Раздел 1 Структура биосферы, закономерности организации и развития биосферы
Краткая история экологических знаний
Древние природоохранные акты основывались на частной собственности, и в них преобладал экономический подход. Так в древнем Вавилоне (5-ый в. до н.э.) за порубку фруктового дерева возмещение было равно штрафу за телесное повреждение со смертельным исходом.
В законах Ману (2-й в. до н.э.) упор делался на морально-этическую сторону. Законы предупреждали, что разрушение среды обитания убивает вместе с ней и человека: физически и нравственно. В них порицались торговля дарами природы, причинение вреда живому, загрязнение вод.
Античных ученых, конечно, еще нельзя назвать экологами, но основы экологии уже прослеживаются в их работах.
Аристотель (384-322 гг. до н.э.) в своей "Истории животных" писал о способах существования зверей, их повадках, местах обитания, сезонной и суточной активности, особенностях питания, строительстве убежищ и т.д. Ученик Аристотеля Теофаст (370-285 гг. до н.э.) заложил основы геоботаники. В первом веке н.э. творил древнейший известный ученый-агроном Колумелла. Он уже хорошо знал роль удобрений, особенности агротехники и роста сельскохозяйственных культур.
Эпоха Возрождения дала толчок к дальнейшему изучению окружающего мира. Известный химик Р. Бойль (1627-1691) осуществил первый экологический эксперимент. В 1670 г. он опубликовал наблюдения о влиянии низкого атмосферного давления на различных животных.
Знаменитый микроскопист Антонии ван Левенгук
(1632-1723) первый обратил внимание на пищевые цепи и вопросы регулирования численности организмов. Выдающийся французский естествоиспытатель Рене Реомюр (1683-1757) приводил немало экологических данных на примере взаимоотношений растений и насекомых.
Основатель научной систематики К. Линней (1707-1778) был также первым фенологом. Он начал записывать данные о сезонном развитии природы и по его почину в 1750 г. была организована первая в мире фенологическая сеть. В своих сочинениях "Экономия природы" и " Общественное устройство природы" К. Линней впервые ввел представление о биотическом круговороте.
Немалое значение для развития экологических представлений XYIII в. имела 13-томная " Естественная история "
Ж. Бюффона (1709-1788), выходившая с 1749 по 1769 г. В ней обосновано влияние среды на жизнь растений и животных.
В 1798 г. вышла книга английского священника Т.Р. Мальтуса "Опыт о законе народонаселения", в которой автор выдвинул гипотезу, что население растет в геометрической прогрессии, а средства существования - в арифметической. Только во второй половине ХХ в. ученые осознали, что планета уже достаточно перенаселена, и формула Мальтуса верна.
Российские ученые XYIII в. в своих трудах тоже опубликовали немало экологических исследований. Еще при Петре I в России проводились отрывочные фенологические наблюдения.
В 1755 г. вышла книга С.П. Крашенинникова "Описание земли Камчатки". Российский естествоиспытатель П.С. Паллас (1741-1811) собрал огромный материал, опубликованный в монографии "Путешествие по различным провинциям Российского государства".
С 1761 г. к регулярным записям явлений природы приступили российский академик И.П. Фальк. В конце XYIII в. для отдельных местностей Европы накопились многолетние серии фенологических данных. Это позволило создать первые научные календари природы.
В начале XIX в. В Европе появляются первые труды, заложившие основу для создания современной биоэкологии. Французский ученый Ж.Б. Ламарк в 1809 г. опубликовал "Философию зоологии". В труде "Космос" немец А. Гумбольдт показал значение климата для жизни растений, ввел понятие изотерм. В 1824 г. французский врач В. Эдварде опубликовал книгу "Влияние физических агентов на жизнь". В ней рассматривалось влияние температуры, влажности, света и других факторов на дыхание, кровообращение различных видов животного мира, включая человека. России первой половины ХIХ в. также интенсивно развивалась биоэкология. Э.А. Эверсман (1794-1860) создал трехтомную "Естественную историю Оренбургского края". В те же годы трудился и выдающийся биолог К.М. Бэр (1792-1876) Он заложил основы современной теории динамики рыбных популяций. Непосредственной предтечей экологии в России стали лекции московского профессора К.Р. Рулье (1814-1858). В них он сформировал биоэкологические обобщения и указал на важность глубоких исследований. Дело своего учителя продолжил Н.А. Северцев (1827-1885), который опубликовал магистерскую диссертацию "Периодические явления в жизни зверей, птиц и гадюк Воронежской губернии". Это было первое специально экологическое исследование в России.
В 30-х годах ХIХ в. бельгийский ученый А. Кетле и его ученик П. Верхолст показали, что рост численности популяций происходит по логистической кривой (быстрый рост с постепенным началом и затуханием в конце). Эту закономерность заново открыли почти через 100 лет американские биологи Р. Пирль и Л. Рид, и она составила один из законов популяционной экологии. Параллельно с популяционной экологией зародилась экология человека. Основоположниками ее были французский философ А. Конт и английский ученый Г. Спенсер. Ч. Дарвин (1809-1888) не пользовался термином "экология", но вся его деятельность дала огромный толчок для развития экологического знания. В своих трудах ученый последовательно проводил линию признания ведущего значения взаимодействия между видами живого и между ними и окружающей их средой, т.е. основную идею экологии. Термин "экология" впервые введен Э. Геккелем в 1866 г. В 1864 г. американец Д. Марш выпустил книгу "Человек и природа, или о влиянии человека на изменения физико-географических условий природы". Это произведение положило начало глобальному природоохранному движению.
Этой же проблеме были посвящены многочисленные труды француза Ш. Реклю. В 1878-1894 гг. была опубликована 19-ти томная монография "Земля и люди", "Всеобщая география". В своих работах в 1896 г. ботаники К. Шретер и О. Кирхнер предложили различать аутоэкологию и синекологию, т.е. экологию видов и сообществ. В начале нашего века сформировалась динамическая экология, связанная с именем американского ученого Ф. Клеменса (1874-1945), который развил учение о сукцессиях и в 1922 г. дал определение биоэкологии.
Последняя треть ХIХ в. дала понятие о биоценозах, оно было сформулировано профессором Кельнского университета К. Мебиусом в 1877 г. Через полвека английский ученый А. Тенсли (1939 г.) ввел понятие экосистемы, почти одновременно с отечественным ученым В.И. Сукачевым, который в 1942 г. дал определение биогеоценоза.
В начале ХХ века геологи А.П. Павлов в России и Ч. Шукерт в США почти одновременно и независимо друг от друга отделили начальную историю Земли от того времени, когда человек стал ведущей геологической силой, и назвали это время антропогенным периодом. Эту роль человека подчеркивал выдающийся русский ученый В.И. Вернадский (1864-1945), который в двадцатые годы интенсивно развивал учение о биосфере Земли. Его работы оказали огромное влияние на целую научную эпоху ХХ столетия. В 1927 г. Э. Леруа (1870-1954) предложил термин "ноосфера".
В.И. Вернадский обозначил этим понятием новую эволюционную фазу развития биосферы, когда человек выступает в роли главной движущей силы природного процесса - великой, геологической, может быть даже, космической силы.
В ХХ веке воздействие человека на природу делалось все очевиднее. В 1956 г. вышла в свет монография У. Томаса "Роль человека в изменении облика Земли". В 1962 г. американка Р. Карсон потрясла мир полной тревоги за живую природу книгой "Безмолвная весна". Среди российских ученых - экологов плодотворно работали над проблемами экологической науки академик С.С. Шварц (1919-1976), а также ученики крупнейшего биолога нашей страны Д.И. Кашкарова (1878-1941), создателя целой экологической школы.
1.2. Предмет, структура и задачи экологии
Когда немецкий биолог Э. Геккель предложил назвать экологией "общую науку об отношениях организмов к окружающей среде", эта наука была строго биологической, и в настоящее время она получила название биоэкологии. Классическая биоэкология имеет четкое деление. В нее входят:
* экология особей - физиологическая экология;
* экология видов - аутоэкология;
* экология популяций - популяционная экология;
* экология сообществ - синекология;
* экология экосистем - биоценология.
Учение о биосфере Земли составляет часть биоценологии.
Поскольку Земля как планета связана с биосферой, то со временем в самостоятельное направление выделилась глобальная экология.
Почти одновременно с классической биоэкологией возникла экология человека, и со временем она сформировалась в две отрасли экологического знания - собственно экологию человека как организма и социальную экологию. Экология человека зародилась в трудах французского философа А. Конта и получила развитие в книгах И. Мечникова. Создание и развитие социальной экологии связано с именами А. Конта, английских ученых Д. Милля и Г. Спенсера, американских социологов Р. Парка и Е. Берджеса. В настоящее время экология человека и социальная экология представляют собой две самостоятельные экологические научные дисциплины.
К экологии причисляются наука об охране природы и наука об охране окружающей человека среды. Эти науки базируются на обширной совокупности дисциплин. По мере нарастания влияния хозяйственной деятельности человека на природу сформировались промышленная и прикладная экология. Политизация экологических проблем выдвинула понятия экополитики и экологической безопасности, а связь их с экономикой определила появление и развитие эколого-экономических дисциплин, например, экологии природопользования.
Вещественно-культурные и воззренческие ценности, воздействующие на человека, архитектурная, ландшафтная среда, литературные богатства стали предметом такой науки, как экология культуры. Экология вторгается и в сферу мировоззрения человека, исследуя среду морали и воззрений (экология духа).
Таким образом, экология, возникшая в начале как биологическая дисциплина, по мере своего развития разделилась на множество дисциплин и на данном этапе включает в себя не менее 100 структур, которые базируются на естественных, общественных и технических науках (рис.1).
Слово "экология" происходит от греческих слов ойкос - дом, жилище, местопребывание и логос - наука.
Экология - это наука об отношениях организмов или групп организмов между собой и окружающей их средой; или наука, изучающая условия существования живых организмов, включая человека, их взаимосвязь между собой и средой, в которой они обитают.
Так как экология исследует закономерности жизнедеятельности организмов в их естественной среде обитания с учетом изменений, вносимых в среду человеческой деятельностью, то, прежде всего, различают аутоэкологию и синэкологию. Аутоэкология изучает отдельный организм и его индивидуальные связи со средой. Синэкология занимается комплексным изучением особенностей групп организмов и растений, составляющих определенные единства. Кроме того, экология классифицируется по конкретным объектам и средам исследования.
Из приведенных выше определений очевидны и многообразны задачи экологии как науки:
* исследование закономерностей организации жизни, в том числе и в связи с антропогенными воздействиями на природные системы и биосферу в целом;
* создание научной основы рациональной эксплуатации биологических ресурсов, прогнозирование изменений природы под влиянием деятельности человека, управление процессами, протекающими в биосфере, и сохранение среды обитания человека;
* регуляция численности популяций;
* разработка системы мероприятий, обеспечивающих минимум применения химических средств борьбы с вредными видами;
* экологическая индикация природных сред, а также прогнозирование последствия воздействия человека на природную среду;
* восстановление нарушенных природных систем, в том числе рекультивация выведенных из пользования сельскохозяйственных угодий, восстановление пастбищ, плодородия истощенных почв, продуктивности водоемов и др.;
* сохранение (консервация) эталонных участков биосферы.
Задачи экологии применительно к деятельности инженера могут быть сформулированы следующим образом:
* оптимизация технологических, инженерных и проектно-конструкторских решений, исходящих из минимального ущерба окружающей среде и здоровью человека;
* прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий действующих, реконструируемых и проектируемых предприятий (технологических процессов) для окружающей среды;
* своевременное выявление и корректировка конкретных технологических процессов, наносящих ущерб окружающей среде, угрожающих здоровью человека, отрицательно влияющих на природные и антропогенные системы.
1.1 Строение биосферы
Биосфера представляет собой оболочку Земли, населенную живыми организмами. Жизнь на Земле сосредоточена в трех традиционно выделяемых геосферах: атмосфере, гидросфере и литосфере. Соответственно биосферу подразделяют на аэробиосферу, гидробиосферу и литобиосферу. В биосфере расположена фитосфера, образованная толщей наземной растительности. Фитосфера определяет фактически все три среды жизни: воздушную, водную и твердую. Вместе с освещенными слоями гидросферы фитосфера определяет активную пленку жизни на Земле. Хотя жизнь имеется и в зоне высокогорий, и в глубинах литосферы, особенно в подземных водах, но она здесь не столь активна, как в фитосфере. В литосфере на глубине примерно 1 км проходит кислородная граница, ниже которой, в том числе и в подземных водоемах, не содержится кислорода. Живые организмы, для существования которых необходим кислород, называемые аэробами, уже здесь не встречаются, а имеются другие жизненные формы.
Если рассмотреть химический состав земной коры, то содержание химических элементов в ней следующее (массовые доли, %):
O Si AL Fe Ca Na K Mg H Ti C
25,7 7,5 4,7 3,4 2,6 2,4 2,0 1,0 0,4 0,1 0,2
Mn Cl S
0,15 0,15 0,1
Остальные элементы периодической системы Д.И. Менделеева содержатся в земной коре в количестве менее 0,1 массовой доли, %. По объему земная кора состоит, в основном, из атомов кислорода, его объемная доля составляет около 90 %. Подобное распределение элементов периодической системы наблюдается и гидросфере, объемная доля кислорода в которой составляет около 88 %.
Крайние пределы жизни в биосфере определяются существованием в ней условий, непреодолимых для всех организмов. Это может быть температура, химическая среда, ионизация среды.
Верхний предел обусловливается интенсивностью лучистой энергии солнца, исключающей жизнь. На высоте около 20 км от поверхности Земли расположен озоновый экран, препятствующий проникновению коротковолнового ультрафио-лета в нижние слои атмосферы.
Нижняя граница распространения жизни определяется наличием высоких температур. Температура в 100 0С может достигаться в литосфере на глубине 3-3,5 км. В среднем нижняя граница биосферы в литосфере пролегает на глубине около 2,5 км.
В слое атмосферы, прилегающем к поверхности Земли, до высоты примерно 5-6 км жизнь представлена, в основном, микроорганизмами и вирусами, живущими в каплях атмосферной влаги. Этот слой атмосферы ощущает мощное влияние наземной жизни, например, перелеты птиц, насекомых, проникновение летающих семян, пыльцы, спор.
Гидросфера, подразделяемая на океан и континентальные водоемы, имеет наиболее активную жизнь в своей освещенной части, которая носит название фотосферы. Жизнь в слабоосвещенных слоях гидросферы и лишенных света разрежена.
Таким обpазом собственно биосфера - слой активной жизни - занимает на суше толщину максимум в 12 км по вертикали, а в пределах океана 12 км. Сфера случайного попадания жизни охватывает толщу около 50 км. Островки биосферы, создаваемые человеком в космических кораблях, выходят за пределы естественной биосферы Земли.
1.2. Учение о биосфере Земли В.И. Вернадского
В пределах нашей планеты можно выделить множество экосистем с различным уровнем организации. Экосистемой самого высокого порядка является биосфера. Термин "биосфера" для обозначения земной оболочки впервые был введен австрийским биологом Зюссом в 1875 г. Современное определение биосферы таково: биосфера (от греч. биос - жизнь, сфера - шар) - область существования ныне живущих организмов, охватывающая нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу, поверхность суши и верхний слой литосферы. Она включает в себя как вещество, так и живые организмы, которые в ней как в среде жизни обитают. То есть биосферой можно назвать область распространения жизни на Земле.
Биосфера, сфера жизни, всегда была предметом изучения для человека. В настоящее время имеется обширная область знания о функционировании и развитии биосферы, которая называется учением о биосфере Земли. Существенный вклад в его pазвитие внесли Ж. Ламарк, Ж. Бюффон, А. Гумбольт, Ф. Шеллинг, Э. Зюсс, В. Докучаев, К. Тимирязев, К. Циолковский, С. Вавилов, В. Сукачев, В. Вернадский, А. Виноградов,
В. Вильямс, Б. Полынов, А. Чижевский, H. Реймерс и другие ученые (рис.2). Особая роль принадлежит В.И. Вернадскому (1863-1945), который является создателем целостного учения о биосфере и ее эволюции.
B.И. Вернадский рассматривал поверхность Земли как своеобразную оболочку, pазвитие которой в значительной мере определяется деятельностью живых организмов. Центральная идея учения заключается в том, что высшая форма развития материи на Земле - жизнь - определяет другие планетарные процессы. Химическое состояние наружной коры нашей планеты всецело определяется живыми организмами.
Живые организмы, совокупность жизни, превращают энергию солнца в химическую и создают бесконечное разнообразие мира. Земная оболочка, биосфера, обнимающая весь земной шар, имеет резко обособленные размеры.
В значительной мере она обусловливается существованием в ней живого вещества - она им населена. Между ее косной безжизненной частью и живым веществом, ее населяющим, идет непрерывный материальный и энергетический обмен, материально выражающийся в движении атомов, вызванном живым веществом.
Этот обмен в ходе времени выражается закономерно меняющимся, непрерывно стремящимся к устойчивости равновесием. Оно пронизывает всю биосферу, и этот биогенный ток атомов в значительной степени ее создает. Так неотделимо и неразрывно биосфера на всем протяжении геологического времени связана с живым, заселяющим ее веществом. В этом биогенном токе атомов и связанной с ним энергии проявляется резко планетарное, космические значение живого вещества". Итак, основой динамического равновесия и устойчивости биосферы является круговорот веществ и превращение энергии. Достаточно хорошо изучены глобальные процессы круговорота воды, кислорода, углерода, азота и других веществ. В современной экологии сформулированное В.И. Вернадским утверждение о тесном взаимодействии, диалектическом единстве организмов и их среды обитания получило название Закона единства организм - среда: жизнь развивается в результате постоянного обмена веществом и информацией на базе потока энергии в совокупном единстве среды и населяющих ее организмов.
Биосфера развивается под действием pазличных экологических факторов. До появления жизни на Земле действовали фактоpы неживой природы, котоpые названы абиотическими. С момента появления жизни к ним прибавились фактоpы живой природы, биотические, а с развитием человеческого общества - еще и антропогенные, связанные с вмешательством человека в природные процессы, протекающие в биосфере. Таким обpазом, в настоящее время pазвитие биосферы протекает под действием абиотических, биотических и антропогенных фактоpов.
Решающее значение в истории образования биосферы имело появление на Земле зеленых pастений, способных синтезировать органическое вещество из минерального. Хлорофиллсодержащие растения улавливают энергию солнечных лучей и используют ее на осуществление реакции фотосинтеза. Фотосинтез представляет собой окислительно-восстановительную реакцию синтеза органического вещества с помощью световой энергии. Для построения органического вещества растения используют углекислый газ, воду, минеральные вещества из почвы. В результате создаются богатые энергией органические вещества, названные В.И. Вернадским первоосновой существования и развития живого мира. В учении о биосфере показано, что благодаря фотосинтезу изменился весь облик Земли.
Совокупность всех живых организмов, населяющих нашу планету, Вернадский назвал "живым веществом". Оно представлено растениями, животными и бактериями. Состав живого вещества отличается от состава других компонентов биосферы высоким содержанием углерода (18 %), при этом концентрация отдельных элементов в организмах может быть значительной. Последователями В.И. Вернадского А.П. Виногра-довым и Д.В. Самойловым был установлен средний химический состав живого вещества, в который вошли следующие элементы: водород, углерод, азот, кислород, натрий, магний, кремний, фосфор, сера, хлор, калий, кальций. Вышеперечисленные химические элементы относятся к легким, из тяжелых химических элементов в состав живого вещества входит железо.
Живые обитатели нашей планеты неодинаковы с точки зрения потребления вещества и энергии. Учение о биосфере содержит классификацию живых организмов по способу питания. Организмы, способные синтезировать органическое вещество из неорганического, названы автотрофными. Термин происходит из двух греческих слов: аутос - сам и трофе - питаюсь. Автотрофные организмы представлены зелеными растениями, способными производить, продуцировать органическое вещество, поэтому их называют продуцентами.
Живые организмы, котоpые употребляют в пищу уже готовое органическое вещество, называются гетеротрофными (гетеротрофный - питаемый другими) или консументами, потребителями. К консументам относятся, в основном, животные, причем, как растительноядные, так и хищники. Особую группу живых организмов составляют питающиеся мертвой органикой, разлагающие органические вещества до неорганических. Эта группа получила название редуцентов (восстановителей). К ним относятся бактерии, грибы, простейшие и другие микроорганизмы. Названные три группы живых организмов связаны друг с другом и образуют цепи последовательной передачи вещества и эквивалентной ему энергии - трофические цепи.
1.3. Эволюция биосферы
Долговременная эволюция биосферы формируется под влиянием внешних сил, таких, как геологические и климатические изменения, и внутренних процессов, обусловленных активностью живых компонентов экосистем.
Первым этапом эволюции биосферы было возникновение жизни из неживой материи. Этому предшествовало образование простых органических соединений из метана, аммиака, водорода в условиях высоких температур, повышенной вулканической деятельности, солнечного излучения.
Первые экосистемы, существовавшие 3 млрд лет тому назад, были населены крошечными анаэробными гетеротрофными организмами, существовавшими за счет органического вещества, синтезированного в абиотических процессах. Затем последовали возникновение и популяционный взрыв автотрофных водорослей, которые, как полагают ученые, сыграли одну из главных ролей в превращении атмосферы в кислородную. С этого момента на протяжении длительного геологического времени эволюция организмов шла по пути создания все более сложных и разнообразных систем, которые контролировали состав атмосферы и содержали в себе все более крупные и высокоорганизованные виды многоклеточных.
Принято считать, что эволюционные изменения происходят путем естественного отбора на видовом или более низких уровнях. Однако и на более высоких уровнях естественный отбор также играет важную роль, особенно коэволюция, т.е. взаимный отбор зависящих друг от друга автотрофов и гетеротрофов, и групповой отбор, или отбор на уровне сообществ, который ведет к сохранению признаков, благоприятных для группы в целом, даже если они неблагоприятны для конкретных носителей этих признаков внутри группы.
Рассмотрим схему эволюции организмов и кислородной атмосферы (рис. 3). Эти два фактора сделали биосферу уникальной среди планет Солнечной системы. Сейчас считается общепринятым, что когда свыше 3 млрд лет назад на Земле зародилась жизнь, атмосфера содержала азот, аммиак, водород, оксид углерода, метан и водяной пар. Свободный кислород в ней отсутствовал. В атмосфере содержались также ядовитые для большинства современных организмов хлор, сероводород. Состав атмосферы в то время в значительной степени определялся вулканическими газами: вулканы были намного активнее. Из-за отсутствия кислорода не существовало и озонового слоя, экранирующего губительное ультрафиолетовое излучение. Это излучение убило бы любые незащищенные от него организмы, но именно оно породило химическую эволюцию, приведшую к возникновению сложных органических молекул, таких как аминокислоты, которые послужили блоками для построения примитивных живых систем. Очень малое количество кислорода, образуемого за счет абиотических процессов, например, при диссоциации водяного пара под действием ультрафиолета, могло обеспечить достаточное количество озона, чтобы создать некоторую защиту от самого ультрафиолетового излучения. Все же пока атмосферного кислорода было мало, жизнь могла развиваться только под защитой слоя воды.
Первыми живыми организмами были дрожжеподобные анаэробы, которые получали необходимую энергию путем брожения.
Так как брожение гораздо менее эффективно, чем кислородное дыхание, примитивная жизнь не могла эволюционировать дальше одноклеточной стадии. Снабжение примитивных организмов пищей также было ограничено: их питание, по-видимому, зависело от медленно опускавшихся на дно органических веществ, синтезированных под действием радиации в верхних слоях воды, куда не рисковали подниматься эти микробы. Так на протяжении миллионов лет жизнь 
вынуждена была существовать в очень неподходящих условиях.
Постепенное увеличение в воде количества кислорода за счет жизнедеятельности организмов и его диффузия в атмосферу около 2 млрд лет назад вызвали громадные изменения в химии Земли и сделали возможным быстрое распространение жизни и развитие клеток с оформленным ядром, что привело в свою очередь к эволюции более крупных и более сложных систем. Многие минералы, такие как железо, выпали из воды в осадок и образовали характерные геологические формации. По мере увеличения содержания кислорода в атмосфере слой озона в ее верхней части становился все более мощным и мог экранировать разрушающее ДНК ультрафиолетовое излучение. Жизнь могла свободно распространяться к поверхности моря. Затем последовало так называемое "позеленение суши". Аэробное дыхание сделало возможным развитие сложных многоклеточных организмов. Считается, что первые ядерные клетки появились после того, как содержание кислорода в атмосфере достигло 3-4 мас. д. % от современного уровня. Полагают, что это произошло примерно 1 млрд. лет назад.
Когда содержание кислорода около 700 млн лет назад достигло примерно 8-10 мас.д. %, появились первые многоклеточные организмы. Термин "докембрий" используется для обозначения того периода времени, когда существовали мелкие, одноклеточные формы жизни. В кембрии произошел эволюционный взрыв новых форм жизни, таких, как губки, кораллы, черви, моллюски, морские водоросли и предки семенных растений и позвоночных.
Так, благодаря способности мельчайших зеленых растений моря продуцировать такое количество кислорода, которое превышало потребности в нем всех организмов, оказалось возможным заселение живыми существами за сравнительно короткое время всей Земли. В течение последующих периодов палеозойской эры жизнь не только заполнила все моря, но и вышла на сушу. Развитие зеленой наземной растительности обеспечило большие количества кислорода и пищи, которые были необходимы для последующей эволюции таких крупных животных, как динозавры, млекопитающие и, наконец, человек.
Примерно в середине палеозоя, около 400 млн лет назад продукция кислорода сравнялась с его потреблением, содержание кислорода в атмосфере достигло современного уровня. В конце палеозоя произошло снижение содержания кислорода и повышение содержания диоксида углерода, сопровождавшееся изменением климата и, по-видимому, послужившее толчком к обширному "автотрофному цветению", создавшему запасы ископаемого топлива, на которых основана современная промышленная цивилизация. Затем последовало постепенное возвращение к атмосфере с высоким уровнем кислорода и низким уровнем диоксида углерода, после чего соотношение этих двух компонентов атмосферы остается в состоянии, которое можно назвать стационарным.
Вся история развития атмосферы показывает абсолютную зависимость человека от других организмов, населяющих среду, где обитает он сам.
1.4. Современный взгляд на биосферу. Понятие ноосферы
Современная биосфера является результатом длительной эволюции органического мира и неживой природы. При этом роль человека на разных исторических этапах была различна. Если в начальный период развития цивилизации человек почти не оказывал воздействия на природу, то со временем, по мере развития производительных сил воздействие человека возрастало. В.И. Вернадский писал об этом: "Человечество закономерным движением... с все усиливающимся в своем проявлении темпом охватывает всю планету, выделяется, отходит от других живых организмов как новая небывалая геологическая сила".
В связи с влиянием человека В.И. Вернадский в своем учении говорит о ноосфере. Сам термин "ноосфера" введен в 1927 году французским ученым Ле Руа. Ноосфера - буквально "мыслящая оболочка", сфера разума, высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и становлением в ней цивилизованного человечества, с периодом, когда разумная человеческая деятельность становится главным, определяющим фактором развития на Земле.
По Вернадскому "ноосфера" есть новое геологическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупнейшей геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше".
Однако возможность построения ноосферы вызывает споры среди ученых. Например, известный эколог Ю. Одум считает, что, несмотря на огромные возможности и способности человеческого разума к управлению природными процессами, тем не менее, еще рано говорить о ноосфере, так как человек не может предугадать все последствия своих действий. Об этом свидетельствует множество возникших экологических проблем на планете.
Грандиозной попыткой моделирования ноосферной стадии развития биосферы послужил экспериментальный комплекс "Биосфера-2" в Аризоне (США). Была выделена обширная территория, объем которой составил 200 тыс м3 и площадь прозрачного покрытия над этой территорией – 16 тыс м2. Здесь были размещены различные экосистемы: влажного тропического леса, саванны, пустыни, болота. Комплекс включал часть океана, агросистемы и жилой комплекс на 8 исследователей. Например, влажный тропический лес, входящий в комплекс, включал более 300 видов растений. Из позвоночных животных были включены обезьяна галаго, пантеровая черепаха, ящерицы, лягушки и другие. В агроэкосистеме были размещены рисовые чеки, посевы зерновых, обеспечивающие питание ученых.
Эксперимент осуществлялся почти 2 года. В его ходе были смоделированы сложные биогеохимические циклы азота, фосфора, серы, диоксида углерода. Эксперимент выявил повышение в изучаемом комплексе содержания диоксида углерода, снижение содержания кислорода, гибель некоторых видов растений и животных, недостаточную продуктивность культурных растений в сравнении с ожидаемой. Видимо, подобная модель биосферы содержит в себе возможности для дальнейшего совершенствования.
В концепции ноосферы, вызванной проблемами будущего человечества, В.И. Вернадский видел некоторую противоречивость, указывая на то, что " не следует забывать, что человек, как и все живое, может мыслить и действовать в планетном аспекте только в области жизни - в биосфере, с которой он неразрывно связан, и уйти из которой он не может". Его существование есть ее функция". Поэтому цель взаимодействия человека и природы состоит в сохранении того типа биосферы, в которой человек возник и может существовать как вид, сохраняя свое здоровье. Поэтому слова В.И. Вернадского "перестраивать коренным образом" следует понимать лишь в рамках основной цели сохранения биосферы, пригодной для жизни людей.
С именем В.И. Вернадского связана идея об автотрофности человечества. Автотрофными являются живые организмы, которые способны брать все нужные для их жизнедеятельности вещества из неживой среды. В биосфере такими свойствами обладают зеленые растения. Понятие "автотрофность человечества" означает независимость человека от продуктов, создаваемых живыми организмами в биосфере, т.е. человек должен научиться использовать для своего питания вместо органических белков, жиров и углеводов низкомолекулярные соединения из неживой среды. В этом случае возможно для человека не оказывать на природу отрицательного воздействия. Этим идея об автотрофности человечества является привлекательной, но она находится в стадии осмысления, поскольку ее реализация представляется затруднительной.
1.5 Иерархия уровней организации биосферы
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 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.
Ученым сегодня известно около 2 млн. биологических видов, из них 20% - растения, 80% - животные.
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).
Свойства каждого отдельного уровня жизни значительно сложнее и многоообразнее предыдущего. Однако предсказать свойства каждого последующого биологического уровня жизни исходя из свойств отдельных составляющих его более низких уровней нельзя, подобно тому, как, например, нельзя предсказать свойства воды исходя из свойств кислорода и водорода. Такое явление наз. Эмерджентностью.
.1.6 Материальные потоки в биосфере
Материальные потоки в биосфере.
Биосфера представляет собой сбалансированную равновесную систему, в кот. Процессы обмена веществ и энергии происходят за счет жизнедеятельности живых организмов. Рассм. Схему мат. И энергетич. Потоков в живой природе.
Основой всех процессов в живой природе явл. Энергия Солнца, которая используется при фотосинтезе продуцентами (растениями), производящими первичную биомассу. При этом из окр. среды поглощается вода, углекислый газ и др. неорганические и простейшие органические вещества. Эта первичная биомасса потребляется консументами первого рода (травоядными животными), утратившими способность к фотосинтезу. Биомасса консументов перврого рода явл. Основой для существования консументов второго рода (хищников), кот. Дополнительно утратили способность самостоятельно производить ряд биолог. Активных веществ, в том числе аминокислот, и не могут довольствоваться только биомассой растений. Все отходы (отмершие листья, трупы животных, экскременты и т.п.) в живой природе служат пищей для редуцентов ( наиболее типичные-дождевой червь и навозный жук).
В результате орг. в-ва разлагаются на простейшие орг. И неорг., кот. Возвращаются в окр. среду. Цикл замыкается, Но он замыкается не полностью. Часть орг. в-ва в виде углеводородов и углерода в процессе жизнедеятельности накапливается в том виде, кот. Мы называем полезными ископаемыми. Такая схема сущ. сотни миллионов лет - пока не появилась человеческая цивилизация - антропосистема.
И так, биосфера представляет собой сбалансированную равновесную систему, в которой процессы обмена веществ и энергии происходят за счет жизнедеятельности живых организмов. Перемещающиеся в биосфере материальные потоки включают в себя множество веществ. Среди них можно выделить некоторые, играющие важную роль в жизни живых оpганизмов: углерод, азот, фосфор, кислород, вода. Все вещества в биосфере находятся в состоянии биохимического круговорота.
Выделяют два основных типа круговоротов веществ: большой (геохимический) и малый (биотический). Большой длится сотни тысяч или миллионы лет. Он заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе растворимые в воде вещества, выносятся потоками воды в мировой океан. Здесь они накапливаются в виде донных напластований и лишь частично возвращаются на сушу с осадками. Медленные геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещения морей в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу, после чего процесс повторяется.
Малый круговорот является частью большого. Он пpоисходит на уровне экосистем по следующему пути. Питательные вещества из почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе pастений, расходуются на построение тела и жизненные процессы, как их самих, так и организмов-консументов Продукты распада органического вещества организмами-редуцентами вновь разлагаются до минеральных компонентов, котоpые опять становятся доступными растениям-продуцентам. Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду носит название биогеохимического цикла.
Потоки углерода, кислорода, водорода представляют собой главное связующее звено между живым веществом и окружающей средой.
Углерод, кислород, водород являются основными элементами, необходимыми для жизнедеятельности организмов и называются органогенами. Их содержание составляет 20-60 % от общего числа атомов. Кроме органогенов в живых организмах обязательно содержаться макроэлементы (от 0,02 до 2 %) - азот, фосфор, серу, хлор, калий, кальций, натрий и магний. и микроэлементы (менее 0,001 %) - бор, йод, кремний, марганец, железо, кобальт, медь, цинк, молибден. Избыток или недостаток этих элементов может стать причиной нарушения нормального функционирования экосистем.
Рассмотрим малые круговороты некоторых веществ. Биогеохимический цикл углерода определяет энергетику биосферы, так как жизнедеятельность растительных фотосинтезирующих организмов и их взаимодействие с животными, микроорганизмами и неживой природой является наиболее общим механизмом фиксации, накопления и перераспределения космической энергии, поступающей на Землю.
Круговорот углерода пpоисходит следующим обpазом. Углерод, содержащийся в атмосфере в виде диоксида углерода, служит сырьем для фотосинтеза pастений. Вместе с органическим веществом он проходит по трофическим цепям, где потребляется консументами. При дыхании pастений, животных и микроорганизмов выделяется диоксид углерода, который возвращается в атмосферу. Определенная часть углерода накапливается в виде мертвой органики, переходя в ископаемое состояние (уголь, торф). В круговорот углерода значительное искажение вносит человек, сжигая топливо, в результате чего выделение диоксида углерода в атмосферу увеличивается. В связи с этим баланс углерода в биосфере положителен, т.е. он накапливается в атмосфере. До конца века ожидается 12-20 %-ное увеличение содержания диоксида углерода. Жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддеpживается относительно небольшим количеством углерода от всего, имеющегося на планете.
Биогенный круговорот кислорода заключается в образовании кислорода в результате фотосинтеза pастений и потреблении его в ходе дыхания, реакций окисления. За время существования на Земле зеленых pастений в атмосфере накопилось примерно 10 т кислорода. В настоящее время скорость образования свободного кислорода в процессе фотосинтеза несколько ниже скорости его расходования, в том числе на сжигание топлива.
Круговорот азота в природе является самым сложным и хорошо организованным. В жизни планеты азот играет столь же существенную роль, что и углерод.
Атмосферный воздух представляет собой основной резервный фонд азота. Ведущую роль в круговороте азота играют микроорганизмы (рис.16).
Малый круговорот азота заключается в том, что азот, извлекаемый из почвы растениями, накапливается в органическом веществе pастений в виде белков, аминокислот. С органическим веществом он передвигается по трофическим цепям и попадает в организмы консументов и формирует животные белки. После гибели pастений и животных органические соединения азота подвергаются процессам аммонификации, нитрификации с последовательным образованием аммиака, нитритов и нитратов.
Нитраты и нитриты вновь усваиваются растениями. Частично они подвергаются восстановлению до свободного азота, поступающего в атмосферу. Свободный азот при участии клубеньковых бактерий может усваиваться растениями. Таким обpазом, азот снова накапливается в растениях, входя в состав органических соединений. Вследствие высокой растворимости
|
солей азотной кислоты и аммония, азота в почвах мало и почти всегда недостаточно для питания растений. Общее содержание азота в почвах тем выше, чем они богаче запасами гумуса.
Антропогенные нарушения в балансе биогеохимического круговорота азота на суше весьма велики и локально уже вызывают отрицательные для человека последствия, в частности, возникает болезнь - метгемоглобинемия. Установлено, что разовые заболевания людей возникают, если содержание нитратов в воде достигает 40-50 мг/дм3.
Рассмотрим круговорот фосфора, который входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, систем переноса энеpгии (АДФ, АТФ), костной ткани. Из всех элементов, присутствующих в живых организмах, фосфор, очевидно, имеет наибольшее экологическое значение, так как отношение его количества к количеству других элементов в организмах обычно гораздо выше, чем соответствующее отношение в тех источниках, откуда организм черпает необходимые ему элементы.
При недостатке фосфора нарушается энергетика клетки и синтез белка. Биогеохимический круговорот фосфора в природе во многом отличен от рассмотренных круговоротов азота и углерода (рис. 17).
Резервуаром фосфора служит не атмосфера, а горные породы или другие отложения, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи.
Фосфор в биосфере очень подвижен, и его круговорот зависит от множества фактоpов окружающей среды, в том числе - антропогенных.
Большое количество фосфора поступает в окружающую среду с моющими средствами, удобрениями. Степень вещественной замкнутости круговорота фосфора в разных экосистемах различна, например, в тайге она составляет 95 %, а в агросистемах - около 40 %. Усвоение фосфора растениями в значительной степени зависит от кислотности почв. В щелочной среде фосфаты легких металлов малорастворимы, по мере повышения кислотности почв растворимость их растет.
 |
Ассимиляция Растения Животные
Растворенные
фосфат-ионы Органический фосфор
отмерших pастений,
отходы животных
Бактериальные
преобразования
Фосфатредуцирующие Фосфаты
Бактерии
. Схема биогенного круговорота фосфора
Таким образом, фосфор является основным элементом, лимитирующим рост автотрофных организмов, как в водной среде, так и на суше. То есть фосфор контролирует основную часть первичной продукции биосферы. Кроме того, количество нитратов в воде или кислорода в атмосфере зависит от состояния круговорота фосфора.
Вода играет важнейшую роль в формировании и организации всех биогеохимических циклов природе. Вода поступает на поверхность Земли в виде осадков, образующихся, главным образом, из водяного пара, попадающего в атмосферу в результате испарения воды растениями (транспирации), сушей, поверхностью морей и океанов. Часть ее вновь испаряется прямо или косвенно при посредстве растений и животных, часть питает подземные воды и часть вместе с речным стоком, включающим поверхностный и подземный сток, достигает морей и оттуда испаряется. В общем случае океан испаряет больше воды, чем получает с осадками. Таким образом осуществляется гидрологический цикл.
В результате круговорота воды идет ее обмен в pазличных водных объектах. Скорость этого обмена неодинакова для разных водных объектов. Hапpимеp, подземные воды и ледники горных районов меняются в течение 1400-1600 лет, воды озер и болот - в течение нескольких лет, воды в руслах рек и вода в атмосфере - в течение нескольких дней. Биологическая вода, содержащаяся в живых организмах, меняется в течение нескольких часов. В настоящее время в биосфере имеет место сокращение запасов подземных вод, усыхание озер суши, уменьшение мощности покровного оледенения. В тоже время отмечается увеличение уровня мирового океана со скоростью 1,5 мм в год.
Влияние человека на круговорот воды состоит в изменении климата, уничтожении растительности, изменении структуры почв, создании водохранилищ, спрямлении русел рек.
