Фундаментальная экология

Лекция 2. БИОСФЕРА И ЧЕЛОВЕК

План лекции

1. Основные учения о биосфере.

2. Биосфера как единое пространство, в котором сосредоточена жизнь.

3. Границы биосферы.

4. Человек как неотделимая часть природного сообщества.

5. Источники угрозы разрушения основных элементов биосферы.

6. Учение В.И.Вернадского о «ноосфере».

В настоящее время становится предельно ясным, что среда, в которой мы живем, сформирована жившими организмами различных геологических эпох. По образному выражению Б. Коммонера, окружающая среда – «это дом, созданный на Земле жизнью и для жизни». При этом каждое поколение организмов этот дом совершенствовало соответственно изменявшимся условиям и обитающим в нем существам. Эти истины стали понятны людям далеко не сразу.

Впервые понятие «биосфера» (от греч. “bios”- жизнь, “shaira”- шар) было введено в биологию французским натуралистом Жаном-Батистом Ламарком в начале ХIX в.

Термин «биосфера» в научную литературу введен австрийским ученым геологом Эдуардом Зюссом в 1875 г. К биосфере он отнес все то пространство атмосферы, гидросферы и литосферы (твердой оболочки Земли), где встречаются живые организмы.

Но основы науки о биосфере были заложены только в первой половине ХХ в. трудами академика Владимира Ивановича Вернадского (1863-1945 гг.). Если с понятием «биосфера», по Э.Зюссу, связывалось только наличие в трех сферах земной оболочки живых организмов, то, по В.И.Вернадскому, им отводится роль главнейшей геохимической силы. При этом в понятие биосферы включается преобразующая деятельность организмов не только в границах распространения жизни в настоящее время, но и в прошлом. В таком случае под биосферой понимается все пространство (оболочка Земли), где существует или когда- либо существовала жизнь, то есть где встречаются живые организмы или продукты их жизнедеятельности. В.И. Вернадский не только конкретизировал и очертил границы жизни в биосфере, но, самое главное, всесторонне раскрыл роль живых организмов в процессах планетарного масштаба. Он показал, что в природе нет более мощной геологической (средообразующей) силы, чем живые организмы и продукты их жизнедеятельности. Живое вещество служит передаточным звеном между космосом и Землей, потому что аккумулирует энергию космоса, трансформирует её в энергию земных процессов (химическую, механическую, тепловую, электрическую), непрерывно обменивается веществом с косной (неживой) материей, обеспечивая образование нового живого вещества и определяя тем самым эволюцию биосферы.

Учение В.И.Вернадского о биосфере произвело переворот во взглядах на глобальные природные явления, в том числе на геологические процессы, их причины и эволюцию.

Ту часть биосферы, где живые организмы встречаются в настоящее время, обычно называют современной биосферой или «необиосферой», а древние биосферы относят к палеобиосферам.

По современным представлениям, необиосфера в атмосфере простирается примерно до озонового экрана (у полюсов 8-10 км; у экватора – 17-18 км; над остальной поверхностью Земли – 20-25 км). За пределами озонового слоя жизнь невозможна из-за воздействия губительных космических ультрафиолетовых лучей. Гидросфера практически вся, в том числе и самая глубокая впадина (Марианская – 11022 м) мирового океана, занята жизнью. К необиосфере следует отнести также и донные отложения, где возможно существование живых организмов. В литосферу жизнь проникает на несколько метров, ограничиваясь в основном почвенным слоем, но по отдельным трещинам и пещерам она распространяется на сотни метров.

В биосфере Земли В.И.Вернадский выделил семь различных и в то же время взаимосвязанных видов веществ:

живое вещество – совокупность всех живых организмов на планете (растения, животные, микроорганизмы);

биогенное вещество – вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами на протяжении геологической истории (каменный уголь, нефть, известняки, битумы и др.);

косное вещество (твердое, жидкое, газообразное) – вещество неорганического происхождения (минералы, глина и др.);

биокосное вещество – создается одновременно в процессах жизнедеятельности живых организмов и в процессах неорганической природы, причем организмы играют ведущую роль (почвы, природные воды, илы);

радиоактивные вещества – вещества, находящиеся в процессе радиоактивного распада (радий, уран, торий и др.);

рассеянные атомы – непрерывно образующиеся из различных видов земного вещества под влиянием космического излучения (химические элементы);

вещества космического происхождения – метеориты, пыль, протоны, нейтроны, электроны.

Важнейшими компонентами биосферы по качеству и значительными по количеству являются первые четыре вида веществ. Наиболее химически и геологически активным является именно живое вещество. При его участии образуются биогенные и биокосные вещества. Живое вещество контролирует все основные химические превращения в биосфере, несмотря на незначительный объем, который можно представить, если выделить его в чистом виде и распределить равномерно по поверхности Земли. Это будет слой всего около 2 см или крайне незначительная доля от объема всей биосферы, толща которой измеряется десятками километров. В чем же причина столь высокой химической активности и геологической роли живого вещества? Это, прежде всего, обусловлено такими его свойствами:

способность быстро занимать (осваивать) все свободное пространство;

движение не только пассивное (под действием силы тяжести, гравитационных сил и т.п.), но и активное;

устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти;

высокая приспособительная способность (адаптация) к различным условиям;

феноменально высокая скорость протекания реакций;

высокая скорость обновления живого вещества.

Все перечисленные свойства живого вещества обуславливаются концентрацией в нем больших запасов энергии.

С учетом данных современной науки и основ учения В.И.Вернадского о биосфере выделяют пять основных функций биосферы и живого вещества:

1. Энергетическая – выполняется в основном растениями. В основе этой функции лежит процесс фотосинтеза, т.е. аккумулирование растениями солнечной энергии и дальнейшее её перераспределение между остальными компонентами биосферы. Часть энергии накапливается в отмершей органике, образуя залежи биогенного вещества (торф, уголь, нефть), а часть рассеивается в пространстве в виде тепла.

2. Газовая – обеспечивает газовый состав биосферы в процессах миграции и превращения газов, большая часть которых имеет биогенное происхождение.

3. Концентрационная – заключается в избирательном извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов окружающей среды, обуславливая большую разницу в составе живого и косного вещества планеты. В результате этой деятельности образуются залежи горючих ископаемых, известняки, рудные месторождения и т.п.

4. Деструктивная – обуславливает процессы, связанные с разложением мертвой органики, с химическим разрушением горных пород и вовлечением образовавшихся веществ в биотический круговорот. В результате этого образуются биокосные и биогенные вещества, происходит минерализация органики, т.е. превращение её в косное вещество. Основной механизм этой функции связан с круговоротом веществ.

5. Средообразующая – состоит в трансформации химических параметров среды в условия, благоприятные для существования организмов.

Для существования человека и удовлетворения его потребностей существует так называемая биогеосфера, или «пленка жизни». Это высоты до 3 км, вглубь земли до 10 м и вглубь моря до 100 м. Но эти предельные высоты и глубины, в общем-то, экзотика. Вас, в первую очередь, должно интересовать то, что находится на поверхности Земли в городе, поселке, деревне или возле них. Здесь должны быть точки приложения вашего труда, чтобы облагородить человека, то есть создать ему комфортные условия, которые не дает природа в естественном виде.

Положение человека в биосфере двояко. Как биологические объекты люди зависят от физических факторов среды и связаны с питанием, дыханием, обменом веществ. Человеческий организм имеет свои приспособительные возможности, которые выработались в ходе биологической эволюции. Изменение физической среды обитания отражается на здоровье и работоспособности людей. В отклоняющихся от оптимальных условий среды человек затрачивает много сил и средств на создание и поддержание комфортных условий. Однако главным условием поддержания этих комфортных условий является взаимодействие человека с окружающей средой через создаваемую им культуру. Этим человек отличается от всех других видов живых организмов.

Создавая все более современную технику, технологию и материалы, люди стараются создать среду обитания, по возможности не зависящую от капризов природы. Человек, будучи творческим существом, тем не менее сам является творением природы в буквальном смысле этого слова и остается неотделимой частью природных сообществ, если, конечно, придерживаться теории Ч.Дарвина об эволюции живой природы, а не инопланетной природы человека. То есть человеку нужно постоянно в своей деятельности искать золотую середину, и это в первую очередь относится к технологам. Деятельность должна быть экологичной. Производство положительно влияя на окружающую среду и человека не должно негативное воздействовать на биосферу.

При этом следует учитывать, что жизнь человеческого организма возможна только в определенных условиях: состав атмосферы, температура, структура солнечного излучения, наличие и чистота воды и пищи и др. Наряду с этим производство продуктов питания почти на 100% зависит от природных ресурсов: почвы и водных экосистем (гидропоника и искусственные системы дают незначительное количество продуктов питания). Особое значение для жизни человека имеет количество пресной воды, которая является природным ресурсом и важнейшей составной частью биосферы – самым удивительным минералом, как назвал ее профессор А.М.Черняев в своей книге «Поэзия и проза воды» [22]. Важную роль в жизнеобеспечении играют и природные источники энергии, тоже являющиеся составной частью биосферы. В настоящее время уже отчетливо обозначилась ограниченность данного вида природных ресурсов. Это же можно сказать о запасах пресной воды и о плодородии почвенного слоя Земли. Есть еще один фактор, который нельзя не учитывать – это перенаселение Земли. Многие из перечисленных проблем в России еще остро не чувствуются. Но мы живем на одной планете, и наступит время, когда придется потесниться.

Техническая мощь человечества достигла масштабов, соизмеримых с биосферными процессами. Человеческая деятельность на планете изменяет климат, влияет на химический состав атмосферы и мирового океана. Таким образом, с вхождением человечества в индустриальную стадию своего развития возникла угроза разрушения всех элементов биосферы: атмосферы, гидросферы и литосферы. В первую очередь это касается наиболее чувствительного к условиям существования биосферного слоя – биогеосферы.

Но уже сейчас вместе с техническим оснащением растет и научная вооруженность человеческого общества. Одним из успехов естествознания ХХ в. явилось осознание неразрывного диалектического единства природы и общества, необходимости перехода от концепции господства человека над природой к концепции взаимодействия с ней. В результате этого В.Н.Вернадским было разработано учение о ноосфере – сфере разума. Еще в начале 20-х г. ХХ в. В.И. Вернадский пришел к мысли, что изменение природы «силой культурного человечества становится явлением геологического масштаба. Человек как часть биосферы своим трудом многократно усиливает планетарную функцию живого вещества, она все больше становится управляемой человеческим разумом». Этот процесс неизбежно приводит к постепенному преобразованию земной биосферы в «мыслящую оболочку», сферу разума – ноосферу. Сам термин «ноосфера» В.И. Вернадскому не принадлежит. Это понятие возникло при обсуждении доклада В.И.Вернадского о развитии биосферы на семинаре в Париже в 1924 г. Его предложил французский философ Эжен Леруа.

Смысл учения В.И.Вернадского заключается в следующем. Появление Человека на Земле означало новый огромный шаг в эволюции планеты. Его активность многократно ускоряет все эволюционные процессы, темпы которых быстро растут по мере развития производительных сил и технической вооруженности. Дальнейшее неконтролируемое, не управляемое развитие людей таит в себе опасности, которые трудно предвидеть. Именно поэтому однажды наступит время, когда дальнейшая эволюция планеты, а следовательно, и человеческого общества должна направляться Разумом. Биосфера станет постепенно превращаться в сферу Разума – ноосферу. Однако этим определением исчерпывается все учение о ноосфере. Последовательного, научного описания процесса ноосферогенеза и самой ноосферы с её конкретными характеристиками не существует. Поэтому появилось много идей по данной проблеме. Широкий спектр мнений по этому вопросу охватывает диаметрально противоположные точки зрения. Так, некоторые ученые считают, что ноосфера – уже сформировавшееся явление. На Западе упоминания о ноосфере вообще отсутствуют, т.к. считается, что критерий разумности не стоит применять к человеческому обществу. Среди наших ученых ноосфера рассматривается экологическим идеалом, конечной целью устойчивого развития, когда мерой национального богатства станут духовные ценности и знания Человека, живущего в гармонии с окружающей средой.

Трудность современного восприятия нового состояния биосферы заключается в том, что в создающейся переходной биосферно-ноосферной общности, которую принято называть техносферой, уже нет первозданной исторически сложившейся организованности биосферы и еще нет новой организованности ноосферы. В техносфере утрачена часть присущих биосфере свойств авторегулирования, хотя свои основные параметры она сохраняет. В связи с этим хозяйственная и социально-культурная деятельность человека, общества, всего человечества рассматривается научным и обыденным сознанием как глобальный экологический фактор, отрицательно действующий на окружающую среду и даже разрушающий ее.

Лекция 3. ЭКОСИСТЕМЫ И ОСНОВЫ ИХ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

План лекции

1. Экосистемы и основы их жизнедеятельности.

2. Направления развития в экологии сообществ и экосистем.

3. Факторы, влияющие на устойчивость экосистем.

4. Популяционный уровень жизни.

Основным понятием и основной таксономической единицей в экологии является экосистема. Этот термин был впервые введен в употребление английским ученым А. Тэнсли в 1935 г., т.е. более полувека спустя после выделения экологии как отрасли научных знаний. Сторонники системного подхода для обозначения природных комплексов использовали и другие термины: «биокосное тело» (В.И. Вернадский), «холон» (А.Каспер), а в 1940 г. советский ученый В.Н. Сукачев ввел понятие «биогеоценоз».

Под экосистемой понимается любая система, состоящая из совокупности живых организмов и среды их обитания, объединенных в единое функциональное целое.

Экологические системы разных уровней представляют собой основные функциональные единицы биосферы. Это энергетически и структурно открытые системы, поддерживающие подвижное равновесие благодаря особой структурно-функциональной организации всех своих компонентов.

Любая экосистема состоит из двух взаимосвязанных блоков:

1. Биоценоз – комплекс взаимосвязанных живых организмов разных видов (растения, животные, микроорганизмы), обитающих в конкретной местности.

2. Биотоп или экотоп – факторы среды обитания.

Схематично можно записать:

Экосистема = биоценоз + биотоп.

В составе биотопа выделяют следующие абиотические (неживые) компоненты:

• неорганические вещества и химические элементы, участвующие в обмене веществ между живой и мертвой материей (диоксид углерода, вода, кальций, магний, калий, натрий, железо, азот, фосфор, сера, хлор и др.);

• органические вещества, связывающие абиотическую и биотическую части экосистем (углеводы, жиры, аминокислоты, белки, гуминовые вещества и др);

• воздушная, водная или твердая среда обитания;

• климатический режим и др.

В состав биоценоза входят биотические (живые) компоненты, которые состоят из трех функциональных групп организмов (схема 2).

Схема 2

Первая группа организмов – продуценты, или автотрофные организмы (греческие auto – сам, trophe –пища) создают органическое вещество из простых неорганических веществ с использованием энергии света (фотоавтотрофы) или энергии химических связей (хемотрофы).

Фотоавтотрофы используют в качестве источника энергии солнечный свет, а в качестве питательного материала – неорганические вещества, в основном углекислый газ и воду. К этой группе организмов относятся все зеленые растения и некоторые бактерии. В процессе жизнедеятельности они синтезируют на свету органические вещества – углеводы или сахара:

СО₂ + Н₂О = (СН₂О)n + О₂ .

Хемотрофы используют энергию, выделяющуюся при химических реакциях. К этой группе принадлежат, например, нитрифицирующие бактерии, окисляющие аммиак до азотистой и затем азотной кислоты:

2NH₃ + 3O₂ = 2HNO₂ + 2H2O + Q₁

2HNO₂ + O₂ = 2HNO₃ + Q₂ .

Химическая энергия, выделившаяся при этих реакциях, используется бактериями для восстановления углекислого газа до углеводов.

Вторая группа организмов – консументы (латинское consume – потребитель) первого, второго, третьего порядков, или гетеротрофные организмы (греческие heteros – другой, trophe – пища), потребляют готовое органическое вещество, но не доводят его до разложения до простых минеральных составляющих (животные, часть микроорганизмов, паразитические растения). Эти организмы используют органические вещества, которые создали продуценты, в качестве источника и питательного материала и энергии. Они делятся на фаготрофов (греческое phagos – пожирающий) и сапротрофов (греческое sapros – гнилой).

Фаготрофы питаются непосредственно растительными или животными организмами. К ним относятся в основном крупные животные – макроконсументы. Сапротрофы используют для питания органические вещества мертвых остатков.

Третья группа организмов – редуценты (латинское reducens – возвращающий), или деструкторы, разрушают сложные соединения мертвой органики, поглощают некоторые продукты разложения и высвобождают неорганические питательные вещества, пригодные для использования продуцентами, а также органические вещества, способные служить источником энергии для других биотических компонентов экосистемы. К редуцентам относятся главным образом микроскопические организмы (бактерии, грибы и др.) – микроконсументы.

Каждая группа организмов представляет собой трофический (пищевой) уровень или звено. Взаимосвязанный ряд трофических уровней представляет цепь питания, или трофическую цепь. Главное свойство цепи питания – осуществление биологического круговорота веществ и высвобождение запасенной в органическом веществе энергии.

Все элементы экосистемы тесно связаны между собой единством территории, общим потоком энергии (от Солнца к автотрофам, а от них – к гетеротрофам), обменом биогенных химических элементов, сезонными колебаниями климатических условий и взаимной приспособленностью видов всех уровней организации.

Как уже отмечалось, каждый биоценоз состоит из множества видов. Вид – естественная биологическая единица, всех членов которой связывает воедино участие в общем генофонде. Но виды входят в биоценоз не отдельными особями (наименьшая неделимая единица биологического вида, подверженная действию факторов эволюции), а популяциями. Популяция – совокупность особей одного вида, длительно занимающая определенное пространство, воспроизводящая себя в течение большого числа поколений и способная к саморегулированию. Таким образом, каждый вид в пределах занимаемой территории (ареала) распадается на популяции, размеры которых различны. В таком случае можно сказать, что биоценоз – это сумма популяций разных видов, взаимосвязанных между собой и с условиями среды.

В экологии часто пользуются термином «сообщество». Содержание этого термина неоднозначно. Под ним понимается и совокупность взаимосвязанных организмов разных видов (синоним биоценоза) и аналогичная совокупность только растительных организмов (фитоценоз) или животных (зооценоз), или микробного населения (микробоценоз).

Экосистемы, подобно организмам и популяциям, способны к саморегулированию, противостоя изменениям и сохраняя состояние устойчивого равновесия. Это свойство экосистем называется гомеостазом. Но для нормального функционирования экосистем необходим период эволюционного приспособления к условиям среды, который называется адаптацией.

Основными свойствами экосистемы являются:

• способность осуществлять круговорот веществ;

• противостоять внешним воздействиям;

• производить биологическую продукцию.

Экосистемы очень различны по размерам. Всю биосферу можно рассматривать как совокупность экосистем от глубокого океана до высокого леса. Определяя экосистемы таким образом, можно выделить:

• микроэкосистемы – небольшой водоем; труп животного с населяющими его организмами; ствол дерева в стадии разложения; аквариум, даже лужа или капля воды, пока они существуют и в них присутствуют живые организмы, способные осуществлять круговорот веществ;

• мезоэкосистемы – лес, пруд, река и т.п.

• макроэкосистемы – океан, континент, природная зона и т.п.

• глобальная экосистема – биосфера в целом.

Таким образом, более крупные экосистемы включают в себя экосистемы меньшего ранга. Образное (шутливое) определение экосистемы дал географ и писатель Г.К.Ефремов: «это любое природное образование от кочки до оболочки (географической)».

Существует такое понятие, как видовая структура экосистемы, под которым понимается количество видов, образующих экосистему, и соотношение их численности. Видовое разнообразие обычно тем значительнее, чем богаче условия (биотоп) экосистемы. В этом отношении самыми богатыми по видовому разнообразию являются экосистемы дождевых тропических лесов.

Разнообразие видов зависит также от возраста экосистемы. Молодые экосистемы крайне бедны видами, т.к. возникают на изначально безжизненном субстрате (отвалы пород при добыче полезных ископаемых). В хорошо сформировавшихся экосистемах преобладают 1, 2 или 3 вида, которые называются доминантными (господствующими). Наряду с доминантами в экосистемах выделяют виды – эдификаторы, которые являются основными образователями среды.

Каждый вид или его части (популяция, группировка) занимают определенное место в окружающей среде, т.е. экологическую нишу. Под экологической нишей понимают обычно место организма в природе и весь образ его жизнедеятельности или, как говорят, жизненный статус, включающий отношение к факторам среды, видам пищи, времени, способам питания, местам размножения, укрытий и т.п. Понятие «жизненный статус» значительно объемнее и содержательнее понятия «местообитание». Американский эколог Ю. Одум образно назвал местообитание адресом организма (вида), а экологическую нишу – его профессией [13].