|
Биосфера
Биосфера - оболочка Земли,
населенная живыми организмами. В
процессе эволюции на Земле
образовалась особая оболочка (или
сфера) населенная живыми
организмами. Впервые это название
было использовано еще Ж.
Б.
Ламарком. Термин “биосфера” (греч.
“биос” - жизнь,
“сфера” - шар) ввел в
1875 г. геолог Э.Зюсс, но
распространение этого термина
произошло благодаря развитию
учения
о биосфере академиком
В.И.Вернадским (в конце 20-х
гг. XX
столетия). В. И. Вернадский (1863-1945
гг.), являясь
основоположником новой
науки - биогеохимии, первым обратил
внимание на роль живых организмов
как мощного геологического
фактора,
установив роль живого вещества в
преобразовании
земной поверхности.
На Земле различают несколько
геосфер: литосферу (греч. “литос” -
камень) - внешнюю
твердую оболочку
земного шара, состоящую из двух
слоев:
верхнего слоя осадочных пород
с гранитом и нижнего базальтового;
гидросферу (океаны, моря, озера,
реки), занимающую 70,8%
земной
поверхности; атмосферу,
простирающуюся вверх до 100
км: в
ней различают тропосферу (греч
“тропа” - перемена)
высотой 15 км, а
над ней - стратосферу (лат. “стратум” -
слой), высотой до 100 км (у границы
стратосферы возникают
северные
сияния. На высоте 45 км вместо
кислорода находится
озон,
образующийся из свободного
кислорода под влиянием
солнечных
лучей (О2 ® О3), который образует
экран и отражает
губительные для
живых организмов космические
излучения и
частично
ультрафиолетовые лучи Солнца);
ионосферу,
располагающуюся выше
стратосферы и имеющую слой
разреженного
газа из ионизированных
атомов.
Биосфера охватывает поверхность
Земли, верхнюю часть литосферы, всю
гидросферу, тропосферу и
нижнюю
часть стратосферы. Границы биосферы
определяются
наличием условий,
необходимых для жизни различных
организмов. Верхняя граница
биосферы ограничена интенсивной
концентрацией ультрафиолетовых
лучей; нижняя - высокой
температурой
земных недр (свыше 100 oС). Крайних
пределов
границ биосферы достигают
только бактерии (споры бактерии
попадают на высоту 20 км, а
анаэробные бактерии
обнаруживаются
на глубине свыше 3 км в водах
месторождений
нефти). Наибольшая
концентрация жизни сосредоточена у
поверхности суши и океана, у границ
соприкосновения
литосферы и
атмосферы, гидросферы и атмосферы,
гидросферы и
литосферы, т.е. на
границе фаз. Живые организмы в сумме
составляют живое вещество. В составе
биосферы есть и неживое
(косное)
вещество, а также сложные по своей
природе
биокосные тела (в их состав
входят как живые организмы, так и
видоизмененное неживое вещество).
В.И.Вернадский к биокосным
телам
относил почвы, илы, природные
воды.
Таким образом, живые организмы могут
существовать в тропосфере и нижних
слоях стратосферы, а в
гидросфере
проникают на всю глубину Мирового
океана - до
10-11 км, в литосфере -
иногда до глубины 7,5 км. Величина
биомассы для всей планеты составляет
3·1012 т, при этом
более 95% этой
величины приходится на долю
растительных
организмов и только 5% -
на долю животных. В целом биомасса
составляет лишь около 0,01% массы
всей биосферы, но ее роль
на планете
грандиозна. Основную часть биомассы
растений
составляют деревья, поэтому
основное накопление биомассы на
планете определяется
распространением лесов на
континентах. Наибольшее сгущение и
разнообразие растений
имеет место во
влажных тропических лесах.
Разнообразие и
количество видов
животных зависят от растительной
массы и
тоже увеличиваются к
экватору. В биосфере условно
выделяют
элементарные целостные
единицы - биогеоценозы -
совокупность
популяций разных видов,
обитающих в определенной местности.
Биоценоз объединяет сообщества
растительных и животных
организмов,
населяющих участок биосферы с
однородными
условиями
существования. Взаимные связи внутри
биогеоценоза
поддерживаются в
процессе круговорота веществ.
Основное
условие поддержания жизни
в биосфере определяют живые
организмы, осуществляя круговорот
неорганических и
органических
веществ.
Биогеохимические циклы - это
циркуляция химических элементов
абиотического происхождения,
которые попадают из окружающей
среды в организмы и из
организмов в
окружающую среду. В биосфере все
время
совершаются круговороты воды и
всех элементов, входящих в состав
живых организмов. Процесс этот длится
десятки миллионов лет.
“На земной
поверхности нет химической силы,
более постоянно
действующей, а
поэтому и более могущественной по
своим
конечным последствиям, чем
живые организмы, взятые в целом” -
утверждал В. И. Вернадский.
Неорганические элементы вносятся
в
ткани растений и животных в процессе
их роста и развития и
входят в состав
органических веществ. После смерти
организма
эти элементы подвергаются
сложным превращениям, после чего
снова попадают в новые организмы. К
главным циклам относятся
биохимические циклы углерода, азота,
воды, фосфора и
серы.
Кругооборот углерода и кислорода
осуществляется в близко идущих
процессах. При дыхании
высвобождается углерод в виде СО2, а
в процессе фотосинтеза
СО2 снова
превращается в органические
соединения. Всего за
7-8 лет живые
организмы пропускают через свои тела
весь
углерод, содержащийся в
атмосфере. В океане (в основном в
составе фитопланктона) 40·1012 кг
углерода в год фиксируется
в процессе
фотосинтеза в виде СО2. Большая его
часть потом
высвобождается при
дыхании. На суше фиксируется в год
35·1012 кг углерода при фотосинтезе в
виде СО2; 10·1012 кг
углерода
выделяется при дыхании растений и
животных; 25·1012
кг углерода
выделяется при дыхании редуцентов;
5·1012 кг
углерода в год
высвобождается при сжигании
ископаемого
топлива. Этого количества
вполне достаточно для постепенного
увеличения концентрации двуокиси
углерода в атмосфере и в
океанах.
Большая доля углерода содержится в
осадочных
породах. В последние годы
поступление углерода в атмосферу
вследствие деятельности человека
резко возросло, что может
привести к
серьезным последствиям для
биосферы.
Кругооборот азота имеет свое
своеобразие. Известно, что в
атмосфере содержится 79% азота,
но
сам азот как элемент очень инертен и
поэтому редко
встречается в связанном
состоянии. Он входит в состав
аминокислот и белков. В биологический
круговорот азот
атмосферы
вовлекается в основном благодаря
биологической
фиксации
микроорганизмами (азотфиксация). В
атмосферу азот
возвращается в
результате денитрификации, которая
осуществляется как при участии
бактерий, так и в ходе
химических
реакций без участия организмов.
Важно, что
никакой другой элемент
так не ограничивает ресурсы
питательных веществ в экосистемах,
как азот. Круговорот
азота в
большинстве сообществ замкнутый,
лишь небольшие
количества этого
элемента выносятся из наземных
сообществ со
стоком (в масштабах
биосферы реки выносят в океан около
30
млн т азота в год).
Земная кора содержит много серы,
растения ее получают в основном в
виде сульфатов. Сера
является
необходимым компонентом почти всех
белков. Животные
восполняют
потребности в сере, получая ее от
растений. В
годы интенсификации
хозяйственной деятельности человека
поступление серы в атмосферу все
время возрастает (в виде,
например,
окислов серы - сернистого газа SO2).
Растворяясь в
воде, окислы образуют
кислоты. Имеет место выпадение
кислотных дождей, приводящих к
изменению экологической
обстановки,
часто с негативными
последствиями.
Кругооборот фосфора менее сложен,
поскольку его в газообразном
состоянии нет. Миграция фосфора
осуществляется за счет живых
организмов, а значительная
часть
попадает в конечном счете в океан и
откладывается в
осадочных породах.
Фосфор - сравнительно мало
распространенный элемент и, подобно
азоту и калию, часто
бывает фактором,
лимитирующим продуктивность
экосистем.
Фосфор - необходимый
компонент нуклеиновых кислот, АТФ,
белков и ряда жизненно важных
органических
веществ.
Кругооборот воды осуществляется в
основном за счет энергии Солнца, но
организмы оказывают на
него свое
регулирующее действие. Вода является
источником
водорода, в которой
водород химически связан с
кислородом, а
также донором водорода
при фотосинтезе, а сама по себе она
является составной частью живых
клеток. Роль ее заключается
также в
том, что она - важный климатический
фактор и среда
для водных организмов.
Круговорот воды называется
гидрологическим циклом, и в этом
цикле вода может находиться
в
газообразном, жидком и твердом
состояниях. С поверхности
океанов
испаряется больше воды, чем выпадает
над океанами в
виде осадков. “Лишняя”
испарившаяся вода переносится в виде
пара атмосферными потоками,
выпадает в виде осадков над
сушей и
поступает снова в океаны с
поверхностным речным
стоком и через
грунтовые воды.
Доступная для наземных животных вода
составляет ничтожную часть от ее
общего количества - всего
около
0.01%. Незначительная часть воды,
проходящей через
тела растений,
разлагается при фотолизе воды на
кислород,
выделяемый в атмосферу, и
водород, включаемый в состав
органических веществ. Много больше
воды растения расходуют
на
транспирацию (поглощают воду из
почвы и испаряют в
атмосферу).
Главнейшую роль в жизни на Земле
играет непрерывно поступающий
поток энергии Солнца:
10.5·1029
кДж/год (2.5·1020 ккал/год). 42%
солнечной энергии
отражается Землей
в мировое пространство, 58%
поглощается
атмосферой и почвой. Из
этого количества Землей излучается
более 20%, а 10% расходуется на
испарение воды с поверхности
Мирового океана. Падающая на Землю
солнечная энергия
аккумулируется
зелеными растениями и поступает с
ними в
другие организмы. Зеленые
растения образуют в год около 100
млрд т органического вещества,
содержащего около 1800·1015
кДж
(450·1015 ккал) энергии. Одновременно
они поглощают
около 170 млрд т СО2,
выделяют около 115 млрд т О2 и
испаряют 16·1012 т воды (цифры
примерные, так как разные
расчеты
дают различающиеся данные).
Образование органических
веществ за
счет энергии Солнца -
эндотермический процесс, а
окисление
- экзотермический процесс. Окисление
органических
веществ в процессах
дыхания, брожения, гниения с
выделением
тепла, Н2О и СО2 имеет
почти такие же масштабы, как и
процесс фотосинтеза.
Солнечная энергия определяет
масштабные климатические,
геологические и биологические
процессы. Под влиянием биосферы она
преобразуется в
различные формы
энергии, вызывающие огромные по
масштабам и
скорости превращения,
миграции и круговороты веществ,
увеличение и распространение
биомассы.
Человечество представляет собой
часть биомассы биосферы. Если на заре
своего становления
человек полностью
зависел от окружающей среды, то с
развитием мозга человек сам
становится мощным фактором
дальнейшей эволюции на Земле.
Овладение человеком различными
формами энергии - механической,
электрической и атомной -
способствовало значительному
изменению земной коры и
биогенной
миграции атомов. В.И.Вернадский
подчеркивал в
своих трудах, что
воздействие человека на остальную
биосферу
усилилось после появления
науки, что человечество стало
главнейшей силой, изменяющей
процессы в биосфере. Понятие о
ноосфере (греч. “ноос” - разум,
“сфера” - шар) впервые
появилось в
начале XX в. Ноосфера первоначально
представлялась как своеобразная
“мыслящая” оболочка Земли,
которая,
зародившись в конце третичного
периода,
разворачивается над
растительным и животным миром - вне
биосферы. Ноосфера, по Вернадскому,
- это биосфера,
преобразованная
трудом человека и измененная научной
мыслью.
В.И.Вернадский рассматривает
переход от биосферы к ноосфере
(“сфере разума”) как естественный
процесс. Он писал: “...Все
человечество, вместе взятое,
представляет ничтожную массу
вещества планеты. Мощь его связана
не с его материей, но с
его мозгом, с
его разумом и направленным этим
разумом его
трудом. В геологической
истории биосферы перед человеком
открывается огромное будущее, если
он поймет это и не будет
употреблять
свой разум и свой труд на
самоистребление...
Человечество,
взятое в целом, становится мощной
геологической силой. И перед ним,
перед его мыслью и трудом,
становится
вопрос о перестройке биосферы в
интересах
свободно мыслящего
человечества как единого целого. Это
новое состояние биосферы, к которому
мы, не замечая этого,
приближаемся, и
есть “ноосфера”...”.
Человечество, осознав огромную
ценность жизни, катастрофические
последствия преобразования
пророды
(создание каналов, водохранилищ,
изменения русла
рек, хищническое
использование природных ресурсов,
истребление лесов и т.п.), должно
проникнуться пониманием
экологических проблем и перейти к
равноправному
сотрудничеству с ней.
Возникает необходимость создания
высокопродуктивных экологических
систем, поддерживаемых
человеком,
наряду с сохранением и поддержанием
уже
существующих. Необходимо вести
борьбу с хищническим
использованием
природных ресурсов, загрязнениями
атмосферы,
почвы и воды.
Охрана природы - совокупность
международных, государственных и
региональных мероприятий,
направленных на поддержание
природы в состоянии,
соответствующем
эволюционному уровню современной
биосферы.
Природоохранные
мероприятия должны быть
многоцелевыми и
включать все
возможные пути ее реализации. На
первый план
выступают мероприятия
по защите природной среды от
различного рода загрязнений:
устранение или снижение
выбросов
ядовитых газов промышленными
предприятиями в
атмосферу, спуска
загрязненных сточных и коммунальных
вод,
загрязнения почвы и вод
пестицидами, радиоактивными
веществами, тяжелыми металлами,
снижение шумов и т.д. Для
сохранения
флоры и фауны необходимо создание
охраняемых
территорий: заповедников
- участков территории суши или
акватории со всеми природными
объектами, полностью
исключенных из
всех видов хозяйственного
использования (на
территории бывшего
СССР было более 150 заповедников);
заказников - участков территории суши
или акватории, где
одновременно
запрещается использование отдельных
видов
природных ресурсов;
национальных парков - территорий,
исключенных из промышленной и
сельскохозяйственной
эксплуатации с
целью сохранения природных
комплексов,
имеющих особую
экологическую, историческую и
эстетическую
ценность и используемых
для отдыха. Система природоохранных
мероприятий включает введение
постоянного контроля за
видовым
составом и численностью флоры и
фауны с публикацией
данных о редких
и исчезающих видах растений и
животных в
специальной литературе
(составление, например, Красной
книги). В 1983 г. в СССР была
выпущена Красная книга, в
которую
внесено 94 вида и подвида
млекопитающих, 80 видов
птиц, 9
видов земноводных, 37 видов
пресмыкающихся, 9 видов
рыб, 250
видов беспозвоночных, 681 вид высших
растений, 29
видов лишайников, 26
видов грибов. 5 томов Красной книги
издано Международным союзом охраны
природы (МСОП) издано
пять томов
Красной книги, в которые внесено 1182
вида
животных и 20 тыс видов
растений, находящихся на грани
исчезновения или требующих охраны.
Распространение и усвоение
биологических знаний не только
повлияет на охрану природы,
но и
станет необходимой основой
правильного
природопользования.
Биологические знания позволят
каждому
человеку разумно относиться
к природе и понять свое место и
значимость в природе, а по
возможности - принять участие и в
воспроизводстве природных
богатств.
|
<Общая биология>
|
