Биосфера как область распространения жизни #62

Б Биосфера является областью Земли вместе с организмами и средой обитания на которой они обитают. Понятие биосфера было принято обществом по  Вернадскому после модернизации им определения австрийского геолога Э. Зюсса.

Основы учения Вернадского о биосфере

Термин «биосфера» (bios – жизнь, sphere – шар, область) введен австрийским геологом Э. Зюссом (1875) для обозначения особой оболочки Земли, населенной живыми существами. Учение о биосфере в дальнейшем было углублено академиком В.И. Вернадским (1863 — 1945). Он распространил понятие биосферы не только на живые организмы, но и на среду их обитания. Биосфера, по Вернадскому – «это область распространения жизни, включающая наряду с организмами и среду их обитания». Деятельность живых организмов объединяет атмосферу, литосферу и гидросферу в единую целостную систему, связанную обменом веществ и энергии.

Биосфера занимает лишь часть геологической оболочки земного шара. Она включает верхнюю часть литосферы, нижнюю часть атмосферы и гидросферу.

В литосфере жизнь сконцентрирована обычно на глубине до 8 — 10 м (отдельных бактерий находят в водах нефтеносных слоев на глубине 2 — 5 км). Проникновение живых организмов вглубь ограничивается отсутствием света, высокой температурой и давлением.

В гидросфере жизнь простирается на всю ее глубину (свыше 11 км). Здесь ограничивающими факторами являются давление толщи воды, низкое содержание кислорода и отсутствие света. В пределах атмосферы жизнь возможна на высоте до 20 — 25 км, где обнаруживаются лишь бактерии и их споры. Ограничивающие факторы – излучения, низкая температура, дефицит кислорода и воды. Наиболее благоприятные условия для жизни наблюдаются у поверхности суши и воды, поэтому здесь максимально сконцентрировано живое вещество. Биосфера включает:

  • живое вещество, образованное совокупностью организмов;
  • биогенное вещество, которое создается и перерабатывается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, нефть, каменный уголь, известняки);
  • костное вещество, которое образуется без участия живых организмов (продукты тектонической деятельности, метеориты);
  • биокостное вещество, образующееся в результате совместной деятельности организмов и абиогенных процессов (почва).

Вся масса живого вещества Земли составляет ее биомассу, которая равна примерно 2423,2 млрд т сухого вещества. Биомасса растений суши составляет около 97%, животных и микроорганизмов – около 3%. Биомасса и количество видов на суше увеличивается от полюсов к экватору. Так, в тундре насчитывается около 500 видов растений, в лесостепной зоне – до 2000, а во влажных тропических лесах – свыше 8000.

Огромная биомасса сосредоточена в почве. Ее составляют корни растений, водоросли, грибы, бактерии и почвенные животные. В некоторых почвах биомасса одних только дождевых червей достигает 1,2 т/га. Количество бактерий в 1 г почвы измеряется сотнями миллионов.

Мировой океан занимает свыше 75% поверхности Земли. Объем воды в нем в 15 раз больше объема суши, возвышающейся над уровнем моря. Однако биомасса Мирового океана в 1000 раз меньше. Она сосредоточена главным образом в поверхностном слое воды – до 100 м. Биологическая продуктивность суши и океана примерно одинакова в связи с тем, что обновление живых организмов в океане происходит во много раз быстрее, чем на суше. Так, автотрофные протисты океана обновляются несколько раз за год, а на обновление биомассы суши требуется 10 – 15 лет. Основную часть биомассы океана составляют животные (94%).

Поверхностные слои океана заполнены взвешенными микроскопическими организмами, перемещающимися течениями (планктон), основную массу которого составляют автотрофные и гетеротрофные протисты и некоторые беспозвоночные. В толще воды находятся активно плавающие животные (рыбы, киты, кальмары), образующие нектон. Третью группу составляют организмы, обитающие на грунте и в грунте водоемов (бентос). Они представлены придонными растениями, губками, полипами, ракообразными, червями.

Живое вещество составляет 0,25% всего вещества биосферы, однако играет ведущую роль в биогеохимических процессах благодаря совершающемуся в живых организмах обмену веществ. Деятельностью живых организмов обусловлены химический состав атмосферы и гидросферы, формирование почвенного покрова литосферы. Живое вещество играет ведущую роль в круговороте веществ в природе и осуществляет важнейшие биогеохимические функции.

Энергетическая функция заключается в усвоении живым веществом преимущественно солнечной энергии (фотосинтез в зеленых растениях) и передаче ее по трофическим цепям. Растения образуют свыше 98% первичной продукции Земли.

Газовая функция живого вещества заключается в поглощении растениями диоксида углерода и выделении кислорода в процессе фотосинтеза, а при дыхании растений и животных происходит потребление кислорода и выделение диоксида углерода, в восстановлении азота, сероводорода и других газов, т.е. в поддержании постоянства газового состава атмосферы.

Концентрационная функция заключается в поглощении и накоплении в живых организмах различных химических элементов – углерода, азота, водорода, кислорода, фосфора, серы, иода, железа. Благодаря этой функции на определенном этапе развития биосферы растения обогатили атмосферу кислородом и значительно снизили концентрацию диоксила углерода; на местах массовой гибели животных и растений обнаруживают отложения мела, известняка, нефти, угля и других полезных ископаемых.

Окислительно-восстановительная функция заключается в восстановлении и окислении веществ в живых организмах, например восстановление диоксида углерода до углеводов в процессе фотосинтеза и окисление их до диоксида углерода при дыхании.

Глобальный круговорот веществ в биосфере заключается в циркуляции веществ между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Благодаря биотическому круговороту возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе элементов в природе.

Около 40 химических элементов вовлекается живыми организмами в активный круговорот. Наибольшее значение имеют круговороты кислорода, азота, углерода, водорода, железа, фосфора, серы, калия, кальция, магния и кремния.

Важная роль в глобальном круговороте веществ принадлежит циркуляции воды. Вода испаряется с поверхности водоемов и воздушными течениями переносится на большие расстояния. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, размывает верхний слой почвы и возвращается вместе с растворенными и взвешенными в ней веществами в реки, моря и океаны. Растения извлекают воду из почвы и испаряют ее в атмосферу. Из атмосферы она выпадает в виде осадков и опять доступна растениям. Часть воды в процессе фотосинтеза расщепляется на водород и кислород. Водород используется для синтеза органических соединений, а кислород выделяется в атмосферу. Животные потребляют воду для поддержания осмотического давления и выделяют ее с продуктами диссимиляции. Вода испаряется и с осадками возвращается на Землю.

Практически весь кислород атмосферы имеет биогенное происхождение. Пополнение его содержания в атмосфере происходит благодаря разложению воды при фотосинтезе. Свободный кислород при дыхании используется аэробными организмами для окисления органических соединений. Одним из конечных продуктов окисления является диоксид углерода, поступающий в атмосферу и вода.

Круговорот углерода начинается с фиксации атмосферного диоксида углерода зелеными растениями при фотосинтезе. Часть образовавшихся при этом углеводов используется самими растениями для получения энергии, а часть потребляется животными. Мертвые растения и животные разлагаются, углерод их тканей окисляется и в виде диоксида поступает в атмосферу. Диоксид углерода выделяется также в процессе дыхания животных и растений. При разложении мертвых организмов без доступа кислорода образуется торф, каменный уголь, нефть. Человек использует их для получения энергии, диоксид углерода при этом возвращается в атмосферу. Таким образом, круг замыкается и начинается новый цикл включения углерода в органические соединения.

Основные запасы азота содержатся в атмосфере. Связывание атмосферного азота производят азотфиксирующие бактерии. Связанный азот усваивается зелеными растениями и идет на построение белков, которые затем употребляются в пищу животными и человеком. В процессе жизнедеятельности белковые молекулы расщепляются до конечных продуктов воды, диоксида углерода, аммиака и мочевины, выделяющихся во внешнюю среду. При гниении погибших животных и растений также образуется аммиак. Аммиак может переводиться бактериями в усвояемые растениями формы или в свободный азот, поступающий в атмосферу.

Показателями величины биотического круговорота служат темпы оборота воды, кислорода и диоксида углерода. Вода полностью разлагается и восстанавливается в биотическом круговороте примерно за 2 млн лет‚ весь кислород атмосферы проходит через организмы за 2000 лет‚ диоксид углерода – за 300 лет.

Одновременно с круговоротом веществ в биосфере идет и превращение энергии. Биосфера является открытой системой, постоянно принимающей солнечную энергию. В процессе фотосинтеза солнечная энергия превращается в энергию химических связей. В живом веществе Земли связано 4,19 * 1018 Дж энергии; при этом ежегодно создается и расходуется 4,19 * 1017 Дж. Энергия используется растениями на процессы жизнедеятельности, а часть переходит к растительноядным организмам. Последние расходуют ее на процессы жизнедеятельности, а частично она поступает к плотоядным животным и т.д. Таким образом, энергия запасается в тканях растений и животных в виде органических соединений, потребляемых другими животными и человеком. Часть энергии консервирустся в нефти, угле, сланцах, торфе.

Наряду с накоплением энергии в живых организмах происходит почти равное ему по масштабам выделение энергии при разрушении органических веществ в процессе дыхания, брожения и гниения. Так в биосфере поддерживается баланс энергии. Во время этих превращений происходят затраты энергии на процессы жизнедеятельности организмов. Потери энергии постоянно восполняются за счет световой энергии Солнца.

Биосфера представляет собой сложную экологическую систему, стабильность которой обусловлена взаимноуравновешивающимися результатами активности всех трех групп организмов – продуцентов, консументов и редуцентов. Относительное постоянство состава биосферы не исключает ее способности к эволюции.

На протяжении длительного времени существования нашей планеты основными факторами эволюции биосферы были геологические и климатические процессы, при которых происходила химическая эволюция, приведшая к появлению макромолекул и первых живых организмов – прокариот. Это были гетеротрофные анаэробы, так как на Земле в это время не было свободного кислорода, а в первичном океане содержалось достаточно органических веществ абиогенного происхождения. В дальнейшем стал ощущаться недостаток органических веществ и произошли первые автотрофные организмы. Появление в процессе эволюции фотосинтеза обеспечило непрерывное пополнение органических веществ благодаря использованию неиссякаемого источника солнечной энергии. С этого момента произошло разделение органического мира на два царства: животных, использующих для питания готовые органические соединения, и растений, питающихся автотрофно. Выделяющийся при фотосинтезе кислород начал накапливаться в атмосфере, благодаря чему стало возможным появление аэробных организмов, способных к более эффективному использованию энергии, и быстрое распространение жизни по планете.

Накопление кислорода в атмосфере привело к образованию в верхних ее слоях озонового экрана, задерживающего губительные для жизни коротковолновые ультрафиолетовые лучи. Это позволило живым существам подняться на поверхность воды и выйти на сушу. Развитие механизмов аэробного дыхания сделало возможным появление многоклеточных организмов. Первые такие организмы появились при концентрации кислорода в атмосфере около 3%. Уже в середине палеозойской эры содержание кислорода стабилизировалось на уровне около 20%, так как к этому времени темпы потребления кислорода живыми организмами и его образования при фотосинтезе уравнялись. Благодаря этому установилось относительное постоянство состава атмосферы. С появлением человека, в эволюции биосферы начался переход от биогенеза‚ обусловливаемого факторами биологической эволюции, к ноогенезу – развитию под влиянием разумной деятельности человечества. Первоначально действие человека на окружающую среду не отличалось от действия других организмов. Используемые человеком природные источники восстанавливались естественным путем, а продукты его жизнедеятельности поступали в общий круговорот веществ. Со временем рост численности населения и все возрастающее использование природных ресурсов превратились в мощный экологический фактор, нарушивший равновесие в биосфере. За последние 300 лет существования человечества биомасса Земли уменьшилась примерно на четверть. Учитывая вышесказанное, Вернадский пришел к заключению, что человечество в совокупности с другими структурно-функциональными элементами образуют новую оболочку Земли – ноосферу (оболочку разума), т.е. сферу разумной жизни. Ноосфера – это новый этап в развитии биосферы, предполагающий разумное регулирование отношений человек – природа.

Биосфера в период научно-технического прогресса

Источники сырья и совокупность растений и животных составляют природные ресурсы. Они подразделяются на восполнимые и невосполнимые. К невосполнимым природным ресурсам относятся исчезнувшие виды животных, растений и источники сырья (руда, уголь, нефть), которые образовалиеь в земной коре за сотни миллионов лет‚ а используются человеком за несколько десятилетий. К восполнимым ресурсам относятся микроорганизмы, растения и животные, которые относительно быстро могут размножаться и служат для удовлетворения потребностей человека в пище и одежде.

Современное человечество расходует потенциальную энергию биосферы почти в 10 раз быстрее, чем она накапливается организмами, аккумулирующими солнечную энергию. Ежегодно добывается более 7 млрд т металлов‚ угля, нефти. Одновременно из недр Земли извлекается около 70 млрд т пород (за счет вулканической деятельности – только 3 млрд т.). Современная промышленность производит вещества, не используемые другими видами организмов (полимеры), а нередко и ядовитые (ДДТ). В результате нарушается биотический круговорот – он становится незамкнутым. Человек меняет русла рек, истребляет диких животных, загрязняет атмосферу, воду и почву.

Основными источниками загрязнения атмосферы служат выбросы автомобильного и авиационного транспорта и промышленных предприятий. Ежегодно в атмосферу поступает более 200 млн т оксида и диоксида углерода, 150 млн т сернистого газа, 50 млн т оксидов азота и др. Оксиды азота и серы, соединяясь с водяными парами, образуют азотную и серную кислоты, выпадающие на Землю в виде слабоконцентрированных кислотных дождей, которые уничтожают растительный и животный мир и вредно действуют на здоровье человека.

Воздух над промышленными центрами содержит в 150 раз больше пыли, чем над океаном, вследствие чего задерживается до 50% солнечных лучей. За последние 100 лет содержание в воздухе диоксица углерода возросло на 10%, результатом чего является «парниковый» эффект, который может привести к повышению температуры на планете, таянию полярных льдов и повышению уровня мирового океана. В атмосфере значительно возросло содержание фреонов, разрушающих озоновый слой, что чревато проникновением на поверхность Земли коротковолнового ультрафиолетового излучения, губительного для всего живого.

Основной причиной загрязнения водных бассейнов является сброс неочищенных или недостаточно очищенных вод промышленными предприятиями. С полей смываются минеральные удобрения и ядохимикаты. Особенно вредное воздействие на морских обитателей оказывают нефтяные пленки, образующиеся после аварий танкеров и при добыче нефти на океанских шельфах. Они отравляют живые организмы и уменьшают насыщенность воды кислородом, что пагубно сказывается на размножении планктона первого звена экологической пирамиды в океане.

Источниками загрязнения литосферы являются ненормированное применение в сельском хозяйстве минеральных удобрений, инсектицидов, дефолиантов и других препаратов. Особую проблему создают аварии на продуктопроводах‚ отходы производств (пустые породы) и бытовой мусор. Плодородный слой почвы в природных условиях формируется очень медленно (1 см за 100 лет). Для предупреждения истощения почв необходимо вносить органические и минеральные удобрения. Деятельность человека часто приводит к эрозии почв – к разрушению и сносу плодородного слоя потоками воды или ветром.

Особое место занимает загрязнение окружающей среды радионуклидами в связи с испытаниями ядерного оружия и мирного использования радиоактивных изотопов. Особенно обострилась эта проблема после аварии на Чернобыльской АЭС, послужившей причиной радиоактивного загрязнения больших территорий Беларуси, Украины и России. Особенно опасно накопление в организме животных и человека изотопов стронция-90 и цезия-137, имеющих длительный период полураспада. Повышение радиоактивного фона может быть причиной увеличения частоты мутаций и развития опухолей.

Интенсивное загрязнение атмосферы, почвы и воды промышленными отходами, ядовитыми и радиоактивными веществами отражается на здоровье человека. В последние годы наблюдается рост количества хронических заболеваний легких и желудочно-кишечного тракта, аллергических заболеваний, опухолей и наследственных болезней, обусловленных экологическими факторами.

В настоящее время перед человечеством вполне реально встает вопрос об экологическом кризисе, т.е. о таком состоянии окружающей среды, когда она будет непригодной для жизни растений животных и самого человека. По мнению экспертов, экологическая ситуация, складывающаяся на Земле действительно таит в себе опасность серьезных и, возможно, необратимых нарушений биосферы в том случае, если деятельность человека не приобретет планомерный, согласующийся с законами развития биосферы, характер.

Для сохранения существующих параметров биосферы разработана система природоохранительных мероприятий, которая включает:

  • проведение мониторинга – постоянного длительного наблюдения за состоянием окружающей среды и источниках загрязнения, что позволяет делать длительные прогнозы состояния биосферы;
  • принятие законов, регулирующих природоохранительные мероприятия;
  • создание охраняемых территорий;
  • разведение редких и исчезающих видов животных и растений;
  • пропаганда природоохранительных мероприятий среди населения, общественных организаций и представителей власти.

В 1948 г. при ЮНЕСКО был создан Международный Союз охраны природы и природных ресурсов (МСОП). Его комиссия по редким и исчезающим видам издала Международную Красную книгу, в которую было занесено около 20 тыс видов. Все виды животных и растений в Книге разлелены на 5 категорий:

  • 0-я – виды, по-видимому исчезнувшие, не обнаруженные в течение ряда лет, но, возможно, уцелевшие в некотрых, недоступных местах или в неволе (культуре);
  • 1-я – находящиеся под угрозой исчезновения виды, которым грозит непосредственная опасность вымирания – дальнейшее существование их невозможно без осуществления специальных мер охраны;
  • 2-я – редкие виды, не находящиеся под непосредственной угрозой исчезновения, но встречающиеся в таком небольшом количестве, что могут быстро исчезнуть;
  • 3-я – сокращающиеся виды, численность и ареал которых уменьшается в течение определенного времени либо по естественным, либо по антропогенным причинам;
  • 4-я – не определенные (в плане систематики) виды, очевидно‚ находящиеся под угрозой исчезновения, но недостаточно изученные.

В 1974 г. была издана Краная книга СССР, в которую внесены свыше 1200 видов животных и растений.

В настоящее время стоит вопрос о создании Красной книги почв. Меры по охране природы должны быть направлены на борьбу с эрозией почв путем специальных агротехнических приемов, например безотвального рыхления почвы, защитного лесонасаждения, залуживания, применения научно обоснованных норм внесения удобрений, степени орошения и осушения. Главное направление развития промышленности – создание безотходных технологий, включающее комплексное использование сырья и замкнутые циклы производства, исключающие выбросы вредных веществ в атмосферу и неочищеных сточных вод в водоемы.

Сложная задача стоит перед человечеством по сохранению генофонда растений и животных. Для этого созданы и создаются охраняемые территории – заповедники, заказники, национальные парки; особо редких животных содержат в неволе, а растения разводят в специальных хозяйствах.

На территории бывшего СССР создано около 150 заповедников, 600 заказников государственного значения и большое количество местного. Заповедники ‚это территории (акватории), на которых запрещена деятельность человека (кроме научной) и весь природный комплекс постоянно сохраняется в естественном состоянии. Национальные парки – это охраняемые территории с сохранившимися природными комплексами, частично или полностью открытые для посещения. Заказники – это территории (акватории), на которых временно охраняются определенные виды растений, животных, элементы ландшафтов и другие памятники природы.

Памятниками природы могут быть уникальные или эталонные, имеющие ценность в научном, познавательном или эстетическом отношении разнообразные природные объекты (отдельные деревья, рощи, парки, озера, водопады, пещеры и т.п.).

Оставьте комментарий