Основные законы развития биосферы
План.
1. Понятие “биосфера”, основные закономерности развития биосферы, “Ноосфера” Вернадского.
2. Кругооборот веществ и энергии в биосфере.
3. Классификация экологических факторов, их влияние на биосферу.
Биосфера (от гр. Ьіоз - жизнь и с/еге — шар) -область активной жизни оболочки Земли, которая включает части атмосферы, гидросферы и литосферы, заселенные живыми организмами.
Впервые термин«биосфера» употребил австрийский ученый Е. Зюсс в 1875 году, но распространился он после работ нашего отечественного ученого, основателя и первого президента АН Украины, академика В.И. Вернадского (1864-1945). Основы его учения изложены в книге «Биосфера» (1926). Он довел, что живые организмы играют очень важную роль в процессах, которые происходят во всех сферах Земли. «Если бы на Земле отсутствовало отсутствующее, - писал ученый, - лицо ее было бы таким же неизменным и химически инертным, как недвижимое лицо Месяца, как инертные обломки небесных светил.» За миллиарды лет существования Земли живые существа решительно изменили состав ее атмосферы, гидросферы и литосферы, создавши, в сущности, совсем новую среду жизни.
В.И. Вернадский определил биосферу как термодинамическую оболочку с температурами +50...-50°С и давлением приблизительно 10 000 Па, которое отвечает границам жизни для большинства организмов.
По В.И. Вернадскому, верхняя граница биосферы находится на высоте 15-22 км, охватывая тропосферу и нижнюю часть стратосферы. Снизу биосфера ограничена отложениями на дне океанов (до глубины 11 км) и глубиной проникновения в недра Земли организмов и воды в жидком состоянии (2-3 км).
Нижняя граница биосферы в рамках литосферы обусловлена тепловым барьером и, как правило, не опускается ниже 5 км. Общая протяжность биосферы - 40 км. От всех геосфер она отличается энергичным ходом химических преобразований.
В.И. Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, которая включает рядом с организмами и среду их существования. Горизонты биосферы, которые наиболее интенсивно заселены живыми организмами, называются «пленкой жизни» или плетобиосферою.
Биосфера на нашей планете выполняет ряд важных функций, которые обусловливают свойства и относительную стабильность природы Земли:
- упрочение подвижных элементов поверхности литосферы (песок, глина, гравий, мелкая галька, лесс, грунты разных типов);
- регуляция кругооборота воды путем замедления поверхностного стока и переведение его в подземный, увлажнение воздуха, снижение испаряемости из поверхности вследствие затемнения и уменьшения скорости ветра;
- связывание углекислоты, которая выделяется животными и в ходе химических преобразований в безжизненной природе;
- выделение кислорода в процессе фотосинтеза наземными и водными растениями;
- переведение в простые химические вещества огромной массы отмерших организмов и их выделений;
- участие в образовании и восстановлении грунтов, в очищении атмосферы и воды от разных загрязнений, в образовании местного климата и погоды;
- перемещение по планете (суша, реки, моря и океаны) массы разных химических элементов и веществ;
- участие в образовании многих горных пород, часть которых являются полезными ископаемыми (каменный уголь, мел, известняки и др.);
- аккумуляция и трансформация солнечной энергии, которая в трансформированном виде включается в кругооборот энергии Земли.
Основными понятиями биосферы В.И. Вернадский считает живое вещество (организмы, биогенное вещество - созданные живыми организмами органо-минеральные или органические продукты и каменный уголь, сапропель, торф, лесную подстилку, гумус грунта и т.п.), биокос - вещество, созданное живыми организмами при участии не живой природы (приземная атмосфера, осадку породы, глинистые минералы, вода и прочее) и косное вещество — горные породы магматического, неорганического происхождения, воду, а также значительно переработанные и видоизмененные живыми организмами вещества космического происхождения(космическая пыль, метеориты и т.п.). Кроме того, в состав биосферы входят радиоактивные вещества, которые возникают в результате распада радиоактивных элементов, и рассеянные атомы, не связанные химическими реакциями.
Живое вещество распределено в биосфере довольно неравномерно. Большая ее часть находится в приповерхностных участках суши! (особенно большой есть биомасса тропических лесов) и гидросферы, где массово развиваются зеленые растения и гетеротрофные животные и те, что питаются ими. Больше 90% всего живого вещества, образованного, главным образом, углеродом, кислородом, азотом и водородом, приходятся на наземную растительность (97-98% биомассы суши).
Форма деятельности живого, его биохимическая работа в биосфере (новое понятие, введенное В.И. Вернадским), состоит в осуществлении необратимых и незапертых кругооборотов веществ и потоков энергии между основными структурными компонентами биосферной целостности: горными породами и естественными водами, горами и грунтами, растительностью, животными и микроорганизмами. Этот беспрерывный процесс движения кругооборота составляет одно из спорных вопросов и носит название биогеохимической цикличности.
Основной источник биогеохимической активности живых организмов - солнечная энергия, которая используется в процессе фотосинтеза зелеными растениями и некоторыми микроорганизмами для создания органического вещества, которое обеспечивает пищей и энергией все другие организмы. Деятельность фотосинтезирующих организмов около 2 млрд. лет тому вызвала накопление в атмосфере свободного кислорода, и потом образовался озоновый экран, который защищает живые организмы и от жесткого космического излучения, фотосинтез и дыхание зеленых растений поддерживают современный газовый состав атмосферы. Именно чрезвычайно высокой активностью, в частности очень быстрым кругооборотом веществ, живое вещество отличается от безжизненного.
Вся живая масса биосферы обновляется за 33 времени, а фитомасса (то есть масса растений) – каждый день.
Все живое вещество биосферы обновляется в среднем за восемь лет. Жизнедеятельность животных, растений, микроорганизмов сопровождается беспрерывным обменом веществ между организмами и средой, вследствие чего все химические элементы земной коры, атмосферы и гидросферы многократно входили в состав тех или других организмов.
Живые организмы играют огромную роль в аккумуляции солнечной энергии. Например, залежи каменного угля — это не что другое, как солнечная энергия, накопленная зелеными растениями прошлых геологических эпох. Так же можно определить и природу многих минералов, в частности углекислого кальция, который образовывает огромные массы известняков и почти на 100% имеет биогенное происхождение. Важную роль живые организмы играют в накоплении многих металлов, таких, как железо, медь, марганец. Большое значение для биосферы и хозяйственной деятельности человека имеет кругооборот азота, серы, фосфора и других элементов.
Живое вещество значительно ускорило и изменило кругообороты в биосфере разных веществ — воды, кислорода, азота, углекислого газа и т.п.
КРУГООБОРОТ ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ
Образование живого вещества и его распад — это две стороны единого процесса, который называется биологическим кругооборотом химических элементов. Жизнь — это кругооборот элементов между организмами и средой.
Причина кругооборота — ограниченность элементов, из которых строится тело организмов. Биологический кругооборот — это многоразовое участие химических элементов в процессах, которые протекают в биосфере. В связи с этим биосферу определяют как область Земли, где протекают три основных процесса: кругооборот углерода, азота, серы, в которых принимают участие пять элементов (Н, 02, С, N. 5), что двигаются через атмосферу, гидросферу, литосферу. В природе кругооборот осуществляют не вещества, а химические элементы. Эти 5 элементов двигаются и отдельно, и в таких соединениях как вода, нитраты, двуокись углерода, двуокись серы.
Кругооборот углерода. В биосфере углерода свыше 12 000 млрд. тонн. Это объясняется тем, что соединения углерода беспрерывно возникают, меняются и раскладываются. Кругооборот углерода происходит фактически между живым веществом и двуокисью углерода. В процессе фотосинтеза, осуществляемого растениями, двуокисью углерода углекислый газ и вода с помощью энергии солнечного света превращаются в разные органические соединения. Ежегодно высшие растения и водоросли при фотосинтезе поглощают 200 млрд. тонн углерода. Если бы углерод не возвращался в атмосферу, его запас в ней (700 млрд. тонн) быстро бы исчерпался. Отмершие растения и животные организмы раскладываются грибами и микроорганизмами на СО2, который тоже возвращается в атмосферу. Полный цикл обмена атмосферного. углерода осуществляется за 300 лет. Но часть углерода изымается в виде торфа, нефти, угдя, известняка, мрамора, ископаемых отложений и осадочных пород.
Кругооборот кислорода. Ежегодно лесные массивы вырабатывают 55 млрд. тонн кислорода. Он используется живыми организмами для дыхания и принимает участие в окислительных реакциях в атмосфере, литосфере и гидросфере. Циркулируя через биосферу, кислород превращается то в органическое вещество, то в воду, то в молекулярный кислород. Весь кислород атмосферы каждое 2 тысячи лет проходит через живое вещество биосферы. За время своего существования человечество бесповоротно потеряло около 273 млрд. тонн кислорода. В наше время ежегодно на сжигание угля, нефтепродуктов и газа тратится огромное количество кислорода. Интенсивность этого процесса увеличивается каждый год.
Кругооборот азота, фосфора, серы. Деятельность человека ускоряет кругооборот этих элементов. Главная причина ускорения — использование фосфора в удобрениях, который приводит к еутрификации — сверхудобрения. При еутрификации происходит бурное размножение водорослей — "цветение" воды. Это приводит к уменьшению количества раскрытого в воде кислорода. Продукты обмена водорослей уничтожают рыбу и другие организмы. Сформированные экосистемы при этом разрушаются. Индустрия и двигатели внутреннего сгорания выбрасывают в атмосферу ежегодно много нитратов и сульфатов. Попадая на землю вместе с дождями, они усваиваются растениями.
Кругооборот воды. Вода покрывает 3/4 поверхности Земли. За одну минуту под действием солнечного тепла из поверхности водоемов Земли испаряется 1 млрд. тонн воды. После охлаждения пары образовывают тучи, выпадает дождь и снег. Осадки частично внедряются в грунт. Грунтовые воды возвращаются на поверхность земли через корни растений, источники, насосы и т.п. Скорость циркуляции воды очень большая: вода океанов возобновляется за 2 млн. лет, грунтовая вода — за год, речная — за 12 суток, пары в атмосфере — за 10 суток. Двигателем кругооборота является энергия Солнца.
Ежегодно для создания первичной продукции биосферы используют при фотосинтезе 1% воды, которая попадается в виде осадков. Человек только для бытовых и промышленных нужд использует 20 мм осадков — 2,5% общего их количества за год. Безвозвратный ежегодный водозабор теперь составляет 55 куб. г. Ежегодно он увеличивается на 4-5%.
А с другой стороны, живые организмы приспосабливаются к разному химическому составу среды, могут переносить большую концентрацию тех элементов, которые здесь обычно есть в больших количествах. Элементы, которые редко встречаются в природе и в малых, концентрациях, при накоплении становятся отравляющими для живых существ.