Эстафета поколений

Вид материала

Документы

Содержание 6.6 Оазисы океана 7.1. Проделки плутона и волны «убийцы» 7.3. Капризный ребенок тихого океана Имена и дела Географические названия Шарль Бодлер «Цветы зла». «Не то, что мните вы, природа 4.4. Проблема «парникового эффекта». 5.1. Колыбель земной жизни Происхождение и эволюция жизни на земле. Классификация морских организмов. Биосфера, морская экосистема и ее компоненты 5.2. Морской обмен веществ Баланс биогенных элементов. Первичная продукция и биологическая продуктивность мирового океана. Углеродный цикл Обмен кислородом.

Подобный материал:

• План подготовки празднования 65-й годовщины Победы в Великой Отечественной войне 1941-1945, 40.63kb.
• ДоЛжен ли конфликт поколений быть в христианской семье, 282.82kb.
• Доклад а. А. Попова на российском форуме поколений 2005 «культурные стандарты поколений», 128.48kb.
• От двоичного кодирования к системам автоматической генерации кода, 2820.18kb.
• «Преемственность поколений: социально-демографические аспекты», 30.63kb.
• Ию исторической памяти родного села, преемственности поколений, становлению гражданственности,, 53.04kb.
• Темы рефератов по физической культуре. Физическая культура и спорт в России (конец, 9.14kb.
• Интеллектуальный день Разработка: Ванькина Наталья Набор: Смолин Александр Цели и задачи, 261.6kb.
• Исследовательская работа по краеведению на тему: поколений связующая нить, 168.58kb.
• Первая мировая война произвела поистине революционные изменения в положении женщин., 25.38kb.

6.6 ОАЗИСЫ ОКЕАНА (география и природа «апвеллингов»)…………………………… 228

7. В ПРИРОДЕ ЕСТЬ ТАКАЯ СИЛА (аномальные природные явления в
   

океанах и их экологические последствия)…………………………………………………….235

7.1. ПРОДЕЛКИ ПЛУТОНА И ВОЛНЫ «УБИЙЦЫ» (подводные

землетрясения и волны цунами)………………………………………………………… 236

7.2. ТЕПЛОВЫЕ КАТАСТРОФЫ (колебания климата Земли и история

замерзания Черного моря)…………………………………………………………………238

7.3. КАПРИЗНЫЙ РЕБЕНОК ТИХОГО ОКЕАНА (явление Эль-Ниньо:

природа, механизмы развития)……………………..…………………………………… 241

7.4. МОРСКИЕ НАВОДНЕНИЯ (последствия подъемов уровня

Мирового океана, природа колебаний уровня Каспийского моря) ………………… 250

Послесловие……………………………………………………………………………………… 257

Библиографический список…………………………………………………………………… 258

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Имена и дела……………………………………………………………………………………. 264

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Морские термины……………………………………………………………………………… 275

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Географические названия……………………………………………………………………… 279

Светлой памяти Тамерлана Афиятовича Айзатулина посвящаю.

Свободный человек! Недаром ты влюблен

В могучий океан: души твоей безбрежной

Он – зеркало; как ты, в движеньи вечном он,

Не меньше горечи в твоей груди мятежной!

Шарль Бодлер «Цветы зла».

ПРЕДИСЛОВИЕ. Приступая к работе над этой книгой, мы прекрасно представляли, как нелегко удержаться на плаву в море научно-популярной и справочной литературы о Мировом океане. Ведь за многовековую историю его изучения вышло в свет бесчисленное множество подобных публикаций. Ну что еще можно добавить в этот океан знаний об океане! И тем не менее, мы рискнули еще раз начать разговор о голубом континенте. На то есть серьезные причины.

Дело в том, что с трудом добытые сведения о природе океанов, человек расценил как право на активную эксплуатацию их минеральных и биологических ресурсов. В результате оказалось, что дорога в ад действительно вымощена благими намерениями - жизнь моря начала стремительно меняться к худшему.

Попытки выйти из кризисных ситуаций, развивающихся сегодня во многих морских бассейнах, чаще всего малоэффективны. Получается, что одних только собранных фактов для этого недостаточно. Умение ответить на вопросы – что, где и когда случается в океане не всегда позволяет установить почему так происходит. Мы все еще не понимаем процессов, управляющих жизнью океана, не можем прогнозировать его поведение. Поэтому и не удивительно, что несмотря на десятки законов и постановлений, требующих активизации исследований и охраны морских водоемов, открывать свои тайны Нептун не торопится.

В свое время Федор Тютчев писал:

«Не то, что мните вы, природа

Не слепок, не бездушный лик -

В ней есть душа, в ней есть свобода,

В ней есть любовь, в ней есть язык»

Пока человек не изучит эти «душу» и «язык», не поймет, что является такой же частью природы, как и океан, не разберется в системе сложных взаимосвязей физических, химических, биологических и множества других процессов - никакие постановления и цифры не помогут в решении морских экологических проблем.

Мы не перестаем восхищаться изяществом и тонкостью, простотой и мудростью решений, используемых морем для сохранения равновесия. Но все эти хитросплетения выясняются только после многих лет кропотливых поисков, а сколько еще неизведанного?… К сожалению, сегодня, многие ученые, на основании собранных огромных массивов фактических данных, полагают, будто знают об океане «всё». На самом же деле среди них нет практически ни одного, кто бы знал о нем «всё правильно»…

Расшифровкой связей и законов, определяющих жизнь моря, занимаются морские экологи, а географы Мирового океана изучают их пространственно- временную изменчивость, разрабатывают географо-экологические прогнозы Судя по всему, в ближайшем будущем безработица этим специалистам не грозит. Приветствуя их усилия, мы разделяем бытующее в науке мнение о том, что «...океанография обычно губила репутации тех людей, которые высказывали слишком несмелые предложения, и мыслили чересчур узкими категориями. Тем же, кто отстаивал наиболее дерзкие и возмутительные идеи, она дарила самые благожелательные улыбки». О них и пойдет речь в этой книге.

…………………………………………………………………………………………………………….

4.4. ПРОБЛЕМА «ПАРНИКОВОГО ЭФФЕКТА».

(роль океана в глобальном изменении климата Земли)

Из школьного курса известно, что атмосфера Земли содержит около 78% азота, 21% кислорода, немного аргона (0,9%), незначительные доли процентов двуокиси углерода (0,03%), закиси азота (N₂O), метана (СН₄), тропосферного озона (О₃), а также фторхлоруглеводородов (фреонов), которые способны избирательно поглощать разные виды радиационного излучения. Для коротковолновых ультрафиолетовых лучей они «прозрачны», а тепловое (инфракрасное) излучение земной поверхности поглощают и переизлучают обратно, способствуя таким образом дополнительному прогреву Земли. Поэтому перечисленные газы вместе с молекулами водяного пара называют парниковыми, так как благодаря их присутствию атмосфера функционирует подобно стеклянной крышке парника – задерживает тепло в приземном слое.

Парниковые газы, таким образом, несмотря на незначительное содержание в атмосфере, могут существенно влиять на ее климат, делая его более теплым (при увеличении содержания) или наоборот, холодным (при снижении содержания). По оценкам ученых они задерживают в атмосфере 78% излучаемого Землей тепла. При этом вклад водяного пара составляет 60 %, а углекислого газа – 18%. Если СО₂ исчезнет из земной атмосферы, температура нашей планеты понизится на 21⁰С. А если его концентрация возрастет? Тогда возникнет другая проблема.

Еще в 1896 г. автор теории электролитической диссоциации Нобелевский лауреат (1903) Сванте Август Аррениус в своей книге «Образование миров» отмечал, что в случае повышения содержания СО₂ в атмосфере в два раза, температура земной поверхности может возрасти на 4⁰С. Вряд ли шведский ученый подозревал насколько актуальным станет его прогноз в конце XX в.

Первые симптомы роста концентрации СО₂ в атмосфере Земли были отмечены в 30-е годы XIX в. В 50-х годах оно подтвердилось наблюдениями в Скандинавии, на Гавайских островах и Южном полюсе. К 1984 г. стало очевидным, что концентрация углекислого газа в атмосфере Земли только за предыдущие 20 лет возросла более, чем на 10%, а за последние 200 лет - на 25%. Если такая тенденция сохранится, то по расчетам Национальной академии наук США, к 2100 г. в атмосфере нашей планеты количество СО₂ удвоится. По другим расчетам увеличение произойдет уже к середине XXI в. и не в два, а в три раза.

Причину накопления СО₂ в атмосфере многие ученые видят в том, что промышленные предприятия - потребители ископаемого топлива (нефти, газа, угля), за последние 50 лет увеличили количество выбросов этого газа в 4 раза. Сегодня оно составляет примерно 510⁹ т С/год. Прогнозы, учитывающие темпы развития энергетики и энергозатрат предсказывают, что к 2050 г. это количество увеличится в 4 раза – до 20 Гт С/год.

Не лучше обстоят дела и с концентрацией метана – она увеличивается со средней скоростью 1,2% в год. В доиндустриальную эпоху содержание метана в атмосфере составляло всего 40% современного. Полагают, что в ближайшие 50 лет количество СН₄ может увеличиться на 25-50%, а к середине XXI в. - в два раза. Причинами роста содержания метана в атмосфере являются, прежде всего, расширение площадей рисовых полей, увеличение поголовья скота, а также сжигание и утечка газа.

Также увеличиваются, но в меньшей степени, концентрации других парниковых газов – озона, закиси азота, фреонов. Полагают, что увеличение глобальной приземной температуры только за счет роста концентрации этих газов в настоящее время составляет примерно половину от ее увеличения за счет накопления в атмосфере СО₂. К сожалению, наши знания о глобальных биохимических циклах, определяющих содержание этих парниковых газов в атмосфере недостаточны, поэтому сегодня трудно предотвратить дальнейший рост их концентраций.

Известный биоклиматолог М.И.Будыко рассчитал, что если ежегодно в течение трех летних месяцев температура воздуха над Северным Ледовитым океаном будет превышать обычную на 4⁰С, четырехметровые морские льды могут растаять за четыре года. С их исчезновением температура воздуха здесь уже без всякого парникового эффекта летом составит +5, а зимой всего –5⁰С. Тогда Шпицберген и другие арктические острова покроются лесами, как во времена Эйрика Рыжего, и в конце концов на планете восстановится теплый климат третичного периода.

Среди многих фантастических прогнозов, связанных с развитием «парникового эффекта» и, соответственно, потеплением климата, можно отметить предполагавшееся к 70-м годам прошлого века переселение в Европу африканских животных. Не менее фантастическим было предположение о возможности таяния Западно-Антарктического ледника, что должно привести к повышению уровня океана на 5,5 м – Всемирному потопу.

Наконец, достоверно известно, что повышение температуры в северном полушарии на 0,1⁰С приводит к уменьшению ее разницы между экватором и полюсом на 0,5%. Такое, казалось бы незначительное обстоятельство, возможно, способно изменить траекторий и мощность циклонов – основных поставщиков влаги на континенты. Как следствие, над материками произойдет катастрофическое изменения характера атмосферной циркуляции и режима осадков.

К сожалению сегодня, из-за недостаточности наших знаний всех аспектов гидрологического цикла, динамики океанов и полярных ледниковых щитов, подъем уровня океана, по мнению профессора Н.А.Айбулатова, «является самым малоисследованным звеном логической цепочки: повышение концентрации парниковых газов - увеличение температуры - таяние ледников - подъем уровня океанских вод.» По этой причине ученые пока не могут дать аргументированный ответ на катастрофические предположения о будущем нашей планеты.

Вместе с тем недостаток наших знаний, как это ни странно, позволяет питать и некоторые оптимистические надежды на эффективное решение проблемы «парникового эффекта». Дело в том, что мы пока также очень мало знаем о вкладе Мирового океана в регулирование содержания углекислого газа в атмосфере. По мнению Т.А.Айзатулина, В.Л.Лебедева К.М.Хайлова и некоторых других исследователей именно океан поможет нашей планете избежать многих неприятностей, которые влечет за собой «парниковый эффект».

Гидродинамическая модель обмена углекислым газом между атмосферой и океаном, предложенная коллективом вышеупомянутых авторов, позволяет предположить взаимосвязь резервуара СО₂ «Океан» с резервуаром СО₂ «Атмосфера», как двух сообщающихся сосудов (рис.4.9). Природой предусмотрено, чтобы уровень содержания СО₂ в этих сосудах - в системе «океан-атмосфера», был сбалансирован. Любое повышение концентрации углекислого газа в атмосфере неизбежно приводит к компенсирующим эффектам в океане. Здесь начинают формироваться донные отложения (известняки) и полезные ископаемые (нефть, уголь, газ). В результате, равновесие по углекислому газу между океаном и атмосферой восстанавливается.

Рис.4.9. Обмен СО₂ между атмосферой и океаном и углеродный цикл

[Айзатулин и др., 1979].

Таким образом, химическим и биологическим путем природа выводит избыток углекислого газа из круговорота, тем самым спасая нашу планету от катастрофы – не позволяет температуре атмосферы достичь критического уровня. Если бы не существовало этих процессов, количество СО₂ в земной атмосфере ныне составляло бы 10¹⁷ т – словно на Венере, где температура достигает 470⁰С, так как углекислый газ не только служит «сырьем» для производства органического вещества, но и «одеялом» для планеты.

Кроме того, еще в середине 50-х годов XIX в. учеными была предложена гипотеза, согласно которой содержание СО₂ в атмосфере Земли и глубинах океана циклично изменяется с периодом в 100 тыс. лет. Это и могло быть причиной чередования ледниковых и межледниковых эпох в течение последнего миллиона лет истории Земли. Ведь рост количества СО₂, потепление климата и расширение площадей, занятых растительностью, автоматически влекут за собой резкое увеличение потребления углекислого газа в процессе фотосинтеза и, соответственно, способствуют похолоданию на планете. В какой то момент, когда скорость потребления СО₂ превысит скорость его образования вулканами и гетеротрофными организмами начинается новая фаза углеродного цикла, которая ведет к потеплению климата.

Иными словами, есть надежда, что благодаря гениальному природному шедевру – Мировому океану, в ближайшем будущем участь Венеры нашей планете не грозит.

5.1. КОЛЫБЕЛЬ ЗЕМНОЙ ЖИЗНИ

(История возникновения и развития жизни на Земле, "биосфера" и ее структура)

О причинах и механизмах происхождения жизни на нашей планете до настоящего времени ученые только догадываются. Точки зрения участников спора по этому поводу существенно отличаются. Одни из них настаивают на том, что здесь не обошлось без вмешательства высшего разума – Бога, другие – склонны предполагать, что в свое время Землю посетили пришельцы и оставили на ней свои следы в виде источников жизни, например спор микроорганизмов. Эта теория панспермии (от греч. «pan» - все и «sperma»-семя), существовала с древности до начала XX века, но после открытия ультрафиолетового излучения и эффекта его воздействия на биологические объекты, она потеряла актуальность. Наконец, к третьей группе относятся исследователи сторонники гипотезы самозарождения жизни на Земле.

Основоположник физической химии - Сванте Август Аррениус (1859-1927), отстаивал идею космического происхождения жизни. Ее же придерживался и основатель биогеохимии В. И. Вернадский (1863-1945). Причем он не отвергал возможности самозарождения жизни, но в этом случае должна была возникнуть сразу вся биосфера, так как вне ее отдельному организму не выжить.

Отметим, что существует еще одно мнение по поводу гидрохимических условий и, соответственно, биохимических механизмов зарождения жизни в праокеане. В середине 80-х годов группа немецких ученых высказала гипотезу первичного «содового океана» –предположив, будто праокеан был не анаэробным, а щелочным. Сомневаясь в справедливости такого предположения для всего океана, микробиолог, академик Г. А. Заварзин не исключает, что такие условия могли преобладать во внутриконтенентальных водоемах. Таким образом, «содовые озера в принципе можно противопоставить морским условиям как внутриконтинентальные места обитания первичной биоты». Тогда возникает вопрос: «Нельзя ли представить, что прокариотная (от лат. «pro» – вперед, вместо и греч. «karyon» – ядро) биосфера (авт. - состоящая из цианобактерий, простейших организмов без оформленного клеточного ядра) вышла не из океана, а с континентов?», и начинаются интенсивные поиски соответствующих доказательств. Насколько верна гипотеза «содового океана» покажет время, а мы вернемся к традиционным представлениям об эволюции биосферы Земли…

ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ. Сторонники самой распространенной гипотезы самозарождения жизни, полагают, что объединение биогенных (от греч. «bios»-жизнь и «genos»-происхождение) - порождающих жизнь, элементов в органические соединения произошло геохимическим путем под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца. Таким образом, по выражению автора этой гипотезы академика Александра Ивановича Опарина (1894-1980), на Земле возник «органический бульон», который и послужил в дальнейшем источником энергии и строительным материалом для живой материи. В результате полимеризации его молекулы стали объединяться в крупные сгустки или скопления – коацерваты (от лат. «coacervatio»–накопление), которые возникнув один раз, сохраняли свою индивидуальность, не растворялись, а росли, благодаря прочным межмолекулярным связям и контакту с образующим их веществом «бульона». Так началось развитие метаболизма (от греч.«metabole»–перемена, превращение) – обмена веществ, главного условия для роста, деления и эволюции коацерватов, превращения их в одноклеточные организмы. По мнению английского физика Джона Д. Бернала (1901-1971) этот процесс совпал по времени (3,5-4 млрд.лет) с образованием земной коры и первых осадочных пород.

Кислород в ранней атмосфере Земли отсутствовал, а ультрафиолетовое (жесткое) излучение Солнца, способствовавшее процессу создания органического вещества, одновременно оказалось губительным для жизни. Именно поэтому она и начала развиваться сначала в водной среде, защищавшей «новорожденных» от солнечной радиации. В соответствии с современными представлениями, синтез органической материи регулировался генетическим кодом, который содержал информацию для создания новых организмов. Путем его преобразования и совершенствования в процессе естественного отбора на планете было достигнуто огромное разнообразие живых форм.

Синтез органической материи регулировался изменениями генетического кода, который содержал информацию для копирования и создания новых организмов. Путем его преобразования и совершенствования в процессе естественного отбора на планете было достигнуто огромное разнообразие живых форм.

На одним из этапов эволюции жизни произошло разделение примитивных одноклеточных организмов на продуценты (от греч. «producentis»-производящий, создающий) и консументы (от лат. «consumo»-потребляю). Первые развивались за счет непосредственного усвоения солнечной энергии и преобразования ее в органическое вещество - абиогенным путем, а вторые питались продуцентами, то есть, производили органическое вещество биогенным путем. Такое разделение спасло молодую жизнь нашей планеты. Дело в том, что из-за отсутствия кислорода в гидросфере, первые живые организмы были гетеротрофами – «поедающими других» (от греч. «heteros» - другой и «trophe» – пища). Они не производили пищу, а приспособились получать энергию из простейших органических соединений без их окисления, самым примитивным способом – ферментацией. При этом пища перерабатывается в организме особыми белками – ферментами (от лат. «fermentum» – закваска), а продуктом этой реакции, как известно, является углекислый газ. Таким образом, беззаботные «пражители» Земли весьма быстро могли исчерпать запасы «органического бульона», поставив процесс дальнейшего продолжения своей же жизни под угрозу. К счастью «самоубийству» помешала всемогущая эволюция, создав производителей пищи – продуцентов.

Первые автотрофные (от. греч. «autos» – сам) растения появились на Земле, по мнению известного палеонтолога академика Б. С. Соколова, 3,5 млрд.лет назад. Извлекая из воды кислород путем разложения ее молекул и используя солнечный свет для синтеза нового органического вещества из углекислого газа и неорганических соединений, они сделали жизненый цикл самовозобновляющимся. Продукты жизнедеятельности первых гетеротрофных жизненных форм (CO₂) стали перерабатываться в пищу – новое органическое вещество. К первым автотрофным формам относятся окислявшие минеральные вещества бактерии, примитивные фотосинтезирующие сине-зеленые водоросли, которые постепенно заселили переувлажненные пространства суши, положив начало почвообразующим процессам. Но преобразование газового состава атмосферы, гидросферы и минерального вещества земной коры происходило в основном химическим путем, а условия на планете оставались анаэробными. Продуцировавшийся в небольших количествах свободный кислород окислял аммиак, серу и сероводород. В океанской воде появились сульфаты.

Начало сдвига восстановительных условий в гидросфере в сторону окислительных приходится на архейский период (3,8-2,6 млрд. лет). В это время на планете стали развиваться одноклеточные водоросли, ферро- и другие бактерии. Кислород к тому времени частично превратился в озон – сильнейший поглотитель жесткой ультрафиолетовой коротковолновой солнечной радиации. Он стал надежно защищать живые организмы от вредных ультрафиолетовых лучей Солнца. Образование озона происходило в результате столкновения молекул кислорода с его атомами, возникающими на высоте 300–800 км в результате диссоциации молекулярного кислорода под воздействием солнечной радиации.

В результате всех этих превращений, жизнь вышла из праокеана на сушу и, по выражению биоклиматолога академика М. И. Будыко, «огромные количества эволюционных ветвей растений и животных начали заселять нашу планету».

По остаткам водных организмов соответствующего геологического периода ученым удалось достаточно достоверно проследить историю эволюции жизни в океане с конца протерозойской–начала палеозойской эры до современного периода, примерно за 600 млн. лет (Рис.5.1).

Рис.5.1. Геологическая шкала и эволюция жизни на Земле [Вейль, 1977]

В 1965 г. в кремнистых южноафриканских породах были обнаружены самые древние проявления жизни - остатки микроорганизмов. В их состав входили сложные органические молекулы, а возраст составлял около 3,1 млрд. лет. В Южной Африке также нашли древнейшие примитивные одноклеточные сине-зеленые водоросли (возраст - 2,7 млрд. лет). Возраст скопления сине-зеленых водорослей, обнаруженных в Канаде, составил 2 млрд. лет, а первых одноклеточных организмов, обнаруженных в штате Мичиган (США) – 1 млрд. лет.

В протерозое (1-3 млрд. лет назад) в воде и почвах планеты содержание образующегося в процессе фотосинтеза свободного кислорода увеличивается. Вблизи скоплений водорослей в праокеане стали возникать очаги аэробных условий, а выделявшийся из недр планеты углекислый газ, стимулируя фотосинтез, способствоовал дальнейшему их распространению по морской акватории. Максимальной интенсивности процесс фотосинтеза достиг, очевидно, в палеозое (570-230 млн. лет назад). Это подтверждается появлением в осадках этого периода красноцветов (пород, образовавшихся из древних почв) и прогрессирующим накоплением доломитов с биогенными известняками. В раннем палеозое (кембрийский период, до 0,5 млрд. лет) появились первые примитивные животные (трилобиты, ракообразные, моллюски, медузы), использовавшие свободный кислород для дыхания. Иными словами, ранний палеозой оказался переходным периодом от анаэробных к аэробным условиям существования. Сейчас с условиями палеозоя можно сравнить зоны придонной гипоксии в озерах и морях, слой сосуществования кислорода и сероводорода в толще водоемов на границах аэробных и анаэробных вод, слои оглеения и начальных процессов болотообразования в почвах и другие. Таким образом, ранний палеозой стал революционным периодом в истории Земли. В это время содержание кислорода в атмосфере достигло 0,1% от современного. При этом содержании кислорода процессы метаболизма у живых организмов, протекавшие ранее путем анаэробного ферментативного брожения, смогли перейти на энергетически эффективное окисление - дыхание. В результате, влияние развития жизни на геохимические процессы приняло планетарные масштабы.

Автор теории эволюции морской фауны гидробиолог академик Л. А. Зенкевич полагал, что все существующие типы и, возможно, большинство классов организмов, сформировались в докембрийский период (600 млн. лет назад). Он считал: «За время существования морской фауны она была свидетелем, спутником и участником всех изменений, происходивших в океане. Ни один вопрос, связанный с историей океана, не должен решаться без учета показаний этого свидетеля…».

Самыми древними, обнаруженными на Земле остатками водных живых организмов являются бактерии, сине-зеленые водоросли и некоторые представители многоклеточных организмов, в частности, кишечнополостные. Их возраст датируется верхним протерозоем (1-3 млрд. лет). В кембрийский период (до 0,5 млрд. лет) уже существовали трилобиты, ракообразные, моллюски, медузы. В ордовике и силуре расплодились членистоногие, некоторые из них, напрмер, скорпионы, вышли из воды на сушу. В это же время появились первые водные позвоночные – примитивные бесчелюстные рыбы. Характерной особенностью девонского периода (около 400 млн. лет) оказывается появление кистеперых рыб, а затем - произошедших от них амфибий. В юрский период гигантские амфибии начали вымирать, а в водах океана появились первые костистые рыбы. В меловом периоде (около 100 млн.лет) большинство рептилий, в том числе и морские, вымерли окончательно. Причиной тому были скорее всего резкое похолодание, наступившее в конце мезозойской эры. Результаты лабораторных и полевых наблюдений, достоверно свидетельствуют о том, что снижение средней температуры обитания рептилий на 10 С приводит к их гибели.

Таким образом, в фауне кайнозойской эры (66 млн.лет) сохранились только крокодилы, черепахи, ящерицы и змеи. Освободившуюся экологическую нишу заняли млекопитающие – в океане появились киты, дельфины, ластоногие, а на суше в конце кайнозоя (3,5-4,0 млн. лет) стал расселяться «его величество человек», хотя первые человекообразные обезъяны появились значительно раньше. Интересно, догадывалась ли природа в те далекие времена кого она произвела на свет?…

Кстати сказать, один из основоположников геохимии, академик А. Е. Ферсман для большей наглядности предложил продолжительность истории Земли от начала археозоя (3,6-3,4 млрд.лет назад) до наших дней условно принять за 24 часа. При таком масштабе докембрийский период (формирование всех типов и большинства классов организмов) будет длиться 17 часов, палеозой (первое большое вымирание) – 4, мезозой (второе вымирание) – 2, кайнозой (развитие первых млекопитающих) – 1 час, а человек появляется на арене жизни «за 5 минут до полуночи». Продолжительность же его жизни (в среднем 60 лет) в геологическим масштабом времени оказывается равной всего 0,1 секунды! Сколько полезных и вредных дел мы успеваем натворить за это мгновение, но еще больше, наверное, все-таки, не успеваем…

КЛАССИФИКАЦИЯ МОРСКИХ ОРГАНИЗМОВ. Римский писатель и ученый Плиний Старший, вероятно, первым попытался описать многообразие жизни в море. В одном из разделов своей тридцатисемитомной «Естественной истории» он перечислил 176 видов морских существ, но дальше этого не пошел, философски заключив, что совершенно невозможно охватить все виды в одном обзоре. И он оказался прав, хотя и не знал, что численность морских организмов по меньшей мере на три порядка превышает проанализированное в «Естественной истории» количество.

Идея каким-то образом привести в порядок – систематизировать, великое разнообразие организмов, обитающих на нашей планете, принадлежит первому президенту Шведской академии наук, ботанику Карлу Линнею. В 1735 г. в своей монографии «Система природы» он предложил бинарную номенклатуру, сгруппировав сходные виды животных в роды, представляющие совокупность видов, имеющих общего предка. Каждый организм, таким образом, получал наименование по латинскому обозначению рода, за которым следовало название вида. По сути дела это было началом новой науки – таксономии (от греч. «taxis» – расположение, строй, порядок и «nomos» – закон). Однако, этого термина Линней не использовал. В научную практику его ввел только в 1813 г. швейцарский ботаник Огюстен Пирам Декандоль.

В дальнейшем роды животных группируются в семейства, классы и так далее. На вершине этой иерархической лестницы располагаются типы животных и растений. Морские организмы объединяются в 30 таких типов.

Добавим, что Карл Линней является одним из родоначальников еще одной науки – экологии (от греч. «oikos» – дом, жилище, местообитания). В той же монографии «Система природы» он постулировал существование экологических закономерностей в природе, указав на тесную взаимосвязь между животными и растительными организмами и средой их обитания. Но термин «экология» он не использовал. Онг был введен в научную литературу лишь в 1866 г. немецким зоологом Эрнстом Геккелем, автором теории происхождения многоклеточных организмов. Под экологией Геккель совершенно справедливо понимал науку об отношении организмов к окружающей среде и друг к другу.

Современная биосфера включает около 500 тысяч видов растений, объединенных в 33 класса. Из них – 15 классов, включающих 15 тысяч видов водорослей, обитают в Мировом океане. Они, в свою очередь, подразделяются на: зеленые - более 5 тыс. видов; диатомовые – около 5 тыс.; бурые – 1 тыс.; красные – 2,5 тыс.; сине-зеленые – 1 тыс. видов.

Всего на Земле существует 1,5 млн. видов животных. Они объединяются в 63 класса и 12 типов. Из них представители 30 классов обитают только в морях и океанах, а животные 27 классов могут вести как морской так и сухопутный образ жизни. Общее количество видов морских животных достигает 160 тысяч. Из них 18 тыс. относится к рыбам; 15 тыс. видов к простейшим – радиоляриям, фораминиферам и инфузориям; около 5 тыс. – к губкам, 9 тыс. – к кишечнополостным, более 7 тыс. – к различным червям, около 80 тыс. - к моллюскам, 25 тыс. -к ракообразным; 6 тыс. - к иглокожим и некоторым другим немногочисленным группам беспозвоночных. Из позвоночных в океане, помимо рыб, обитают около 50 видов черепах и змей и более 100 видов млекопитающих - китообразных и ластоногих.

БИОСФЕРА, МОРСКАЯ ЭКОСИСТЕМА И ЕЕ КОМПОНЕНТЫ. Эволюция живых организмов, происходящая на нашей планете уже несколько миллиардов лет, неразрывно связана с эволюцией условий среды их обитания – атмосферы (воздушной оболочки), гидросферы (водной оболочки), литосферы (почвенного покрова). Вместе с живыми формами материи эти сферы объединяются в громадный, постоянно развивающийся единый комплекс, называемый биосферой. Этот термин впервые был предложен австрийским геологом Эдуардом Зюссом. В своих трудах, и в том числе в монументальной монографии «Лик Земли», он определил биосферу как «концентрическую оболочку Земли, в которой представлена жизнь». Впрочем, корни этого понятия уходят в историю развития естествознания значительно глубже.

В 1600 г., в год сожжения Джордано Бруно увидела свет книга активного пропагандиста гелиоцентрической системы Коперника Уильяма Гильберта "О магните, магнитных телах и о большом магните - Земле". В ней автор выделил «скорлупу» Земли как средоточие жизни на нашей планете. Вероятно, это был самый первый праобраз понятия биосферы. В 1650 г. юный голландский географ Бернхардус Варениуса в монографии «Всеобщая география» в одну из трех сфер Земли объединил минералы, грунты, растения и животных, конкретизировав, таким образом, представления Гильберта о биосфере.

Свой вклад в развитие этого понятия внесли пионер эволюционного учения, автор термина «биология», Жан Батист Ламарк, а в 1869 г. аналогичные представления о наличии планетарной оболочки жизни на Земле высказал современник Зюсса немецкий географ Фридрих Ратцель.

Удивительно, что понятие "биосфера" в течение нескольких десятков лет после его определения оставалось незамеченным естествоиспытателями. Только с 1926 г., благодаря разработкам В.И.Вернадского, ученые, наконец, вспомнили о биосфере. Эта оболочка, охватывающая толщи тропосферы, гидросферы и часть литосферы, предстала в его трудах не только простым «вместилищем жизни», а сферой активной, преобразующей Землю, деятельности живых организмов. Последние теснейшим образом связаны с биосферой, они - ее продукт и огромная геологическая сила, определяющая целостность составляющих биосферу компонент. Кроме того, В.И.Вернадский полагал, что с возникновением «человека разумного» оболочка жизни, преобразуемая активной человеческой деятельностью, превращается в сферу разума - ноосферу.

Верхняя граница биосферы располагается на высоте 20-30 км и совпадает с положением озонового слоя, защищающего земную жизнь от жесткого солнечного излучения. Нижнюю границу лимитирует тепло земных недр, поскольку большинство белков необратимо денатурируют при температурах около 100⁰ С. На суше на глубине 6 км температура пород достигает 200⁰С. Таким образом, «биосфера представляет собой довольно узкий пограничный слой между двумя губительными потоками» - ультрафиолетового излучения от Солнца и тепла из недр Земли. Его толщина (около 40 км) составляет всего 0,5% радиуса Земли, а основной – биологически активный, слой биосферы имеет толщину всего 100 м (0,001% радиуса Земли).По аналогии с яблоком "биосфера представляется кожицей на его поверхности (0,1 мм), а биологически активный слой - тончайшей (30 мкм) пленкой, различимой лишь с помощью микроскопа".

Биосфера подразделяется на более мелкие структурные элементы. Так, совокупность общающихся между собой морских организмов одного вида, обитающих на определенной акватории моря или территории морского дна называется популяцией. Ее жизнь в основном заключается в питании, росте и размножении. Если на общей акватории моря, территории морского дна или в объеме воды совместно обитают несколько популяций, связанных между собой теми или иными отношениями (например, пищевыми), то такое сообщество морских организмов представляет уже единство более высокого ранга - биоценоз. Включив в биоценоз элементы внешней среды, влияющие на жизнедеятельность входящих в него организмов, мы подойдем к важнейшим категориям экологии – биогеоценоз и экологическая система.

Многие годы потребовались ученым, дабы осознать, что только с помощью этих понятий действительно можно разобраться в тайнах природы и, в частности, океана. История формирования принципов современного экосистемного подхода к исследованию различных объектов биосферы весьма интересна. С середины XVI в. во многих крупных городах Европы стали создаваться ботанические сады. В 1545 г. такой искусственный уголок природы был открыт в Падуе, в 1547-м - в Пизе, в 1567-м – в Болонье, в 1577-м - в Лейдене, в 1593 г. – в Гейдельберге и во многих других городах. В Москве первый ботанический сад или «Красный сад» был заложен в 1623 г. Назаром Ивановым.

Вскоре работники ботанических садов заметили: экспонаты, привезенные из различных уголков земного шара, совершенно по разному реагировали на изменения условий среды. Врачу, ботанику и философу, Андреа Чезальпино не понадобилось много времени, чтобы понять научное значение этих фактов. Уже в 1583 г. он опубликовал свои соображения по этому поводу в шестнадцати томах «De Plantis libri XVI» («О растениях»).

В 1691 г. английский биолог Джон Рей опубликовал анализ «механизмов выживания различных родов животных», а в 1721 г. агроном Ричард Брэдли отметил, что «все организмы в большей или меньшей степени зависят друг от друга», «любая отдельная часть произведений природы необходима для поддержания всего остального». Английский естествоиспытатель Эдвард Блит в 1836 г. определил группу видов, занимающих определенную область и находящихся в тесной взаимозависимости друг с другом, «физиологической системой».

Основатель русской школы зоологов-эволюционистов К.Ф. Рулье сформулировал «Закон двойственности жизненных элементов» или «Закон общения животного с миром», гласящий, что: «Для совершения полного круга развития нужно обоюдное участие двоякого рода элементов, принадлежащих живому, и элементов, для него внешних». В 1861 г. создатель русской физиологической научной школы И. М. Сеченов прочитал цикл публичных лекций в которых утверждал принцип единства организма и среды, полагая, что «в научное определение организма должна входить и среда, влияющая на него, так как без последней существование организма невозможно».

Список имен выдающихся русских и зарубежных ученых различных специальностей, принимавших участие в развитии представлений о природных комплексах, объединяющих сообщества живых организмов и абиотические условия среды, можно продолжать до бесконечности. Среди них и почвовед В.В.Докучаев, и географ А.Гумбольдт, и геоботаник В.Н.Сукачев, и климатолог А.И.Воейков и многие десятки других. Тем не менее, первое определение предмета их исследования - "биоценоз", было дано в 1877 г. Карлом Мёбиусом. Термин «биогеоценоз» был предложен В.Н.Сукачевым в 1940 г., а термин «экосистема» - в середине 30-х годов XX в. ввел английский фитоценолог А.Тенсли. В отличие от экосистемы, которая может занимать пространство любой протяженности, «биогеоценоз» представляет элементарную ячейку биогеосферы, заключенную в границах конкретных растительных сообществ.

Внешние факторы, влияющие на морскую экосистему, в той или иной степени зависят от деятельности гидробионтов – биотических условий среды. Например, содержание солей фосфора, азота (биогенных элементов) в морской воде по мере потребления их фитопланктоном может существенно снижаться. В процессе фотосинтетической деятельности фитопланктона содержание кислорода в воде резко возрастает, и наоборот, при окислении в придонном слое отмерших остатков водорослей кислородный режим ухудшается.

Морская экосистема объединяет неорганический и органический обмен. В этот, по определению В.М. Вернадского «жизненный вихрь» биосферы, вовлекаются не только углерод, но и азот, фосфор, сера, железо, растворенное органическое вещество и детрит – органо-минеральная смесь твердых остатков, фекалий живых организмов. Их содержание и распределение в океане, в свою очередь, зависит от гидрометеорологических и многих других – абиотических, факторов внешней среды.

5.2. МОРСКОЙ ОБМЕН ВЕЩЕСТВ

(Фотосинтез, первичная продукция, биологическая продуктивность, углеродный цикл, обмен кислородом)

Основным свойством и признаком живых существ является их способность к размножению и росту. Причем рост - не просто увеличение размеров, но и развитие организма. При этом сложные химические соединения, составляющие живой организм, синтезируются из более простых компонентов, проходя ряд биохимических превращений, требующих значительных энергетических затрат. Это и является основным признаком жизни.

Источниками энергии для существования морской экосистеме являются фотосинтез – процесс создания органического вещества за счет энергии солнечного света, и хемосинтез – процесс создания органического вещества за счет энергии химических соединений путем окисления. Таким образом синтезируются почти все имеющиеся в живых существах органические соединения.

ФОТОСИНТЕЗ. Одним из гениальнейших произведений природы, созданных ею в процессе эволюции, является хлорофилл (от греч. «chloros»-зеленый и «phillon»-лист). Этот пигмент зеленого цвета (от лат. «pigmentum»-краска) содержится во внутриклеточных органах растений – хлоропластах примечателен тем, что обладает уникальной способностью поглощать ультрафиолетовую (0,45 мкм) и красную (0,68 мкм) части видимого спектра.

Но цвет не главное достоинство хлорофилла. Главное состоит в том, что поглощенный солнечный свет преобразуется этим пигментом в энергию, которая затем последовательно передается другим молекулам. Как это происходит, до сих пор детально не изучено, но совершенно определенно известно, что в процессе фотосинтеза из углекислого газа и воды под действием солнечного света получается сахар (глюкоза - С₆Н₁₂О₆) и кислород.

Сахар, синтезированный таким образом, является "сырьем" и источником энергии для создания других органических соединений, необходимых растениям и животным. Они получают их в процессе питания. В ходе дальнейших биохимических превращений из глюкозы синтезируются более сложные и энергоемкие молекулы, например, сахарозы (С₁₂Н₂₂О₁₁), жира - стеарина (С₅₇Н₁₁₀О₆), белка - гемоглобина (С₃₀₃₂Н₄₈₁₆О₈₇₂Fe₄). Необходимая для этого энергия высвобождается растениями и животными при дыхании - окислении органических соединений (глюкозы)

Кроме энергии, живым организмам необходимо еще и вещество. А так как одних только углерода, водорода и кислорода оказывается недостаточно для полноценного развития, то хлорофилл, например, содержит магний, протеины - азот, гемоглобин – железо, а основной переносчик энергии в организме - АТФ (аденозинтринитрофосфат), содержит фосфор. Кости скелета морских животных включают в себя соединения кремния, кальция, стронция и фосфора. Кроме них организмам в ничтожных количествах требуются медь, кобальт и многие другие элементы. Растения получают эти вещества прямо из воды, а животные – в составе пищи. Но это процесс не однонаправленный, он представляет собой обмен вещество между морской водой и биосферой.

Весь объем вод Мирового океана профильтровывается планктоном всего за год, а воды верхнего 500-метрового слоя проходят через живые организмы через 40 суток – 10 раз в год. При этом, фотосинтезирующие водоросли ежегодно извлекают из океана 17,6 млрд. т азота, 2,4 млрд.т фосфора, 50,6 млрд.т кремния. Каким же образом эти элементы попадают в море?

БАЛАНС БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ. По расчетам исследователей ежегодно различными путями Мировой океан получает 2447 млн.т. соединений фосфора, 17980 млн.т. азота и 51500 млн.т. кремния. Основным внешним естественным источником поступления фосфатов и кремния в океан служит речной сток. Азот попадает в морскую воду в виде нитратов и аммиака преимущественно с атмосферными осадками. Но совокупность всех этих факторов, доставляющих поток биогенных элементов в морскую среду, не превышает 1% от общего объема их поступления. Основным же их источником является регенерация (лат. "regeneratio" - возрождение, возобновление), происходящая в ходе минерализации (окисления) органического вещества в толще воды и придонном слое. Находясь в продукционно-деструкционном цикле биогенные элементы периодически ассимилируются (лат. "assimilatio" - слияние, усвоение) клетками растительных организмов в процессе фотосинтеза (продукционная часть цикла), а затем, после их гибели, вновь восстанавливаются – регенерируя при окислении отмершей органики (деструкционная часть цикла).

Таким образом, содержание биогенных элементов в морской воде является индикатором интенсивности протекающих в океане биохимических процессов создания и разрушения органического вещества. Наибольших концентрации эти соединения достигают в глубинных слоях океана, так как именно здесь протекает деструкция (лат. "destructio" - разрушение) органического вещества.

В поверхностном слое Атлантики содержание фосфатов, нитратов и кремнекислоты, начиная с наименьших концентраций в северной части океана, возрастает по мере продвижения к антарктическим водам. В Тихом же и Индийском океанах такой рост наблюдается по мере продвижения от южных районов к северным. Причина этого «биогенного парадокса» заключается в разной скорости оборота биогенных элементов в различных районах Мирового океана. А скорость, в свою очередь, зависит от условий среды и концентрации органических веществ в воде.

В открытой части Тихого океана – зоне тропических «пустынь» содержание биогенных элементов в верхнем 50-метровом слое практически равна нулю, а в районах апвеллингов – интенсивного подъема глубинных вод, концентрации фосфатов возрастают до 3, а нитратов и кремния – до 20 мкг-ат/л. В Атлантике столь резких контрастов не наблюдается, так как обмен ее глубинных и поверхностных вод происходит более равномерно и к тому же почти в два раза быстрее, чем в Тихом и Индийском океанах.

ПЕРВИЧНАЯ ПРОДУКЦИЯ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОДУКТИВНОСТЬ МИРОВОГО ОКЕАНА. Распределение синтезированных веществ и энергии внутри морской экосистемы осуществляется посредством пяти основных процессов: фотосинтеза, питания, смерти, регенерации (восстановления) и дыхания.

Общее количество растительного органического вещества, образующееся при фотосинтезе за определенный отрезок времени называется валовой первичной продукцией или "урожаем" фитопланктона. Если из этого количества вычесть органическое вещество, используемое самими автотрофными растениями в качестве источника энергии, то останется чистая первичная продукция.

Ежегодная ее величина у низшей морской растительности равна 500 млрд. т., а у высших водорослей – 0,2 млрд.т. Первичная продукция на единицу площади в открытом океане в среднем в 2-6 раз ниже, чем в прибрежной зоне. Суммарная же величина этого показателя здесь в несколько раз больше из-за огромной площади открытой части океана.

Таким образом, первичная продукция океана и есть та самая сырьевая основа, с которой начинается вся последующая цепочка пищевых – трофических (от греч. «trophos»-питание) отношений в мире морских организмов, а фитопланктон в этой цепочке представляет первый трофический уровень. В порядке роста величины первичной продукции в Мировом океане выделяют: дистрофные, олиготрофные, мезотрофные, эвтрофные и гипертрофные участки (рис.5.6). Они занимают около 36, 27, 18, 15 и 5% площади Мирового океана соответственно, а интенсивность фотосинтеза – то есть скорость производства органического вещества, здесь составляет 37, 110, 235, 365 и 788 гС/м² в год.

Рис.5.6. Распределение первичной продукции фитопланктона в эвфотическом слое Мирового океана (мгС/м²) в день [Гершанович и др., 1990]. 1 – 750; 2 – 1250; 3 – 1750.

По способу питания морских обитателей подразделяют на пять основных типов: растительноядные (вегетарианцы), плотоядные (хищники), падальщики (трупоеды), питающиеся твердыми остатками (детритоеды) и разлагающие органическое вещество (редуценты). К последним относятся бактерии, потребляющие мертвую органику, возвращая минеральные соединения в воду.

В классическом жизненном варианте – при съедении хищником жертвы, происходит мгновенный перенос вещества и энергии внутри морской экосистемы. При «естественной» смерти этот процесс затягивается на то время, которое понадобится трупоедам или редуцентам для включении отмершей органики и детрита в биологический круговорот. Тем не менее, именно через детритную цепь морская экосистема использует около 80% энергии первичной продукции, остальную часть она получает за счет прямого выедания фитопланктона.

Второй трофический уровень в пищевой цепи морских организмов занимает растительноядный зоопланктон. Хищников, следующих за ним, подразделяют на ранги. Естественно, что хищные представители самых низших рангов обитают в верхних слоях моря, а высших – достигают больших глубин. Поэтому процессы, регулирующие потоки вещества и энергии в морской экосистеме образуют в совокупности экологический насос, «откачивающий» с поверхности океана питательные вещества в его глубины.

Все последующие за первичными продуцентами организмы также способны размножаться. Суммарное количество органического вещества, производимое ими в единицу времени называется биологической продуктивностью Мирового океана или соответствующих его частей. Этот показатель характеризует скорость возобновления живого вещества в морской экосистеме – прирост его биомассы

По сравнению с фитопланктоном, ежегодный прирост зоопланктона меньше в 10 раз, у зообентоса – в 180, а у нектона – в 2750 раз, чем у ...?. Соотношение биомасс рассмотренных групп организмов в Мировом океане по данным известного гидробиолога В.Г.Богорова составляет 21:10:1, а их годовая продукция соотносится как 53:3:0,2. Таким образом, продуктивность животного мира океана намного отстает от воспроизводительной способности растений, а среди живых морских организмов наиболее плодовитыми оказываются самые мелкие формы – зоопланктон.

Интересно, что общая биомасса водорослей (фитопланктона и макрофитов) в Мировом океане (1,7 млрд.т) в 28 раз ниже, чем морских животных (32,5 млрд.т), однако этого оказывается достаточно для обеспечения питанием представителей животного мира океана. Объяснение лежит на поверхности - скорость продукции низшей водной растительности (550 млрд.т в год) на порядок превышает аналогичную у всех животных (56 млрд.т в год). Вот и получается, что в море «еды всегда хватает для всех ». В отличие от моря, сухопутные животные обеспечены питанием потому, что биомасса наземных растений в сотни и тысячи раз превосходит биомассу животных.

УГЛЕРОДНЫЙ ЦИКЛ. Если глюкоза является основным «сырьем» для вторичного синтеза органического вещества внутри живых организмов, то углекислый газ, оказывается первоначальным компонентом для фотосинтеза без которого продолжение пищевой цепи оказалось бы невозможным. Значит, наряду с кислородом, обмен углеродом не менее важен для жизни океана и биосферы в целом

Говоря об углекислом газе, следует иметь в виду что в морской воде мы имеем дело не столько с СО₂, сколько с целым комплексом его производных, причем содержание каждой из них зависит от множества факторов. Дело в том, что попадая в море из атмосферы, литосферы, со стоком рек, в ходе биологических процессов, непосредственно двуокись углерода взаимодействует с водой, образуя угольную кислоту (Н₂СО₃). Последняя, в свою очередь диссоциирует на гидрокарбонатный (НСО₃^-) и карбонатный (СО₃^2-) ионы, а также ион водорода.

Содержание в воде отрицательных ионов, способных взаимодействовать с ионами водорода, определяет ее щелочность. Ее величина в основном зависит от концентрации гидрокарбонатного иона. Степень диссоциации угольной кислоты определяется содержанием ионов водорода, что отражает окислительно-восстановительный потенциал морской воды. Экспериментально установлено, что нейтральная вода содержит 110^-7г/л водородных ионов. Показатель степени концентрации ионов водорода, взятый с обратным знаком, обозначают pH и называют водородным показателем.

Таким образом, для нейтральной воды pH=7, а щелочность – нулю. В кислой, более агрессивной среде, преобладают ионы водорода и здесь pH<7, а в щелочной среде величина pH превышает 7. В открытом океане вода имеет слабощелочную реакцию и ее pH обычно равен 7,8-8,8. По характеру изменения рассмотренных параметров можно контролировать направление и интенсивность потоков углерода в море. Так, например, при активизации окислительных процессов происходит увеличение в воде концентрации СО₂ и ее рН уменьшается, а в зонах интенсивного фотосинтеза величина водородного показателя возрастает.

Подсчитано, что за все время существования нашей планеты ее атмосфера и гидросфера получили в результате извержения вулканов 210¹⁷ т углекислого газа. На сегодняшний день в Мировом океане и других водоемах его растворено 13010¹² т. Атмосфера содержит 2,610¹² т (0,03%) СО₂. Куда же девался остальной углерод? Ученые отвечают – ушел в «тупик». Что же это значит?

Дело в том, что оказавшись в морской воде после диссоциации угольной кислоты, карбонат ион (СО₃^2-) связывается ионами кальция в нерастворимый СаСО₃, который оседает на дно и образует известковые породы. За многие миллионы лет этот химический насос перекачал из атмосферы в твердые морские осадки - геохимический «тупик», в десятки тысяч раз больше углекислого газа, чем сейчас имеется в атмосфере (рис.4.9).

Геохимический «тупик» снабжается углеродом и с помощью другого - биологического насоса. Органическое вещество, создаваемое при фотосинтезе, через пищевые цепи включается в биомассу морских растений и животных, которые после отмирания в виде детрита окисляются бактериями-гетеротрофами вновь до углекислого газа. Но это происходит не всегда. Часть детрита захороняется на дне океана, трансформируясь без окисления в нефть и уголь. Их количество также во много раз превышает содержание углекислого газа в атмосфере.

Остается добавить, что из-за высокой растворимости углекислого газа океан содержит его в 100 раз больше (10¹⁴), чем атмосфера (10¹²). При этом, за счет извержения вулканов атмосфера получает до 10⁸, а в результате сжигания человеком ископаемого топлива – примерно 510⁹т СО₂. В процессе фотосинтеза из океана в животные и растительные организмы ежегодно переходит 10¹¹т углерода, в известняковых осадках его захоронено 10¹⁶, а в виде нефти и угля – 10¹⁵ тонн.

ОБМЕН КИСЛОРОДОМ. Благополучие обитателей моря зависит не только от наличия пищи, но и от сочетания абиотических факторов морской среды. Жизнедеятельность морских организмов в значительной степени определяется содержанием кислорода в морской воде. Этот гидрохимический фактор формируется под влиянием многих процессов.

Концентрация кислорода в воде зависит, во первых, от ее физических характеристик - температуры и солености. С увеличением, например, температуры от 0 до 30С растворимость кислорода в воде снижается наполовину, а с увеличением солености от 0 до 40‰ – на четверть. Таким образом, в теплой и соленой морской воде растворимость кислорода гораздо меньше, чем в холодной и пресной. Поэтому в насыщенной кислородом до 100% холодной морской воде абсолютное его содержание, измеряемое в миллилитрах кислорода на литр воды (мл/л), будет выше, чем в теплой. Иными словами – при охлаждении океана (зимой) он начинает «поглощать» кислород из атмосферы, а при нагревании (летом) - «выделять».

Во вторых, концентрация кислорода в океанских водах зависит от характера его производства фитопланктоном при фотосинтезе и потребления при окислении органического вещества, то есть от биохимических факторов. Интенсивность фотосинтеза зависит от освещенности и температуры, а окисления, – от количества органики, микроорганизмов и, опять же, от температуры. Таким образом, ночью и на больших глубинах фотосинтез практически подавлен – океан кислородом не пополняется, а потребление его продолжается. В результате абсолютное содержание кислорода в воде снижается и океан начинает «поглощать» его из атмосферы. Днем чаще всего идет обратный процесс - под влиянием указанных биохимических факторов океан насыщается кислородом, «выделяя» его избыток в атмосферу.

Кроме рассмотренных механизмов, изменение концентрации кислорода в морской воде может происходить под влиянием гидродинамических факторов – переноса (адвекции) течениями, вертикального волнового перемешивания и др.