Многие загрязнители атмосферы способны существенно влиять на продуктивность лесных экосистем. Существуют, в частности, веские доказательства, что такие широко распространенные загрязнители воздуха, как двуокись серы и озон, способны замедлить рост леса. Замечено также, что загрязненная атмосфера вызывает снижение индекса биотопа – средней высоты доминантных деревьев в экосистеме в некотором произвольно выбранном возрасте, обычно 50 лет.
Наблюдаемый ныне уровень загрязнения атмосферы в целом не настолько высок, чтобы вызвать драматически быструю гибель лесов. Такое происходит лишь в локальных областях, непосредственно прилегающих к крупным промышленным объектам. Однако умеренное загрязнение атмосферы, в конечном счете, более опасно, чем кратковременные и пространственно локализованные сильные загрязнения. Умеренное загрязнение трансформирует в лесных экосистемах биогеохимические циклы, влияет на ход сукцессионных процессов, на механизмы конкуренции и деятельность многочисленных вредителей леса. В результате возникает устойчивая тенденция к снижению продуктивности, биомассы, к торможению роста, к изменению и обеднению видового состава лесных экосистем.
Газообразные загрязнители проникают в основную ткань листа (мезофилл) через устьица, которые днем обычно открыты, а ночью закрыты. Поэтому воздействие токсикантов на растения в дневное время оказывается в 3-6 раз более сильное, чем в ночные часы.
Проникающие в клетки мезофилла загрязнения оказывают тормозящее (ингибирующее) действие на процессы фотосинтеза.
Существуют впрочем, и иные факторы, ослабляющие фотосинтез при поглощении токсиканта: деформация в структуре самих хлоропластов, ухудшение транспорта органических веществ, уменьшение парциального давления углекислого газа в клетках и т.д.
Двуокись серы является, пожалуй, самым распространенным загрязнителем, очень опасным для растений в силу совей высокой токсичности. Поражение растений двуокисью серы проявляется, прежде всего, в пожелтении листьев. Затем листья сморщиваются, отмирают и опадают.
Присутствие в воздухе сернистого газа приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур и трав. Особой чувствительностью к загрязнению воздуха сернистым газом обладают лишайники.
Загрязнение воздуха озоном наиболее характерно для южных районов, где существуют благоприятные условия для образования фотохимических смогов. От этого вида загрязнения особенно страдают цитрусовые, виноград, пшеница, редис, картофель, томаты, люцерна и некоторые другие культуры. Изучение поврежденных листьев показало, что озон действует преимущественно на столбчатые клетки листа, резко нарушая проницаемость мембран. Листья начинают терять окраску, становятся серебристыми и глянцевитыми. Кончики листьев белеют. Затем появляются некротические участки в виде темно-коричневых пятен. Происходит их преждевременных опад.
К числу сильнейших токсикантов относится фтор. Его химическая активность настолько высока, что он взаимодействует даже с некоторыми благородными газами (криптон, ксенон, радон). Под воздействием фтора у хвойных деревьев происходит вначале побеление, а затем потемнение кончиков игл. После отпада отмершей хвои вновь появляющаяся хвоя отличается меньшими размерами.
Фтор и его соединения проникают в ткань листа путем непосредственной инфильтрации, и потому растения чувствительны к фторидам в любое время суток. Однако в опытах с соей, обрабатываемой фтористым водородом, была замечена положительная роль факторов, благоприятствующих закрыванию устьиц.
Сильное повреждающее действие на растения оказывает хлор, хлористый водород и другие соединения хлора. Присутствие этих веществ в атмосфере даже в небольших концентрациях снижает интенсивность фотосинтеза.
Растения способны поглощать не только газообразные химические соединения, но и различные аэрозоли, в том числе аэрозоли металлов. Например, такой широко распространенный загрязнитель, как свинец, интенсивно аккумулируется хвойными породами (ель, сосна, лиственница). В урбанизированных районах активным накопителем соединений свинца оказалось крапива двудомная. Она может аккумулировать свинец в пределах 5-16 мг/кг сухой массы без видимых признаков угнетения, каковыми считаются замедленный прирост биомассы, запоздалое вступление в фазу цветения и т.д. Поглощая различного рода загрязнители атмосферы, фитоценозы выполняют важную санитарно-гигиеническую функцию.
б) Всякий живой организм, который эволюционно приспособился к определенным физико-химическим параметрам природной среды, испытывает стресс, если эти параметры вдруг изменяются. Животные с их сложной биологической организацией особенно чувствительны к таким изменениям. Реакция на загрязнение наступает в той или иной форме практически при любом, даже очень малом уровне загрязнения. Реакция эта многопланова. Она может затронуть молекулярно-генетические основы организма, проявить себя в особенностях онтогенеза и этологии животных, в изменении характеристик межвидовых взаимодействий и т.д.
В настоящее время в биосферу введено несколько миллионов несвойственных ей ранее химических соединений. Многие из них обладают мутагенной способностью. Среди них встречаются такие хорошо известные и широко распространенные вещества, как формальдегид, кофеин, уретан, многие красители и перекиси, нитраты, пестициды, соли тяжелых металлов и т.д. Известно, что нижнего порога мутагенного действия не существует. Причем это действие может проявиться не только на ближайшем, но и на последующих поколениях. При наличии нескольких мутагенов возможны синергетические эффекты. Этим, возможно, объясняется уже не однажды встречающийся факт мутагенной активности речной и озерной воды (реки Миссисипи, Рейн, Дунай, озеро Онтарио).
Широкое использование антибиотиков в медицине и животноводстве вызвало буквально взрывообразный рост загрязнения окружающей среды плазмидами (небольшими кольцевыми молекулами ДНК в клетках бактерии) с генами устойчивости к антибиотикам. Видимо, недалеко то время, когда лечение антибиотиками перестанет быть эффективным.
Многие химические вещества (тяжелые металлы, пестициды и т.д.) способны вызвать различные нарушения в структуре и функционировании клеточных мембран, негативно воздействуют на белково-ферментные системы. В результате нарушается энергообеспечение клетки, подавляется синтез АТФ, а также активность некоторых гормонов, в частности, стероидных гормонов. С последними, как известно, связан темп размножения животных.
Загрязняющие вещества способны подавлять деятельность ферментов (биологических катализаторов). В результате нарушается биосинтез тех или иных компонентов клеток организма и, в конечном счете, синтез белков.
Иногда организм животного способен к детоксикации поглощенного химического загрязнения. Замечено, что в организме животных тяжелые металлы нередко стимулируют образование специальных белков - металлотионеинов, способных связывать эти металлы и как бы консервировать их в отдельных участках организма.
Во многих случаях отследить пути и механизмы воздействия на живой организм химических загрязнителей бывает далеко не просто, особенно если речь идет о животном, находящемся не на лабораторном столе, а в своей естественной среде. Если, предположим, какой-то вид или популяция животных находится под угрозой вымирания, то анализ причин, порождающих эту угрозу, может затянуться на годы. Еще годы могут уйти на устранение обнаруженных причин. За это время интересующая нас популяция может перешагнуть барьер, после которого любые усилия спасти положение становятся тщетными.
В качестве примера приведем историю популяции китов-белух, обитающих в реке Святого Лаврентия в Канаде и находящихся в настоящее время под угрозой вымирания. Ученые долгое время не могли выявить причину вымирания. А между тем не так давно популяция казалась вполне благополучной. Еще каких-нибудь 50 лен назад канадское правительство платило премии за каждого убитого кита под тем предлогом, что они снижают запасы рыбы в реке.
А в 1983 году то же правительство забило тревогу. Совместно с правительством провинции Квебек оно выделило 2,4 млрд. долларов на десятилетний план очистки реки Святого Лаврентия и создания заповедника для белух. Между тем численность популяции продолжала убывать, и причины этого оставались неизвестными. Лишь в начале 90-х годов исследованиями, проведенными в Теннеси, было установлено, что в мозговой ткани белух накопилось огромное количество канцерогенного вещества бензапирена, выделяющегося, в частности, при плавлении алюминия. Причиной гибели белух стала наконец известной, но зато теперь неизвестно, имеют ли смысл затраты на очистку реки и создание заповедника. Скорее всего, время уже упущено.
Существуют достаточно веские доказательства того, что загрязняющие вещества нарушают нормально течение эмбриогенеза. При этом родившиеся детеныши теряют многие свойства, важные для выработки приспособительных реакций.
Загрязнение воды нефтью резко ухудшает репродуктивные функции у водоплавающих птиц.
Отрицательно влияет на репродуктивную функцию животных также шумовое и электромагнитное загрязнение среды. Дикие животные в большинстве случаев не переносят посторонних, несвойственных естественной природной среде звуков. Эти звуки становятся мощным фактором беспокойства. Стерх (в настоящее время ставший очень редким вид журавлей) обычно бросает кладку, если в окрестности нескольких сотен метров от гнезда хотя бы один раз появляется человек.
Электромагнитные поля средней и даже низкой интенсивности неблагоприятно влияют на окислительно-восстановительные процессы в организме, вызывают функциональные изменения в сердечно-сосудистой и эндокринной системах, нарушают кислородный режим в тканях, угнетают состояние нервной системы.