Научный подход к решению проблем океана заключается в изучении закономерностей функционирования его как единой природной системы, определении пространственной и функциональной неоднородности, выяснении характера и интенсивности антропогенного воздействия на разные блоки океанической природно-хозяйственной системы. Чтобы понять целое, необходимо рассмотреть взаимодействие его частей. Океан неоднороден по физико-географическим условиям. Элементы его структуры, отличающиеся по характеру природных процессов, разделяют так называемые активные граничные поверхности, являющиеся в то же время областями бурно протекающих биологических процессов: 1) контакт поверхностной толщи океана с атмосферой; 2) контакт океана с сушей (морские мелководья, шельф); 3) контакт океана с дном (рис. 10.1).
Поверхностная и донная границы являются, по выражению В. И. Вернадского, "пленками жизни", в прибрежных же районах выделяются "сгущения жизни", поражающие воображение своим богатством и разнообразием. Для обеспечения экологического равновесия всей биосферы эти пленки и сгущения жизни в океане играют ключевую роль. Живое вещество океана вносит свой вклад не только в продуцирование биомассы, но и в поддержание газового состава атмосферы, регулирование химического состава океанических вод, процессов образования осадочных горных пород, формирование берегов и подводного рельефа.
Деятельность человека практически охватывает уже всю акваторию океана: поверхностная зона служит для рыболовства и мореплавания; прибрежная зона - для получения биологических, минеральных, энергетических, рекреационных ресурсов, интенсивного жилого и промышленного строительства. Дно океана в перспективе - зона добычи полезных ископаемых. Деятельность человека локализуется в тонких контактных зонах.
Океаны представляют собой огромные впадины в рельефе Земли. В эти впадины устремляется практически весь сток поверхностных вод суши, промывая самые отдаленные участки земной поверхности. За исключением небольшого числа замкнутых бессточных котловин, земная поверхность промывается атмосферными осадками. Ручейки впадают в реки, реки несут свои воды в моря и океаны, и, таким образом, в загрязнении океана участвуют почти все города и поселки. Поскольку скорость течения в реках довольно высока (в среднем вода из верховьев рек достигает океана всего за 12 дней), отбросы, попавшие в реку у ее истоков за тысячи километров от берега, очень скоро стекут в океан. Площади речных бассейнов огромны. Реки вбирают в себя и несут в океан не только сточные воды городов, но также и ядохимикаты, и удобрения, которые в больших количествах вносятся на поля.
Рис. 10.2. Экологическая система океана. Стрелками показаны трофические связи, круговороты вещества и энергии, по П. Дювиньо и М. Танг
Устье реки - это точка в береговой зоне. Однако оказываемое стоком рек загрязнение далеко выходит за пределы прибрежных вод. Благодаря мощным циркуляционным процессам океан представляет собой единое целое. Воды океанов и морей связаны течениями. Даже внутренние моря (например, Черное) обмениваются своими водами с открытым океаном. Течения способны многократно увеличивать площадь загрязнения и переносить ядохимикаты, смытые с полей, за тысячи километров, например к берегам Антарктиды; здесь они, пройдя по пищевой цепи, обнаруживаются даже в теле пингвинов.
Существуют глубоководные котловины и желоба, которые открыто или тайно используют для захоронения вредных, в том числе радиоактивных, отходов производства. Несмотря на кажущуюся стагнацию вод в котловинах, доказано, что происходит медленное перемешивание всей толщи вод Мирового океана. Это должно служить основанием для международного соглашения, запрещающего захоронение ядовитых и радиоактивных отходов в глубинах океана.
Единство океана поддерживается целостностью его экологической системы. Океан заполнен жизнью от поверхности до максимальных глубин. Однако весь процесс биологического круговорота начинается в верхнем, освещаемом Солнцем слое воды. Главным производителем первичной биологической продукции в океане является фитопланктон - микроскопические водоросли (продуценты), плавающие в толще воды. Дальнейшие звенья круговорота состоят из мелких животных, питающихся фитопланктоном, различных хищников, поедающих свои жертвы, детритофагов и микроорганизмов - редуцентов (рис. 10.2). В рассмотренной цепочке пищевых связей биомасса каждого последующего звена приблизительно в 10 раз меньше, чем предыдущего (рис. 10. 3).
Одна из особенностей техногенеза - активное рассеяние металлов. Происходит интенсивная "металлизация" общего фона геохимической среды. Более 30 химических элементов опасны для морских организмов и человека, причем большую часть составляют переходные и тяжелые металлы. Многие из них биофильны, т. е. морские организмы накапливают их в своих тканях в концентрациях, в десятки, сотни тысяч раз превышающих содержание в морской воде.
Опасность заключается в том, что содержание тяжелых металлов увеличивается с продвижением вверх по трофической цепочке. В 1 кг рыбы содержится металлов примерно столько же, сколько их сконцентрировано в 1000 кг фитопланктона. -По сравнению с пирамидой биомасс пирамида содержания тяжелых металлов в экосистеме оказывается перевернутой (рис. 10.3). Об этом следует знать, поскольку человек питается преимущественно крупными хищными морскими рыбами. Металлы, рассеиваемые человеком в процессе техногенеза, возвращаются к нему в концентрированном виде вместе с морской пищей.
Живое вещество в океане выполняет важную функцию насоса, откачивающего CO2из атмосферы. Как известно, сжигание углеводородного топлива обусловливает выброс в атмосферу огромного количества CO2. Повышение его концентрации в атмосфере, как уже говорилось, вызывает парниковый эффект, глобальное потепление. В результате начнут таять ледяные шапки на полюсах, повысится уровень океана. Трансгрессия океана уже сейчас вызывает озабоченность государств Микронезии, население которых живет на атоллах, возвышающихся над поверхностью океана на считанные метры. Океан захватывает из атмосферы и захоранивает СО2 в осадочных породах типа известняков и доломитов, а также в толще морской воды благодаря образованию биомассы живого вещества и растворенной органики.
Уязвимость этого звена в том, что темпы антропогенного накапливания СО2 в атмосфере выше, чем скорость откачивания его морскими организмами. К тому же многие экосистемы, особенно интенсивно связывающие СО2, расположены на мелководьях или в поверхностной толще океана. Они в первую очередь страдают от антропогенного воздействия и снижают свою продуктивность, поэтому злободневен вопрос об охране коралловых рифов - одной из наиболее продуктивных экосистем океана.
Загрязнение океана разрушает тонкие биохимические связи между его обитателями. Разные группы организмов, особенно бактерии и беспозвоночные животные, выделяют растворенные органические вещества, играющие роль пищи и биостимуляторов для членов сообщества. Физиологические системы многих морских организмов являются открытыми, а все сообщество объединяется биохимическими связями по принципу дополнительности: гидробионты выделяют вещества, необходимые для других организмов, и сами включают в свой обмен выделения соседей. Морская экосистема представляет собой физиологическую целостность. Гибель определенных групп организмов в такой системе можно уподобить удалению железы внутренней секреции, производящей гормоны у высшего животного, а введение в воду ядовитых веществ - инъекции яда.
Есть еще одна важная сторона экологического метаболизма - это роль прижизненных выделений в общении гидробионтов. Подобно специфическим ароматическим веществам, выделяемым животными на суше, эти вещества помогают морским обитателям общаться между собой: самцам и самкам находить друг друга, особям определенных видов собираться в стаи, хищникам находить жертву, а жертве - избегать хищника. Вторжение чужеродных веществ в океан способно вызвать хаос в поведении гидробионтов, разрушить всю систему биоценотических отношений.
Итак, в структуре океана выделяются контактные зоны, для которых одновременно характерны максимальная напряженность физико-географических и биологических процессов и деятельность человека, обусловливающая истощение ресурсов и загрязнение. Граничные поверхности при этом не являются непреодолимыми барьерами. Напротив, здесь вещество и энергия интенсивно переходят из одной природной системы в другую. Циклы массоэнергообмена не только связывают географическую оболочку планеты (атмосферу, гидросферу, часть литосферы и биосферу), материки и океаны в единое целое, но и поддерживают устойчивость океана как единой природной системы.
Рассмотрим своеобразие природных процессов в контактных зонах океана, выделяя антропогенные нарушения, которые имеют негативные последствия. Характерной особенностью функционирования главнейших экосистем океана, формирующихся на границах раздела геосфер, является единство противоположностей. С одной стороны, каждая из этих систем относительно автономна. С другой стороны, каждая система открыта и обладает широкими связями с контактными системами. Последнее определяет ее вклад в целостность структуры океана и всей географической оболочки.
КОНТАКТ ОКЕАНА С СУШЕЙ
В настоящее время около 50 % населения земного шара обитает вблизи океана или непосредственно в его прибрежной зоне; около 50 % городов с населением более 1 млн человек расположено около устьев рек и заливов океанов. Поэтому огромная масса веществ, в том числе промышленных, сельскохозяйственных и бытовых отходов, поступает на мелководья со стоком с суши, замыкающим большой круговорот воды. В прибрежных мелководьях, занимающих 13 % площади океанов, продуцируется 40 % органического вещества; здесь вылавливается более 90 % рыбы.
Твердый сток при впадении рек в море осаждается лавинно, так что до 90 % веществ, выносимых с суши, остается в пределах мелководий и в океан не поступает. Таким образом, морские мелководья являются глобальной геохимической ловушкой, задерживающей большую часть веществ, сносимых с континентов. Морские мелководья - область сгущения жизни, и на их долю приходится основная масса рыбы и морепродуктов, употребляемых человеком в пищу. Относительная замкнутость биохимической системы морских мелководий делает ее особенно уязвимой как в отношении нарушения экологии гидробионтов, так и в отношении биоаккумуляции веществ, опасных для человека.
В пределах морских мелководий выделяется еще более узкая контактная полоска - береговая зона. Важную роль в формировании берегов играет вдольбереговой поток наносов: там, где он не насыщен, образуется дефицит наносов - берега разрушаются морем. Казалось бы, на современном этапе тектонического развития планеты, когда "раствор гипсометрических ножниц" достиг максимальной величины, можно было бы ожидать поступления с суши в береговую зону огромного количества обломочного материала, насыщения потока наносоВ и широкого развития пляжей. Сама природа создала гигантский цех строительных материалов, который, как надеялись, с лихвой может обеспечить нужды быстро развивающихся порто-во-промышленных комплексов и песком, и гравием, и галькой. Однако на изъятие человеком рыхлых наносов из береговой зоны море ответило катастрофически быстрым разрушением берегов. И возникла необходимость проведения дорогостоящих мероприятий по защите инфраструктуры портово-промышленных комплексов от волн.
Оказывается, для стока рек характерен "точечный" вынос осадочного материала. Устья рек - это, как правило, ловушки осадков. Из этих ловушек наносы не попадают на соседние участки береговой зоны. Современный этап развития береговой зоны океана характеризуется дефицитом рыхлого материала, в связи с чем преобладают процессы абразии - волнового разрушения берегов. Поэтому так неустойчив баланс наносов в береговой зоне. Если человек выбирает рыхлый материал - это неминуемо ведет к разрушительным последствиям: исчезают пляжи, а вместе с ними дороги и строения.
Особую проблему создает переудобрение морских мелководий, вызываемое избытком растворенных в воде питательных солей. Последние попадают в море в результате смыва с полей минеральных удобрений. Парадокс состоит в том, что в то время как биопродуктивность большинства морских экосистем сдерживается недостатком биогенных солей, человек навязывает традиционно малоплодородным морским экосистемам избыточное минеральное питание. Экосистемы отвечают на это сначала бурной вспышкой биопродуктивности специфических групп гидробионтов, а затем их гибелью. Уязвимым звеном становится быстрое потребление кислорода. Без растворенного в воде кислорода гибнут практически все животные морских мелководий. Разложение трупов ведет к сероводородному заражению, которое завершает превращение прибрежных экосистем в черную зловонную мертвую зону.