Учение о биосфере и современная экология

9.1. Что входит в предмет изучения экологии? В чём состоит междисциплинарный характер экологической науки?

Термин «экология» (от греч. oikos – «дом», logos – «наука») широко употребляется как в повседневной жизни, так и в различных областях профессиональной деятельности. Чаще всего под экологией понимают область знаний об окружающей среде и о взаимодействии её компонентов. Объектом исследования в экологии являются экологические системы различных уровней. Предмет исследования экологии – многообразные вещественные, энергетические и информационные связи между живыми организмами и абиотической средой их обитания.

Экологическая наука имеет сложную структуру и состоит из множества разделов. Вот далеко не полный перечень:

1. общая экология;

2. биоэкология;

3. геоэкология;

4. факториальная экология;

5. учение о биосфере;

6. экология человека;

7. социальная экология;

8. инженерная (прикладная) экология.

Современная экология – междисциплинарная наука. Она привлекает, использует и объединяет знания и методы различных наук:

· естественных (биология, физика, химия, география, медицина);

· технических;

· математических;

· экономических

· социальных;

· информационных.

9.2. Что такое биосфера? Как она устроена?

Биосфера – «живая» оболочка Земли, представляющая сложную термодинамически открытую систему (п.п. 2.4, 7.2). Понятие биосферы ввёл в биологию Ж.Б. Ламарк, в геологию – Э. Зюсс. В окончательном виде целостное учение о биосфере было оформлено академиком В.И. Вернадским (1926 г.), обосновавшим геологическую преобразующую роль живых организмов.

Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы (тропосферу), всю гидросферу (пресные и морские воды) и верхнюю часть литосферы Земли. Верхняя граница биосферы расположена на высоте порядка 6 км над уровнем моря, нижняя – на глубине 15 км в толще земной коры (бактерии в нефтяных водах) и 11 км в океане. В сравнении с диаметром Земли (около 13000 км) биосфера – это тонкая пленка на поверхности планеты. Биосфера охватывает лишь порядка 0,1% массы Земли, но играет важнейшую роль в круговороте вещества и энергии. Наиболее типичными чертами биосферы являются:

· Биологическая продуктивность;

· Непрерывность развития;

· Устойчивость (состояние ДИНАМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ);

· Изменчивость;

· Саморегуляция.

Жизнь в биосфере поддерживается за счет постоянного потока неисчерпаемой солнечной энергии и круговоротов химических элементов. При умеренном вмешательстве человека биосфера в состоянии поддерживать эти круговороты, но при его усилении круговороты нарушаются.

К настоящему времени при участии человека оказались серьёзно нарушены круговороты углерода и воды, а также серы. Уже проявляется действие парникового эффекта, на обширных территориях выпадают кислотные дожди. Большую опасность для биосферы представляет разрушение озонового слоя. Опасные масштабы приняло техногенное нарушение литосферы (при добыче полезных ископаемых, строительстве городов, дорог, гидротехнических сооружений и т. д.).

9.3. Какие функции выполняет живое вещество биосферы?

Составными частями биосферы являются:

1. ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО – совокупность всех живых существ биосферы. Оно характеризуется массой, химическим составом, геохимической энергией, многообразием, численностью и динамикой видов (растений, животных, микроорганизмов). Благодаря нему сохраняется стабильность биосферы, продолжается эволюция, как отдельных организмов, так и биосферы в целом.

2. БИОСКОСНОЕ ВЕЩЕСТВО. Живые организмы и неорганическая материя на Земле тесно связаны и образуют в совокупности сложные природные тела – биокосные системы. Это явление характерно для всей биосферы.

3. КОСНОЕ ВЕЩЕСТВО – вещество неорганического (минерального) происхождения.

К основным функциям живого вещества относятся:

1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ФУНКЦИЯ – поглощение и усвоение солнечной (при фотосинтезе) и химической энергии (путем разложения веществ и передаче энергии по пищевым цепям).

2. КОНЦЕНТРАЦИОННАЯ ФУНКЦИЯ. Избирательное накопление в ходе жизнедеятельности определенных видов вещества. Выделяют два типа концентрирования химических элементов живым веществом: массовое повышение концентраций элементов в среде, насыщенной этим элементом (например, серы и железа много в живом веществе в районах вулканизма) и специфическое концентрирование того или иного элемента вне зависимости от среды.

3. ДЕСТРУКТИВНАЯ ФУНКЦИЯ заключается в минерализации необиогенного органического вещества (разложении до более простых соединений), разложении неживого неорганического вещества, вовлечении образовавшихся веществ в биологический круговорот.

4. СРЕДООБРАЗУЮЩАЯ ФУНКЦИЯ. Преобразование физико-химических параметров окружающей среды (главным образом за счет абиогенного вещества).

5. ТРАНСПОРТНАЯ ФУНКЦИЯ. Перенос вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении.

Эволюция биосферы Земли сопровождается:

· нарастанием биоразнообразия;

· увеличением биомассы в течение геологического периода;

· усложнением экосистем и возрастанием «суммы жизни».

В.И. Вернадский выдвинул три биогеохимических принципа:

1. Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению.

2. Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов.

3. Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с космической средой, его окружающей, и создается и поддерживается на нашей планете энергией Солнца.

9.4. Каким образом протекает биологическая трансформация среды в биосфере? Какова роль человека в этих процессах?

Биологическая трансформация среды – изменение абиотических условий под влиянием жизнедеятельности организмов. В.И. Вернадский рассматривал жизнь как геологический фактор, который создал биосферу. Благодаря живым организмам в атмосфере появился кислород (п.п. 7.3, 7.4), сформировались почвы, образовались толщи осадочных пород на дне океанов. В результате биологической трансформации среды создаются запасы детрита – отмерших органических остатков (в виде торфа и сапропеля).

Человек содействует тем формам биологической трансформации среды, которые уменьшают отрицательное влияние его хозяйственной деятельности на биосферу. Изучение процессов биологической трансформации среды и управление ими – необходимый элемент построения общества устойчивого развития. Наиболее важными вариантами биологической трансформации среды, которые может усиливать или ослаблять человек, являются:

1. Очистка воды от химических загрязнений растениями-фильтраторами. Например, эффективно очищают воду прибрежно-водные сообщества тростника, камыша, рогоза, топяного хвоща и других растений-амфибий.

2. Поддержание растениями газового состава атмосферы за счёт фотосинтеза (продукция кислорода и усвоение углекислого газа), очистка её от загрязнений. Благотворное влияние на атмосферу оказывают леса. «Лёгкими планеты» в северном полушарии являются леса России, в южном – тропические леса бассейна Амазонки.

3. Влияние растений на гидрологический режим и качество вод наземных экосистем. Главную роль в этом типе биологической трансформации среды также играют леса. В стабилизации водного режима также участвуют болота.

4. Восстановление организмами баланса гумуса (органических питательных компонентов) в почвах.

9.5. С чем связаны основные экологические проблемы гидросферы?

Вода играет исключительную роль в функционировании биосферы (п.п. 5.7, 9.4). Общий единовременный запас водных ресурсов составляет приблизительно 1,39 млрд. км³, из них около 1,34 млрд. км³ приходится на воды Мирового океана. Лишь менее 3% относится к пресным водам, а доступны для использования только 0,3%.

Наибольшую опасность представляет проблема ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГИДРОСФЕРЫ и НЕДОСТАТКА ПРЕСНОЙ ВОДЫ. Теоретически водные ресурсы неисчерпаемы, т.к. при рациональном использовании они непрерывно возобновляются в процессе влагооборота. Но потребление воды растет такими темпами, что во многих странах ощущается недостаток водных ресурсов.

Большую опасность вызывает загрязнение природных вод, вызванное сбросом в них сточных вод. Под загрязнением водных ресурсов понимают любые изменения физических, химических и биологических свойств воды в связи с антропогенным воздействием, что делает воду опасной для использования, наносит ущерб хозяйству, здоровью и безопасности населения.

Загрязнители, попадая в естественные водоёмы, при разбавлении выводят из оборота большие объёмы воды, наносят ущерб биоресурсам, подрывают способность водных экосистем к самовосстановлению.

9.6. Как соотносятся различные уровни организации материи в экологических системах?

Экологические системы имеют довольно сложную иерархическую структуру, включающую в себя компоненты как неживой, так и живой природы (Рис. 17). К ключевым понятиям относятся:

БИОТОП (греч. topos – «место») – однородное по абиотическим факторам местообитание, занятое одним и тем же сообществом (на суше – биогеоценозом). В биотопе абиотические факторы среды преобразованы влиянием организмов (из материнской породы сформирована почва, изменен режим освещения, температуры, потребление ресурсов ограничено конкуренцией с организмами со сходным типом питания и т. д.). Примерами биотопов могут служить: склон оврага, городской лесопарк, небольшое озеро.

БИОЦЕНОЗ (греч. koinos – «общий») – совокупность организмов (растений, животных и микроорганизмов), населяющих один биотоп т.е. участок земной поверхности с однотипными условиями среды.

БИОГЕОЦЕНОЗ – сложившаяся в процессе эволюции, пространственно относительно ограниченная, внутренне однородная природная система функционально связанных живых организмов и окружающей их абиотической среды, характеризующаяся определенным энергетическим состоянием, типом и скоростью обмена веществом и информацией.

БИОГЕОЦЕНОЗ	{		Атмосфера å æ
Гидросфера	ß БИОТОП à	Почва
	↕ ↕ ↕
Растительность	ß БИОЦЕНОЗ à	Животные
æ		å
	Микроорганизмы

Рис. 17. Иерархия экологических систем

9.7. В чём состоит сущность закона экологической пирамиды?

Биологическая продукция – способность организмов производить органическое вещество в процессе своей жизнедеятельности. Закон экологической пирамиды можно рассматривать как частный случай второго закона термодинамики (п. 4.9). В пищевых цепях при переходе на каждый более высокий трофический уровень передается НЕ БОЛЕЕ 10% ЭНЕРГИИ.

В структуре любой пищевой цепи выделяют несколько уровней (Рис. 18).

ПРОДУЦЕНТЫ – организмы (в основном зеленые растения), использующие световую энергию для синтеза органических веществ из неорганических. Продуценты в трофической цепи занимают ПЕРВЫЙ ТРОФИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ. Все организмы, входящие в трофическую цепь, снабжаются веществом и энергией, которые запасены продуцентами.

Рис. 18. Пример структуры пищевой цепи [9]

КОНСУМЕНТЫ – организмы, получающие энергию и биогенные (органические) вещества, питаясь другими организмами или продуктами их жизнедеятельности. Их подразделяют на консументы 1-го порядка – растительноядные животные, консументы 2-го порядка – плотоядные животные (хищники), питающиеся консументами первого порядка, консументы 3-го порядка – хищники, питающиеся хищниками и т.д. Число порядков консументов в экосистеме ограничено правилом 10%, обычно оно не превышает трёх-четырёх.

Также широко используются понятия:

АВТОТРОФЫ – организмы, синтезирующие из неорганических веществ (главным образом воды, углекислого газа, неорганических соединений азота) все необходимые для жизни органические вещества, используя энергию фотосинтеза (зелёные растения) или хемосинтеза (некоторые бактерии). Автотрофы – основные продуценты органического вещества в биосфере, обеспечивают существование всех других организмов.

ГЕТЕРОТРОФЫ – организмы, питающиеся готовыми органическими веществами.

9.8. Какие существуют типы загрязнения окружающей среды?В чём состоит различие между ингредиентным, параметрическим, биоценотическим, социально-деструктивным и эстетическим загрязнением?

Всего выделяют пять типов загрязнения окружающей среды:

1. ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ загрязнение – различные виды неблагоприятных физических воздействий (электромагнитного, радиационного, шумового, вибрационного, теплового и т.д.). Параметрическое загрязнение может быть выражено в единицах соответствующих физических величин.

2. ИНГРЕДИЕНТНОЕ (главным образом, химическое) – загрязнение разнообразными веществами различной природы в избыточных концентрациях. Оно подразделяется на минеральное и органическое загрязнение. Сюда относятся выбросы предприятий и транспорта, аварийные сбросы, бытовые отходы, ядохимикаты, удобрения и т.д.

3. БИОЦЕНОТИЧЕСКОЕ загрязнение – нарушение баланса компонентов живой природы в экосистемах. Сюда относятся комплексный фактор беспокойства, нерегулируемый отстрел и отлов, браконьерство, случайная и направленная акклиматизация видов, нарушение популяционного баланса.

4. СОЦИАЛЬНО-ДЕСТРУКТИВНОЕ загрязнение связано с преобразованием среды обитания человека вследствие хозяйственной деятельности. Примерами такого воздействия являются вырубка зелёных насаждений, почвенная эрозия, осушение земель, вмешательство в циркуляцию водных потоков, карьерные разработки, дорожное строительство, урбанизация (процесс расширения и укрупнения городов).

5. ЭСТЕТИЧЕСКОЕ (визуальное) загрязнение – последствия архитектурной и строительной деятельности. Сюда относятся однообразная архитектура, возведение немасштабных и невыразительных объектов, не гармонирующих с окружающим ландшафтом, вызывающих визуальное напряжение и раздражение (бизнес-центры, высотные дома, транспортные и промышленные объекты и т.д.).

9.9. В последнее время часто говорят о том, что человечество переживает экологический кризис. Но сегодняшний кризис не является первым в истории. С какими экологическими кризисами успело столкнуться человечество?

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КРИЗИС – кризис взаимоотношений общества и природы, сохранения баланса окружающей среды. К нынешней непростой ситуации, когда многие природные процессы из-за антропогенного воздействия приобрели необратимый характер, привело недостаточное осознание последствий технического прогресса. Нынешнему экологическому кризису в истории человечества предшествовали другие.

ПЕРВЫЙ КРИЗИС соответствует середине послеледникового периода (около 50 тыс. лет назад). Это был кризис собирательства и примитивной охоты. Люди вышли из него, овладев огнем и технологией загонной охоты.

ВТОРОЙ КРИЗИС возник позже (около 10 тыс. лет назад), когда была истреблена мамонтовая фауна. В результате резко сократились пищевые ресурсы, а это в свою очередь привело к массовому вымиранию человеческой популяции. По различным оценкам, население сократилось тогда в 8-10 раз. Это был экологический кризис, переросший в социально-экологическую катастрофу. Выход из него был найден в переходе человека к оседлому образу жизни, к земледелию и животноводству.

ТРЕТИЙ КРИЗИС предшествовал зарождению поливного земледелия. Он не носил глобального характера и закончился распространением богарного земледелия.

ЧЕТВЕРТЫЙ КРИЗИС был вызван массовым уничтожением лесов на дрова и под сельскохозяйственные угодья. Этот кризис завершился промышленной революцией и переходом на ископаемое топливо (уголь, впоследствии – нефть и газ).

Нынешний, ПЯТЫЙ КРИЗИС – самый глубокий. Он начался в середине ХХ века и был обусловлен индустриализацией, экстенсивным развитием промышленности, энергетики, транспорта и сельского хозяйства – прежде всего, в развитых странах. В результате хозяйственной деятельности человечества урон, наносимый биосфере в 10 раз, превосходит ее возможности по самовосстановлению.