Предмет экологии. Основные разделы экологии

М.В. Слинкина, Г.В. Харина

ЧЕЛОВЕК И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА

Учебное пособие

Допущено Учебно-методическим объединением по профессиональнопедагогическому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности

050501.65 Профессиональное обучение (по отраслям)

Екатеринбург

Оглавление

Введение. 3

1.1. Предмет экологии. Основные разделы экологии. 4

1.2. Задачи и методы экологии. 7

1.3. Уровни организации живой природы. Объекты экологии. 9

Глава 2. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СРЕДА.. 10

2.1. Среды обитания и экологические факторы.. 10

2.2. Закономерности воздействия абиотических факторов среды на организмы.. 12

2.3. Адаптация, жизненные формы и экологические ниши организмов. 14

Вопросы и задания для самоконтроля. 15

Глава 3. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ... 16

3.1. Структура экосистемы и ее элементов. 16

3.2. Пищевые цепи и сети. Трофические уровни и поток энергии в экосистеме. 18

3.3. Экологические пирамиды и продуктивность экосистемы.. 20

3.4. Биотический (биологический) круговорот веществ. 22

3.5. Саморазвитие экосистем. Экологическая сукцессия. 24

3.6. Гомеостаз экосистемы.. 25

3.7. Антропогенные экосистемы.. 28

Вопросы и задания для самоконтроля. 29

Глава 4. БИОСФЕРА.. 29

4.1. Состав и границы биосферы.. 29

4.2. Живое вещество биосферы. Его химический состав, свойства и функции. 31

4.3. Свойства биосферы.. 33

4.4. Типы круговоротов веществ в биосфере. 35

4.5. Круговороты воды, углерода, кислорода, азота, фосфора и серы.. 36

4.6. Эволюция биосферы. Ноосфера как стадия эволюции биосферы.. 37

Вопросы и задания для самоконтроля. 39

Глава 5. ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ.. 40

5.1. Окружающая среда человека. 40

5.2. Человечество как экологический фактор. 41

5.3. Экологические кризисы и экологические проблемы.. 42

5.4. Основные виды антропогенных загрязнений. 43

5.5. Экологические последствия загрязнения окружающей среды.. 47

Вопросы и задания для самоконтроля. 49

Глава 6. РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ... 49

6.1. Природные ресурсы и их классификация. 49

6.2. Экологические принципы рационального природопользования и охраны окружающей среды.. 51

6.3. Основные направления инженерной защиты окружающей среды.. 52

6.4. Законодательно-правовой механизм природопользования. 56

6.5. Нормирование качества окружающей среды.. 59

6.6. Экологический контроль и экологическая экспертиза. 60

6.7. Экономический механизм природопользования и охраны.. 62

окружающей среды.. 62

Экономический механизм природопользования и охраны окружающей. 63

Вопросы и задания для самоконтроля. 64

Глава 7. МЕЖДУНАРОДНОЕ СОТРУДНИЧЕСТВО В ОБЛАСТИ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ... 64

7.1. Международные природоохранительные организации. 64

7.2. Международные конференции по охране окружающей среды.. 66

Вопросы и задания для самоконтроля. 69

Заключение. 69

 

Введение

Человек, обладая уникальными способностями совершенствования окружающего мира, является творцом науки и техники, но, к сожалению, одновременно и разрушителем природы. Продолжающийся рост численности населения Земли, производства и потребления усугубил проблемы истощения природных ресурсов и загрязнения окружающей среды.

В последние десятилетия люди начали осознавать, что в мире, где так много нужды и где окружающая среда ухудшается, невозможны здоровое общество и эффективно работающая экономика. Социально-экономическое развитие должно пойти по новому пути и обязано учитывать возможности природной среды. Однако мы еще не обладаем необходимыми знаниями для разумной организации нашей деятельности, для обеспечения гармоничного развития общества. Накопленные человечеством научные данные в основном ориентированы на удовлетворение конкретных, сиюминутных потребностей людей и не могут однозначно предсказать последствия деятельности общества.

Под влиянием повелительной необходимости жить с природой в гармонии и согласии человечество вынуждено отбросить вековой императив покорения природы. В приоритеты научно-технического прогресса постепенно включаются не столько увеличение производства и потребительский эгоцентризм, сколько спасение природы и сохранение среды обитания человека, так как возможностей для самовосстановления и самоочищения природных систем остается все меньше. Идея защиты окружающей среды во всей мировой культуре сегодня стала господствующей общественной парадигмой.

Человечество стоит перед необходимостью реализации безопасного экологического развития. Для этого необходимы новые знания об окружающей среде, новые технологии, новые нормы поведения. Все это немыслимо без изучения экологии. Экологические знания не только объясняют неизвестные стороны действительности, но и призваны выполнять предписывающие функции по отношению к человеческой деятельности.

В предлагаемом учебном пособии представлены основы организации нашей среды обитания, которые должен знать каждый житель планеты Земля. Учебное пособие содержит необходимые базовые сведения об организации, функционировании и саморазвитии природных экосистем; о той роли, которую вся совокупность живых организмов играет в преобразовании абиотической среды и поддержании устойчивости биосферы; о тех негативных изменениях, которые происходят в биосфере в результате хозяйственной деятельности человека и являются проявлением современного экологического кризиса; о путях и методах сохранения биосферы, среди которых законодательно-правовой и экономический механизмы природопользования, нормирование качества окружающей среды, международное сотрудничество в области охраны окружающей среды и др.

В целом содержание учебного пособия ориентировано на Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования РФ. Пособие включает материал, частично излагаемый в лекционном курсе, а также рекомендуемый для обязательного самостоятельного изучения в соответствии с рабочей программой дисциплины «Экология».

Цель учебного пособия – оказание помощи студентам всех форм обучения в качественном усвоении материала курса экологии, выполнении индивидуальных контрольных работ, организации самостоятельной работы по изучению экологии в течение семестра и в период экзаменационной сессии.

Авторы надеются, что представленный в учебном пособии материал изложен в доступной форме, легко усваивается и способен максимально облегчить изучение экологии.

 

Глава 1. СОВРЕМЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ КАК МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЙ КОМПЛЕКС ЗНАНИЙ

Задачи и методы экологии

Основные задачи современной экологии (в ее широком понимании как всеобщей экологии) можно сформулировать следующим образом [1,3,5]:

1. Всеобъемлющая диагностика состояния природы планеты и еересурсов; определение порога устойчивости биосферы по отношению к антропогенной нагрузке и степени обратимости изменений, обусловленных человеческой деятельностью.

2. Прогнозирование изменений состояния окружающей человека средыпри различных сценариях социально-экономического развития разных стран, регионов и человечества в целом.

3. Формирование новой идеологии и методологии экоцентризма,связанной с переходом к постиндустриальной цивилизации и направленной на экологизацию экономики, производства, техники, политики, образования.

4. Разработка концептуальных представлений и рекомендацийотносительно пути экологически ориентированного социально-экономического развития общества.

5. Формирование экологического мировоззрения и такой стратегииповедения человеческого общества, такой экономики и таких технологий, которые приведут масштабы и характер хозяйственной деятельности в соответствие с экологической выносливостью природы и предотвратят глобальный экологический кризис.

Методическую основу современной экологии составляет сочетание системного подхода, натурных наблюдений, эксперимента и моделирования. Экология давно уже перестала быть чисто описательной дисциплиной, сейчас в ней преобладают количественные методы – измерения, расчеты, математический анализ. Системный подход пронизывает большинство экологических исследований, так как любой объект экологии является системой – совокупностью закономерно связанных друг с другом функциональных элементов, представляющих целостное образование, единство. В системном подходе объединяются аналитические и синтетические приемы исследования. Разнообразие исследовательских и прикладных задач влечет за собой и разнообразие применяемых в экологии методов. Их можно объединить в несколько групп [1].

Методы регистрации и оценки состояния среды являются

необходимой частью любого экологического исследования. К ним относятся метеорологические наблюдения; измерения температуры, прозрачности, солености воды и анализ ее химического состава; определение характеристик почвенной среды; измерения освещенности, радиационного фона, напряженности физических полей; определение химической и бактериальной загрязненности среды и т.п.

К этой же группе методов следует отнести мониторинг – периодическое или непрерывное слежение за состоянием экологических объектов и за качеством окружающей среды. Большое практическое значение имеет регистрация состава и количества вредных примесей в воде, почве и растениях в зонах антропогенного загрязнения, а также исследования переноса загрязнителей в разных средах. В настоящее время техника экологического мониторинга быстро развивается, используя новейшие методы физико-химического и химического экспресс-анализа, дистанционного зондирования, телеметрии и компьютерной обработки данных. Важным средством экологического мониторинга, позволяющим в ряде случаев получить интегральную оценку качества среды, является биоиндикация — использование для контроля состояния среды некоторых организмов, особо чувствительных к изменениям среды и к появлению в ней вредных примесей.

Методы количественного учета организмов и методы оценки биомассы и продуктивности растений и животных лежат в основе изучения природных сообществ. Для этого применяются подсчеты особей на контрольных площадках, в объемах воды или почвы, маршрутные учеты, отлов и мечение животных, наблюдения за их перемещениями с помощью телеметрии и другие средства вплоть до аэрокосмической регистрации численности стад, скоплений рыбы, густоты древостоя, состояния посевов и урожайности полей. Изучение динамики численности популяций потребовало введения в экологию методов демографии. Все это необходимо для овладения управлением экосистемами, для предотвращения гибели видов и снижения биологического разнообразия и биопродуктивности экосистем.

Исследования влияния факторов среды на жизнедеятельность организмов составляют наиболее разнообразную группу методов экологии. В их число входят различные, подчас сложные и длительные, наблюдения в природе. Но чаще применяются экспериментальные методы, когда в лабораторных условиях регистрируется воздействие строго контролируемого фактора на те или иные функции растений или животных, а также анализируется применимость полученных на животных результатов к экологии человека. Этим путем устанавливаются оптимальные или граничные условия существования. В частности, так определяются критические и летальные дозы химических и других агентов, по которым рассчитывают предельно допустимые концентрации вредных веществ и уровни воздействия, лежащие в основе экологического нормирования. В данном случае экология смыкается с физиологией, биохимией, токсикологией. Эколог использует применяемую в этих дисциплинах экспериментальную технику. Методы этой категории важны также при определении устойчивости экосистем и изучении адаптации – приспособлений растений, животных и человека к различным условиям среды.

Методы изучения взаимоотношений между организмами в многовидовых сообществах составляют важную часть системной экологии. Здесь также важны натурные наблюдения и лабораторные исследования пищевых отношений, пищевого поведения, опыты с переносом «меток», например радиоактивных изотопов, с помощью которых можно определить, какое количество органического вещества и энергии переходит от одного звена пищевой цепи к другому: от растений – к травоядным животным, от травоядных – к хищникам и т.д. Особо следует упомянуть эксперимента льную методику создания и исследования искусственных сообществ и экосистем, т.е. по существу лабораторное натурное моделирование взаимодействий организмов друг с другом и с окружающей средой. В ряде случаев для этих целей создают искусственные, частично замкнутые и самоподдерживающиеся многовидовые системы.

Кибернетические исследования и методы математического моделирования приобретают все большее значение в экологии. Потребность в них для целей управления и прогнозирования очень велика. Существуют близкие к реальным процессам математические модели техногенных эмиссий, распространения загрязнителей в атмосфере, самоочищения реки. Намного сложнее моделирование экологических систем. В свое время были получены обобщенные аналитические модели многих экологических процессов. Но реальные объекты экологии столь сложны, что с трудом поддаются строгому математическому описанию даже при значительном упрощении задач. Поскольку в большинстве случаев речь идет о многоуровневых нелинейных задачах с большим числом переменных, аналитические решения практически невозможны и на первое место выдвигаются численные методы имитационного моделирования, основанные на применении современной вычислительной техники.

В последние годы благодаря мощным компьютерам нового поколения и новым средствам программирования появилась возможность количественного решения ряда сложных системных экологических задач. При этом все большее значение приобретают такие новые компьютерные методы, как применение технологии нейронных сетей и аппарата теории нечетких множеств. Быстро совершенствуются приемы глобального моделирования, основанные на проблемно-прогнозном подходе. Они позволяют рассматривать варианты сценариев и строить обоснованные прогнозы глобального развития.

Методы прикладной экологии быстро развиваются. Ее важными средствами становятся:

•создание геоинформационных систем (ГИС-технологий) и банков экологической информации, относящихся к различным регионам, территориям, ландшафтам, агросистемам, промышленным центрам, городам;

•комплексный эколого-экономический анализ состояния территорий для целей экологической диагностики и оздоровления экологической обстановки;

•методы экологически ориентированного проектирования хозяйственных и гражданских объектов, основанные на принципах и расчетах экологического соответствия;

•технологические методы снижения отходности, побочных эмиссий и вредного действия производственных комплексов, процессов, устройств и изделий;

• методы оценки влияния техногенных загрязнений и деградацииокружающей среды на здоровье людей и состояние природных систем;

• методы контроля экологической регламентации хозяйственной деятельности: экологический мониторинг; экологическая аттестация и паспортизация хозяйственных объектов, территориальных природнопроизводственных комплексов; экологическая экспертиза; оценка ожидаемых воздействий проектируемых и строящихся объектов на окружающую среду.

Гомеостаз экосистемы

В зависимости от условий экосистемы могут меняться, даже

радикальным образом, в результате сукцессий, и, тем не менее, они длительное время остаются стабильными, сохраняя постоянный видовой состав. Постоянство важнейших экологических параметров обозначают как гомеостаз экосистемы. Он поддерживается саморегуляцией во всех звеньях экосистемы, сбалансированностью происходящих в ней процессов обмена веществом и энергией между всеми компонентами, находящимися в динамическом равновесии. Гомеостаз еще определяют как состояние устойчивого динамического (подвижного) равновесия, сохраняющегося в изменяющихся условиях среды. Для экосистемы наряду с термином «гомеостаз» употребляется термин «экологическое равновесие».

Для управления экосистемой не требуется регуляции извне – это саморегулирующаяся система. С точки зрения науки управления, именуемой кибернетикой, саморегулирующийся гомеостаз на экосистемном уровне обеспечен множеством управляющих (гомеостатических) механизмов [1].

Гомеостатический механизм – это обратная связь. Один из гомеостатических механизмов – подсистема «хищник – жертва» (рис. 7). Между условно выделенными кибернетическими блоками управление осуществляется посредством положительных и отрицательных связей.

Положительная обратная связь «усиливает отклонение», например, увеличивает чрезмерно популяцию жертвы. Отрицательная обратная связь «уменьшает отклонение», например, ограничивает рост популяции жертвы за счет увеличения численности популяции хищников. Эта кибернетическая схема (см. рис. 7, а) отлично иллюстрирует процесс коэволюции в системе «хищник – жертва», так как в этой «связке» развиваются и взаимные адаптационные процессы. Если в эту систему не вмешиваются другие факторы (например, человек уничтожил хищника), то результат саморегуляции будет описываться гомеостатическим плато (см. рис. 7, б) – областью отрицательных связей, а при нарушении системы начинают преобладать обратные положительные связи, что может привести к гибели системы.

Наиболее устойчивы сложные экосистемы с большим видовым

разнообразием, и самая стабильная из них – биосфера, а наиболее неустойчивы молодые экосистемы. Это объясняется тем, что в сложных системах создается саморегулирующийся гомеостаз за счет взаимодействия круговоротов веществ и потоков энергии, а стабильность сообщества определяется числом связей между видами в трофической цепи.

Стабильность экосистемы в течение длительного времени предполагает, что и популяция каждого входящего в нее вида остается более или менее неизменной. Устойчивое увеличение или снижение численности популяции приведет к изменению экосистемы в целом.

Численность любой популяции (число особей в популяции) чрезвычайно динамична, т.е. подвержена постоянным изменениям, она постоянно колеблется вокруг некоторого среднего уровня в соответствии с изменяющимися условиями. На численность популяций влияют самые разнообразные факторы: погода, обеспеченность пищей, хищники, болезни, возрастной состав, соотношение полов и др. Однако в этом многообразии можно выделить две группы факторов – абиотических и биотических.

Рис. 7. Элементы кибернетики в применении к экосистеме:

а – взаимодействие положительной (+) и отрицательной (–) обратных связей в системе

«хищник – жертва»; б – гомеостатическое плато, в пределах которого посредством отрицательной обратной связи поддерживается относительная стабильность системы при воздействиях, вызывающих нарушение стабильности

Абиотические факторы действуют односторонне. Они влияют на популяцию, но сами не зависят от ее численности и плотности (числа особей, приходящихся на единицу площади или объема). Они не регулируют плотность популяции, а просто отклоняют ее в ту или иную сторону. Биотические факторы (межвидовые и внутривидовые отношения) зависят от плотности популяций и относятся к регуляторам их численности, так как регуляция – это двустороннее взаимодействие. Она возникает по принципу отрицательной обратной связи (см. рис. 7, а), когда рост численности популяции вызывает все увеличивающееся противодействие этому росту. Действительно, чем выше численность жертв, тем больше пищи для хищников и паразитов, тем быстрее могут распространяться возбудители опасных заболеваний и тем сильнее обостряется конкуренция внутри собственного вида. При падении численности действие регуляторов ослабевает. На этом принципе основаны биотические связи – межвидовые и внутривидовые отношения. Именно они удерживают плотность популяции в определенных границах, не допуская виды до критического состояния – подрыва собственных ресурсов [15].

Ресурсы, за счет которых существуют виды (пища, убежища, подходящие места для размножения и т.п.), на любой территории имеют пределы. Эти пределы ресурсов называются емкостью среды. Безграничный рост численности гибелен для любого вида, так как приводит к подрыву его жизнеобеспечения. Пока биотический потенциал популяции (способность быстро увеличивать свою численность при благоприятных условиях) реализуется полностью, происходит неограниченный экспоненциальный рост численности популяции, не зависящий от ее плотности (рис. 8, кривая 1). Это продолжается, пока низка конкуренция за ресурсы. Однако после превышения емкости среды скорость роста популяции снижается по мере роста ее численности вплоть до нуля при достижении предельной численности (см. рис. 8, кривая 2), т.е. плотность (численность) популяции влияет на ее дальнейший рост.

Внутривидовые отношения и есть тот механизм, посредством которого обеспечивается саморегуляция численности популяций у пределов емкости среды, а у более высокоорганизованных видов иногда даже задолго до исчерпания ресурсов.

Выделяют три механизма торможения роста численности популяций:

1) при возрастании плотности повышается частота контактов междуособями, что вызывает у них стрессовое состояние, уменьшающее рождаемость и повышающее смертность;

2) при возрастании плотности усиливается миграция в новыеместообитания, краевые зоны, где условия менее благоприятны и смертность увеличивается;

3) при возрастании плотности происходят изменения генетическогосостава популяции, например, быстро размножающиеся особи заменяются медленно размножающимися.

Понимание механизмов регуляции численности популяций чрезвычайно важно для возможности управления этими процессами. Деятельность человека часто сопровождается сокращением численности популяций многих видов. Причины этого в чрезмерном истреблении особей, ухудшении условий жизни вследствие загрязнения окружающей среды, беспокойства животных, особенно в период размножения, сокращение ареала и т.д. В природе нет и не может быть «хороших» и «плохих» видов, все они необходимы для ее нормального развития.

Рис. 8. Кривые роста численности популяций:

1 – экспоненциальный рост численности популяции, не зависящий от ее плотности; 2 – рост численности популяции, зависящий от ее плотности; К – емкость среды (предельная численность)

Нарушение человеком регуляторных связей в природе имеет негативные последствия и для экосистем, и для самого человека. Например, до промышленного земледелия виды, которые мы называем сельскохозяйственными вредителями, не являлись таковыми, потому что не размножались в таких количествах, находясь под влиянием многочисленных регуляторов. При сплошной распашке земель в обедненных видами сообществах тип динамики численности многих насекомых, питающихся культурными растениями, превратился из стабильного в сильно изменчивый (колебания в десятки раз) или взрывной (превышение обычной численности в сотни и тысячи раз), доставляя много неприятностей человеку.

Другой пример нарушения саморегуляции – интродукция (введение) видов. Интродуцированный вид не всегда сталкивается на новом месте с естественными врагами, способными контролировать его численность. В результате его популяция стремительно растет, нанося чудовищный вред местной экосистеме, включая вымирание многих видов. Классический пример этому – интродукция кроликов в Австралию.

Таким образом, естественное равновесие между видами зависит от плотности (численности) популяций. Ее увеличение вызывает увеличивающееся противодействие этому росту. Но когда речь идет о человеке, такая обратная связь не работает: с помощью техники он может эксплуатировать природные ресурсы вплоть до полного их истощения, приводя к исчезновению видов и целых экосистем. В этом смысле мы подобны интродуцированному виду, не встречающему естественных врагов.

Антропогенные экосистемы

К антропогенным экосистемам относятся агроэкосистемы и урбосистемы

[13].

Агроэкосистемы (сельскохозяйственные экосистемы, агроценозы) – искусственные экосистемы, возникающие в результате сельскохозяйственной деятельности человека (пашни, сенокосы, пастбища). Агроэкосистемы создаются человеком для получения высокой чистой продукции автотрофов (урожая). В них, так же как в естественных сообществах, имеются продуценты (культурные растения и сорняки), консументы (насекомые, птицы, мыши и т.д.) и редуценты (грибы и бактерии). Обязательным звеном пищевых цепей в агроэкосистемах является человек.

Отличия агроценозов от естественных биоценозов:

• незначительное видовое разнообразие (агроценоз состоит из небольшого числа видов, имеющих большую численность);

• короткие цепи питания;

• неполный круговорот веществ (часть питательных элементов выносится с урожаем);

• источник энергии не только Солнце, но и деятельность человека (мелиорация, орошение, применение удобрений);

• искусственный отбор (действие естественного отбора ослаблено, отбор осуществляет человек);

• отсутствие саморегуляции (регуляцию осуществляет человек) и др.

Таким образом, агроценозы являются неустойчивыми системами и способны существовать только при поддержке человека.

Урбосистемы (урбанистические системы) – искусственные системы (экосистемы), возникающие в результате развития городов и представляющие собой средоточие населения, жилых зданий, промышленных, бытовых, культурных объектов и т.д. В их составе можно выделить следующие территории: промышленные зоны, где сосредоточены промышленные объекты различных отраслей хозяйства, являющиеся основными источниками загрязнения окружающей среды; селитебные зоны (жилые, или «спальные» районы) с жилыми домами, административными зданиями, объектами быта, культуры и т.п.; рекреационные зоны, предназначенные для отдыха людей (лесопарки, базы отдыха и т.п.); транспортные системы и сооружения, пронизывающие всю городскую систему (автомобильные и железные дороги, метрополитен, заправочные станции, гаражи, аэродромы и т.п.). Существование урбоэкосистем поддерживается за счет агроэкосистем и энергии горючих ископаемых, а также атомной промышленности.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Что такое экосистема? Какие категории организмов образуют еетрофическую структуру, какова их роль в экосистеме и какие трофические уровни они занимают?

2. Какие виды называют доминантными, эдификаторамиисинантропными? Приведите примеры.

3. Какие изменения происходят с энергией при прохождении по пищевойцепи?

4. Чем для человека выгодно вегетарианство? Дайте ответ, используязаконы термодинамики.

5. Введите понятия продуктивности экосистемы, первичной ивторичнойпродукции. Как называется продукция, используемая первичными консументами? Каким образом человек изменяет продуктивность экосистем?

6. Что такое биотический круговорот веществ и какие компонентынеобходимы для его осуществления?

7. Дайте определение и приведите примеры первичной и вторичнойсукцессий, климаксной экосистемы. В чем отличие природной сукцессии от антропогенной?

8. Что такое гомеостаз экосистемы? Почему равновесие экосистемы – эторавновесие популяций?

9. Назовите основные отличия агроценоза от биоценоза.

 

Глава 4. БИОСФЕРА

Состав и границы биосферы

Биосфера — это часть оболочек земного шара, населенная живыми организмами и активно преобразующаяся ими.

Термин «биосфера» впервые применил австрийский геолог Э. Зюсс (1875), понимавший ее как тонкую пленку жизни на земной поверхности, в значительной мере определяющую «Лик Земли». Представление о широком влиянии жизни на природные процессы было сформулировано

В.В. Докучаевым, который показал зависимость процесса почвообразования не только от климата, но и от совокупного влияния растительных и животных организмов. Заслуга создания целостного учения о биосфере принадлежит русскому академику В.И. Вернадскому [16, 17]. Он разработал учение о биосфере как глобальной системе нашей планеты, в которой основной ход геохимических и энергетических процессов определяется живым веществом – совокупностью всех живых организмов планеты. В.И. Вернадский распространил понятие биосферы не только на сами организмы, но и на среду их обитания. Это придало концепции биосферы биогеохимический смысл. До этого все явления, меняющие в масштабе геологического времени облик Земли, рассматривались как чисто физические, химические или физико-химические (размыв, растворение, осаждение, выветривание пород и т.д.). В.И. Вернадский создал учение о геологической роли живых организмов и показал, что деятельность последних является важнейшим фактором преобразования минеральных оболочек Земли [4]. С именем В.И. Вернадского связано создание социально-экономической концепции биосферы, отражающей ее превращение на определенном этапе в ноосферу. Это связано с деятельностью человека, которая приобретает роль самостоятельной геологической силы.

Согласно В.И. Вернадскому, биосфера — это такая оболочка, в которой существует и существовала в прошлом жизнь и которая подвергалась и подвергается воздействию живых организмов. Он выделил следующие геологически взаимосвязанные типы веществ, входящих в состав биосферы:

• живое вещество, образованное совокупностью организмов, включая человека;

• биогенное вещество, которое создается и перерабатывается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, сланцы, известняки и др.);

• косное вещество, которое образуется без участия живых организмов (продукты тектонической деятельности, метеориты);

• биокосное вещество, представляющее собой совместный результат жизнедеятельности организмов и абиогенных процессов (почвы).

В состав абиотического компонента биосферы (среды обитания организмов) входит часть атмосферы, вся гидросфера и часть литосферы.

Атмосфера — воздушная оболочка Земли. Химический состав атмосферы многообразен, но в основном в ней (точнее, в тропосфере – приземном слое атмосферы) присутствуют азот (около 78 %) и кислород (около 21 %), в меньших концентрациях – углекислый газ (около 0,03 %) и аргон (около 0,9 %). Из этих четырех газов, составляющих тропосферу, только аргон не связан с жизнедеятельностью организмов, а поступление и расход кислорода, азота, углекислого газа регулируются живыми организмами. За тропосферой следует стратосфера, в которой на высоте около 20 км находится озоновый экран, защищающий все живое от коротковолнового ультрафиолетового излучения.

Гидросфера — водная оболочка Земли. Вода является важной составной частью всех компонентов биосферы и одним из необходимых факторов существования живых организмов. Основная часть воды (95 %) заключена в Мировом океане, который занимает более 70 % поверхности земного шара; глубина Мирового океана в среднем составляет 4 км, наибольшая – около 11 км. Вода содержится в виде пара и облаков в земной атмосфере, существует в виде ледников в замороженном состоянии, атмосферные воды проникают в толщу осадочных пород, формируя подземные воды. Химический состав природных вод формируется под действием живых организмов непосредственно и косвенно. Живые организмы и продукты их жизнедеятельности способствуют разрушению горных пород и вымыванию из них различных веществ. С речным стоком эти вещества поступают в Мировой океан. В пресных и в морских водах растворенные вещества концентрируются многими организмами. Из газов, растворенных в воде, наибольшее значение имеют кислород и углекислый газ. Количество кислорода в гидросфере значительно варьирует в зависимости от температуры и присутствия живых организмов. Концентрация углекислого газа также различна, но в целом количество его в океане примерно в 60 раз больше, чем в атмосфере.

Литосфера — твердая оболочка Земли. Общий химический состав земной коры определяют немногие химические элементы. Всего лишь 8 элементов распространены в земной коре в весомом количестве (более 1 %) – кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий, калий. Наиболее распространенным элементом является кислород, составляющий почти половину массы земной коры (47,3 %).

Исходным материалом для почвообразования служат поверхностные слои горных пород. Из них под воздействием микроорганизмов, растений и животных формируется почвенный покров. Организмы концентрируют в своем составе биогенные элементы. После отмирания животных и растений и их разложения эти элементы переходят в состав почвы, благодаря чему в ней аккумулируются биогенные элементы, а также накапливаются продукты разложения органических веществ.

Границы биосферы определяются областью распространения живых организмов в атмосфере, гидросфере и литосфере. Верхняя граница биосферы проходит примерно на высоте 20 км, т.е. живые организмы расселены в тропосфере и нижних слоях стратосферы. Лимитирующим фактором расселения в атмосфере является нарастающая с высотой интенсивность ультрафиолетовой радиации. Все живое, проникающее выше границы озонового слоя, погибает. В гидросферу биосфера проникает на всю глубину Мирового океана, что подтверждается обнаружением живых организмов и органических отложений до глубины 10 – 11 км. В литосфере живые организмы обнаруживаются на глубине 3 – 5 км.

Свойства биосферы

Биосфера обладает рядом свойств.

Целостность и дискретность. Целостность биосферы обусловлена тесной взаимосвязью слагающих ее компонентов. Она достигается круговоротом вещества и энергии. Изменение одного компонента неизбежно приводит к изменению других и биосферы в целом. При этом биосфера – не механическая сумма компонентов, а качественно новое образование, обладающее своими особенностями и развивающееся как единое целое. Биосфера – система с прямыми и обратными (отрицательными и положительными) связями, которые, в конечном счете, обеспечивают механизмы ее функционирования и устойчивости. На понимании целостности биосферы основываются теория и практика рационального природопользования. Учет этого свойства позволяет предвидеть возможные изменения в природе, дать прогноз результатов воздействия человека на природу.

Централизованность. Центральным звеном биосферы выступают живые организмы (живое вещество). Это свойство, к сожалению, часто недооценивается человеком, и в центр биосферы ставится только один вид – человек (идеи антропоцентризма).

Устойчивость и саморегуляция. Биосфера способна возвращаться в исходное состояние, гасить возникающие возмущения, создаваемые внешними и внутренними воздействиями, включением определенных механизмов. Гомеостатические механизмы биосферы связаны в основном с живым веществом, его свойствами и функциями. Биосфера за свою историю пережила ряд таких возмущений, многие из которых были значительными по масштабам (извержения вулканов, встречи с астероидами, землетрясения и т.п.). Гомеостатические механизмы биосферы подчинены принципу ЛеШателье – Брауна: при действии на систему сил, выводящих ее из с