитного поля,

вертикально пронизывающего тело.

Ионизирующие излучения. Живые организмы нашей планеты

постоянно испытывают на себе воздействие ионизирующего излучения. Это

необходимый компонент обитания в биосфере. Излучение с очень высокой

энергией, которое способно выбивать электроны из атомов и присоединять их

к другим атомам с образованием пар положительных и отрицательных ионов,

называется ионизирующим излучением. Такой способностью не обладают свет

и большая часть солнечного излучения.

Изотопы элементов, которые испускают радиоактивное излучение,

называются радиоактивными изотопами, или радионуклидами.

Из трех видов ионизирующего излучения, которые имеют важное

экологическое значение, два представляют собой корпускулярное излучение

(альфа- и бета-частицы), а третье — электромагнитное (гамма-излучение и

близкое ему рентгеновское излучение). Корпускулярное излучение состоит из

потока атомных или субатомных частиц, передающих свою энергию всему, с

чем они сталкиваются. Альфа-излучение — это ядра атомов гелия, имеющие по

сравнению с другими частицами огромные размеры. Длина пробега их в

воздухе равняется нескольким сантиметрам, их останавливает листок бумаги

или верхний роговой слой кожи человека. При остановке они вызывают

сильную локальную ионизацию. Бета-излучение — это быстрые электроны.

Они гораздо меньше, и длина их пробега в воздухе равна нескольким метрам, а

в ткани — нескольким сантиметрам. Свою энергию они отдают на протяжении

более длинного следа. Ионизирующее электромагнитное излучение сходно со

световым, отличаясь более короткой длиной волны, оно проходит в воздухе

большие расстояния и легко проникает в вещество, высвобождая свою энергию

на протяжении длинного следа, так называемая рассеянная ионизация. Гамма-

излучение легко проникает в живые ткани, может пройти сквозь организм, не

оказав никакого воздействия, или не может вызвать ионизацию на большом

отрезке своего пути. Действие гамма-излучения зависит от размера источника и

энергии, от расстояния между организмами и источником излучения, так как

интенсивность излучения экспоненциально падает с увеличением расстояния.

Свойства альфа-, бета- и гамма-излучения схематически показаны на рис. 4.29.

Рис. 4.29. Три типа ионизирующего излучения (по Ю. Одуму, 1986)

Примечание. Показана относительная проникающая способность и специфический ионизирующий

эффект

Следовательно, в последовательности альфа-, бета- и гамма-излучения

проницаемость возрастает, а плотность ионизации и локальное повреждение

уменьшаются. Радиоактивные вещества, испускающие альфа- и бета-излучение,

нередко называют «внутренними излучателями», как обладающие наибольшим

эффектом, будучи поглощены, заглочены или оказались каким-то образом

вблизи или внутри живой ткани. К «внешним излучателям» относят

радиоактивные вещества, испускающие преимущественно гамма-излучение.

Это проникающее излучение, оказывающее действие, когда его источник

находится вне организма.

Другие типы излучения также представляют определенный интерес. Так,

нейтроны — это крупные незаряженные частицы, сами по себе не вызывающие

ионизацию, но, выбивая атомы из стабильных состояний, они создают

наведенную радиоактивность в нерадиоактивных материалах или тканях,

сквозь которую проходят. При одинаковом количестве поглощенной энергии

«быстрые нейтроны» вызывают в 10, а «медленные» — в 5 раз большие

поражения, чем гамма-излучение. Нейтронное излучение обнаруживается

вблизи атомных реакторов и в местах ядерных взрывов, но оно играет

основную роль при образовании радиоактивных веществ, которые в

дальнейшем широко распространяются в природе.

Рентгеновское излучение представляет собой электромагнитное

излучение, очень близкое гамма-излучению. Оно обусловлено выбиванием

электронов из внешних электронных оболочек, не испускается радиоактивными

веществами, рассеянными в окружающей среде.

Естественное ионизирующее излучение складывается из трех

составляющих: космическая радиация (протоны, альфа-частицы, гамма-лучи),

излучение радиоактивных веществ, присутствующих в горных породах, почве,

и излучение радиоактивных веществ, попадающих в организм с воздухом,

пищей и водой.

Ионизирующее излучение в окружающей среде значительно повысилось

в результате использования человеком атомной энергии (атомное оружие,

атомные электростанции), рис. 4.30.

Рис. 4.30. Излучение в эпицентре взрыва атомной и водородной бомб

Так, при испытании атомного оружия в атмосферу вносятся

радионуклиды, которые в дальнейшем выпадают повсюду в виде

радиоактивных осадков. Около 10% энергии ядерного оружия представляют

собой остаточную радиацию (Ю. Одум,1986).

Атомные электростанции: получение топлива для их работы,

транспортировка и захоронение радиоактивных отходов и наконец аварии —

100