Физика окружающей среды

Рыженков Александр

В связи с этим важно подчеркнуть, что загрязняя воды мы неизбежно вводим эти загрязнения в биоценозы, а через них по трофическим цепям в себя.

Теперь снова вернемся к трофической цепи после того, как определено распределение солнечной энергии в ее первом звене – продуцентах. Простая трофическая цепь может быть составлена из четырех звеньев. В трофических цепях реализуется круговорот вещества и энергии, называемый биоциклическим. Он не является изолированным, он входит в геологический круговорот, рис. 9.

Рис. 9.

Круговорот вещества и энергии в трофической цепи

Биогеоценоз или экосистему можно рассматривать как «машину» по трансформированию вещества и энергии. Очевидно, что антропогенное воздействие нарушает работу этой «машины» так как детерминированность биопроцессов мала по сравнению, например, с прохождением тока по проводнику или движением поршня в цилиндре.

Абстрагируя элементы трофической цепи, представим ее в виде схемы. Цифра в круге – номер биомассы В_i звеньев цепи от 0 до n, рис. 10.

Рис. 10. Перенос вещества и энергии в трофической цепи.

Здесь W_i – потребление энергии, R_i – энергия дыхания, P_i – полная энергия на выходе, B_i – количество биомассы. Значения индексов: i = 1 растения, i = 2 – консументы 1 рода, растительноядные животные; i = 3 – консументы 2 рода, животные-хищники; m_i – количество отмирающей биомассы.

Чистая первичная продукция растений Р_i используется консументами и редуцентами следующего звена и так далее по звеньям.

Связь между потоками энергии и вещества в каждом звене цепи можно представить в виде уравнения:

W_i = R_i + P_i,

где W_i – полная потребляемая (входная) мощность, R_i – мощность, расходуемая на дыхание, P_i, – полная мощность на выходе звена.

Выходящие потоки энергии складываются из вновь синтезируемой органики P_i и неусвоенной части потребляемой органики (экскретов) Р. Эти потоки могут быть заданы с помощью коэффициентов усвоения и эффективности трансформации энергии – :

W – Р_э = W, P_i / W = , _э = P_э / W = 1 –

где W – усвоенная часть входного потока энергии (метаболизм). Для большинства организмов биосферы = 0,8 и зависит он от того, чем питается данный вид. Коэффициент эффективности трансформации энергии в пищи в продукцию = 0,1. Коэффициент _э = 1 – = 0,2 характеризует трансформацию входной энергии в экскреты, служащие пищей для редуцентов. Таким обрезом, эти теоретические и не очень сложные вы кладки подтверждают тот факт, что 90 % энергии, входящей в каждое звено трофической цепи, рассеивается на дыхание, транспирацию, экскрецию и только 10 % идет

на накопление биомассы. Приводимая диаграмма иллюстрирует эту закономерность.

Рис. 11. Экологические пирамиды В. Одума

1. Пирамида чисел, 2. Пирамида энергии (Дж)

Закономерность распределения энергии и массы в трофических цепях имеет важное приложение для определения уровня загрязнений элементов цепи. Дело в том, что ряд синтетических препаратов и тяжелых металлов таких, как, например, ДЦТ и ртуть, имеют свойство накапливаться в организме. Перемещаясь по звеньям трофической цепи вместе с биомассой, ДЦТ не расщепляется и не выносится с экскрециями, а накапливается, и концентрация его повышается. Таким образом, концентрация ДЦТ в молоке коровы может превысить допустимый уровень хотя при распылений для обработке поля ПДК превышено не было.

Антропогенное вмешательство неизбежно деформирует естественные трофические циклы и может привести к негативным и необратимым последствиям.

В этом плане поучительна история с истреблением воробьев в Китае в 50-х годах прошлого века. Желая сохранить урожай, китайцы провели национальную кампанию по истреблению воробьев. В результате этого чрезвычайно расплодились насекомые, служившие пищей для воробьев, и посевам зерновых был нанесен значительно больший ущерб. К счастью, это вмешательство имело обратимый характер и равновесие удалось восстановить за 3 года.

Последствия антропогенного вмешательства могут быть и более серьезными. В. Г. Горшков и В. Р. Дольник [7] предупреждают, что «замыкание значительной части биосферного потока на антропогенный канал приводит к вытеснению естественных видов организмов и перераспределению потребления в биосфере.

В этих условиях с течением времени человек может столкнуться с нехваткой энергии и истечением запасов ископаемых химических элементов, необходимых для построения биомассы культурных растений и индустриальной продукции». Интересно отметить, что этот вывод сделан физиками.

Закон толерантности. При анализе трофических цепей не было учтено влияние внешних условий на характер распределения энергии и вещества. Предполагается, что они оптимальные, т. е. такие, которые обеспечивают накопление биомассы и воспроизводство.

Нормальная жизнедеятельность животных и растительных видов, функционирование экосистем и круговорот в них вещества и энергии в зависимости от внешних условий характеризуются за коном толерантности. Согласно этому закону параметры внешней среды могут меняться в определенных пределах без ущерба для видов и экосистем в целом. Выход за эти пределы приводит к гибели живых организмов и изменению экосистемы.

Например, в речной воде с определённой температурой и кислотностью (рН) сложилось устойчивое сообщество растений, животных и микроорганизмов. Изменение параметров воды при выбросе в эту реку термальных вод при извержении вулкана или деятельности ТЭЦ может полностью сменить биоценоз. Согласно этому закону лошади не могут выживать на высоте более 3 тысяч метров, там где спокойно работают гималайские буйволы, пресно водная лягушка не выживет там, где обитает пустынная жаба, то же самое относится и к растениям.