Основы экологии и энергосбережения - Ян Мархоцкий

Практически закон минимума Либиха можно пояснить на примере. Допустим, что в почве содержатся все элементы минерального питания для данного вида растений, кроме одного из них – цинка или бора. Рост растений на такой почве будет сильно угнетен или невозможен. Если добавить в почву нужное количество бора или цинка, то это приведет к увеличению урожая.

Американский зоолог В. Э. Шелфорд пришел к выводу, что лимитирующим может быть не только недостаток, но и избыток таких факторов, как тепло, свет, вода. В 1913 г. он сформулировал это положение как закон, который в экологии носит название закона толерантности Шелфорда: «Любой организм имеет верхние (max) и нижние (min) границы устойчивости (толерантности) к любому экологическому фактору». Диапазон между максимумом и минимумом указывает на выносливость организма, в пределах которого он только и может существовать.

Закон Либиха и закон Шелфорда являются основополагающими законами экологии.

2.4. Значение солнечной радиации для биосферы

Источником энергии, тепла и света на земном шаре является Солнце. Солнечная энергия нагревает воду и почву, от которых нагревается воздух. Это тепло является движущей силой:

• большого круговорота воды на поверхности земного шара;

• циркуляции и перемещения вод Мирового океана;

• фазы круговорота воды в пределах экосистемы;

• общей циркуляции атмосферы, совокупности основных воздушных течений, приводящих к вертикальному и горизонтальному обмену масс воздуха;

• протекания фотосинтеза и образования продуцентами органических веществ и кислорода, которые необходимы консументам для питания и дыхания.

Следовательно, вся органическая жизнь на Земле обязана своим существованием солнечной радиации. Лучистая энергия Солнца представляет собой электромагнитные излучения и поток квантов. Чем меньше длина волны, тем большой запас энергии несет квант излучения. Лучистая энергия распространяется прямолинейно со скоростью 300 000 км/с.

2.4.1. Спектральный состав солнечной радиации

Преодолев огромное расстояние, часть солнечных лучей достигает поверхности Земли, освещает и обогревает ее. Примерно половина лучистой энергии приходится на видимые лучи, около половины – на тепловые инфракрасные и около 10 % – на ультрафиолетовые.

Видимые лучи с длиной волны 760–390 нм проходят атмосферу и проникают через кожу на глубину 1–10 мм. Они обладают глубоким тепловым и слабым фотохимическим действием. Видимый свет в зависимости от длины волны подразделяется на семь цветов радуги: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

Солнечный свет – важный раздражитель, который через зрительный анализатор влияет на состояние центральной нервной системы. Свет действует положительно на эмоциональное состояние человека:

• улучшает его самочувствие;

• повышает жизненный тонус;

• воздействует на фотохимические процессы в организме;

• влияет на ритм жизненного уклада (сон и бодрствование);

• на обмен веществ;

• на сердечно-сосудистую систему.

Инфракрасные лучи с длиной волны 1500–670 нм проходят через атмосферу и оказывают поверхностное тепловое действие. Они вызывают нагревание, расслабление кожных сосудов и гиперемию кожи, повышают температуру ткани. Эти лучи несколько улучшают обмен веществ и усиливают биологическое действие ультрафиолетовых лучей.

Ультрафиолетовые лучи с длиной волны 400–200 нм. Физическая характеристика и биологический эффект ультрафиолетовых лучей представлены в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Физическая характеристика и биологический эффект ультрафиолетового излучения (УФИ)

2.4.2. Влияние света на важнейшие процессы, протекающие в растениях и у животных

Свет необходим для жизни, так как это источник энергии для фотосинтеза (фотосинтез – превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами лучистой энергии Солнца в энергию химических связей органических веществ). Однако интенсивность света, длина его волны, цвет и продолжительность освещения (фотопериод) могут оказывать различное влияние.

Интенсивность света зависит от угола падения солнечных лучей на земную поверхность, а также от широты, сезона, времени дня и экспозиции склона.

Длина дня, т. е. соотношение между светлой и темной фазами суток, на экваторе более или менее постоянна (около 12 ч), но в более высоких широтах она изменяется в зависимости от времени года. Для растений и животных такой фотопериодизм обеспечивает синхронность их активности и времен года. Примерами могут служить цветение и прорастание семян у растений, миграция, зимняя спячка и размножение животных.

Структура растительных сообществ зависит от количества света. Распространение водных растений ограничено поверхностными слоями воды. В наземных экосистемах в процессе конкуренции за свет у растений выработались определенные стратегии (например, быстрый рост в высоту, использование других растений в качестве опоры (у лиан), увеличение поверхности листьев). В лесах это приводит к ярусной структуре сообщества.

Некоторые важные процессы, протекающие в зависимости от света, перечислены в табл. 2.2.

Таблица 2.2. Важнейшие процессы, протекающие в растениях и у животных в зависимости света

2.4.3. Световое голодание и заболевания, вызванные УФЛ

Недостаток естественного света, особенно ультрафиолетовой радиации, приводит к световому голоданию. Это может происходить:

• в населенных пунктах, где много туманов. Например, в Англии действовал неписаный закон: если выглянет солнце, то общественный транспорт останавливается, т. е. пассажирам предоставляется возможность выйти, чтобы принять солнечные и воздушные ванны;

• северных широтах, в Заполярье;

• местах с большой запыленностью и задымленностью воздуха (лесные пожары, горение торфяников, извержение вулканов).

Световое голодание проявляется снижением жизненного тонуса, понижением сопротивляемости организма к заболеваниям, недостатком синтеза витамина D3, что ведет к нарушению фосфоро-кальциевого обмена, вызывающему у детей рахит, а у взрослых – остеопороз, а также к развитию малокровия, простудных заболеваний.

Однако еще К. А. Тимирязев отмечал, что Солнце – не только великий созидатель, но и великий разрушитель. Интенсивное солнечное облучение может привести к отрицательным последствиям и проявляться:

• обширной солнечной эритемой. Отмечаются общие симптомы плохого самочувствия: головные боли, тревожный сон, повышение температуры облученных поверхностей;

• дерматитами. Интенсивное воздействие ультрафиолетовых лучей приводит к образованию на коже красноты, отечности и пузырей.

Длительное пребывание под солнечными лучами может привести к перегреву организма, солнечному удару, ухудшению самочувствия, обострению хронических заболеваний.

Последствия воздействия ультрафиолетовых лучей на человека разделяются на две группы – детерминированные и стохастические. Детерминированные эффекты ограничены кожей, глазами ввиду неглубокого проникновения ультрафиолетового излучения через кожу. Это ожоги кожи, временное подавление иммунитета, фотокератит, конъюнктивит, фототоксическое и фотоаллергическое поражения, которые появляются спустя 2–14 ч после облучения.

Стохастические эффекты (т. е. более поздние) после облучения УФИ – это:

1) катаракта. Она возникает, если солнечный свет, особенно УФВ, «активен в отношении индукции катаракт». Лица с удаленным хрусталиком обладают повышенным риском повреждения сетчатки;

2) обострение светочувствительного заболевания (например, красной волчанки), патологическая пигментация – старческий кератоз (предрак).

3) злокачественные новообразования кожи (базально-клеточная карцинома – характеризуется инфильтрирующим ростом на лице, обычно не дает метастазов; сквамозно-клеточная карцинома – характеризуется инфильтрирующим ростом на губах, прогноз неутешительный; меланома – наиболее злокачественная опухоль).

2.4.4. Физико-химические свойства солнечной радиации

Масса Солнца в 333 тыс. раз больше массы Земли. Солнце имеет слоистое строение. В каждом из слоев происходят свои физические процессы, приводящие к испусканию в околопланетное пространство электромагнитного излучения, потоков заряженных частиц, которые участвуют в формировании первичного космического излучения.

В солнечной атмосфере возможно внезапное увеличение активности, что выражается в появлении на Солнце темных пятен. Вокруг пятен возникают вспышки, где температура достигает 15 000 К[1]. При солнечной вспышке средней интенсивности, а это сопровождается появлением «дыр», пятен на Солнце, выделяется огромное количество энергии – примерно 4025Дж. Вспышка состоит из рентгеновских, ультрафиолетовых, видимых, космических лучей, радиоволн, корпускул. Вспышки на Солнце ведут к интенсивному выбрасыванию в межпланетное пространство потоков заряженных частиц, энергия и скорость которых больше, чем энергия солнечного ветра. Из-за сильного сжатия магнитосферы Земли увеличивается напряженность магнитного поля, что проявляется магнитной бурей.