БИОСФЕРА - ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ

Биосфера — оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой в существенных чертах обусловлены прошлой или современной деятельностью живых организмов. Термин “биосфера” ввел в 1873 г. австралийский геолог Э Зюсс. Общее учение о биосфере создано в 20—30-х годах XX века В.И. Вернадским. Биосфера представляет собой единство живых организмов и неорганических составных частей. Она включает часть атмосферы (тропосферу), гидросферу (океаны, моря, реки, озера) и литосферу (верхняя часть поверхности земной коры), которые взаимосвязаны сложными биогеохимическими циклами миграции веществ (биогенной миграцией атомов) и энергии; начальный момент этих циклов заключен в трансформации солнечной энергии растениями и синтезе биогенных веществ на Земле. Биосфера объединяет все современные экосистемы Земли и представляет собой глобальную экологическую систему. К общим условиям существования живых организмов относят наличие жидкой воды, ряда химических биогенных элементов и поступление солнечной энергии в диапазоне температур от —50 до +50 °С. Верхний предел жизни биосферы ограничен озоновым экраном на высоте 40—50 км, выше которого ультрафиолетовая часть солнечного спектра исключает существование жизни. Нижняя граница биосферы опускается до 3—7 км ниже поверхности суши и на 1 —2 км ниже дна Мирового океана (рис. 15.1).

Рис. 15.1. Состав биосферы:

I — пределы жизни в биосфере, II — схематический разрез почвы;

А₀ — лесная подстилка; А₁ — гумосовый горизонт, А₂ — горизонт вымывания (подзолистый), В — горизонт вымывания (иллювиальный), С — подстилающая порода

По Вернадскому, вещество биосферы состоит из семи разнообразных, но геологически взаимосвязанных частей:

1) живое вещество;

2) биогенное вещество, возникшее в результате жизнедеятельности организмов, например: уголь, нефть, битумы, известняки и пр.;

3) косное вещество (минералы и горные породы, образовавшиеся без участия живого вещества);

4) биокосное вещество (создается одновременно с живыми организмами и косными процессами — почва, ил, природная вода, кора выветривания, тропосфера);

5) радиоактивное вещество;

6) рассеянные атомы (непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений);

7) вещество космического происхождения.

Человечество и его производство также являются частью биосферы. Влияние человека (антропогенный фактор), особенно в последнее время, самое масштабное по сравнению со всеми известными природными факторами. Состояние биосферы, когда человечество своей деятельностью создает новую искусственную среду Земли, В.И. Вернадский назвал ноосферой.

Биомасса Земли

Биомасса Земли — совокупность всех живых организмов планеты. Биомасса Земли составляет примерно 2,4 ∙ 10¹² т (около 0,01% массы всей биосферы): 97% из этого количества занимают растения, 3% — животные. В настоящее время на Земле известно несколько миллионов видов живых организмов. Биомасса суши составляет 99,87%, Мирового океана — 0,13%. Это связано с меньшей эффективностью фотосинтеза (использование лучистой энергии Солнца на площади океана равно 0,04%, на суше — 0,1%).

Биомасса на суше распределена неравномерно и увеличивается от полюсов к экватору, так же возрастает видовое разнообразие. Продуктивность различных экологических систем различна и зависит от ряда климатических факторов, в первую очередь от обеспеченности теплом и влагой. Наиболее продуктивны экосистемы тропических лесов, затем следуют обрабатываемые земли, степи и луга, пустыни, полярные зоны.

Почва как среда жизни характеризуется большой плотностью, непрозрачностью, бедностью кислородом, она содержит воду, в которой растворены минеральные вещества; она образуется из горной породы в результате выветривания и деятельности живых организмов. Минеральный состав почвы представлен кремнеземом (около 50%), глиноземом (до 25%), оксидами железа, магния, калия, фосфора, кальция (до 10%). Органические вещества в почве минерализуются с образованием более простых соединений (СО₂, NH₃ и др.) или превращаются в более сложные соединения — перегной или гумус. Почву покрывает органический опад, еще не измененный или состоящий из слегка разложившихся растительных остатков лесной подстилки, степного войлока и др. Биогеоценозы почвы плотно заселены живыми организмами, влияющими на ее физико-химические характеристики: корни растений, бактерии, грибы, водоросли, простейшие, животные. В почве протекают разнообразные химические реакции преобразования веществ, связанные с жизнедеятельностью бактерий. Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до солей азотистой и азотной кислоты. В анаэробных условиях идет обратный процесс — денитрификация — связанный с восстановлением солей азотной кислоты. В верхних слоях почвы обитает наибольшее количество организмов: бактерии минерализуют органические вещества, простейшие уничтожают избыточное количество бактерий; дождевые черви, личинки насекомых, клещи разрыхляют почву, способствуют ее аэрации

Биомасса Мирового океана. Гидросфера занимает около 70% биосферы Земли. Гидросфера отличается от наземной среды обитания главным образом своей плотностью и вязкостью. Наибольшим разнообразием жизни отличаются теплые моря и океаны в области экватора и в тропиках, к северу и югу происходит обеднение флоры и фауны морей в сотни раз. Основная масса их сосредоточена в поверхностных слоях и в прибрежной зоне. В зависимости от способа передвижения и пребывания в определенных слоях морские обитатели подразделяются на три экологические группы; нектон, планктон и бентос. Нектон — активно передвигающиеся крупные животные, способные преодолевать большие расстояния и сильные течения; рыбы, кальмары, ластоногие, киты. В пресных водоемах к нектону относятся и земноводные и множество насекомых. Планктон — совокупность растений (водоросли и др.) и мелких животных организмов (мелкие ракообразные, медузы, гребневики, некоторые черви), обитающих на разной глубине, но не способных к активным передвижениям и к противостоянию течениям. Бентос представлен в основном прикрепленными или медленно передвигающимися животными (некоторые рыбы, губки, кишечнополостные, черви, моллюски, асцидии и др.), более многочисленными на мелководье. На мелководье в бентос входят и растения (диатомовые, зеленые, бурые, красные водоросли, бактерии). На глубине, где нет света, фитобентос отсутствует. По количеству проникающего света водоемы подразделяют на две горизонтальные зоны: верхнюю, или афотическую (до 100—200 м в водах океанической области), и нижнюю, простирающуюся до больших глубин, — афотическую, где света для фотосинтеза недостаточно (рис. 15.1).

Биомасса характеризуется большим запасом энергии. Протекание реакций обмена веществ в живом веществе в тысячи, а иногда в миллионы раз быстрее. Входящие в состав живого многие химические соединения устойчивы только в живых организмах. Способность к движению является общим признаком живого вещества в биосфере. Биомасса обнаруживает значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. Организмы, составляющие биосферу, способны к размножению и распространению по планете. Свойства живого лежат в основе биогеохимические функций:

• энергетическая функция заключается в фотосинтетической деятельности зеленых растений, в процессе этой деятельности происходит накопление солнечной энергии, за счет которой протекают жизненные явления на Земле;

• газовая функция — постоянный газообмен с окружающей средой в процессе дыхания растений и животных и фотосинтеза растений. Это обусловливает миграцию газов и их превращения, обеспечивает газовый состав биосферы. В процессе функционирования живого вещества создаются основные газы: азот, кислород, углекислый газ, сероводород, метан и др.;

• концентрационная функция проявляется в извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов окружающей среды. Концентрация этих элементов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде. Атомы сначала концентрируются в живых организмах, а затем после их отмирания и минерализации переходят в неживую природу;

• окислительно-восстановительная функция заключается в обмене веществ и энергии с внешней средой: диссимиляции и ассимиляции. При этом преобладают биогенные процессы окисления и восстановления;

• деструктивная функция обусловливает процессы, связанные с разложением организмов после их смерти, вследствие которой происходит минерализация органического вещества, т.е. превращение живого вещества в косное. В результате образуются также биогенное и биокосное вещества биосферы;

• средообразующая функция заключается в преобразовании физико-химических параметров среды в результате процессов жизнедеятельности.

Обмен веществ, рост и размножение организмов лежат в основе биогенной миграции атомов, обусловившей в процессе эволюции создание современной природной системы. За миллиарды лет растения поглотили громадное количество диоксида углерода и обогатили атмосферу кислородом, из которого образовался озоновый экран. Наличие зашиты от ультрафиолетовых лучей позволило живому выйти из воды и распространиться на суше. Живые организмы оказывают исключительно глубокое воздействие на природные свойства биосферы и всей Земли. Известковые скелеты беспозвоночных образовали такие осадочные породы, как мел и известняк; каменный уголь и нефть возникли из растительных остатков. В значительной мере биогенный характер имеет почва. Она представляет собой продукт жизнедеятельности микроорганизмов, растений и животных в их взаимодействии с неорганической природой. Появление в процессе эволюции более сложно устроенных организмов, менее зависимых от изменений среды, а также развитие относительно устойчивых экосистем привели к возрастанию скорости миграции энергии и веществ в сформировавшихся биогеоценозах.

Круговорот веществ и превращение энергии — основа существования биосферы

Существование биосферы связано с деятельностью живых организмов, сопровождающейся извлечением из окружающей среды энергии и минеральных веществ. После смерти организмов составляющие их химические элементы возвращаются в окружающую среду. Так возникает биогенный круговорот веществ в природе, т.е. циркуляция веществ между литосферой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Химические элементы, входящие в состав живого, обычно циркулируют в биосфере по характерным путям: из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. Для биогенной миграции свойственно накопление химических элементов в организмах (аккумуляция) и их высвобождение в результате минерализации отмершей биомассы (детрита). Такие пути циркуляции химических веществ (в большей или меньшей степени замкнутые), протекающие с использованием солнечной энергии через растительные и животные организмы, называют биогеохимическими круговоротами.

В энергетическом отношении жизнь в биосфере поддерживается постоянным притоком энергии от Солнца и использованием ее в процессах фотосинтеза. Связанная в органических веществах энергия по ступеням пищевой цепи уменьшается, потому что большая ее часть поступает в окружающую среду в виде тепла или же тратится на осуществление процессов, происходящих в организмах. В конечном итоге вся поглощенная организмами в виде химических связей солнечная энергия снова возвращается в пространство в виде теплового излучения, поэтому в биосфере наблюдается поток энергии. Таким образом, биосфера может быть устойчивой только при условии постоянного круговорота веществ и притока солнечной энергии.

Круговорот воды. Для наземных биогеоценозов большое значение имеет доступность пресной воды. Из всего запаса воды на Земле (1300 млн км³) пресная вода составляет всего около 3%. Вода в виде водяного пара испаряется с поверхности морей и океанов и переносится воздушными потоками на различные расстояния. Основная масса ее находится в виде льда (75%), в атмосфере циркулирует только 0,35%. Большая часть атмосферных осадков задерживается растительностью и в почву попадает только 25—35%. Испарение со свободной поверхности и испарение растительными тканями возвращают воду в атмосферу.

Круговорот углерода. Углерод, содержащийся в атмосфере в виде СО₂, является одним из исходных компонентов для фотосинтеза растений и цианобактерий, затем вместе с органическим веществом потребляется гетеротрофными организмами. При дыхании растений и животных, а также редуцентами в виде СО₂ углерод возвращается в атмосферу. Еще одним потребителем углерода являются морские организмы. Они используют соединения углерода для построения раковин, скелетных образований. В дальнейшем остатки отмерших морских организмов образуют на дне морей и океанов мощные отложения известняков. Цикл круговорота углерода замкнут не полностью. Углерод может выходить из него на довольно длительный срок в виде залежей каменного угля, известняков, торфа, гумуса и др. Человек нарушает отрегулированный круговорот углерода в ходе интенсивной хозяйственной деятельности. За счет сжигания огромного количества ископаемого топлива содержание углекислого газа в атмосфере за XX в. возросло на 25%. Последствием этого может стать усиление парникового эффекта.

Круговорот азота. Основные запасы азота сосредоточены в атмосфере в форме молекулярного азота, недоступного для растений, так как они способны использовать его только в виде неорганических соединений. К прямой фиксации атмосферного молекулярного азота способны лишь некоторые прокариотические организмы: бактерии и цианобактерии. Наиболее активными азотфиксаторами являются клубеньковые бактерии, поселяющиеся в клетках корней бобовых растений. Они переводят молекулярный азот в соединения, усваиваемые растениями. После отмирания растений и разложения клубеньков почва обогащается органическими и минеральными формами азота. Значительную роль в обогащении водной среды азотистыми соединениями играют цианобактерии. Небольшое количество азотистых соединений образуется в атмосфере во время гроз. Вместе с дождевыми водами они поступают в водную или почвенную среду. Небольшая часть азотистых соединений поступает при извержениях вулканов. Азот — необходимый компонент важнейших органических соединений: белков, нуклеиновых кислот, АТФ и др. Азотсодержащие органические вещества отмерших растений и животных, а также мочевина и мочевая кислота, выделяемые животными и грибами, расщепляются гнилостными бактериями до аммиака. Основная масса образующегося аммиака окисляется нитрифицирующими бактериями до нитритов и нитратов, после чего вновь используется растениями. Некоторая часть аммиака уходит в атмосферу и вместе с углекислым газом и другими газообразными веществами выполняет функцию удержания тепла планеты. Различные формы азотистых соединений почвы и водной среды могут восстанавливаться некоторыми видами бактерий до оксидов и молекулярного азота. Этот процесс называется денитрификацией- Его результатом является обеднение почвы и воды соединениями азота и насыщение атмосферы молекулярным азотом. Процессы нитрификации и денитрификации были полностью сбалансированы вплоть до периода интенсивного использования человеком азотных минеральных удобрений в целях получения больших урожаев сельскохозяйственных растений.

Круговорот фосфора. Фосфор находится в горных породах, подвергающихся эрозии и высвобождающих в экосистемы фосфаты. Большая их часть попадает в море и частично вновь может быть возвращена на сушу через морские пищевые цепи, заканчивающиеся рыбоядными птицами (образование гуано). Усвоение фосфора растениями зависит от кислотности почвенного раствора: по мере повышения кислотности практически нерастворимые в воде фосфаты превращаются в хорошо растворимую фосфорную кислоту.

От того, насколько регулярно осуществляется круговорот того или иного биогенного элемента, зависит продуктивность биогеоценоза, что имеет большое значение для сельскохозяйственного производства и лесного хозяйства. Сбалансированность биологического круговорота, т.е. его уравновешенность, следовательно, и устойчивость экосистемы определяются максимально возможным числом связей между видами в пищевой сети.

Воздействие человека на биосферу

Человечество возникло и развилось в процессе эволюции жизни и биосферы. Интенсивно растет численность населения планеты. Научно-техническое развитие сопровождается колоссальным потреблением природных ресурсов и глубокими изменениями природной среды. Использование для сельского хозяйства больших территорий суши, вырубка лесов, сооружение гидростанций и каналов, оросительных систем, обширные горно-геологические разработки, эрозия почв, применение удобрений, пестицидов, мелиорации, загрязнение почв, водоемов и атмосферы индустриальными отходами и многие другие виды деятельности человека вносят в природу большие изменения, которые нарушают сложившиеся системы и отношения в биосфере Земли. Часто эти изменения имеют негативный и, что особенно опасно для будущего человечества, необратимый характер.

Изменения условий жизни под влиянием хозяйственной деятельности достигли таких размеров, что начинают влиять на здоровье самих людей и развитие отдельных регионов. Загрязнение атмосферы, природных вод, снижение плодородия и эрозия почв, истощение недр, ущерб, наносимый растительному и животному миру, делают нашу планету менее пригодной для жизни и могут поставить человечество на грань экологической катастрофы.

Причина конфликта человека с природной средой заключается в том, что человек является одновременно и биологическим, и социальным существом. Его социальные потребности значительно превышают биологические. Создав разнообразные мощные технические средства, он заменил природную среду искусственной. Поселившись в ней, человек сделал себя независимым от ее превратностей. В настоящее время окружающей средой для человечества стала практически вся биосфера, для деятельности в которой человеку требуется все больше и больше энергии. Благодаря ископаемым энергетическим запасам (в основном нефть, уголь, газ) стали возможными процессы индустриализации. Но их исчерпание в обозримом будущем неизбежно, поэтому необходимо искать другие источники энергии. К тому же человечеству грозит истощение невозобновляемых материальных ресурсов, таких, как запасы серебра, цинка, урана и др. Несовершенство современной технологии не позволяет полностью перерабатывать минеральное сырье. Большая часть его возвращается в природу в виде отходов, загрязняющих атмосферу, гидросферу и атмосферу

К возобновляемым материальным ресурсам относят растительный и животный мир, плодородие почв. Человек активно использует в сельском и лесном хозяйстве почти все наземные и многие водные биогеоценозы. Но в настоящее время его деятельность отражается практически на всех остальных естественных экосистемах. Антропогенные воздействия (загрязнение нефтью океанов, парниковый эффект вследствие увеличения концентрации С0₂ в атмосфере, кислотные дожди, разрушение озонового экрана, накопление в организмах токсичных или радиоактивных веществ и др.) могут привести к значительным отклонениям в равновесии экосистем, делают прерывным биотический круговорот и отрицательно сказываются на биосфере в целом.

Наступило время, когда государства, используя рекомендации современной науки, должны разрабатывать и планомерно осуществлять мероприятия по охране биосферы Земли и рациональному использованию и расширению воспроизводства ее ресурсов. Рекомендации по охране и использованию ресурсов биосферы должны основываться на знании структуры, состава и механизмов поддержания устойчивого состояния биосферы. Главная цель рационального использования природных ресурсов — сбережение видового разнообразия (генофонда) флоры и фауны планеты, ее недр, водных ресурсов, атмосферного воздуха, естественных экосистем, т.е. сохранение природных условий развития человеческого общества. Система охраны природы действует на основе международного, государственного и местного законодательства. Создаются очистные сооружения, технологии комплексной переработки сырья, малоотходные производства; регламентируется применение ядохимикатов; осуществляется контроль качества пищевых продуктов; на больших площадях проводятся лесонасаждения, борьба с эрозией почв; применяются научно обоснованные методы внесения удобрений, орошения и осушения. Большое значение для сохранения генофонда имеет создание заповедников, заказников, национальных парков и других охраняемых природных территорий, центров разведения исчезающих животных и растений с их последующим возвращением в естественные места обитания.

Новое состояние биосферы, в котором разумная деятельность человечества становится наибольшей природной силой, В. И. Вернадский назвал ноосферой. Превращение биосферы в ноосферу является естественным этапом развития нашей планеты и необходимым условием для развития цивилизации. Для преодоления экологических проблем необходимо рассмотрение окружающей среды, человека и общества как единой системы. Развитие цивилизации должно идти не за счет разрушения природы, а в устойчивой гармонии с нею.