Роль живых организмов в биосфере

 

Вспомните!  

Какое вещество В. И. Вернадский называл живым; косным?

Что называют круговоротом веществ в природе?

 

Роль живого вещества в биосфере. Основное внимание в учении о биосфере В. И. Вернадский уделял роли живого вещества. Учёный писал: «Живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, её определяющей». Благодаря способности к росту, размножению и расселению, в результате обмена веществ и преобразования энергии живые организмы способствуют миграции химических элементов в биосфере. В. И. Вернадский сравнивал массовые миграции животных, например стаи саранчи, по масштабам переноса химических элементов с перемещением целого горного массива.

В живой природе обнаружено около 90 химических элементов, т. е. большая часть всех известных на сегодняшний день. Нет никаких специальных элементов, характерных только для живых организмов, поэтому за всю историю существования биосферы атомы большинства элементов, входящих в её состав, неоднократно прошли через тела живых организмов. Между органическим и неорганическим веществом на планете существует неразрывная связь, совершаются постоянный круговорот веществ и превращение энергии.

Около 2 млрд лет назад благодаря деятельности фотосинтезирующих организмов в атмосфере Земли началось накопление свободного кислорода, затем сформировался озоновый экран, защищающий всё живое от космической и солнечной радиации. На протяжении всей биологической истории Земли деятельность организмов определяла состав атмосферы (фотосинтез, дыхание), состав и структуру почв (деятельность редуцентов), содержание различных веществ в водной среде. Продукты метаболизма одних организмов, попадая в окружающую среду, использовались и перерабатывались другими организмами. Благодаря редуцентам в круговорот веществ включались растительные и животные остатки.

Многие организмы способны избирательно поглощать и накапливать различные химические элементы в виде органических и неорганических соединений. Например, хвощи аккумулируют из окружающей среды кремний, губки и некоторые водоросли – иод. В результате деятельности разных бактерий образованы многие месторождения серы, железных и марганцевых руд. Из тел ископаемых растений и планктонных организмов сформировались залежи каменного угля и запасы нефти. Скелеты мелких планктонных водорослей и раковинок морских простейших сложились в гигантские толщи известняковых пород (рис. 83).

Особую роль в биосфере играют микроорганизмы. Не будь их, круговорот веществ и энергии не смог бы осуществляться и поверхность планеты была бы покрыта толстым слоем растительных остатков и трупов животных.

Лишайники, грибы и бактерии активно участвуют в разрушении горных пород. Их работу поддерживают растения, чьи корневые системы прорастают в мельчайшие трещины. Завершают этот процесс вода и ветер.

 

Рис. 83. Раковины одноклеточных организмов под сканирующим электронным микроскопом (увеличено в 2000 раз)

 

Кроме деятельности живых организмов на состояние нашей планеты влияют и другие процессы. Во время вулканических извержений в атмосферу выбрасывается огромное количество различных газов, частички вулканического пепла, изливаются потоки расплавленных магматических пород. В результате тектонических процессов образуются новые острова, меняют облик горные районы, океан наступает на сушу.

Круговорот воды. Особое значение для существования биосферы имеет круговорот воды (рис. 84). С поверхности океанов испаряется огромная масса воды, которая частично переносится ветрами в виде пара и выпадает в виде осадков над сушей. Обратно в океан вода возвращается через реки и грунтовые воды. Однако важнейшим участником циркуляции воды является живое вещество.

В процессе жизнедеятельности растения поглощают из почвы и испаряют в атмосферу огромное количество воды. Так, участок поля, который за сезон даёт урожай массой в 2 т, потребляет около 200 т воды. В экваториальных районах земного шара леса, задерживая и испаряя воду, значительно смягчают климат. Сокращение площади этих лесов может привести к изменению климата и засухам в прилегающих районах.

Круговорот углерода. Углерод входит в состав всех органических веществ, поэтому его круговорот полностью зависит от жизнедеятельности организмов (рис. 85). В процессе фотосинтеза растения поглощают углекислый газ (СО2) и включают углерод в состав синтезируемых органических соединений. В процессе дыхания животные, растения и микроорганизмы выделяют углекислый газ, и углерод, ранее входящий в состав органических веществ, вновь возвращается в атмосферу.

 

Рис. 84. Круговорот воды в биосфере

 

Рис. 85. Круговорот углерода в биосфере

 

Углерод, растворённый в морях и океанах в виде угольной кислоты (Н2СО3) и её ионов, используется организмами для формирования скелета, состоящего из карбонатов кальция (губки, моллюски, кишечнополостные). Причём ежегодно громадное количество углерода осаждается в виде карбонатов на дно океанов.

На суше около 1 % углерода изымается из круговорота, откладываясь в виде торфа. В атмосферу углерод поступает также в результате хозяйственной деятельности человека. В настоящее время ежегодно выбрасывается в воздух около 5 млрд т углерода при сжигании ископаемого топлива (газ, нефть, уголь) и 1–2 млрд т – при переработке древесины. Каждый год количество углерода в атмосфере увеличивается примерно на 3 млрд т, что может привести к нарушению устойчивого состояния биосферы.

Огромное количество углерода содержится в горных осадочных породах. Его возвращение в круговорот зависит от вулканической деятельности и геохимических процессов.

Ноосфера. Совместная деятельность живых организмов в течение миллиардов лет создавала, а в дальнейшем поддерживала определённые условия, необходимые для существования жизни, т. е. обеспечивала гомеостаз биосферы. В. И. Вернадский писал: «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим последствиям, чем живые организмы, взятые в целом».

Однако с появлением человека в развитии биосферы всё большее значение постепенно приобретал новый фактор – антропогенный.

В 1927 г. французские учёные Эдуард Леруа и Пьер Тейяр де Шарден ввели понятие «ноосфера». Ноосфера – это новое эволюционное состояние биосферы, при котором разумная деятельность человека становится решающим фактором её развития. В дальнейшем В. И. Вернадский развил представление о ноосфере как сфере разума.

 

Ещё в 1922 г. В. И. Вернадский предвидел, что человечество овладеет атомной энергией. Он писал: «Недалеко то время, когда человек получит в свои руки атомную энергию, такой источник силы, который даст ему возможность строить свою жизнь, как он захочет. Сумеет ли человек воспользоваться этой силой, направить её на добро, а не на самоуничтожение?»

 

 

Вопросы для повторения и задания

1. В чём заключается влияние живых организмов на биосферу?

2. Расскажите о круговороте воды в природе.

3. Какие организмы поглощают диоксид углерода из атмосферы?

4. Опишите путь возвращения связанного углерода в атмосферу.

5. Какие факторы, кроме деятельности живых организмов, влияют на состояние нашей планеты?

6. Кто впервые ввёл в науку термин «ноосфера»?

 

 

Подумайте! Выполните!

1. Каково участие живых организмов в глобальных круговоротах веществ в природе?

2. Проведите картирование зелёных насаждений в районе расположения школы (групповой проект).

3. Оцените, правильно ли используют роль зелёных насаждений для улучшения состояния среды в том районе, где вы живёте.

 

 

Работа с компьютером

Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал и выполните задания.

 

 

Узнайте больше

 

Круговорот азота. В газовом составе атмосферы азот составляет около 80 %. Однако напрямую в виде газа живые организмы не могут его использовать. Фиксация азота и перевод его в соединения, которые поглощаются растениями, осуществляется благодаря деятельности почвенных азотфиксирующих бактерий, синтезирующих нитраты. Часть азота фиксируется в результате образования оксидов во время электрических грозовых разрядов в атмосфере. При разложении органических остатков под действием микроорганизмов (гнилостных бактерий) выделяется аммиак. Хемосинтезирующие (нитрифицирующие) бактерии превращают аммиак в азотистую, а затем в азотную кислоту. Некоторое количество азота, благодаря деятельности денитрифицирующих бактерий, поступает в воздух. Часть соединений оседает в глубоководных отложениях и на длительный срок выключается из круговорота.

Круговорот серы. Сера входит в состав белков и тоже является жизненно важным элементом. Находящиеся глубоко в почве и в морских осадочных породах соединения серы с металлами (сульфиды) переводятся хемосинтезирующими микроорганизмами в доступную растворимую форму – сульфаты, которые и используются растениями. Глубоко залегающие сульфаты вовлекаются в круговорот другой группой микроорганизмов, восстанавливающих сульфаты до сероводорода (H2S). При разложении трупов животных или остатков растений сера возвращается в круговорот. Часть серы в виде сероводорода, сернистого газа и газообразной серы поступает в атмосферу вместе с вулканическими газами.

В результате деятельности человека круговорот многих элементов резко ускоряется, при этом в одних местах возникает их недостаток, а в других – избыток. Оксид серы (SО2) попадает в атмосферу при сжигании угля и нефти с высоким содержанием серы. Рядом с медеплавильными заводами избыток SО2 в воздухе вызывает гибель растительности вследствие нарушения процесса фотосинтеза.

Круговорот фосфора. Фосфор сосредоточен в отложениях, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. Он постепенно вымывается и попадает в экосистемы. Растения используют только часть этого фосфора; много его уносится реками в моря и снова оседает в глубоководных отложениях. Вместе с выловом рыбы на сушу возвращается примерно 60 тыс. т элементарного фосфора в год. Кроме того, ежегодно добывается от 1 до 2 млн т фосфорсодержащих пород. Хотя запасы фосфорсодержащих пород велики, в будущем потребуются специальные меры для возвращения фосфора в круговорот веществ.

 

Биосфера и человек

 

Вспомните!  

Как протекала эволюция биосферы?

Какова роль человека в биосфере?

 

Ранние этапы развития человечества. Влияние человечества на биосферу началось в тот момент, когда люди перешли от собирательства к охоте и земледелию. По мнению учёных, уже в жизни питекантропов (древнейших людей) охота имела большое значение. На их стоянках, возраст которых составляет более 1 млн лет, находят кости крупных животных.

Примерно 55–30 тыс. лет назад в эпоху каменного века (палеолита) экономической основой человеческого общества была охота на крупных животных: оленя, шерстистого носорога, мамонта, лошадь, тура, дикого быка, бизона и многих других. Неандертальцы (древние люди) уже имели десятки типов каменных орудий, которые использовали в качестве кинжалов и наконечников копий, для скобления и резания туш. Будучи искусными охотниками, они загоняли животных к обрывам и топям. Подобные действия были под силу только согласованному коллективу.

В верхнем палеолите охота стала гораздо более совершенной, что сыграло огромную роль в развитии человечества (рис. 86). Неоантропы (современные люди) изготавливали орудия из кости. Важным новшеством явилось создание копьеметалки, с помощью которой кроманьонцы могли метать копья в два раза дальше. Гарпуны позволяли эффективно добывать рыбу. Кроманьонцы изобрели силки для птиц и ловушки для зверей. Совершенствовалась охота на крупного зверя: северные олени и козероги преследовались во время их сезонных миграций. Приёмы охоты с использованием знания местности (загонная охота) позволяли убивать зверей сотнями, что приводило к хищническому истреблению животных. При изучении стоянок кроманьонцев археологами были обнаружены громадные скопления костей. Так, на территории современной Чехии в одном месте были найдены остатки скелетов 100 мамонтов, в овраге около Амвросиевки на Украине – скелеты 1000 бизонов, а около г. Солютре (Франция) – скелеты 10 тыс. диких лошадей. Охота для кроманьонцев стала постоянным источником высокопитательной пищи.

 

Рис. 86. Охота кроманьонцев. Наскальные рисунки из пещеры в Испании

 

Около 10 тыс. лет назад ледник отступил, наступило резкое потепление, в Европе на смену тундре пришли леса, вымерли многие крупные животные. Подобные изменения завершили определённый этап экономического развития человечества.

В следующую эпоху (новый каменный век) наряду с охотой, рыбной ловлей и собирательством всё большее значение приобретает скотоводство и земледелие. Человек одомашнивает животных, разводит растения. Начинается освоение минеральных ресурсов, зарождается металлургия. Человечество всё больше использует ресурсы биосферы для своих нужд.

С переходом к скотоводству и земледелию человек начал разрушать сложившиеся природные сообщества. Громадные стада домашних копытных выбивали растительность, и на смену степям и саваннам приходили полупустыни. Использование огня для уничтожения растительности и освобождения земли под посевы приводило к замене лесов саваннами. Однако эти разрушения сообществ ещё не оказывали глобального воздействия на биосферу в целом.

Современная эпоха. За последние два столетия темпы развития общества резко ускорились. Значительно увеличилась численность населения планеты, выросло промышленное производство, всё больше земли использовалось под сельскохозяйственные угодья. В развитии биосферы наступил качественно новый этап, когда деятельность человека, преобразующая Землю, по своим масштабам стала соизмерима с геологическими процессами. Вернадский писал, что биогеохимическая роль человека в XX в. стала значительно превосходить роль других, самых активных в биогеохимическом отношении организмов. На Земле не осталось ни одного участка суши или моря, где нельзя было бы обнаружить следов деятельности человека. Антропогенное воздействие на биосферу в XX в. приняло глобальный характер и поставило под угрозу её стабильное существование.

 

Согласно подсчётам учёных, за всё время существования человека на Земле жило около 100 млрд людей. Это значит, что примерно каждый семнадцатый из всех живших на нашей планете людей живёт в настоящее время. При этом, когда возводились египетские пирамиды (примерно 4 тыс. лет назад), в мире жило 50 млн человек (сегодня столько живёт в одной только Англии), в начале нашей эры – 200 млн. В первой половине XIX в. численность населения планеты перевалила за миллиард, а во второй половине XX в. ещё увеличилась более чем втрое, а к 2011 г. достигла 11 млрд (рис. 87).

 

Влияние человека на живую природу складывается из прямого и косвенного изменения природной среды.

Чрезмерная эксплуатация и загрязнение биосферы нарушают сбалансированное существование природных сообществ, приводя к снижению многообразия видов. Постройки городов, прокладки дорог и туннелей, возведение плотин не направлены напрямую на уничтожение сложившихся экосистем, но оказывают серьёзное влияние на природу. Однако существует и прямое воздействие на живые организмы, например рубка леса.

Не так давно леса покрывали почти треть суши. Глобальное уничтожение лесной растительности было вызвано потребностью в новых сельскохозяйственных угодьях – полях и пастбищах. Особенно быстрыми темпами сейчас исчезают тропические леса. По оценкам учёных, в настоящее время ежегодно вырубается около 12 млн га леса, что по площади равно территории Англии, и ещё почти столько же гибнет из-за нерационального ведения хозяйства и выборочной рубки наиболее ценных пород деревьев. Сведение лесов очень сильно ухудшает состояние биосферы в целом.

На месте вырубленного леса исчезает тенелюбивая растительность нижних ярусов, поселяются светолюбивые растения, устойчивые к недостатку влаги и повышенной температуре. Меняется животный мир. Усиливается поверхностный сток воды, что приводит к изменению гидрологического режима водоёмов и повышает вероятность наводнений. Уничтожение лесов усиливает эрозию почвы и увеличивает в атмосфере количество углекислого газа.

Но исчезают не только леса. Степи Евразии и прерии США, экосистемы тундры и коралловых рифов – это сообщества, чьё существование находится под угрозой, и их число растёт с каждым годом.

За последние 300 лет на Земле вымерло больше видов, чем за предыдущие 10 тысячелетий. В этом списке значатся тур и дронт, стеллерова корова и дикая лошадь тарпан, африканская голубая антилопа и странствующий голубь, туранский тигр и бескрылая гагарка (рис. 88). По оценкам учёных, в настоящее время ежедневно в среднем вымирает один вид. Тысячи видов животных находятся на грани вымирания или сохранились только в заповедниках. Особенно уязвимы небольшие популяции, имеющие ограниченное местообитание. Так, на грани исчезновения в 90-х гг. XX в. была большая панда, которая водится на юго-западе Китая и питается исключительно молодыми побегами бамбука (рис. 89). Рост населения и расчистка лесов под сельскохозяйственные угодья привели к тому, что площадь бамбуковых джунглей резко сократилась и панды начали погибать от голода. Созданные заповедники и специальная программа разведения панды в неволе с использованием искусственного осеменения позволили предупредить вымирание вида и увеличить его количество до тысячи особей.

 

Рис. 87. Рост численности населения Земли

 

Рис. 88. Вымершие виды животных: А – дронт; Б – тарпан; В – бескрылая гагарка

 

Человечество заинтересовано в сохранении видового разнообразия не только с экологической точки зрения. Большинством людей признаются этические и эстетические причины, которые порой трудно подкрепить объективными данными и аргументами. Существуют также и утилитарные причины.

Растительный рацион человечества на 95 % обеспечивают всего около 30 из всех известных на сегодняшний день видов высших растений (рис. 90). Во многих развитых странах в сельском хозяйстве используется очень узкий набор сортов. В подобной ситуации изменение условий окружающей среды может вызвать резкое снижение урожайности, что будет иметь катастрофические последствия. Так, в 40-х гг. XIX в. распространение фитофторы (паразитического гриба) погубило почти полностью урожай картофеля в Ирландии, что привело к голоду в стране. Сохранение диких родичей культурных растений и домашних животных необходимо для устойчивого ведения сельского хозяйства. Существующее многообразие диких видов растений позволяет надеяться, что некоторые из них могут дать медицине новые, пока ещё неизвестные лекарственные препараты.

 

Рис. 89. Большая панда

 

Рис. 90. Среднегодовое мировое производство основных продовольственных культур

 

Микроорганизмы в биотехнологических процессах, растения – в качестве сырья для производства лекарственных препаратов, животные – в качестве лабораторных объектов – список можно продолжать бесконечно. На переработке растительного и животного сырья основаны многие современные промышленные производства.

Рыболовство и охота, лесное и сельское хозяйство – человечество прямо или косвенно использует все компоненты живой природы.

Большой урон природным экосистемам приносит чрезмерный промысел. В 5 раз за последние 50 лет вырос улов рыбы в Мировом океане (рис. 91). Промысел китобойного флота поставил на грань уничтожения серого, гренландского и голубого кита. Почти 150 видов млекопитающих являются объектами охоты на территории нашей страны.

 

Рис. 91. Мировой улов рыбы всех видов в период с 1950 по 1993 г.

 

Однако не только отлов животных во время промысла является причиной снижения численности того или иного вида. Сокращение кормовой базы, освоение человеком природных территорий, загрязнение окружающей среды ведут к истощению запасов ценных биологических ресурсов, вплоть до разрушения сообществ и вымирания видов.

 

Вопросы для повторения и задания

1. Как отражалась на окружающей среде деятельность первобытного человека?

2. К какому периоду развития человеческого общества относится зарождение сельскохозяйственного производства?

3. Назовите причины возможного возникновения недостатка воды в ряде районов мира.

4. Как сказывается на состоянии биосферы уничтожение лесов?

 

 

Подумайте! Выполните!

1. К каким отрицательным экологическим последствиям приводит сооружение на реках каскада гидроэлектростанций?

2. В чём преимущества и недостатки тепловых электростанций? Обсудите этот вопрос в режиме «круглого стола».

3. Разработайте анкету социологического опроса об отношении к природе. Организуйте и проведите опрос. Привлеките к опросу родителей, братьев, сестёр. Проанализируйте полученные данные и представьте их в виде информационного блока на сайте школы или в стенгазете.

4. Обсудите проблему «Торговля первоцветами». Что лично ты можешь сделать, чтобы спасти первоцветы?

5. Оцените становление экологического права в России. Оформите полученную вами в процессе работы информацию в виде презентации или стендового доклада.

6. Проведите исследование, как осуществляется охрана и преобразование природы вашего края.

7. Примите участие в дискуссии на тему «Стоит ли развивать атомную энергетику, если она так опасна?». Выскажите своё мнение по данной проблеме.

 

 

Работа с компьютером

Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал и выполните задания.

 

 

Узнайте больше

 

Природные ресурсы. Природные ресурсы – это естественные ресурсы: тела и силы природы, которые на данном уровне развития производительных сил могут быть использованы для удовлетворения материальных и культурных потребностей человеческого общества.

Главные виды природных ресурсов – солнечная энергия, энергия приливов и отливов, внутриземное тепло, водные, земельные, минеральные (в т. ч. топливно-энергетические), растительные, ресурсы животного мира.

Помимо выделения ресурсов по принадлежности к тем или иным компонентам природы, все природные ресурсы планеты принято подразделять на неисчерпаемые и почерпаемые, которые, в свою очередь, делят на возобновляемые и невозобновляемые.

Неисчерпаемых природных ресурсов не так уж много. Это тепло недр, энергия солнечной радиации, ветра, морских волн, течений и приливов. Ранее с учётом огромной массы воздушной и водной среды планеты неисчерпаемыми считали атмосферный воздух и воду. Однако в последнее время большинство учёных считают, что чистый воздух и пресную воду следует рассматривать как ресурсы исчерпаемые. Условно неисчерпаемым ресурсом считают и кислород атмосферы. При современном уровне использования атмосферного воздуха и воды эти ресурсы можно рассматривать как неисчерпаемые только при разработке и реализации крупномасштабных программ, направленных на восстановление их качества.

Невозобновляемые природные ресурсы – это ископаемое топливо, металлическое минеральное сырьё (медь, железо, никель и др.) и неметаллическое минеральное сырьё (глина, песок, фосфаты и др.). Использование человеком невозобновляемых ресурсов началось в эпоху неолита. Первыми металлами, которые нашли применение, были золото и медь. Добывать руды, содержащие медь, а также олово, серебро, свинец умели уже за 4 тыс. лет до н. э.

В настоящее время человек вовлёк в сферу своей промышленной деятельности преобладающую часть известных минеральных ресурсов. Из земных недр извлекается всё больше различных руд, каменного угля, нефти и газа. Научно-технический прогресс открывает всё новые области применения чёрных и цветных металлов, различного неметаллического сырья. В результате расширяется разработка бедных руд, увеличивается добыча нефти со дна моря (например, освоение шельфа северных морей).

К возобновляемым ресурсам относят растительный и животный мир, плодородие почв. Иногда отдельно рассматривают ресурсы, скорость восстановления которых ниже скорости хозяйственного потребления, – пахотно пригодные почвы, зрелые леса, региональные водные ресурсы, их называют не полностью возобновляемыми ресурсами.