С. М. Стойко (Інститут екології Карпат нан україни)
 Скачать 45.61 Mb.
|
|
оазисом життя, незалежним від енергії Сонця. Цей оазис існує завдяки енергії метану, що виділяється з морського дна. Сіркобактерії, використовуючи метан, як джерело енергії, синтезують органічну речовину (хемосинтез) і таким чи- ном продукують основу трофічної піраміди. Сіркобактерій поїдають трубчасті черви, які, відповідно, стають здобиччю інших морських організмів. Нещодавно телебачення передало повідомлення про те, що в Норвезькому морі на глибині 2 тис. м вчені виявили корали. Досі вважали, що корали не можуть існувати глибше від 50 м, бо кількість світла, що проникає на цю глибину, недостатня для фотосинтезу водо- ростей, які перебувають у симбіозі з кораловими поліпами. Отже, ми є свідками зміни деяких усталених парадигм. Звісно, що такі повідомлення потребують ретельної перевірки, спеціальних досліджень та пояснень. 12. Á³îòà ³ á³îöåíîçè Ñâ³òîâîãî îêåàíó 423 12.2. Åêîëîã³÷í³ ÷èííèêè âîäíîãî ñåðåäîâèùà Щоб ліпше зрозуміти вплив абіотичних чинників водного сере- довища на живі організми, необхідно з’ясувати питання про воду як мінеральну речовину та її найголовніші властивості. Незважаючи на широке поширення, вода має цілу низку унікальних властивостей. Унікальність води полягає в її молекулярній будові та міжмолекуляр- ній структурі. Між атомами кисню й водню, з яких складається вода, наявний так званий ковалентний зв’язок, який надає електронним парам надзвичайної стійкості не лише на поверхні, а й у мантії Землі та в космічному просторі. Водночас вода має певні аномальні властивості. Насамперед вона дуже стійка до впливу зовнішніх чинників, що пояснюють іс- нуванням додаткових сил між молекулами (водневий зв’язок). Іон водню, зв’язаний з іоном кисню, здатний притягувати до себе іон того ж елемента з іншої молекули. Кожна молекула води може утворювати чотири водневі зв’язки завдяки двом парам неподілених електронів кисню і двох позитивно заряджених атомів водню. Крім звичайного водню, у воді трапляється водень з масою 2, тобто дейтерій (D), і з масою 3 – тритій (Т). Кисень також має різні ізотопи. Окрім зви- чайного (з атомною вагою 16), виявлено ще два інші – з атомною вагою 17 і 18. Отже, теоретично може існувати 42 різновидності ізотопної води, з яких лише 7 мають стійку форму, тобто вони нерадіоактивні. Гідросфера Землі на 99,73% складається зі звичайної води (моле- кулярний склад Н 2 1 О 16 ). Ще 0,04% – це важкокиснева вода зі складом Н 2 1 О 17 і 0,02% – вода, що складається з Н 2 1 О 18 . Частка важкої води зі складом DO 2 у природних водах становить пересічно 0,15 мл на 1 л природної води. Така різниця в ізотопному складі впливає на фізичні властивості води – щільність, температуру кипіння й замерзання. У таблиці Менделєєва поряд з киснем розміщені сірка (S), селен (Se), телур (Те), їхні сполуки з воднем називають гідратами: H 2 S, H 2 Se, H 2 Te. Заряд ядра визначає фізичні властивості речовин цього ряду. Зокрема, якщо Н 2 Те – речовина з цього ряду, яка має найважчу мо- лекулярну вагу цього ряду, кипить при температурі -4°С, а замерзає при -51°С, то дві інші значно легші сполуки (H 2 Se і H 2 S) киплять і ×àñòèíà 2. Ðåã³îíàëüíà á³îãåîãðàô³ÿ 424 замерзають при нижчій температурі, прямо пропорційній їхнім моле- кулярним вагам. Відповідно вода, як найлегша з цього ряду сполука, мала б замерзати при температурі -90°С, а кипіти при -70°С. Вода ж, як відомо, замерзає при 0°С, а кипить при 100°С, тобто зовсім не відповідає виявленій закономірності (рис. 12.2). Вода має здатність розчиняти різноманітні речовини, з якими стикається у водозбірному басейні. У ній наявні всі елементи таблиці Менделєєва. З цього приводу В. Вернадський (1960) зауважив: “...у кожній краплі води, як у мікрокосмосі, відображається склад космо- су”. Наприклад, за останні роки із 87 стабільних хімічних елементів, відомих у складі земної кори, близько 80 виявлені у природних водах. Усі ці елементи впливають на властивості й хімічний склад води. Не дивно, що електропровідність розчинів у десятки тисяч разів вища, ніж електропровідність води. Це пояснюють наявністю у розчинах йонів, які прискорюють перенесення електричних заря- дів. Якщо у дистильованій воді розчинити звичайну кухонну сіль з таким розрахунком, щоб отримати 1 кг морської води, то зниження температури води буде відповідати втраті близько 2514 Дж тепла. Крім цього, об’єм розчину виявиться меншим за суму початкових об’ємів води й солі. Розчин ніби стиснеться. Таке явище має назву електрострикції. Вплив зовнішніх чинників суттєво змінює структурні особли- вості води. Експериментально доведено, що вода й водні розчини після високотермічного прогрівання й тиску впродовж певного часу перебувають у метастабільно- му стані. Метастабільна вода характеризується підвищеною розчинною здатністю щодо карбонатів, сульфатів, оксидів, силікатів. Вона має понижене значення кислотно-лужної рівноваги (рН) і тривалий час утримує у своєму складі під- вищену кількість розчинних речовин. Зокрема, активована при температурах 200, 300 і Рис. 12.2. Аномальність точок кипіння і замерзання води порівняно з іншими сполуками. Молекулярна вага 12. Á³îòà ³ á³îöåíîçè Ñâ³òîâîãî îêåàíó 425 400°С вода підвищує розчинну здатність щодо кальциту відповідно у 2, 3 і 4 рази. Здатність води впродовж певного часу зберігати свій структурний стан після зміни зовнішніх чинників А. Блох (1969) на- зиває структурною пам’яттю води. Досі ми вели мову про живі організми суходолу, для яких се- редовищем життя були ґрунти й повітря. Тепер йтиметься про живі організми, середовищем життя яких є води Світового океану. В цьому випадку першим виникає таке запитання: звідки на Землі взялася вода, яка нині покриває понад 71% її поверхні? Отже, вода існувала на поверхні Землі вже на її ранніх стадіях (етапах) геологічного розвитку. Вона стала розчинником для речо- вин, що потрапляли на поверхню внаслідок вулканічної діяльності або ж опадів з атмосфери. В атмосферу такі речовини потрапляли внаслідок дегазації земних надр. Геологічні дані свідчать про те, що вода була наявна на поверхні Землі в достатній кількості вже 3 млрд років тому. Проте якщо порівнювати її обсяг із сучасним, то він був на порядок меншим. Другим постає таке запитання: як утворилися океанічні котло- вини? Сучасні океанічні котловини утворилися на земній поверхні порівняно недавно. Майже всі вони мають вік, молодший за 250 млн років, тобто існують лише 5% геологічного часу Землі. Ми знаємо, що океанічна і континентальна земна кора мають у своїй будові суттєві відмінності. Дослідження останніх десятиліть виявили, що топогра- фія океанічних басейнів тісно пов’язана з розсуванням морського дна – спредінгом, що є складовою концепції тектоніки літосферних плит. Згідно з цією концепцією, океанічна кора утворилася з магми Землі, що піднялася на поверхню в тих зонах, де відбувається роз- сування кори. Внаслідок спредінгу сформувалася світова система серединно-океанічних хребтів, що підвищуються над суміжними ділянками на 2–3 км. Вчені дослідили, що океанічне дно в півден- ній частині Атлантики на східному фланзі Серединно-Атлантичного хребта за останні 80 млн років розсувалося в горизонтальному на- прямі зі швидкістю 2 см/рік. Отже, ширина океанічного басейну збільшувалась зі швидкістю 1 км за 50 тисяч років. Інша важлива риса підводного рельєфу – абісальні горби і гори, які мають здебільшого вулканічне походження. Деякі з них мають ×àñòèíà 2. Ðåã³îíàëüíà á³îãåîãðàô³ÿ 426 плоскі вершини, хоч і розміщені на 1–2 км нижче від рівня океану. Їх називають гайоти. Це свідчить, що в минулому ці вулкани сягали рівня океану. Переважну більшість ложа океану займають абісальні рівнини з вирівняною поверхнею, яка утворилася внаслідок нагро- мадження потужної товщі осадів. Щодо інших абіотичних чинників водного середовища та їхнього впливу на живі організми, то відомо, що їх поділяють на абіотичні, біотичні й антропічні. Для живих організмів суходолу найважли- вішими чинниками є поєднання тепла й вологи. Оскільки волога в океані є повсюдно, то розглянемо температуру, світло, прозорість, тиск, густину, солоність, газовий склад тощо. Температура. Якщо оцінювати масу води в океані, то загалом її можна вважати холодною. Прогрівається лише приповерхнева кілька- метрова плівка океанічних вод. З глибиною температура знижується, досягаючи в придонних горизонтах 0°С. Ізотерми океану характе- ризують тонкий верхній горизонт вод. Лише 8% вод океану мають температуру понад 10°С. Половина океанічних вод характеризується температурою, яка нижча за 2,3°С. У горизонтальному плані,тобто від екватора до полюсів, про- стежується певна закономірність: екваторіальні води цілий рік ха- рактеризуються високою постійною температурою, яка становить 25–28°С, температура тропічних вод коливається на 2–3°С, помірних широт – на 5–6°С. У напрямку до полюсів температура поступово знижується до 0°С. У північній півкулі найбільші коливання річних температур води простежуються на широтах 50–70°; у південній – на широтах 40–55°. Тепловий екватор, порівняно з географічним, змі- щений на північ на 10°. Це зміщення пояснюють охолоджувальним впливом Антарктиди на всю земну кулю (рис. 12.3). У вертикальному планіповерхневий горизонт з досить одно- рідною температурою змінюється областю різкого зниження темпе- ратури, яка відділяє його від холодних глибинних вод. Поверхневий горизонт часто називають горизонтом змішування, а область швидкої зміни температури – термоклином. Оскільки в тропіках поверхневий шар тепліший, ніж у високих широтах, а глибинні води скрізь одно- рідно холодні, то характер термоклину змінюється з широтою. Най- потужніші термоклини в тропіках. У деяких глибоководних западинах 12. Á³îòà ³ á³îöåíîçè Ñâ³òîâîãî îêåàíó 427 океану з глибиною простежується повільне підняття температури. Температурна інверсія певною мірою зумовлена нагріванням води теплом, що надходить з внутрішніх глибин Землі, Світовий океан є важливим акумулятором тепла на Землі. За- гальна кількість сонячного тепла, яке поглинають води Світового океану протягом року, становить 29,7×10 19 ккал, що перевищує 80% всієї радіації, яка досягає поверхні Землі. Океаносфера, за визна- ченням В. Н. Степанова (1983), містить у 21 раз більше тепла, ніж та кількість, яка щорічно надходить від Сонця на Землю. У десяти- метровому горизонті океанічних вод міститься в чотири рази більше тепла, ніж у всій атмосфері. Головна планетарна закономірність турбулентного теплообміну полягає в тому, що океанічне тепло пом’якшує глобальний клімат. Поглинаючись у тропічних і екваторіальних водах Світового океану, воно переноситься течіями у високі широти, пом’якшуючи водночас клімат помірних і полярних областей. Яскравим прикладом є відо- ма течія Гольфстрім, яка несе у 22 рази більше тепла, ніж всі річки Рис. 12.3. Середня річна температура на поверхні Світового океану, °С (Ч. Дрейк та ін.) ×àñòèíà 2. Ðåã³îíàëüíà á³îãåîãðàô³ÿ 428 нашої планети. Понад 80% нагромадженого протягом року водами Світового океану тепла витрачається на випаровування. Це становить 3% від всього тепла, яке зосереджено в океані. Світло. Якщо для суходільних організмів найсуттєвішим абіотичним чинником є поєднання тепла й вологи, то для водних організмів таким є поєднання світла і тепла. Прозорість води – це здатність пропускати світлові промені, яка залежить від вмісту у воді домішок розчинених і завислих речовин, фізичних властивостей тощо. Прозорість води визначається межею зникнення білого диска (Секкі-Коцебу), а в лабораторії – за шаром води, через який видно стандартний (3,5 мм) шрифт. Загалом в океані не тільки холодно, а й темно. Десятиметрова товща води поглинає 10% сонячного світла, а 100-метрова – понад 99%. На глибині понад 100 м підводник серед білого дня не може по- бачити нічого, крім рідкісних біолюмінісцентних спалахів світла від риб і зоопланктону. В каламутній воді неможливо побачити будь-що на відстані 10 м. Втрати сонячного випромінювання в морській воді добре визна- чаються так званим законом Беєра, згідно з яким кількість енергії, поглинутої на деякій відстані, пропорційна до вихідної кількості. Якщо на поверхню надходить 100 одиниць випромінювання, то на глибині одного метра збережеться 90%, або 90 одиниць; двометрової глибини досягне 81 одиниця випромінювання, тобто 90% від випро- мінювання на першому метрі глибини (0,9×90 = 81), а триметрової – 72,9 одиниці (0,9×81=72,9), чотирьох метрів – 65,6 і т. д. Виявлено, що на 100-метрову глибину в океан проникає менше одного відсотка сонячної енергії від тієї, що надходить на поверхню. Прозорість океанічних вод помітно зменшується від екватора до по- люсів і становить у різних частинах акваторії від декількох метрів до 66 м у Саргасовому морі та Бенгальській затоці, а також в морі Уеделла. Стосовно забарвлення морської води, то воно, по-перше, зале- жить, від вмісту завислих рослинних і тваринних організмів та інших речовин, що розсівають і поглинають світлові промені; по-друге, від умов відображення променів від поверхні води (хмарності, хви- лювання, висоти спостереження). У тропіках колір океанічної води 12. Á³îòà ³ á³îöåíîçè Ñâ³òîâîãî îêåàíó 429 ясно-голубий, північніше широти 40° він зелено-голубий, а в дельтах великих річок вода зелена й дуже каламутна. Тиск з глибиною зростає на одну атмосферу через кожні 10 м глибини. Однак організми пристосувалися до життя в умовах від 0,3 атмосфер (в горах) до 1100 атмосфер у глибоководних западинах. Густина морської води залежить від тиску, температури й со- лоності. Густина прісної води при 20°С становить 1 г/см 3 . Морська вода важча. При тій же температурі і солоності 35‰ її густина близька до 1,025 г/см 3 . Охолоджуючись, вода стає важчою. Зокрема, густина морської води при температурі 20°С становить 1,028 г/см 3 . Тиск також збільшує густину як прісної, так і морської води. На глибині 5000 м густина морської води зростає до 1,050 г/см 3 Хімізм. Солоний смак морської води є найбільш характерною ознакою. Солоністю називають сумарну кількість розчинених у мор- ській воді речовин. Загальна кількість солей у Світовому океані, за даними В. Степанова (1983), становить 46,5×10 15 т. Близько 80% цієї кількості солей припадає на хлористий натрій – звичайну кухонну сіль. Загалом солоність 2/3 вод Світового океану становить від 34,7 до 35‰.Половина вод Тихого океану має солоність від 34,6 до 34,7‰. Водні організми надзвичайно чутливі до зміни солоності. Коливання солоності, зокрема, між солоними водами океану і солонуватими водами гирлових літоральних зон зумовлюють різко виражені фло- ристичні й фауністичні (біотичні) межі.На рисунку 12.4 зображена гістограма, яка показує число кубічних кілометрів води із солоністю в інтервалах 0,1‰ Органічне життя характерне для .всього спектра засолення природних вод – від слабомінералізованих вод північних річок і озер до водойм із самоосадовою сіллю. Прісні води за солоніс- тю акад. О. Альокін (1970) поділяє на ультрапрісні (вміст солей < 10 мг/л), слабомінералізовані (100–200), середньої мінералізації (200–500), підвищеної мінералізації (500–1000) і високої мінералізації (>1000 мг/л). У водах Світового океану 99,6% солей складаються з хлору, натрію, калію, магнію та сульфатів Са і Mg. Вміст біогенних та ін- ших важливих для живих організмів елементів, таких як фосфор, йод, залізо, разом з кальцієм, сіркою, вуглецем, становить менше від ×àñòèíà 2. Ðåã³îíàëüíà á³îãåîãðàô³ÿ 430 0,1 мг/л води. А загалом розчинені органічні сполукиразом з живими мікроорганізмами не перевищують 2 мг/л води (табл. 12.1). Таблиця 12.1. Сольовий склад морської води (Ч. Дрейк та ін.) Компонент Концентрація (г/кг) Компонент Концентрація (г/кг) Хлор 19,353 Бікарбонат 0,142 Натрій 10,760 Бром 0,067 Сульфат 2,712 Стронцій 0,008 Магній 1,294 Бор 0,004 Кальцій 0,413 Фтор 0,001 Калій 0,387 Як вуглець, а також водень і кисень, фосфор і азот відіграють важливу будівельну функцію у житті організмів. Фосфор і азот в морській воді головно наявні у складі фосфатів (РО 4 -3 ) і нітратів (NО 3 - ), які перетворюють морські організми (здебільшого водорості) в органічні сполуки і трофічними ланками мандрують від організму до організму аж до вивільнення в глибоких шарах води внаслідок деструкції. Рис. 12.4. Солоність вод Світового океану (Монтгомері) 12. Á³îòà ³ á³îöåíîçè Ñâ³òîâîãî îêåàíó 431 Відношення кількості атомів вуглецю до кількості атомів азоту й фосфору в більшості морських організмів засвідчує, що фосфор, азот і вуглець наявні у пропорції 1:15:80, але концентрація фосфатів і нітратів у морській воді значно менша від концентрації бікарбонатів (і карбонатів). Отже, саме азот і фосфор, а не вуглець лімітують життєзабезпе- чення екосистем в океані (коли азот і фосфор вже вичерпані, вуглець ще залишається в значних кількостях). Надзвичайно важливим показником якості води для живих ор- ганізмів є вміст розчиненого кисню. Концентрація його зростає від екватора до полюсів. Адже в холодній воді кисень розчиняється зна- чно ліпше, ніж у теплій. Середній вміст кисню у водах Світового океану становить 5 мг/л води. Найменша концентрація кисню є у водах середніх глибин оке- ану поблизу екватора – 0,3–0,5 мг/л, тобто майже на порядок менша від пересічної. У водах Північної Атлантики вміст кисню становить 6,6 мг/л і є одним з найвищих. За підрахунками Іваненкова (1979), фі- топланктон Світового океану щорічно поглинає з атмосфери 55 млрд т, а виділяє в повітря 61 млрд т кисню. Отже, атмосфера Землі щоріч- но отримує додаткових 6 млрд т кисню. Однак збагачення атмосфери киснем не простежується тому, що, за даними В. Вульфсона (1969), на спалювання органічного палива щорічно витрачається 11–13% кисню від тієї кількості, яку щорічно виділяють рослини планети. У поверхневих шарах океану наявна висока концентрація кисню як внаслідок розчинення атмосферного, так і надходження його вна- слідок фотосинтезу фітопланктону. У процесі опускання поверхневих вод у глибини океану вони збагачуються завислими органічними частками, що утворилися у верхніх шарах океану. Розкладання ор- ганіки потребує багато кисню на хімічні реакції окиснення, денітри- фікації і сульфат-редукції. Якщо надходження нових порцій води з високим вмістом кисню своєчасний, то кисень цілком забезпечує розкладання органіки. У деяких морях, зокрема в Чорному морі, швидкість оновлення глибинних вод настільки повільна порівняно зі швидкістю надходження органіки з поверхневих шарів води, що весь кисень витрачається на окиснення і виникають анаеробні умови. В цьому випадку розкладання органічної речовини відбувається з від- ×àñòèíà 2. Ðåã³îíàëüíà á³îãåîãðàô³ÿ 432 новленням сульфатів, коли в морській воді утворюється сірководень. Така ж ситуація тимчасово простежується в Балтійському та інших морях, коли збагачені киснем води Північного моря з певних причин своєчасно сюди не надходять. Акад. О. Карпінський стосовно значення води висловився так: “Вода – це не просто мінеральна сировина, це не тільки засіб для розвитку промисловості й сільського господарства. Вода – це дієвий провідник культури, це сама кров, яка створює життя там, де його не існувало”. |