Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

ТЕМА 4. ОСНОВЫ УЧЕНИЯ О БИОСФЕРЕ

1. Понятие биосферы и ноосферы в аспекте учения В. И. Вернадского.

2. Строение и структура биосферы. Границы биосферы.

3. Первичная продукция биосферы.

4. Организованность и устойчивость биосферы.

1. Понятие биосферы и ноосферы в аспекте учения В.И. Вернадского

Понятие биосферы вошло в науку случайно. Более 100 лет назад, в 1875 г., австрийский геолог Эдуард Зюсс, говоря о различных оболочках земного шара, впервые употребил этот термин в последней, наиболее общей главе своей книги о происхождении Альп. Однако это упомина­ние не сыграло сколько-нибудь заметной роли в развитии научной мысли. В 1926 г. были опубликованы две лекции русского минералога В. И. Вернадского, в которых им, спу­стя 50 лет после работ Зюсса, формулировались основ­ные положения концепции биосферы, которую мы прини­маем и сейчас. Под биосферой Вернадский понимал те слои земной коры, которые подвергались в течение всей геологической истории влиянию живых организмов.

Суть учения Вернадского заключается в том, что биосфера - это качественно своеобразная оболочка Земли, развитие которой в значительной мере определяется деятельностью живых организмов. Биосфера представляет собой результат взаимодействия живой и неживой природы. Элементы неживой природы связаны воедино с помощью живых организмов. Основой динамического равновесия и устойчивости биосферы являются кругооборот веществ и превращение энергии.

Вернадский выделяет в биосфере семь глубоко отличных и в то же время генетически связанных частей:

1) Живое вещество - живые организмы, т.е. совокупность и биомасса живых организмов в биосфере.

2) Биогенное вещество - продукты жизнедеятельности живых организмов (каменный уголь, нефть и т.п.).

3) Косное вещество - горные породы (минералы, глины).

4) Биокосное вещество - продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами (почвы, ил, природные воды).

5) Радиоактивные вещества, получающиеся в результате распада радиоактивных элементов (радий, уран, торий и т.д.).

6) Рассеянные атомы (химические элементы), находящиеся в земной коре в рассеянном состоянии.

7) Вещество космического происхождения - метеориты, протоны, нейтроны, электроны.

Согласно данной концепции, в процессе развития биосферы выделяют три этапа:

1. Биосфера - среда, в которой человек воздействовал на природу незначительно (возраст человечества примерно 1,5 млн. лет).

2. Биотехносфера или современная биосфера как результат длительной эволюции органического мира и неживой природы. Человеческое общество - это один из этапов развития жизни на Земле. Деятельность человека следует рассматривать как составную часть биосферы. Техника - это качественно новый этап ее развития. Возникает вопрос - каким путем пойдет развитие человека и биосферы в будущем, какими средствами избежать необратимых последствий в природе. Предотвратить изменения невозможно. Очевидно, что следует научиться управлять процессами между человеком и природой так, чтобы они были взаимовыгодны.

3. Ноосфера - сфера разума. Это понятие ввел французский математик и философ Ле-Руа в 1927 году, а обосновал Вернадский в 1944 г. Это высшая стадия развития биосферы, когда разумная деятельность человека становится главным, определяющим фактором развития. В ноосфере человек становится крупной геологической силой, он перестраивает своим трудом и мыслью область своей жизни. Человек неразрывно связан с биосферой, уйти из нее не может. Его существование - есть функция биосферы, которую он неизбежно изменяет.

В последние годы многие ученые (Дж. Хатчинсон и др.) сужают представление о биосфере, рассматривая ее как ту часть поверхности Земли, которая в настоящее время находится под влиянием деятельности организмов. Многие научные термины в разных случаях применяются то в более широком, то в более узком понимании.

2. Строение и структура биосферы. Границы биосферы

В биосфере весьма значительно количество жидкой воды и на нее падает мощный поток энергии Солнца. Для биосферы характерны поверхности раздела между ве­ществами, находящимися в жидком, твердом и газооб­разном состояниях.

Поскольку источником энергии на Земле является Сол­нце, то все живые организмы распределены в верхних сло­ях двух земных оболочек: литосферы и гидросферы. Чем лучше та или иная земная оболочка пропускает солнечные лучи, тем на большую глубину она за­селена живыми организмами. Однако биосфера не конча­ется там, куда не доходит свет. Благодаря силе тяжести поток энергии распространяется еще дальше: из осве­щенных слоев в глубину моря непрестанно падают комоч­ки экскрементов, мертвые и живые организмы.

В литосферу живые организмы проникают на ничтож­ную глубину. Основная их масса сосредоточена в верх­нем слое почвы мощностью в несколько десятков сан­тиметров, и редко кто проникает на несколько метров или десятков метров вглубь (корни растений, дождевые черви). По трещинам земной коры, колодцам, шахтам и буровым скважинам животные и бактерии могут опус­каться на гораздо большую глубину—до 2,5-3 км. Нефть, часто залегающая глубоко от поверхности земли, имеет своеобразную бактериальную флору. Проникновение зе­леных растений в глубь литосферы невозможно из-за отсутствия света. Животные не находят там питания. Механические свойства горных пород, слагающих литос­феру, также препятствуют распространению в них жиз­ни. Наконец, с продвижением в недра Земли темпера­тура возрастает и на глубине 3 км достигает 100°С. Следовательно, на глубине более 3 км от земной поверхности живые организмы существовать не могут.

С поверхности литосферы живые организмы прони­кают в нижние слои атмосферы — на высоту от несколь­ких сантиметров до нескольких метров. А растения воз­носят свои зеленые кроны иногда на несколько десят­ков метров. На несколько сотен метров в атмосферу проникают насекомые, летучие мыши и птицы. Восходящие токи воздуха могут поднимать на несколько кило­метров покоящиеся стадии (споры, цисты, семена) жи­вотных и растений. Однако организмы, проводящие всю свою жизнь в воздухе, т. е. связанные с ним как с ос­новной средой обитания, не известны.

Верхняя граница - озоновый слой

20000

Стратосфера

10000 Эверест (8848 м)

почва

Тропосфера

Литосфера Гидросфера

Филиппинская впадина (10830 м)

Нефтяные воды

(присутствие бактерий)

3000 Нижняя граница

Гидросфера в отличие от атмосферы и литосферы заполнена жизнью по всей своей толще. Повсюду, куда проникали орудия сбора, исследователи находили жи­вые организмы. Из этого мы можем заключить, что жид­кая вода является более важным лимитирующим факто­ром в расселении организмов, чем свет. Так, самые жар­кие пустыни формально находятся вне биосферы. Однако фактически они могут считаться парабиосферными (околобиосферными), так как живые организмы там все же есть. Например, в пустынях Намиб и Калахари под сло­ем сухого песка встречаются насекомые (жуки-чернотелки), существующие за счет приносимых ветром сухих пылевидных остатков растений; питаясь ими, насекомые получают метаболическую воду.

Протяженность биосферы ввысь ограничена в основ­ном недостатком жидкой воды и низким парциальным давлением углекислого газа. В горах хлорофилосодержащие растения, видимо, не могут жить на высоте более 6200 метров (Гималаи). На еще больших высотах встречаются некоторые животные, например пауки. Они питаются ногохвостками, а те, в свою очередь, довольствуются зер­нами пыльцы, заносимыми сюда ветром. Высокогорную область биосферы называют эоловой зоной.

Если лимитирующими факторами биосферы являются жидкая вода и солнечный свет, то оптимум жизни прихо­дится на поверхность раздела сред. Исследования фото­синтеза показали, что часто наибольший выход органи­ческих веществ дают растения, способные использовать все три фазы: твердую, жидкую и газообразную. Примером может служить тростник обыкновенный, Phragmites communis. Всасывание воды для него облегчается постоян­ным давлением жидкости на донные осадки. Необходи­мый для существования углекислый газ тростник получает из газообразной среды, в которой скорость проникновения газа через поглощающие поверхности наиболее вы­сока; кислород тоже легче получать из воздуха, чем из воды; наконец, все остальные элементы легче извлекать из раствора в капиллярной воде осадка.

3. Первичная продукция биосферы

Предпринимались многочисленные попытки оценить первичную продукцию биосферы. Обширные простран­ства Земли попадают в категорию низкопродуктивных из-за таких лимитирующих факторов, как вода (в пустынях) или питательные вещества (в открытом море). Хотя пло­щадь суши составляет всего около 1/4 общей площади планеты, суша превосходит океаны по своей продуктив­ности, так как большая часть океанских вод в основном «пустынна». В Мировом океане значения пер­вичной продукции в разных районах существенно различаются. Наиболее продуктивны коралловые рифы, не уступающие даже тропическим лесам. Продуктивность от­крытых океанических зон ниже продуктивности зон апвеллинга и прибрежных районов и близка к таковой для тундры. Анализ оценок средних величин для больших площадей показывает, что продуктивность колеблется в пределах двух порядков — от 200 до 20 000 ккал на 1 м² в год, а общая валовая продукция Земли имеет величи­ну порядка 10¹⁸ ккал в год.

Чтобы биосфера продолжала существовать, не должен прекращаться круговорот основных химических элемен­тов. Скорость этих процессов может быть различной. Органическое вещество, которое ведет свое происхож­дение от атмосферного диоксида углерода, завершает цикл формирования за время, исчисляемое десятилети­ями. Круговорот кальция совершается значительно мед­леннее. В форме бикарбоната Са(НС0₃)₂ кальций смы­вается в реки из континентальных пород, осаждаясь за­тем в виде карбоната СаС0₃ в водах открытого океана главным образом в форме тончайших раковин фораминифер. Дно океана медленно перемещается к поясам го­рообразования на окраинах материков, и кальций воз­вращается на сушу. Круговорот завершается, по-види­мому, за несколько сотен миллионов лет. Фосфор, как мы знаем, по характеру своего круговорота схож с кальцием, а азот имеет больше сходства с углеродом, хотя его содержание в атмосфере гораздо выше.

В разных участках биосферы развитие жизни лимити­руется разными веществами. Можно сказать, что в пус­тыне жизнь ограничена недостаточным количеством во­дорода и кислорода в форме воды. В открытом океане лимитирующим фактором часто служит железо, обычно присутствующее в форме труднодоступной для организ­мов гидроокиси. В иных средах, например в почвах влаж­ных районов, в озерах, окраинных морях, лимитирующим фактором чаще всего является фосфор.

4. Организованность и устойчивость биосферы

Биосфера — это экосистема первого порядка, или глобальная. А в экосистеме должны быть сбалансированы все компоненты, от потока энергии, суб­страта, атмосферы, вод до биотической совокупности. Последняя является управляющей системой по отноше­нию к абиотической совокупности. В биотической сис­теме управляющей подсистемой служат консументы, так как от них зависит степень использования первичной про­дукции и в конечном итоге стабильность системы в це­лом. По правилу Эшби, управляющая подсистема или управляющая система должна быть организована не ме­нее сложно, чем управляемая; возможно, в этом лежит разгадка тайны, почему на Земле так много животных, особенно насекомых. Поэтому глобальная экологическая пирамида имеет вид волчка. Принцип строения глобальной экологической пирамиды следую­щий: каждый из основных уровней (продуценты — консументы — редуценты) изображается в форме цилинд­ра, высота которого — биомасса, а диаметр — количество видов. Соотношения диаметров острия, маховика и стержня «вол­чка жизни» могут быть в разных экосистемах различными, но чтобы волчок не падал, они не могут быть произвольными.

Внутри биосферы должны быть (территориально сбалансированы экосистемы более низкого поряд­ка. Иными словами, на Земле должно быть необходимое количество тундр, лесов, пустынь и т. д. — как биомов, а внутри биома тундр (должна сохраняться оптимальная тундровость, внутри биома хвойных лесов — оптимальная лесистость и т. д. И так до самых мел­ких биогеоценозов.

Значительные преобразования внутри биомов и смещение в них равновесия между экосистемами низшего порядка неми­нуемо вызывают саморегуляцию на высшем уровне. Это отражается на многих природных процессах—от изме­нения глубины залегания грунтовых вод до перераспре­деления воздушных потоков. Аналогичное явление наблю­дается и на уровне очень крупных систем биосферы при изменении соотношения между территориями биомов. В ходе освоения земель, в самом широком понимании этого слова, нарушается и компонентное, и территориальное равновесие. До определенной степени это допу­стимо и даже необходимо, ибо только в неравновесном состоянии экосистемы способны давать полезную про­дукцию (вспомним формулу чистой продукции сообще­ства). Но, не зная меры, человек стремится получить боль­ше, чем может дать природа, забывая, что запасы имеют фундамент из великого множества элементов, пока не входящих в понятие «ресурсы».

Современное потребление продукции биосферы до­стигло 7% чистой первичной продукции суши, и это уже привело к нарушению биохимического круговорота в био­сфере, замкнутость которого может поддерживаться биотой только для биологически накапливаемых биогенов. По расчетам В. Г. Горшкова (1986, 1988), такая ситуа­ция будет продолжаться до тех пор, пока потребление первичной продукции не станет превышать 1% (доля по­требления продукции всеми крупными животными). Од­нако для возвращения биосферы в стационарное состо­яние человечеству придется затрачивать энергию и труд, так как необходимо будет взять на себя те функции, ко­торые раньше выполняла биосфера. Челове­честву пора оценить свои энергетические и прочие возможности для собственного спасения.