Лекция № 1
Тема: Основные положения учения о биосфере
Цель: Дать основные понятия и определения учения о биосфере; сформировать у студентов представления о строении биосферы Земли
Биосфера, согласно учению академика В.И. Вернадского, представляет собой наружную оболочку Земли, включающую все живое вещество и область его распространения (среду обитания). Верхняя граница биосферы — защитный озоновый слой в атмосфере на высоте 20—25 км, выше которого жизнь невозможна ввиду воздействия ультрафиолетового излучения. Нижней границей биосферы являются: литосфера до глубины 3—5 км и гидросфера до глубины 11—12 км (рис. 1).
Рис 1. Строение биосферы (по В.И. Вернадскому)
Компоненты биосферы: атмосфера, гидросфера, литосфера — выполняют важнейшие функции по обеспечению жизни на Земле.
Биосфера возникла около 4,5 млрд лет назад и прошла несколько этапов эволюционного развития: от первоначального круговорота органического вещества к биологическому круговороту — непрерывному обмену веществом и энергией между живыми организмами и окружающей средой в течение всей жизни организмов и после их смерти.
Важнейшими компонентами биосферы являются:
• живое вещество (растения, животные, микроорганизмы);
• биогенное вещество органического происхождения (уголь, торф, почвенный гумус, нефть, мел, известняк и др.);
• косное вещество (горные породы неорганического происхождения);
• биокосное вещество (продукты распада и переработки горных пород живыми организмами).
По В.И. Вернадскому, живое вещество является носителем свободной энергии биосферы и связано с неживым веществом биогенной миграцией атомов. Биомасса сухого вещества живых организмов Земли, включающих около 500 тыс. видов растений и 1,5 млн видов животных, чрезвычайно велика и составляет, примерно, 2,4232*1012 т. Ежегодный прирост живого вещества на Земле составляет около 8,8*1011 т. Через эти живые организмы прошло большое количество элементов верхней части литосферы, атмосферы и гидросферы.
Важным во взаимоотношениях организмов является пищевой — трофический фактор (от греч. trophe— пища). Первичное органическое вещество создают зеленые растения {продуценты — производители), используя солнечную энергию. Они потребляют углекислый газ, воду, соли и выделяют кислород.
Потребителей (консументов) можно разделит на два порядка:
I — организмы, питающиеся растительной пищей;
II — организмы, питающиеся животной пищей.
Редуценты (восстановители) — организмы, питающиеся разлагающимися организмами, бактерии и грибы. Здесь особенно велика роль микроорганизмов, до конца разрушающих органические остатки и превращающих их в конечные продукты (минеральные соли, углекислый газ, воду, простейшие органические вещества), поступающие в почву и вновь потребляемые растениями.
Все животные и растения избирательны к составу пищи в зависимости от необходимости в тех или иных минеральных элементах. Животные и растения — необходимые факторы среды по отношению к другим животным и растениям, они взаимно необходимы.
Любой организм приспособлен к существованию в достаточно узких пределах изменения условий окружающей среды, причем выход параметров среды за сложившиеся границы влечет за собой угнетение жизнедеятельности данного вида или его гибель. Границы распространения организма (ареал) обусловлены соблюдением необходимых требований данного организма к условиям (факторам) среды. Каждый вид занимает то место, которое обусловлено его требованиями к территории, пище, воспроизводству и другими функциями организма. Эта совокупность параметров среды для обитания вида, место, занимаемое им в биосфере, называется экологической нишей. Все факторы в экологической нише взаимосвязаны: изменение одного из них влечет за собой изменение других.
Способность живых организмов адаптироваться к факторам среды характеризуется экологической валентностью, или пластичностью.
Живые организмы находятся в постоянном взаимодействии с окружающей средой, состоящей из множества меняющихся во времени и пространстве явлений, условий, элементов, называемых экологическими факторами среды. Это любые условия окружающей среды, оказывающие длительное или кратковременное влияние на живые организмы, реагирующие на эти влияния приспособительными реакциями. Они делятся на абиотические (факторы неживой природы) и биотические (факторы живой природы). Принятый сегодня вариант классификации экологических факторов среды представлен в табл. 1.
Таблица 1 Классификация экологических факторов среды
Абиотические |
Биотические |
Климатические: свет, температура, влага, движение воздуха, давление |
Фитогенные: растительные организмы |
Эдафогенные («эдафос» — почва): механический состав, влагоемкость, воздухопроницаемость, плотность |
Зоогенные: животные |
Орографические: рельеф, высота над уровнем моря, экспозиция склона |
Микробиогенные: вирусы, простейшие, бактерии, риккетсии |
Химические: газовый состав воздуха, солевой состав воды, концентрация, кислотность и состав почвенных растворов |
Антропогенные: деятельность человека (в том числе строительная) |
Биотические экологические факторы определяют взаимоотношения организмов. Указанные факторы в этом случае называют трофическими, т.е. пищевыми.
Экологические факторы под действием вновь полученных химических веществ, которых нет в природе, и техногенных компонентов, созданных человеком, сильно изменены. Появляются вещества-загрязнители, что приводит к нарушению сапрофитного (поддерживающего равновесие в экосистеме) взаимодействия в природной среде. Это часто сопровождается гибелью животных, растений, приводит к нарушению функций, гибели всего живого и опустыниванию земли. Преобладающими видами в микробиоте становятся патогенные микроорганизмы, которые можно отнести к биологическим загрязнителям. Негативно изменяется состав атмосферы, повышается агрессивность подземных и грунтовых вод. На планете наблюдаются потепление, нарушение озонового слоя, учащаются кислотные дожди.
Все перечисленные факторы оказывают влияние не только на живые организмы (в том числе и человека), но и на памятники, и неучет даже одного из них может сказаться на качестве реставрации и даже привести к гибели памятника.
Живые организмы в природе существуют в виде популяций — исторически сложившихся естественных совокупностей особей данного вида, связанных взаимоотношениями и адаптацией в условиях определенного района или иного места обитания (биотопа). В естественных природных условиях численность и плотность популяции неслучайны, они определяются регулирующими (управляющими) экологическими факторами. Способность среды поддерживать нормальную жизнедеятельность организма или популяции называется емкостью экосистемы.
Экологическая система (экосистема) — это совокупность взаимосвязанных и взаимозависимых совместно обитающих различных видов организмов и условий их существования. В экосистеме связаны биоценоз (сообщество совместно живущих организмов) и биотоп (среда обитания). Основные типы природных экосистем на Земном шаре перечислены на рис. 2.
Рис. 2. Основные типы природных экосистем
Академик В.Н. Сукачев предложил понятие биогеоценоз (от греч. биос — жизнь, Гея — Земля, ценоз — общий) — природная система живых организмов и окружающей их абиотической среды, связанная обменом — веществами, энергией и информацией. Сейчас термины «экосистема» и «биогеоценоз» принято считать практически синонимами.
В состав биогеоценоза входят:
• растительный компонент (фитоценоз);
• животный компонент (зооценоз);
• микроорганизмы (микробиоценоз);
• почва и почвенно-грунтовые воды, во взаимодействии с растительным, животным компонентами и микроорганизмами образующие эдафотоп;
• атмосфера, которая, взаимодействуя с другими компонентами, образует климатоп;
• неживая природа, представляющая собой косное вещество — экотоп.
Таким образом, биогеоценоз — пространственно обособленная, целостная элементарная единица биосферы, все компоненты которой тесно связаны между собой. Основными компонентами биогеоценоза являются три группы организмов — растения, животные и микробы, с помощью которых вещества движутся от одного компонента к другому, отражая известную общую закономерность круговорота веществ в природе.
Экологические компоненты биогеоценоза (или ландшафта, или средообразующие компоненты) в экологии рассматриваются как основные материально-энергетические составляющие экологических систем. К ним, по Н.Ф. Реймерсу (рис. 3.), относятся: энергия, газовый состав (атмосфера), вода (жидкая составляющая), почвосубстрат, автотрофы-продуценты (растения) и организмы — гетеротрофы (консументы и редуценты). Сегодня к этому перечню экологических компонентов прибавляют информацию.
Рис. 3. Экологические компоненты (по Н.Ф. Реймерсу)
Экологические компоненты обеспечивают круговорот веществ и закономерное прохождение потока энергии в биосфере. Энергия Солнца, попадая на растения, создает предпосылки для осуществления фотосинтеза и создания органического вещества с привлечением газов атмосферы и минеральных веществ из почвосубстрата. Органическое вещество растений потребляется животными и паразитическими растениями и, как растительное, так и животное, оно вновь разлагается после смерти микроорганизмами (редуцентами) на простые соединения (соли и газы), возвращающиеся, таким образом, в атмосферу и почвогрунты. Так поддерживается равновесие в системе и происходит замыкание цикла круговоротов в природе.
В то же время все экологические компоненты являются природными ресурсами, качество которых определяет качество жизни человека, а антропогенное нарушение взаимодействий между ними может это качество снизить.
В реальных экосистемах круговорот обычно бывает незамкнутым, так как часть веществ уходит за пределы экосистемы, а часть поступает извне. Но в целом принцип круговорота в природе сохраняется. Более простые экосистемы объединены в общую планетарную экосистему (биосферу), в которой круговорот веществ проявляется в полной мере — жизнь на Земле возникла миллиарды лет назад, и если бы не было замкнутого потока необходимых для жизни веществ, их запасы давно исчерпались бы и жизнь прекратилась.
Вмешательство человека отрицательно влияет на процессы круговорота. Например, вырубка лесов или нарушение процессов ассимиляции веществ растениями в результате загрязнений приводят к снижению интенсивности усвоения углерода. Избыток органических элементов в воде, возникающий под действием промышленных стоков, вызывает загнивание водоемов и перерасход растворенного в воде кислорода, что исключает возможность развития здесь аэробных (потребляющих кислород) бактерий. Сжигая ископаемое топливо, фиксируя атмосферный азот в продуктах производства, связывая фосфор в синтетических моющих средствах человек нарушает круговорот этих элементов.
Круговорот веществ в природе подразумевает общую согласованность места, времени и скоростей процессов, идущих на разных уровнях — от популяции до биосферы. Такую согласованность явлений природы называют экологическим равновесием; это равновесие подвижное, динамическое.
В экологической системе (без вмешательства человека) поддерживается равновесие, исключающее необратимое уничтожение тех или иных звеньев в трофических цепях. Человек в процессе своей деятельности постоянно воздействует на экосистему в целом, а также на ее отдельные звенья. Это может проявляться в виде введения в экосистему новых компонентов, в том числе загрязняющих веществ, либо уничтожения отдельных компонентов (отстрел животных, вырубка лесов и т.д.). Не всегда и не сразу эти воздействия ведут к распаду всей системы, нарушению ее стабильности. Но сохранение системы не означает, что она осталась неизменной. Система трансформируется, и оценить количество и направление возникших изменений крайне сложно.
Естественные регуляторы неспособны сохранить биоценоз при резких антропогенных воздействиях. За разрушением отдельных экосистем может последовать и разрушение биосферы в целом или существенное снижение ее продуктивности.
В результате производственной деятельности человека возник новый процесс обмена веществ и энергией между природой и обществом (при сохранении биологического обмена) — антропогенный обмен, который существенно изменяет общепланетарный круговорот веществ, резко ускоряя его. Антропогенный обмен отличается от биотического круговорота своей незамкнутостью, он носит открытый характер. На входе антропогенного обмена находятся природные ресурсы, а на выходе — производственные и бытовые отходы. Экологическое несовершенство антропогенного обмена заключается в том, что коэффициент полезного использования природных ресурсов, как правило, чрезвычайно низок, а отходы производства загрязняют природную среду. Более того, многие из них не разлагаются до природного состояния. Масштабы и скорость антропогенного обмена резко возрастают, вызывая заметное напряжение в биосфере.
На последнем этапе развития биосферы в мощную силу превратилась человеческая деятельность, необратимо и целенаправленно меняющая природную среду. Сформировалась биотехносфера — следствие социального и научно-технического развития человечества. Взаимоотношения между природой и человеком во многих случаях несбалансированы, ведут к угнетению окружающей среды (в частности, разрушению среды архитектурно-исторической), что может привести к деградации биосферы.
Сформированную строителями новую систему можно назвать природно-техногенной (ПТС). Процесс ее формирования, если он не откорректирован в соответствии с экологическими компонентами (другими словами, в соответствии с законами развития экосистемы), как правило, приводит к нарушению естественных взаимодействий в природной системе, в основном, за счет привнесения в нее «чуждых» компонентов, которые могут быть восприняты экосистемой как загрязнители. Недоучет этих взаимодействий при осуществлении строительной деятельности недопустим, так как он приводит к снижению качества строительства и ухудшает качество среды проживания.
Экологически необоснованная деятельность строителей и реставраторов наносит невосполнимый ущерб природному ландшафту и информационному компоненту экосистемы. Как отмечает Пруцын О.И., происходит разрушение архитектурно-исторической среды*: «Нарушается силуэтность пространственных композиций, гармоничная соподчиненность всего построения, ансамблевое единство. Силуэтность и пропорциональность, достигнутые в историческом периоде, необходимо полностью сохранить, ибо, благодаря классическим соотношениям они могут легко сочетаться с любой предстоящей застройкой».
Не следует забывать, что ландшафт — это всеобъемлющая и вневременная реальность, в которой существовал человек в доурбанистическую эпоху. Именно безукоризненное чувство ландшафта было присуще людям в прошлые века, когда постройки срастались с природным окружением. Архитектура прошлого и сегодня представляет собой школу мастерства зодчества и градостроительства на Руси. Уже начиная с XI в. власти города обязывали застройщиков соблюдать градостроительные правила и законы, регулирующие взаимосвязь между архитектурой и природой. На Руси с XI в. действовал византийский «Закон градский», записанный в кормчих книгах**. Среди его положений были, например, такие: «Только тогда здание можно увидеть по-настоящему, когда оно располагается на стройном месте. Прежде чем строить, осмотри внимательно местность. Выбери такое место, чтобы здание не мешало природе». Или такие: «...повелеваем, чтобы обновляющий ветхий двор не отнимал у соседа света и не лишал его их вида, не изменял первоначального образа»; «...не загораживай насильственно вида соседу, если он прямо видит море, стоя на своем дворе». И сегодня в строительной и реставрационной деятельности основополагающей должна стать «природная» логика.
На этапе развития разумного отношения к сохранению природы должно произойти постепенное превращение биотехносферы в ноосферу — сферу разума, которая, по В.И Вернадскому, является неизбежным и закономерным этапом развития биосферы.
Доказательством начала такого превращения является принятая ООН концепция «устойчивого развития», «устойчивого строительства», «устойчивой реставрации», напрямую связанная с понятием «устойчивость экологическая». Последняя подразумевает способность экосистемы сохранять свою структуру и функциональные особенности при воздействии внешних факторов. Нередко «устойчивость экологическая» рассматривается как синоним экологической стабильности.
Литература
1. Вернадский В.И. Биосфера. М.: Мысль, 1967
2. Вернадский В.И. Живое вещество. М.: Наука, 1976
3. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения, М.: Наука, 1965
4. Биосфера: Сб./под ред. М.С. Гилярова. М.: Мир, 1972
5. Вернадский В.И. Очерки геохимии. М.: Наука, 1983
6. Каталог биосферы. М.: Мысль, 1991
7. Медоуз Д.Х., Медоуз Д.Л., Рандерс И. За пределами роста – М.: Прогресс Пангея, 1994