«ЭКОЛОГИЯ»

Донецк – 2019

ЛЕКЦИЯ 1

ПРЕДМЕТ ЭКОЛОГИИ. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭКОЛОГИИ

1 Определение экологии

В последние десятилетия у людей во всем мире очень возрос интерес к экологии, ее теоретическим проблемам и практическим задачам. Это вызвано двумя основными причинами.

Во-первых, разрушающее влияние деятельности человека на природу еще никогда не принимало такого острого характера, как в настоящее время. В своем развитии человечество достигло такого опасного уровня, когда оно овладело огромным научно-техническим потенциалом, но еще не научилось достаточно осторожно и рационально его использовать. Быстрая индустриализация и урбанизация, резкое увеличение численности народонаселения планеты, интенсивная химизация сельского хозяйства и другие виды антропогенного воздействия на природу существенно нарушили круговорот веществ и естественные энергетические процессы в биосфере. Загрязнение воздуха, воды, эрозия почвы, вырубка лесов, исчезновение многих видов растений и животных, изменение климата – вот далеко не полный перечень отрицательных последствий во взаимоотношениях природы и общества на современном этапе.

Во-вторых, человечество накопило достаточно большой объем экологических знаний, чтобы осознать, что природные ресурсы далеко не безграничны, а способность природных систем к самоочищению и самовосстановлению также имеет определенные рамки, и утрата этой способности ведет к деградации природы и ее гибели. В настоящее время многие регенерационные механизмы в биосфере повреждены. Это ставит под угрозу не только здоровье, но и жизнь современного и будущего поколений людей, дальнейшее существование цивилизации.

Теоретической основой мероприятий по охране живой природы, рациональному использованию природных ресурсов служит, в первую очередь, экология – наука о взаимодействии организмов между собой и с окружающей средой. Слово «экология» образовано от греческого «ойкос» (oikos), что означает «дом», «жилище», «место пребывания»; “logos” означает “учение”. В буквальном смысле экология – это наука об организмах “у себя дома”, то есть в условиях их существования.

2 История развития экологии

Истоки экологии уходят в далекое прошлое. Сведения экологического характера связаны с культурой Древней Греции, Китая, Египта, Индии. Они найдены в работах Гераклита (530-470 до н.э.), Гиппократа (460-356 до н.э.), Аристотеля (384-322 до н.э.), Плиния Старшего (23-79 н.э.), Теофраста (372-287 до н.э.). Плиний старший (римский писатель 1 века) написал трактат «Естественная история» в 37 томах, сохранившийся до наших дней. В нем приведены данные, подтверждающие влияние человеческой деятельности на природные процессы (например, в Фесалии после осушки озера местность стала холоднее и вывелись маслины и др.).

Историю становления и развития экологии как науки можно условно разделить на несколько периодов.

В 18 веке ученые отметили, что существует неразрывная связь живых организмов друг с другом и со всей окружающей природой, существует зависимость растений и животных от среды обитания. Исходный вклад в развитие исследований о связи организмов с окружающей средой внесли: Карл Линней (шведский природовед), Лепехин Иван Иванович, французский ученый Ж. Бюффон, Ж.-Б. Ламарк (автор первого эволюционного учения) и др. С их именами связан 1-й этап в развитии экологии, который длился до 60-х годов 19 века и который можно рассматривать как период зарождения и становления экологии как науки.

Со 2-ым этапом развития экологии (после 60-х годов 19 века и до середины 20 века), когда происходит оформление экологии в самостоятельную отрасль знания, связаны имена ученых: Карл Рулье, Северцов Николай Алексеевич, Бекетов Андрей Николаевич (раскрыл связь особенностей строения организмов с их географическим распространением), Докучаев В.В. (основатель научного почвоведения), Ч. Дарвин, Э. Геккель и др. В их работах впервые обоснованы ряд принципов и понятий экологии, которые не утратили своего значения до настоящего времени.

Профессор Московского университета Карл Рулье подчеркивал невозможность существования организмов помимо среды. В своих работах и университетских лекциях Рулье развил основные положения и описал методы нового по тем временам направления, которое назвал «зообиологией».

Огромное влияние на дальнейшие судьбы экологического направления в биологии (хотя самого понятия «экология» еще не существовало) оказало гениальное произведение Чарльза Дарвина «Происхождение видов» (1859) и созданное им эволюционное учение, тем более что оно в значительной мере опиралось на экологические факты и закономерности. Это теория естественного отбора, борьбы за существование, внутривидовой и межвидовой конкуренции, возникновение адаптаций.

Труды Дарвина послужили толчком для дальнейшего накопления экологических данных и теоретических обобщений. Под влиянием идей Дарвина его современник немецкий зоолог Эрнст Геккель в 1866 году пришел к выводу о необходимости выделения в рамках биологии особой дисциплины, которую предложил назвать экологией. Таким образом, изначально экология развивалась как составная часть биологической науки, но в тесной связи с другими естественными науками – химией, физикой, геологией, географией, почвоведением, математикой.

Термин «экология» впервые использован Геккелем в 2-томной работе, называемой «Всеобщая морфология организмов».

Название «экология», предложенное Геккелем получило общее признание и быстро распространилось по всем странам. В конце 80-х годов 19 века экология сформировалась как самостоятельная биологическая дисциплина и оставалась такой до 50-х годов 20 столетия. Системные экологические исследования охватывают конец 19 – первую половину 20 века.

В начале 20 века в экологии выделяются направления: аутэкология (изучает взаимодействие особей или групп особей с окружающей средой); демэкология, или популяционная экология, изучает структуру и динамику численности популяций отдельных видов, является разделом аутэкологии); синэкология, или биоценология (изучает живую природу на уровне экосистем).

К выдающимся экологам первой половины 20 века относятся: Адамс (автор первого экологического обобщения по экологии животных), У. Элтон (основоположник популяционной экологии), А. Тенсли (ввел понятие экосистемы), С. Форбс, В. Шелфорд (изучал экологию сообществ наземных животных), из наших отечественных – Д. Кашкаров (автор первого учебника по экологии в Советском Союзе - 1938), В. Вернадский (основоположник учения о биосфере и ноосфере), В. Сукачев (разработал положение о лесе как о целостной природной системе, представление о биогеоценозе), Э. Бауэр (изучал энергетику экосистем) и др.

С середины 20 века начинается 3-й этап развития экологии – превращение ее в комплексную науку об охране природной и окружающей человека среды. Среди выдающихся экологов этого периода можно назвать: Ю. Одума, Б. Коммонера, Д. Медоуза, Р. Дажо, Дж. М. Андерсена, Дж. Харпера, Т. Миллера, из отечественных ученых – М. Будыко, М. Реймерса, Ю. Новикова, Ю. Израэля, В. Горшкова, К. Лосева, Н. Наумова, Н. Моисеева и др.

3 Глобальный экологический кризис и задачи экологии

Во второй половине 20-го века экология интенсивно развивается как самостоятельная наука. Это связано с тем, что данный период характеризуется развитием глобального экологического кризиса. Под экологическим кризисом понимают такую стадию в развитии взаимоотношений между обществом и природой, на которой до предела обостряются противоречия между ними; в результате антропогенного давления на природные экосистемы нарушаются их механизмы саморегуляции, самовосстановления (механизмы динамической стабильности биосферы); происходят такие изменения качества окружающей природной среды, которые ведут к подрыву природных условий существования человечества (и других современных высокоразвитых форм жизни на Земле). Следствием глобального экологического кризиса может быть глобальная экологическая катастрофа, когда изменение качества окружающей природной среды приобретает необратимый характер, и нарушается способность биосферы восстанавливать свое нормальное состояние, когда происходит деградация и гибель организмов.

Причинами развития глобального экологического кризиса можно считать:

- демографический взрыв (рост численности населения до 6 млрд. человек и концентрация его в городах);

- исключительно быстрый рост масштабов производства (мировой совокупный доход увеличился за 10 лет 1980-1990 в 2 раза; ежегодно из недр добывается более 100 млрд. тонн различных пород);

- отставание накопления экологических знаний и использование технических систем с крайне высокими нагрузками на природные комплексы, устаревших технологий с высокой энерго- и материалоемкостью, отсутствие эффективных природоохранных технологий;

- несовершенство экологического законодательства (отсутствие какого бы то ни было общего регулирования развития производства в соответствии с потенциалом допустимой нагрузки на природные комплексы, отсутствие эффективных правовых и экономических механизмов, способствующих использованию безопасных технологических процессов).

Экологический кризис конца 20-го века отмечен такими явлениями, как бурный рост народонаселения (1-й млрд. чел. достигнут в 1800 году, 2-й – за следующие 130 лет, 3-й – за 30 лет, 4-й – за 15, 5-й – за 12, в настоящее время численность населения планеты составляет 6 млрд. чел, парниковый эффект), голод (всего на Земле голодает около 650 млн. чел., в т.ч. 10 млн. детей, примерно 200 млн. питается неполноценно, каждый час 2 тыс. детей умирает от голода), связанные с этим увеличение производства товаров в 10-100 раз, добычи полезных ископаемых в 3-4 раза, чем 30 лет назад, урбанизация (примерно одна треть людей живет в городах с населением в 1 млн. чел. и больше), кислотные дожди, озоновые дыры, загрязнение воды и воздуха (примерно 500 млн. автомобилей выбрасывают в атмосферу 400 млн. т оксидов углерода за год, 100 млн. т углеводородов; 1,5 млрд. людей испытывают дефицит в чистой воде), уничтожение лесов (каждую минуту уничтожается 20 га тропических лесов), гибель многих видов растений и животных (каждый день исчезает от 1 до 10 видов животных, каждую неделю – не менее 1 вида растений), деградация почв (6 млн. га земель ежегодно превращается в пустыни) и др.

В настоящее время выход из экологического кризиса является важнейшей задачей человечества. Для решения этой проблемы необходимо, прежде всего, изменение экологической стратегии и тактики, всей экономической модели человеческого общества, организация всеобщего экологического образования, воспитание экологического сознания всего населения Земли.

Таким образом, на современном этапе задачи экологической науки вышли за пределы биологии. Особенно большое значение в современной экологии уделяется проблемам взаимодействия человека с окружающей природной средой. Современная экология превратилась в комплексную междисциплинарную науку, изучающую сложнейшие проблемы взаимодействия человека с окружающей средой. Теоретическая экология вскрывает общие закономерности организации жизни, законы развития природы, функционирования экосистем. Прикладная экология изучает механизмы разрушения биосферы человеком, источники загрязнения экосистем, способы предотвращения этих процессов и на основе учета закономерностей и связей между живыми и неживыми компонентами природы разрабатывает принципы рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды. Основными задачами современной экологии являются:

- изменение сознания человечества, выработка новых моральных основ;

- улучшение качества окружающей природной среды;

- сохранение, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов;

- прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий в окружающей природной среде под влиянием человеческой деятельности;

- разработка экологически чистых технологий, энергетики, транспорта;

- утилизация отходов производства и потребления;

- достижением международных соглашений по вопросам взаимоотношений общества и природы и др.

Современный этап развития человеческого общества и его взаимоотношений с окружающей средой характеризуется сменой отношения людей на планете к природе, всеобщим развитием экологического образования во всех странах, широким общественным движением за охрану природы, появлением огромного количества общественных экологических организаций, ассоциаций, обществ, развитием альтернативных источников энергии, ресурсосберегающих технологий, принятием новых национальных и международных законов об охране природы, международным сотрудничеством в области охраны окружающей среды.

ЛЕКЦИЯ 2

СТРУКТУРА ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ

1Природная среда и ее характеристика

Природная среда – это совокупность тел, явлений, организмов, то есть всех условий, в которых происходит развитие живого вещества, которые прямо или косвенно влияют на живые организмы, включая и человека.

Природная среда – это очень сложная, многофункциональная система, которая существовала и развивалась миллионы лет и которая требует для нормального развития определенных условий. При сохранении оптимальных условий естественные процессы стремятся к состоянию динамического равновесия и саморегулирования, которые характеризуются устойчивостью, стабильностью. Саморегулирование и самовосстановление природной среды происходит благодаря действию особых законов обмена вещества и энергии. Все компоненты природной среды тесно связаны между собой, зависят один от другого, чутко реагируют на любые изменения. Обратные связи приводят к сложной цепочке изменений, которые зачастую трудно прогнозировать. Таким образом, природная среда – это комплекс постоянно взаимодействующих элементов и процессов 4-х ее составляющих экзосфер (поверхностных оболочек) Земли: атмосферы, литосферы, гидросферы и биосферы. Каждая из экзосфер имеет свои составные элементы, свою структуру и особенности. 3 из них (атмосфера, литосфера, гидросфера) образованы неживым веществом (образуют абиотическую среду) и являются местом функционирования живого вещества (биоты) – главного компонента биосферы.

2 Атмосфера

Атмосфера – это внешняя газовая оболочка Земли, которая простирается от ее поверхности в космическое пространство приблизительно на 3 000 км. Термин происходит от греческих слов: атмос – пар, дыхание, сфера – шар.

История возникновения и развития атмосферы достаточно сложная и продолжительная, она насчитывает примерно 3 млрд. лет. За этот период состав и свойства атмосферы неоднократно изменялись, но в течение последних 50 млн. лет, как считают ученые, они стабилизировались.

Первый научный труд об атмосфере принадлежит Аристотелю (4 век до н.э.). В русскую науку этот слово ввел Ломоносов. В 18 веке Лавуазье (фр.) открыл, что воздух является смесью различных газов.

Масса атмосферы составляет ~ 5,15*10¹⁵ т. Главными основными частями атмосферы являются:

N₂ –78,08 % (об.);

O₂ – 20,95 %;

Ar – 0,93 %;

CO₂ – 0,03 %.

Остальные вещества (неон, гелий, криптон, ксенон, оксиды азота, водород, метан, озон и др.) находятся в весьма малых количествах, например :

H₂ – 0,3*10^-5;

O₃ – 3,6*10^-5.

В атмосфере, кроме указанных газов, присутствуют также различные аэрозоли – частицы пыли и воды, находящиеся во взвешенном состоянии в газообразной среде. Содержание водяного пара: от 0,2% в приполярных районах до 3% вблизи экватора.

Атмосфера подразделяется на несколько сфер. Тропосфера – это нижняя часть атмосферы, в которой сосредоточено более 80 % массы всей атмосферы. Ее высота определяется интенсивностью вертикальных (восходящих и нисходящих) потоков воздуха, вызванных нагреванием земной поверхности. Поэтому она на экваторе простирается до высоты 16-18 км, в умеренных широтах – до 10-11 км, а на полюсах – до 8 км. В тропосфере формируются погодные явления, происходят самые интенсивные тепловые процессы, причем атмосфера нагревается снизу, от поверхности океана и суши. Отмечено закономерное понижение температуры воздуха с высотой – в среднем на 0,6 ⁰С на каждые 100 м. (У верхней границы тропосферы она достигает примерно – 60 ⁰С.)

Стратосфера – располагается выше тропосферы до высоты 50-55 км. Температура у ее верхней границы повышается, что связано с наличием здесь озонового слоя (находится на высоте 20-50 км). Для нее характерны слабые воздушные потоки, малое количество облаков. Температура до высоты 25 км практически постоянна ( - 60 ⁰С) а затем повышается , достигая 0 ⁰С у верхней границы.

Мезосфера - верхняя граница этого слоя находится до высоты 80 км. Главная ее особенность – резкое понижение температуры (минус 75-90 ⁰С) у ее верхней границы. Здесь фиксируются серебристые облака, состоящие из ледяных кристаллов.

Термосфера (ионосфера) – располагается до высоты 800-1000 км, и для нее характерно значительное повышение температуры (больше 1000 ⁰С). Под действием ультрафиолетового излучения Солнца газы находятся в ионизированном состоянии. С ионизацией связано свечение газов и возникновение полярных сияний. Термосфера обладает способностью многократного отражения радиоволн, что обеспечивает дальнюю радиосвязь на Земле.

Экзосфера – располагается выше 800 км и простирается до 2000-3000 км. Здесь температура превышает 2000 ⁰С. Скорость движения газов приближается к критической величине 11,2 км/с. Господствуют атомы водорода и гелия, которые образуют вокруг Земли геокорону, простирающуюся до высот 20 тыс. км и постепенно переходящую в межпланетный вакуум.

Атмосфера имеет очень большое экологическое значение: 1) защищает все живые организмы Земли от губительного влияния космического излучения и ударов метеоритов (основная часть которых сгорает на высоте 6-70 км; ежесуточно над Москвой в атмосфере сгорает около 200 метеоритов); 2) регулирует сезонное колебание температур, уравновешивает и выравнивает суточные колебания температур (в отсутствие атмосферы суточные колебания температуры у поверхности Земли достигали бы +- 200 ⁰С); 3) через атмосферу происходят главные жизненные процессы биосферы – дыхание организмов, фотосинтез и обмен энергией (человек при дыхании потребляет в сутки 12-15 кг воздуха, в минуту – от 5 до 100 л); 4) атмосфера участвует в распределении света; 5) в атмосфере распространяется звук . Голубой цвет неба обусловлен тем, что молекулы основных компонентов воздуха рассеивают, главным образом, лучи с короткой длиной волны (фиолетовые, синие, голубые). Цвет в стратосфере – черно-фиолетовый, так как по мере удаления от поверхности Земли уменьшается плотность атмосферы и ее загрязненность, цвет неба становится темнее.

3 Литосфера

Литосфера – внешняя твердая оболочка Земли, которая включает всю земную кору и часть верхней мантии Земли. («Литос» означает «камень».) Литосфера состоит из различных типов пород (изверженных ~ 90%, осадочных и метаморфизованных). Нижняя граница литосферы нечеткая и определяется резким уменьшением вязкости пород, изменением скорости распространения сейсмических волн и увеличением электропроводности пород. Толщина литосферы на континентах и под океаном различается и составляет в среднем 25-200 км и 5-100 км соответственно.

Земная кора – тонкая верхняя оболочка Земли, которая имеет толщину на континентах 40-80 км, под океаном – 5-10 км и составляет всего 1% массы Земли. На 99,5 % земная кора состоит из O, Si, H, Al, Fe, Mg, Ca, Na. Доля различных горных пород в земной коре: ~ 70% - магматические (граниты, базальты), ~ 17% - метаморфизованные (сланцы, преобразованные высокими давлением и температурой, ~ 12% - осадочные (глины, пески, песчаники, карбонаты). На континентах кора трехслойная: осадочные породы покрывают гранитные, гранитные залегают на базальтовых. Под океаном кора двухслойная: осадочные породы залегают прямо на базальтах, гранитного слоя нет.

Большая часть земной поверхности – это равнины континентов и океанического дна. Континенты окружены шельфом – мелководной полоской глубиной до 200 м и средней шириной – 80 км, которая после резкого обрывистого изгиба дна переходит в континентальный склон (уклон изменяется от 15-17 до 20-30 ⁰). Склоны постепенно выравниваются и переходят в пологое дно, где глубина достигает 3,7-6,0 км. Наибольшие глубины имеют океанические желоба (до 9-11 км), большинство которых расположено в северной и западной частях Тихого океана.

Поверхностный слой континентальной земной коры называется почвой. Почва – это органоминеральный продукт многолетней совместной деятельности живых организмов, воды, воздуха, солнечного тепла и света. В зависимости от климатических и геолого-географических условий почвы имеют толщину от 15-25 см до 2-3 м.

Основателем научного почвоведения является выдающийся украинский ученый В.В. Докучаев (1846-1903), который впервые дал определение «почвы», раскрыл сущность почвообразовательного процесса.

Почвы возникли вместе с живой природой и развивались под влиянием деятельности растений, животных, микроорганизмов. Современные почвы являются трехфазной системой (разнозернистые твердые частицы, вода, газы, растворенные в воде и находящиеся в порах). Твердая часть почв представлена смесью минеральных веществ (продуктов разрушения горных пород) ~ 60-90% и органических веществ (продуктов жизнедеятельности организмов).

Свойства почвы зависят от многих факторов:

- от характера материнских пород (физические свойства, водный и тепловой режим, скорость продвижения веществ в почве, минералогический и химический состав, тип почвы (подзолистые, серые лесные и др.);

- от растительности, которой принадлежит основная роль в создании органических соединений почвы (растения создают сложные органические соединения; в процессе отмирания растений органические вещества попадают в почву в виде корневого и наземного спада; неразложившийся растительный материал оказывает влияние на газообмен почвы, проницаемость для осадков, тепловой режим, почвенную фауну, микроорганизмы);

- от животных (представлены в почве в основном беспозвоночными – дождевыми червями, нематодами; из позвоночных – кроты, мыши-полевки);

- микроорганизмов – бактерий, вирусов, низших грибов, одноклеточных водорослей и др.;

- климата (водный, тепловой режим, биологический, физико-химический процессы);

- рельефа;

- хозяйственной деятельности человека (последние годы).

Важнейшим компонентом почв является гумус. Именно содержанием гумуса определяется плодородие почвы. Гумус – это темно-окрашенное органическое вещество, образующееся в результате биохимического разложения растительных и животных остатков. Это один из главных источников питания растений. Гумус состоит из двух групп органических соединений: 1) соединения, содержащиеся в растительных и животных остатках (10-15 % от всей массы органики почвы) – белки, углеводы, жиры, смолы, лигнин, фосфаты); 2) основной фонд гумуса, представленный собственно гумусовыми веществами, возникшими при преобразовании органических остатков (85-90 %): фульвокислоты, гумин, гуминовые кислоты и др. Процесс переработки растительных и животных остатков называется гумификацией (протекает при участии насекомых, бактерий, грибов). Одновременно с гумификацией происходит минерализация органического вещества – выделение из него ионов минеральных элементов, которыми питаются растения. Больше всего гумуса в черноземе – 10-15 %, меньше всего – сероземах пустынь – 1-2- %, в подзолистых почвах – 2,5-4%, в серых лесных – 4-6%.

Экологическое значение литосферы заключается в следующем:

- плодородие почвы - способность обеспечивать рост и развитие растений (это свойство представляет исключительную ценность для жизни человека и всех живущих на суше организмов);

- активное участие почвы в круговороте веществ и энергии в природе;

- почва поддерживает газовый состав атмосферы Земли;

- почва является гигантской экологической системой, оказывающей наряду с Мировым океаном решающее влияние на всю биосферу, ее состояние и свойства;

- в земной коре находятся различные полезные ископаемые: топливо, рудные, строительные, а также такие, которые служат сырьем для химической промышленности;

- в рамках литосферы периодически происходят экологические процессы (оползни, сели, обвалы, эрозия почв), которые имеют большое значение для формирования экологических ситуаций в отдельных регионах планеты, а иногда приводят к экологическим катастрофам.

4 Гидросфера

Гидросфера – это водная оболочка Земли, которая включает Мировой океан, воды континентов (реки, озера, болота, ледники, подземные воды). («Гидор» - вода с греч.)

Общий объем природных вод составляет около 1,4 млрд. куб. км. Вода покрывает 71% поверхности планеты (361 млн. кв. км).

Основную массу воды на планете составляют соленые воды Мирового океана (94,3 %). Средняя соленость этих вод - 3,5 % (в 1 л воды содержится 35 г солей). Самая соленая вода – в Мертвом море (26 %), в Черном море – 1,8 %. На долю подземных вод приходится 4 % (Коробкин – 1,7%), на ледники – 1,7 %, озера и болота – 0,02 %, реки – 0,0001 % (Коробкин – 0,0002%). Пресная вода составляет всего ~ 2% от всей воды на планете.

Океанические воды содержат почти все известные химические элементы, но на 95,5 % состоят из кислорода, водорода, хлора и натрия. Химический состав подземных вод зависит от состава вмещающих пород и глубины их залегания. Они бывают гидрокарбонатно-кальциевые, сульфатно-натриевые, хлоридно-натриевые и другие. В качестве растворенных газов вода содержит кислород и диоксид углерода в большом количестве, другие газы.

Воде принадлежит важнейшая роль в истории развития нашей планеты, так как с ней связано зарождение и развитие живого вещества, а следовательно, и всей биосферы.

Вода выполняет важнейшие экологические функции:

§ с участием воды осуществляются многочисленные процессы в экосистемах (обмен веществ, тепла, рост биомассы); вода в биосфере выступает в роли универсального растворителя, обеспечивает перенос растворенных веществ, например, обмен веществ между сушей и океаном, организмами и окружающей средой;

§ вода является основной составляющей частью всех живых организмов (в растениях среднее содержание воды – 90%, в животных – 70%);

§ гидросфера находится в тесной взаимосвязи с литосферой (подземные воды), атмосферой (парообразная вода), живым веществом;

§ воды Мирового океана – основной климатообразующий фактор, главный аккумулятор солнечной энергии; вода играет большую роль в формировании поверхности Земли, ее ландшафтов; для многих организмов вода – среда обитания;

§ вода является важнейшим минеральным сырьем, главным ресурсом потребления человечества (человек использует воды в тысячу раз больше, чем угля и нефти).

ЛЕКЦИЯ 3

БИОСФЕРА. СОСТАВ, СВОЙСТВА, ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ

1 Понятие о биосфере

Биосфера – это оболочка Земли, содержащая все живые организмы и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Дословно биосфера – это сфера жизни, так как «bios» – жизнь, а “sphaira” – шар, сфера. Впервые этот трермин ввел австрийский геолог Эдуард Зюсс в 1875 году. Современные представления о биосфере сформулированы украинским ученым В.И. Вернадским сначала в отдельных статьях, а затем в лекциях, прочитанных в Карловском университете (Прага) и в Сорбонне (Париж). Положения, которые развивал Вернадский, были обобщены в книге “Биосфера”, опубликованной в 1926 г.

Сущность учения Вернадского заключается в признании исключительной роли живого вещества. Вернадский доказал, что живые организмы оказывают решающее влияние на все геологические процессы, формирующие облик Земли. Жизнедеятельность живых организмов обусловливает химический состав атмосферы, концентрацию солей в гидросфере, образование почв и другие процессы. Живые организмы не только сами приспосабливаются к условиям внешней среды, но и активно их изменяют.

Самой существенной особенностью биосферы является биогенная миграция атомов химических элементов, вызываемая лучистой энергией Солнца и проявляющаяся в процессе обмена веществ, росте и размножении организмов. (Именно живые организмы улавливают и преобразуют энергию солнечных лучей в потенциальную, а затем – в кинетическую энергию биохимических процессов, создают бесконечное разнообразие нашего мира.) Другой важнейшей особенностью биосферы, по Вернадскому, является ее организованность. Обобщая результаты исследований в области геологии, палеонтологии, биологии и других естественных наук, Вернадский делает вывод, что “биосфера – стойкая динамическая система, равновесие в которой установилось в основных своих чертах с археозоя и неизменно действует в течение 1,5-2 млрд. лет”. Вернадский доказал, что устойчивость биосферы в течение этого времени проявилась в постоянстве ее общей массы (10¹⁹ т), массы живого вещества, энергии, связанной с живым веществом (4,21*10¹⁸ кДж), а также в постоянстве среднего химического состава живого вещества.

Указанные особенности биосферы (способность к максимальному проявлению жизни, высокая активность живого вещества, способность к саморегуляции и др.) делают ее устойчивой системой. Устойчивость биосферы Вернадский связывает с ее разнообразием. Все функции живых организмов в биосфере (образование газов, окислительные и восстановительные процессы, концентрирование химических элементов и т.п.) не могут выполняться организмами какого-нибудь одного вида, а только их комплексом. Отсюда следует чрезвычайно важное положение, разработанное Вернадским: биосфера Земли сформировалась с самого начала как сложная система с большим количеством видов организмов, каждый из которых исполнял свою роль в общей системе.

Человек в биосфере Земли является относительно новым фактором. Человечество освоило всю биосферу и получило значительно большую, чем другие организмы, независимость от окружающей среды. Человек не просто влияет на окружающую среду, но и изменяет с большой скоростью структуру самих основ биосферы. В связи с этим возникает понятие ноосфера. Понятие «ноосфера» появилось в связи с оценкой роли человека в эволюции биосферы. Впервые термин ноосфера был предложен в 30-е годы французскими философами и естествоиспытателями (Тейяр де Шарден, Ле-Руа). В буквальном смысле термин означает «сфера разума» (ноос – разум).

Ноосфера – это высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и становлением в ней цивилизованного общества, с периодом, когда разумная деятельность человека становится главным, определяющим фактором развития. Научная мысль и деятельность человека изменили структуру биосферы, обусловили физические и химические изменения всех ее оболочек (атмосферы, литосферы, гидросферы).

Понятие «ноосфера» наполнил смыслом и развил Вернадский, в частности, в 1944 г. в статье «Несколько слов о ноосфере», опубликованной перед его смертью, ученый приводит свои мысли о дальнейшем развитии биосферы и ее переходе в новое качество – ноосферу. Согласно Вернадскому, ноосфера – окружающая человека среда, в которой природные процессы обмена веществ и энергии контролируются обществом. Человек, по мнению Вернадского, является частью биосферы, ее определенной функцией. Вместе с тем, воздействие человека на природу по своему характеру резко отличается от других форм живого вещества. Подход Вернадского к этой проблеме является по сути рационалистическим. Ноосфера в представлении Вернадского является фактически синонимом той техносферы, которая сегодня создается на Земле.

По современным представлениям, ноосфера – сфера гармонического взаимодействия природы и общества. Это идеальный вариант будущего. Определяющим фактором функционирования ноосферы является не стихийное природное развитие, а высокий интеллект человека, разум, мудрость. Основой ноосферного процесса должен стать переход человечества к социальной автотрофности (обеспечение энергетическими ресурсами и сырьем на основе целостности общественного производства и биотехнологии – многократное повторное использование природных и синтезированных веществ и материалов). Для перехода к ноосфере необходимо преодолеть конфликт между циклическим и безотходным характером биогенных процессов обмена веществ и энергии. Необходимо преодолеть потребительский подход к природе, консерватизм мышления, создать более совершенные технологии производства, перейти к разумному, рациональному хозяйствованию. Ноосфера подразумевает также жизнь людей в мире без войн и социальных катаклизмов, в мире материального достатка, экологически безопасных продуктов, незагрязненной окружающей среде.

2 Общие свойства биосферы

Биосфера включает нижнюю часть атмосферы (до озонового слоя – на высоте 20-25 км), всю гидросферу и верхнюю часть литосферы, то есть ту область, где существует жизнь, живые организмы. В настоящее время принято считать, что верхняя граница биосферы располагается на высоте примерно 85 км над поверхностью Земли, поскольку именно на такой высоте (в стратосфере) обнаружены споры микроорганизмов в латентном (скрытом, спящем) состоянии. Нижняя граница биосферы располагается в глубинах литосферы, где температура достигает 100 ⁰С и находится на глубине 1,5-2 км и 7-8 км (в зависимости от типа пород). Последние данные свидетельствуют о том, что некоторые бактерии могут существовать при температурах от абсолютного нуля до +180 ⁰С, в вакууме, в ядерных реакторах.

Общая масса живого вещества биосферы составляет 2,42 триллиона тонн (2,42∙10¹² т; масса биосферы 10¹⁹т). Биомасса растений (фитомасса) составляет 2,4*10¹² т, биомасса животных и микроорганизмов (зоомасса и бактериомасса) – 0,02*10¹² т (в пересчете на сухое вещество). При этом видовая дифференциация животных в 5 раз больше видовой дифференциации растений (1,5-1,7 млн. видов животных и 300 тыс.-500 тыс. растений).

Характерной особенностью живого вещества по сравнению с неживым веществом является очень высокая активность, высокая скорость реакций (в сотни-тысячи раз больше, чем у неживого вещества), например, очень быстрый обмен веществ. Все живое вещество биосферы обновляется в среднем за 8 лет. Биомасса Мирового океана обновляется за 33 дня, а его фитомасса ежедневно, фитомасса суши – примерно за 14 лет из-за большей продолжительности жизни наземных растений. Гусеницы некоторых насекомых за сутки перерабатывают пищи в 100-200 раз больше собственного веса.

Для живых организмов характерно не только пассивное движение (под действием гравитации), но и активное (против течения воды, движения воздушных масс).

Благодаря живым организмам биосфера осуществляет следующие функции:

- энергетическую (накопление и преобразование энергии);

- газовую (способность изменять и поддерживать газовый состав среды обитания);

- окислительно-восстановительную (интенсификация этих процессов в пространстве под действием живого вещества);

- концентрационную (способность собирать в своем теле рассеянные в пространстве атомы химических элементов);

- деструктивную (разложение как органических остатков, так и косного

⇐ Предыдущая 1 2 3 45