Сущность биосферы

Существуют два основных определения понятия биосфера», одно из которых известно со времени появления в науке данного термина. Это понимание биосферы как совокупности всех живых и неживых организмов на Земле.

Биосфера (от греч. bios — жизнь, sphaira — пленка) — живая оболочка Земли.

Термин «биосфера» впервые был использован известным австрийским ученым Э. Зюссом (1831-1914) в его книге «Лик Земли» (1875).

Позднее термин «биосфера» использовали и другие ученые, но учение о биосфере в современном понимании было сформулировано В. И. Вернадским (1863-1945) в его знаменитой книге «Биосфера» (1926). По В. И. Вернадскому, Биосфера «представляет собой определенную геологическую оболочку, резко отличную от всех других оболочек нашей планеты...» И далее: «живое вещество биосферы, единственной области планеты, закономерно связанной с космическим пространством, есть совокупность ее живых организмов, ее живого вещества как планетного явления. Живое вещество проникает всю биосферу и ее в значительной степени создает».

Как отмечал академик, геохимические процессы на Земле и формирование лика Земли связаны с живыми существами, поэтому биосфера включает в себя собственно живую оболочку Земли (живой материал в виде живых организмов, населяющих Землю в каждый момент) и былые живые оболочки (былой живой материал), границы которых определяются распределением биогенных осадочных пород.

Таким образом, биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы, от которой она, с одной стороны зависит, а с другой – сама воздействует на нее. Поэтому перед естествоиспытателями возникает задача – конкретно исследовать, каким образом и в какой мере живое вещество влияет на физико-химические и геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в земной коре. Только подобный подход может дать ясное и глубокое представление о концепции биосферы. Такую задачу как раз и поставил перед собой выдающийся российский ученый Владимир Иванович Вернадский (1863 – 1945). Ученый отмечал: «…Века и тысячелетия прошли, пока человеческая мысль могла отметить черты единого связного механизма в кажущейся хаотической картине природы».Развитые им положения стали одним из крупнейших естественнонаучных обобщений XX в.

1. Характеристика и структура биосферы

Факты и положения о биосфере накапливались постепенно в связи с развитием ботаники, почвоведения, географии растений и других преимущественно биологических наук, а также геологических дисциплин. Те элементы знания, которые стали необходимыми для понимания биосферы в целом, оказались связанными с возникновением экологии, науки, которая изучает взаимоотношения организмов и окружающей среды. Биосфера является определенной природной системой, а ее существование в первую очередь выражается в круговороте энергии и веществ при участии живых организмов.

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.

Очень важным для понимания биосферы было установление немецким физиологом Пфефером (1845 – 1920) трех способов питания живых организмов:

автотрофное – построение организма за счет использования веществ неорганической природы;

гетеротрофное – строение организма за счет использования низкомолекулярных органических соединений;

миксотрофное – смешанный тип построения организма (автотрофно-гетеротрофный).

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 располагается на пересечении верхней части литосферы, нижней части атмосферы и занимает всю гидросферу.

Границы биосферы:

Верхняя граница в атмосфере: 15-20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое УФ-излучение, губительное для живых организмов.

Нижняя граница в литосфере: 3,5-7,5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами.

Нижняя граница в гидросфере: 10÷11 км. Она определяется дном Мирового Океана, включая донные отложения.

Атмосфера – наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с космическим пространством; через атмосферу осуществляется обмен вещества и энергии с космосом.

Атмосфера имеет несколько слоев:

тропосфера – нижний слой, примыкающий к поверхности Земли (высота 9–17 км). В нем сосредоточено около 80% газового состава атмосферы и весь водяной пар;

стратосфера;

ноносфера – там “живое вещество” отсутствует.

Преобладающие элементы химического состава атмосферы: N2 (78%), O2 (21%), CO2 (0,03%).

Гидросфера – водная оболочка Земли. Вследствие высокой подвижности вода проникает повсеместно в различные природные образования, даже наиболее чистые атмосферные воды содержат от 10 до 50 мгр/л растворимых веществ.

Преобладающие элементы химического состава гидросферы: Na+, Mg2+, Ca2+, Cl–, S, C. Концентрация того или иного элемента в воде еще ничего не говорит о том, насколько он важен для растительных и животных организмов, обитающих в ней. В этом отношении ведущая роль принадлежит N, P, Si, которые усваиваются живыми организмами. Главной особенностью океанической воды является то, что основные ионы характеризуются постоянным соотношением во всем объеме мирового океана.

Литосфера – внешняя твердая оболочка Земли, состоящая из осадочных и магматических пород. В настоящее время земной корой принято считать верхний слой твердого тела планеты, расположенный выше сейсмической границы Мохоровичича. Поверхностный слой литосферы, в котором осуществляется взаимодействие живой материи с минеральной (неорганической), представляет собой почву. Остатки организмов после разложения переходят в гумус (плодородную часть почвы). Составными частями почвы служат минералы, органические вещества, живые организмы, вода, газы.

Преобладающие элементы химического состава литосферы: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K.

Ведущую роль выполняет кислород, на долю которого приходится половина массы земной коры и 92% ее объема, однако кислород прочно связан с другими элементами в главных породообразующих минералах. Т.о. в количественном отношении земная кора – это “царство” кислорода, химически связанного в ходе геологического развития земной коры.

Постепенно идея о тесной взаимосвязи между живой и неживой природой, об обратном воздействии живых организмов и их систем на окружающие их физические, химические и геологические факторы все настойчивее проникала в сознание ученых и находила реализацию в их конкретных исследованиях. Этому способствовали и перемены, произошедшие в общем подходе естествоиспытателей к изучению природы. Они все больше убеждались в том, что обособленное исследование явлений и процессов природы с позиций отдельных научных дисциплин оказывается неадекватным. Поэтому на рубеже ХIХ – ХХ вв. в науку все шире проникают идеи холистического, или целостного, подхода к изучению природы, которые в наше время сформировались в системный метод ее изучения.

Результаты такого подхода незамедлительно сказались при исследовании общих проблем воздействия биотических, или живых, факторов на абиотические, или физические, условия. Так, оказалось, например, что состав морской воды во многом определяется активностью морских организмов. Растения, живущие на песчаной почве, значительно изменяют ее структуру. Живые организмы контролируют даже состав нашей атмосферы. Число подобных примеров легко увеличить, и все они свидетельствуют о наличии обратной связи между живой и неживой природой, в результате которой живое вещество в значительной мере меняет лик нашей Земли.

Биосферу слагают следующие типы веществ:

Живое вещество — вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, физико-химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности. Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4-3,6·1012 т (в сухом весе) и составляет менее 10-6 массы других оболочек Земли. Но это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты», поскольку живое вещество не просто населяет биосферу, а преобразует облик Земли. Живое вещество распределено в пределах биосферы очень неравномерно.

Биогенное вещество — вещество, создаваемое и перерабатываемое живым веществом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь всю атмосферу, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти, карбонатных пород и т.д.

Косное вещество — в образовании которого жизнь не участвует; твердое, жидкое и газообразное.

Биокосное вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, ил, кора выветривания и т. д. Организмы в них играют ведущую роль.

Вещество, находящееся в радиоактивном распаде.

Рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений.

Вещество космического происхождения.

2. Биохимические циклы в биосфере (круговороты биогенных элементов)

Земля - конечное физическое тело, и количество любых химических элементов на Земле конечно. Но уже миллионы лет, с тех пор, как появилась жизнь на планете, идет процесс фотосинтеза органического вещества из неорганических компонентов - и этот процесс бесконечен.

Академик В.Р.Вильямс писал: "Чтобы придать чему-то конечному свойства бесконечного, надо заставить это конечное совершать движение по замкнутой кривой, т. е. вовлечь его в круговорот".

Действительно, все вещества на Земле совершают такие круговороты, называемые биохимическими циклами. Выделяют два основных цикла:

большой - геологический и малый - биотический. Большой круговорот длится долго, сотни тысяч или миллионы лет: горные породы разрушаются, выветриваются и водные потоки сносят их в Мировой океан, где они оседают на дно, лишь часть их возвращается на сушу с осадками, с организмами, которые человек извлекает из моря. Крупные геотектонические изменения (поднятие дна морей, опускание материков) вновь возвращают вещества на сушу - и все повторяется.

Малый круговорот (биотический) является частью большого. Он идет на уровне живой природы. Питательные вещества почвы, вода, углерод идут напостроение органического вещества растений и животных и участвуют в жизненных процессах. После гибели организмов отходы их жизнедеятельности вновь разлагаются на неорганические компоненты (косное вещество) организмами - редуцентами (деструкторами). И все опять повторяется: минеральные вещества идут в пищу растениям и т. д. Малые круговороты с участием живых организмов получили название биохимических циклов.

Если взвесить все живое вещество на планете, оно составит около 2 триллионов тонн. Это огромная величина, но она ничтожно мала в сравнении с массой земной коры – всего одна стотысячная доля и даже меньше. Однако если масса земной коры остается в общем постоянной, то живое вещество обладает уникальным, только ему присущим свойством – самовоспроизводиться. Живые клетки размножаются, воспроизводят сами себя. У некоторых организмов способность размножаться исключительно велика. Если бы не было никаких препятствий, крохотная водоросль диатолия за 8 дней образовала бы биомассу, равную массе Земли. Всего за 8 дней! Так велика сила жизни в ее стремлении захватить максимальное пространство. Каждый год живое вещество биосферы воспроизводит около 250 млрд. тонн биологической продукции. За 3 млрд. лет своего существования общая биомасса живого вещества должна была бы в сотни раз превысить массу земной коры. Однако сила биосферы не в ее массе, а в огромном разнообразии.

В составные компоненты биосферы входят живое вещество и населенные жизнью части гидросферы, атмосферы и литосферы, они тесно связаны друг с другом все вместе составляют единую живую систему – биосистему.

Все живое и каждый живой организм связаны с окружающей средой биологическим круговоротом веществ и потоком энергии. Потребляя и выделяя вещества и энергию, организмы оказывают влияние на среду обитания уже тем, что они живут. Воздействие на окружающую среду, отдельной особи обычно невелико и малозаметно, но все вместе организмы (т.е. все живое вещество) оказываются мощной силой, преобразующей земную поверхность.

Например, только новой растительной массы ежегодно около 170 млрд. (по сухому весу). Из них 115 млрд.дает суша и 55 млрд. – Мировой океан. Так, примерно за миллиард лет фотосинтезирующие водоросли и наземные растения, преобразуя солнечную энергию, создали столько органического вещества, что оно могло бы покрыть всю Землю слоем 2000 км.

Все организмы по их роли, выполняемой в биосфере, разделяют на три группы.

Продуценты - (от лат. «создающий») – автотрофы, обладающие уникальной способностью из неорганических соединений с потреблением солнечной энергии образовывать сложные органические соединения.

Консументы - (от лат. «потребляю или потребители») – гетеротрофы, питающиеся органическими веществами, созданными автотрофами и образующие из них новые органические вещества которых нет в телах автотрофов.

Редуценты - (от лат. «возвращение или разлагатели») – гетеротрофы, способные перерабатывать органические вещества мертвых тел и различные отходы живых организмов, разрушая их до простых неорганических соединений.

Каждая из этих трех групп выполняет свою особую функцию в биосфере. При этом взаимодействуя между собой и с окружающей средой, живые организмы этих 3 групп в глобальной биосистеме создают круговорот веществ и поток энергии от одних компонентов системы к другим, обеспечивая целостность и устойчивое поддержание жизни биосферы.

Однако если бы на Земле существовали только зеленые растения, то спустя некоторое время все минеральные вещества планеты оказались бы связанными в самих растениях (притом в основном в мертвых телах), и в результате рост растений, а затем и их жизнь прекратились вовсе. Но этого не происходит, потому что другие организмы – редуценты, питаясь веществами, заключенными в мертвых телах растений, подвергают их минерализации (деструкции) до простых неорганических соединений, которые затем снова используются автотрофами – продуцентами.

Кроме того, огромные запасы веществ и энергии, заключенные в телах продуцентов, потребляются не только редуцентами, но и консументами, к которым относятся в основном животные: растительноядные, плотоядные, всеядные и паразиты. Продуценты, консументы и редуценты связаны друг с другом и с окружающей абиотической средой сложными пищевыми сетями. Между этими четырьмя компонентами биосферы происходит обмен веществами и энергией. В конечном счете химические элементы оболочек планеты и энергия, поступившая от солнца, через тела растений доходят по пищевым цепям до каждого гетеротрофного живого организма. Таким путём из многочисленных веществ, поддерживающих жизнь организмов разных видов, в биосфере создаётся круговорот веществ и поток энергии. Ввиду огромной роли живого вещества круговорот веществ в биосфере называют биологическим или биотическим.

Могучей движущей силой круговорота веществ и потока энергии на нашей планете является живое вещество.

Итак, биологический круговорот характеризуется наличием четырех обязательных взаимосвязанных компонентов:

1) запаса химических веществ и энергии;

2) продуцентов;

3) консументов;

4) редуцентов.

В итоге все живое биосферы и окружающая среда, откуда организмы черпают средства жизни и куда выделяют все свои продукты жизнедеятельности, создают целостное, тесно связанное, взаимодействующее единство – живую систему (биосистему), которую из-за этой непрерывной взаимосвязи живого вещества с неживой природой называют также экологической системой (экосистемой). Организованная в глобальную биосистему (экосистему), жизнь на планете Земля продолжается непрерывно уже миллионы лет.

Любая биосистема устойчива лишь в том случае, если входящие в ее состав взаимодействующие комплексы живых организмов достаточно полно поддерживают круговорот веществ. Изменения массы живого вещества его структуры, химизма влияют на характер биологического круговорота. Знание качественных и количественных характеристик биологического круговорота, его ритма, интенсивности и скорости движения веществ и энергии возможность прогнозировать степень устойчивости экосистемы.

Биологический круговорот вещества и поток энергии являются главным условием возникновения и существования глобальной экосистемы.

Круговорот веществ в природе - это относительно повторяющиеся (циклические) взаимосвязанные химические, физические и биологические процессы превращения и перемещения веществ в природе.

Движущими силами круговорота служат потоки энергии Солнца (и Космоса в целом) и деятельность живого вещества. Благодаря этим силам идёт перемещение, концентрация и перераспределение огромных масс химических элементов, вовлеченных зелёными растениями с помощью фотосинтеза в органические вещества живых существ.

Круговорот веществ поддерживается в экосистеме планеты постоянным притоком все новых порции энергии. Однако круговорота энергии не бывает. Энергия – согласно закону сохранения, не исчезает бесследно, а преобразуется в процессе жизнедеятельности организмов и, переходя в тепловую форму, рассеивается в окружающем пространстве. В то же время химические элементы, мигрируя с пищей от одного организма к другому, могут выходить в абиотическую среду и вновь вовлекаться автотрофами в круговорот жизни, т.е. многократно двигаются в круговороте.

Биологический круговорот веществ и поток энергии в биосфере напоминают вращение мельничного колеса в струе быстротекущей воды.

В биологическом круговороте веществ биосферы выделяют несколько циклов обращения химических элементов, т.е. путей циркуляции веществ из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. В циклах прослеживают движение жизненно важных – биогенных – элементов например: С, О, Н, N, P. Биогенные элементы разными путями попеременно переходят из живого вещества в неорганическую материю, а из нее вновь поступают в живое вещество и таким образом постоянно входят в состав организмов, участвуя в их жизнедеятельности.

Все биохимические циклы биосферы не замкнуты. При этом каждый новый цикл не является точным повторением предыдущего, так как природа не остается неизменной. Вещества и солнечная энергия вовлекаются в круговорот, но вместе с тем энергия в виде тепла уходит, рассеиваясь в пространстве, нередко и органические вещества выходят из круговорота в окружающую среду, накапливаясь в виде залежей. Поэтому и в отдельных биогеоценозах и во всей биосфере круговороты не замкнуты, а сама биосфера является открытой биосистемой

Круговорот углерода в биосфере.

Углерод – один из распространенных элементов на Земле (11-е место); определяющий все многообразие органических соединений. Источником углерода служит углекислый газ, находящийся в атмосфере и растворенный в воде. Захваченный фотосинтезом углерод превращается в сахара, а другими процессами биосинтеза преобразуется в белки и липиды. Но в процессе дыхания и при разложении мертвых тел с помощью редуцентов углерод вновь вступает в круговорот в форме углекислоты. Углерод входит в состав атмосферы в виде CO2, мела, известняков, мрамора CaCO3, магнезита MgCO3, доломита, малахита, ископаемых углей, нефти, природного газа и других полезных ископаемых надолго оставаясь вне круговорота. Но под воздействием корней растений, животных и деятельности человека (отопление, промышленность) углерод может быть освобожден и тогда вновь окажется в круговороте. Простое вещество углерода может существовать в форме алмаза, графита, карбина, аморфного углерода («древесный уголь», «активированный уголь») и фуллерена.

Парниковый эффект

Круговорот углерода совершается по двум циклам: по большому (геологическому) круговороту, происходящему в течение миллионов лет, и по малому, биологическому круговороту, связанному с жизнедеятельностью организмов. Углерод содержится в атмосфере около 23,5 . 1011 т и служит питанием для растений в процессе фотосинтеза; затем в составе органического вещества (биомассы) проходит по пищевым цепям. При дыхании растений, животных и других живых организмов выделяется CO2; таким образом углерод возвращается в атмосферу.

Часть углерода в мертвой органике переходит в ископаемое топливо (каменный уголь, торф); в процессе горения углерод в виде CO2 возвращается в атмосферу.

Проблема "парникового эффекта" CO2 улавливает тепло от нагретой поверхности Земли, препятствуя стоку тепла от Земли в Космос. Это явление получило название "парниковый эффект". Кроме CO2 существует множество других "парниковых газов, которые в зависимости от их вклада" можно расположить в следующий ряд: водяной пар, CO2, метан, фреоны, закись азота (гемиоксид) N2O. Это наиболее значимые.

Заметный рост концентрации CO2 в атмосфере начался в конце 18 века. Это было связано с вырубкой лесов и сжиганием ископаемого топлива. В настоящее время от сжигания различного топлива в атмосферу ежегодно поступает 0,7% общего количества атмосферного CO2. Среднегодовая температура за последние 100 лет возросла ~ на 0,5°С. Соответственно уровень Мирового океана за этот период поднялся на 10-15 см за счет теплового расширения вод Мирового океана и частично - таянием ледников. Все это свидетельствует о том, что человеческая деятельность (антропогенный фактор) оказывает все большее влияние на глобальные процессы, связанные с тепловым режимом нашей планеты.

Круговорот фосфора в биосфере.

Фосфор – «элемент – одиночка». Простое вещество при обычных условиях существует в виде целого ряда аллотропных модификаций, главные из них – белый, красный и черный фосфор. Фосфор в свободном состоянии в природе не встречается, а входит в состав минералов типа апатитов 3Ca3(PO4)2 CaF2 и фосфатов Ca3(PO4)2 . Фосфор – важная составная часть цитоплазмы и нуклеиновых кислот. Редуценты, минерализуют органические соединения фосфора в фосфаты, которые вновь потребляются корнями растений. Много фосфора накапливается в горных породах, в глубинных отложениях, откуда с помощью животных снова возвращается в круговорот.

Круговорот воды на поверхности земного шара известен: действием солнечной энергии в результате испарения создается атмосферная влага, она конденсируется в форме облаков, с их охлаждением вода выпадает виде осадков (дождь, снег, град), которые поглощаются почвой или стекают в реки, озера, моря и океаны. Количество воды, испаряемой растениями с помощью транспирации, всегда больше, чем испаряемой с поверхности водоемов. Круговорот воды в бассейне реки Конго – пример регионального круговорота воды. Вода, теряемая в процессе испарения тропическим лесом и саванной, впоследствии возвращается с осадками в почву. Притом осадки более обильны, чем сток воды в море.

Круговороты, происходящие в биосфере, очень сложны и тесно связаны между собой. Вливаясь в общий биологический круговорот, они составляют основу существования и развития глобальной экосистемы, обеспечивая ее динамическую устойчивость и поступательное развитие. Движущей силой биологического круговорота веществ на нашей планете является жизнедеятельность организмов.

Круговорот азота

Атмосфера на ~ 79% состоит из азота. Азот - биогенный элемент, входит в состав аминокислот и белков в живых организмах. Биохимический цикл азота приведен на рис. 1.8 . Азот может стать доступным для живых организмов только в связанной форме, т. е. в результате азотфиксации. Фиксация азота (в порядке значимости)

1. Промышленная фиксация (см.рис 1.8 в Приложении5).

2. Сине-зеленые водоросли и бактерии.

3. Действие физических сил природы: молний, космического излучения

(N2 + 02 → NО → нитраты) .

Промышленная фиксация - это производство удобрений (КNO3, NаNО3, NН4NO3 и т.п.).

Самый богатый природный источник связанного азота - это бобовые: горох, клевер, соя, люцерна и т. д. На их корнях имеются клубеньки, в которых находятся колонии азотфиксирующих бактерий. Это симбиоз растений и бактерий: растения получают азот, бактерии -углеводы и другое питание. Распад органического вещества и нитрификация происходит с участием сапрофитов - бактерий. Они возвращают азот белков, содержащихся в мертвых растениях и животных, в общий круговорот в форме нитратов. Денитрификация производится особыми бактериями денитрификаторами, которые расщепляют нитраты и возвращают азот. Такие бактерии живут в почвах и водах с малым содержанием 02. Естественный круговорот азота происходит с очень малой скоростью, поэтому он сильно подвержен антропогенным воздействиям. В настоящее время равновесие по азоту в природе нарушено в результате человеческой деятельности: происходит накопление нитратов и других промежуточных продуктов нитрификации в окружающей среде.

Проблемы, связанные с нарушениями в круговороте азота.

Первая проблема связана с накоплением нитратов. Это соединения азота, соли азотной кислоты с радикалом NO3-, входят в состав удобрений, применяются как пищевые добавки. Сами по себе нитраты относительно не токсичны. Но бактерии, обитающие в организме человека, могут превращать их в токсичные нитриты. Нитриты реагируют в желудке с аминами, образуя весьма канцерогенные нитрозамины. (Нитрозамины - самые сильные канцерогены из известных). Нитрит натрия (NaNO2) в смеси с поваренной солью используется для посола мяса и рыбы. В ФРГ 95% мясных изделий подсаливается этой смесью.

Нитриты опасны:

1). Образуются нитрозамины - канцерогены.

2). У грудных и маленьких детей развивается цианоз или синюшность.

Источниками нитрозаминов (Н) являются: машинные масла (было обнаруженодо 3% Н), табачный дым ~ 1 мкг и некоторые косметические средства.

Второй проблемой является проблема оксидов азота. Оксиды азота образуются при всех процессах горения в результате соединения N и О. При горении образуется сначала NO, который затем окисляется до N02, который более токсичен и вреден для живой природы. Из N02 , образуются кислотные осадки в условиях влажного воздуха (кислотные туманы, кислотная роса, кислотные дожди)

N02 + Н20 → HNO3

ПДК по N02 равен 0,08 мг/м3 при длительном воздействии. Признаки хронического отравления N02: головные боли, бессоница, изъязвление слизистых оболочек.

Фотохимический смог образуется в условиях большого количествах выхлопных газов ( около 500 различных углеводородов ), оксидов азота, интенсивного солнечного излучения. Продуктами происходящих химических реакций являются множество опасных веществ – фотооксиданты, озон, ПАН (пироксиацетилнитрат, являющийся смертельно опасным веществом).

Круговорот серы. Проблема кислотных осадков

Круговорот серы в природе сложен и до конца не ясен. Сера распространена в природе в виде множества неорганических соединений. (Известно более 200 серосодержащих минералов). Сера участвует также и в биотическом круговороте: она входит в состав некоторых аминокислот, а также участвует в биохимических процессах образования белков.

В атмосферном воздухе сера присутствуете основном, в виде трех соединений - газообразных оксида серы (1У), сероводорода и аэрозолей сульфатов. Природным источником серы в атмосферном воздухе является сероводород. Среднее время жизни Н2S в атмосфере ~ 2 суток. Он быстро окисляется до SO2. Антропогенный источник SO2 - сжигание топлива, т. к. ископаемое топливо содержит значительное количество серы почти до 4%. В атмосферном воздухе SO2 приводит к образованию аэрозолей и "кислых" дождей. Время жизни SO2 в атмосфере ~ 4 сут.

Существует и природный загрязнитель атмосферного воздуха соединениями серы (SO2, Н2S, сульфаты) - это вулканическая деятельность. При извержениях вулканов эти соединения попадают в нижние слои атмосферы - тропосферу.

Диоксид серы - газ, вредный для здоровья людей, страдающих заболеваниями дыхательных путей. Доказана прямая зависимость частоты заболеваний бронхитом от концентрации SO2 в воздухе:

у = 14,5х - 1,3

где у - процент заболевших бронхитом;

х - концентрация SO2 в воздухе, мг/м3. Примеры: При х = 1,0 мг/м3 число заболевших бронхитом составит 13,2%, при х=5 мг/м3 - у = 71,2%, при х=6,8 мг/м3 - все население заболеет бронхитом. Эти прогнозыподтверждаются исследованиями, проведенными в Европе. В атмосферном воздухе SO2 окисляется до SO3. Газообразный SO3 растворяется в каплях влаги с образованием серной кислоты

SO3(г)+ Н2O(ж) —> H2SO4(ж)

Это приводит к выпадению кислотных осадков, что губительно влияет на живые организмы в природе: в водоемах гибнут рыбы и другие организмы. Кислотные осадки изменяют структуру и состав почв, приводят к гибели растений. Особенно страдают хвойные деревья. И, наконец, кислотные осадки приводят к разрушению и творения человеческих рук. Под влиянием кислоты разрушаются здания, архитектурные и другие памятники, под действием кислотных дождей ускоряется коррозия металлических конструкций.

Таким образом, можно сделать вывод, что биохимическими циклами и круговоротом в целом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества в биосфере.

Если же рассматривать биосферу в целом, то в ней можно выделить: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере (океан) и 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре (в геологическом круговороте).

Процесс круговорота кислорода в биосфере весьма сложен, так как он содержится в очень многих химических соединениях.

Биогеохимический круговорот в биосфере, помимо кислорода, углерода и азота, совершают и многие другие элементы, входящие в состав органических веществ, — сера, фосфор, железо и др.

3. Продукционная и регуляторная функции биосферы как основа жизнеобеспечения общества

В.И.Вернадский писал: « Живой организм и живое вещество являются закономерной функцией биосферы... в биосфере могут существовать не всякие организмы, а только строго определенные ее структурой».Поэтому морфологические, физиологические свойства организмов должны рассматриваться неразрывно с его геохимическими функциями.

Биосфера – это открытая целостная система, т.е. такая которая, с одной стороны, связана энергоинформационным и вещественным обменом с Космосом, с другой, — не сводима к простой сумме составляющих ее частей. Целостность биосферы выполняет регуляторную функцию по отношению к объектам и процессам внутри биосферы.

Величайшая заслуга В. И. Вернадского заключается в определении важнейшей роли живых организмов в формировании и поддержании основных физико-химических свойств оболочек Земли.

Он первым сформулировал понятие биосферы не просто как пространства, заселенного живыми организмами, а как целостной функциональной системы, на уровне которой реализуется неразрывная связь геологических и биологических процессов. Центральная роль в этой системе принадлежит живым организмам, обладающим высокой химической активностью, подвижностью и способностью к самовоспроизведению.

Подчеркивая глобальное значение жизни, В. И. Вернадский рассматривал ее в масштабах целостной биосферы. В его геохимической концепции выделена совокупность живых организмов («живого вещества») как целое. При таком подходе ученого интересовали в первую очередь химические свойства живых организмов, поскольку именно они определяют характер круговорота веществ. «Форма организмов в миграциях элементов земной коры почти совершенно стушевывается,— писал он,— но вещество организмов, движение его молекул, его энергия проявляются во всех наблюдаемых явлениях... Необходимо выражать совокупность организмов исключительно с точки зрения их веса, их химического состава, их энергии, их объема и характера отвечающего им пространства». При этом В. И. Вернадский подчеркивал, что биосфера как целостная система обладает определенной организованностью, механизмами самоподдержания: «Живое вещество... становится регулятором действенной энергии биосферы».

Однако эта регуляторная функция чувствительна к конкретным формам живых организмов и механизмам их взаимодействия. Инициированное учением В. И. Вернадского развитие биологии в направлении познания роли жизни в биосферных процессах характеризовалось стремлением раскрыть конкретные механизмы биогенного круговорота вещества как устойчивого глобального явления. Наиболее плодотворной оказалась концепция В. Н. Сукачева о биогеоценозах — биологических системах, на уровне которых реализуются процессы этого круговорота. По современному представлению, устойчивое поддержание биогенного круговорота основывается на трех генеральных свойствах жизни: ее разнокачественное и разнообразии ее системности, гомеостазировании функций на разных уровнях организации биологических систем.

Физиологическая разнокачественность живых организмов — фундаментальное условие устойчивого существования жизни как планетарного явления. Форма существования жизни — вид. С позиций геохимической роли вида его наиболее существенным свойством является неповторимая специфичность обмена веществ. Многообразием видов определяется максимальная эффективность использования внешних источников и форм энергии для синтеза органического вещества и его трансформаций на различных этапах биогенного круговорота вплоть до полной минерализации и повторного вовлечения в цикл (схема). Поддержание круговорота в биогеоценозах основано на функциональной разнокачественности входящих в них видов. В простейшем случае комплементарный набор жизненных форм, необходимый для бесперебойного функционирования биогеоценоза, представлен продуцентами, консументами и редуцентами. Разнообразие видов в каждой из этих экологических категорий обусловливает параллельность и дублирование трофических цепей в конкретных биогеоценозах, что гарантирует устойчивость системы при всегда возможных нарушениях ее состава, депрессиях численности отдельных видов и т. п.

Такое свойство жизни, как системность, способствует бесперебойному осуществлению геохимических функций живого вещества в биосфере. Исходным звеном в цепи круговорота веществ служит отдельный организм. Только на уровне организма реализуется обмен веществ с окружающей средой. Эта функция обеспечивается сложным набором морфофизиологических механизмов, согласованность работы которых поддерживается системой регуляций, определяющих целостность и устойчивость организма как биологической системы. Но отдельные организмы смертны. Устойчивое участие видов в биогенном круговороте осуществляется на уровне популяций — естественных группировок особей одного вида, вместе обитающих и связанных общностью генофонда и закономерными функциональными взаимодействиями. Популяция в современной биологии рассматривается как биологическая система надорганизменного уровня, характеризующаяся специфической структурой и функцией. При этом функция популяции неоднозначна. С одной стороны, она заключается в сохранении и воспроизведении вида в конкретных условиях. Благодаря эффективному размножению популяция как система оказывается практически бессмертной, хотя происходит непрерывная смена составляющих ее особей (организмов). С другой стороны, популяция входит в состав биогеоценоза как одна из его субсистем. Биогеоценотическая функция популяции — участие в биогенном круговороте веществ — определяется видоспецифическим типом обмена. Популяция представляет вид в биогеоценозах; все межвидовые взаимоотношения, обеспечивающие устойчивое существование и функционирование биогеоценозов, происходят на уровне видовых популяций.

Биогеоценозы (экосистемы) — это следующий этап интегрирования биологических процессов в биосфере. Исторически сложившиеся миоговидовые сообщества поддерживают биогенный круговорот в конкретных географических условиях. Соответственно набор видовых популяций в экосистемах детерминирован этой функцией: в них с необходимостью входят виды, относящиеся к продуцентам, консументам и редуцентам. На их взаимосвязи строится базовая структура экосистемы — трофическая, включающая не только набор видов, по и систему их взаимодействий, которая делает устойчивыми процессы круговорота веществ и направленные потоки энергии.

На всех рассмотренных уровнях организации биологических систем (организм — популяция — биогеоценоз) параллельно их основным функциям действует система гомеостазирования, обеспечивающая устойчивость системы и непрерывность ее функционирования в условиях нестабильной среды. Конкретные формы гомеостаза весьма разнообразны как у разных видов, так и на разных уровнях организации жизни. Общим является подразделение этих механизмов на стабильные, обусловливающие приспособленность системы к устойчивым средним характеристикам среды, и лабильные (функциональные), возникающие в ответ на конкретное состояние среды в каждый данный момент. Два типа, «два уровня» адаптации не переходят друг в друга, а действуют совместно, обеспечивая максимальную приспособленность системы и, соответственно, максимальную эффективность ее функционирования в условиях сложной и динамичной среды.

Российские ученые поднимали вопрос о необходимости изучения межбиогеоценотических связей, говорили о биогеоценотическом покрове Земли как целостной системе. Действительно, хотя биогенный круговорот может быть завершен на уровне отдельного биогеоценоза, в реальных условиях обособленных круговоротов нет. На уровне биосферы процессы, протекающие в отдельных биогеоценозах, объединяются в систему глобальной функции живого вещества. В этой системе не только завершаются отдельные биогеохимические циклы, но и реализуется тесная взаимосвязь их с абиотическими процессами. В едином глобальном цикле функции живого вещества шире, нежели в круговороте отдельных элементов: живые организмы и надорганизменные системы (популяции, сообщества, экосистемы) активно участвуют в формировании рельефа и климата, типов почв, характера циркуляции вод и в других процессах. В конечном итоге многообразием форм жизни определяются свойства биосферы как самоподдерживающейся системы, гомеостаз которой запрограммирован на всех уровнях организации живой материи.

Различные уровни гомеостазирования биологических систем и биосферы в целом сложились на протяжении длительной эволюции Земли. В последнее время стремительное развитие науки и техники привело к тому, что по масштабам воздействия на биосферные процессы деятельность человека оказалась сопоставимой с теми геологическими факторами, которые направляли эволюцию жизни в предшествующие периоды ее развития на нашей планете. В наши дни вступает в силу разработанная В. И. Вернадским концепция ноосферы — сферы ведущего значения человеческого разума.

Продукционная функция – создание биологической продукции. Человек получает продукты питания и сырье для различных отраслей хозяйства как из природы (лес, рыба, продукция охотничьего промысла и др.), так и с помощью специально созданных биосистем.

Продуктивность биологической системы – ее способность производить подобное себе вещество. Все биосистемы обладают продуктивностью, а системы одного типа сравнивают по уровню продуктивности (скорости продуцирования), о чем судят по величинам продукционных показателей. К основным продукционным показателям относятся продукция и удельная продукция.

Продукция (Р) есть все произведенное данной биосистемой за рассматриваемое время вещество с вычетом трат на обмен независимо от того, находится ли оно в конце исследуемого периода в системе или элиминировано. Обычно подразумевается органическое вещество, синтезированное системой, но оценка продукции чаще всего производится в терминах «живой» массы, включая скелетные и другие подобные образования. Следовательно, к продукции относят все образовавшееся в ней вещество, входящее в «живую» массу системы.

Поскольку любая реальная биосистема воспроизводит себя непрерывно, то при количественной оценке продукции возникает вопрос о рассматриваемом отрезке времени, для которого оценивается продукция биосистемы. Причем этот период времени должен выбираться так, чтобы была возможность оценить особенности функционирования системы во времени и сравнить ее с другими системами.

Для детального изучения продукционного процесса в биосистеме необходимо получить информацию в масштабе времени (сутки, месяц или год), характерном для индивидуального существования системы и ее основных компонентов. Для видов с коротким жизненным циклом (1-2 года) с целью сравнения наиболее удобно использовать в качестве основной единицы времени сутки. Поскольку продукция измеряется или вычисляется за определенный период времени, принимаемый за единицу, она может одновременно рассматриваться и как скорость продукции (скорость продуцирования). Хотя эти определения можно рассматривать как синонимы, но в ряде случаев, например, когда изучается зависимость месячной продукции от изменчивости суточной, удобнее пользоваться понятием скорость продукции.

Помимо временных продукция имеет также пространственные границы. Она оценивается для биосистем либо в естественных границах, либо в расчете на единицу пространства (объема или площади). Так изучают продукцию популяций в их ареалах, сообществ в границах их биотопов, на квадратном метре поверхности, в кубометре воды.

Удельная продукция – продукция за единицу времени в пересчете на единицу биомассы продуцирующей биосистемы. Причем расчет удельной продукции производится обязательно на единицу средней биомассы. В зависимости от выбранной единицы времени получают часовую, суточную, месячную удельную продукцию. Наиболее приемлемым сравнительным показателем является суточная удельная продукция, причем сравниваться могут только системы одного типа: особи с особями, популяции с популяциями.

В нынешних условиях деятельность человечества, к сожалению, нередко нарушает эволюционно сложившееся экологическое равновесие. Объясняется это двойственностью современного положения человека в биосфере. С одной стороны, как биологический объект человечество всеми проявлениями своей жизнедеятельности связано с окружающей средой, включается в сложную систему трофических, биоэнергетических и пространственных отношений. С другой стороны, как социальная система человечество обладает широким кругом потребностей культурного, бытового и иного небиологического характера, высокоразвитой технологией. Оно изымает из окружающей среды биологические ресурсы, вводит в эксплуатацию ресурсы небиологического происхождения, не вовлекаемые в биогенный круговорот и потому невозобновляемые. В окружающую среду выводится большое количество веществ, не участвующих в циклах биологического разложения. Возникает ситуация переэксплуатации природных ресурсов, загрязнения окружающей среды, нарушения естественных гомеостазирующих механизмов биосферы. Последнее приводит к тому, что ситуация уже не может быть изменена естественным биологическим путем.

Современное состояние биосферы характеризуется как критическое. В международном масштабе в наши дни формулируется проблема экологической безопасности, включающая разработку принципиально новых основ взаимодействия различных сфер деятельности человека с естественными биосферными процессами. Решение этой проблемы предусматривает активное регулирующее вмешательство человека в биологические процессы, в частности, направленное регулирование численности и биологической активности экономически важных видов и формирование искусственных биологических систем с заданными свойствами. Это — задача современной экологии, и в основе ее решения должны лежать глубокие знания естественных законов формирования и функционирования биологических систем разного уровня организации.

В биологическом подходе к проблеме экологической безопасности выделяются два аспекта. Первый предусматривает изучение механизмов влияния антропогенных факторов на биологические системы, адаптивных реакций последних на эти воздействия, диапазонов приспособляемости систем к отдельным факторам и их комплексам.

Это — проблема устойчивее биологических систем; ее решение ведет к разработке методов оценки состояния систем и нормативов антропогенной нагрузки на них в различных условиях.

Второй аспект — выяснение путей и результатов косвенного влияния антропогенной нагрузки на состав и характер функционирования биологических систем. Формы такого влияния многообразны: изменение ландшафтов и режима вод, технологические воздействия, роль транспорта и т. д. Конечной задачей является использование экологических закономерностей для активного формирования устойчивых и продуктивных экосистем в условиях антропогенно измененных ландшафтов.

Однако полное решение проблемы экологической безопасности, то есть восстановление нарушенных циклов круговорота веществ, возможно лишь на основе создания замкнутых технологических производств в промышленности и сельском хозяйстве, как бы «дополняющих» естественные формы биологического круговорота. Только циклические безотходные технологии помогут исключить опасность загрязнения биосферы.

Таким образом, решение проблемы экологической безопасности выходит за рамки чисто биологических задач. В сферу современной экологии вовлекаются все достижения науки. Комплексная проблема взаимоотношений человечества и окружающей среды выводит науку о биосфере на новую ступень развития, характеризующуюся направленным воздействием на природные комплексы с целью создания устойчивых форм гармонического взаимодействия человечества и природных систем. Разработанная В. И. Вернадским концепция ноосферы — основа поддержания разумного равновесия со средой, обеспечивающего благосостояние человечества в условиях научно-технического прогресса.

Заключение

Жизнь «своим существованием – в неразрывной связи со средой жизни — создает биосферу –определенную оболочку земной коры». Характеризуя ее биогеохимическую организованность, В.И.Вернадский писал: «Организованность обозначает, что эта среда – биосфера –имеет определенное строение, сопряженное с явлением жизни».

«Организованность среды жизни – части планеты – отвечает, прежде всего, составу жизни живых организмов». «Сама биосфера не является случайным образованием — она отвечает определенной форме организованности. Это – устойчивая динамическая система, равновесие..».«Организованность биосферы есть структурно-вещественно-энергетический результат совокупного (по законам статистического ансамбля) прохождение различными природными системами определенных отрезков времени. Организованность биосферы представляет собой высший уровень развития известных нам природных систем. Это те системы, функционирование которых определяет темп, направление и характер физических, химических, термодинамических, биологических, геологических, иначе говоря, всю совокупность самых разнообразных процессов, протекающих в биосфере».

Но организованность биосферы имеет и относительную самостоятельность: организуясь живыми организмами, она влияет на них, выбирая те, которые строго определены ее структурой.

Эволюция биосферы убедительно свидетельствует, что при любом воздействии на биосферу — природном или антропогенном — ее гомеостаз обеспечивается за счет сохранения биологического разнообразия.

При этом безостановочный экономический рост возможен лишь за счет непрерывного расширения использования ресурсов биосферы.

Человек, став мощным геологическим фактором, оказывает глобальное воздействие на биосферу.

Биосфера, со своей стороны, через свои экологические законы, которые он вынужден соблюдать, чтобы выжить, в том числе и закон о биотической регуляции окружающей среды, воздействует на человека.

Создаются условия, очень напоминающие сопряженную эволюцию или коэволюцию человек—биосфера.

Ноосфера («мыслящая оболочка», сфера разума) — высшая стадия развития биосферы.

Прикладная экология изучает механизмы разрушения биосферы человеком, способы предотвращения этого процесса и разрабатывает принципы рационального использования природных ресурсов.

Список использованной литературы

1. Акимова, Т.А., Хаскин, В.В. Экология. - М.:ЮНИТИ, 2001.

2. Алексеев, В. П. Очерки экологии человека.- М.: «Наука»,1993 .

3. Вернадский, В.И. Биосфера и ноосфера. – М.: Наука, 1989.

4. Вернадский, В.И. Общее понятие о биосфере. // Вернадский В.И. Начало и

5. вечность жизни./Сост., вступ. ст., коммент. М.С.Бастраковой, И.И.Мочалова,

6. В.С.Неаполитанской. - М.: Сов. Россия, 1989.

7. Вернадский, В.И. Научная мысль как планетное явление. //Вернадский В.И.

8. Начало и вечность жизни./Сост., вступ. ст., коммент. М.С.Бастраковой,

9. И.И.Мочалова, В.С.Неаполитанской. - М.:Сов. Россия, 1989.

10.Вронский, В.А. Экология:Словарь-справочник.-Ростов-на-Дону:Феникс,1997.

11.Голубев, В. С. Эволюция: от геохимических систем до ноосферы.- Киев, 2002.

12.Демина, Т. А. Экология,природопользование, охрана окружающей

среды:Пособие для учащихся старших кл.общеобразоват.учреждений.-3-е изд.- М.:Аспект Пресс,1996. 13.Коробкин, В. И., Передельский, Л. В. Экология для студентов вузов.- Ростов- на-Дону, «Феникс»,2001 . 14.Криксунов, Е.А., Пасечник, В.В., Сидорин, А.П., Экология.- М.:Издательский дом "Дрофа", 1995.

15.Миллер, Т. Жизнь в окружающей среде. Т.1., Изд. Прогресс-Пангея, М.: 1993.

16.Общая биология. Справочные материалы, Составитель В.В.Захаров, М.:Издательский дом «Дрофа», 1995.

17.Петров К.М. Общая экология:Взаимодействие обшества и

природы:Учеб.пособие для студентов вузов.-СПб.:Химия,1997.

18.Розанов, Б.Г. Основы учения об окружающей среде. Изд. МГУ, М.,1984.

19.Рузалин, Г.И. Концепция современного естествознания.- М.:1997.

20.Христофорова, Н.К. Основы экологии.- Изд. Дальнаука, Владивосток, 1999.

21.Чернова, Н.М., Былова, А.М., Экология. Учебное пособие для педагогических институтов, М., Просвещение, 1988;

22.Экология и жизнь №4. 97 //М.Н. Иванов. ”Сумеем ли мы сохранить биосферу”