1679

общего объема гидросферы. Причем большая часть пресных вод сосредоточена в виде льда у полюсов планеты. Таким образом, хотя общий запас воды на Земле значителен, запасы пресной воды очень малы.

Мировой океан является источником многих минеральных ресурсов. В морской воде содержится большое количество химических элементов. Наиболее распространен в мировом океане хлор, натрий, магний, кальций и калий. В заметном количестве присутствуют уран, серебро, золото и медь.

В океане обитает свыше 300000 видов живых организмов – от микроскопических водорослей (планктона) до крупных морских животных. Морские организмы играют огромную роль в существовании биосферы – они производят почти половину всего кислорода, поступающего в атмосферу. Поэтому океан образно называют "легкими планеты".

Вся гидросфера Земли в большей степени влияет на формирование климата планеты. Вода обладает способностью медленно нагреваться и медленно остывать, поэтому мировой океан служит аккумулятором тепловой энергии Солнца.

Гидросфера влияет на многие атмосферные процессы: нагревание и охлаждение воздушных масс, насыщение воздуха водяными парами и др.

Литосфера – внешняя твердая оболочка Земли, или земная кора. Толщина литосферы составляет от 6–8 км (под дном океана) до 80 км (в горных системах). Именно литосфера является основным источником природных ресурсов для человека.

Земная кора сложена горными породами, среди которых выделяют магматические, осадочные и метаморфические.

Магматические горные породы возникли в результате кристаллизации расплавов в недрах Земли и на поверхности. К ним относятся базальты, граниты и др.

Осадочные горные породы образуются в результате процессов переотложения продуктов разрушения и выветривания различных горных пород при выпадении осадка из природных вод в результате жизнедеятельности некоторых живых организмов. К осадочным породам относятся известняки, доломит, кальцит, пески, глины и т. д.

Метаморфические горные породы образовались в результате преобразования в недрах Земли различных горных пород под воздействием высоких давления и температуры. К ним относятся слюда, полевой шпат и др.

Доля различных горных пород в земной коре неодинакова: более 70 % приходится на магматические горные породы, около 17 % – на метаморфические и чуть больше 12 % – на осадочные.

Вся земная кора условно подразделяется на три слоя: "осадочный", "гранитный" и "базальтовый".

Вещество земной коры (литосферы) состоит в основном из легких элементов. Наиболее распространены следующие восемь химических элементов: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K. На долю остальных элементов приходится менее 1 % массы коры.

Живые организмы сосредоточены в верхнем поверхностном слое литосферы – почве, в котором осуществляется тесное взаимодействие живых организмов с минеральной средой. Почва состоит из горных пород, органического вещества живых организмов, воды и различных газов. Остатки организмов после разложения образуют гумус – плодородный слой почвы.

Ниже литосферы расположена мантия – внутренняя геосфера Земли. Условной границей между мантией и литосферой (земной корой) служит так называемая "поверхность Мохоровичича", названная так в честь обнаружившего ее югославского геолога А. Мохоровичича. Вблизи этой границы, лежащей на глубине около 50 км от поверхности Земли, происходит резкое увеличение скорости сейсмических волн, возникающих при землетрясениях и распространяющихся в породах Земли. Мантия, лежащая ниже границы Мохоровичича, имеет толщину около 2900 км и состоит в основном из оксидов кремния железа и магния. Материи мантии характеризуются большой однородностью (гомогенностью). Согласно современным представлениям, вещество мантии представляет собой аморфную стеклообразную массу.

Мантия окружает тяжелое ядро, вес которого составляет 34 % от всего веса Земли. Радиус ядра оценивается в 3500 км. Из всех планет Солнечной системы только Земля и Венера имеют такие тяжелые ядра.

Современная биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы (тропосферу), всю гидросферу и верхнюю часть литосферы. Верхней границей биосферы является озоновый слой. Выше озонового слоя жизни не существует, так как мощный поток коротковолнового космического излучения губительно действует на все живые организмы.

Нижняя граница биосферы выражена не так резко и обусловлена высокой температурой земных недр. Она находится на глубине 2–3 км на суше и на 1–2 км ниже дна океана. На этой глубине температура приближается к 1000 С.

Крайних пределов биосферы достигают только простейшие организмы – различные микроорганизмы. Наибольшее количество живых существ сосредоточено в местах контакта трех сред: воды, воздуха и твердого почвенного покрова.

В биосфере осуществляется непрерывный круговорот вещества, передача энергии и информации. Без хорошо организованных матери- ально-энергетических и информационных потоков невозможно устой-

чивое существование такой сложной системы, какой является биосфера Земли.

Основным источником энергии для биосферы является Солнце. Под воздействием солнечного излучения вещество биосферы становится активным. Именно благодаря энергии осуществляются все геологические, биологические и химические превращения в биосфере. Часть солнечной энергии, поступающей в биосферу, накапливается (аккумулируется) в виде запаса органического вещества. Таким образом, энергия Солнца и материя Земли являются основой для возникновения и развития биосферы.

Еще одной обязательной составляющей для биосферы является информационный поток, объединяющий различные живые организмы. Все организмы в биосфере обмениваются между собой необходимой для жизни информацией. У большинства видов информационные связи обеспечивают согласованное действие небольшого количества особей. Исключение составляют общественные насекомые (муравьи, пчелы и др.). Для человеческого общества характерен гораздо более высокий уровень передачи информации – через систему слов, фраз, в которых кодируются сложные сигналы. Кроме того, человек создает технические средства, обеспечивающие передачу информации на большие расстояния и связывающие человеческое общество в единое целое с образованием единого информационного пространства.

1.2. Эволюция биосферы. Живое, косное и биокосное вещество

Свое становление учение о биосфере получило в трудах выдающегося русского ученого Владимира Ивановича Вернадского (1863–1945).

Вернадский подчеркивал, что биосфера находится в постоянной бесконечной эволюции. Современное состояние биосферы есть результат предшествующего гигантского пути развития.

Возникновение биосферы Земли и ее развитие во многом обусловлены уникальным астрономическим положением Земли и ее размерами. Жизнь, подобная земной, может развиваться на планете со строго определенной массой и размерами. На планете с высокой массой (более чем 1/20 массы Солнца) начинаются интенсивные ядерные реакции, что ведет к значительному разогреву и высокому уровню радиации. В Солнечной системе такие процессы происходили в прошлом на планетах Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.

Планеты с малой массой обладают слабым гравитационным полем и не могут удерживать вокруг себя необходимую для жизни атмосферу.

Важными условиями возникновения жизни являются также определенный уровень солнечной радиации (определяемый расстоянием планеты от Солнца), а также наличие на планете жидкой воды.

Из всех планет Солнечной системы только Земля удовлетворяет всем необходимым условиям.

Существование биосферы начинается с появления в географической оболочке Земли первых живых организмов. По современным данным, возраст биосферы оценивается примерно в 3,4–4,5 млрд лет.

Проблема происхождения и развития жизни на Земле относится к одной из наиболее интересных научных проблем. В истории человечества существовало множество идеалистических и материалистических гипотез, по-разному представляющих процесс возникновения живого вещества на Земле. Основными, наиболее распространенными теориями являются следующие.

1.Создание жизни некими Высшими силами в определенный период существования Земли – так называемый креационизм (от лат. "creatio" – сотворение). Идеалистические теории подобного рода отличаются наибольшим разнообразием и составляют определенную часть мифов и религиозных концепций различных народов мира.

2.Самопроизвольное возникновение жизни из неживой материи. Подобные теории встречаются еще в Древнем Вавилоне, Египте, Китае, Греции. Согласно большинству теорий этого типа при определенных условиях возникает сразу достаточно высокий уровень жизни – насекомые, пресмыкающиеся, даже мелкие млекопитающие. Среди приверженцев таких теорий известны имена древнегреческих мыслителей: Аристотеля, Демокрита, Фалеса и др. Эти философы предполагали, что определенное вещество (вода, воздух, ил, солнечный свет или др.) содержит особое "активное начало", способное создавать живые организмы. В раннем Средневековье идеи о самозарождении жизни были объявлены ересью и на долгое время преданы забвенью. Свою вторую жизнь теория самозарождения получила в позднем Средневековье – в эпоху Возрождения. Многие естествоиспытатели того времени проводили опыты по получению различных живых существ (главным образом микроорганизмов и насекомых) из различных материалов – воды, камня, даже мусора. Однако в XIX в. подобные воззрения были подвергнуты научной критике.

3.Теория панспермии – возникновение жизни на Земле в результате занесения ее из космоса. Первые подобные гипотезы также берут свое начало в Древнем мире. Примером служит учение древнегреческого философа Анаксагора (Vв. до н.э.), согласно которому жизнь возникла из вечно существующего семени, попавшего на Землю. Воззрения подобного рода также причислялись к ереси в эпоху Средневековья, что объясняет их

практически полное отсутствие в тот период. Возрождение идеи проникновения жизни из космического пространства пришлось на середину XIX в. В это время среди ученых значительной популярностью пользовалась теория "космического посева" жизни. Ученые этого периода (Х. Рихтер, С. Авенариус и др.) наиболее вероятной причиной появления жизни на Земле считали проникновение ее из космоса вместе с метеоритами или космической пылью. Считалось, что таким путем на Земле могли появиться примитивные микроорганизмы или споры растений.

В.И. Вернадский также был сторонником теории панспермии – появления жизни на Земле в результате ее проникновения из космического пространства. В своих трудах он высказывал предположение, что во Вселенной жизнь существует вечно и не имеет своего начала.

Гипотеза о внеземном происхождении жизни рассматривается и некоторыми современными учеными. Однако до сих пор, несмотря на многочисленные исследования в этом направлении, не установлено фактов о том, что живые существа были принесены на Землю из космоса. Следует учесть, что коротковолновое излучение космоса губительно действует на все известные живые организмы.

Появляющиеся в печати сведения о найденных на метеоритах следах жизни обычно оказываются результатом ошибки исследования или вторичного загрязнения метеоритов.

4. Возникновение жизни на Земле в результате сложной биохимической эволюции.

Втеориях подобного типа, получивших наибольшее распространение

всовременном научном мире, важную роль играет эволюция самой Земли.

Вначальный период существования планеты температура на Земле

достигала 5000–8000 С. При медленном остывании планеты образовалась земная кора, неровная из-за активной вулканической деятельности.

Согласно гипотезе, выдвинутой русским ученым Опариным (1923), в атмосфере древней Земли преобладали водяной пар, аммиак, метан, двуокись углерода и почти не было свободного кислорода.

Вещества земной оболочки в то время подвергались воздействию коротковолнового излучения Солнца, так как озонового экрана еще не существовало. Кроме того, на вещество планеты действовали газовые разряды, высокие температуры и т.д. В таких условиях, согласно теории Опарина, могли возникнуть первые органические вещества в результате их синтеза из неорганических компонентов. В середине ХХ в. были проведены лабораторные опыты по созданию органических веществ путем пропускания искрового разряда через смесь метана, аммиака, воды и водорода. В результате опытов были получены многие органические вещества, входящие в состав живых организмов. Таким образом,

возможность возникновения органического вещества из неорганического в условиях древней Земли подтверждена экспериментально. Согласно положениям теории Опарина, развитие земной оболочки шло по пути усложнения образующихся органических веществ. На определенном этапе неживая природа (сложные органические вещества) перешла в живую – образовалась живая клетка, способная воспроизводить подобные себе структуры. Промежуточной стадией между живой и неживой природой, согласно Опарину, были коацерваты – студнеобразные сгустки сложных органических веществ, которые могли увеличиваться в размерах или, наоборот, распадаться на части. Следует отметить, что эта часть теории Опарина не доказана экспериментально. Процесс перехода неживой природы в живую остается не вполне ясным.

Развитие живого вещества Земли сопровождалось изменением всего облика планеты. В результате появившихся процессов фотосинтеза и хемосинтеза сильно изменился состав атмосферы – в ней образовалось значительное количество кислорода. В верхних слоях атмосферы кислород превращался в озон – таким образом вокруг Земли возник озоновый слой, позволивший живой природе покрыть всю поверхность планеты.

Под воздействием первых микроорганизмов образовалась почва – верхний слой литосферы. Дальнейшее развитие биосферы Земли характеризуется все большим усложнением живых организмов – от микроорганизмов до млекопитающих – и, наконец, появлением в биосфере человека.

Современный человек является мощной преобразующей природу силой и оказывает прямое и косвенное воздействие на природные процессы. Согласно учению Вернадского, постепенно биосфера Земли должна перейти в ноосферу – сферу разума, характеризующуюся разумным регулированием взаимоотношений природы и человека. Человек при помощи разума должен так организовать свою деятельность, чтобы она не нарушала нормального течения природных процессов. Только при этом условии возможно дальнейшее существование и развитие биосферы.

Рассматривая структуру биосферы, Вернадский выделил в ней три основных компонента: живое, косное и биокосное вещества. Эти компоненты биосферы не существуют раздельно, а тесно связаны между собой материально-энергетическими и информационными потоками.

Живое вещество – это совокупность растительного и животного мира, а также все человечество.

Вес живого вещества составляет незначительную часть от веса всего вещества биосферы. Однако именно живое вещество играет важнейшую роль во многих геологических процессах, изменяя облик Земли.

Живое вещество является основным компонентом биосферы, определяющим ее эволюцию. В ходе различных биологических процессов

– дыхания, питания, фотосинтеза и др. – живые организмы изменяют окружающую среду, меняют состав, влияют на круговорот многих веществ.

Изменения в живом веществе происходят во много раз быстрее, чем в неживой природе. Причиной этого является то, что все биологические процессы катализируются (ускоряются) биологическими катализаторами – ферментами, немного более активными, чем неорганические катализаторы.

Косное вещество – это окружающие живые организмы – объекты неживой природы: атмосферный воздух, вода, горные породы и т.п. Косное вещество тесно связано с живой природой – существует постоянная миграция атомов различных химических элементов из косного вещества в живое и обратно.

Биокосные тела представляют собой объекты неживой природы, преобразованные живыми организмами. К биокосным телам относится почва, воды многих поверхностных водоемов, химический состав которых сформировался под действием микроорганизмов.

Биокосные тела состоят из косных и живых тел и являются, согласно учению В.И. Вернадского, результатом деятельности былых биосфер, существовавших в более ранние геологические эпохи.

Эволюция биосферы охватывает все ее компоненты: развитие живого вещества сопровождается изменением находящихся с ним в контакте биокосных тел и постепенным преобразованием других объектов неживой природы – косного вещества.

1.3.Экосистема, ее структура. Биотическое сообщество

иабиотическая среда

Основным предметом экологии как науки, изучающей взаимодействие живых организмов с окружающей средой, является экологическая система, или экосистема.

Экосистемой называется безразмерная устойчивая система компонентов живой и неживой природы, в которой осуществляется внешний и внутренний круговорот веществ, переход энергии и обмен информации. Термин "экосистема" был предложен в 1935г. английским экологом А. Тэнсли и в настоящее время является общепринятым.

Любая экосистема является сложной структурой, состоящей из двух основных частей: биотических компонентов (биота, или биотическое сообщество) и абиотических компонентов (экотоп).

Структура экосистемы:

*Биотическое сообщество (биотоп) – совокупность всех живых организмов (живое вещество – растения, животные, микроорганизмы и пр.), входящих в данную экосистему.

*Абиотическая среда (экотоп) – совокупность компонентов неживой природы (биокосное и косное вещество), входящих в экосистему.

К абиотической среде относятся:

– химические вещества (органические и неорганические), находящиеся в постоянном круговороте между живой и неживой природой;

– вода, воздух, почва и горные породы, присутствующие в экосистеме;

– климатический режим местности (освещенность, температура, количество осадков и т. д.);

– другие компоненты неживой природы, составляющие среду обитания живых организмов экосистемы.

Таким образом, экосистема включает в себя все живые организмы, обитающие на данном участке, а также находящееся с ними во взаимодействии косное и биокосное вещество.

В качестве примера можно привести экосистему водоема, которая состоит из биоты (планктона, высших растений, водных организмов и т.д.), находящихся в тесном взаимодействии с экотопом (водной средой, грунтом, климатическими факторами и т.д.). Причем между биотой и экотопом осуществляется постоянный обмен веществом, энергией и информацией.

Согласно современной терминологии к экосистеме можно отнести любую, без учета масштаба, систему абиотических и биотических компонентов, находящихся в более тесном взаимодействии между собой, чем с окружающей средой. В зависимости от величины выделяют следующие уровни экосистем:

1.Глобальная экосистема – это биосфера Земли, представляющая собой совокупность биотических и абиотических компонентов планеты.

2.Макроэкосистемы – экосистемы, занимающие значительные территории на земной поверхности; к ним относятся океаны, континенты, тундра, тайга и т.п.

3.Мезоэкосистемы – экосистемы среднего уровня, меньше по масштабу, чем макроэкосистемы; это поля, реки, озера, степи и т.п. природные объекты.

4.Микроэкосистемы – к ним можно отнести муравейник, старый пень

влесу с обитающими на нем многочисленными живыми организмами, комнатный аквариум, обычную лужу и т.д.

Все экосистемы делятся на природные и антропогенные (то есть созданные человеком).

Природные экосистемы обычно достаточно устойчивы – они самопроизвольно обмениваются веществом и энергией с окружающей средой и за счет этого могут существовать долгое время. Экосистемы, обладающие отлаженным обменом веществом и энергией с внешней средой, называются открытыми.

Многие антропогенные экосистемы являются закрытыми – они лишены возможности самостоятельно обмениваться необходимыми компонентами с окружающей средой. Для поддержания стабильности во времени закрытых экосистем необходимо искусственно создавать в них внешние потоки вещества и энергии.

Примером закрытой экосистемы является обычный комнатный аквариум. Без вмешательства человека такая экосистема постепенно деградирует. Для поддержания стабильности требуется искусственно осуществлять круговорот веществ: вносить корм, очищать дно и стенки аквариума, проводить аэрацию (насыщение воды воздухом).

Таким образом, для продолжительного существования природных и антропогенных экосистем любого уровня необходимо выполнение следующих условий:

1.Поступление достаточного количества энергии от окружающей среды, ее накопление, преобразование в другие виды энергии и экспорт в окружающую среду.

2.Круговорот веществ (самопроизвольный или искусственный) между экосистемой и внешней средой.

В экосистеме существует внутренний круговорот веществ: различные органические и неорганические вещества могут использоваться многократно и поочередно входить в состав различных компонентов экосистемы. Чем лучше организован внутренний круговорот веществ, тем автономнее экосистема.

В отличие от потока веществ, поток энергии направлен в одну сторону: энергия поступает от окружающей среды, преобразуется в другие виды энергии или накапливается в виде запаса энергии в органическом веществе и экспортируется в окружающую среду. Следует отметить, что большая часть получаемой экосистемой энергии рассеивается в виде тепла

–в форме энергии, наименее пригодной для использования.

Таким образом, даже при хорошо отлаженном внутреннем круговороте веществ необходимо постоянное поступление в экосистему новых порций энергии, компенсирующих энергетические потери.

Только выполнение перечисленных условий поддерживает экологическое равновесие и осуществляет развитие экосистем.

1.4. Уровни организации жизни на Земле

Биосфера Земли является сложноорганизованной структурой, состоящей из большого количества элементов.

Входящие в состав биосферы биологические системы сильно различаются по своему масштабу, образуя различные уровни организации жизни на Земле.

Экология изучает структуры высшего уровня: от систем организмов до биогеоценозов (экосистем на определенном участке), образующих биосферу. Любая система высшего уровня слагается из определенного количества подсистем низших уровней, тесно взаимодействующих между собой и дополняющих характеристики друг друга. В результате этого при переходе от системы более низкого уровня к системе высокого уровня возникает хотя бы одно новое свойство. Это является основой принципа эмерджентности (от англ. «Emergent» – неожиданно появляющийся). Согласно этому принципу при каждом объединении сложных компонентов в новую систему возникают новые (так называемые "эмердментные") свойства, дополняющие сумму свойств всех компонентов. Ниже рассмотрены различные уровни организации живой природы, изучаемые экологией.

1.5. Организм и среда обитания

Организменный – это первый уровень организации жизни, изучаемый экологией. Отдельный живой организм входит в системы более высокого уровня (популяции, биоценозы, биотические сообщества) как подсистема низшего уровня.

Большинство организмов имеет клеточное строение, то есть представляет собой систему живых клеток (хотя на Земле существуют и внеклеточные формы жизни – вирусы). Простейшие организмы состоят всего из одной клетки (одноклеточные), более сложные – из миллиардов различных клеток.

Таким образом, организм является сложной системой, включающей в себя подсистемы более низкого уровня.

На уровне отдельного организма осуществляется обмен веществом и энергией с окружающей средой, поэтому каждый живой организм является самостоятельной системой, находящейся в тесном взаимо-действии с окружающей средой. Обмен веществом и энергией на организменном уровне осуществляется при помощи согласованного действия различных систем органов. Любой организм способен самостоятельно поддерживать равновесие с окружающей средой, а также адаптироваться к изменяющимся условиям среды.

Все физиологические процессы, осуществляющиеся на уровне организма, можно разделить на две группы: