1. Понятие, состави структура биосферы
Биосфера — глобальная экологическая система планеты, включающая в себявсе живые организмы вместе со средой их обитания.
Биосфера представляет собой совокупность частей земных оболочек(лито-,гидро- и атмосферы), которая заселена живыми организмами, находится под их влиянием и занята продуктами ихжизнедеятельности.
В 20-е годы X X— го столетия учение о биосфере было развито и преобразовано выдающимся естествоиспытателем академиком В.И.Вернадским. Он впервые подчеркнул исключительную роль живых организмов вобразовании биосферы. По его определению,биосфера — структурная оболочка Земли, созданнаясамой жизнью, где не только живут, но которая преобразована живыми организмами и связана с их жизнедеятельностью. Такимобразом, биосфера — это и среда жизни,и результат жизнедеятельности организмов.
Размеры биосферы. По учению В.И. Вернадского, биосфера — это область нашей планеты, в которой существует или когда-либо существовалажизнь и которая постоянно подвергается воздействию живыхорганизмов. Поэтому биосфера представляетсобой область существования не только современных экосистем, но и включает области, где находятся вещества,возникшие в результатежизнедеятельности живых организмов. Такие вещества называют биогенными. Почтивесь кислород атмосферы имеет биогенное происхождение. Биогенными являютсятакже многие полезные ископаемые (нефть, уголь, газ и др.).
Благодаря такомуподходу В.И. Вернадский существенно расширил границы биосферы, включив в нее всю гидросферу (глубиной до 11 км), нижние слои атмосферы (до озонового слоя, высотой 25-35 км),где сосредоточен практически веськислород, и часть литосферы до глубины залегания полезных ископаемыхбиогенного происхождения (8-10 м, реже 3 км).
Структурабиосферы. Биосфера имеет иерархическуюструктуру. Традиционно в структуребиосферы выделяют атмосферу, гидросферу и литосферу. Атмосфера делится на слоив зависимости от температуры воздуха: ниже 0°С -альтобиосфера, выше 0 «С — тропобиосфера. Гидросфера включает всебя океанобиосферу и аквабиосферу, т.е. солено- и пресноводную среду, и такжеделится на слои в зависимости от освещенности: фото-, дисфото- и афотосферы. Гео(био)сфера состоит из террабиосферы (твердо-воднойсреды) и литобиосферы (твердо-воздушнойсреды). Выделенные подсферы включают экосистемы различногоиерархического уровня.
Состав биосферы включает 7 глубоко разнородных частей:
1) живое вещество;
2) биогенное вещество:
3) косное вещество:
4) биокосное вещество;
5) вещество в радиоактивном распаде:
6) вещество рассеянных атомов, не связанных химическимиреакциями;
7)вещество космического происхождения.
Живое вещество совокупность организмов на планете (растительный и животныймир, микроорганизмы).
Биогенное вещество- совокупность веществ, возникших в результатежизнедеятельности организмов (торф, нефть, мел, природный газ и др.).
Косное вещество — совокупность веществ, в образовании которых живые организмы не участвуют, т.е. горные породымагматического, неорганического происхождения, вода,
Биокосное вещество- продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами (почва, природные воды).
2. Основные функции биосферы
Благодаря способности трансформировать солнечную энергиюв энергию химических связей, растения идругие организмы выполняют ряд фундаментальных биологическихфункций планетарного масштаба.
Газовая функция. Живые существа постоянно обмениваютсякислородом и углекислым газом с окружающейсредой в процессах фотосинтеза и дыхания. Растениясыграли решающую роль в формировании состава современной атмосферы. Они строгоконтролируют концентрации кислорода и углекислого газа, оптимальныедля современной биоты.
Концентрационнаяфункция. В процессе эволюции организмынаучились извлекать из разбавленного водного раствора и других компонентовприродной среды необходимые для нихвещества, многократно увеличивая их концентрацию в своемтеле.
Таким образом,пропуская через свое тело большие объемы воздуха и природных растворов, живые организмы осуществляютбиогенную миграцию и концентрированиехимических элементов и их соединений.
Окислительно-восстановительнаяфункция. Многие вещества в природе крайне устойчивы и не подвергаются окислению при обычныхусловиях. Живые клетки обладают настолькоэффективным катализатором — ферментами, что способныосуществлять многие окислительно-восстановительные реакции в миллионы разбыстрее, чем это может происходить в абиотической среде. Благодаря этому живыеорганизмы существенно ускоряют процессы миграции химическихэлементов в биосфере.
Информационнаяфункция. С появлением первых живыхсуществ на планете появилась и активная (»живая") информация,отличающаяся от той «мертвой» информации, которая является простымотражением структуры. Организмы оказались способными к получению информациипутем соединения потока энергии с активной молекулярной структурой, играющейроль программы. Способность воспринимать, хранить и передавать молекулярнуюинформацию совершила опережающую эволюцию в природе и стала важнейшим экологическимсистемообразующим фактором.
Перечисленныефункции живого вещества образуют мощную средообразующую функцию биосферы.Деятельность живых организмов обусловила современный состав атмосферы.Растительный покров существенно определяет водный баланс, распределение влаги иклиматические особенности больших пространств.Живые организмы играют ведущую роль в самоочищении воздушной и водной сред. Благодаря растениям, животным имикроорганизмам создается почва и поддерживается ее плодородие. Таким образом,биота биосферы формирует и контролирует состояние окружающей среды.
Следует четко представлять, что окружающая нас среда — это не возникшая когда-то фиксированная инепреходящая физическая должность, а живое дыхание природы, каждое мгновениесоздаваемое работой множества живых существ.
3.Биогеохимические круговороты веществ в биосфере
Круговорот веществ — закономерный процесс многократного участиявеществ в явлениях, протекающих в биосфере планеты. Вещество, вовлеченное в круговорот, не только перемещается, но и испытываеттрансформацию и нередко меняет своефизическое и химическое состояния. Особенно активную роль в ускорении круговорота и трансформации играютживые организмы.
Солнечная энергияна Земле вызывает два вида круговоротов веществ:
1) большой (биогеохимический) — в пределах биосферы;
2) малый (биотический) — в пределах элементарныхэкологических систем.
Большой круговорот веществ — это безостановочный планетарный процессзакономерного циклического, неравномерного во времени и пространстве перераспределениявещества, энергии и информации, многократно входящих в непрерывно обновляющиесяэкологические системы биосферы.
Малый круговоротвеществ развивается на основебольшого и заключается в круговой циркуляции веществ между почвой, растениями,микроорганизмами и животными.
Оба круговоротавзаимосвязаны и представляют собой единый процесс, который обеспечиваетвоспроизводство живого вещества и оказывает активное влияниена облик биосферы.
На нашей планете всегда существовалгеохимический круговорот веществ, но споявлением жизни на Земле геохимические связи стали биогеохимическими — болеесложными и разнообразными. Поэтому говорят о биогеохимическом круговоротевеществ или биогеохимическом цикле.
Различают триосновных типа биогеохимических круговоротов:
1) круговоротводы;
2) круговорот элементов преимущественно в газовой фазе(кислорода, углерода, азота и др.);
3) круговорот элементов преимущественно в твердой и жидкойфазах (фосфораи др.).
Круговоротуглерода на суше начинается с фиксацииуглекислого газа растениями в процессефотосинтеза.
Из СО2 и НзОобразуются углеводы и высвобождаетсякислород, Фиксированный в растениях углерод в некоторой степени потребляется животными. Отжившие животные ирастения разлагаютсямикроорганизмами, в результате чего углерод мертвого органического веществаокисляется до углекислого газа и снова попадает в атмосферу. Кроме того, углеродчастично выделяется на всех стадиях круговорота в составе CO2во время дыхания растений и животных.Подобный круговорот углерода совершается и в океане.
Круговорот азота (рис.5). Азот, которого очень много в атмосфере, усваивается растениями лишь после соединения его сводородом или кислородом. Это, какправило, происходит в результате различных физических явлений, протекающих ватмосфере (атмосферная фиксация) и производстве (промышленная фиксация), а также в результате действияазотфиксирующих бактерий или водорослей(биофиксация). Соединения азота используются растениями и через них по пищевым цепям попадают к животным.Растительные и животные отходы, мертвыеорганизмы разлагаются, и с помощью денитрифицирующих бактерий происходит восстановление азота и возвращениеего в атмосферу.
/>
Рис. 5 — Круговоротазота
В настоящее времясельское хозяйство и промышленность дают почти на 60% больше фиксированного азота, чем естественныеназемные экосистемы, что приводит кнакоплению нитратов в почве и далее в трофических цепях.
Биогеохимическиекруговороты веществ и связанные с ними превращения энергии являются основой динамического равновесия и устойчивостибиосферы. Нормальные, ненарушенные биогеохимические циклыимеют почти круговой, почти замкнутый характер. Этим поддерживается известноепостоянство и равновесие состава, количества и концентрациикомпонентов в биосфере, например состава атмосферного воздуха, концентрациисолей в воде океанов и т.п. В своюочередь, подобное постоянство обусловливает генетическую и физиологическую приспособленность живых организмов ксуществованию на Земле,
4. Эволюциябиосферы. Понятие ноосферы. Понятие техносферы
Возникновение исуществование всех экологических систем в биосфере обусловлено эволюцией.Самоподдерживающиеся динамические системы эволюционируют в сторону усложнения организации и возникновения системной иерархии, Первопричиной, источником движущей силыпоследовательных качественных изменений экологических систем служит потокэнергии через систему и отборнаиболее эффективных преобразователей энергии, вещества и информации.
Эволюция биосферысостоит из добиотической фазы, в ходе которой химическая эволюция подготовила возникновение жизни и, собственно,биотическойэволюции.
Добиотическаяэволюция.
1. Образованиепланеты (около 4,5 млрд. лет назад). Первичная атмосфера имела высокую температуру и содержала водород, азот,пары воды, метан, аммиак, инертные газы и другие простыесоединения.
2. Возникновение абиотическогокруговорота веществ в атмосфере за счет еепостепенного остывания и энергии солнечного излучения. Появляется жидкая вода, формируются гидросфера, круговоротводы, водная миграция элементов имногофазные химические реакции в растворах. Происходит отбор и ростмолекул.
3. Образованиеорганических соединений в процессах конденсации и полимеризации простых соединений С, Н, О, N за счетэнергии ультрафиолетового излученияСолнца, радиоактивности, электрических разрядов и других энергетическихимпульсов. Аккумуляция лучистой энергии в органических веществах.
4. Возникновениекруговорота органических соединений углерода. Далънейшее усложнение органических веществ и появлениеустойчивых комплексов макромолекул;возникновение молекулярных систем самовоспроизведения.
Биотическаяэволюция.
Возникновение жизни (около 3,5 млрд. летназад). Структуризация белков и нуклеиновыхкислот с участием биомембран приводит к появлению вирусоподобных тел и первичных клеток, способных кделению. Возникает биотическийкруговорот, и формируются функции живого вещества.
5. Развитиефотосинтеза и обусловленное им изменение состава среды: увеличение количествакислорода. Ускоряется биогенная миграция элементов.
6. Появлениемногоклеточных организмов, наземных растений и животных приводит к дальнейшему усложнению биогеохимическогокруговорота. Возникают сложные экологические системы, содержащие все уровни трофическойорганизации. Достигается высокая ступень замкнутостибиогеохимического круговорота.
7.Увеличениебиотического разнообразия и усложнение строения и функциональной организацииживых существ и биосферы в целом. Организмами заняты всеэкологические ниши на планете.
8. Появлениечеловека — лидера эволюции. Возникновение и развитие человеческого общества, вовлечение в техногенезнепропорционально больших потоковвещества и энергии нарушают замкнутость биогеохимических круговоротов, вызываютантропогенные экологические кризисы и становятся негативнымфактором эволюции биосферы.
Хозяйственнаядеятельность человека вызвала появление на Земле качественно новой средыобитания — техносферы. Техносфера — часть биосферы, преобразованнойлюдьми с помощью прямого или косвенного действия технических средств и занятая продуктами его деятельности.Некоторые ученые считают техносферусинонимом ноосферы, другие — признают техносферу как переходноесостояние от биосферы к ноосфере.
В переводе сгреческого «ноосфера» — это сфера разума, С научной точки зрения, ноосфера — это коллективное сознание,которое станет контролировать направление будущей эволюции планеты. Развиваяконцепцию ноосферы, В.И, Вернадский определил ее как этап эволюции биосферы,который характеризуется ведущей ролью разумной и сознательной деятельностичеловеческого общества в развитии биосферы. Разумная деятельность человекадолжна стать главным фактором развития биосферы.
Ноосфера, но В.И.Вернадскому, — это биосфера, разумно управляемая человеком. "… Все человечество, вместе взятое,представляет ничтожную массу вещества планеты, Мощь его связана не с егоматерией, но с его мозгом, разумом инаправленным этим разумом его трудом". Человек должен понять, «что он не есть случайное, независимое от окружающегосвободно действующее природное явление.Он составляет неизбежное проявление большого природного процесса, закономерно длящегося в течение, по крайнеймере, 2-х миллионов лет.
Согласно законуноосферы B.И. Вернадского: биосфера неизбежно превратится в ноосферу, т.е. сферу, где разум человекабудет играть доминирующую роль в развитиисистемы человек-природа. Иными словами, хаотичное саморазвитие, основанное напроцессах естественной саморегуляции, будет заменено разумной стратегией, базирующейся на прогнозно-плановых началах,регулированиипроцессов естественного развития.
Если ноосфера — это будущее гармоничное единство человека и природы при главенствующемположении в этой системе человеческого разума, то техносфера- это то окружение, в котором мы сейчас живем.
Литертатура
1. Шимова, О.С. Основы экологии и экономикаприродопользования: Учебник / О.С.Шимова, Н.К. Соколовский. — Мн.: БГЭУ, 2001 -367 с.
2. Акимова, Т.А. Экология: Учебник для вузов / Т.А.Акимова, ВЛЗ. Хаскин. — М: ЮНИТИ, 1998, — 445 с.
З.Маврищев,В.В. Основы общей экологии: Учеб. пособие / В.В. Маврищев.- Мн.: Выш. шк., 2000, — 317 с.
4. Экология:Учебное пособие / Общая ред. С.А. Боголюбова. — М: Знание,1997.-288 с.
4. Экология ибезопасность жизнедеятельности: Учеб. пособие для вузов / Под ред. Л.А. Муравья. — М. ЮНИТИ-ДАНА, 2000. — 447 с.
5.Кормилицин,В.И. Основы экологии: Учеб, пособие / В.Ц. Кормилидин. — М.: Интерстиль. 1997. — 368 с.
6. Реймерс,Н.Ф. Охрана природы и окружающей человека среды: Словарь-справочник / Н.Ф. Реймерс. — М: Просвещение, 1992.- 320 с.
7. Охранаокружающей среды: Учеб, для техн. спец, вузов / Под ред. С.З.Белова.- М.: Высшая школа, 1991. — 319 с.