Функциональные связи в биосфере

Среды жизни и глобальные экологические проблемы

 

ГИДРОСФЕРА

– Мировой океан (71% площади Земли), континентальные и подземные воды. Значение Мирового океана (воды):

1) регулирование теплового режима окружающей среды, аккумулятор и распределитель тепла;

2) растворитель и переносчик всех веществ, участвующих в жизнедеятельности

3) средообразующее

4) промысловое

5) сырьевое и энергетическое

6) рекреационное

7) транспортное

8) научное

Экологические проблемы:

1. Загрязнение нефтепродуктами, токсичными веществами, энергетическое, радиоактивное и биологическое загрязнение

2. Истощение биоресурсов

3. Истощение ресурсов пресных вод. Запасы пресной воды составляют 3% от общих запасов, причем ¾ пресной воды составляют льда Арктики и Антакрктики. Ежегодное потребление пресной воды составляет 4000 км³, т.е. 10% объема речного стока.

Наиболее высокий уровень загрязненности воды наблюдается в бассейнах рек: Днестр, Печора, Обь, Енисей, Амур, Северная Двина, Волга, Урал. Антропогенное воздействие на гидросферу приводит к следующим негативным последствиям:

- снижаются запасы питьевой воды (около 40% контролируемых водоемов имеют загрязнения, превышающие 10 ПДК);

- изменяется состояние и развитие фауны и флоры водоемов;

- нарушается круговорот многих веществ в биосфере;

- снижается биомасса планеты и как следствие воспроизводство кислорода.

Опасны не только первичные загрязнения поверхностных вод, но и вторичные, образовавшиеся в результате химических реакций веществ в водной среде. Так, при одновременном попадании весной 1990 г. в р. Белая фенолов и хлоридов образовались диоксины, содержание которых в 147 тыс. раз превысило допустимые значения.

Внесение удобрение компенсирует изъятие растениями из почвы азота, фосфора, калия и других веществ. Однако вместе с удобрениями, содержащими эти вещества, в почву вносятся тяжелые металлы и их соединения, которые содержатся в удобрениях как примеси. К ним относятся: кадмий, медь, никель, свинец, хром и др. Выведение этих примесей из удобрений – трудоемкий и дорогой процесс. Особую опасность представляет использование в качестве удобрения осадков промышленных сточных вод, как правило, насыщенных отходами гальванического и других производств.

Континентальные и подземные воды.

Жизнь зародилась в океане, свойства водной океанической среды определили физико-химическую эволюцию всех форм жизни. Набор химических элементов и их количественное соотношение в тканях живых организмов близки к составу морской воды.

Понятие воды как среды жизни включает наличие растворенных и взвешенных веществ, в т.ч. имеющих органогенное происхождение (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Cl^-, SO^2-₄) /

Океан – кухня погоды.

Химический состав воды – как фактор, обуславливающий осмотическое отношение организмов в воде. У всех водных организмов существуют проницаемые для воды участки тела, через которые идет осмотический поток воды.

Лимитирующими факторами жизни в воде являются низкое содержание кислорода, свет на глубине водоемов и температура.

АТМОСФЕРА

– воздушный океан, сохраняющий и защищающий жизнь на Земле. Состав атмосферы: 78% азота, 21% кислорода, 0,9% аргона, 0,03% углекислого газа. В атмосфере формируется климат. Состав атмосферы в прошлом отличался (такой же как на Венере). Изменения – связывают с активностью живого населения биосферы.

Свойства газовой оболочки неодинаковы по вертикали. На высоте 6200 м над уровнем моря атмосферное давление ниже 62 р. Это важно для фотосинтеза.

 

Функции атмосферы:

- защитная (защищает от проникновения космических тел; от жесткого ультрафиолетового излучения в диапазоне 0,28-0,34 мкм; уменьшает инфракрасное излучение)

- средообразующая (формирование климата; обеспечение круговорота веществ; прозрачность атмосферы как условие проницаемости для видимой части спектра солнечных излучений; источник кислорода, необходимого для дыхания аэробных организмов).

Экологические проблемы атмосферы:

1. Происходит катастрофическое снижение кислорода О ₂. За последние 10 лет снизилась настолько, сколько снизилась за предыдущие 10 тыс. лет. Причины:

- снижение О ₂ за счет сокращения земного покрова Земли (вырубка лесов), ежегодно 17 млн га каждую минуту, 36 га тропических лесов;

- сокращение фитопланктона Мирового океана вследствие загрязнения;

- потребление О ₂ транспортными средствами (1 легковой автомобиль за 1 тыс. км пробега сжигает годовую норму О ₂ человека);

- потребление живыми организмами;

- промышленное потребление из-за использования ископаемого горючего.

В то же время повышается СО ₂ (10% за 20 лет).

Повышение СО ₂ на 0,1% вызывает затруднение дыхания.

2. Глобальное потепление – образование парниковых газов над поверхностью Земли, свободно пропускающих солнечную радиацию, но задерживающих отраженное от Земли длинноволновое тепловое (инфракрасное) излучение. Тепловая энергия накапливается в приповерхностных слоях атмосферы, что приводит к повышению температуры на поверхности Земли, к потеплению климата. При отсутствии парниковых газов средняя температура составила бы -18°С.

К парниковым газам относится водяной пар, углекислый газ, метан, фреон, озон. Парниковый эффект – парниковые газы свободно пропускают солнечную радиацию к Земле, но задерживают отраженное от Земли длинноволновое тепловое (инфракрасное) излучение. Парниковые газы - СО ₂, водяной пар, метан, фреон, О ₃. Тепловая энергия накапливается в приповерхностных слоях атмосферы. Без этих газов на Земле было бы холодно (-18° вместо +33°).

Основной вклад в парниковый эффект вносит углекислый газ, образующийся в результате сжигания топлива. Живое вещество Земли всю геологическую историю контролировало содержание СО₂ (по принципу Ле Шателье-Брауна), превращая СО₂ в малоактивные органические формы в результате фотосинтеза (содержатся в гумусе почв, торфе, растворенном органическом веществе океанов и составляет 90% всего органического вещества биосферы). В наше время происходит обратный процесс. Биота Земли начала активно поставлять углерод в атмосферу в результате переэксплуатации первичной биологической продукции человеком (сжигание топлива). Пути сокращения СО ₂:

1) развитие альтернативной энергетики, улавливание СО ₂;

2) энергосбережения (все страны – до японского уровня, тогда мировое потребление энергии сократится на 36%);

3) предотвращение вырубки лесов.

СН ₄ – поставляют нефтеперерабатывающие заводы, природные явления (горение лесов, осушение болот, выращивание риса, животноводство). К середине XXI века ожидается повышение СН ₄ в 2 раза.

Метан – источники поступления индустриальные (нефтеперерабатывающие заводы) и природные (горение лесов, осушение и мелиорация болот, выращивание риса, животноводство).

3. Сокращение озонового слоя

Озоновый слой: 10 – 100 км, О ₃ – в результате процессов фотодиссоциации.

Название (сильно пахнущие) дал в 1840 г. швейцарский химик Шонбейн.

Различают тропосферный озон (до 12-17км) и стратосферный озон (до 50 км). Озон – причина голубого цвета неба. Защищает от жестких ультрафиолетовых лучей.

Тропосферный озон – парниковый газ. Образуется в результате электрических и грозовых разрядов (ежегодно 16 млн грозовых разрядов). За год – млн.кг О ₃. Поглощает длинноволновое (10 мкм) инфракрасное излучение Земли. Тропосферный озон образуется в результате фотохимических реакций: солнечная радиация воздействует на антропогенные примеси (оксиды азота и углеводороды выхлопов автомобилей). О ₃ – главный компонент фотохимического смога Лос-Анжелесского типа.

Стратосферный О ₃. Снижение тропосферного О ₃ – благо, а стратосферного – гибель. Стратосферный О ₃ поглощает ультрафиолетовое излучение. Разрушение О ₃ – под действием антропогенных газов (NO, Cl, B ₂, OH, F – Cl ₄/ фреоны). Максимальная озоновая дыра обнаружена в 1987 г. Снижение О ₃ ведет к онкологическим заболеваниям, развитию катаракты, подавляет фотосинтез растений.

Общая схема реакций образования фотохимического смога сложна и в упрощенном виде может быть представлена реакциями

 

NO ₂ + hv ® NO + O

O + O ₂ ® O ₃

………………………..

C_nH_m + O

C_nH_m + O ₃ ПАН (пероксиацилнитраты)

 

Смог весьма токсичен, так как его составляющие обычно находятся в пределах: O ₃ – 60…75%, ПАН, Н ₂ О ₂, альдегиды и др. – 25…40 %.

Для образования смога в атмосфере в солнечную погоду необходимо наличие оксидов азота, углеводородов (их выбрасывают в атмосферу автотранспорт, промышленные предприятия).

В Вене в 1985 г. подписана конвенция по охране озонового слоя. В 1987 г. в Монреале международное соглашение по снижению и отказы от производства веществ, уменьшающих озоновый слой.

4. Кислотные дожди – из-за выбросов SO ₂ и NO ₂. SO ₂ + O ₂ ® 2 SO ₂

2 NO + O ₂ ® 2 NO₂

SO ₃ + H ₂ O ® H ₂ SO ₄ 3 NO ₂ + H ₂O ® 2 HNO ₃ + NО

SO ₂ – при сжигании угля, нефти, добыче цветных металлов.

Кислотные дожди известны более 100 лет, однако проблема этих дождей возникла около 20 лет назад.

Источниками кислотных дождей служат газы, содержащие серу и азот. Наиболее важные из них: SO ₂, NO_x, H ₂ S. Кислотные дожди возникают вследствие неравномерного распределения этих газов в атмосфере. Например, концентрация SO ₂ (мкг/м³) обычно таковы: в городе 50…1000, на территории около города в радиусе около 50 км 10…50, в радиусе около 150 км 0,1…2, над океаном 0,1.

Основными реакциями в атмосфере являются: I вариант: SO ₂ + ОН ® НSO ₃; НSO ₃ + ОН ® Н ₂ SO ₄ (молекулы в атмосфере быстро конденсируются в капли); II вариант: SO ₂ + hv ® SO ^*₂ (SO ^*₂ – активированная молекула диоксида серы); SO ₂ + O ₂ ® SO ₄; SO ₄ + O ₂ ® SO ₃ + O ₃; SO ₃ + H₂O ® H₂O ₄. Реакции обоих вариантов в атмосфере идут одновременно. Для сероводорода характерна реакция H ₂ S + O ₂ ® SO ₂ + H₂O и далее I или II вариант реакции.

Источниками поступления соединений серы в атмосферу являются: естественные (вулканическая деятельность, действия микроорганизмов и др.) 31…41 %, антропогенные (ТЭС, промышленность и др.) 59…69 %; всего поступает 91 … 112 млн. т в год.

Концентрации соединений азота (мкг/м³) составляют: в городе 10…100, на территории около города в радиусе 50 км 0,25…2,5, над океаном 0,25.

Из соединений азота основную долю кислотных дождей дают NO и NO ₂. В атмосфере возникают реакции: 2 NO + О ₂ ® 2 NO ₂, NO ₂ + ОН ® НNO ₃.Источниками соединений азота являются: естественные (почвенная эмиссия, грозовые разряды, горение биомассы и др.) 63%, антропогенные (ТЭС, автотранспорт, промышленность) 37%; всего поступает 51…61 млн. т в год.

Серная и азотная кислоты поступают в атмосферу также в виде тумана и паров от промышленных предприятий и автотранспорта. В городах их концентрация достигает 2 мкг/м³.

Соединения серы и азота, попавшие в атмосферу, вступают в химическую реакцию не сразу, сохраняя свои свойства соответственно, в течение 2 и 8…10 суток. За это время они могут вместе с атмосферным воздухом пройти расстояния 1000…2000 км и лишь после этого выпадают с осадками на земную поверхность.

Различают два вида седиментации: влажная и сухая. Влажная – это выпадение кислот, растворенных в капельной влаге, она возникает при влажности воздуха 100,5%; сухая – реализуется в тех случаях, когда кислоты присутствуют в атмосфере в виде капель диаметром около 0,1 мкм. Скорость седиментации в этом случае весьма мала и капли могут проходить большие расстояния (следы серной кислоты обнаружены даже на Северном полюсе).

В нашей стране повышенная кислотность осадков (рН = 4…5,5) отмечается в отдельных промышленных регионах. Наиболее неблагополучны города Тюмень, Тамбов, Архангельск, Северодвинск, Вологда, Петрозаводск, Омск и др. Плотность выпадения осадков серы, превышающая 4т/(км² × год) в городах: Алексин, Новомосковск, Норильск, Магнитогорск.

 

В результате антропогенного воздействия на атмосферу возможны следующие негативные последствия:

- превышение ПДК многих токсичных веществ (СО, NO ₂, SO ₂, C_nH_m, бенз(а)пирена, свинца, бензола и др) в городах и населенных пунктах;

- образование смога при интенсивных выбросах NO_х, C_nH_m; смог – сочетание полевых частиц и капель тумана (от англ. «smoke» - дым, копоть и «fog» – густой туман). Различают смог лондонский (смесь дыма и тумана, возникает при загрязнении атмосферы копотью или дымом, содержащим диоксид серы) и смог Лос-Анжелеса (фотохимический смог, вызванный загрязнением воздуха выхлопными газами транспорта, содержащими оксиды азота; возникает в ясную солнечную погоду при низкой влажности воздуха, образуются озон и пероксиацетилнитрат - ПАН).

- выпадение кислотных дождей при интенсивных выбросах SO_x, NO_x;

- появление парникового эффекта при повышенном содержании CO ₂, NO_x, O ₃, CH ₄, H ₂ O и пыли в атмосфере, что способствует повышению средней температуры Земли;

- разрушение озонового слоя при поступлении NO_x и соединений хлора в него, что создает опасность УФ-облучения.

Прозрачность атмосферы: 47% потока солнечного света доходит до поверхности планеты. 50% его – фотосинтетическая активная радиация (ФАР) l = 380-710 км.

ЛИТОСФЕРА

– верхняя твердая оболочка Земли, часть биосферы. Содержит минеральное и органическое вещество. Часть литосферы, представляющая сложное биокосное вещество – почва. Почвенная оболочка – педосфера, эдофосфера, эдафосфера. Эдафические факторы.

Почвой называют слой вещества, лежащий поверх горных пород земной коры. Рост растений зависит от содержания нужных питательных веществ в почве и от ее структуры. Хотя современная технология позволяет довольно успешно преодолевать неблагоприятные почвенные условия, нужен верный научный анализ проблемы, чтобы не допустить побочных вредных воздействий на окружающую среду. Примером может служить истощение запасов питательных веществ в почве, зачастую связанное с вырубкой лесов (особенно в тропиках), и избыточное обогащение почвы удобрениями в районах интенсивного земледелия. Оно ведет к вымыванию питательных веществ и связанной с этим эвтрофизации водоемов, как, например, в некоторых восточных районах Англии.

В состав почвы входят четыре важных структурных компонента: минеральная основа (обычно 50-60% общего состава почвы), органическое вещество (до 10%), воздух (15-25%) и вода (25-35%).

Почва – полидисперсная трехфазовая система: твердая (минеральные частицы), жидкая (вода) и газообразные фазы.

Почвы: песчаные (90% песка). 11% почв Земли – пашни; 34% - малопродуктивные земли (пустыни, болота).

Осушение – для удовлетворения материальных нужд, отдыха и психологического комфорта каждому человеку надо 2 га земли (0,6 га пашни, 0,2 га для расселения, 1,2 га для отдыха). Реально 0,3 га пашни. Ежегодно теряется 7 млн га пахотных земель в результате деградации.

Причины деградации почв:

- чрезмерное пастбищное животноводство;

- оскудение и исчезновение лесных массивов;

- нерациональная сельскохозяйственная деятельность;

- чрезмерная эксплуатация.

Почва представляет собой довольно сложную полидисперсную трехфазную систему, включающую твердую (минеральные частицы), жидкую (почвенная влага) и газообразную. Соотношение этих трех составляющих определяет основные физические свойства почвы как среды обитания живых организмов. Химические же свойства помимо минеральных почвенных элементов сильно зависят от органического вещества, также являющегося неотъемлемой составной частью почвы.

Состав и размеры минеральных частиц (твердая фаза) определяют механические свойства почвы. По размерам твердые частицы в почве подразделяются на крупные (более 30 мм в диаметре) обломки материнских пород, гальку и хрящ (диаметр 30-3), гравий (3-1), песок (1-0,25), пыль (0,25-0,01) и ил (частицы диаметром менее 0,01 мм). Соотношение этих категорий частиц формирует механический (гранулометрический) состав почвы. По этому признаку различают почвы песчаные (содержат более 90% песка), супесчаные (90 – 80), легкие, средние и тяжелые суглинки (соответственно 80-70, 70-55 и 55-40) и глины – легкие (40-30), средние (30-20) и тяжелые (менее 20% песка).1

Отдельные минеральные частицы в составе почвы обычно склеиваются друг с другом, образуя более или менее крупные агрегации, пространство между которыми заполнено воздухом (газообразная фаза) и водой (жидкая фаза). Соотношение разных по величине агрегаций минеральных частиц и соответственно размеры пространств между ними (степень пористости или скважинности почвы) определяют структуру почвы: глыбистая, комковатая, ореховатая, крупнозернистая, мелкозернистая, пылеватая и др. По степени пористости различают почвы тонкопористые (диаметр пор менее 1 мм), пористые (1-3), губчатые (3-5), ноздреватые (имеются поры диаметром 5 – 10), ячеистые (более 10 мм), трубчатые (поры или полости соединяются в канальцы).

Механический состав и структура почв – ведущий фактор формирования их свойств как среды обитания живых организмов: аэрации почв, их влажности и влагоемкости, теплоемкости и термического режима, а также условий передвижения в почве животных, распределения корней древесных и травянистых растений и т.п. Некоторые животные и растения избирательно поселяются на определенных типах почв. Таковы, например, псаммофильные растения и животные, обитающие только на песчаных почвах, петрофильные – на каменистых и др.

Минеральные частицы занимают 40 – 70% общего объема почвы. Оставшееся пространство, представляющее собой систему пор, полостей и канальцев, занято воздухом и водой.

Вода (почвенная влага) может находиться в почве в трех состояниях: гравитационном, капиллярном и прочносвязанном (гигроскопическом). Гравитационная вода заполняет относительно крупные (не обладающие свойством капиллярности) поры и полости в почве: она доступна для растений. Проникая в почву с поверхности суши, главным образом в результате атмосферных осадков, эта часть жидкой фазы представляет собой довольно сложный раствор, обладающий различными свойствами в зависимости от состава растворенных веществ. Так, например рН почвенного раствора может колебаться от 3 – 3,5 (сфагновые болота) до 10 – 11 (солонцы). От состава растворенных веществ зависит и роль почвенной влаги в водном режиме и питании растений.

Если грунтовые воды залегают относительно неглубоко, ближайшая к ним часть гравитационной влаги в силу подпора остается неподвижной (подпертая гравитационная влага). Не связанная с грунтовыми водами гравитационная влага находится в подвижном состоянии, перемещаясь под действием силы тяжести в вертикальном направлении.

Вода, заполняющая поры малого диаметра, оказывается под воздействием сил поверхностного натяжения капиллярного мениска и «подсасывается» вверх на расстояние, обратно пропорциональное диаметру капилляра. На этом механизме основано увлажнение почвы снизу (от горизонта подземных вод), а также потеря влаги почвой испарением ее с почвенной поверхности. Последний процесс при соответствующих условиях (в засушливое, жаркое время года, особенно в степных, полупустынных и пустынных регионах) приводит к поднятию солевого горизонта. Эту часть почвенной влаги называют капиллярной; она образует влажный горизонт почвы.

Молекула воды – диполь, поэтому в силу молекулярного притяжения молекулы легко образуют пленки вокруг мелких минеральных и коллоидных частиц в почве. Такая пленка толщиной 2 – 3 молекулы воды удерживается на поверхности частиц с большой силой, поэтому гигроскопическая (прочносвязанная) влага недоступна растениям. При засухе может возникать явление физиологической сухости почвы: влага в почве содержится, но только в гигроскопической, не извлекаемой растениями форме.

На фоне определенного типа структуры почвы различные формы влаги определяют конкретные водные свойства почвы: ее водоудерживающую способность, водопроницаемость и водоподъемные свойства. Испаряясь, почвенная влага определяет почти 100%-ную влажность почвенного воздуха (кроме самых верхних горизонтов почвы).

Воздух заполняет поры и полости, свободные от воды. Воздух проникает в почву из атмосферы путем диффузии газов между атмосферой и поверхностными горизонтами почвы по градиенту давления; фактически газообмен идет непрерывно. Поэтому в целом состав газообразной фазы почвы качественно близок к составу атмосферного воздуха, но отличается более широкими колебаниями соотношения различных газов (табл. 1). Объясняется это прежде всего тем, что кислород активно поглощается в почве в процессе дыхания живых организмов и разложения органических остатков, а СО ₂ активно продуцируется. В результате поверхностный слой почвы выделяет значительное количество СО ₂ в атмосферу, например в летний период до 3 – 10 л (6-20 г) на см² в сутки.

 

Таблица 1 Состав атмосферного и почвенного воздуха, %

(по И.С. Кауричеву, 1975)

Газ	Атмосферный воздух	Почвенный воздух
N 2	78,08	78,08-80,24 (N 2 +Ar)
O 2	20,95	20,95-0,0
Ar	0,93	–
CO 2	0,03	0,03 – более 20
He, Ne, CH 4, Kr, N 2 O, O 3, Xe и др.	0,04	–

 

 

Органическое вещество является обязательным компонентом почвы. Оно образуется в результате разложения мертвых организмов, входит в состав экскретов. Часть органического вещества формируется в самой почве, значительная часть его попадает в почву из наземных экосистем. В лесной подстилке, степном «войлоке» (почвенный горизонт А ₀) идет медленное разложение растительных и животных остатков. Образующиеся растворимые вещества и мелкие органические частицы попадают в почву (горизонт А), где подвергаются интенсивным процессам разложения с участием беспозвоночных животных, грибов и бактерий. Горизонт А ₁ (перегнойно-аккумулятивный) богат органическими веществами, которые постоянно вымываются вертикальными потоками влаги, но столь же постоянно пополняются поступлением из наземной среды.

Состав органических веществ многообразен и включает компоненты, образующиеся на разных стадиях разложения сложных углеводов, белков, жиров и других веществ. Почвенные органические вещества содержат, в частности, лигнин, клетчатку, терпены (эфирные масла), смолы, дубильные вещества и др. Часть молекул органических веществ (преимущественно ароматической природы) полимеризуется, что повышает их устойчивость к воздействию микроорганизмов-разрушителей. Так образуется гумус. Он формируется в горизонте А ₁ (поэтому этот горизонт еще называют гумусовым), накапливается в почве и долго в ней сохраняется. Разложение его идет очень медленно с участием специфической почвенной микрофлоры. Определенную роль в создании гумуса играет и почвенная фауна. Так, черви Nicodrilus caliginosus обогащают почву аминокислотами, которые вовлекаются в образование гумуса. При высокой численности в богатых почвах они на порядок увеличивают величину потока азота в цепях редукции органических веществ.

Входящие в состав гумуса фульвокислоты активно разлагают минеральные вещества, способствуя процессу почвообразования. Гуминовые кислоты участвуют в создании пористой структуры почвы, что улучшает водные и воздушные ее свойства и режим питания растений.

Богатство органических веществ и высокое содержание кислорода в подстилке и верхнем (A_t) горизонте почвы приводят к обилию жизни в этих слоях, в том числе здесь формируется богатый комплекс животных. Этот комплекс включает сапрофагов, первичных и вторичных редуцентов, активно участвующих в процессах разложения органических остатков и в образовании гумуса. Вертикальные потоки влаги определяют вымывание органических веществ, поэтому нижняя часть горизонта А (А ₂ – элювиальный) представляет собой горизонт вымывания, обедненный органическим веществом. Вымываемые вещества переносятся в иллювиальный горизонт (горизонт В), под которым лежит уже материнская порода (горизонт С), На стыке горизонтов В и С направление движения влаги меняется на горизонтальное. При этом часть веществ выносится далее с почвенным стоком и попадает в текучие водоемы, а часть накапливается в горизонте В, где сообщества животных обеднены в силу малого содержания кислорода.

 

Таким образом, в почве, как и в гидросфере, имеет место вертикальная структурированность трофических процессов, связанных с биологическим круговоротом веществ.

Вертикальный градиент характерен также для ряда других параметров, определяющих условия жизни почвенных организмов: свет, влажность, состав газовой среды, температура и др. В целом почва в некотором отдалении от поверхности отличается довольно устойчивыми условиями жизни.

Как среда жизни почва занимает как бы промежуточное положение между атмосферой и гидросферой: она обладает структурированностью, здесь возможно обитание организмов, дышащих как по водному, так и по воздушному типу, имеет место вертикальный градиент проникновения света, еще более резкий, чем в гидросфере. Все это определяет распространение жизни в почве: если микроорганизмы встречаются по всей ее толщине (обычно несколько метров), то растения связаны лишь с наружными горизонтами (и то в основном только корневой системой, распространенной у некоторых деревьев до 8-10 м). Беспозвоночные животные обитают главным образом в верхних горизонтах почвы. Норы и ходы грызунов, некоторых насекомых и червей проникают в почву на глубину обычно не более 5-7 м. Этим практически ограничивается распространение жизни в каменной оболочке Земли – литосфере. Нахождение рыб в подземных водоемах, расположенных на глубине около 100 м, а также бактерий в водах, сопровождающих залежи нефти на глубине до 3 км, лишь формально «отодвигает» границу распространения жизни в литосфере, так как в обоих случаях речь идет о своеобразных участках гидросферы.

Антропогенное воздействие на земную кору сопровождается:

- отторжением пахотных земель или уменьшением их плодородия; по данным ООН, ежегодно выводится из строя около 6 млн. га плодородных земель;

- чрезмерным насыщением токсичными веществами растений, что неизбежно приводит к загрязнению продуктов питания растительного и животного происхождения; в настоящее время до 70% токсичного воздействия на человека приходится на пищевые продукты;

- нарушением биоценозов вследствие гибели насекомых, птиц, животных, некоторых видов растений;

- загрязнением грунтовых вод, особенно в зоне свалок и сброса сточных вод.

 

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВЯЗИ В БИОСФЕРЕ

 

Три составные части биосферы – гидросфера, атмосфере и литосфера – тесто связаны друг с другом, составляя вместе единую функциональную систему. Так, почва многими своими функциями объединена с гидросферой и атмосферой. С гидросферой ее связывает постоянный вынос почвенных вод в водоемы разных типов. При этом именно на уровне почвы поверхностные вод трансформируются в грунтовые, которые участвуют в формировании речного стока. Переносимые с водой почвенные соединения участвуют в формировании биопродуктивности водоемов. Сорбционные свойства почвы образуют как бы «барьер», защищающий водоемы от загрязнений.

Поглощая и отражая солнечную радиацию, почва выступает как мощный фактор энергетического баланса биосферы и связывается с атмосферными процессами. В частности, почвенные процессы участвуют в регулировании влагооборота атмосферы и ее газового режима. Установлено, что в северном полушарии (наблюдения в США) максимум содержания СО ₂ при фотосинтезе и вновь возрастает зимой за счет дыхания почвы, а в высоких широтах – в результате атмосферного переноса из тропиков (I.Fung et al., 1987).

С литосферой почва связана наиболее прямым путем: она возникла из верхних слоев литосферы и своей жизнедеятельностью способствует дальнейшему геохимическому преобразованию этих слоев. В то же время почва служит источником вещества для образования минералов, горных пород, полезных ископаемых и способствует переносу аккумулированной солнечной энергии в глубокие части литосферы. В наиболее общей форме на базе этих функций значение почвы в биосфере можно определить как связующее звено биологического и геологического круговоротов.

Функциональная взаимосвязь составных частей биосферы включает и взаимодействия процессов, происходящих в атмосфере и гидросфере. Это прежде всего круговорот воды: пополнение гидросферы за счет атмосферных осадков и возврат воды в атмосферу путем испарения с поверхности океана и других водоемов. Во-вторых, это энергетические связи как прямые – через излучение, так и опосредованные – через процессы фотосинтеза. Наконец, имеют место и химические связи: растворение в водах О ₂ и СО ₂. Последний процесс поддерживает систему динамического равновесия в водной среде по принципу:

Атмосфера СО ₂

Океан СО ₂ + Н ₂ О Н ₂ СО ₃ НСО^- ₃ + Н ⁺ СО ^2-₃ + 2 Н ⁺

Эта система имеет решающее значение в формировании условий жизни гидробионтов.

В целом функциональная взаимосвязь составных частей биосферы превращает в генеральную саморегулирующуюся экосистему, обеспечивающую устойчивый глобальный круговорот веществ. Особое положение в этой планетарной функции имеют многочисленные и разнообразные живые организмы, сумму которых акад. В.И.Вернадский называл живым веществом. Масса живого вещества в биосфере, по некоторым подсчетам, составляет около 2400 млрд, что соответствует всего лишь примерно 1/2100 массы атмосферы Земли. Общая толщина биосферы – порядка 1/320 радиуса Земли (1/325 с учетом атмосферы) – характеризует ее как тонкую пленку на поверхности планеты. Тем не менее именно биосфера превращает ее в уникальное по своим свойствам небесное тело.

Это объясняется высокой химической активностью живого вещества. Химические (биохимические) реакции, протекающие в живых организмах, осуществляются с участием мощных биологических катализаторов – ферментов – и по скорости в тысячи раз превосходят реакции в неорганическом мире. Кроме того, участие ферментов сдвигает температурные и иные условия реакций. Жиры и углеводы, например, окисляются в организмах при температуре порядка 37 °С и даже ниже, тогда как в абиотических условиях те же реакции требуют высокий (порядка 400 – 500 °С) температуры. Промышленный синтез аммиака из молекулярного азота происходит при температуре 500 °С) и давлении 300-350 атм; микроорганизмы реализуют эту реакцию при нормальных температуре и давлении. На ферментативных реакциях в живых организмах базируется глобальный биологический круговорот, о масштабах которого можно судить по темпам оборота О ₂ и СО ₂ в процессе фотосинтеза (табл. 1.7).

 

Таблица 1.7. Продуктивность фотосинтеза в биосфере – 10⁹ т/год

(по С.В. Войткевич, 1983)

 

Биоциклы	Используется, поглощается	Создается, выделяется
СО 2	Н 2 О	СnH 2 n On	O 2
Суша		103,5	172,5
Океан
Всего		139,5	232,5

 

Высокая химическая активность живого вещества способствует также постоянному вовлечению в круговорот элементов, активно извлекаемых из горных пород. Подсчитано, что с 1 га африканских саванн только слоновая трава ежегодно извлекает 250 кг кремнезема; в джунглях за этот же срок растения вовлекают в круговорот 8 т кремнезема. В лабораторных опытах плесневый грибок за неделю высвободил из базальта 3% содержащегося в нем кремния, 11% алюминия, 59% магния и 64% железа. В биогенном разложении горных пород участвуют различные группы организмов от прокариот до высших растений.

При таких масштабах оборота веществ биологически значимые химические элементы постоянно проходят через глобальный круговорот с участием живых организмов. По некоторым подсчетам, если принять, что биосфера существует не менее 3 – 4 млрд. лет, то вся вода Мирового океана прошла через биологический цикл не менее 300 раз, а свободный кислород атмосферы – не менее 1 млн. раз.

На высокой активности живого вещества основываются и регуляторные процессы в биосфере. Так, продукция кислорода поддерживает озоновый экран и, как следствие, относительное постоянство потока лучистой энергии, достигающего поверхности планеты. Постоянство минерального состава океанических вод поддерживается деятельностью организмов, активно извлекающих отдельные элементы, что уравновешивает их приток с поступающим в океан речным стоком. Подобная регуляция осуществляется и во многих других процессах.

Высокая способность биосферы как целостной системы к саморегуляции лежит в основе гипотезы «Геи», согласно которой живой мир Земли рассматривается как единый сверхорганизм.

 

 

1 Типы почв по механическому составу выделяют по степени трудности их обработки