Биосфера
Термин «биосфера» был предложен в 1875 г. австрийским ученым Э. Зюссом: «биосфера — особая оболочка Земли, образованная живыми организмами». Это так называемая «биологическая концепция биосферы».
Учение о биосфере разработано В. И. Вернадским (начало XX в.), который впервые распространил понятие биосферы не только на живые организмы, но и на среду их обитания, с которой они находятся в непрерывном единстве (биогеохимическая концепция биосферы). Позднее Вернадским была предложена социально-экономическая концепция биосферы, отражающая превращение биосферы на определенном этапе ее эволюции в ноосферу.
В биосферу входят гидросфера, часть атмосферы и литосферы. В гидросфере живые организмы распространены повсеместно, вплоть до глубины 10—11 км. В литосфере основная масса сосредоточена в почвенном слое, однако встречаются бактерии, обитающие на глубине 3 км. Результаты деятельности живых организмов
в литосфере прослеживаются еще глубже (залегание осадочных горных пород).
В атмосфере граница жизни определяется озоновым экраном (его высота — 16—20 км), поглощающим УФ-лучи, однако большинство живых существ обитает в нижних слоях.
Биосфера — это оболочка Земли, населенная живыми организмами и активно преобразуемая деятельностью живых организмов. Биосфера включает в себя:
- живое вещество— совокупность всех живых организмов Земли (В. И. Вернадский). Живое вещество обладает следующими свойствами: рост, размножение, распространение и обмен веществ и энергии с внешней средой. Благодаря биотическому круговороту живому веществу присущи следующие геохимические функции:
- газовая — биогенная миграция газов в результате фотосинтеза и азотфик-
сации (осуществляется растениями, сине-зелеными водорослями и бакте-
риями); - окислительно-восстановительная — превращение веществ, содержащих атомы с переменной валентностью (например, марганец, железо, сера). В основном эта функция характерна для микроорганизмов. В результате этой деятельности образуются залежи различных руд (например, сульфидов металлов);
- концентрационная — аккумуляция в своих телах живыми организмами химических элементов, рассеянных в окружающей среде (водоросли накапливают йод, хвощи — кремний, некоторые другие растения — селен; мол-
люски, многие простейшие — кальций); - энергетическая — ассимиляция энергии, прежде всего солнечной (растения), и ее передача по пищевым цепям;
- биогенное вещество создается и перерабатывается в процессе жизнедеятельности организмов (нефть, торф, каменный уголь, известняк);
- косное (неживое) — образуется без участия живых организмов;
- биокосное вещество представляет собой результат совместной деятельности
организмов и абиогенных процессов (почва, ил).
Живое вещество биосферы. Биомасса всех живых существ биосферы очень незначительна (она составляет около 0,01% массы земной коры), но роль живых организмов в процессах, протекающих в биосфере, огромна. Это определяется тем, что живые организмы поглощают вещества и энергию, необходимые им для жизни, из окружающей среды, и преобразуют их. Эти процессы способствуют преобразованию окружающей среды. Живые организмы могут занимать в биосфере 4 среды обитания: водную, наземно-воздушную, почвенную и других организмов.
Водная среда образована всеми водоемами Земли. В океане на долю растений приходится 6—7% биомассы, остальные 93—94% — это животные и микроорганизмы. Основная часть биомассы растений приходится на водоросли. Наземно-воздушная среда образована поверхностью почвы и нижним слоем атмосферы. Суммарная биомасса живых существ суши на 99% образована зелеными растениями и только 1% составляют животные и микроорганизмы. Почвенная среда образована почвой, это самая насыщенная живыми организмами среда.
Круговорот веществ в биосфере
Круговорот веществ — это многократно повторяющийся процесс превращения и перемещения веществ в природе, имеющий более или менее цикличный характер. Он осуществляется с помощью живых организмов, причем каждый вид представляет собой определенное звено в круговороте. Живые организмы используют для жизнедеятельности определенные вещества, а другие вещества отдают в окружающую среду.
Биологический круговорот веществ (биогенная миграция атомов) состоит из двух процессов: аккумуляции веществ в живых организмах и минерализации в результате разложения мертвых организмов.
Аккумуляция обеспечивается продуцентами. Они используют энергию Солнца или химическую энергию, а также неорганические вещества для создания органических веществ (в процессе фотосинтеза или хемосинтеза). Консументы потребляют органическое вещество, образованное продуцентами, и используют его на построение собственного организма; при этом 90% энергии теряется. После гибели продуцентов и консументов их тела разлагаются с помощью деятельности редуцентов. При этом образуются неорганические вещества, снова используемые продуцентами.
Образование живого вещества преобладает на поверхности суши и в верхних слоях морей. Минерализация живого вещества преобладает в почве и глубинах морей.
Круговорот воды. В основном осуществляется за счет энергии Солнца (рис. 4.48). Солнечные лучи нагревают водоемы, и вода испаряется. Поднимаясь вверх, пары воды охлаждаются и конденсируются, а потом выпадают на землю в виде осадков. Также часть воды испаряется растениями и животными.
Рис. 4.48. Круговорот воды
Круговорот азота (рис. 4.49). Атмосферный азот усваивается азотфиксирующими бактериями, обитающими в почве (род Azotobacter) и на корнях бобовых растений (род Rhizobium). Они переводят его в нитраты, которые используются растениями. Растения не могут самостоятельно окислять молекулярный азот, поэтому получают его только из почвы или от симбиотических бактерий. Животные получают азот только из пищи, поедая растения или других животных. После гибели растений и животных их останки разлагаются благодаря нитрифицирующим бактериям, которые возвращают азотные соединения в почву. Часть органических останков разлагается денитрифицирующими бактериями с образованием свободного азота, вновь поступающего в атмосферу.
Рис. 4.49. Круговорот азота
Круговорот углерода. В атмосфере содержится около 0,03% углекислого газа (рис. 4.50). Он поглощается автотрофами в процессе фотосинтеза, а выделяется всеми организмами во время дыхания. Также человек, сжигая природное топливо, выделяет углекислый газ в атмосферу. Часть углекислого газа растворяется в воде и используется организмами (моллюски, простейшие) для построения скелета. После гибели этих организмов образуются осадочные горные породы, например известняк, которые при разрушении выделяют углекислый газ в атмосферу. Также часть углекислого газа консервируется растениями в виде угля и торфа.
Круговорот кислорода. В атмосфере содержится кислорода 21% и небольшое количество озона, который образует озоновый экран Земли (рис. 4.51). Кислород расходуется во время дыхания и горения и на окисление минеральных веществ (например, во время хемосинтеза), а при фотосинтезе растений и цианобактерий — образуется. Также небольшое количество кислорода выделяется при распаде некоторых горных пород.
Рис. 4.50. Круговорот углерода
Рис. 4.51. Круговорот кислорода
Превращение энергии в биосфере
Биосфера является открытой системой: ей требуется постоянное поступление энергии извне, т. к. значительная часть энергии теряется живыми организмами при переходе с одного трофического уровня на другой. Основной источник энергии
в биосфере — это энергия Солнца. Она аккумулируется зелеными растениями и сине-зелеными водорослями в процессе фотосинтеза. В результате этих процессов образуется органическое вещество, используемое другими живыми организмами (консументами) на осуществление собственной жизнедеятельности (для дыхания и брожения). Часть солнечной энергии консервируется в виде продуктов жизнедеятельности живых организмов — в виде каменного угля, нефти, торфа и т. д.
Эволюция биосферы
Эволюция биосферы осуществляется под влиянием двух основных факторов: естественные процессы (геологические, климатические и т. п.) и антропогенное влияние. Эволюция биосферы прошла несколько этапов. Первый этап — возникновение первичной биосферы и круговорота веществ и зарождение жизни в первичном океане свыше 3 млрд лет назад. Второй этап — появление и эволюция многоклеточных организмов. Оба этих этапа осуществлялись согласно биологическим законам и обычно объединяются в период биогенеза.
Следующий этап связан с возникновением и развитием человеческой цивилизации. Деятельность людей на ранних этапах существования цивилизации была незначительной. С развитием науки и техники это воздействие все увеличивалось, и в настоящее время эволюция биосферы протекает под воздействием человека. Такая деятельность людей способствует превращению биосферы в ноосферу. Этот период носит название ноогенеза.
Представление о переходе биосферы в ноосферу развил В. И. Вернадский (сам
термин предложен Т. де Шарденом и Э. Леруа в начале XX в.). По Вернадскому, ноосфера — это новая, высшая стадия биосферы, связанная с возникновением
и развитием в ней человечества. Это сфера взаимодействия природы и общества,
в пределах которой разумная человеческая деятельность становится главным,
определяющим фактором развития.
Основные пути отрицательного воздействия человека на природу
- Расходование природных богатств планеты. Все ресурсы среды делятся на неисчерпаемые (энергия Солнца, ветра, приливов и отливов и т. п.) и исчерпаемые (рис. 4.52).
Рис. 4.52. Ресурсы среды
Исчерпаемые ресурсы бывают возобновляемыми (почва, растительность,
животные, некоторые минеральные соли) и невозобновляемыми (полезные ископаемые).
- Загрязнение среды.
- Истребление видов.
- Разрушение биогеоценозов.
- Изменение климата.
Основные загрязнители окружающей среды
Основные загрязнители атмосферы: твердые частицы (пыль, сажа, зола), газы
(оксиды азота, сернистый газ, оксиды углерода, фреоны). Из-за этих выбросов
в атмосфере может образоваться смог: белый (при высокой концентрации газов и твердых частиц во влажной и тихой атмосфере) или фотохимический (когда выбрасываемые вещества реагируют друг с другом, образуя токсичные соединения).
Одним из последствий выбросов разных газов в атмосферу являются кислотные дожди: молекулы оксидов азота и серы соединяются с водой, образуя кислоты.
Кислотные дожди действуют на различные организмы: они снижают сопротивляемость растений негативным факторам среды, приводят к размягчению внешнего скелета многих беспозвоночных, затрудняют газообмен у рыб (на жабрах накапливается слизь), что приводит к их гибели.
Увеличение концентрации углекислого газа, метана и некоторых других газов
в атмосфере приводит к «парниковому эффекту»: молекулы этих газов задерживают тепловые лучи, идущие от земной поверхности, и вследствие этого происходит повышение температуры. Фреоны разрушают молекулы озона, из-за чего могут возникать «озоновые дыры».
Основные загрязнители: промышленность и автомобильный транспорт. В настоящее время большое значение приобретает радиоактивное загрязнение.
Основные загрязнители гидросферы: промышленные и бытовые стоки, поверхностно активные вещества (в том числе синтетические моющие средства), нефть и нефтепродукты. Это приводит к массовой гибели водных организмов (особенно при авариях нефтяных танкеров), эвтрофикации водоемов (смыв в водоемы минеральных удобрений с полей способствует быстрому размножению сине-зеленых водорослей, продукты жизнедеятельности которых отравляют воду).
Основные загрязнители: целлюлозно-бумажная, химическая, металлургическая, текстильная и нефтеперерабатывающая промышленность; сельское хозяйство.
Основные загрязнители недр и почвы: бытовые отходы, отвалы пустой горной породы, промышленность и транспорт. Из-за этих загрязнений происходит изменение ландшафта и рельефа («лунные долины»), усиливается эрозия почв, уменьшается плодородие почвы.
Основные загрязнители: промышленность, бытовые отходы, сельское хозяйство.
Воздействие человека на растительность и животный мир
Растительность. Основная проблема — вырубка лесов, а также их уничтожение из-за катастроф, причиной которых является человек (прежде всего, пожары). Уничтожение лесов ведет к обмелению рек и озер, понижается уровень грунтовых вод, более засушливым становится климат, происходит опустынивание территорий, усиливается эрозия почв.
Животный мир. Основные антропогенные факторы, действующие на животных: прямое истребление (шкура, мясо, полезные вещества), разрушение среды обитания, пожары. Вследствие этого происходит снижение численности различных видов (вплоть до полного исчезновения), что приводит к снижению биоразнообразия и уменьшению устойчивости сообществ.
Охрана окружающей среды
- Наличие соответствующих законов, а также их неуклонное выполнение.
- Защита от загрязнения (очистные сооружения и т. п.).
- Разработка и внедрение ресурсосберегающих и экологически чистых техно-
логий. - Организация охраняемых территорий (памятников природы, заповедников, заказников, национальных парков).
- Рекультивация земель.
- Поддержание видового разнообразия; искусственное разведение редких видов в неволе и реинтродукция в природу.
- Экологическая работа с населением.