Биосфера и цивилизация

Биосфера и цивилизация

В В Е Д Е Н И Е.

В буквальном переводе термин “биосфера” обозначает сферу жизни и в

таком смысле он впервые был введен в науку в 1875 г. австрийским геологом и

палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831 – 1914). Однако задолго до этого под

другими названиями, в частности "пространство жизни", "картина природы",

"живая оболочка Земли" и т.п., его содержание рассматривалось многими

другими естествоиспытателями.

Первоначально под всеми этими терминами подразумевалась только

совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и

указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими

процессами, но при этом скорее обращалось внимание на зависимость живой

природы от сил и веществ неорганической природы. Даже автор самого термина

"биосфера" Э.Зюсс в своей книге "Лик Земли", опубликованной спустя почти

тридцать лет после введения термина (1909 г.), не замечал обратного

воздействия биосферы и определял ее как "совокупность организмов,

ограниченную в пространстве и во времени и обитающую на поверхности Земли".

Первым из биологов, который ясно указал на огромную роль живых

организмов в образовании земной коры, был Ж.Б.Ламарк (1744 – 1829). Он

подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и

образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых

организмов.

Биосфера (в современном понимании) – своеобразная оболочка Земли,

содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты,

которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю

часть литосферы.

Все живые организмы, населяющие нашу планету, существуют не сами по

себе, они зависят от окружающей среды и испытывают на себе ее воздействия.

Это точно согласованный комплекс множества факторов окружающей среды, и

приспособление к ним живых организмов обуславливает возможность

существования всевозможных форм организмов и самого различного образования

их жизни.

Живая природа представляет собой сложно организованную, иерархичную

систему. Выделяют несколько уровней организации живой материи.

1.Молекулярный. Любая живая система проявляется на уровне

взаимодействия биологических макромолекул: нуклеиновых кислот,

полисахаридов, а также других важных органических веществ.

2. Клеточный. Клетка - структурная и функциональная единица

размножения и развития всех живых организмов, обитающих на Земле.

Неклеточных форм жизни нет, а существование вирусов лишь подтверждает это

правило, т.к. они могут проявлять свойства живых систем только в клетках.

3.Организменный. Организм представляет собой целостную одноклеточную

или многоклеточную живую систему, способную к самостоятельному

существованию. Многоклеточный организм образован совокупностью тканей и

органов, специализированных для выполнения различных функций.

4.Популяционно-видовой. Под видом понимают совокупность особей,

сходных по структурно-функциональной организации, имеющих одинаковый

кариотип и единое происхождение и занимающих определенный ареал обитания,

свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство,

характеризующихся сходным поведением и определенными взаимоотношениями с

другими видами и факторами неживой природы.

Совокупность организмов одного и того же вида, объединенная общим

местом обитания, создает популяцию как систему надорганизменного порядка. В

этой системе осуществляются простейшие, элементарные эволюционные

преобразования.

5.Биогеоценотический. Биогеоценоз - сообщество, совокупность

организмов разных видов и различной сложности организации со всеми

факторами конкретной среды их обитания - компонентами атмосферы, гидросферы

и литосферы.

6.Биосферный. Биосфера - самый высокий уровень организации жизни на

нашей планете. В ней выделяют живое вещество - совокупность всех живых

организмов, неживое или косное вещество и биокосное вещество (почва).

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

1. Структура биосферы.

Биосфера включает в себя: живое вещество, образованное совокупностью

организмов; биогенное вещество, которое создается в процессе

жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, торф,

известняки и др.); косное вещество, которое формируется без участия живых

организмов; биокосное вещество, представляющее собой совместный результат

жизнедеятельности организмов и небиологических процессов (например, почвы).

Косное вещество биосферы.

Границы биосферы определяются факторами земной среды, которые делают

невозможным существование живых организмов. Верхняя граница проходит

примерно на высоте 20 км от поверхности планеты и ограничена слоем озона,

который задерживает губительные для жизни коротковолновую часть

ультрафиолетового излучения Солнца. Таким образом, живые организмы могут

существовать в тропосфере и нижних слоях стратосферы. В гидросфере земной

коры организмы проникают на всю глубину Мирового океана - до 10-11 км. В

литосфере жизнь встречается на глубине 3,5-7,5 км, что обусловлено

температурой земных недр и условием проникновения воды в жидком состоянии.

Атмосфера.

Газовая оболочка состоит в основном из азота и кислорода. В небольших

количествах в ней содержится диоксид углерода (0,03%) и озон. Состояние

атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и

биологические процессы на поверхности Земли и в водной среде. Для

биологических процессов наибольшее значение имеют: кислород, используемый

для дыхания и минерализации мертвого органического вещества, диоксид

углерода, участвующий в фотосинтезе, и озон, экранирующий земную

поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения. Азот, диоксид

углерода, пары воды образовались в значительной мере благодаря

вулканической деятельности, а кислород - в результате фотосинтеза.

Гидросфера.

Вода - важнейший компонент биосферы и один из необходимых факторов

существования живых организмов. Основная ее часть (95%) находится в Мировом

океане, который занимает около 70% поверхности земного шара и содержит 1300

млн. км3. Поверхностные воды (озера, реки) включают всего 0,182 млн. км3, а

количество воды в живых организмах составляет всего 0,001 млн. км3.

Значительные запасы воды (24 млн. км3) содержат ледники. Большое значение

имеют газы, растворенные в воде: кислород и диоксид углерода. Их количество

широко варьирует от температуры и присутствия живых организмов. Диоксида

углерода, содержащегося в воде, в 60 раз больше, чем в атмосфере.

Гидросфера формировалась в связи с развитием литосферы, которая в течение

геологической истории Земли выделяла большое количество водяного пара.

Литосфера.

Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, находится в

почвенном слое, глубина которого не превышает нескольких метров. Почва

включает минеральные вещества, образующиеся при разрушении горных пород, и

органические вещества - продукты жизнедеятельности организмов.

Живые организмы (живое вещество).

Хотя границы биосферы довольно узки, живые организмы в их пределах

распределены очень неравномерно. На большой высоте и в глубинах гидросферы

и литосферы организмы встречаются относительно редко. Жизнь сосредоточена

главным образом на поверхности Земли, в почве и в приповерхностном слое

океана. Общую массу живых организмов оценивают в 2,43х1012т. Биомасса

организмов, обитающих на суше, на 99,2% представлена зелеными растениями и

0,8% - животными и микроорганизмами. Напротив, в океане на долю растений

приходится 6,3%, а на долю животных и микроорганизмов - 93,7% всей

биомассы. Жизнь сосредоточена главным образом на суше. Суммарная биомасса

океана составляет всего 0,03х10 12 т, или 0,13% биомассы всех существ,

обитающих на Земле.

В распределении живых организмов по видовому составу наблюдается

важная закономерность. Из общего числа видов 21% приходится на растения, но

их вклад в общую биомассу составляет 99%. Среди животных 96% видов -

беспозвоночные и только 4% - позвоночные, из которых десятая часть -

млекопитающие. Масса живого вещества составляет всего 0,01-0,02% от косного

вещества биосферы, однако она играет ведущую роль в геохимических

процессах. Вещества и энергию, необходимую для обмена веществ, организмы

черпают из окружающей среды. Ограниченные количества живой материи

воссоздаются, преобразуются и разлагаются. Ежегодно, благодаря

жизнедеятельности растений и животных, воспроизводится около 10% биомассы.

2. Эволюция биосферы.

Все компоненты биосферы тесно взаимодействуют между собой, составляя

целостную, сложно организованную систему, развивающуюся по своим внутренним

законам и под действием внешних сил, в том числе космических (солнечного

излучения, гравитационных сил, магнитных полей Солнца, Луны и др. небесных

тел)

По современным представлениям, развитие безжизненной геосферы, т.е.

оболочки, образованной веществом Земли, происходило на ранних стадиях

существования нашей планеты, миллиарды лет назад. Изменения облика Земли

были связаны с геологическими процессами, происходившими в земной коре, на

поверхности и в глубинных слоях планеты и находили проявление в извержениях

вулканов, землетрясениях, подвижках земной коры, горообразовании. Такие

процессы происходят и сейчас на безжизненных планетах солнечной системы и

их спутниках - Марсе, Венере, Луне.

С возникновением жизни (саморазвивающихся устойчивых форм) сначала

медленно и слабо, затем все быстрее и значительнее стало проявляться

влияние живой материи на геологические процессы Земли.

Деятельность живого вещества, проникшего во все уголки планеты,

привела к возникновению нового образования - биосферы - тесно

взаимосвязанной единой системы геологических и биологических тел и

процессов преобразования энергии и вещества. Размеры преобразований,

осуществляемых живой материей, достигли планетарных масштабов, существенно

видоизменив облик и эволюцию Земли.

Так, например, в результате процесса фотосинтеза - деятельности

зеленых растений, образовался современный газовый состав атмосферы, в ней

появился кислород. В свою очередь на активность фотосинтеза существенно

влияет концентрация углекислого газа в атмосфере, наличие влаги и тепла.

Почва является целиком результатом деятельности живого вещества в

косной (неживой) среде. Решающая роль в этом процессе принадлежит климату,

топографии, деятельности микроорганизмов и растений и материнским породам.

Биосфера, возникнув и сформировавшись 1-2 млрд. лет назад (к этому времени

относятся первые обнаруженные остатки живых организмов), находится в

постоянном динамическом равновесии и развитии.

В биосфере, как в любой экосистеме, происходит круговорот воды,

планетарные перемещения воздушных масс, а также биологический круговорот,

характеризующийся емкостью - количеством химических элементов, находящихся

одновременно в составе живого вещества в данной экосистеме, и скоростью -

количеством живого вещества, образующегося и разлагающегося в единицу

времени. В результате на Земле поддерживается большой геологический

круговорот веществ, где для каждого элемента характерна своя скорость

миграции в больших и малых циклах. Скорости всех циклов отдельных элементов

в биосфере теснейшим образом сопряжены между собой.

Установившиеся за многие миллионы лет круговороты энергии и вещества в

биосфере самоподдерживаются в глобальных масштабах, хотя локальные

(местные) изменения структуры и особенностей отдельных экосистем

(биогеоценозов), составляющих биосферу, могут быть значительными.

Еще на ранних этапах эволюции живое вещество распространилось по

безжизненным пространствам планеты, занимая все потенциально доступные для

жизни места, изменяя их и превращая в места обитания. И уже в древние

времена различные жизненные формы и виды растений, животных,

микроорганизмов, грибов заняли всю планету. Живое органическое вещество,

можно найти и в глубинах океана, и на вершинах самых высоких гор, и в

вечных снегах приполярья, и в горячих водах источников вулканических

районов.

Такую способность к распространению живого вещества В.И.Вернадский

назвал «всюдностью жизни».

Эволюция биосферы шла по пути усложнения структуры биологических

сообществ, умножения числа видов и совершенствования их приспособляемости.

Эволюционный процесс сопровождался увеличением эффективности преобразования

энергии и вещества биологическими системами: организмами, популяциями,

сообществами.

Вершиной эволюции живого на Земле явился человек, который как

биологический вид на основе многочисленных изменений приобрел не только

сознание (совершенную форму отображения окружающего мира), но и способность

изготавливать и использовать в своей жизни орудия труда.

Посредством орудий труда человечество стало создавать фактически

искусственную среду своего обитания (поселения, жилища, одежду, продукты

питания, машины и многое другое). С этих пор эволюция биосферы вступила в

новую фазу, где человеческий фактор стал мощной природной движущей силой.

3. Природные ресурсы и их использование.

Биологические, в том числе пищевые, ресурсы планеты обуславливают

возможности жизни человека на Земле, а минеральные и энергетические служат

основой материального производства человеческого общества. Среди природных

богатств планеты различают исчерпаемые и неисчерпаемые ресурсы.

Неисчерпаемые ресурсы.

Неисчерпаемые ресурсы подразделяются на космические, климатические и

водные. Это энергия солнечной радиации, морских волн, ветра. С учетом

огромной массы воздушной и водной среды планеты неисчерпаемыми считают

атмосферный воздух и воду. Выделение это относительно. Например, пресную

воду уже можно рассматривать как ресурс исчерпаемый, поскольку во многих

регионах земного шара возник острый дефицит воды. Можно говорить и о

неравномерности ее распределения, и невозможности ее использования из-за

загрязнения. Условно считают и кислород атмосферы неисчерпаемым ресурсом.

Современные ученые-экологи полагают, что при современном уровне

технологии использования атмосферного воздуха и воды этим ресурсы можно

рассматривать как неисчерпаемые только при разработке и реализации

крупномасштабных программ, направленных на восстановление их качества.

Исчерпаемые ресурсы.

Исчерпаемые ресурсы делятся на возобновляемые и невозобновляемые.

К возобновляемым относятся растительный и животный мир, плодородие

почв. Из числа восполняемых природных ресурсов большую роль в жизни

человека играет лес. Лес имеет немаловажное значение как географический и

экологический фактор. Леса предотвращают эрозию почвы, задерживают

поверхностные воды, т.е. служат влагонакопителями, способствуют поддержанию

уровня грунтовых вод. В лесах обитают животные, представляющие материальную

и эстетическую ценность для человека: копытные, пушные звери и дичь. В

нашей стране леса занимают около 30% всей ее суши и являются одним из

природных богатств.

К невосполнимым ресурсам относятся полезные ископаемые. Их

использование человеком началось в эпоху неолита. Первыми металлами,

которые нашли применение, были самородные золото и медь. Добывать руды,

содержащие медь, олово, серебро, свинец умели уже за 4000 лет до н.э. В

настоящее время человек вовлек в сферу своей промышленной деятельности

преобладающую часть известных минеральных ресурсов. Если на заре

цивилизации человек использовал для своих нужд всего около 20 химических

элементов, в начале XX века - около 60, то сейчас более 100 - почти всю

таблицу Менделеева. Ежегодно добывается (извлекается из геосферы) около 100

млрд. т руды, топлива, минеральных удобрений, что приводит к истощению этих

ресурсов[2]. Из земных недр извлекается все больше различных руд, каменного

угля, нефти и газа. В современных условиях значительная часть поверхности

Земли распахана или представляет собой полностью или частично окультуренные

пастбища для домашних животных. Развитие промышленности и сельского

хозяйства потребовало больших площадей для строительства городов,

промышленных предприятий, разработки полезных ископаемых, сооружения

коммуникаций. Таким образом, к настоящему времени человеком преобразовано

около 20% суши.

Значительные площади поверхности суши исключены из хозяйственной

деятельности человека вследствие накопления на ней промышленных отходов и

невозможности использования районов, где ведется разработка и добыча

полезных ископаемых.

Человек всегда использовал окружающую среду в основном как источник

ресурсов, однако, в течение очень длительного времени его деятельность не

оказывала заметного влияния на биосферу. Лишь в конце прошлого столетия

изменения биосферы под влиянием хозяйственной деятельности обратили на себя

внимание ученых. Эти изменения нарастали и в настоящее время обрушились на

человеческую цивилизацию. Стремясь к улучшению условий своей жизни,

человечество постоянно наращивает темпы материального производства, не

задумываясь о последствиях. При таком подходе большая часть взятых от

природы ресурсов возвращается ей в виде отходов, часто ядовитых или не

пригодных для утилизации. Это приносит угрозу и существованию биосферы, и

самого человека.

4. Пределы устойчивости.

Большинство процессов, меняющих в течение геологического времени лик

нашей планеты, рассматривали ранее как чисто физические, химические или

физические явления (размыв, растворение, осаждение, гидролиз и т.п.).

Биосферой В.И.Вернадский назвал ту область нашей планеты, в которой

существует или когда-нибудь существовала жизнь и которая постоянно

подвергается или подвергалась воздействию живых организмов.

Участие каждого отдельного организма в геологической истории Земли

ничтожно мало. Однако живых существ на Земле бесконечно много, они обладают

высоким потенциалом размножения, активно взаимодействуют со средой обитания

и, в конечном счете, представляют в своей совокупности особый, глобальных

масштабов фактор, преобразующий верхние оболочки Земли.

Значение организмов обусловлено их разнообразием, повсеместным

распространением, длительностью существования в истории Земли,

избирательным характером биохимической деятельности и исключительно высокой

химической активностью по сравнению с другими компонентами природы.

Особой категорией является биокосное вещество. Вернадский писал, что

оно "создается в биосфере одновременно живыми организмами и косными

процессами, представляя системы динамического равновесия тех и других".

Организмы в биокосном веществе играют ведущую роль. Биокосное вещество

планеты - это почвы, кора выветривания, все природные воды, свойства,

которые зависят от деятельности на Земле живого вещества. Биосфера - это

та область Земли, которая может быть охвачена влиянием живого вещества. С

современных позиций биосферу рассматривают как наиболее крупную экосистему

планеты, поддерживающую глобальный круговорот веществ.

Биосфера выступает как огромная, чрезвычайно сложная экосистема,

работающая в стационарном режиме на основе тонкой регуляции всех

составляющих ее частей и процессов.

Стабильность биосферы основывается на высоком разнообразии живых

организмов, отдельные группы которых выполняют различные функции в

поддержании общего потока вещества и распределении энергии, на теснейшем

переплетении и взаимосвязи биогенных и абиогенных процессов, на

согласовывании циклов отдельных элементов и уравновешивании емкости

отдельных резервуаров. В биосфере действуют сложные системы обратных связей

и зависимостей.

Как показывают исследования, по крайней мере последние 600 млн. лет

характер основных круговоротов на Земле существенно не менялся.

Осуществлялись фундаментальные геохимические процессы, характерные и для

современной эпохи: накопление кислорода, связывание инертного натрия,

осаждение кальция, образование кремнистых сланцев, отложение железных и

марганцевых руд, сульфидных минералов, накопление фосфора и т. д. Менялись

лишь скорости этих процессов. По-видимому, не менялся существенно и общий

поток атомов, вовлекаемых в живые организмы. Есть основание считать, что

масса живого вещества оставалась приблизительно постоянной, начиная с

карбона, т.е. биосфера с тех пор поддерживает себя в определенном режиме

круговоротов. Стабильное состояние биосферы обусловлено в первую очередь

деятельностью самого живого вещества, обеспечивающего определенную скорость

фиксации солнечной энергии и биогенной миграции атомов. Таким образом,

жизнь на Земле сама стабилизирует условия своего существования, что дает ей

возможность развиваться бесконечно долго.

Однако стабильность атмосферы имеет определенные пределы, и нарушение

ее регуляторных возможностей чревато серьезными последствиями.

Выступая как важнейший агент связывания и перераспределения на

поверхности Земли космической энергии, живое вещество выполняет тем самым

функцию космического значения.

Однако в настоящее время на Земле появилась новая сила, по мощности

воздействия не уступающая суммарному действию живых организмов -

человечество с его социальными законами развития и мощной техникой,

позволяющей влиять на вековой ход биосферных процессов. Современное

Страницы: 1, 2