Основи екології 2

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Азот - одне з найпоширеніших речовин у біосфері, вузької оболонці Землі, де підтримується життя. Так, майже 80% повітря, яким ми дихаємо, складається з цього елемента. Основна частина атмосферного азоту знаходиться у вільній формі (див. Хімічні зв'язку), при якій два атоми азоту з'єднані разом, утворюючи молекулу азоту - N2. Через те, що зв'язки між двома атомами дуже міцні, живі організми не здатні безпосередньо використовувати молекулярний азот - його спочатку необхідно перевести в «пов'язана» стан. У процесі зв'язування молекули азоту розщеплюються, даючи можливість окремим атомам азоту брати участь у хімічних реакціях з іншими атомами, наприклад з киснем, і таким чином заважаючи їм знову об'єднатися в молекулу азоту. Зв'язок між атомами азоту і іншими атомами досить слабка, що дозволяє живим організмам засвоювати атоми азоту. Тому зв'язування азоту - надзвичайно важлива частина життєвих процесів на нашій планеті.
Кругообіг азоту являє собою ряд замкнутих взаємопов'язаних шляхів, по яких азот циркулює в земній біосфері. Розглянемо спочатку процес розкладання органічних речовин у грунті. Різні мікроорганізми отримують азот з розкладаються матеріалів і переводять його в молекули, необхідні їм для обміну речовин. При цьому залишився азот вивільняється у вигляді аміаку (NH3) або іонів амонію (NH4 +). Потім інші мікроорганізми пов'язують цей азот, переводячи його зазвичай у форму нітратів (NO3-). Вступаючи до рослини (і в кінцевому рахунку потрапляючи в організми живих істот), цей азот бере участь в утворенні біологічних молекул. Після загибелі організму азот повертається в грунт, і цикл починається знову.
Під час цього циклу можливі як втрати азоту - коли він включається до складу відкладень або вивільняється в процесі життєдіяльності деяких бактерій (так званих денитрифицирующих бактерій), - так і компенсація цих втрат за рахунок виверження вулканів та інших видів геологічної активності.
Уявіть собі, що біосфера складається з двох сполучених резервуарів з азотом - величезного (в ньому знаходиться азот, що міститься в атмосфері і океанах) і зовсім маленького (в ньому знаходиться азот, що міститься в живих істот). Між цими резервуарами є вузький прохід, в якому азот тим чи іншим способом зв'язується. У нормальних умовах азот з навколишнього середовища потрапляє через цей прохід в біологічні системи і повертається в навколишнє середовище після загибелі біологічних систем.
Наведемо кілька цифр. В атмосфері азоту міститься приблизно 4 квадрильйона (4.1015) тонн, а в океанах - близько 20 трильйонів (20.1012) тонн. Незначна частина цієї кількості - близько 100 мільйонів тонн - щорічно зв'язується і включається до складу живих організмів. З цих 100 мільйонів тонн зв'язаного азоту лише 4 мільйони тонн міститься в тканинах рослин і тварин - все інше накопичується в розкладають мікроорганізмах і врешті-решт повертається в атмосферу.
Головний постачальник пов'язаного азоту в природі - бактерії: завдяки їм зв'язується приблизно від 90 до 140 мільйонів тонн азоту (точних цифр, на жаль, немає). Найвідоміші бактерії, що зв'язують азот, знаходяться в бульбочках бобових рослин. На їх використанні грунтується традиційний метод підвищення родючості грунту: на полі спочатку вирощують горох або інші бобові культури, потім їх заорюють в землю, і накопичений у їх бульбочках зв'язаний азот переходить в грунт. Потім поле засівають іншими культурами, які цей азот вже можуть використовувати для свого зростання.
Деяка кількість азоту переводиться в зв'язаний стан під час грози. Ви здивуєтеся, але спалахи блискавок відбуваються набагато частіше, ніж ви думаєте, - близько ста блискавок кожну секунду. Поки ви читали цей абзац, в усьому світі блиснуло приблизно 500 блискавок. Електричний розряд нагріває атмосферу навколо себе, азот з'єднується з киснем (відбувається реакція горіння) з утворенням різних оксидів азоту. І хоча це досить видовищна форма зв'язування, вона охоплює лише 10 мільйонів тонн азоту в год.Такім чином, в результаті природних процесів зв'язується від 100 до 150 мільйонів тонн азоту рік. У ході людської діяльності теж відбувається зв'язування азоту і перенесення його в біосферу (наприклад, все те ж засівання полів бобовими культурами призводить щорічно до утворення 40 мільйонів тонн зв'язаного азоту). Більш того, при згоранні викопного палива в електрогенераторах і в двигунах внутрішнього згоряння відбувається розігрів повітря, як і у випадку з розрядом блискавки. Всякий раз, коли ви здійснюєте поїздку на автомобілі, в біосферу надходить додаткова кількість пов'язаного азоту. Приблизно 20 мільйонів тонн азоту в рік зв'язується при спалюванні природного палива.
Але найбільше пов'язаного азоту людина виробляє у вигляді мінеральних добрив. Як це часто буває з досягненнями технічного прогресу, технологією зв'язування азоту в промислових масштабах ми зобов'язані військовим. У Німеччині перед Першою світовою війною був розроблений спосіб отримання аміаку (одна з форм пов'язаного азоту) для потреб військової промисловості. Недолік азоту часто стримує ріст рослин, і фермери для підвищення врожайності купують штучно зв'язаний азот у вигляді мінеральних добрив. Зараз для сільського господарства щороку виробляється трохи більше 80 мільйонів тонн зв'язаного азоту (зауважимо, що він вживається не тільки для вирощування харчових культур - приміські галявини і сади удобрюють ним же).
Підсумувавши весь вклад людини у кругообіг азоту, отримуємо цифру близько 140 мільйонів тонн на рік. Приблизно стільки ж азоту зв'язується в природі природним чином. Таким чином, за порівняно короткий період часу людина стала робити істотний вплив на кругообіг азоту в природі. Які будуть наслідки? Кожна екосистема здатна засвоїти певну кількість азоту, і в наслідки цього в цілому сприятливі - рослини стануть рости швидше. Однак при насиченні екосистеми азот почне вимиватися в річки. Евтрофікація (забруднення водойм водоростями) озер - мабуть, найнеприємніша екологічна проблема, пов'язана з азотом. Азот удобрює озерні водорості, і вони розростаються, витісняючи всі інші форми життя в цьому озері, оскільки, коли водорості гинуть, на їхнє розкладання витрачається майже весь розчинений у воді кисень.
Тим не менш доводиться визнати, що видозміна кругообігу азоту - ще далеко не найгірша проблема з тих, з якими зіткнулося людство. У зв'язку з цим можна навести слова Пітера Вітошека, еколога із Стенфордського університету, який вивчає рослини: «Ми рухаємося до зеленого й зарослого бур'янами світу, але це не катастрофа. Дуже важливо вміти відрізнити катастрофу від деградації ».
Як ми знаємо ще зі шкільного курсу хімії, чиста вода складається з молекул, що містять два атоми водню і один атом кисню. Проте в кожен момент часу деякі з цих молекул дисоціюють на позитивно заряджені іони водню (тобто протони, H +) і негативно заряджені гидроксид-іони (OH-); одночасно з цим якісь сусідні іони H + і OH-з'єднуються з утворенням молекул води . Таким чином, навіть у найчистішій воді зберігається динамічний баланс, рівновага, з присутністю певної кількості іонів водню (протонів). Ці протони пов'язані з молекулами води, утворюючи іони гідронім - три атоми водню і один атом кисню. У чистій воді концентрація іонів гідронім складає 10-7 молей (див. Закон Авогадро) на літр.
Для оцінки кількості іонів водню у воді хіміки використовують поняття водневого показника pH (скор. від англ. "Power of hydrogen» - «ступінь водню»). Домовилися вважати, що pH чистої води рівний 7. Такий водневий показник відповідає хімічно нейтральному середовищі (див. Кислоти і підстави). З підвищенням концентрації іонів водню pH знижується, і такі рідини вже називаються кислотами. Завдяки надлишкового змісту іонів водню кислоти активно реагують з іншими речовинами.
Термін «кислотний дощ» з'явився в середині XIX століття, коли британські учені відмітили, що забруднення повітря в промислово розвиненій центральній Англії привело до випадання кислих, ніж зазвичай, дощів. Але тільки в другій половині XX століття стало зрозуміло, що кислотні дощі несуть в собі загрозу навколишньому середовищу.
Треба сказати, що звичайний дощ є кислим сам по собі, навіть у відсутність заводів. Це відбувається через те, що в процесі формування і випадання дощові краплі розчиняють що знаходиться в повітрі вуглекислий газ і реагують з ним з утворенням вугільної кислоти (H2CO3). Чистий дощ, що проходить через незабруднене повітря, є водним розчином з pH 5,6 (до моменту удару об землю). Як ми побачимо далі, основна причина випадання кислотних дощів - це діяльність людини, проте є і природні причини, починаючи з виверження вулканів і розряду блискавки і кінчаючи життєдіяльністю бактерій. Загалом, навіть якщо б ми закрили всі фабрики і перестали їздити на машинах і вантажівках, значення pH дощу все одно було б приблизно 5,0. Тому зараз прийнято вважати дощ кислотним, якщо його pH нижче 5,0.
У сучасному промисловому світі надмірна кислотність дощу обумовлена ​​в основному присутністю двох речовин:
- Оксиди сірки. Ці з'єднання потрапляють в атмосферу природним чином при виверженнях вулканів, але значна частина атмосферних оксидів сірки утворюється в результаті спалювання природного палива. Вугілля і нафта містять невелику кількість сірі. При спалюванні цих видів палива в атмосферу потрапляє сірка в з'єднанні з киснем. Розчиняючись в дощових краплях, оксид сірки утворює сірчану кислоту.
- Оксиди азоту. При досить високій температурі міститься в повітрі азот з'єднується з киснем з утворенням оксиду азоту. У природі це може відбутися під час розряду блискавки, але основна частина оксидів утворюється при спалюванні бензину в двигунах внутрішнього згоряння (наприклад, в автомобілях) або при спалюванні вугілля. При розчиненні цих речовин в крапельках води утворюється азотна кислота.
Таким чином, дощі стають кислотними при вимиванні з повітря сірчаних і азотних з'єднань. Це явище має декілька наслідків, згубних для природи. Наприклад, багато історичних будівель в Європі побудовано з вапняку - будівельного матеріалу, що реагує з кислотою. З часом кислотні дощі буквально роз'їдають поверхню цих будівель. При випаданні кислотних дощів також відбувається закислення грунту і погіршуються умови існування лісів. Деякий час думали, що масове відмирання верхівок дерев у лісах на сході США і в Німеччині обумовлено кислотними дощами, але тепер ця точка зору не підтримується. (Дійсно, ліси гинуть, але пов'язано це з іншими причинами.) І нарешті, кислотні дощі підвищують кислотність річок і озер, тим самим створюючи загрозу флорі і фауні.
Методи боротьби з освітою кислотних дощів направлені на поліпшення технології видалення з'єднань сірки з повітряних викидів промислових підприємств і електростанцій, для чого зазвичай використовують пристрій під назвою скрубер. Уряди деяких держав навіть прийняли закони, що обмежують вміст забруднюючих речовин у вихлопах транспортних засобів.
Все земне життя заснована на вуглеці. Кожна молекула живого організму побудована на основі вуглецевого скелета. Атоми вуглецю постійно мігрують з однієї частини біосфери (вузької оболонки Землі, де існує життя) в іншу. На прикладі круговороту вуглецю в природі можна простежити в динаміці картину життя на нашій планеті.
Основні запаси вуглецю на Землі перебувають у вигляді міститься в атмосфері і розчиненого у Світовому океані діоксиду вуглецю, тобто вуглекислого газу (CO2). Розглянемо спочатку молекули вуглекислого газу, що знаходяться в атмосфері. Рослини поглинають ці молекули, потім у процесі фотосинтезу атом вуглецю перетворюється в різноманітні органічні сполуки і таким чином включається в структуру рослин. Далі можливі декілька варіантів:
вуглець може залишатися в рослинах, поки рослини не загинуть. Тоді їх молекули підуть в їжу редуцентам (організмам, які харчуються мертвою органічною речовиною і при цьому руйнують його до простих неорганічних сполук), таким як гриби і терміти. Зрештою вуглець повернеться в атмосферу як CO2;
рослини можуть бути з'їдені травоїдними тваринами. У цьому випадку вуглець або повернеться в атмосферу (в процесі дихання тварин і при їх розкладанні після смерті), або травоїдні тварини будуть з'їдені м'ясоїдними (і тоді вуглець знову ж таки повернеться в атмосферу тими ж шляхами);
рослини можуть загинути і опинитися під землею. Тоді в кінцевому підсумку вони перетворяться на викопне паливо - наприклад, у вугілля.
У разі ж розчинення вихідної молекули CO2 в морській воді також можливо кілька варіантів:
вуглекислий газ може просто повернутися в атмосферу (цей вид взаємного газообміну між Світовим океаном і атмосферою відбувається постійно);
вуглець може увійти в тканині морських рослин або тварин. Тоді він буде поступово накопичуватися у вигляді відкладень на дні Світового океану і врешті-решт перетвориться на вапняк (див. Цикл перетворення гірської породи) або з відкладень знову перейде в морську воду.
Якщо вуглець увійшов до складу осадових відкладень чи викопного палива, він вилучається з атмосфери. На протязі існування Землі вилучений таким чином вуглець замещался вуглекислим газом, які потрапляли в атмосферу при вулканічних виверженнях та інших геотермальних процесах. У сучасних умовах до цих природних факторів додаються також викиди при спалюванні людиною викопного палива. У зв'язку з впливом CO2 на парниковий ефект дослідження кругообігу вуглецю стало важливою задачею для вчених, що займаються вивченням атмосфери.
Складовою частиною цих пошуків є встановлення кількості CO2, що знаходиться в тканинах рослин (наприклад, у щойно посадженому лісі) - вчені називають це стоком вуглецю. Оскільки уряди різних країн намагаються досягти міжнародної угоди з обмеження викидів CO2, питання збалансованого співвідношення стоків та викидів вуглецю в окремих державах став головним яблуком розбрату для промислових країн. Проте учені сумніваються, що накопичення вуглекислого газу в атмосфері можна зупинити одними лісопосадками.
Зелені рослини - біологи називають їх автотрофами - основа життя на планеті. З рослин починаються практично всі харчові ланцюги. Вони перетворюють енергію, що падає на них у формі сонячного світла, в енергію, накопичену у вуглеводах (див. Біологічні молекули), з яких найважливіше шестіуглеродний цукор глюкоза. Цей процес перетворення енергії називається фотосинтезом. Інші живі організми отримують доступ до цієї енергії, поїдаючи рослини. Так створюється харчова ланцюг, підтримуюча планетарну екосистему.
Крім того, повітря, яким ми дихаємо, завдяки фотосинтезу насичується киснем. Сумарне рівняння фотосинтезу виглядає так:
вода + вуглекислий газ + світловуглеводи + кисень
Рослини поглинають вуглекислий газ, що утворився при диханні, і виділяють кисень - продукт життєдіяльності рослин (див. Гліколіз і дихання). До того ж, фотосинтез грає найважливішу роль в круговороті вуглецю в природі.
Здається дивним, що при всій важливості фотосинтезу вчені так довго не приступали до його вивчення. Після експерименту Ван Гельмонта, поставленого в XVII столітті, настало затишшя, і лише в 1905 році англійський фізіолог рослин Фредерік Блекман (Frederick Blackman, 1866-1947) провів дослідження і встановив основні процеси фотосинтезу. Він показав, що фотосинтез починається при слабкому освітленні, що швидкість фотосинтезу зростає із збільшенням світлового потоку, але, починаючи з певного рівня, подальше посилення освітлення вже не приводить до підвищення активності фотосинтезу. Блекман показав, що підвищення температури при слабкому освітленні не впливає на швидкість фотосинтезу, але при одночасному підвищенні температури та освітлення швидкість фотосинтезу зростає значно більше, ніж при одному лише посилення освітлення.
На підставі цих експериментів Блекман уклав, що відбуваються два процеси: один з них у значній мірі залежить від рівня освітлення, але не від температури, тоді як другий сильно визначається температурою незалежно від рівня світла. Це осяяння лягло в основу сучасних уявлень про фотосинтезі. Два процеси іноді називають «світловий» і «темнової» реакцією, що не цілком коректно, оскільки виявилося, що, хоча реакції «темнової» фази йдуть і у відсутності світла, для них необхідні продукти «світловий» фази.
Фотосинтез починається з того, що випромінюються сонцем фотони потрапляють в особливі пігментні молекули, що знаходяться в листі, - молекули хлорофілу. Хлорофіл міститься в клітинах листа, в мембранах клітинних органел хлоропластів (саме вони надають листу зелене забарвлення). Процес вловлювання енергії складається з двох етапів і здійснюється в роздільних кластерах молекул - ці кластери прийнято називати фотосистеми I і фотосистеми II. Номери кластерів відображають порядок, в якому ці процеси були відкриті, і це одна з кумедних наукових дивацтв, оскільки в листі спочатку відбуваються реакції в фотосистеми II, і лише потім - у фотосистемі I.
Коли фотон стикається з 250-400 молекул фотосистеми II, енергія стрибкоподібно зростає і передається на молекулу хлорофілу. У цей момент відбуваються дві хімічні реакції: молекула хлорофілу втрачає два електрона (які приймає інша молекула, звана акцептором електронів) і розщеплюється молекула води. Електрони двох атомів водню, що входили в молекулу води, відшкодовують два втрачених хлорофілом електрона.
Після цього високоенергетичний («швидкий») електрон перекидають один одному, як гарячу картоплину, зібрані в ланцюжок молекулярні переносники. При цьому частина енергії йде на освіту молекули аденозинтрифосфату (АТФ), одного з основних переносників енергії в клітині (див. Біологічні молекули). Тим часом трохи інша молекула хлорофілу фотосистеми I поглинає енергію фотона і віддає електрон іншої молекули-акцептор. Цей електрон заміщується в хлорофілі електроном, прибулим по ланцюгу переносників з фотосистеми II. Енергія електрона з фотосистеми I і іони водню, що утворилися раніше при розщепленні молекули води, йдуть на освіту НАДФ-Н, іншої молекули-переносника.
У результаті процесу уловлювання світла енергія двох фотонів запасається у молекулах, що використовуються клітиною для здійснення реакцій, і додатково утворюється одна молекула кисню. (Зазначу, що в результаті ще одного, значно менш ефективного процесу за участю однієї лише фотосистеми I, також утворюються молекули АТФ.) Після того як сонячна енергія поглинена і запасена, настає черга утворення вуглеводів. Основний механізм синтезу вуглеводів в рослинах був відкритий Мелвіном Калвіном, проробивши в 1940-і роки серію експериментів, що стали вже класичними. Калвін і його співробітники вирощували водорість в присутності вуглекислого газу, що містить радіоактивний вуглець-14. Їм вдалося встановити хімічні реакції темнової фази, перериваючи фотосинтез на різних стадіях.
Цикл перетворення сонячної енергії в вуглеводи - так званий цикл Калвіна - схожий з циклом Кребса (див. Гліколіз і дихання): він теж складається з серії хімічних реакцій, які починаються з з'єднання входить молекули з молекулою-«помічником» з подальшою ініціацією інших хімічних реакцій . Ці реакції приводять до утворення кінцевого продукту і водночас відтворюють молекулу-«помічника», і цикл починається знову.
У циклі Калвіна роль такої молекули-«помічника» виконує п'ятивуглецевий цукор рібулозодіфосфат (РДФ). Цикл Калвіна починається з того, що молекули вуглекислого газу з'єднуються з РДФ. За рахунок енергії сонячного світла, запасеної у формі АТФ і НАДФ-H, спочатку відбуваються хімічні реакції зв'язування вуглецю з утворенням вуглеводів, а потім - реакції відтворення рібулозодіфосфата. На шести витках циклу шість атомів вуглецю включаються в молекули попередників глюкози та інших вуглеводів. Цей цикл хімічних реакцій буде тривати до тих пір, поки надходить енергія. Завдяки цьому циклу енергія сонячного світла стає доступної живим організмам.
У більшості рослин здійснюється описаний вище цикл Калвіна, в якому вуглекислий газ, безпосередньо беручи участь в реакціях, зв'язується з рібулозодіфосфатом. Ці рослини називаються C3-рослинами, оскільки комплекс «вуглекислий газ-рібулозодіфосфат» розщеплюється на дві молекули меншого розміру, кожна з яких складається з трьох атомів вуглецю. У деяких рослин (наприклад, у кукурудзи і цукрового очерету, а також у багатьох тропічних трав, включаючи повзучий бур'ян) цикл здійснюється по-іншому. Справа в тому, що вуглекислий газ в нормі проникає через отвори в поверхні листа, звані устьицами. При високих температурах продихи закриваються, захищаючи рослину від надмірної втрати вологи. У C3-рослини при закритих продихах припиняється і надходження вуглекислого газу, що призводить до уповільнення фотосинтезу і зміни фотосинтетичних реакцій. У випадку ж кукурудзи вуглекислий газ приєднується до трьохвуглецевих молекулі на поверхні листа, потім переноситься у внутрішні ділянки листа, де вуглекислий газ вивільняється і починається цикл Калвіна. Завдяки цьому досить складного процесу фотосинтез у кукурудзи здійснюється навіть в дуже жарку, суху погоду. Рослини, в яких відбувається такий процес, ми називаємо C4-рослинами, оскільки вуглекислий газ на початку циклу транспортується у складі четирехуглеродной молекули. C3-рослини - це в основному рослини помірного клімату, а C4-рослини в основному виростають в тропіках.
Цикли Міланковича
У XIX столітті геологи зробили несподіване відкриття: виявилося, що колись величезні арктичні льодовики наступили на сушу і накрили майже всю Європу і Північну Америку. Зокрема, на заледеніння цих зон вказують наступні два геологічні ознаки. Уявіть, що просувається льодовик діє на зразок бульдозера: він штовхає перед собою грунт і уламки гірських порід. Коли льодовик досягає свого максимуму і починає відступати, купа залишилася гірської породи перетворюється на ланцюг пагорбів - це так звані льодовикові морени. До того ж, при пересуванні льодовика рухомий (хоча й повільно) лід несе з собою шматки гірської породи. Якщо поглянути на поверхню гірської долини, утвореної льодовиком, можна виявити на ній глибокі паралельні борозни. Походження цих подряпин легко пояснити, якщо уявити собі, що льодовик з втопленою нижньою частиною пересувається по гірській породі, діючи як напилок або наждачний папір. Морени і подряпини - яскраві докази того, що колись тут були льодовики.
Незабаром після цього відкриття стало ясно, що льодовиковий період на Землі наступав не один раз. Мабуть, льодовикові періоди повторювалися в минулому через певні проміжки часу. Чому так відбувалося, ніхто не міг пояснити аж до початку ХХ століття, коли розв'язати цю загадку взявся один видатний учений. У своїх мемуарах Мілутін Міланкович розповідає про те, як він прийшов до думки про причини льодовикових періодів. Приятель Міланковича опублікував збірку своїх патріотичних віршів, і вони разом відзначали цю подію в кафе (молоді викладачі Бєлградського університету могли собі дозволити тільки кава). Хто сидить поруч багатому комерсанту так сподобалися вірші, що він тут же купив десять примірників книги. Друзі замовили вина і стали святкувати по-справжньому. Після першої пляшки Міланкович «згадав свої колишні досягнення, які тепер здавалися вузькими і обмеженими». До кінця третьої пляшки поет уже збирався написати епічну поему, а Міланкович вирішив «осягнути весь Всесвіт і донести промінь світла до її віддалених куточків».
Під час Першої світової війни Міланкович служив в генеральному штабі сербської армії. Він був захоплений в полон австро-угорськими військами і відбував ув'язнення в Будапешті. На щастя для Міланковича (і для науки), його колеги з Угорської академії наук створили йому умови для роботи - під чесне слово, що він не спробує втекти. Він погодився і більшу частину війни розробляв теорію періодичності льодовикових періодів.
Його пояснення пов'язані зі змінами в земній орбіті (тепер вони називаються «цикли Міланковича»). Відповідно до закону всесвітнього тяжіння Ньютона (а також першим із законів Кеплера, що описує траєкторії руху планет Сонячної системи), кожна планета обертається навколо Сонця по еліптичній орбіті. Крім того, відповідно до закону збереження моменту імпульсу, якщо Земля обертається навколо своєї осі, то напрямок цієї осі в просторі повинно залишатися незмінним. Але в реальному Сонячній системі Земля обертається навколо Сонця не в гордій самоті. На неї діє притягання Місяця та інших планет, і це тяжіння надає хоч і слабке, але дуже важливий вплив і на земну орбіту, і на обертання Землі. Цей вплив виражається трояко:
Прецесія. Насправді земна вісь не повернена завжди в одному і тому ж напрямку - вона повільно рухається по круговому конусу. Цей ефект має назву «прецесія». На ньому грунтується дію гіроскопа. Коли гіроскоп починає рухатися, він швидко обертається навколо своєї осі, при цьому сама вісь описує конус. З земною віссю відбувається те ж саме, причому період повного обороту складає приблизно 26 тисяч років. Зараз Земля нахилена так, що в січні (коли Земля перебуває найближче до Сонця) північну півкулю, де розташована основна частина суші, відвернута від Сонця. Через 13 тисяч років ситуація зміниться на протилежну: у січні північну півкулю буде повернене до Сонця, і січень стане в північній півкулі серединою літа.
Нутація. На додаток до повільної прецесії Землі незначно коливається і кут нахилу земної осі (ці коливання і називаються «нутацією»). Зараз вісь нахилена на 23 ° до площини земної орбіти. Кожну 41 тисячу років під впливом не тільки Місяця, але і Юпітера (далекої, але масивної планети) кут нахилу зменшується до 22 ° і потім знову зростає до 23 °.
Зміна форми орбіти. Через тяжіння інших планет з плином часу змінюється і форма земної орбіти. Від еліпса, витягнутого в одному напрямку, вона перетворюється в коло, потім - в еліпс, витягнутий в напрямі, перпендикулярному вихідного, потім - знову в коло і т. д. Цей цикл триває приблизно 93 тисячі років.
Міланкович прийшов до висновку, що кожен з цих факторів впливає на кількість сонячного світла, отриманого різними областями Землі. Наприклад, прецесія земної осі впливає на характер зим і років у північній півкулі (я звертаю особливу увагу на північну півкулю, так як там розташована основна частина суші, і, отже, там знаходиться основна частина льодовиків).
Міланкович зрозумів, що з плином часу клімат Землі змінюється (див. Рівновага). Якщо кількість сонячного світла, яке отримує північну півкулю, зменшується, то сніг з кожним роком буде все довше залишатися на поверхні. А оскільки сніг добре відбиває світло, що збільшилася сніжна поверхня буде відбивати більше сонячного світла, і це призведе до подальшого охолодження Землі. Значить, наступної зими випаде ще більше снігу, ще більше збільшиться площа снігового покриву, буде відображатися ще більше сонячного світла і т. д. З плином часу нагромадиться багато снігу, і льодовики рушать на південь. Земля вступить в льодовиковий період. В кінці цього циклу, коли в північну півкулю почне надходити більше сонячної енергії, відбудуться зворотні зміни - у деяких місцях лід розтане, розкриються ділянки грунту, добре поглинає світло, Земля нагріється, і всі ті ж три фактори мінливості обертання Землі приведуть до того, що льодовик відступить.
Міланкович вважав, що на клімат на Землі впливають ці три цикли, кожен з яких пов'язаний з певним астрономічним ефектом. Коли вони посилюють один одного, можна очікувати похолодання та настання льодовикового періоду. Однак у нормі ці три фактори діють у різних напрямах і їх вплив не підсумовується, так що клімат швидко повертається в звичайний стан. Отже, льодовикові періоди виникають, коли три орбітальних фактори діють в одному напрямку, їх ефекти складаються і підштовхують клімат Землі до похолодання. Це явище не раз повторювалося в історії планети.
За останні 3 мільйони років було принаймні чотири періоди масштабного заледеніння, а до цього були й ще. Хочу нагадати, що останній льодовиковий період досяг свого максимуму приблизно 18 тисяч років тому і що час, у який ми живемо, вчені визначають як міжльодовикові - вельми обнадійливий визначення.
Масові вимирання. Довгий час палеонтологи намагалися зрозуміти, чому ж вимерли динозаври. Все-таки динозаври панували більше 100 мільйонів років. Вони були самою процвітаючою класом тварин на нашій планеті. А потім за якийсь час - може, за кілька тисяч років, а може, за два дні - вони зникли. Так що ж трапилося?
Пропонувалося безліч пояснень - від фантастичних (динозаврів винищили полювали на них маленькі зелені чоловічки на літаючих тарілках) до вельми правдоподібних (зміна клімату зруйнувало їх екологічну нішу). Найбільше мені подобається пояснення, що зв'язує вимирання динозаврів з появою квіткових рослин, що стався, як вважається, 65 мільйонів років тому - якраз тоді, коли зникли динозаври. Сенс у тому, що до цього динозаври харчувалися переважно сосновими голками і подібної їм їжею, насиченою натуральними маслами, а коли їм довелося переключитися на траву, всі вони померли від запору!
Насправді палеонтологи рідко фокусують увагу на одному лише вимирання динозаврів - адже 65 мільйонів років тому, коли динозаври були повалені в порох, разом з ними зникло 70% всіх видів на Землі. Ця подія, чим би воно не було викликано, вчені називають масовим вимиранням. Ми знаємо про багато таких подіях, і масове вимирання, яке спіткало динозаврів, не було ні самим масштабним, ні самим останнім з них. У залежності від того, яке зникнення видів називати «масовим», за останні 500 мільйонів років було від п'яти до дванадцяти масових вимирань. Найбільше відбулося приблизно 280 мільйонів років тому, а саме останнє - приблизно 13 мільйонів років тому. Хоча деякі вчені вважають, що причина у всіх масових вимирань була одна і та ж, пояснення зводяться в основному до зміни земного клімату.
У 1980 році команда вчених з Каліфорнійського університету в Берклі, що складається з батька й сина, натрапила на факт, який привів до створення кращої на даний момент теорії вимирання динозаврів. Нобелівський лауреат Луїс Альварес і його син Уолтер провели ретельний аналіз осадових відкладень, утворення яких відноситься до того ж періоду, що й вимирання динозаврів. У відкладах вони виявили аномально високу концентрацію хімічного елемента іридію - важкого металу, схожого на платину. Іридій вкрай рідко зустрічається на поверхні Землі, оскільки Земля у своєму розвитку вже давно пройшла фазу розплавленого стану, коли важкі метали опускалися ближче до центру Землі. Однак іридій в набагато більших кількостях міститься в деяких типах астероїдів. Отже, гіпотеза, яку іноді називають гіпотезою Альвареса, полягала в тому, що іридій з'явився в осадових відкладах в результаті удару об Землю астероїда діаметром близько 11 км . Головним знаряддям вбивства була хмара пилу, яка кілька років огортало Землю, не пропускаючи сонячні промені і гублячи таким чином все живе на планеті.
Спочатку вчені поставилися до цієї заяви вельми скептично, навіть вороже. Але через кілька років стали з'являтися свідоцтва на його користь. Наприклад, геологи при вивченні відкладень, що утворилися під час гіпотетичного удару, виявили так званий «ударний кварц» - мінерал, який міг сформуватися тільки при високій температурі і тиску, викликаних ударом астероїда. Потроху думки фахівців стали схилятися до гіпотези Альвареса. Пізніше, в 1992 році, була знайдено перший доказ - кратер діаметром більше 170 км на півострові Юкатан у Мексиці, більшою частиною похований під донними відкладеннями океанськими. Кратер Чиксулуб (він був названий на ім'я прилеглої рибальського села) - один з найбільших земних кратерів, і причиною його утворення сьогодні прийнято вважати астероїдний удар, який і поклав кінець епосі динозаврів. Недавні відкриття, що показали присутність ізотопів, характерних для астероїдів, також і в ряді інших відкладень, говорять про те, що масове вимирання, що відбулося 280 мільйонів років тому, могло бути викликано аналогічними причинами.
Спори про астероїдному ударі вчені тепер перенесли на інші масові вимирання: чи були вони також викликані зіткненням з якимось небесним тілом або ж у них були інші причини - наприклад, численні виверження вулкана або раптова зміна рівня моря? Сьогодні вчені-еволюціоністи намагаються відповісти вже на ці на запитання.
Серед всіх внутрішніх планет Сонячної системи Земля єдина має великий супутник. Походження Місяця - одна з найдавніших загадок астрономії, проте багато планетологи сьогодні вважають її нарешті вирішеною. Спочатку питання стояло наступним чином: чому середня щільність місячного речовини в 1,5 з лишком рази нижче середньої щільності земної при практично однаковому хімічному складі того і іншого (3,6 проти 5,5 од. Щільності води)? Після того як була отримана відповідь, згідно з яким причина такої невідповідності полягає у відсутності в Місяця, на відміну від Землі, щільного розпеченого залізного ядра, питання встав по-іншому: чому так схожі за складом небесні тіла - Земля і Місяць - мають настільки різну внутрішню структуру?
Відповідно до гіпотези газопилової хмари, планетні тіла утворюються з навколозоряної речовини, розподіленого в площині околосолнечной дискової туманності, і, як наслідок, повинні мати приблизно одним і тим же хімічним складом. Початкові теорії походження Місяця можна умовно поділити на дві категорії: теорії захоплення і приливні теорії.
Перша і сама древня з них мала на увазі, що Місяць представляє собою незалежно сформувалася в Сонячній системі планету, яка опинилася в безпосередній близькості від Землі і захоплену нею як супутника. Однак ця теорія не витримує сьогодні жодної критики, оскільки динаміка процесу захоплення, в результаті якого тіло, що рухалося за незалежної геліоцентричної орбіті навколо Сонця, могло б перейти на геоцентричну і практично кругову орбіту навколо Землі, суперечить усім відомим фізичним законам.
Конкуруюча приливна теорія передбачала, що Земля в далекому минулому оберталася навколо своєї осі значно швидше, ніж сьогодні, в результаті чого на поверхні планети порушувалися потужні відцентрові сили, під впливом яких (відповідно до більшості приливних теорій, їх дія була посиленно гравітаційним впливом пролітав у безпосередній близькості від Землі великого небесного тіла) від нашої планети відірвався великий шматок, який і виявився, в остаточному підсумку, на стаціонарній орбіті навколо Землі. Висувалися навіть гіпотези, ніби Тихоокеанська западина на поверхні Землі являє собою «післяпологову травму», зазнану нашою планетою в результаті народження Місяця.
Дослідження хімічного складу місячного речовини, однак, спростовують обидві вищеописані гіпотези. З одного боку, Місяць занадто близька до Землі по своєму хімічному складу, щоб сформуватися далеко від нашої планети, з іншого - недостатньо близька, щоб бути її осколком.
В останні десятиліття ХХ століття, однак, з'явилася і ще одна гіпотеза, що завоювала достатню визнання в наукових колах. На ранньому етапі формування Сонячної системи Земля та інші недавно сформувалися планетні тіла, будучи, по суті, ще практично цілком рідкими і що складаються з магми сучасних геологічних порід, піддавалися інтенсивному бомбардуванню безліччю більш дрібних новоутворених тел розміром з сучасні великі астероїди. Кінетична енергія падаючих на Землю тіл була настільки висока, що, перетворюючись у теплову, вона підтримувала земна речовина в розплавленому стані, в результаті чого і відбувалася його подальша диференціація: важкі залізо і нікель тонули в напрямку центру Землі і формували її ядро, а більш легкі речовини, шлаки і солі спливали, утворюючи мантію і прообраз гірських порід майбутньої земної кори (див. Тектоніка плит). Саме на цій стадії або дещо пізніше, поки земна кора ще до кінця не оформилася, в Землю врізалося небесне тіло розміром не менше Марса. У результаті цього катаклізму на навколоземну орбіту виявилося буквально виплеснуто значну кількість речовини земної мантії і кори, з яких незабаром і сформувалася Місяць.
Ця теорія, що отримала назву гіпотези гігантського зіткнення (а неформально - гіпотези великого виплеску), пояснює і низьку щільність місячної речовини, і близькість його хімічного складу до хімічного складу речовини земної кори і мантії, оскільки земне ядро ​​гігантським зіткненням порушено не було і на орбіту не попало. Вирішальні докази на користь цієї гіпотези надійшли на Землю разом із зразками місячного грунту, доставленими американськими астронавтами з місячних експедицій на борту «Аполлонов». У результаті аналізу співвідношення різних ізотопів кисню (див. Радіоактивність) у них вдалося встановити точний збіг віку місячних і земних мінералів.
Гіпотеза газопилової хмари
Гіпотези про те, як сформувалася Сонячна система, відносяться до області космогонії - одного з найстаріших розділів теоретичної астрономії. Першим таку гіпотезу, виходячи із загальних умоглядних міркувань, висунув німецький філософ Іммануїл Кант (Immanuel Kant, 1724-1804), проте по-справжньому науковий розвиток вона отримала в працях П'єра Симона Лапласа, першим що почав спробу пояснити механіку утворення Сонячної системи в рамках Закону всесвітнього тяжіння Ньютона.
На початку сценарію передбачається наявність газопилової туманності. По чистій випадковості окремі області цієї туманності виявляються щільніше навколишнього їхнього речовини і, отже, мають більшою масою. Тут в дію вступає сила тяжіння, і навколишнє матерія починає спрямовуватися до цих центрів підвищеної щільності, маса яких дедалі зростає. У кінцевому підсумку матерія в області кожного такого центру ущільнюється настільки, що в результаті гравітаційного колапсу в кожній такій точці утвориться зірка. Сьогодні астрономи спостерігають в нашій Галактиці досить багато подібних центрів формування зірок.
У цілому, залишкове газопилову хмару навколо формується зірки поводиться хаотично, і частки матерії рухаються всередині нього у всіх напрямках. І тут, знову ж таки по чистій випадковості, може виявитися, що велика частина газу та пилу виявляються «закрученими» в одну сторону. Відповідно, газопилову хмару навколо формується зірки набуває чистий кутовий момент кількості руху. Відповідно до закону збереження моменту імпульсу подальше стиснення (конденсація) хмари в напрямку центру призводить до збільшення кутової швидкості обертання матерії навколо центральної частини. У підсумку, після завершення стадії колапсу газопилової хмари, переважна частина його маси виявляється зосередженою в центрі (де згодом сформується зірка), а незначна периферійна маса хмари виявляється розподіленої в екваторіальній площині обертання протозірки навколо власної осі. Відбувається це в результаті «сплющивания» залишків розпорошеного розкрученого речовини під дією відцентрової сили. З речовини цього залишкового диска надалі формуються планети.
У навколишньому протозірку залишковому газопиловій диску в результаті хаотичних зіткнень частинок також починають формуватися згустки матерії, які в свою чергу починають служити центрами тяжіння для розпорошеного навколо речовини. Навколо них спочатку формуються протопланети, які також виступають у ролі джерел гравітаційного тяжіння, в результаті чого навколосонячний речовина розшаровується в кільця, а потім збирається в згустки на певних орбітах, з яких, в кінцевому підсумку, і формуються планети. Типорозміри планет залежать від відстані до новонародженої зірки. На невеликій відстані від неї температури через що почалася всередині зірки термоядерної реакції (див. Еволюція зірок) виявляються занадто високими, і всі легкоплавкі леткі речовини в основному просто випаровуються в простір, не маючи можливості сконденсуватися в рідке або твердий стан. У результаті ближні планети земного типу виявляються невеликими і щодо щільними через переважання в їх складі важких хімічних елементів - в Сонячній системі до цієї категорії відносяться Меркурій, Венера, Земля і Марс.
Взагалі, цей період в еволюції Сонячної системи виглядає трохи дивно, якщо виходити з основних сучасних гіпотез і результатів комп'ютерного моделювання, отриманих згідно з цими гіпотезам. З одного боку, накопичення речовини навколо ядер-зародків сучасних планет дійсно повинно було відбуватися відповідно до вищеописаної моделлю, з іншого - таке моделювання пророкує освіту ще 10-12 планет розміром з Марс. Сьогодні висувається гіпотеза, що ці протопланети просто розсипалися в результаті затяжної партії в небесний більярд, в яку вони виявилися втягнутими, після чого частина їх речовини осіла на «успішно» сформувалися планетах, які уникли руйнування в результаті низки зіткнень, а частина речовини була буквально вигнана на периферію Сонячної системи під впливом потужного гравітаційного поля Юпітера. Таким чином, у нашій Сонячній системі, швидше за все, до цих пір паморочиться, здебільшого на великій відстані від Сонця, значна маса протопланетних тел.
Місяць - природний супутник Землі - часто також класифікується астрономами як самостійна планета земного типу, проте останні дані свідчать, скоріше, на користь гіпотези гігантського зіткнення, згідно з якою Місяць сформувався пізніше інших планет земної пояси в результаті падіння на ранню Землю ще однієї планети розміром з Марс і наступного викиду речовини на навколоземну орбіту. Взагалі, подібні зіткнення на ранній стадії формування Сонячної системи були явищем поширеним. Це, до речі, пояснює і ще одну загадку Сонячної системи. Кутові швидкості обертання планет навколо власної осі (іншими словами, тривалість сонячних «діб» на планетах) варіюють в досить широких межах. У разі Венери спостерігається унікальне явище ретроградного добового обертання: ця планета обертається в протилежну в порівнянні з усіма іншими планетами бік. Таку відзнаку важко пов'язати з розміреним, упорядкованим формуванням планетної системи. Однак, якщо припустити, що підсумкове власне обертання планети навколо осі склалося в результаті суми імпульсів, отриманих нею в результаті потужних зіткнень з іншими протопланет, все стає на свої місця.
На більшій відстані від молодого Сонця на ранній стадії формування планетної системи було не так жарко, і там сформувалися планети іншого типу. Досить низькі температури не перешкоджали конденсації і кристалізації відносно легких хімічних елементів, в результаті чого сформувалися надмасивні твердокрісталліческіе ядра з скельних порід і льоду. Володіючи потужним гравітаційним полем, вони захопили з навколишніх газопилових скупчень значні обсяги легенів і летких речовин - гелію і водню, що утворили їх океани і / або атмосферу, - і стали ще масивніше (планети земного типу з їх слабким гравітаційним полем на це виявилися не здатні) . До категорії так званих газових гігантів нашої Сонячної системи відносяться Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун. При величезних в порівнянні з планетами земної типу розмірах ці планети характеризуються дуже низькою середньою щільністю речовини. Щільність Сатурна, наприклад, взагалі нижче щільності води, так що, якщо б знайшовся океан порівнянних з цією планетою розмірів, Сатурн плавав би в ньому, як поплавок. Тим не менш, відповідно до сучасних гіпотез, всередині цих газорідинних гігантів все-таки є досить масивне щільне ядро ​​з твердої речовини, що нагадує собою планету земного типу і утворилося аналогічним чином.
Особливий випадок являє собою Плутон, - остання з відкритих «справжніх» планет Сонячної системи. За розміром він порівнянний з планетами земної групи і представляє собою, по суті, величезну брилу льоду летючих елементів. Довгий час вчені вважали Плутон не те курйозним непорозумінням, не те захопленим Сонячною системою чужорідним тілом. Однак відкриття в 1990-х роках так званого "поясу Койпера», подібного поясу астероїдів, - ще одного поясу малих планет, багато з яких рухаються по дуже витягнутих, «неправильним» орбітах, - змусило астрофізиків переглянути свої погляди. Розташований за орбітою Нептуна пояс Койпера - основний «постачальник» комет, залітаючих в околиці Сонця. Згідно з сучасними поглядами, Плутон швидше за все є все-таки саме велике небесне тіло поясу Койпера - зародок так і не сформувалася великої планети, що обертається серед мільйонів дрібніших «покидьків» Сонячної системи.
Така картина формування планетної системи добре пояснює багато спостережувані характеристики Сонячної системи: невеликі розміри, важкий елементний склад і конденсована стан внутрішніх планет; великі розміри, легкий елементний склад і рідинно-газоподібний стан зовнішніх планет; єдиний напрямок руху планет по орбітах навколо Сонця. У 1995 році астрономами були отримані перші докази існування планетних систем в інших зірок і з'ясовані деякі їх характеристики (це вдалося зробити за вимірами циклічних відхилень зірочок від їх середньостатистичного положення в просторі, викликаних силою гравітаційного тяжіння обертаються навколо них планет). Завдяки цьому сьогодні ми точно знаємо про те, що за межами Сонячної системи планет існує набагато більше, ніж усередині неї: на момент написання цієї статті відкрито 83 планети в 71 зоряній системі (тепер, коли ви читаєте ці рядки, число відкритих планет ще зросла) . Проте лише одна з відкритих планетних систем схожа на нашу Сонячну систему. У всіх інших, судячи з усього, планети рухаються навколо своєї зірки за сильно витягнутих еліптичних траєкторіях, в той час як в нашій Сонячній системі орбіти всіх планет, за винятком Плутона, наближаються до кругового. Крім того, в більшості цих систем всі планети обертаються навколо зірок на відстанях, що не перевищують радіус орбіти Меркурія. У деяких планет період обертання навколо їх сонця і взагалі становить усього кілька земних діб.
Крім планетних систем астрономам на сьогоднішній день вдалося відкрити цілий ряд навколозоряних дисків - сплющених газопилових хмар навколо молодих зірок. А це є гарним підтвердженням гіпотези освіти планетних систем з газопилових хмар, нехай навіть планетних систем, подібних нашій, відкриті лише лічені одиниці.
Залежність кількості видів від площі екосистеми
Кількість видів, що може підтримувати дана екосистема, тим вище, чим більше площа цієї екосистеми.
Виникає закономірне питання: чи дійсно невеликі екосистеми можуть підтримувати існування меншого числа видів, ніж більші? З одного боку, можна очікувати, що чим більше площа, тим більше на ній різних екологічних ніш, придатних для використання. З іншого боку, незрозуміло, чому, наприклад, скоротивши площа луки вдвічі, можна скоротити біологічне різноманіття на ньому. Ясно, що загальна кількість організмів зменшиться, але чому при цьому має змінитися кількість виявлених видів?
Відповідь на це питання було отримано експериментально. Екологи провели безліч досліджень. В одному з них на невеликому острові біля узбережжя Флориди площа, придатну для використання, навіть змінювали з допомогою бензопили! Дані вивчення материкових і острівних екосистем призводять до однакового висновку. Якщо А - площа екосистеми, а S - кількість видів, то залежність між ними описується формулою:
S = KAn
де n - число від 0,1 до 0,3, а К - константа, що є кількість видів на одиницю площі екосистеми. Це вираз називається рівнянням залежності кількості видів від площі екосистеми.
Однак треба мати на увазі, що, хоча кількість видів, безумовно, залежить від площі екосистеми, ця залежність не пряма. Так, навіть при n = 0,3 збільшення площі екосистеми вдвічі супроводжується збільшенням кількості видів всього на 23%.
Проте ця закономірність має важливі наслідки для природоохоронних дій, спрямованих на збереження біологічного різноманіття. Зокрема, ми повинні розуміти, що, скорочуючи площа екосистеми, ми отримуємо не зменшену копію оригіналу, а нову екосистему з відчутно меншою кількістю видів. Іншими словами, десять невеликих клаптиків дикої природи можуть підтримувати існування лише половини видів, які можна було б виявити на єдиному ділянці землі з площею, що дорівнює сумарній площі цих клаптиків.
І навпаки, збільшення розмірів даної екосистеми не спричинить за собою пропорційного збільшення біорізноманіття, тому часто доцільніше спрямувати кошти не на розширення існуючих екосистем, а на створення заповідників в абсолютно нових екосистемах.
Екологічна сукцесія.
Екосистему можна вивести зі стану рівноваги багатьма способами. Зазвичай це буває пожежа, повінь або посуха. Після такого порушення рівноваги нова екосистема сама себе відновлює, і цей процес носить регулярний характер і повторюється в самих різних ситуаціях. Що ж відбувається в порушеній екосистемі? На місці порушення певні види і вся екосистема розвиваються таким чином, що порядок появи цих видів однаковий для схожих порушень і схожих ареалах. У цій послідовній зміні одних видів іншими і полягає суть екологічної сукцесії.
Наприклад, в більшості північно-східних штатів США у XVIII столітті землі, зайняті лісами, були розчищені, і на цих територіях були побудовані ферми, в XIX столітті тривала обробка цих земель, а в ХХ столітті ферми були закинуті і ділянки знову стали перетворюватися в ліси . Рослини, з плином часу заселили поля, з'являлися у певній, вже відомої й суворо повторюваної послідовності. У перший рік виростали однорічні бур'яни і одиночні сіянці дерев. Протягом кількох наступних років відбувалося заселення певними видами (це так звані «піонерні види», або, висловлюючись більш науково, ранні сукцессіонного види), які починали переважати. Типовий піонерний вигляд - сосна Веймутова. Вона росте дуже швидко, і її насіння поширюються на велику територію. Протягом кількох десятиліть піонерні види утворювали густий ліс.
Наступний етап - поява дерев, які добре ростуть у тіні піонерних видів, - наприклад, кленів. Через півстоліття піонерні дерева ставали зрілими і поступово гинули. Їх насіння вже не могли проростати під покривом лісу, і склад популяції дерев зрушувався у бік повільно зростаючих новачків - так званих пізніх сукцессіонного видів. Зрештою весь ліс став складатися з цих видів дерев, що і спостерігають щороку восени жителі Нової Англії, коли листя дерев змінюють забарвлення і ліс набуває вогненний колір, характерний для кленів.
Такий приклад швидкозростаючих піонерів з подальшим заселенням повільно зростаючими видами спостерігається в багатьох екосистемах. Наприклад, на нещодавно утворених прибережних піщаних дюнах першою з'являється піщаний очерет. Ця трава допомагає зміцнити дюни так, щоб у них змогли вкоренитися види-наступники (спочатку чагарники, а потім і дерева).
Вивчаючи сукцесію в екосистемах, екологи виділили три механізми її дії:
Сприяння. З'явилися в новій екосистемі піонерні види полегшують інших видів подальше заселення. Наприклад, після відступу льодовика першими з'являються лишайники і деякі рослини з поверхневими корінням - то є види, здатні вижити на безплідною, бідної живильними речовинами грунті. У міру відмирання цих рослин відбувається наростання шару грунту, що дає можливість вкоренитися пізнім сукцессіонного видам. Аналогічно ранні дерева дають тінь і притулок для паростків пізніх сукцессіонного дерев.
Стримування. Іноді піонерні види створюють умови, які ускладнюють або взагалі роблять неможливою появу пізніх сукцессіонного рослин. Коли біля океану з'являються нові поверхні (наприклад, в результаті будівництва бетонних пірсів або хвилерізів), вони швидко обростають піонерними видами водоростей, та інші види рослин просто витісняються. Це витіснення відбувається дуже легко, оскільки піонерний вид відтворюється вкрай швидко і незабаром покриває всі доступні поверхні, не залишаючи місця для наступних видів. Приклад активного стримування - поява гірчака, азіатського рослини, що поширився по американському Заходу. Гірчак значною мірою защелачівает грунт, в якій зростає, що робить її непридатною для багатьох диких трав.
Співіснування. Нарешті, піонерні види можуть взагалі не чинити на наступні рослини ніякого впливу - ні корисного, ні шкідливого. Зокрема, це відбувається, якщо різні види використовують різні ресурси і ростуть незалежно один від одного (див. Диференціальне використання ресурсів).
Важливо розуміти, що кінцеве стан лісу або дюни екологічно нестійкий (див. Рівновага в природі). Зрілий ліс зазвичай характеризується нульовим сумарним приростом органічних речовин. Це означає, що з часом з-за втрати речовин під впливом таких процесів, як ерозія, ліс поступово почне гинути. До речі, більшість лісів володіють максимальною продуктивністю протягом першої половини сукцессіонного циклу.
Рівновага в природі
Вчені вже не вірять, що екосистеми, надані самі собі, можуть досягти стійкого стану високої продуктивності.
Міф про рівновагу в природі давно зміцнився у свідомості людей. Відповідно до цього міфу, природні системи, якщо людина не втручається в їх розвиток, неминуче приходять на стійке, незмінне і взаємопов'язане стан, в якому все добре відрегульоване. Існує чимало популярних (але не наукових) статей з екології, які експлуатують цю тему: автори зображують природу тендітною і вразливою, постійно піддається небезпеці знищення від рук людини, чия діяльність може в будь-який момент порушити це нетривке рівновагу.
Наприклад, існує теорія, що в помірному поясі північної півкулі після таких природних катаклізмів, як лісова пожежа, поступове відновлення рослинності відбувається по суворо визначеному законом екологічної сукцесії. Спочатку з'являються бур'яни, потім піонерні види (сосна тощо) і, нарешті, широколистяні дерева, такі як дуб або клен. Вважається, що сукцесія в кінцевому рахунку повинна привести до того, що екологи називають клімаксовим лісом, - до стійкої екосистемі з максимально можливим вмістом органічної речовини, максимальним запасом життєво необхідних хімічних елементів і максимальним біологічним розмаїттям. Але легко переконатися, що розвиток лісів відбувається не так. Основна частина речовини накопичується на ранніх стадіях росту дерев. Здатність відкладати про запас хімічні елементи на цьому етапі також максимальна. У той час як зрілий ліс, швидше, втрачає речовину у міру старіння і вмирання.
Крім того, з часом під дією геологічних і інших факторів змінюється і навколишнє середовище. Пожежі, повені, коливання кількості атмосферних опадів впливають на середовище, в якому виростає ліс. І рослини, звичайно ж, не можуть не реагувати на ці зміни. Виходить, що екосистема весь час намагається потрапити в рухому мішень. Так зване рівновагу в природі насправді залежить від навколишнього середовища, а середовище це постійно піддається змінам. Швидше, природа знаходиться в стані безперервного руху - весь час кудись прагне, але ніколи не досягає кінцевої мети. Втручання людини - всього лише ще один спосіб змінити навколишнє середовище і, таким чином, вплинути на напрям розвитку екосистеми.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Екологія та охорона природи | Реферат
110.4кб. | скачати


Схожі роботи:
Предмет і значення дисципліни Основи екології Наукові основи раціонального природокористування
Основи екології 3
Основи екології
Основи промислової екології
Основи санології гігієни та екології
Основи екології та економіка природокористування
Закони екології
Філософія екології
© Усі права захищені
написати до нас