Тема 2. Биосфера – среда жизни человека

Биосфера и человек. Биосфера — оболочка Земли, заселённая живыми организмами и преобразованная ими. Границы биосферы охватывают:

• гидросферу (до глубины около 12 км),

• нижний слой атмосферы до высоты 20 км – выше озоновый слой, поглощающий большую часть ультрафиолетовой радиации, выше этого защитного слоя живые организмы погибают;

• и верхний слой литосферы (глубиной около 4 км).

В биосфере жизнь существует даже в крайне неблагоп­риятных условиях. Одни живые организмы обитают на больших глубинах, где давление превышает 1000 атм, дру­гие выносят атмосферное давление в несколько долей на боль­шой высоте. Ряд бактерий переносит давление до 12 000 атм. Некоторые формы жизни выносят температуру от абсолют­ного нуля (-273°) до + 180°. Семена и споры растений, мел­кие животные в состоянии анабиоза сохраняют жизнеспо­собность в полном вакууме.

Некоторые живые организмы приспособились жить в бес­кислородной среде, в ёмкостях с бродящим уксусом, в насыщенном растворе поваренной соли, концентрированном растворе медного купороса, фторида натрия. Серные бакте­рии обитают даже в растворах серной кислоты.

Особо устойчивые формы жизни могут существовать даже в условиях радиации. Ряд инфузорий вы­держивает излучение, в 3 млн раз превышающее естественный радиационный фон на поверхности Земли. Даже в котлах ядерных реакторов были обнаружены бактерии.

Устойчивость биосферы поддерживается благодаря кру­говороту веществ и энергии.

Примерно половина солнечного излучения, поступающе­го на Землю, тратится на испарение воды. С водной поверх­ности Земли воды испаряется гораздо больше, чем с суши. Осадков же выпадает больше над сушей, чем над водным пространством. Вода, попадая на землю, растворяет часть минеральных солей, выносит их в реки, озера и далее — снова в океан, уравнивая количество испарённой влаги и выпавших осадков. Так совершается большой гео­логический круговорот веществ в природе.

Кроме испарения воды энергия солнечного излучения преобразуется в органи­ческую материю благодаря фотосинтезу, в резуль­тате которого возникает биологический (малый) кругово­рот веществ в природе. На создание органического веще­ства затрачивается всего около 0,2% поступающей на Землю солнечной энергии, и этого оказывается достаточно для вос­производства растениями зелёной массы и выработки кис­лорода.

Образуемые зелёными растениями органические вещества служат пищей для других существ, а выделяемый кислород обеспечивает процессы дыхания. Сущность биологического круговорота — создание и разру­шение органических соединений, тогда как в геологическом круговороте осуществляется простой перенос минеральных веществ в виде механических частиц и водных растворов.

Все остальные круговороты — воды, углерода, азота — связаны с биологическим и способствуют ему.

Перемещения углекислого газа в биосфере Земли:

• углекислый газ поглощается растениями в процессе фотосинтеза, образуя растительную массу, которая со вре­менем перемещается в литосферу в виде угля, торфа, не­фти, газа, горючих сланцев, осадочных горных пород;

• растворяясь в водах Мирового океана, углекислый газ с помощью живых организмов либо химических реакций со­единяется с кальцием и образует мощные толщи карбонат­ных пород;

• в результате антропогенного воздействия содержание СО₂ в атмосфере постоянно растёт из-за сжигания горючих ис­копаемых, и вырубки лесов. Это приво­дит к нарушению баланса в природе между атмосферой, материками и океанами.

Экологическая система (экосистема) — биологическая система, состоящая из сообщества живых организмов (биоценоз), среды их обитания (биотоп) и системы связей, осуществляющей обмен веществом и энергией между ними. Одно из основных понятий экологии.

Основными компонентами экосистем являются:

• неживая среда — вода, минеральные вещества, газы, органические вещества;

• живые компоненты: продуценты, консументы, редуценты.

К продуцентам (производителям) относятся су­щества, строящие из неорганических материалов органические вещества. Такую работу выполняют в процессе фотосин­теза зелёные растения, производящие с помощью солнечной энергии из двуокиси углерода, воды и минераль­ных веществ органические соединения, составляют пищу животных, в т. ч. человека. При этом высвобождается свободный кислород используемый для дыхания.

Консументы (потребители) — живые существа, исполь­зующие растительную продукцию. Организмы, питающиеся только растениями, называются консументами первого по­рядка. Организмы, питающиеся преимуществен­но мясом, называются консументами второго порядка.

Редуценты (разлагатели) — организмы, разлагающие отмершие существа, например растительные остатки или трупы животных, и превращаю­щие их снова в исходное сырье — воду, минеральные веще­ства и углекислый газ, которые пригодны для продуцентов, преобразующих эти составные части снова в органические вещества.

Пример экосистемы — пруд с обитающими в нём растениями, рыбами, беспозвоночными животными, микроорганизмами, составляющими живой компонент системы, биоценоз. Для такой экосистемы характерны показатели донных отложений, химического состава и физических параметров (прозрачность воды, годичные изменения температуры), а также показатели биологической продуктивности.

Другой пример экосистемы — лиственный лес с характерными для него лесной подстилкой, типом почвы, растительным и животным миром и определённым микроклиматом.

Примерами естественных экосистем могут служить луг, лес, классическим примером искусственной экосистемы является космический корабль.

Природа в высшей степени экономна. Естествен­ные ненарушенные экосистемы удерживают равновесие. Со­зданная организмами биомасса и содержа­щаяся в них энергия передаются другими членам экосистемы: животные поедают растения, этих животных поедают другие животные. Этот процесс называют пищевой цепью. Примеры пищевых цепей: растение  растительно­ядное животное  хищник; злак  полевая мышь  лисица.

Как правило, каждый консумент питается не одним — единственным видом организмов, а многими. Эти связи перепле­таются, образуя пищевую сеть. Чем сильнее организмы связа­ны между собой пищевыми сетями и другими взаимодействия­ми, тем устойчивее сообщество против возможных воздействий.

В замкнутых круговоротах естественных экосистем обязательно участие редуцентов. В городских и искусственных экосистемах их мало или со­всем нет, поэтому жидкие, твёрдые и газообраз­ные отходы накапливаются, загрязняя окружающую среду. В отношении потребности в энергии природные и антропо­генные экосистемы сходны. И при­родным, и искусственным экосистемам — домам, городам, транспорту — требуется поступление энергии из­вне. Естественные экосистемы получают энергию от Солнца, которое посылая энергию, не загрязняет природную среду. Человек же, создавая изделия в основном за счёт угля, нефти и газа, дающих не только энергию, но и пыль, газы, тепловые и другие загрязнения, вредящие окружающей среде и не поддающиеся утилизации.

Естественные экосистемы и их продуктивность. Естественные экосистемы – пространственно ограниченная часть природной среды, в которой живые организмы и неживые её элементы взаимодействуют, как единое целое и связаны между собой обменом веществ и энергией. Естественные экосистемы отличаются значительным видовым разнообразием, существуют длительное время, они способны к саморегуляции, обладают большой стабильностью, устойчивостью и целостностью системы, т. е. экологическим равновесием. Нарушение этого равновесия приводит к неблагоприятным экологическим последствиям.

Для естественной экосистемы характерны три признака:

• совокупность живых и неживых компонентов;

• полный цикл круговорота веществ, начиная с создания органического вещества и заканчивая его разложением на неорганические составляющие;

• сохранение продолжительной устойчивости.

Природные экосистемы находятся под прямым или косвенным воздействием человека. Поэтому с ростом численности населения и научно-технической вооружённости всё больше экосистем испытывает влияние человека. Все компоненты экосистемы взаимосвязаны, устойчивое соотношение видов складывается веками. Поэтому появление любого нового организма, не свойственного данной экосистеме, может нарушить естественное равновесие.

В 1859 г. в Австралию были завезены 24 кролика. Колония плодовитых грызунов стала стремительно размножаться. Они съедали всю траву на пастбищах и лишали корма овец, разведение которых было главным занятием фермеров. Отстрел, ловчие ямы, яды — ничего не помогало. Естественные хищники, которые питались бы кроликами, в местной фауне отсутствовали. Небывало высокие темпы размножения кроликов в благодатных условиях перекрывали любую гибель этих зверьков. Появилось выражение — «кролики съели Австралию». Эти травоядные существенно подорвали кормовую базу скотоводства на континенте и нанесли огромный урон урожаю сельскохозяйственных культур. Было предложено множество способов борьбы, но ни один не был продуктивным. И вот в 1950 г. несколько групп кроликов были заражены инфекционным вирусным заболеванием. Больных животных выпустили в нескольких районах Австралии. Несмотря на то, что полного истребления кроликов не произошло, их численность никогда уже не достигала прежнего, угрожающе высокого уровня. Наука одержала победу.

Продуктивность естественных экосистем — их биомасса, производимая сообществом на единице площади за единицу времени. Продуктивность может быть отнесена к численности отдельных видов.

Для биологической продуктивности недостаточно только минеральных питательных веществ, она главным образом зависит от соотношения тепла и влаги, т. е. от положения в широтной, долготной и высотной зон. Так, в зоне экваториальных равнинных лесов прирост растительной биомассы достигает 4000 т/га в год, а в тундре — до 3,4 т/га.

Человек заинтересован в повышении биологической продуктивности экосистем, т. к. это увеличивает возможности использования биологических ресурсов природы. Но иногда она может приводить к вредным последствиям (чрезмерное развитие — сине-зелёных водорослей).

Принцип экосистемы используется при разработке биологических систем человека в условиях изоляции от биосферы Земли, например в космических или подводных аппаратах.

Сельскохозяйственные экосистемы (агроэкосистемы). Главная цель их создания – рациональ­ное использование сельхозугодий для получения пищевых продуктов, кормов, сы­рья, лекарственных препаратов. Сюда же относятся создаваемые лесные культуры.

Агроэкосистемы создаются для получения высокого урожая. В них снижено разнообразие видов — снижение видов культивируемых растений снижает и видовое разно­образие животного населения сообщества; видовое разнооб­разие разводимых человеком животных ничтожно мало по сравнению с природным.

Растения и животные, культивируемые челове­ком, генетически не­конкурентоспособны в борьбе с дикими видами без поддерж­ки человека. Агроэкосистемы получают дополнительную энергию, спонсируемую человеком.

Чистая продукция (урожай) удаляется из экосистемы и не поступает в цепи питания биоценоза, а частичное её ис­пользование вредителями, потери при уборке, которые тоже могут попасть в естественные цепи, всячески пресекаются человеком.

Экосистемы полей, садов, пастбищ, огородов и дру­гих агроценозов — это упрощённые системы, поддерживае­мые человеком, они неустойчивы и неспособны к саморегуляции, а потому не могут существовать без поддержки человека.

В агроценозах значительно чаще происходит чрезмерное уве­личение отдельных видов, названное «экологиче­ским взрывом». Из истории известны «эко­логические взрывы»: в конце XIX столетия грибок фитофторы уничтожил картофель во Франции и вызвал голод, а колорад­ский жук распространился в Америке до Атлантического океа­на и в начале XX в. проник в Западную Европу, в 40-х гг. — в европейскую часть России. В тяжёлое послевоенное время этот жук буквально «очищал» наши поля, поскольку мы были не готовы к его нашествию.

Чтобы такое не происходило, человек вынужден искус­ственно регулировать численность вредителей. При этом часто мнение человека не совпадает с «мнением» при­роды об избыточной численности того или иного вредителя. Поэтому в сельскохо­зяйственной практике человек применяет такие средства для подав­ления вредителей и в таком количестве, что они воздействуют во множество раз сильнее, чем природные регуляторы.

Упрощение природного окружения человека, с экологиче­ских позиций, очень опасно. Поэтому нельзя превращать весь ландшафт в агрохозяйственный, необходимо сохранять и умно­жать его многообразие, оставляя нетронутые заповедные уча­стки, которые могут быть источником недостающих в сообществе видов.

Промышленные экосистемы, как и сельскохозяйственные, созданы человеком. В них оптимизируется ис­пользование сырьевых и энергетических ресурсов, сво­дится к минимуму образование отходов, а отходы одних производств служат сырьём для других.

Промышленная экосистема — это взаимосвязанная сеть предприятий в регионе, которые используют по­путно образующиеся продукты, отходы и энергию по од­ному из следующих направлений:

— уменьшение объёмов потребляемого первичного сырья;

— снижение степени загрязнения окружающей сре­ды;

— эффективное использования энергии;

— уменьшение количества отходов и др.

Примеры:

• предприятие передаёт избыточный дешёвый газ другому предприятию в этой же промзоне,

• предприятие передаёт избытки горячей воды или пара для обогрева города (приостановлена работа котельной), или для прудов для разведения рыбы;

• цементный завод использует золу электро­станции.

Промышленная экосистема позволяет вовлечённым предприятиям снизить затраты на производство продук­ции и уменьшить загрязнение воздуха, воды и почвы.

С появлением людей на Земле началось их влияние на круговорот веществ и энергии в биосфере, началась её трагедия. Человечество, разрастаясь и распространяясь по планете, оттесняло других обитателей природы. Да и саму природу оно отбросило на задворки биосферы, заменяя последнюю техносферой, или биотехносферой.

Техносфера – это в прошлом часть биосферы, технически преобразованная человеком для наибольшего соответствия своим потребностям. Создавая техносферу, человек стремился к повышению комфортности среды, к росту коммуникабельности, к защите от неблагоприятных воздействий. Все это положительно повлияло на условия жизни и в совокупности с другими факторами (медицинское обслуживание и т. п.) на продолжительность жизни людей.

Но создание техносферы, предназначенной максимально удовлетворять потребности в комфорте и безопасности, далеко не оправдало надежды людей. Нерациональная хозяйственная деятельность, многократно усиленная достижениями научно-технического прогресса, привела к повреждению и исчерпанию природных ресурсов, деформации сложившегося на протяжении миллионов лет естественного круговорота веществ и энергетических потоков на планете, нарушению динамического равновесия земной экосистемы.

В глобальной экосистеме, являющейся единым целым, ничто не может быть выиграно или потеряно. Все, что добыто из неё, должно быть возвращено.

Техносфера включает в себя регионы, города, промышленные зоны, производственную и бытовое среду.