Биосфера: царство природы

1.Общие представления о биосфере

Все экосистемы Земли совокупно составляют БИОСФЕРУ, тонкий (по сравнению с остальной частью планеты слой жизни. Границы биосферы разными исследователями проводятся по-разному. Однако чаще в неё включают слой атмосферы толщиной 25-35 км (до озонового слоя), слой земной коры суши толщиной 3 км, где расположены нефтегазоносные воды с бактериальным населением, океан - до глубины 11 км. Тем не менее, жизнь в биосфере концентрируется в значительно более тонком слое, так как с удалением от поверхности суши или океана её интенсивность, измеряемая количеством продуцироемого органического вещества, резко падает.

Сухопутная часть биосферы называется ТРОПОСФЕРОЙ, водная- ГИДРОСФЕРОЙ.

Первым о существовании слоя жизни говорил Ж.-Б.Ламарк (1802), автором термина « биосфера « является Э.Зюсс (1875), однако, учение о биосфере было создано выдающимися русскими учёными В.И.Вернадским(1926). В дальнейшем предполагались другие термины, например» гея» (по имени богини земли ГЕИ). Автор этого термина Дж. Ловелок понимал под геей биологически регулируемый поверхностный слой планеты. Тем не менее, термин «биосфера» приоритетен, и само по себе учение Вернадского имеет непреходящее значение. Вернадский связал с жизнедеятельностью организмов формирование атмосферы, всего комплекса органических и неорганических веществ, включающих углерод, и т.д.

Биомасса биосферы оценивается в 2,5 триллиона тонн сухого вещества, причём на суше расположено 99% этой биомассы. Обитающие в водной среде планктонные организмы имеют непродолжительную жизнь, но, несмотря на столь незначительную биомассу, дают до 1\3 продукции биосферы. Более выровненная среда океана объясняет то, что биологическое разнообразие в нём беднее, чем на суше: соотношение числа морских и сухопутных видов - 1:5.

Определение функции биосферы очень точно дали Дж.Аллен и М. Нельсон: «Биосфера на нашей планете выполняет уникальную и исключительно важную функцию, действуя в качестве механизма выработки и накопления свободной энергии, а также термодинамического показателя имеющейся энергии, благодаря которой она организуется, совершенствуется, преобразует себя в среду» (1991г.).

В биосфере сегодня разнообразие органических соединений неизмеримо выше, чем неорганических (примерное соотношение - 2 миллиона к 20 тысячам!). По эффективности «лаборатории» биосферы намного превосходят лаборатории химиков и цеха предприятий. Поразительна способность живого вещества связывать азот. На предприятии это требует огромной энергии для обеспечения давления в 300 атмосфер и температуры в 500 градусов С.

2.Царства природы

Живое население биосферы разнообразно. В настоящее время известно около 2 млн. видов, но, по некоторым данным, их количество приближается к 5 млн. (Р.Мей). Считается, что расширение знаний о числе видов будет достигнуто в основном за счёт простейших животных, в первую очередь - с паразитным типом питания.

Биологическое разнообразие планеты объединено в четыре царства природы. Группа организмов разных царств образуют самые крупные функциональные блоки биосферы как самой большой экосистемы.

ГРУППЫ ОРГАНИЗМОВ.

1. Дробянки (прокариоты) - безъядерные организмы, которые играют роль редуцентов, биологических азотфиксаторов, продуцентов (хемотрофов и фототрофов).

В составе царства -два подцарства:

Бактерии - организмы микроскопически малых размеров, преимущественно с гетеротрофным типом питания, которые играют важную роль в функционировании естественных и искусственных экосистем. Им принадлежит ведущая роль в круговоротах элементов питания. Бактерии выступают в качестве регуляторов плотности популяций организмов (микропаразиты), вступают с растениями и животными в симбиотические отношения типа сотрудничества - мутуализма (бактерии желудка жвачных животных, бактерии -азотфиксаторы на корнях бобовых и вокруг корней растений любых семейств). Существуют бактерии, которые используют в качестве источника энергии свет (окрашенные в красный, оранжевый, зелёный цвета хлорофиллами и каротиноидами). Однако при этом варианте фотосинтеза свободный кислород не выделяется.

Цианеи (сине-зелёные водоросли) - микроскопические одноклеточные и многоклеточные организмы, которые обитают в воде и почве, они являются фототрофами и биологическими азотфиксаторами. При « растекании жизни» (В.И. Вернадский) цианеи становятся пионерами, заселяющими самые бедные и холодные субстраты, обнажающиеся при таянии ледников.

Три остальные царства представлены эукариотами, т.е. организмами, клетки которых имеют ядра.

Растения - фототрофные организмы, размножающиеся спорами (мхи, плауны, хвощи, папоротники) или семенами (голосеменные, цветковые). К растениям также относятся разнообразные водоросли, входящие в состав водных экосистем и обитающие в почве. Совокупность видов растений называется флорой.

Все растения, независимо от сложности их организации и условий среды, которые требуются им для жизни, выполняют одну биосферную функцию - фиксируют солнечную энергию и используют неорганический углерод в процессе фотосинтеза, снабжая органическим веществом все остальные группы организмов экосистемы. Условно к растениям относятся лишайники - сложные организмы из гриба и водоросли, которые связаны отношениями мутуализма.

Разнообразие растений в мире достаточно велико. В их составе- около 300 тысяч видов цветковых растений, около 700 видов голосеменных, 10 тысяч видов папоротникообразных. Количество мохообразных составляет примерно 25 тысяч видов, водорослей - около 10 тысяч видов.

Животные- разнообразнейшее царство природы, гетеротрофы. Совокупность видов животных называется фауной. В составе этого царства около 4 тысяч видов млекопитающих, 9 тысяч видов птиц, 20 тысяч видов рыб, 25 тысяч видов амфибий, 5,5 тысяч видов рептилий, около 1 миллиона видов насекомых и свыше 500 тысяч видов прочих низших животных (черви, кишечнополостные, моллюски, различные одноклеточные).Только на территории России встречается 20видов амфибий, 50 видов рептилий, 700 видов птиц, 245 видов млекопитающих. Животные населяют все среды жизни - водоёмы, почвы и приземистый слой атмосферы.

Грибы - совокупность гетеротрофных организмов, отличающихся от животных тем, что они ведут прикреплённый образ жизни и имеют неограниченный рост. Раньше грибы включались в царство растений. Грибы различают по размерам - от микроскопических(дрожжевых) до гигантских дождевиков с весом плодового тела в 50 кг- и разделяют на несколько функциональных групп:

Сапротрофы- редуценты, разрушающие мёртвое органическое вещество.

Симбиотрофы- входят в симбиоз с корнями высших растений и формируют микоризу, что облегчает поглощение растениями питательных элементов из почвенного раствора.

Паразиты - регулируют плотность популяции растений и животных. Грибные болезни (головня, ржавчина и др.) наносят ущерб сельскому хозяйству.

3. Основные циклы веществ в биосфере

Химические элементы циркулируют в биосфере. Циклы веществ характеризуются скоростью, замкнутостью и типом запасного фонда. Газообразные формы составляют подвижный, обменный фонд, а твёрдые и жидкие соединения с его участием- консервативный, резервный фонд, очень медленно вовлекаемый в круговорот.

Важнейшие циклы биосферы:

1. Круговорот воды в биосфере происходит по схеме: выпадение атмосферных осадков, поверхностный и внутрипочвенный сток в водоёмы, испарение, перенос водяного пара, конденсация, повторное выпадение осадков и т.д. Вода испаряется не только поверхностью водоёмов и почв, но и живыми организмами, ткани которых на 70% состоят из воды. Большое количество воды испаряется растениями; они используют воду как элемент питания, как среду, в которой протекают жизненные процессы, и как субстанцию, вместе с которой поступают к ним из почвы питательные вещества.

До развития цивилизации круговорот воды был равновесным. Однако вмешательство человека существенно нарушило этот цикл, особенно в последние десятилетия. В частности, уменьшается испарение воды лесами ввиду сокращения их площади и, напротив, увеличивается испарение с поверхности почвы при орошении сельскохозяйственных угодий. Испарение с поверхности океана уменьшается вследствие появления на воде тончайшей плёнки нефти. Наконец, на круговорот воды воздействует парниковый эффект- потепление климата под влиянием повышения концентрации углекислого газа в атмосфере. При усилении этих тенденций могут произойти значительные изменения круговорота воды. Это уже проявляется в неравномерности распределения осадков по территории планеты. В результате этого, в одних районах происходят небывалые по масштабам наводнения, а в других- жестокие засухи.

2.Круговорот кислорода в биосфере осуществляется за счёт пополнения атмосферных запасов кислорода в результате фотосинтеза растений, его поглощения при дыхании организмов, сжигание топлива в промышленности и на транспорте. В настоящее время поддерживается равновесный круговорот кислорода. Сохранение равновесного круговорота кислорода является одной из глобальных задач охраны природы.

3.Круговорот углерода - один из самых важных циклов в биосфере, так как углерод составляет основу органических соединений. Особенно велика в круговороте роль углекислого газа, который поступает в атмосферу при дыхании организмов, сжигании органического топлива, осушении болот и дегумификации почв. В то же время общее уменьшение площади, занятой растительностью, в результате строительства и в особенности сведения лесов уменьшает потребление углекислого газа растениями. Итогом нарушения круговорота углерода может быть парниковый эффект.

4. Круговорот азота - обмен между инертным азотом атмосферы и соединениями азота в почвах и организмах. Круговорот азота протекает по следующей схеме: перевод инертного азота в доступные для растений формы (образование аммиака при грозовых разрядах, производство азотных удобрений на заводах), усвоение азота растениями, переход части азота растений в ткани животных, разложение отмерших растений и трупов животных микроорганизмами - редуцентами вплоть до восстановления молекулярного азота, который возвращается в атмосферу.

В настоящее время биологическая азотфиксация уменьшилась вследствие разрушения естественных экосистем и сравнялась с промышленной фиксацией азота. Происходит повсеместное уменьшение содержания органических соединений азота в почве (разрушение гумуса), что ведёт к снижению плодородия почв. Увеличение производства азотных удобрений для компенсации уменьшения биологического азота ведёт к загрязнению среды и расходованию большого количества энергии.

Экология ставит задачей восстановление естественного цикла азота за счёт уменьшения производства азотных удобрений и расширения посевов бобовых, которые симбиотически связаны с бактериями- азотфиксаторами.

5.Круговорот фосфора. В отличие от циклов углерода и азота, которые являются закрытыми, этот круговорот - открытый, т.е.часть вещества постоянно теряется. Фосфор содержится в горных породах, откуда выщелачивается в почву и усваивается растениями, а затем по пищевым цепям переходит в тела животных. После разрушения мёртвых животных и растений редуцентами только часть фосфора вовлекается в круговорот и повторно используется растениями. Остальной фосфор вымывается из почвы в водоёмы - реки, озёра, моря, где оседает на дно и либо совсем не возвращается на сушу, либо в небольших количествах возвращается с выловленной человеком рыбой и с экскрементами птиц, питающихся рыбой.

Отток фосфора с суши в океан усиливается при сведении лесов, распашке почв и внесении фосфорных удобрений. Поскольку запасы фосфора на суше ограниченны, а его рециклинг из океана проблематичен, в перспективе земледелие ожидает кризис фосфора, что вызовет снижение урожаев. Кроме того, фосфорные удобрения содержат примесь тяжёлых металлов, и потому при их использовании возможно загрязнение почв.

4. Глобальные нарушения биосферы в результате хозяйственной деятельности человека

В настоящее время влияние человека на биосферу носит разрушительный характер, и есть все основания говорить лишь о техносфере как «сфере неразумности». Главными глобальными последствиями этого влияния являются: 1. Нарушение литосферы. 2. Парниковый эффект. 3. Разрушение озонового слоя. 4. Кислотные дожди и т.д.

1. Разрушение литосферы.

Масштабы техногенного влияния человека на литосферу достигли колоссальных величин, которые превышают интенсивность естественных потоков вещества и позволяют делать вывод, что сегодня человек является главной геологической силой планеты.

При этом интенсивность вмешательства в геологическую среду возрастает с увеличением энерговооружённости человека. Скорость строительства крупных гидросооружений за последние столетия возросла в 10 раз.

Масштабные вмешательства человека в биосферу стали причиной землетрясений. Чаще всего землетрясения техногенного происхождения возникают в связи с созданием крупных и глубоких водохранилищ.

В настоящее время искусственные(или техногенные) грунты уже покрывают более 55% площади суши Земли. Но их распространение крайне неравномерно, и в ряде урбанизированных районов (Европа, Япония, Гонконг и др.) искусственные грунты покрывают 95- 100%територии, а их мощность достигает нескольких десятков метров.

2.Уничтожение лесов.

Глобальный характер имеют и последствия уничтожения лесов, которые являются мощнейшим климатообразующим факторами и обеспечивают буферность биосферы при поддержании циклов углекислого газа и кислорода.

Около 10 тыс.лет назад, ещё до того, как человек стал заниматься сельским хозяйством, на земном шаре существовали обширные массивы лесов, общая площадь которых составляла примерно 62млн.кв.вм.Однако в течение многих веков в результате расчистки земельных угодий под пашню и пастбища, заготовок деловой древесины и вырубки деревьев на топливо мировой ареал лесных экосистем сократился приблизительно до 42 млн.кв.км,т.е.почти на одну треть по сравнению с досельскохозяйственным периодом. Площадь лесов продолжает уменьшаться и сегодня - в среднем ежегодно на 1.5-2%. На 10 вырубленных гектаров приходится всего 1 гектар лесных посадок, т.е.соотношение составляет 10:1.

Так во Франции леса, некогда покрывавшие 80 % территории, уже в 1789 г.занимали лишь 14 %площади. На территории нынешних США до появления первых английских колонистов, площадь лесной растительности достигала 385 млн га; к 1920г.здесь леса сохранились на 249 млн га, т.е.площадь леса сократилась более, чем на одну треть.

3.Парниковый эффект.

Парниковый эффект- Один из наиболее опасных глобальных процессов, протекающих в биосфере под влиянием человека. В результате нарушения естественного цикла углерода и увеличения содержания в атмосфере углекислого газа при сжигании большого количества ископаемого топлива, разрушении гумуса почв и осушении болот происходит потепление климата. Количество солнечной энергии, поступающей на поверхность планеты, превышает количество энергии, которая отражается поверхностью. Углекислый газ (а также метан, пыль и некоторые другие загрязнители атмосферы), таким образом, играет роль, подобную полиэтиленовой плёнки над парником.

Мировое сообщество предпринимает усилия для предотвращения парникового эффекта как уменьшением выброса в атмосферу углекислого газа, так и путём прекращения рубки лесов и увеличение их площади за счёт искусственных посадок.

4.Разрушение озонового слоя.

Озоновый слой-слой атмосферы с повышенным содержанием озона. Он расположен на высоте 20-45км. Содержание озона в нём примерно в 10 раз выше, чем в атмосфере у поверхности Земли. Озоновый слой защищает поверхность планеты от солнечного излучения высокой энергии-ультрафиолетовых лучей, избыток которых неблагоприятно влияет на живые организмы.

В настоящее время отмечено ухудшение состояния озонового слоя и образование озоновых дыр над полюсами Земли, что представляет экологическую опасность. Полагают, что причиной этих явлений является попадание в озоновый слой хлора и оксидов азота.

5.Кислотные дожди.

Кислотные дожди- осадки, в которых растворены серная и азотная кислоты. Кислотные дожди образуются в результате выброса в атмосферу оксидов серы и азота. Кислотные дожди оказывают отрицательное влияние на экосистемы.

Пагубная роль кислотных дождей может быть уменьшена только при сокращении выбросов в атмосферу диоксида серы за счёт использования на предприятиях малоотходных технологий и фильтров на дымовых трубах.

Вывод

Биосфера - тонкая оболочка планеты Земля, в которой обитают живые организмы, преобразующие верхний слой земной коры и океан. Биосфера- дом человека, и человек сохранится в том случае, если сохранит биосферу.

Правовые основы государственной политики в области охраны окружающей среды, обеспечивающее сбалансированное решение социально- экономических задач, сохранение благоприятной окружающей среды, биологического разнообразия и природных ресурсов в целях удовлетворения потребностей нынешнего и будущих поколений, укрепления правопорядка в области охраны окружающей среды и обеспечения экологической безопасности определяет ФЗ и Российское экологическое право.

Список используемой литературы

2. «Экология» Б.М. Миркин и Л.Г. Наумова, Уфа «Восточный университет»

3. «Экология экстерн-пособие» Б.М. Миркин и Л.Г. Наумова, Уфа «Восточный университет»