О Г Л А В Л Е Н И Е
1. Введение
2. Аналитическая часть
2.1. Структура биосферы. 4
2.2. Эволюция биосферы. 6
2.3. Природные ресурсы и их использование. 8
2.4. Устойчивость биосферы. 10
2.5. Биопродуктивность экосистем. 12
2.6. Биосфера и человек. Ноосфера. 15
2.7. Роль человеческого фактора в развитии биосферы. 16
2.8. Экологические проблемы биосферы. 17
2.9. Охрана природы и перспективы рационального природопользования.
17
3. Заключение
В В Е Д Е Н И Е.
В буквальном переводе термин “биосфера” обозначает сферу жизни и в
таком смысле он впервые был введен в науку в 1875 г. австрийским геологом и
палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831 – 1914). Однако задолго до этого под
другими названиями, в частности "пространство жизни", "картина природы",
"живая оболочка Земли" и т.п., его содержание рассматривалось многими
другими естествоиспытателями.
Первоначально под всеми этими терминами подразумевалась только
совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и
указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими
процессами, но при этом скорее обращалось внимание на зависимость живой
природы от сил и веществ неорганической природы. Даже автор самого термина
"биосфера" Э.Зюсс в своей книге "Лик Земли", опубликованной спустя почти
тридцать лет после введения термина (1909 г.), не замечал обратного
воздействия биосферы и определял ее как "совокупность организмов,
ограниченную в пространстве и во времени и обитающую на поверхности Земли".
Первым из биологов, который ясно указал на огромную роль живых
организмов в образовании земной коры, был Ж.Б.Ламарк (1744 – 1829). Он
подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и
образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых
организмов.
Биосфера (в современном понимании) – своеобразная оболочка Земли,
содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты,
которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.
Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть
литосферы.
Все живые организмы, населяющие нашу планету, существуют не сами по
себе, они зависят от окружающей среды и испытывают на себе ее воздействия.
Это точно согласованный комплекс множества факторов окружающей среды, и
приспособление к ним живых организмов обуславливает возможность
существования всевозможных форм организмов и самого различного образования
их жизни.
Живая природа представляет собой сложно организованную, иерархичную
систему. Выделяют несколько уровней организации живой материи.
1.Молекулярный. Любая живая система проявляется на уровне
взаимодействия биологических макромолекул: нуклеиновых кислот,
полисахаридов, а также других важных органических веществ.
2. Клеточный. Клетка - структурная и функциональная единица
размножения и развития всех живых организмов, обитающих на Земле.
Неклеточных форм жизни нет, а существование вирусов лишь подтверждает это
правило, т.к. они могут проявлять свойства живых систем только в клетках.
3.Организменный. Организм представляет собой целостную одноклеточную
или многоклеточную живую систему, способную к самостоятельному
существованию. Многоклеточный организм образован совокупностью тканей и
органов, специализированных для выполнения различных функций.
4.Популяционно-видовой. Под видом понимают совокупность особей,
сходных по структурно-функциональной организации, имеющих одинаковый
кариотип и единое происхождение и занимающих определенный ареал обитания,
свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство,
характеризующихся сходным поведением и определенными взаимоотношениями с
другими видами и факторами неживой природы.
Совокупность организмов одного и того же вида, объединенная общим
местом обитания, создает популяцию как систему надорганизменного порядка. В
этой системе осуществляются простейшие, элементарные эволюционные
преобразования.
5.Биогеоценотический. Биогеоценоз - сообщество, совокупность
организмов разных видов и различной сложности организации со всеми
факторами конкретной среды их обитания - компонентами атмосферы, гидросферы
и литосферы.
6.Биосферный. Биосфера - самый высокий уровень организации жизни на
нашей планете. В ней выделяют живое вещество - совокупность всех живых
организмов, неживое или косное вещество и биокосное вещество (почва).
АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.
1. Структура биосферы.
Биосфера включает в себя: живое вещество, образованное совокупностью
организмов; биогенное вещество, которое создается в процессе
жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, торф,
известняки и др.); косное вещество, которое формируется без участия живых
организмов; биокосное вещество, представляющее собой совместный результат
жизнедеятельности организмов и небиологических процессов (например, почвы).
Косное вещество биосферы.
Границы биосферы определяются факторами земной среды, которые делают
невозможным существование живых организмов. Верхняя граница проходит
примерно на высоте 20 км от поверхности планеты и ограничена слоем озона,
который задерживает губительные для жизни коротковолновую часть
ультрафиолетового излучения Солнца. Таким образом, живые организмы могут
существовать в тропосфере и нижних слоях стратосферы. В гидросфере земной
коры организмы проникают на всю глубину Мирового океана - до 10-11 км. В
литосфере жизнь встречается на глубине 3,5-7,5 км, что обусловлено
температурой земных недр и условием проникновения воды в жидком состоянии.
Атмосфера.
Преобладающие элементы химического состава атмосферы: N2 (78%), O2
(21%), CO2 (0,03%). Состояние атмосферы оказывает большое влияние на
физические, химические и биологические процессы на поверхности Земли и в
водной среде. Для биологических процессов наибольшее значение имеют:
кислород, используемый для дыхания и минерализации мертвого органического
вещества, диоксид углерода, участвующий в фотосинтезе, и озон, экранирующий
земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения. Азот, диоксид
углерода, пары воды образовались в значительной мере благодаря
вулканической деятельности, а кислород - в результате фотосинтеза.
Гидросфера.
Преобладающие элементы химического состава гидросферы: Na+, Mg2+,
Ca2+, Cl-, S, С. Вода - важнейший компонент биосферы и один из необходимых
факторов существования живых организмов. Основная ее часть (95%) находится
в Мировом океане, который занимает около 70% поверхности земного шара и
содержит 1300 млн. км3. Поверхностные воды (озера, реки) включают всего
0,182 млн. км3, а количество воды в живых организмах составляет всего 0,001
млн. км3. Значительные запасы воды (24 млн. км3) содержат ледники. Большое
значение имеют газы, растворенные в воде: кислород и диоксид углерода. Их
количество широко варьирует от температуры и присутствия живых организмов.
Диоксида углерода, содержащегося в воде, в 60 раз больше, чем в атмосфере.
Гидросфера формировалась в связи с развитием литосферы, которая в течение
геологической истории Земли выделяла большое количество водяного пара.
Литосфера.
Преобладающие элементы химического состава гидросферы: O, Si, Al, Fe,
Ca, Mg, Na, K. Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы,
находится в почвенном слое, глубина которого не превышает нескольких
метров. Почва включает минеральные вещества, образующиеся при разрушении
горных пород, и органические вещества - продукты жизнедеятельности
организмов.
Живые организмы (живое вещество).
Хотя границы биосферы довольно узки, живые организмы в их пределах
распределены очень неравномерно. На большой высоте и в глубинах гидросферы
и литосферы организмы встречаются относительно редко. Жизнь сосредоточена
главным образом на поверхности Земли, в почве и в приповерхностном слое
океана. Общую массу живых организмов оценивают в 2,43х1012т. Биомасса
организмов, обитающих на суше, на 99,2% представлена зелеными растениями и
0,8% - животными и микроорганизмами. Напротив, в океане на долю растений
приходится 6,3%, а на долю животных и микроорганизмов - 93,7% всей
биомассы. Жизнь сосредоточена главным образом на суше. Суммарная биомасса
океана составляет всего 0,03х10 12 т, или 0,13% биомассы всех существ,
обитающих на Земле.
В распределении живых организмов по видовому составу наблюдается
важная закономерность. Из общего числа видов 21% приходится на растения, но
их вклад в общую биомассу составляет 99%. Среди животных 96% видов -
беспозвоночные и только 4% - позвоночные, из которых десятая часть -
млекопитающие. Масса живого вещества составляет всего 0,01-0,02% от косного
вещества биосферы, однако она играет ведущую роль в геохимических
процессах. Вещества и энергию, необходимую для обмена веществ, организмы
черпают из окружающей среды. Ограниченные количества живой материи
воссоздаются, преобразуются и разлагаются. Ежегодно, благодаря
жизнедеятельности растений и животных, воспроизводится около 10% биомассы.
2. Эволюция биосферы.
Все компоненты биосферы тесно взаимодействуют между собой, составляя
целостную, сложно организованную систему, развивающуюся по своим внутренним
законам и под действием внешних сил, в том числе космических (солнечного
излучения, гравитационных сил, магнитных полей Солнца, Луны и др. небесных
тел)
По современным представлениям, развитие безжизненной геосферы, т.е.
оболочки, образованной веществом Земли, происходило на ранних стадиях
существования нашей планеты, миллиарды лет назад. Изменения облика Земли
были связаны с геологическими процессами, происходившими в земной коре, на
поверхности и в глубинных слоях планеты и находили проявление в извержениях
вулканов, землетрясениях, подвижках земной коры, горообразовании. Такие
процессы происходят и сейчас на безжизненных планетах солнечной системы и
их спутниках - Марсе, Венере, Луне.
С возникновением жизни (саморазвивающихся устойчивых форм) сначала
медленно и слабо, затем все быстрее и значительнее стало проявляться
влияние живой материи на геологические процессы Земли.
Деятельность живого вещества, проникшего во все уголки планеты,
привела к возникновению нового образования - биосферы - тесно
взаимосвязанной единой системы геологических и биологических тел и
процессов преобразования энергии и вещества. Размеры преобразований,
осуществляемых живой материей, достигли планетарных масштабов, существенно
видоизменив облик и эволюцию Земли.
Так, например, в результате процесса фотосинтеза - деятельности
зеленых растений, образовался современный газовый состав атмосферы, в ней
появился кислород. В свою очередь на активность фотосинтеза существенно
влияет концентрация углекислого газа в атмосфере, наличие влаги и тепла.
Почва является целиком результатом деятельности живого вещества в
косной (неживой) среде. Решающая роль в этом процессе принадлежит климату,
топографии, деятельности микроорганизмов и растений и материнским породам.
Биосфера, возникнув и сформировавшись 1-2 млрд. лет назад (к этому времени
относятся первые обнаруженные остатки живых организмов), находится в
постоянном динамическом равновесии и развитии.
В биосфере, как в любой экосистеме, происходит круговорот воды,
планетарные перемещения воздушных масс, а также биологический круговорот,
характеризующийся емкостью - количеством химических элементов, находящихся
одновременно в составе живого вещества в данной экосистеме, и скоростью -
количеством живого вещества, образующегося и разлагающегося в единицу
времени. В результате на Земле поддерживается большой геологический
круговорот веществ, где для каждого элемента характерна своя скорость
миграции в больших и малых циклах. Скорости всех циклов отдельных элементов
в биосфере теснейшим образом сопряжены между собой.
Установившиеся за многие миллионы лет круговороты энергии и вещества в
биосфере самоподдерживаются в глобальных масштабах, хотя локальные
(местные) изменения структуры и особенностей отдельных экосистем
(биогеоценозов), составляющих биосферу, могут быть значительными.
Еще на ранних этапах эволюции живое вещество распространилось по
безжизненным пространствам планеты, занимая все потенциально доступные для
жизни места, изменяя их и превращая в места обитания. И уже в древние
времена различные жизненные формы и виды растений, животных,
микроорганизмов, грибов заняли всю планету. Живое органическое вещество,
можно найти и в глубинах океана, и на вершинах самых высоких гор, и в
вечных снегах приполярья, и в горячих водах источников вулканических
районов.
Такую способность к распространению живого вещества В.И.Вернадский
назвал «всюдностью жизни».
Эволюция биосферы шла по пути усложнения структуры биологических
сообществ, умножения числа видов и совершенствования их приспособляемости.
Эволюционный процесс сопровождался увеличением эффективности преобразования
энергии и вещества биологическими системами: организмами, популяциями,
сообществами.
Вершиной эволюции живого на Земле явился человек, который как
биологический вид на основе многочисленных изменений приобрел не только
сознание (совершенную форму отображения окружающего мира), но и способность
изготавливать и использовать в своей жизни орудия труда.
Посредством орудий труда человечество стало создавать фактически
искусственную среду своего обитания (поселения, жилища, одежду, продукты
питания, машины и многое другое). С этих пор эволюция биосферы вступила в
новую фазу, где человеческий фактор стал мощной природной движущей силой.
3. Природные ресурсы и их использование.
Биологические, в том числе пищевые, ресурсы планеты обуславливают
возможности жизни человека на Земле, а минеральные и энергетические служат
основой материального производства человеческого общества. Среди природных
богатств планеты различают исчерпаемые и неисчерпаемые ресурсы.
Неисчерпаемые ресурсы.
Неисчерпаемые ресурсы подразделяются на космические, климатические и
водные. Это энергия солнечной радиации, морских волн, ветра. С учетом
огромной массы воздушной и водной среды планеты неисчерпаемыми считают
атмосферный воздух и воду. Выделение это относительно. Например, пресную
воду уже можно рассматривать как ресурс исчерпаемый, поскольку во многих
регионах земного шара возник острый дефицит воды. Можно говорить и о
неравномерности ее распределения, и невозможности ее использования из-за
загрязнения. Условно считают и кислород атмосферы неисчерпаемым ресурсом.
Современные ученые-экологи полагают, что при современном уровне
технологии использования атмосферного воздуха и воды этим ресурсы можно
рассматривать как неисчерпаемые только при разработке и реализации
крупномасштабных программ, направленных на восстановление их качества.
Исчерпаемые ресурсы.
Исчерпаемые ресурсы делятся на возобновляемые и невозобновляемые.
К возобновляемым относятся растительный и животный мир, плодородие
почв. Из числа восполняемых природных ресурсов большую роль в жизни
человека играет лес. Лес имеет немаловажное значение как географический и
экологический фактор. Леса предотвращают эрозию почвы, задерживают
поверхностные воды, т.е. служат влагонакопителями, способствуют поддержанию
уровня грунтовых вод. В лесах обитают животные, представляющие материальную
и эстетическую ценность для человека: копытные, пушные звери и дичь. В
нашей стране леса занимают около 30% всей ее суши и являются одним из
природных богатств.
К невосполнимым ресурсам относятся полезные ископаемые. Их
использование человеком началось в эпоху неолита. Первыми металлами,
которые нашли применение, были самородные золото и медь. Добывать руды,
содержащие медь, олово, серебро, свинец умели уже за 4000 лет до н.э. В
настоящее время человек вовлек в сферу своей промышленной деятельности
преобладающую часть известных минеральных ресурсов. Если на заре
цивилизации человек использовал для своих нужд всего около 20 химических
элементов, в начале XX века - около 60, то сейчас более 100 - почти всю
таблицу Менделеева. Ежегодно добывается (извлекается из геосферы) около 100
млрд. т руды, топлива, минеральных удобрений, что приводит к истощению этих
ресурсов[2]. Из земных недр извлекается все больше различных руд, каменного
угля, нефти и газа. В современных условиях значительная часть поверхности
Земли распахана или представляет собой полностью или частично окультуренные
пастбища для домашних животных. Развитие промышленности и сельского
хозяйства потребовало больших площадей для строительства городов,
промышленных предприятий, разработки полезных ископаемых, сооружения
коммуникаций. Таким образом, к настоящему времени человеком преобразовано
около 20% суши.
Значительные площади поверхности суши исключены из хозяйственной
деятельности человека вследствие накопления на ней промышленных отходов и
невозможности использования районов, где ведется разработка и добыча
полезных ископаемых.
Человек всегда использовал окружающую среду в основном как источник
ресурсов, однако, в течение очень длительного времени его деятельность не
оказывала заметного влияния на биосферу. Лишь в конце прошлого столетия
изменения биосферы под влиянием хозяйственной деятельности обратили на себя
внимание ученых. Эти изменения нарастали и в настоящее время обрушились на
человеческую цивилизацию. Стремясь к улучшению условий своей жизни,
человечество постоянно наращивает темпы материального производства, не
задумываясь о последствиях. При таком подходе большая часть взятых от
природы ресурсов возвращается ей в виде отходов, часто ядовитых или не
пригодных для утилизации. Это приносит угрозу и существованию биосферы, и
самого человека.
4. Устойчивость биосферы.
Какова устойчивость биосферы, то есть ее способность возвращаться в
исходное состояние после любых возмущающих воздействий? Она очень велика.
Биосфера существует уже около 3,8 миллиардов лет (Солнце и планеты – около
4,6 миллиарда) и за это время ее эволюция не прерывалась: это следует из
того, что все живые организмы, от вирусов до человека, имеют один и тот же
генетический код, записанный в молекуле ДНК, а их белки построены из 20
аминокислот, одинаковых у всех организмов. И как бы не были велики
возмущающие воздействия, а некоторые из них можно отнести к разряду
глобальных катастроф, приводивших к исчезновению многих видов, в биосфере
всегда находились внутренние резервы для восстановления и развития.
Только за последние 570 миллионов лет отмечено шесть крупных
катастроф. В результате одной из них число семейств морских животных
уменьшилось более чем на 40%. Крупнейшая катастрофа на границе пермского и
триасового периодов (240 миллионов лет назад) привела к вымиранию около 70%
видов, а катастрофа на границе мелового и третичного периодов (67 миллионов
лет назад) - вымиранию почти половины видов (тогда-то вымерли и
динозавры).
Причины таких катаклизмов могли быть различны: похолодание климата,
большие вулканические извержения с обширными излияниями лавы, отступления
океана, удары крупных метеоритов – биота все равно развивалась,
приспосабливаясь к окружающей среде и одновременно оказывая на последнюю
мощное преобразующее влияние. Образование атмосферного кислорода и
увеличение его концентрации, кстати, тоже оказалось катастрофичным для
некоторых видов – они вымерли, в то же время развитие других ускорилось.
Содержание углекислого газа в атмосфере соответственно уменьшилось. Углерод
начал накапливаться в биоте и детрите (запас мертвого органического
вещества: опад листьев, засохшие деревья, торф, каменный уголь, нефть) и
преобразовываться в уголь, нефть и газ. В океанах из раковин и скелетов
морских организмов образовались мощные морские отложения карбонатов
(известняк, мел, мрамор) и силикатов. Полосчатые железняки, составляющие
главные промышленные запасы железа, в том числе и запасы Курской магнитной
аномалии, образовались около 2 миллиардов лет назад под воздействием
кислорода, выделенного фотосинтезирующими бактериями (только после этого
кислород стал накапливаться в атмосфере). Ряд организмов, накапливающих
определенные элементы, участвовал в создании месторождений других полезных
ископаемых.
Биота прошла огромный путь эволюции от простейших организмов до
животных и растений и достигла видового разнообразия, которое исследователи
оценивают 2-10 миллионами видов животных, растений и микроорганизмов,
каждый из которых занял свою экологическую нишу.
Состояние биоты определяется в основном физико-химическими
характеристиками окружающей среды. Совокупность среднемноголетних
характеристик атмосферы, гидросферы и сушы мы называем климатом. Основная
климатическая характеристика – температура у поверхности Земли – изменялась
за время эволюции биоты относительно мало (при современном значении средней
глобальной температуры 288 0 К (шкала Кельвина отсчитывает градусы от
абсолютного нуля, 288 0 = 15 0 )изминения, с учетом ледниковых периодов, не
превышали 10-20 0 ).
Хотя на состояние экосистем и биосферы в целом физико-химические
процессы в окружающей среде оказывают определенное влияние, сильно и
обратное влияние биоты на окружающую среду. Причем воздействует она как на
положительные, так и на отрицательные обратные связи, поэтому ее развитие
иногда ускоряется, а иногда замедляется.
Но этот цикл не замкнут, не стационарен, как показали геологические
данные и теоретические модели, содержащие в атмосфере СО2 (и связанное с
ним содержание О2) за последние 570 миллионов лет неоднократно колебалось,
причем количество СО2 каждый раз уменьшалось или увеличивалось в несколько
раз. В одних случаях это способствовало развитию биоты, а в других –
мешало.
Не является замкнутым и медленный геохимический цикл: СО2 поступает в
атмосферу через вулканы, а расходуется на выветривание горных пород и на
образование биоты. Часть атмосферного углерода откладывается, захороняется
надолго, создавая запасы ископаемого топлива, а освободившийся кислород
поступает в атмосферу. В результате за 4 миллиарда лет концентрация СО2 в
атмосфере уменьшилась в 100 – 1000 раз (из-за ослабления вулканизма, в
результате расхода радиоактивных элементов в недрах Земли), что
отрицательно повлияло на питание растений. В то же время накопление
кислорода в атмосфере резко ускорило развитие биоты, но не было на пользу
самым анаэробным (безкислородным) организмам, в результате
жизнедеятельности которых появился кислород. Они были почти полностью
вытеснены вновь возникшими аэробными организмами.
Большое влияние биоты на окружающую среду привело некоторых
исследователей к выводу, что биота могла поддерживать в окружающей среде
условия, благоприятные для ее жизнедеятельности. Но эта гипотеза
противоречит ряду факторов (массовые вымирания, исчезновение миллиардов
видов), а так же дарвиновской теории эволюции. Биота не поддерживала
условия окружающей среды, оптимальные для живущих организмов, поэтому
многие организмы и виды не могли пережить изминений географических и
климатических условий. Есть оценки, что за время существования биосферы
исчезло несколько миллиардов видов, тогда как сейчас существуют несколько
миллионов. Но зато организмы, которые сумели пережить изменение условий,
давали начало новым видам. Именно приспособление к изменяющимся условиям
окружающей среды создало многочисленные и приспособленные виды, то есть
двигало эволюцию, как это впервые показал Дарвин. Если бы было верным
допущение о том, что существующая в определенный момент биота может
поддерживать параметры окружающей среды в оптимальных для себя пределах, то
сейчас могли бы существовать климат и богатейшая растительность
каменноугольного периода, но эволюция биоты прекратилась бы.
Имеются данные о том, что становлению человека как вида способствовали
тяжелые условия окружающей среды, в которых жили наши предки. Когда он
научился поддерживать благоприятные условия своего существования, его
эволюция как биологического вида прекратилась, сменившись эволюцией
общества.
Итак, в процессе развития биоты были периоды устойчивого развития и
периоды катастроф.
5. Биопродуктивность экосистем.
Скорость, с которой продуценты экосистемы фиксируют солнечную энергию
в химических связях синтезируемого органического вещества, определяет
продуктивность сообществ. Органическую массу, создаваемую растениями за
единицу времени, называют первичной продукцией сообщества. Продукцию
выражают количественно в сырой или сухой массе растений либо в
энергетических единицах - эквивалентном числе джоулей.
Валовая первичная продукция - количество вещества, создаваемого
растениями за единицу времени при данной скорости фотосинтеза. Часть этой
продукции идет на поддержание жизнедеятельности самих растений (траты на
дыхание). Эта часть может быть достаточно большой, она составляет от 40 до
70% валовой продукции. Оставшаяся часть созданной органической массы
характеризует чистую первичную продукцию, которая представляет собой
величину прироста растений, энергетический резерв для консументов и
редуцентов. Перерабатываясь в цепях питания, она идет на пополнение
|
