Тема 3. Биосфера и антропогенное воздействие. Глобальные экологические проблемы.

Термин биосфера (от греч. «биос» – жизнь и «сфера» – шар) ввел в науку геолог, профессор Венского университета Эдвард Зюсс в 1875 г. для обозначения области земной поверхности, населенной жизнью. Предшественником современного представления о биосфере считают В.В. Докучаева, который отмечал важную геологическую роль живых организмов и говорил о необходимости целостного подхода к изучению природы. Его учеником был В.И. Вернадский (1863-1945) – академик, основатель новой науки – биогеохимии, которая рассматривает роль живого вещества в преобразовании земной поверхности. В своем главном труде «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения» В.И. Вернадский высказал идею о том, что жизнь – важный фактор развития нашей планеты. В создании земной коры активно участвовали живые организмы; они и сейчас определяют специфику Земли.

Биосфера, по В.И. Вернадскому, это оболочка Земли, в пределах которой существует жизнь. Большинство ученых в качестве верхней теоретической границы биосферы указывают озоновый слой, средняя высота которого составляет 25 км (рис. 7). Выше живые организмы погибают от жесткого космического излучения, хотя споры бактерий обнаруживали и на высоте до 70 км.

Практически же максимальная высота над уровнем моря, на которой может существовать живой организм, ограничена уровнем, до которого сохраняются положительные температуры и могут жить хлорофиллосодержащие растения-продуценты (6,2 км в Гималаях). Выше эффективный фотосинтез невозможен из-за низкого парциального давления углекислого газа. Далее, до «линии снегов», обитают лишь пауки, ногохвостки и некоторые клещи, питающиеся зёрнами растительной пыльцы, спорами растений, микро-организмами и другими органическими частицами, заносимыми ветром. Ещё выше живые организмы могут попадаться лишь случайно.

На высотах 7,5-8 км критически низкого для абсолютного большинства организмов значения достигает другой абиотический фактор – абсолютное атмосферное давление. Наиболее зависимы от величины давления птицы и летающие насекомые, преимущественно занимающие нижнюю зону (0-1 км), хотя отдельные виды птиц (орлы, кондоры) могут постоянно жить и на высотах 4-5 км.

Вся толща Мирового океана по современным представлениям полностью занята жизнью. Нижний предел существования активной жизни традиционно определяют дном океана (максимум 11022 м – глубина Марианской впадины) и глубиной литосферы, характеризующейся температурой 100 ^оС (около 6 км, по данным сверхглубокого бурения на Кольском полуострове). В основном жизнь в литосфере распространена лишь на несколько метров вглубь, ограничиваясь почвенным слоем. Однако по отдельным трещинам и пещерам она распространяется на сотни метров, достигая глубин 3-4 км.

Возможно пределы биосферы намного шире, так как в гидротермах дна океана на глубинах около 3 км при температуре 250 ^оС обнаружены организмы. На таких глубинах давление составляет около 30 МПа (300 атм), что позволяет воде присутствовать в жидком состоянии, тогда как пределы жизни ограничены точками перехода ее в пар и сворачивания белков. Теоретически на глубинах 2,5 км относительно уровня моря должна иметь место критическая температура 460 ^оС, при которой при любом давлении вода существует только в виде пара, а, следовательно, жизнь невозможна.

Рис. 7. Распределение живых организмов в биосфере: 1 – озоновый слой; 2 – граница снегов; 3 – почва; 4 – животные, обитающие в пещерах; 5 – бактерии в нефтяных водах (высоты и глубины даны в метрах)

Таким образом, исключая «предельные» оценки, «мощность» биосферы составляет около 10 км на территории суши и около 20 км на территории океана (см. рис. 7). Это примерно 1/320 часть радиуса Земли. Если представить биосферу сплошным слоем живого органического вещества, то получится пленка около 5-6 мм. Это является причиной использования понятия «пленка жизни».

Рассмотрим основные характеристики биосферы.

Биосфера обладает свойством гомеостаза – поддержания постоянства физических и химических параметров среды. Это свойство обеспечивается наличием озонового экрана, защищающего от губительного космического излучения. Кроме того, газовый состав атмосферы почти полностью контролируется живыми организмами. Наличие Мирового океана, играющего роль «термостата», обеспечивает поддержание теплового баланса.

Биосфера – это кибернетическая система, т.е. система, в которой один из элементов (живое вещество) играет определяющую роль в функционировании всей системы. Живые организмы в биосфере не изолированы от неорганического, «косного» вещества, а вместе с ним образуют особые «биокосные» тела, в которых живое и неживое вещество проникают друг в друга (почва, илы, водоемы).

Биосфера имеет мозаичное и иерархическое строение – состоит из экосистем различного типа и ранга. Саму биосферу можно считать глобальной экосистемой Земли.

Важной характеристикой биосферы является биологическая миграция элементов и их биологический круговорот. Основные элементы, необходимые организмам (водород, углерод, кислород, азот, калий, кальций, фосфор, сера и нек. др.), многократно проходят через циклы биологического круговорота. Обновление живого вещества в биосфере происходит в среднем за 8 лет. Растения обновляют свою биомассу в среднем за 14 лет, биомасса океана обновляется за 33 дня. Полная «смена вод» в биосфере происходит за 2 800 лет, «смена» углекислого газа в атмосфере – за 6,3 года, кислорода – за несколько тысяч лет. Степень «замкнутости» круговорота веществ в биосфере составляет 90-98 %.

Преобразование солнечной энергии в энергию органического вещества – фундаментальное свойство биосферы. Живое вещество выступает посредником между Солнцем и Землей. Растения усваивают около 1 % солнечной энергии, достигающей поверхности земли, на каждый последующий трофический уровень переходит около 10 % энергии («правило 10 %»).

Живые организмы заполняют все пригодные для жизни среды. Эта закономерность отражает «всюдность жизни». Если в биосфере появляются свободные участки поверхности (обнажения дна, изверженные породы, отвалы горных пород), они сразу же заселяются организмами. Это явление получило название «давление жизни».

Относительный баланс процессов образования органического вещества в биосфере и его разложения обеспечивает постоянство количества живого вещества. Масса биосферы составляет около 2400 млрд. т, что примерно соответствует массе кислорода.

Эволюцию биосферы можно представить тремя этапами:

1 Этап (около 3 млрд. л. н.) – появились первые клетки, не имеющие ядра (прокариоты). Они обладали всеми признаками живых организмов:

подвижностью;

питанием и способностью запасать энергию;

защитой от нежелательных воздействий;

размножением;

раздражимостью;

приспособляемостью;

способностью к росту.

2 Этап (около 2 млрд. л. н.) – появились клетки с ядром (эукариоты) – простейшие (25-30 тыс. видов).

3. Этап (около 1 млрд. л. н.) – появились многоклеточные организмы. Процесс фотосинтеза обеспечил кислородную атмосферу Земли и образование озонового слоя, после чего организмы получили возможность осваивать сушу (при достижении содержания кислорода 10 % от современного).

Затем происходило повышение разнообразия и сложности биосферы:

около 365 млн. л. н. появились наземные растения и земноводные;

около 185 млн. л. н. появились млекопитающие, птицы, хвойные растения;

около 70 млн. л. н. появились все современные группы растений и животных;

около 2 млн. л. н. появились предки человека;

около 1 млн. л. н. появился человек разумный (Homo sapiens).

Современный этап развития биосферы называют антропогенным, что связано с огромным воздействием человека и его техники на биосферу.

Глобальное влияние живых организмов на состояние других оболочек Земли связано с уникальными свойствами живого вещества:

1. Огромный запас свободной энергии.

2. Значительная скорость химических реакций.

3. Способность к размножению.

4. Разнообразие форм (более 2 млн. известных видов, в то время как минералов известно около 2 тыс.).

Важнейшие функции живого вещества:

1. Постоянное изменение свойств неживой природа, даже состава планеты (геологическая функция).

2. Производство органической продукции (продукционная функция).

3. Биологическая очистка среды (деструкционная функция).

Ушедший ХХ век ознаменовался изменением глобальной экологической обстановки, возникновением антропогенно обусловленных экологических кризисов и катастроф, приобретающих глобальный характер.

Основные индикаторы и показатели, характеризующие глобальную экологическую обстановку, а также прогнозы на будущее приведены в таблице (табл. 2).

Таблица 2