Geum.ru

Лекция введение в экологию (В. И. Торшин)

Вид материалаЛекция

Содержание


Лекция 3 БИОСФЕРА - ОБОЛОЧКА ЖИЗНИ
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11

Лекция 3 БИОСФЕРА - ОБОЛОЧКА ЖИЗНИ


Планета Земля уникальна среди других планет Солнечной системы. Только на ней в тонком слое, где взаимодействуют вода (гидросфера), земля (литосфера) и воздух (атмосфера), обитают живые организмы, в том числе и человек. Этот слой называется биосферой - от греческих слов «биос» (жизнь) и «сфера» (шар).

Биосфера - это оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются совокупной деятельностью живых организмов. В нее входят не только растительный покров и животные, населяющие нашу планету, но и все реки, озера, моря, океаны, весь почвенный слой и самый верхний слой земной коры - зона выветривания, а также значительная часть атмосферы. Верхняя граница биосферы находится на высоте 15-20 км от поверхности земли, в стратосфере. Верхний предел жизни ограничивается ультрафиолетовыми лучами и космическими излучениями. Нижняя граница жизни проходит по литосфере на глубине 2-3 км (здесь в нефтеносных слоях были обнаружены бактерии) и по дну океана в гидросфере. Жизнь в основном сосредоточена в верхней части литосферы - в почве и на ее поверхности - ив верхней части гидросферы. Таким образом, средняя толщина биосферы составляет 12-17 км, а максимальная не превышает 33-36 км.

Термин «биосфера» ввел австрийский ученый Э. Зюсс в 1875 г., понимавший ее как тонкую пленку жизни на земной поверхности, в значительной мере определяющую «лик Земли». Заслуга создания целостного учения о биосфере принадлежит В. И. Вернадскому. Основы этого учения он изложил в своей книге «Биосфера», опубликованной в 1926 г Он доказал, что совокупность живых организмов, когда-либо обитавших и обитающих на Земле, играет огромную роль в ее геологической эволюции, а также во всех физических и химических процессах, протекающих на земной поверхности и в толще вод.

На первый взгляд, роль «живого вещества» сильно завышена. Ведь доля совокупности всех живых организмов даже в общей массе Земли, но в пределах ее современной биосферы составляет лишь 0,25 %. Кроме того, все живое вещество Земли сосредоточено в очень узкой части пространства, прилегающего к земной поверхности. Однако взгляды о ведущей роли живого вещества в образовании современного химического состава атмосферы, гидросферы и части литосферы получили разностороннее подтверждение.

В. И. Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, включающую наряду с организмами и среду их обитания. Он выделил в биосфере семь разных, но геологически взаимосвязанных типов веществ: 1) живое вещество, 2) биогенное вещество (горючие ископаемые, известняки и т. п., создаваемые и перерабатываемые живыми организмами), 3) косное вещество, образованное в результате процессов, в которых живые организмы не участвуют (например, горные породы, возникающие при извержении вулканов), 4) биокосное вещество, создаваемое одновременно живыми организмами и процессами неорганической природы (например, почва), 5) радиоактивное вещество, 6) рассеянные атомы, 7) вещество космического происхождения (метеориты, космическая пыль).

Центральным звеном в концепции В. И. Вернадского является представление о живом веществе. «Живые организмы, писал Вернадский, являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей. Для того, чтобы в этом убедиться, мы должны выразить живые организмы как нечто целое и единое. Так выраженные организмы представляют живое вещество, то есть совокупность всех живых организмов, в данный момент существующих, численно выраженное в элементарном химическом составе, в весе, в энергии. Оно связано с окружающей средой биогенным током атомов: своим дыханием, питанием и размножением».

Живые организмы обладают очень высокой геохимической активностью. Они способны усваивать солнечную энергию в процессе фотосинтеза и использовать ее для образования сложных соединений из простых веществ, имеющихся на Земле. Деятельность живых организмов дает начало многочисленным цепочкам физико-химических превращений веществ - распаду, трансформации и синтезу. В результате этих превращений формируются «биокосные природные тела», объемы которых вполне позволяют сопоставить биосферу с другими земными оболочками. В течение миллиардов лет живое вещество на Земле использовало и трасформировало в ходе образования биокосных тел колоссальное количество солнечной энергии. Довольно значительная доля этой энергии заключена в недрах Земли в виде полезных ископаемых органического происхождения (уголь, нефть). Однако еще большее количество на протяжении геологической истории планеты было использовано для формирования различных горных пород биокосного происхождения - от осадочных известняков до значительной части железных руд, а также для накопления огромных масс солей, растворенных в воде океанов, и, наконец, кислорода, входящего в состав земной атмосферы.

«Можно без преувеличения утверждать,- писал В. И. Вернадский,- что химическое строение наружной коры нашей планеты, биосферы, всецело находится под влиянием жизни, определяется живыми организмами. Несомненно, что энергия, придающая биосфере ее обычный облик, имеет космическое происхождение. Она исходит из Солнца в форме лучистой энергии. Но именно живые организмы, совокупность жизни, превращают эту космическую лучистую энергию в земную, химическую и создают бесконечное разнообразие нашего мира. Это живые организмы, которые своим дыханием, своим питанием, своим метаболизмом, своей смертью и своим размножением, постоянным использованием своего вещества, а главное - длящейся сотни миллионов лет, непрерывной сменой поколений, своим рождением и размножением порождают одно из грандиознейших планетных явлений, не существующих нигде, кроме биосферы». Биосфера, по учению В. И. Вернадского, не просто совокупность живых организмов, а единая термодинамическая оболочка Земли, в которой сосредоточена жизнь и осуществляется постоянное взаимодействие всего живого с неорганическим миром. Жизнь - это связующее звено между космосом и Землей, которое способно использовать энергию, приходящую из космоса, трансформировать минеральные вещества, создавать новые формы материального мира. Появление жизни - это качественно новый этап эволюции Земли. Пленка жизни, возникшая около 3,5-3,8 миллиарда лет тому назад, (что сопоставимо с возникновением Земли - около 4-4,5 миллиарда лет) многократно ускорила все геохимические процессы за счет способности поглощать и утилизовать энергию Солнца. Сравнение ровесниц - Земли и Луны - наглядно демонстрирует эффективность жизни как катализатора процесса развития нашей планеты.

Решающее значение в образовании биосферы и современного состава атмосферы имело появление на Земле растений. Это единственная группа организмов, способная синтезировать органическое вещество первооснову существования и развития живого мира - из минеральных веществ, используя углекислый газ, воду и солнечную энергию.

Известен и другой способ создания органического вещества - с использованием не солнечной, а химической энергии (хемосинтез), однако он не существенен для общего уровня биомассы (дает небольшое количество органических веществ), хотя играет важную роль в кругообороте азота и ряде других биосферных процессов.

Фотосинтезирующие растения могут быть многоклеточными (растительность суши, часть водорослей) и одноклеточными (большая часть водорослей). Поскольку суша занимает около 29,2 % общей земной поверхности, а более 70 % планеты покрыто водой, в гидросфере сосредоточена основная масса фотосинтезирующих растений. Это одноклеточные микроскопические зеленые водоросли, которые являются главными фотосинтетиками и поставщиками кислорода в атмосферу.

Биосфера – это единая сложная экосистема, осуществляющая улавливание, накопление и перенос энергии путем обмена веществ между живыми организмами и окружающей их средой. Она способна поддерживать равновесное состояние между всеми своими составляющими. Основой динамического равновесия и устойчивости биосферы является круговорот веществ с превращением энергии. Он слагается из множества циклических процессов, каждый из которых представляет последовательный ряд изменений веществ, чередующихся с временным состоянием равновесия. Известны глобальные процессы круговорота воды на Земле, круговороты кислорода, углерода, азота, минеральных веществ. Их обеспечивают питание, дыхание, размножение, гибель множества организмов и связанные с ними процессы синтеза, накопления и распада органического вещества. Этими круговоротами обеспечивается миграция атомов химических элементов (прежде всего биогенных - С, Н, О, N. Р, 5 и др.) - их биогеохимические циклы, в ходе которых они много раз проходили через живое вещество. Например, весь кислород атмосферы проходит через живое вещество за 2000 лет, углекислый газ - за 200-300 лет, а вся вода биосферы - за 2 млн. лет.

Элементарный состав живого вещества отличается от состава других оболочек Земли прежде всего высоким содержанием углерода (18 %). По содержанию других элементов живые организмы также не повторяют состава среды: они избирательно поглощают из нее химические элементы, соответствующие их эволюционно сложившемуся обмену веществ. Концентрация отдельных элементов в той или иной группе организмов может быть очень значительной. Железобактерии способны аккумулировать из среды обитания железо; фораминеферы, моллюски и кишечнополостные - кальций; хвощи, диатомовые водоросли и радиолярии - кремний; губки - йод; асцидии - ванадий и т. д. Содержание углерода в растениях в 200 раз, а азота в 30 раз превышает их уровень в земной коре. Оказалось, что в живых организмах преобладают легкие химические элементы: Н, С, N и т. д., а из тяжелых часто встречается Р.

В экосистемах количество энергии, идущей от солнечного света через зеленые растения к животным, определяет общую численность организмов и их биомассу. При передаче энергии от одного трофического (пищевого) уровня к другому происходит ее рассеивание, поэтому в каждом последующем звене питания количество биомассы уменьшается, ее становится на 90-99 % меньше, чем в предыдущем. Например, биомасса растений (первый трофический уровень) небольшого луга составляет 10 т, тогда биомасса травоядных животных, живущих на той же площади, будет не более 100 кг, а плотоядных видов - не более 10 кг. Очевидно, что существование большого числа трофических уровней невозможно из-за быстрого приближения биомассы к нулю.

Наличие пищевых цепей и взаимоотношения живых организмов с неорганической природой обусловливают определенную стабильность биосферы. Однако изменения условий среды обитания, основных составных частей экосистемы и непродуманные действия людей могут нарушить сложившееся равновесие.

Экосистемы не изолированы друг от друга. Множество видов растений и животных можно встретить в различных экосистемах, а некоторые виды (перелетные птицы) в зависимости от времени года мигрируют в другие экосистемы. Процессы в одной экосистеме неизбежно затрагивают и другие. Так, частицы почвы, отравленной пестицидами, вымываемые с суши, могут сильно влиять на жизнь в водоемах.