15. ΒΙΟΓΕΩΧΗΜΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙ

Transcript

1 15. ΒΙΟΓΕΩΧΗΜΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙ Στην αδιάλειπτη εισροή ενέργειας από τον ήλιο προς τη γήινη βιόσφαιρα, έχουµε ήδη αναφερθεί (Κεφάλαιο 5). Επίσης έχουµε αναφερθεί στη συνεχή εκροή ενέργειας από τον πλανήτη µας προς το διάστηµα µε µορφή θερµικής ακτινοβολίας. Έχουµε δηλαδή παρατηρήσει, ότι η γη δεν είναι ένα κλειστό, από ενεργειακή θερµοδυναµική άποψη, σύστηµα. Αντιθέτως τόσο η εισροή, όσο και η εκροή ύλης, προς και από τη γη, είναι ουσιαστικά ανύπαρκτη. Η πτώση µετεωριτών επί της γης και η όλως πρόσφατη εκτόξευση διαστηµοπλοίων περιλαµβάνουν τις, συγκριτικά απειροελάχιστες, ποσοτικά και ποιοτικά, µεταβολές στη γήινη ύλη. Η δε µεταφορά στη γη πετρωµάτων από το δορυφόρο της ή κάποιο κοντινό της πλανήτη, προς το παρόν τον Άρη, που άλλωστε παραµένουν σε κάποια εργαστήρια, µόνο θεωρητικά ενδιαφέρουν και όχι ποσοτικά. Εποµένως τα χηµικά στοιχεία που υπάρχουν στη γη και µετέχουν στη σύσταση της οργανικής ύλης, χρησιµοποιούνται και επαναχρησιµοποιούνται αενάως, διαγράφοντας τον κύκλο µεταξύ της οργανικής (βιο-) και της ανόργανης (γεω-) κατάστασης. Έτσι προέρχεται και το όνοµα αυτής της συνεχούς διαδροµής: βιογεωχηµικοί κύκλοι. Είναι κύκλοι κίνησης µεταξύ των βιολογικών και των γεωφυσικών συστατικών των οικοσυστηµάτων. Στην πραγµατικότητα βιολογικά, γεωλογικά και χηµικά φαινόµενα επηρεάζουν αυτούς τους κύκλους. Η κατανόηση της κίνησης των υλικών σε συνολικά συστήµατα άρχισε µε εργασίες που έµειναν ιστορικές, όπως «Η Τροφική υναµική όψη της Οικολογίας», που δηµοσίευσε ο Lindeman το Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι κύκλοι τεσσάρων στοιχείων: του άνθρακα (C), του αζώτου (N), του φωσφόρου (P) και του θείου (S), αφού αυτά είναι από τα κυριότερα στοιχεία για τη ζωή. Επίσης ιδιαίτερης σηµασίας είναι και ο βιογεωχηµικός κύκλος της απλής, αλλά και τόσο καθοριστικής σηµασίας, χηµικής ένωσης του νερού (H 2 O). Ωστόσο σηµαντικοί, για ορισµένες κατηγορίες οργανισµών, είναι και οι κύκλοι άλλων στοιχείων, όπως του ασβεστίου (Ca), που υπάρχει στα οστά των σπονδυλοζώων και τα κελύφη των σαλιγκαριών και των δίθυρων, ή του πυριτίου (Si), που υπάρχει στα κελύφη των διατόµων (βακιλλαριοφυκών), τα οποία συγκαταλέγονται στους σηµαντικότερους φυτοπλαγκτονικούς οργανισµούς. Μια διάκριση µεταξύ των βιογεωχηµικών κύκλων των στοιχείων, τους διαιρεί σε κύκλους ιζηµατογενούς και αέριου τύπου. Στην πρώτη κατηγορία κύκλων οι µεγάλοι ταµιευτήρες, δηλαδή οι «δεξαµενές» από όπου αντλείται το υπό εξέταση στοιχείο, βρίσκονται υπό µορφή κοιτασµάτων, ενώ στη δεύτερη σε αέρια µορφή. Χαρακτηριστικότερα παραδείγµατα της πρώτης κατηγορίας είναι οι κύκλοι του θείου και του φωσφόρου, ενώ της δεύτερης οι κύκλοι του αζώτου και του οξυγόνου. Το θείο είναι ένα στοιχείο που συµµετέχει σε πολλές οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις. Ο φωσφόρος που υπάρχει σε πετρώµατα µετατρέπεται σε µορφή προσλήψιµη από τα φυτά µε τη διαδικασία της παλαίωσης, οπότε τα πετρώµατα αποσαθρούνται και διαβρώνονται. Αέριου τύπου, εκτός των κύκλων του αζώτου και του οξυγόνου, µπορούν να χαρακτηρισθούν και οι κύκλοι του άνθρακα και της χηµικής ένωσης του νερού, παρότι τόσο οι ποσότητες του άνθρακα που είναι σε αέρια κατάσταση (υπό τη µορφή CO 2 ), όσο 115

2 και του νερού (οι υδρατµοί) είναι συγκριτικά πολύ µικρές. Ωστόσο αυτές οι µικρές ποσότητες είναι ενεργές και καθοριστικές για τον κύκλο του στοιχείου και της χηµικής ένωσης αντίστοιχα. Απ την άλλη µεριά, ταµιευτήρες που περιέχουν υγρά, αέρια και στερεά καύσιµα - ενώσεις του άνθρακα - έχουν τεράστια σηµασία ως καύσιµα, τα οποία είναι τα κύρια ενεργειακά αποθέµατα, για το σύγχρονο άνθρωπο. Εικόνα 15.1: Γενικευµένα διαγράµµατα των δύο τύπων κύκλων των θρεπτικών στοιχείων. Τοπικοί κύκλοι άνω αριστερά και παγκόσµιοι κάτω δεξιά. Οι διακεκοµµένες γραµµές στους παγκόσµιους κύκλους αναφέρονται µόνο στο άζωτο. (Κατά Etherington 1975, από Krebs 1985). 116

3 υστυχώς βιογεωχηµικούς κύκλους ακολουθούν και ρύποι, όπως οι χλωριωµένοι υδρογονάνθρακες, τα βαριά µέταλλα κ. α. Α. Κύκλος του άνθρακα Ο κύκλος του άνθρακα έχει ως σηµαντικότερο σηµείο του, τη δέσµευση του CO 2 από τους χερσαίους και υδάτινους φωτοσυνθετικούς οργανισµούς. Στη συνέχεια, αφού επιτελείται η είσοδός του σε διάφορες οργανικές ενώσεις, από κει και πέρα κινείται µέσα στα τροφικά δίκτυα και επαναπελευθερώνεται και πάλι µε τη µορφή CO 2 µέσω της αναπνοής ζώων, φυτών και µικροοργανισµών (κάποιοι από τους τελευταίους αποσυνθέτουν νεκρούς ζωικούς και φυτικούς ιστούς και κλείνουν τον κύκλο). Ο κύκλος του άνθρακα µπορεί να χαρακτηρισθεί χωρίς αµφιβολία ο «τελειότερος» από τους βιογεωχηµικούς κύκλους, χάρις στη µεγάλη ταχύτητα µε την οποία µεταπίπτει από την ανόργανη κατάστασή του σε βιοµόρια οργανισµών, διακινούµενος σε ολόκληρη τη βιόσφαιρα. Από βιοµάζα χερσαίων ή υδρόβιων οργανισµών που πέθαναν και εγκλωβίστηκαν σε κάποιο βάθος εντός του γήινου φλοιού, προήλθαν, κάτω από υψηλές θερµοκρασίες και πιέσεις, ο λιγνίτης, το πετρέλαιο και το γαιαέριο, που αποτελούν τις κυριότερες καύσιµες ύλες. Εξεταζόµενα δε ως σύνολο αποτελούν και την κυριότερη ενεργειακή πηγή για την ανθρωπότητα σήµερα. Η καύση τους απελευθερώνει σηµαντικές ποσότητες CO 2. Αυτές οι ποσότητες είχαν αποσυρθεί από την ατµόσφαιρα για εκατοµµύρια χρόνια και η επαναπελευθέρωσή τους προκαλεί τις ανησυχίες για το φαινόµενο θερµοκηπίου. 117

4 Εικόνα 15.2: Ο κύκλος του άνθρακα. (Από Βώκου και συνεργάτες, 1986) 118

5 Β. Κύκλος του αζώτου Τα κυανοφύκη (π.χ. γένη Nostoc, Anabaena, Aulosira) µε τις ετεροκύστεις τους, αλλά και διάφορα βακτήρια, όπως για παράδειγµα το συµβιωτικό µε τα ψυχανθή γένος Rhizobium, το φωτοσυνθετικό Chlorobium το αερόβιο Azotobacter,και το αναερόβιο Clostridium, µπορούν να δεσµεύουν ατµοσφαιρικό άζωτο, µε όµοιο µηχανισµό δέσµευσης. Τα ψυχανθή, που έχουν συµβιωτικά βακτήρια στις ρίζες τους, µπορούν χάρις σε αυτά και απολαµβάνουν τη δέσµευση του ατµοσφαιρικού αζώτου. Γι αυτό παλαιότερα, κατά τις εναλλασσόµενες καλλιέργειες, χρησιµοποιούντο τα ψυχανθή για να εµπλουτίσουν τα εδάφη µε αζωτούχα ιόντα. Γενικά η βιολογική δέσµευση υπολογίζεται ότι συµβάλλει κατά 90% στη συνολική αζωτοδέσµευση που πραγµατοποιείται στον πλανήτη µας. Τα βακτήρια των γενών Nitrosomonas στο έδαφος των χερσαίων οικοσυστηµάτων και Nitrosococcus στα θαλάσσια οικοσυστήµατα, µετατρέπουν τα αµµωνιακά σε νιτρώδη, ενώ άλλα βακτήρια (των γενών Nitrobacter στο έδαφος και Nitrococcus στις θάλασσες) µετατρέπουν τα νιτρώδη σε νιτρικά. Τέλος η απονιτροποίηση, δηλαδή η απελευθέρωση αζώτου στην ατµόσφαιρα γίνεται από τα βακτήρια απονιτροποίησης, όπως το είδος Pseudomonas denitrificans σε αναερόβιες συνθήκες, βαθιά στο έδαφος ή σε στάσιµα νερά. _ NO 3 N 2 O N 2 Όπως φαίνεται από το παράδειγµα του κύκλου του αζώτου, οι µικροοργανισµοί κατέχουν ειδικούς ρόλους στους κύκλους των στοιχείων. Εκτός από τη δέσµευση ατµοσφαιρικού αζώτου από τους µικροοργανισµούς, η οποία χαρακτηρίζεται ως βιολογική δέσµευση αζώτου, και η οποία είναι η σηµαντικότερη από ποσοτική άποψη µορφή δέσµευσης, υπάρχει και η ατµοσφαιρική (ή φυσική) δέσµευση, η οποία γίνεται κατά τη διάρκεια των ηλεκτρικών εκκενώσεων των καταιγίδων, αλλά από το 1914 ο άνθρωπος εφαρµόζει και την τεχνητή ή βιοµηχανική δέσµευση, κατά την παραγωγή τεχνητών λιπασµάτων. Η πρώτη παραγωγή βασίστηκε σε εφαρµογή της µεθόδου Haber (Haber - Bosch). Σήµερα παράγονται βιοµηχανικά τόσο νιτρικά, όσο και αµµωνιακά λιπάσµατα, καθώς επίσης λιπάσµατα όπως η νιτρική αµµωνία (NH 4 NO 3 ), τα οποία δίνουν κατά τη διάσπασή τους νιτρικά, αλλά και αµµωνιακά ιόντα. Τα νιτρικά και αµµωνιακά άλατα, αλλά και τα φωσφορικά, που είναι απαραίτητα συστατικά για την ανόργανη θρέψη των φυτών, βρίσκονται γενικά σε χαµηλή συγκέντρωση σε µη ρυπασµένα υδάτινα οικοσυστήµατα, σε αντίθεση µε ότι συµβαίνει σε πολλά χερσαία. Για παράδειγµα η συγκέντρωση των νιτρικών στο θαλάσσιο νερό είναι µόλις το 1/ της συγκέντρωσης που εµφανίζουν σε λιπασµένο έδαφος. Όταν καταλήξουν εποµένως σε υδάτινα οικοσυστήµατα, οι ουσίες που έλλειπαν για την ανάπτυξη της φυτικής βιοµάζας, τα οικοσυστήµατα οδηγούνται σε ευτροφισµό (eutrophication). (Βλ. και επόµενο υποκεφάλαιο για τον κύκλο του φωσφόρου). Ο ευτροφισµός µπορεί να είναι φυσικός και να οφείλεται σε έκπλυση θρεπτικών ουσιών που είχαν συσσωρευτεί για χρόνια και τα οποία σιγά - σιγά παρασύρονται και εµπλουτίζουν ολίγον κατ ολίγον ολιγοτροφικές (φτωχές σε θρεπτικά συστατικά) υδάτινες µάζες. Αυτό είναι φαινόµενο που µπορεί να παρουσιάζει περιοδικότητα 119

6 αιώνων ή και χιλιετηρίδων. Ο προκαλούµενος όµως από τον άνθρωπο, είναι ένας επιταχυνόµενος ευτροφισµός, οφειλόµενος κυρίως σε έκπλυση υπερλιπασµένων εδαφών και ονοµάζεται τεχνητός ή καλλιεργητικός ευτροφισµός (cultural eutrophication). Η υπέρµετρη αύξηση των φυκών, που ακολουθεί τον ευτροφισµό, ονοµάζεται «άνθηση του νερού» ή «άνθηση των φυκών» (algal bloom). Η ύπαρξη νιτρικών στο πόσιµο νερό σε συγκεντρώσεις µεγαλύτερες των 38mg/lt είναι τοξική και για µικρά παιδιά µπορεί να αποβεί µοιραία. Την αµµωνιοποίηση, δηλαδή την υδρόλυση των πρωτεϊνών και την οξείδωση των αµινοξέων, µπορούν να την επιτελέσουν όλοι οι οργανισµοί. Τα αζωτούχα απεκκρίµατα στους υδρόβιους οργανισµούς (αµµωνιοτελικούς), που δεν έχουν πρόβληµα εύρεσης νερού µπορούν να είναι περισσότερο τοξικά (γι αυτό αποβάλλουν αµµωνία) και έτσι αποφεύγουν να δαπανούν ενέργεια σε βιοχηµικές µετατροπές. Αντίθετα τα θηλαστικά, τα οποία δεν είναι ζώα, που να εξελίχθηκαν µε κύρια πορεία εξέλιξης προς τα υδρόβια περιβάλλοντα, είναι ουριοτελικοί οργανισµοί και χάνουν ένα ποσό ενεργείας κατά τη µετατροπή της αµµωνίας στη λιγότερο τοξική ουρία, που λόγω της µικρότερης τοξικότητάς της από την αµµωνία, δεν χρειάζεται να αραιώνεται σε τόσο νερό. Τέλος τα πουλιά και τα ερπετά χάνουν ακόµη περισσότερη ενέργεια, αφού είναι ουρικοτελικοί οργανισµοί και δαπανούν κι άλλη ενέργεια για να παραχθεί ουρικό οξύ, το οποίο είναι ελάχιστης τοξικότητας και αποβάλλεται σχεδόν αδιάλυτο. Κάποιοι πιστεύουν ότι για τα πτηνά η πόση µεγάλων ποσοτήτων νερού θα δηµιουργούσε πρόβληµα βάρους κατά την πτήση, ενώ τα ερπετά θα είχαν πρόβληµα εύρεσης νερού, αφού πολλά από αυτά ζουν σε ερηµικές και υποερηµικές περιοχές, ενώ ακόµη και όσα ζουν στις εύκρατες περιοχές, δραστηριοποιούνται κυρίως τις ξηρές εποχές του χρόνου. Ωστόσο οι περισσότεροι επιστήµονες πιστεύουν ότι το µεγάλο πρόβληµα, που είναι οι υψηλές συγκεντρώσεις τοξικών ουσιών, θα το είχαν τα έµβρυα των ερπετών και των πουλιών, αν δεν είχαν τη δυνατότητα να αποθηκεύσουν αδρανείς κρυστάλλους ουρικού οξέος, µέσα στο κέλυφος του αυγού κατά την εµβρυϊκή τους ανάπτυξη. Σε µορφή ουρικού οξέος κυρίως (80% ή και περισσότερο) αποβάλλουν επίσης τα αζωτούχα απόβλητά τους τα περισσότερα χερσαία και πολλά υδρόβια έντοµα. Αντίθετα τα υπόλοιπα υδρόβια έντοµα είναι αµµωνιοτελικά, αφού δεν έχουν πρόβληµα εύρεσης νερού και εξοικονοµούν ενέργεια µ αυτόν τον τρόπο «διαχείρισης αποβλήτων». 120

7 Εικόνα 15.3: Ο κύκλος του αζώτου σε χερσαία και υδάτινα οικοσυστήµατα. (Από Smith 1992). Γ. Κύκλος του οξυγόνου Έχουµε ήδη αναφερθεί στις αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης και της αναπνοής (4.2 και 4.7) και έχουµε δει ότι η δέσµευση του ενός από τα δύο αέρια (O 2 και CO 2 ) στο 121

8 φυτικό οργανισµό, συνεπάγεται την απελευθέρωση του άλλου. Παρότι η φωτοσύνθεση γίνεται για λιγότερο χρονικό διάστηµα από την αναπνοή, αφού συµβαίνει µόνο κατά τις φωτεινές ώρες του εικοσιτετραώρου, επιτελείται σε εντονότερους ρυθµούς και έτσι συνολικά τα φυτά προσφέρουν στο περιβάλλον O 2 και απορροφούν από αυτό CO 2. Εικόνα 15.4: Ο κύκλος του οξυγόνου. (Από Βώκου και συνεργάτες, 1986) Τα µεγάλα δάση, αλλά και οι ωκεανοί µε τους αναρίθµητους µονοκύτταρους φωτοσυνθετικούς φυτοπλαγκτονικούς οργανισµούς, ανανεώνουν συνεχώς το οξυγόνο της ατµόσφαιρας. Το µεγαλύτερο ποσοστό του οξυγόνου, που είναι διαθέσιµο στον αέρα και το νερό, έχει σχηµατιστεί κατά τη διάρκεια των παρελθόντων γεωλογικών αιώνων, από τους αυτότροφους οργανισµούς. Μετά το σχηµατισµό ενός περιβάλλοντος πλούσιου σε οξυγόνο, µπόρεσαν να εξελιχθούν τα πολυκύτταρα ζώα και να δώσουν την 122

9 µεγάλη ποικιλότητα µορφών ζωής, του βασιλείου τους. Η αναερόβια αναπνοή, που πρέπει να προηγήθηκε εξελικτικά, έχει πολύ χαµηλή ενεργειακή απόδοση. Ακόµη µε την παραγωγή οξυγόνου κατέστη δυνατό να σχηµατιστεί το στρώµα του όζοντος. Έτσι δρώντας ως προστατευτικό φίλτρο, η στιβάδα του όζοντος, επέτρεψε να εµφανιστούν και οι πρώτες χερσαίες ή ηµιχερσαίες µορφές ζωής. Κάποιες από αυτές έχουν αφήσει συγγενείς απογόνους µορφές ως σήµερα. Αναζητώντας παραδείγµατα στις διάφορες κατηγορίες οργανισµών, µπορούν να αναφερθούν τα βρύα και οι φτέρες από το φυτικό βασίλειο, οι σκορπιοί από τα ασπόνδυλα ζώα και τέλος οι βάτραχοι και οι σαλαµάνδρες (η τάξη Αµφίβια), από τα σπονδυλόζωα. Έλλειψη οξυγόνου αντιµετωπίζουν σε ορισµένες περιπτώσεις, µόνο ενδοεδαφόβιοι ή υδρόβιοι οργανισµοί. Με ρεύµατα και κυµατισµό το νερό οξυγονώνεται από το οξυγόνο της ατµόσφαιρας. Ακόµη η συγκέντρωσή του αυξάνεται από τη φωτοσυνθετική δραστηριότητα του φυτοπλαγκτού (έως 2 ή 3 φορές). Προς τα βαθύτερα στρώµατα όµως, δεν είναι αρκετά ισχυρή η οξυγονωτική επίδραση του κυµατισµού, ούτε φθάνει αρκετό φως για φωτοσύνθεση. Έτσι υπάρχει µείωση της συγκέντρωσης του οξυγόνου, που γίνεται εντονότερη, όταν το υδάτινο σύστηµα παρουσιάζει µικρή κυκλοφορία (υπάρχει έλλειψη αέριων και υδάτινων ρευµάτων).. Κύκλος του φωσφόρου. Ο φωσφόρος µε την αποσάθρωση και τη διάβρωση απελευθερώνεται από τα φωσφορούχα πετρώµατα και αποθέσεις και προσλαµβάνεται από τους παραγωγούς, µέσω των οποίων εισέρχεται στα τροφικά πλέγµατα. Ο φωσφόρος µεταφέρεται από τη χέρσο στα νερά και αντιστρόφως, ενώ φυσιολογικά δεν µεσολαβεί ατµοσφαιρική φάση αφού, όπως προαναγράφηκε, είναι κύκλος ιζηµατογενούς τύπου. 123

10 Εικόνα 15.5: Ο κύκλος του φωσφόρου σε χερσαία και υδάτινα οικοσυστήµατα. (Από Smith 1992) 115

11 Σε κάποια δάση των τροπικών µε κόκκινα λατεριτικά εδάφη, που έχουν βασικό συστατικό τον καολίνη, η µεγαλύτερη ποσότητα του διαθέσιµου φωσφόρου, προέρχεται από την αποσύνθεση της υπάρχουσας βιοµάζας. Εάν συµβεί διάβρωση σε αυτά τα εδάφη, το νερό συµπαρασύρει τον φωσφόρο τους και τον αποθέτει σε ιζηµατικά στρώµατα, στους βυθούς λιµνών και ποταµών, αποµακρύνοντάς τον από την ανακύκλωση για εκατοµµύρια χρόνια. Ο φωσφόρος συναντάται συχνά, όπως έχει ήδη αναφερθεί, σε µικρές ποσότητες στα καλά οξυγονωµένα επιφανειακά νερά των λιµνών, αποτελώντας έτσι, µε την ανεπάρκειά του, περιοριστικό παράγοντα για την αύξηση της βιοµάζας του οικοσυστήµατος. Μια µικρή αύξησή του, αυξάνει την παραγωγή βιοµάζας στη λίµνη. Αν όµως καταλήξουν σ αυτή µεγάλες ποσότητες φωσφορικών αλάτων λόγω έκπλυσης εδαφών µε φωσφορικά λιπάσµατα, ή λόγω κατάληξης αποβλήτων µε απορρυπαντικά, µπορεί να υπερπαραχθεί βιοµάζα και να οδηγηθεί το λιµναίο οικοσύστηµα σε ανισορροπία. Αν έχουν παραχθεί και πεθάνει µικροσκοπικοί, βραχύβιοι, φυτοπλαγκτονικοί οργανισµοί σε µεγάλες ποσότητες, τα βακτήρια που τους αποσυνθέτουν εµφανίζουν συνολικά υψηλή βιολογική απαίτηση οξυγόνου (biological oxygen demand, που συµβολίζεται ως BOD) και στις χειρότερες περιπτώσεις µε την υπερκατανάλωση οξυγόνου, το µειώνουν κάτω από το επίπεδο που είναι απαραίτητο για τα ψάρια και άλλους ευαίσθητους, υποχρεωτικά αερόβιους οργανισµούς. Η βιολογική σε συνδυασµό µε τη χηµική απαίτηση οξυγόνου (chemical oxygen demand, που συµβολίζεται ως COD) χρησιµοποιούνται γενικά ως δείκτες ρύπανσης (συγκεκριµένα οργανικού φορτίου) του νερού. Η προαναγραφείσα είναι µια διαταραχή στον κύκλο του φωσφόρου και γενικά οι διαταραγµένοι κύκλοι υλικών διανοίγουν και δρόµους µετακίνησης των ρύπων. Ε. Κύκλος του θείου Το θείο που προέρχεται από το µητρικό πέτρωµα βρισκόταν σε µορφή FeS 2 ή CuFeS 2. Το εδαφικό θείο απορροφάται από τις ρίζες των φυτών και ενσωµατώνεται στα θειούχα αµινοξέα (κυστίνη, κυστεΐνη, µεθειονίνη), ενώ τα γυψόφυτα (γυψόφιλα φυτά) το συσσωρεύουν σε ανόργανη µορφή στα φύλλα τους. Σε υδάτινα περιβάλλοντα το θείο που έχει αναχθεί, µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως αναγωγικός παράγων από φωτοαυτότροφα βακτήρια, τα οποία αφοµοιώνουν άνθρακα µέσω βιοχηµικών µονοπατιών ανάλογων µε τη φωτοσύνθεση στα πράσινα (χλωροφυλλούχα) φυτά. Υπενθυµίζεται η αντίδραση (η συνοψισµένη της µορφή), των χηµειοαυτότροφων θειοβακτηρίων: 12H 2 S + 6CO 2 C 6 H 12 O 6 +12S Το θείο παίρνει τη θέση που έχει το οξυγόνο του µορίου του νερού, ως ηλεκτρονιοδότης. Το στοιχειακό θείο συσσωρεύεται στα ιζήµατα, εκτός εάν αυτά εκτεθούν στον αέρα ή σε οξυγονωµένο νερό, οπότε το θείο θα οξειδωθεί σε θειώδη και θειικά ιόντα. Μια διαταραχή στον κύκλο του θείου είναι η απελευθέρωση, από θειούχες προσµίξεις των καυσίµων, υδροθείου (H 2 S) και άλλων θειούχων αερίων, που στην ατµόσφαιρα µετατρέπονται σε διοξείδιο του θείου (SO 2 ). Η βροχή που διαλύει το 106

12 διοξείδιο του θείου, είναι γνωστή σαν όξινη βροχή και έχει καταστρέψει ήδη αρκετά οικοσυστήµατα της Κεντρικής Ευρώπης είτε δάση, κοντά σε βιοµηχανικές περιοχές, είτε µικρές λίµνες όπου έχει µεταβάλλει το ph, καθιστώντας τις λίµνες όξινες και εποµένως ακατάλληλες για πολλά λιµναία φυτικά και ζωικά είδη. Η καταστροφή δεν συµβαίνει πάντοτε κοντά στις ρυπογόνες πηγές και έχουν αναφερθεί νέφη µε όξινη βροχή, που ταξίδεψαν όχι µόνο πάνω από περιοχές, αλλά και πάνω από ολόκληρες χώρες. Επίσης, η όξινη βροχή έχει δηµιουργήσει καταστροφές µνηµείων ιστορίας και πολιτισµού αφού έχει καταστήσει εύθρυπτα διάφορα ασβεστολιθικά κτίρια και µαρµάρινα µνηµεία, µε τη γυψοποίηση του ασβεστόλιθου και στη συνέχεια την έντονη διάβρωσή του από το νερό. ΣΤ. Κύκλος του νερού Το νερό είναι συνυφασµένο µε τη ζωή στον πλανήτη. Οι πρώτοι οργανισµοί, τόσο οι ετερότροφοι, όσο και οι αυτότροφοι, σχηµατίσθηκαν και εξελίχθηκαν µέσα στο νερό. Σήµερα πολλά υδάτινα οικοσυστήµατα είναι ιδιαίτερα σηµαντικά και παρουσιάζουν υψηλή παραγωγικότητα. Κάθε ζωντανό και ενεργό κύτταρο, είτε χερσαίου είτε υδρόβιου οργανισµού, έχει υψηλή περιεκτικότητα σε νερό και όσο κι αν ηχεί µεγαλόστοµα, το νερό φέρει επάξια τον τίτλο του «παγκόσµιου βιολογικού διαλύτη», όπου διεξάγονται όλες οι κυτταρικές βιοχηµικές αντιδράσεις. Το νερό υπάρχει σε αφθονία στη γη, αλλά το µεγαλύτερο µέρος του είναι αλατούχο, δηλαδή πρόκειται για το θαλάσσιο νερό. Μια άλλη κατάσταση στην οποία συναντάται το νερό σε σηµαντικές ποσότητες είναι υπό µορφή πάγου στους πόλους και στις κορυφές των υψηλών βουνών. Οι παγετώνες, οι οποίοι καλύπτουν την ήπειρο της Ανταρκτικής στο νότιο πόλο και το µεγαλύτερο µέρος του νησιού της Γροιλανδίας στο βόρειο, µεγαλώνουν από τη συσσώρευση χιονιού και οι θραυόµενες άκρες τους προς τη µεριά της θάλασσας σχηµατίζουν τα παγόβουνα. Ακόµη το νερό έχει υψηλό ποσοστό (50 90%) στα βιολογικά συστήµατα και επίσης έχει απολύτως καθοριστικό ρόλο. Στην ατµόσφαιρα αντίθετα υπάρχει σε χαµηλά ποσοστά, αλλά και εκεί εξακολουθεί να έχει σηµαντικό και αποφασιστικό ρόλο. Πάντως το σχετικά πολύ µικρό ποσοστό νερού που υπάρχει στην ατµόσφαιρα µε τη µορφή των υδρατµών διαδραµατίζει, όπως επισηµάνθηκε σηµαντικότατο ρόλο, γιατί µε τη συµπύκνωσή του επέρχονται οι βροχές και οι άλλες µορφές κατακρηµνισµάτων. Τέλος το αµέσου χρησιµότητας, για τους οργανισµούς, νερό, είναι αυτό των µη αλµυρών λιµνών, των ποταµών, των ελών καθώς και το εδαφικό. Με την εξάτµιση και µε τη διαπνοή των φυτών ανέρχεται το νερό από τη γήινη επιφάνεια υπό µορφή υδρατµών και συγκροτεί τα νέφη. Οι διεργασίες της εξάτµισης από τις ελεύθερες υδάτινες επιφάνειες και της διαπνοής από τα στοµάτια των φυτών, οι οποίες άλλωστε είναι δύσκολο να µετρηθούν χωριστά, ονοµάζονται συχνά µε έναν όρο εξατµισοδιαπνοή (evapotranspiration). Τα στοµάτια, ως γνωστόν, είναι κάποιοι σχηµατισµοί σαν πόροι, στη µια ή και τις δυο επιφάνειες των φύλλων, ενώ υπάρχουν και στους τρυφερούς βλαστούς των φυτών. Από τα στοµάτια εισέρχονται και εξέρχονται τα αέρια αντιδρώντα και προϊόντα της φωτοσύνθεσης και της αναπνοής, δηλ. CO 2 και O 2, καθώς επίσης διαφεύγει νερό µε τη διαπνοή. 107

13 Κατά τη µετάβαση από την υγρή στην αέρια φάση εγκλωβίζεται ενέργεια στην ατµόσφαιρα υπό µορφή λανθάνουσας θερµότητας, η οποία αποδίδεται πάλι στο νερό, κατά τη διάρκεια της αντίστροφης διαδικασίας, που ονοµάζεται συµπύκνωση. Με την ψύξη των νεφών και τη βροχή, φθάνει νερό στη χέρσο (στεριά), όπου πολλές φορές αποτελεί περιοριστικό παράγοντα. Ανθρώπινες κατασκευές, καλυµµένες µε µη υδατοδιαπερατές ύλες όπως η άσφαλτος και το τσιµέντο, π.χ. δρόµοι, οικισµοί χωριών και πόλεων, αεροδρόµια κλπ. εµποδίζουν την απορρόφησή του από το έδαφος και το οδηγούν ανεκµετάλλευτο πίσω στη θάλασσα. Εικόνα 15.6: Ο κύκλος του νερού. (Από Βώκου και συνεργάτες, 1986). Εικόνα 15.7: Το παγκόσµιο ισοζύγιο νερού. Η µέση ετήσια βροχόπτωση των 83,6 cm µετατράπηκε σε 100 µονάδες για να διευκολυνθεί η επί τοις % έκφραση των διαφόρων επί µέρους διεργασιών. (Από Smith 1992). Επίσης οι καταστροφές των δασών καθιστούν το έδαφος χαλαρό, καθώς δεν συγκρατείται από ρίζες και έτσι όπου υπάρχει κλίση συµπαρασύρεται από το νερό στις 108

14 αντίστοιχες λεκάνες απορροής του (λίµνες, παραλίες, ποτάµια, όπου καταλήγουν τα βρόχινα νερά). Ακόµη σηµαντική διαταραχή στον κύκλο του νερού είναι η επιφόρτισή του µε ρύπους, που το καθιστούν ακατάλληλο για πόση, αλλά µερικές φορές ακόµη και για άρδευση και άλλες χρήσεις. Πολλές φορές ρυπαίνονται πολλαπλάσιες ποσότητες νερού από αυτές που θα µπορούσαν να είχαν ρυπανθεί, αν είχε γίνει ο σωστός σχεδιασµός. Ζ. Οργανική Ρύπανση των υδάτων (Ευτροφισµός) Επειδή ο φωσφόρος συναντάται συχνά, όπως αναφέρθηκε στο υποκεφάλαιο µελέτης του κύκλου του, σε µικρές ποσότητες στα καλά οξυγονωµένα επιφανειακά νερά των λιµνών, αποτελεί έτσι, µε την ανεπάρκειά του, περιοριστικό παράγοντα για την αύξηση της βιοµάζας του υδάτινου οικοσυστήµατος. Μια µικρή αύξησή του, αυξάνει την παραγωγή βιοµάζας στη λίµνη. Αν όµως καταλήξουν στο λιµναίο οικοσύστηµα µεγάλες ποσότητες φωσφορικών αλάτων, λόγω έκπλυσης εδαφών µε φωσφορικά λιπάσµατα, ή λόγω κατάληξης αποβλήτων µε απορρυπαντικά, µπορεί να υπερπαραχθεί φυτική βιοµάζα και να οδηγηθεί το λιµναίο οικοσύστηµα σε ανισορροπία. Συνήθως αυτή η εισροή συνοδεύεται από παράλληλη εισροή αζωτούχων αλάτων (νιτρικών, αµµωνιακών ή και των δύο) και έτσι το φαινόµενο επιτείνεται. Αν εποµένως στο υδάτινο οικοσύστηµα παραχθούν και πεθάνουν µικροσκοπικοί, βραχύβιοι, φυτοπλαγκτονικοί οργανισµοί σε µεγάλες ποσότητες, τα βακτήρια που τους αποσυνθέτουν εµφανίζουν συνολικά υψηλή βιολογική απαίτηση οξυγόνου (biological oxygen demand) και, στις χειρότερες περιπτώσεις, µε την υπερκατανάλωση οξυγόνου, το µειώνουν σε επίπεδο ανεπαρκές για τα ψάρια και άλλους ευαίσθητους, υποχρεωτικά αερόβιους οργανισµούς. Η βιολογική και σε συνδυασµό µ αυτή η χηµική απαίτηση οξυγόνου (chemical oxygen demand), χρησιµοποιούνται γενικά ως δείκτες ρύπανσης του νερού. Αυτοί οι δείκτες ονοµάζονται δείκτες µέτρησης οργανικού φορτίου. Συνήθως αυτοί οι δείκτες, biological oxygen demand (BOD) και chemical oxygen demand (COD) συνοδεύονται και από έναν αριθµό, που δείχνει σε ποια χρονική µονάδα, π.χ. εβδοµάδα ή δεκαήµερο, απαιτείται η συγκεκριµένη ποσότητα οξυγόνου. Οι προαναγραφείσες είναι διαταραχές στους κύκλους του φωσφόρου και του αζώτου. Γενικά οι διαταραγµένοι κύκλοι των υλικών διανοίγουν και δρόµους µετακίνησης των ρύπων. 109

15 ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΕΠΙ ΤΗΣ ΥΛΗΣ ΤΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ (Ενότητα 15 η : Βιογεωχηµικοί κύκλοι) 1. Τι είναι οι βιογεωχηµικοί κύκλοι; 2. Ποιων στοιχείων τους βιογεωχηµικούς κύκλους µελετούµε; Γιατί αυτούς; 3. Ποιας χηµικής ένωσης το βιογεωχηµικό κύκλο µελετούµε; Γιατί αυτόν; 4. Τι τύπων βιογεωχηµικούς κύκλους γνωρίζετε; Με ποιο κριτήριο διαιρούνται έτσι; 5. Σε τι έγκειται η λεγόµενη ενεργειακή κρίση; 6. Έχουν όλοι οι οργανισµοί εξίσου εύκολη πρόσβαση στην πρόσληψη αζώτου; 7. Ποιους τρόπους αζωτοδέσµευσης γνωρίζετε; 8. Τι είναι ο τεχνητός ευτροφισµός; 9. Όλοι οι οργανισµοί απαλλάσσονται µε τον ίδιο τρόπο από τα αζωτούχα παραπροϊόντα του καταβολισµού; 10. Πόσο έχει διαταραχθεί ο κύκλος του οξυγόνου και πόσο σηµαντικό είναι αυτό; 11. Τι µετρούν το BOD και το COD; 12. Τι γνωρίζετε για την όξινη βροχή; 13. Ποιες είναι οι µη άµεσα προσλήψιµες, από τον άνθρωπο και τους άλλους χερσαίους οργανισµούς, µορφές νερού; 14. Πώς καταναλώνει ή καθιστά µη χρησιµοποιήσιµο το νερό ο άνθρωπος; 15. Πώς επιδρά στη µείωση των εισροών στα αποθέµατα νερού; 110

16 16. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΚΑΙ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΕΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ. ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΣΤΗΝ ΟΙΚΟΛΟΓΙΑ. ΟΜΟΙΩΜΑΤΑ ΟΙΚΟΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΠΛΗΘΥΣΜΙΑΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ Η προσέγγιση στην οικολογία γίνεται µε τρεις τρόπους: Τον πληρέστερο και δυσκολότερο που είναι η οικολογία πεδίου και δύο απλουστευµένους, τον εργαστηριακό και το µαθηµατικό, κατά τους οποίους χρησιµοποιούνται εργαστηριακές και µαθηµατικές προσοµοιώσεις αντίστοιχα. Πληθυσµιακά µοντέλα, σύµφωνα µε τη βιολογία των µελετουµένων ειδών χρησιµοποιούνται για την προσέγγιση διαφόρων προβληµάτων. ΠΙΝΑΚΑΣ ΙΙΙ: Τέσσερις τύποι πληθυσµιακών µοντέλων Εποχιακή αναπαραγωγή Συνεχής αναπαραγωγή (ασυνεχής) Μη επικαλυπτόµενες Ετήσια φυτά-πλειονότης Βακτήρια γενεές εντόµων Επικαλυπτόµενες γενεές Τα περισσότερα εποχιακά αναπαραγόµενα σπονδυλωτά και τα ανώτερα φυτά Άνθρωποι και µύγες των φρούτων (π.χ. µύγα Μεσογείου) (από Ricklefs 1990) Οι περιοδικοί ρυθµοί σε βιολογικές διεργασίες είναι ο κανόνας (π.χ. αναπνοή, κτύποι καρδιάς, έµµηνος ρύση). Ακόµη και η δραστηριότητα ενός οργανισµού κατά το νυχθήµερο κύκλο ακολουθεί το λεγόµενο περιηµερήσιο ή κιρκαδικό ρυθµό (circadian rythm). Για τους θαλάσσιους οργανισµούς ιδιαίτερα αυτούς που ζουν στην παραλιακή ζώνη (littoral zone), ή που συνδέουν ένα µέρος του βιολογικού κύκλου τους (π.χ. σύζευξη, ωοτοκία) µε τα αβαθή παραλιακά νερά, ιδιαίτερα σηµαντικοί είναι οι παλιρροιακοί ρυθµοί, που µε τη σειρά τους επηρεάζονται από το σεληνιακό κύκλο. Τέλος και άλλες, εκτός της φωτοπεριόδου και της παλίρροιας, περιβαλλοντικές συνθήκες που έχουν βιολογική σηµασία (π.χ. βροχόπτωση, θερµοκρασία), ακολουθούν περιοδικές µεταβολές κατά τον κύκλο του έτους. Έτσι χρησιµοποιούνται περιοδικές συναρτήσεις για να περιγράψουν αυτά τα περιοδικά φαινόµενα. Σε καθαρά µαθηµατικά, µια συνάρτηση f(x) είναι περιοδική µε περίοδο L,αν ισχύει η κατωτέρω σχέση για όλες τις τιµές του x: f(x)=f(x+l)=f(x+2l)=f(x+3l)=... Σε βιολογικά και οικολογικά φαινόµενα όµως, το σύµβολο της ισότητας πρέπει να αντικατασταθεί, από το «περίπου ίσο» και η περιοδικότητα (το L), επίσης ενίοτε επιδέχεται κάποιες µειώσεις ή προσαυξήσεις, από φορά σε φορά. Τα µαθηµατικά οµοιώµατα οικοσυστήµατος είναι µαθηµατικές περιγραφές, λιγότερο ή περισσότερο ρεαλιστικές, κάποιων λειτουργιών ενός οικοσυστήµατος. Τα όσα αποκαλύπτει η µελέτη τους είναι εξαιρετικά ενδιαφέροντα και πρέπει να 111

17 λαµβάνονται σοβαρά υπόψη, αλλά ποτέ άκριτα. Για παράδειγµα έχουν αναπτυχθεί µαθηµατικά µοντέλα, τα οποία δείχνουν ότι σε µεγάλη ποικιλία οικοσυστηµάτων, όσο προστίθενται περισσότερα είδη, η σταθερότητα (η ευστάθεια) ελαττώνεται. Αυτή η παρατήρηση δεν σηµαίνει τίποτε για πραγµατικές βιοκοινωνίες πραγµατικών οικοσυστηµάτων. Κατά τη µαθηµατική προσοµοίωση (simulation) της λειτουργίας ενός οικοσυστήµατος, γίνονται συγκεκριµένες παραδοχές, ότι επικρατούν ορισµένες µόνιµες συνθήκες, δηλαδή σταθερές τιµές κάποιων µεταβλητών. Έτσι µελετώνται κάποια µοντέλα (πρότυπα) οικοσυστηµάτων. Αυτό είναι µία από τις επικινδυνότερες απλουστεύσεις, που πραγµατοποιούν τα µοντέλα, επειδή οι µόνιµες και σταθερές καταστάσεις δεν παρατηρούνται στα οικοσυστήµατα. Επιπλέον πολλά οικολογικά φαινόµενα δεν είναι ακόµη επαρκώς διερευνηµένα, ιδιαίτερα όσα απαιτούν µεγάλα χρονικά διαστήµατα για να εκδηλωθούν. ηλαδή αν ένα οικολογικό φαινόµενο διαρκεί µία πενταετία ή µία δεκαετία, µπορεί να έχει λήξει το χρηµατοδοτικό πρόγραµµα µελέτης του, πριν εκδηλωθεί η επανάληψή του. Φαινόµενα που η πλήρης τους εξέλιξη διαρκεί πολλές δεκαετίες (π.χ. οικολογική διαδοχή, βλ. κεφ. 11) απαιτούν, ορισµένες φορές, γενεές επιστηµόνων για να µελετηθούν. Μια βασική ιδιότητα που πρέπει να λαµβάνεται υπ όψη στην εκπόνηση κάθε µαθηµατικού υποδείγµατος (µοντέλου), είναι η συνεχής ή η ασυνεχής φύση των πληθυσµιακών µεταβλητών. Θεωρητικά κάθε πληθυσµιακή µεταβλητή είναι εκ των πραγµάτων ασυνεχής, µε την έννοια ότι σε ένα χρονικό διάστηµα t, ο πληθυσµός µεταβάλλεται κατά κάποιο αριθµό, που είναι απαραίτητα ακέραιος (θετικός, µηδέν ή αρνητικός). Ωστόσο όταν ο πληθυσµός έχει ικανοποιητικό µέγεθος παραβλέπεται, πρακτικά, ως ασήµαντη αυτή η ασυνέχεια. Τα απλούστερα πρότυπα δεν λαµβάνουν υπ όψη τους την πιθανότητα του να συµβεί ή να µη συµβεί ένα συγκεκριµένο γεγονός και ονοµάζονται προκαθοριστικά πρότυπα. Αν ενσωµατώνουν και πιθανότητες, γίνονται αφενός ρεαλιστικότερα, αφετέρου δυσκολότερα στη µαθηµατική επεξεργασία τους και ονοµάζονται στοχαστικά πρότυπα. Η χρήση των αλγεβρικών µητρών στην οικολογία των πληθυσµών έγινε αρχικά από τον Leslie, γι αυτό ονοµάζονται µήτρες ή πίνακες Leslie. Τα πληθυσµιακά µοντέλα που προσπαθούν µε κάποιες εξισώσεις να προβλέψουν τις διακυµάνσεις των πληθυσµών του θηρευτή και του θηράµατος ή δύο πληθυσµών ανταγωνιστών είναι συνήθως οι εξισώσεις Lotka - Volterra στην πρωτογενή τους µορφή, όπως διατυπώθηκαν τη δεκαετία του είκοσι ( ), ή σε κάποια παραλλαγή τους. Οι δύο επιστήµονες, Αµερικανός ο πρώτος και Ιταλός ο δεύτερος, εργαζόµενοι ανεξάρτητα, κατέληξαν στις ίδιες περίπου εξισώσεις. Ο Lotka ήταν ο πρώτος που µεταχειρίστηκε τους πληθυσµούς και τις βιοκοινότητες ως θερµοδυναµικά συστήµατα και ανέπτυξε το πρώτο µοντέλο λειτουργίας του οικοσυστήµατος. Οι ρυθµοί αύξησης των πληθυσµών θηρευτή και θηράµατος περιγράφονται ως εξής από τις εξισώσεις Lotka και Volterra: όπου: dn/dt=n(r 1 -αp) και dp/dt=p(-r 2 +βn) Ν= πυκνότητα θηράµατος r 1 =ενδογενής ρυθµός αύξησης θηράµατος, απουσία θηρευτού P=πυκνότητα θηρευτή r 2 = ενδογενής ρυθµός αύξησης θηρευτού, απουσία θηράµατος 112

18 α=µείωση ρυθµού αύξησης θηράµατος, ανά άτοµο θηρευτή β=άνοδος ρυθµού αύξησης θηρευτή ανά άτοµο θηράµατος Πολλοί ερευνητές έχουν ασχοληθεί µε την κατασκευή ή τροποποίηση πληθυσµιακών µοντέλων. Οι Nicholson και Bailey πρότειναν ένα εναλλακτικό µοντέλο στη θέση αυτού των Lotka - Volterra. Ο Tilman αναπαρέστησε σε γραφήµατα τον ανταγωνισµό δύο ειδών, συσχετίζοντας τη µεταβολή των πληθυσµών µε τη διαθεσιµότητα των πόρων. ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΕΠΙ ΤΗΣ ΥΛΗΣ ΤΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ (Ενότητα 16 η : Εργαστηριακές και Μαθηµατικές Προσοµοιώσεις. Μαθηµατικά στην Οικολογία. Οµοιώµατα Οικοσυστηµάτων και Μαθηµατικά Πληθυσµιακά Μοντέλα) 1. Ποιες τρόπους προσεγγίσεως στην οικολογία γνωρίζετε; 2. Ποιος είναι ο δυσκολότερος και πληρέστερος; 3. Τι χρησιµοποιούνται για τους υπόλοιπους δύο τρόπους προσεγγίσεως; 4. Τι απαιτείται για να επιτευχθεί µια µαθηµατική προσοµοίωση; 5. Γνωρίζετε περιβαλλοντικούς κύκλους, επαναλήψεις, που επηρεάζουν τους βιολογικούς κύκλους των φυτών και των ζώων; 6. Πώς ονοµάζεται ένα πρότυπο, ανάλογα µε το αν ενσωµατώνει ή όχι πιθανότητες; 7. Ποιου µαθηµατικού κεφαλαίου εφαρµογή σε ποια επιστήµη αποτελούν οι πίνακες Leslie; 8. Είναι όλα τα οικολογικά φαινόµενα εύκολο να µελετηθούν στο εργαστήριο, όπως τα πειράµατα µηχανικής ή ηλεκτρισµού της φυσικής και οξειδοαναγωγής και αντικατάστασης στη χηµεία; Εξηγήσατε! 9. Τι ισχύει για τα οικολογικά φαινόµενα από άποψη χρονικής κλίµακας; 10. Τι εννοούµε µε τον όρο ενδογενής ρυθµός; 113

19 17. ΟΙ ΕΠΙ ΡΑΣΕΙΣ ΤΟΥ ΑΝΘΡΩΠΟΥ ΣΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΟΥ ΚΑΙ ΟΙ ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ ΤΟΥΣ Οι οργανισµοί, όπως εξαρχής αναφέρθηκε, δεν δέχονται µόνο επιδράσεις από το περιβάλλον, αλλά επιδρούν και οι ίδιοι σ αυτό. Όταν για παράδειγµα, λέµε ότι η συνολική διαπνοή ενός δάσους, δηλαδή η αποβολή νερού, µε τη µορφή υδρατµών, από τα στοµάτια των φύλλων, δηµιουργεί νέφωση και βροχές στην περιοχή, τότε το δάσος, δηλαδή οι φυτικοί οργανισµοί που το αποτελούν, επιδρούν στο αβιοτικό περιβάλλον. Όταν επίσης οι κάστορες κόβουν δέντρα και φτιάχνοντας ένα είδος φράγµατος, δηµιουργούν έναν ταµιευτήρα νερού, τότε βλέπουµε ότι αυτοί οι ζωικοί οργανισµοί, οι κάστορες, σχηµατίζουν µια λιµνούλα, δηλαδή επιδρούν στο αβιοτικό περιβάλλον. Το αντίστοιχο συµβαίνει όταν οι αποικίες των κοραλλιών στη θάλασσα σχηµατίζουν έναν κοραλλιογενή ύφαλο. Ο άνθρωπος από τη στιγµή που άρχισε να χρησιµοποιεί τη φωτιά και να κατασκευάζει εργαλεία, είχε τη δυνατότητα να επιφέρει πολύ σηµαντικές αλλαγές στον τρόπο ζωής του. Οι περισσότερες φυλές και οµάδες ανθρώπων επέλεξαν ως ανετότερο τρόπο ζωής το να καλλιεργούν τη γη και να εκτρέφουν ζώα. ηλαδή άλλαξαν τον τρόπο ζωής τους, από αυτόν του κυνηγού τροφοσυλλέκτη, σε εκείνον του γεωργοκτηνοτρόφου και άρχισαν να επιδρούν έντονα στο περιβάλλον τους, τόσο το αβιοτικό, όσο και το βιοτικό. Αυτό συνέβη πριν από οκτώ, εννέα ή δέκα χιλιάδες χρόνια, αφού δεν υπάρχει ακριβής σύµπτωση απόψεων στους αρχαιολόγους. Ας υιοθετήσουµε το µέσο υπολογισµό, τις εννέα χιλιάδες χρόνια, τουλάχιστον για κάποιες πρωτοπόρες κοινωνίες της Μέσης Ανατολής. Βέβαια αυτή η αλλαγή δεν ήταν δραµατική για το περιβάλλον, αφού οι ίδιες οι καλλιέργειες του ανθρώπου κατ αρχήν, δεν είναι τίποτε άλλο παρά νέοι τύποι οικοσυστηµάτων, µόνο που είναι κάποια πολύ απλοποιηµένα οικοσυστήµατα και µε ορισµένους ελλείποντες κρίκους αλληλεξαρτήσεων. Η λίπανση επίσης των καλλιεργειών µε φυσικά µέσα (π.χ. κοπριά), είναι κι αυτή πανάρχαια. Πάντως ακόµη και αυτές οι πρώτες καλλιέργειες, έδωσαν τη δυνατότητα να παραχθούν µεγάλες ποσότητες τροφής (µε τα µέτρα της εποχής τους) και έτσι σχηµατίσθηκαν οι πρώτοι σηµαντικοί οικισµοί, αλλά και πολιτισµοί, στηριγµένοι σε τρία συγγενή αµυλούχα φυτά (της ίδιας οικογένειας, αυτής των αγρωστωδών, Poaceae), το σιτάρι (Triticum vulgaris, γύρω από τη Μεσογειακή λεκάνη και στην Εγγύς Ανατολή), το ρύζι (Oryza sativa, στην Άπω Ανατολή) και τον αραβόσιτο ή καλαµπόκι (Zea mays, στο Νέο Κόσµο). Ακόµη σηµαντικό ρόλο για την ανθρώπινη διατροφή έπαιξαν και παίζουν τα πρωτεϊνούχα ψυχανθή φυτά, όπως η σόγια (Glycine max), η φακή (Lens esculentum), οι διάφοροι τύποι φασολιών, όπως τα κοινά φασόλια (Phaseolus vulgaris), τα µαυροµάτικα φασόλια (Vigna sinensis), τα ρεβίθια (Cicer arietinum), τα λαθούρια (Lathyrus spp.) κλπ. Τα σπέρµατα των ψυχανθών είναι από τις πλουσιότερες, σε πρωτεΐνες, φυτικές τροφές. Σηµαντικό ρόλο έπαιξαν και ορισµένα κτηνοτροφικά είδη αγρωστωδών και ψυχανθών, που επέτρεπαν τη διατήρηση κοπαδιών φυτοφάγων ζώων σε (τροφική) εξάρτηση από τον άνθρωπο. Η ύπαρξη καλλιεργειών που έδιναν τροφή στον άνθρωπο και στα ζώα του άρχισε σιγά σιγά να περιορίζει την περιπλανώµενη (νοµαδική) ζωή των κυνηγών. Νοµαδική ζωή διατήρησαν και διατηρούν ως τις µέρες µας ορισµένες οµάδες κτηνοτρόφων, που µετακινούν τα κοπάδια τους σε εποχιακά εύφορες λιβαδικές εκτάσεις. 114

20 Ωστόσο ο όρος περιβαλλοντική ρύπανση χρησιµοποιήθηκε κατά κόρο το δεύτερο µισό του εικοστού αιώνα, µετά από ολόκληρες χιλιετηρίδες επεµβάσεων του ανθρώπου στο περιβάλλον του. Αν δεχθούµε, έστω αυθαίρετα σε πρώτη φάση, ότι η χηµική ρύπανση είναι η εντονότερη και πιο διαδεδοµένη ρύπανση (σε σχέση µε τη θερµική, την ηχητική, τη ραδιενεργό κλπ.) και προσπαθήσουµε να κατηγοριοποιήσουµε τους χηµικούς ρύπους, µάλλον θα οδηγηθούµε αυτόµατα στην κατανόηση της αναγκαιότητας χρησιµοποίησης του όρου περιβαλλοντική ρύπανση, κατ αυτήν τη συγκεκριµένη χρονική στιγµή. Εικόνα 17.1: Προοδευτική συσσώρευση µιας χηµικής ουσίας (Dieldrin), κατά µήκος των τροφικών αλυσίδων, σε θαλάσσιους οργανισµούς. (Κατά Ramade 1982, από Φλογαΐτη 1988, προσαρµογή Κολλάρος). Ως χηµικό ρύπο µπορούµε να ορίσουµε οποιαδήποτε ουσία προκαλεί προβλήµατα στη φυσιολογία λίγων ή πολλών ειδών ενός οικοσυστήµατος, επειδή επηρεάζει την οµαλή ροή των βιογεωχηµικών κύκλων ή λόγω του ότι συσσωρεύεται κατά µήκος των τροφικών αλυσίδων. Τους ρύπους στο νερό, στο έδαφος, σε ζωικούς και φυτικούς χυµούς ή ιστούς συνηθίζεται να τους καταγράφουν στην προαναφερθείσα (Κεφάλαιο 3) µονάδα ppm, ή αν είναι ιδιαίτερα τοξικοί και πρέπει να καταγράφονται τα µέρη στο δισεκατοµµύριο, σε ppb (part per billion). Μία από τις δυνατές διακρίσεις των χηµικών ρύπων είναι σε ρύπους «άγνωστους» βιοχηµικά, δηλαδή σε ρύπους που τα βιοχηµικά µονοπάτια των οργανισµών και µικροοργανισµών δεν έχουν ένζυµα για την αποδόµησή τους και σε ρύπους «γνωστούς» βιοχηµικά, δηλαδή ουσίες που υπάρχουν 115