Поиск в базе сайта:
М. Е. Виноградов о современных задача icon

М. Е. Виноградов о современных задача




Скачать 182.33 Kb.
НазваниеМ. Е. Виноградов о современных задача
М. Е. ВИНОГРАДОВ<><><><><><>О СОВРЕМЕННЫХ ЗАДАЧА
Дата конвертации04.05.2015
Вес182.33 Kb.
КатегорияЗадача



М. Е. ВИНОГРАДОВ

О СОВРЕМЕННЫХ ЗАДАЧАХ ИЗУЧЕНИЯ ЭКОСИСТЕМ ОКЕАНА

Мировой океан дает сейчас около 25% животных белков в рационе чело­вечества и является естественным регулятором многих атмосферных и климатических процессов. Океан и его население, объединяемые биокос-иым телом — морской водой, образуют единую динамическую экосистему, иерархично подразделяемую на множество экосистем мелких рангов. На­личие прямых и обратных связей между живыми и косными элементами обеспечивают их существование и устойчивость, которые могут приобре­тать самые различные формы.

Объем воды в океане на три порядка больше, чем объем всех озер, рек и водохранилищ суши. В океан выпадает основная доля аэрозольных веществ. Отходы цивилизации, которые загрязняют наземные простран­ства, речным и подземным стоком также сносятся в моря и океаны. Мор­ские бассейны оказываются накопителями загрязнений, а воздействие поллютантов (загрязнителей) па биоту особенно длительно и разрушаю­ще. Число опасных загрязнителей океана быстро увеличивается и уже сейчас исчисляется десятками тысяч. Здесь тяжелые металлы, нефть и нефтяные углеводороды, пестициды, дефолианты, детергенты и т. п. Осо­бую угрозу несут вещества, вызывающие нарушение генетического аппа­рата и, как следствие, мутации, уродства, опухоли. Такие поллютанты приводят к постепенной и необратимой деградации популяций и разру­шению биологических сообществ. В настоящее время наиболее существен­но воздействие на экосистемы средиземных и окраинных морей я неко­торых прибрежных районов океана. Основной проблемой экологии океана является создание теории функционирования экосистем, объединяющей закономерности взаимодействия живой материи и биокосных компонентов среды.

Существующие сейчас важнейшие направления исследований океа­на — продуктивное и природоохранительное — могут разрабатываться толь­ко при знании основных закономерностей функционирования экоси­стем в его различных районах, различных широтных и циркумконтинен-тальных зонах. Только выяснение дипамических законов развития мор-

© ВИНОГРАДОВ Михаил Евгеньевич - член-корреспондент АН СССР, заместитель директора Института океанологии им. П. П. Ширшова АН СССР.

О сов ременных задачах изучения экосистем океана 89

ских экосистем может дать в руки океанолога возможность прогнозиро­вать их изменения при различных формах внешних воздействий.

Не имея возможности рассмотреть все основные экологические про­блемы океана, позволим себе более подробно остановиться лишь на не­которых из них.

  1. Доминирующую роль в продукционных процессах океана (90% про­дукции) играют организмы планктона. В своей жизнедеятельности — пи­тание, дыхание и рост — они связывают огромное количество растворен­ных и взвешенных веществ, в том числе и загрязнителей. Они отфиль­тровывают взвесь из 200-метрового поверхностного слоя океана за 20— 50 дней (В. Г. Богоров). При этом мельчайшие частицы связываются в крупные пеллетные (фекальные) комки, которые быстро опускаются в глубокие слои и на дно океана, где в течение длительного времени пере­рабатываются донными организмами (процессы биотурбации), и лишь постепенно происходит их захоронение в осадках. Кроме того, планктон выделяет полисахариды, действующие как активные коагулянты, что до­полнительно ускоряет седиментацию.

  2. Очевидно, что объем биоресурсов океана, интенсивность процессов биоседнментации и взаимодействия биогенных газов (02, С02) и других веществ в системе океан—атмосфера зависят от интенсивности производ­ства первичного органического вещества в океане, от величины энергии на входе во всю его гигантскую экосистему. А эта величина определя­лась крайне неточно. Хотя имеется хороший критерий: так как океан — система квазистационарная, то объем создающегося первично органиче­ского вещества, например, в течение года (продукция) должен быть при­близительно равен объему вещества, минерализующегося в процессах ге­теротрофного метаболизма (деструкция). Обе эти величины могут опре­деляться независимо и служить для контроля друг друга.

В 50-е годы первичная продукция оценивалась в 20-Ю9 т С (С — уг­лерод), а деструкция — в 200-Ю9 т С, что говорило о неверном опреде­лении хотя бы одной или обеих величин. Следовало уточнить эти оценки как по технике экспериментального определения, так и по выяснению площади районов с разной продуктивностью. В течение 15 лет Институ­том океанологии АН СССР (ИОАН) только в Тихом океане на более чем 200 станциях был проведен полный энергетический анализ сооб­ществ. Аналогичные исследования в Атлантическом океане проводил Институт биологии южных морей АН УССР. На основании объединения всех материалов были выделены районы разной продуктивности, выясне­на изменчивость их границ. По этим районам были получены средние оценки первичной продукции, а также метаболизма всех гетеротрофных групп планктона: бактерий, простейших и т. д. В результате удалось рас­считать среднегодовые величины первичной продукции для разных райо­нов Тихого океана и более грубо — для Мирового океана (М. Е. Вино­градов, Э. А. Шушкина — ИОАН). Для Мирового океана продукция оце­нена в (90—100) 109 т С/год-1, что соответствует 250-Ю9 т 02, и де­струкции — в 100-109 т С/год-1. Аналогичные величины первичной про­дукции получены совершенно другими подходами — В. В. Сапожниковым (ВНИРО) — по балансу биогенных элементов и В. Б. Цейтлиным (ИОАН)—исходя из размерной структуры сообществ. При величине продукции около 100 млрд, т С эффективность ассимиляции солнечной

М. Е. Виноградов

90

радиации оказывается близкой к 0,2%, которую еще ранее Г. Г. Винберг называл наивысшей возможной средней.

Таким образом, полученный уровень продукции теоретически вполне реален.

Учет донпых микроводорослей и макрофитов, а также симбиотиче-ских зооксантелл в рифообразующпх кораллах и других животных доба­вит к этой величине еще (3—5) • 109 т С/год-1 = (3—5) °/о от первичной продукции фитопланктона.

Как известно, первичная продукция суши составляет 53-Ю9 т С/год-1, то есть оказывается вдвое ниже, чем тотальная продукция фотосинтеза океана. Однако в расчете на средний квадратный метр поверхности в океане она составляет 260 г С/год-1, в то время как на суше — 360. Довольно близкие величины.

Открытие удивительных сообществ в гидротермальных областях риф-товых зон океана, существующих за счет энергии первичного бактериаль­ного хемосинтеза, сделало необходимой попытку оценить вклад энергии первичного хемосинтеза в общую «энергию на входе» биосистемы океана. Мы провели такую работу. Исходя из теплового потока через гидротер­мы, по изотопному составу стронция, по концентрации гелия может быть оценен объем изливающихся вод. Считая, что все окисление H2S, S", S2O32-, NH4+, N02"~, Fe02~, Fe2+, Mn2+ происходит бактериально (что дает явно завышенные цифры), общая продукция хемосинтеза составляет 107 т Сорг/год~\ На самом деле она, вероятно, в два-пять раз ниже. Но и эта цифра дает всего лишь 0,6—0,1% первичной продукции фото­синтеза. По расчетам американских исследователей, это —0,1%. Возмож­но, столько же дает хемосинтез на первичных выделениях метана, но и тогда глубинный (гидротермальный и сипинговый хемосинтез вместе) составляет не более десятых долей или одного процента первичной про­дукции фотосинтеза. Но фотосинтез идет в поверхностной эвфотической зоне океана, и на дно в открытых районах попадает не более 1% обра­зовавшейся органики. А это уже величины сопоставимые, и в биопроцес­сах преобразования осадков на дне океана оба источника должны учиты­ваться в равной мере.

И, наконец, органическое вещество, выносимое с суши реками и при­носимое ветром. Речной поток воды в 50—100 раз больше, чем выходя­щий из гидротерм, и, по подсчетам Е. А. Романкевича (ИОАН) состав­ляет 1-Ю9 т с/год""1; из них треть — эоловый вынос. Однако подавляю­щая часть выносимого органического вещества (взвешенного и коагули­рующего растворенного) оседает на эстуарных гидрофронтах в зонах лавинной седиментации, и в открытый океан с суши попадает не более 0,5ТО9 т С/год-1, то есть 0,5% первичной продукции.

3. Зная величину первичной продукции, легко рассчитать количество выделившегося 02 и поглощенного С02. Но океан — это равновесная си­стема, в значительной степени замкнутая сама на себя. Разность первич­ной продукции и деструкции — двух близких огромных, неточно опреде­ляемых величин — пока оценить чрезвычайно трудно. Но совершенно очевидно, что эта гигантская система не может не являться регулятором содержания 02 и С02 в атмосфере. Мировой океан поглощает и выводит из круговорота существенную часть этих газов. В свою очередь, увеличе­ние содержания С02 в водах океана и его влияние на карбонатную си-



О современных задачах изучения экосистем океана 91


стему не безразлично для биоты океана, и в этом плане представляет первостепенный экологический интерес.

В последние годы в Институте океанологии достигнут существенный прогресс в оценке обмена С02 между океаном и атмосферой (О. К. Бор-довский, П. Н. Маккавеев). Обобщение фактического материала по эле­ментам карбонатной системы поверхностных вод позволило построить карты их среднемесячных значений, выявить внутригодовую и сезонную изменчивость процессов обмена С02 с атмосферой и оценить роль отдель­ных зон океана в этом процессе. Установлено, что в целом на акватории Тихого океана преобладает поглощение СОг, и он забирает из атмосферы 3,3—4,2 млрд. т С02 в год, что составляет около половины всего погло­щаемого Мировым океаном С02 и около 20% его антропогенного поступ­ления. Всего же вместе с атмосферным С02 океаном поглощается около 2-Ю9 т С/год-1, то есть опять-таки менее 2% величины первичной про­дукции или количества углерода, циркулирующего в продукционно-дест-рукционном цикле океана.

Оказалось, что по характеру распределения и сезонному ходу компо­нентов карбонатной системы акватория океана делится на широтные зоны, отличающиеся по своему вкладу в общий баланс обмена С02 с

М. Е. Виноградов

92

атмосферой: экваториальную зону постоянного выделения С02; северную и южную тропические — напротив, постоянного его поглощения; и от 20° к северу и югу — зоны внутригодовой изменчивости обменных про­цессов. Сезонные изменения элементов карбонатной системы больше, чем это может быть обеспечено сезонными изменениями температуры поверх-постных вод, что подтверждает важную роль биоты в балансе С02. Осо­бенно велики эти различия в высоких широтах.

Количество углекислоты в атмосфере и, следовательно, ее климатиче­ский эффект зависят от дисбаланса продукции и потребления углекисло­ты в океане. Существенно, что здесь даже небольшой сдвиг может изме­нить содержание углекислоты в атмосфере больше, чем все сжигаемое человеком топливо. Пока этого не произошло. Но изменения функциони­рования океанических систем под воздействием антропогенного стресса (нефтяная пленка, дефолианты и т. п.) могут привести к такому сдвигу. Существенно, что нарушение баланса углекислоты может вызвать быстроразвивающиеся катастрофические последствия взрывного харак­тера.

4. Полученная цифра первичной продукции — 100- 10э т С/год-1
в несколько раз больше используемых при расчетах биологической про­
дуктивности океана. Отсюда следует, что должны быть пересмотрены и,
соответственно, увеличены и цифры предельного вылова морепродуктов
океана. Кстати, они уже сейчас достигли нижнего потолка промысла
(80 млн. т), указывавшегося в 50—60-х годах (В. Г. Богоров, П. А. Мои­
сеев). Экологических проблем стратегического планирования промысла —
использования рыб мезопелагиали или животных более низких трофиче­
ских звеньев, например криля,— я касаться не буду, хотя это огромная
и чрезвычайно важная область экологических проблем океана. Отмечу
лишь, что если на суше происходит высокоинтенсивное производство про­
дуктов питания (животноводство, полеводство), то в океане человечество
пока находится на уровне свободной охоты. Естественные биологические
ресурсы океана именно эксплуатируются, а не воспроизводятся. В прин­
ципе, это тот же метод «освоения» ресурсов, которым на суше пользо­
вались наши пещерные предки еще до начала эры скотоводства и земле­
делия. Освоение новых районов и объектов промысла ничего принци­
пиально не изменяет.


Наибольший и почти неограниченный эффект увеличения биоресур­сов, получаемых из океана, может дать только марикультура, требую­щая перехода от эксплуатации естественных ресурсов океана к культур­ному интенсивному хозяйствованию, как это уже испокон веков делает­ся на суше.

5. Антропогенное загрязнение гидросферы и воздействие промысла
изменяют функционирование морских экосистем на обширных акватори­
ях средиземных и окраинных морей и в ряде районов океана. В первую
очередь это касается экосистем поверхностного эвфотического слоя, где
создается основная часть биологической продукции.


Влияние антропогенного воздействия иногда оценивается по реакции различных конкретных организмов на разные концентрации тех или иных поллютантов. Этот подход не дает возможности даже приблизи­тельно определить действие всего набора загрязнителей (число которых в настоящее время превысило 50 тыс.) на всю экосистему в целом; на

О современных задачах изучения экосистем океана

93

самом деле имеет место существенно нелинейное взаимодействие импакт-ных факторов. Может рассматриваться и ответ экосистемы в целом на действие тех или других поллютантов и оценка их предельно допустимых нагрузок, определяемых ассимиляционной емкостью системы к данному воздействию. Однако при таком подходе экосистема рассматривается лишь как утилизатор отдельных загрязняющих веществ, а все остальные стороны ее жизнедеятельности игнорируются. Необходимо проводить оценку функционирования всей экосистемы, те или иные параметры которой являются интегральными показателями ее состояния и истории ее изменения в предыдущие периоды. При этом главное значение при­обретает определение основных факторов, влияющих на динамику эко­системы, и их взаимодействие.

Эта проблема включает и другой важнейший теоретический и прак­тический вопрос — разделение изменчивости экосистем, вызванное есте­ственными разнопериодными флуктуациями природных условий и трендами, связанными с антропогенным стрессом. Например, уменьшение уровня Каспийского моря со всеми вытекающими отсюда экологиче­скими последствиями связывали напрямую с антропогенным фактором — невозвратным водозабором из Волги. Однако в последние годы, несмот­ря на столь же расточительный водозабор, уровень Каспия стал повы­шаться. Основным фактором оказалось влияние влажности климата. В том же ряду стоят изменения уловов анчоуса у перуанских берегов, изменения положения верхней границы сероводородных вод в Черном море и многие, многие другие явления.

6. О характеристиках процессов, протекающих в экосистемах, тради­
ционно судят по их некоторому среднему состоянию. Однако сейчас вы­
ясняется, что функционирование и развитие сообществ в значительной
степени определяются интенсивными событиями, занимающими малое
место во времени и пространстве,— так называемыми «пиковыми ситуа­
циями». Например, периоды активного создания первичной продукции
(продукционная фаза сукцессии сообщества) очень недолговременны и
проходят во много раз быстрее, чем деструкционная фаза.


Особенно резкие и кардинальные перестройки структуры сообществ, сопровождающиеся возникновением пиков продукции и концентрации планктона, а вслед за ними и промысловых рыб, происходят во фрон­тальных зонах, на фронтальных разделах, у границ различных вод, их меандров и локальных вихрей, быстро перемещающихся в пространстве. Выяснение характера реагирования экосистем на резко меняющиеся си­туации не только позволит понять многие важные вопросы их биопро­дуцирования, но и ляжет в основу теории краткосрочного прогнозирова­ния промысла, которая пока фактически отсутствует.

Для исследования пиковых ситуаций необходимы новые экспрессные методы, позволяющие проводить измерения в режиме реального времени. Они возможны только с применением космической и зондирующей аппа­ратуры — биолюминесцеитных фотометров, лазерных зондов и им подоб­ных. Развитие парка биофизических зондов является необходимым усло­вием исследования пиковых ситуаций.

7. Еще В. И. Вернадский указывал на возникновение «сгущений
жизни» в контактных зонах океана — на границе вода—дно, вода—атмо­
сфера, различных водных масс. В проблему изучения структуры и


М. Е. Виноградов

94










О современных задачах изучения экосистем океана 95

функционирования сообществ входит исследование биопродуктивности в районах поднятий, фронтов, рингов и т. п.— зон «сгущений жизни», уже интенсивно эксплуатирующихся промыслов, в том числе в зоне «вертикальных фронтов» — пикноклинов — и других высокоградиент­ных зон.

Одна из первоочередных задач этого рода — изучение океанографиче­ских и биологических условий скоплений планктона на гидрологическом фронте за кромкой шельфа, опоясывающем практически все материки. Имеются советские и зарубежные наблюдения, говорящие о том, что в зоне этого фронта мезопланктон дает в узких слоях промышленные скопления в несколько килограммов сырой массы рачкового планктона на 1 м3.

Такой контактной зоной служит и дно океана. Донные осадки не яв­ляются лишь местами захоронения биокосного вещества из водной тол­щи. В их верхнем слое идут процессы изменений этого вещества, при­чем часть его снова поступает в воду, то есть имеет место обратный поток вещества и запасенной энергии из донных осадков в наддонную воду. Этот поток почти не изучен, в особенности на участках, где в осадках содержится значительное количество органики и где, следователь­но, он может быть очень интенсивным. В верхнем слое осадков происхо­дит изменение форм элементов и соединений, образуются новые мине­ральные формы. Здесь возникает особое биокосное вещество донных осад­ков, идет взаимодействие живого и мертвого веществ (биоассимиляция элементов бентическими организмами на построение панцирей и тканей, биофильтрация, биотурбация и др.).

8. Сложные океанические системы не могут быть изучены экспери­ментально. Основным методом исследования их динамики и изменений под влиянием внешних воздействий, в том числе и под влиянием различ­ных форм антропогенного стресса, является создание их адекватных мо­делей.

Принципы описания функционирования естественных морских эко­систем могут быть совершенно различными и проводиться или с термо­динамической, или с информационной точки зрения. При термодинами­ческом подходе экосистемы рассматриваются как открытые диссипатив-ные системы. Таким образом, поток энергии и циклические превращения материи определяют основные свойства экосистемы.

Информационный подход позволяет рассматривать формирование и развитие экосистем как результат взаимодействия между популяциями, составляющими ее биотическую компоненту, и между этими популяция­ми и абиотической средой (биокосной и косной). Экологическая сукцес­сия системы представляется при этом результатом аккумуляции инфор­мации, ведущей к снижению зависимости сообщества от флуктуации факторов внешней среды и увеличению его сложности и стабильности, то есть к снижению энтропии. Развитие системы оказывается целиком обусловленным структурой потоков, а не является отражением действия совокупности термодинамических сил.

Большинство моделей морских экосистем в настоящее время строится в рамках термодинамического подхода на трофодинамической основе, интерпретированной в виде балансовых соотношений вещества и энергии.

В Институте океанологии разработаны представления о пространст-

М. Е. Виноградов

96



венно-временной динамике развития океанских экосистем, положенные в основание математических моделей их функционирования и давшие воз­можность прогнозирования влияния на их развитие различных факторов. Модели динамики экосистем пелагиали построены для отдельных морей (Черного, Балтийского), некоторых океанических районов и Тихого океана в целом. Сейчас усилиями физиков, химиков и биологов создает­ся глобальная самонастраивающаяся модель биоты открытого океана, в которой наиболее эффективно сочетаются результаты дистанционного зондирования и моделирования.

При описании изменения отдельных элементов экосистемы, охваты­вающих и биологические потоки, и физические переносы, используются балансовые уравнения, обычно оказывающиеся существенно нелинейны­ми. Их параметры являются константами или функционалами. Для их определения необходимы экспедиционные исследования и труд специа­листов-профессионалов. Но при численном (на ЭВМ) решении системы нелинейных уравнений возникают бифуркации и другие математические трудности. Поэтому увеличение детальности моделей отнюдь не делает их более точными. Скорее, наоборот. Кроме того, при этом увеличивают­ся трудности проверки. Поэтому период усложнений математических мо­делей динамики экосистем, по-видимому, прошел. Настало время созда-

О современных задачах изучения экосистем океана 97

ния концептуальных и специальных моделей разных классов для описа­ния динамики отдельных блоков экосистемы или узловых положений.

В экологическом моделировании, тем самым, возникают три основные задачи: создание концептуально обоснованных моделей развития экоси­стем в условиях стресса; создание моделей узловых формирований экоси­стемы; верификация полученных модельных результатов. Только после этого возможно проведение численных экспериментов.

9. Современное изучение океана должно существенно отличаться от уровня экологических исследований, проводившихся в течение послед­них десятилетий. Должны быть созданы новые, соответствующие совре­менному уровню развития науки методы изучения глобальных загрязне­ний океана и изменения условий среды под влиянием человека. Полу­чаемая информация должна непосредственно использоваться для характеристики обстановки и выявления трендов ее изменения. Поэтому основное внимание должно быть направлено на изучение физических, химических, биофизических и биологических параметров, доступных для непосредственного экспрессного измерения, таких как температура, мут­ность, прозрачность, концентрация кислорода, хлорофилла, интенсивность биолюминесцентного поля и т. п. Должны быть разработаны методы рас­чета основных биологических характеристик (первичной продукции, био­массы, характера скоплений, интенсивности биоседиментации) на основе экспрессно измеряемых биофизических величин.

Наконец, важнейшие исследования должны носить комплексный меж­дисциплинарный характер и включать работы по биологическим систе­мам планктона и бентоса, оценку физико-химических параметров внепь ней среды: воды и донных осадков. Основное внимание должно быть уделено не определению концентраций тех или иных элементов, а оцен­ке экологических потоков в экосистемах океана — потоков живого и биокосного веществ. Для решения этих задач необходима коренная модернизация приборно-аппаратурной базы исследований.

■ ■■

4 Вестник АН СССР, N5 I

Похожие:




©fs.nashaucheba.ru НашаУчеба.РУ
При копировании материала укажите ссылку.
свазаться с администрацией