Экология. Учебное пособие-1

В структурном плане основными составными компонентами биосферы Земли являются живые организмы и среда их существования — атмосфера, гидросфера и литосфера.

3.2.2. Живые организмы в биосфере

Живой мир Земли, ее биосфера, состоит из организмов трех основных типов.

1.Продуценты или автотрофы (самостоятельно питающиеся) — это зеленые (хлорофилловые) растения, которые создают биомассу за счет фотосинтеза.

Количество видов этой группы составляет около 350 000, а их суммарная масса составляет около 2,4 • 1 012 т.

2.Консументы или гетеротрофы — организмы, которые получают энергию за счет питания продуцентами или другими консументами.

К ним относятся травоядные животные, хищники и паразиты, а также хищные растения и грибы. Количество видов этой группы наибольшее — свыше 1,5 млн, а их масса составляет около 2,3 • 1 010 т.

3.Редуценты — микроорганизмы, которые расщепляют органические вещества (продуценты и консументы) на простые химические соединения — воду, углекислый газ, минеральные соли. Их масса приблизительно 108 т.,

75 000 видов.

Все это огромное количество живых существ находится в чрезвычайно сложных взаимоотношениях между собой и неживым веществом.

3.2.3.Атмосфера и ее экологическое значение

Атмосфера — газовая оболочка Земли, которая простирается в космическое пространство приблизительно на 3 000 км. С удалением от поверхности Земли плотность атмосферы постепенно уменьшается до высоты около 3 000 км, где ее плотность становится равной плотности межпланетного пространства. Обычно атмосферу представляют в виде совокупности слоев — тропосферы, стратосферы и ионосферы. Почти 50 % всей массы атмосферы сосредоточенно в нижнем (5 км) слое. В качестве верхней границы биосферы принимается нижняя граница озонового слоя, почти полностью поглощающего губительные для всего живого ультрафиолетовые лучи. Вот почему часто озоновый слой называют озоновым щитом, защищающим жизнь на Земле.

21

Живые организмы сосредоточены в слое ниже 12–18 км, то есть ниже озонового слоя, хотя космонавтами были обнаружены споры микроорганизмов на высоте приблизительно 85 км, причем они находились в латентном (спящем) состоянии. Атмосфера Земли формировалась на протяжении длительного периода (3–4 млрд лет), но за последние 50 млн лет ее состав стабилизировался.

Современная атмосфера Земли складывается в основном (на уровне моря)

из: азота — 78,09 %, кислорода — 20,94 %, аргона — 0,93 %, СО2- 0,03 %,

др. газов — 0,02 %.

Из числа малых, по количеству, газов следует отметить углекислый газ (СО2) и озон, которые оказывают решающее влияние на жизнь. Кроме того, в атмосфере всегда присутствуют водяные пары, а в нижней ее части собравшиеся взвешенные частицы — результат природной или антропогенной деятельности.

В процессе существования атмосфера подвергается следующим изменениям:

–безвозвратному изъятию газовых элементов;

–временному изъятию газовых элементов;

–загрязнению газовыми примесями, разрушающими ее структуру;

–загрязнению взвешенными веществами;

–нагреванию;

–пополнению газовыми элементами;

–самоочищению.

Современный состав атмосферы, в которой мы живем, создали живые организмы. Они изменили и первоначальный климат Земли. На первой стадии развития Земли ее атмосфера не содержала свободного кислорода — он входил в состав углекислого газа атмосферы. Примерно 1,8 млрд лет назад в результате действия микроорганизмов в атмосфере появился кислород. Его появление привело к созданию в высоких слоях атмосферы озона.

Озон — газ, который естественно присутствует в атмосфере. Каждая молекула озона состоит из трех атомов кислорода и имеет химическую формулу О3. Озон в стратосфере называют озоновым слоем. Формирование озона в атмосфере — многоэтапный химический процесс, требующий солнечного излучения. Под воздействием ультрафиолетового солнечного излучения в стратосфере начинается процесс разложения молекулы кислорода.

Под воздействием ультрафиолетового солнечного излучения в стратосфере молекулы кислорода распадаются на два атома.

Эти атомы затем вступают в реакцию с другими молекулами, и в итоге получается трехатомный озон:

О2 + О = О3.

22

Необходимый для этой реакции атомарный кислород выше уровня 20 км образуется при расщеплении кислорода под действием ультрафиолетового излучения с λ < 240 нм.

О2 + hν = 2О.

Распределение озонового слоя неравномерно. Толщина озонового слоя варьируется в зависимости от долготы, широты и времени года, с наибольшими изменениями в полярных областях. Наименьшее содержание озона наблюдается над Антарктикой.

Стоит заметить, что атмосфера имеет очень важное экологическое значение. Она регулирует климат планеты, предохраняет ее от избыточного нагревания и охлаждения, поддерживает среднюю температуру Земли порядка 14 С. Атмосфера защищает все живые организмы Земли от пагубного влияния космических лучей, ударов метеоритов, через нее осуществляется фотосинтез и обмен энергии — главные процессы биосферы.

Атмосфера влияет на характер и динамику всех экзогенных процессов, которые осуществляются в литосфере. Развитие гидросферы также в значительной мере зависит от атмосферы. Современное промышленное производство является источником все более растущего загрязнения атмосферы, которое переносится воздушными потоками на огромные расстояния и наносит огромный вред природной среде [30].

3.2.4. Гидросфера и ее экологическое значение

Гидросфера — водная сфера нашей планеты: совокупность океанов, морей, рек, озер, подземных вод, ледников.

Вода покрывает 71 % поверхности Земли. Основная масса воды ( 96,5 %) сосредоточена в Мировом океане — это соленая вода. Средняя соленость этих вод — 35 г/л.

Химический состав океанических вод содержит почти все известные химические элементы, но в разных пропорциях. Из всего количества растворенных веществ 99,6 % составляют галоидные соли натрия, калия, магния и сульфаты магния и кальция, и только 0,4 % солевого состава приходится на долю остальных веществ

Химический состав океанических вод содержит почти все известные химические элементы, но в разных пропорциях: хлористого натрия — 27,2 г/л,

23

хлористого магния — 3,4 г/л, большой процент фосфатов. Из растворенных газов наиболее важные для жизни — кислород и углекислый газ, которых в воде в 60 раз больше, чем в атмосфере.

Огромное значение для формирования климата и других экологических факторов имеет динамика огромной массы океанических вод, которые постоянно движутся под воздействием неодинаковой интенсивности солнечного прогревания поверхности на разных широтах. Океанические воды играют основную роль в кругообороте воды на планете. Океан — это «фабрика» погоды на планете и основной стабилизатор средней температуры земного шара. Мировой океан выполняет и другую работу в биосфере. В холодных областях вода поглощает углекислый газ из атмосферы, а в теплых идет его выделение. В целом Мировой океан очень важен для планетарного обмена веществ и обмена энергией.

Континентальные воды в основном пресные. Их соленость не превышает, в среднем, 1–2 г/л. На континентах гидросфера представлена реками, озерами, подземными водами. Химический состав подземных вод очень разнообразен, в зависимости от горных пород, в которых они залегают на глубине, залегания происходит минерализация — от пресных к концентрированным растворам солей. Из пресных вод основная масса (86 %) сосредоточена в ледниках.

Вода выполняет четыре очень важные функции:

1.Является важнейшим минеральным ресурсом потребления.

2.Является основой механизмов осуществления взаимосвязей всех процессов в экосистемах (обмен веществ, тепла, роста биомассы).

3.Является основным переносчиком глобальных экологических циклов.

4.Является основной составной частью всех живых организмов. Огромную роль вода играет в формировании поверхности Земли: ее

ландшафта, климата, переносе химических веществ из глубин Земли на ее поверхность, транспортировке загрязнителей окружающей среды. Пары воды, которые есть в атмосфере, играют роль фильтра солнечной радиации, нейтрализатора экстремальных температур, регулятора климата. Именно в воде зародилась жизнь на Земле [30].

Особенности водных ресурсов заключаются в возможности самоочищения и обновления. Однако возобновляемость воды зависит от нескольких факторов, в частности, от типа гидрологического объекта. Так, например, вода в реках полностью обновляется примерно за две недели, в болоте — за пять лет, а в озере — за 15–17 лет. Дольше всего этот процесс проходит в ледниковых щитах (в среднем, на это уходит 10 тысяч лет). В живом организме вода проходит полный цикл обновления за несколько часов.

24

Для формирования гумуса необходим дренаж почвы, так как при переувлажнении разложение идет очень медленно из-за нехватки кислорода, препятствующей росту аэробных редуцентов. В таких условиях растительные и животные остатки сохраняют свою структуру и, спрессовываясь, образуют торф. Одновременно с гумификацией многие жизненно важные элементы переходят из органических соединений в неорганические, например, азот в ионы аммония (NH4+), фосфор в фосфатионы (Н2РО-), сера в сульфат-ионы (SO4-2), т.е. идет процесс минерализации. Углерод высвобождается в процессах дыхания и в виде СO2 поступает в атмосферу. Актуальность экологического изучения литосферы обусловлена наличием всех минеральных ресурсов, необходимых для жизни и хозяйственной деятельности. В пределах литосферы периодически происходят экологические процессы (землетрясения, извержение вулканов, оползни), имеющие огромное значение для формирования экологической ситуации в определенном регионе планеты, а иногда приводят к глобальным экологическим катастрофам.

3.3.Функционирование биосферы

3.3.1.Функции живого вещества в биосфере

Определяющей характеристикой жизни является обмен веществ. Обмен веществ живых организмов с окружающей средой осуществляется в процессе дыхания, питания, разнообразных выделений. В более общем случае круговорот в экосистемах и биосфере в целом возможен лишь в процессе использования и передачи энергии.

Потоки энергии и круговорот вещества — основные составляющие, необходимые для функционирования биосферы.

Живые организмы играют основную роль в процессах, которые поддерживают функционирование биосферы. Основные функции живого вещества: энергетическая, деструктивная, концентрационная, формирование состава окружающей среды. Неживой частью биосферы, ее неживым веществом руководят продуценты, ими консументы, деятельность которых определяют обратные связки, которые идут от продуцентов. В итоге осуществляется биотический кругооборот вещества в биосфере примерно по схеме, приведенной на рис. 3.

26

Российский биолог О. Пресман определил биосферу как систему, в которой

энергетические взаимодействия веществ подчинены информационным.

Все функции живых организмов в биосфере не могут выполняться организмами какого-то одного вида, а лишь их комплексом. Отсюда следует основное положение теории В. И. Вернадского — биосфера Земли сформировалась с самого начала как сложная система с большим количеством видов организмов, каждый из которых выполняет свою роль в общей системе. Без этого биосфера вообще не могла бы существовать.

3.3.2. Составляющие энергетического баланса в биосфере

Поток энергии к земному шару имеет три источника:

–солнечная энергия;

–энергия земных недр;

–кинетическая энергия оборота Земли и ее спутника Луны, как космических тел.

Самой главной частью в системе управления биосферой является энергия Солнца. Всю биосферу можно расценивать как единое естественное образование, которое поглощает энергию из космического пространства и направляет ее на внутреннюю работу. В биосфере энергия только переходит из одной формы

вдругую и рассевается в виде тепла. Особенностью поведения энергии в биосфере является ее односторонняя направленность — концентрированная энергия, пройдя ряд превращений, рассеивается в виде тепла (рис. 4).

Рис. 4. Основные направления потоков энергии к земному шару

28

Основными преобразователями энергии в биосфере являются живые организмы. Продуценты превращают свободную лучистую энергию Солнца (концентрированная энергия) в химически связанную, которая потом переходит (по пищевым цепям) от одних биосферной структуры к другим. При каждом переходе часть энергии превращается в тепло и рассевается в окружающем пространстве. Эффективность перенесения энергии в живом веществе достаточно низкая. При перенесении энергии от продуцентов к консументам первого порядка (травоядных животных) эффективность составляет всего 10 %. Перенесение от консументов первого порядка к консументам второго порядка более эффективно — 20 %.

Годовой приток солнечной энергии распределяется следующим образом:

1.Отражается — 30 %.

2.Прямо превращается в тепло — 46 %.

3.Испарение, осадки — 23 %.

4.Ветер, волны — 0,2 %.

5.Фотосинтез — 0,08 %.

Таким образом, только небольшая часть солнечной энергии ( 1 %) потрачена на фотосинтез, но именно она является источником всей жизни на Земле. Однако те приблизительные 70 % энергии Солнца, которые превращаются в тепло, идут на испарение, осадки, ветер не теряются понапрасну, потому что эта энергия поддерживает нужную для жизни температуру, запускает в ход систему погоды, обеспечивает кругооборот воды в природе, без чего невозможна жизнь на Земле. Нормальное функционирование биосферы возможно лишь при условии, когда ничем не сдерживается поступление и передача концентрированной энергии и сток тепловой энергии.

3.3.3.Биохимические кругообороты вещества

Спотоками энергии тесно связаны потоки вещества. За счет процессов миграции химических элементов все геосферы Земли связаны единственным циклом кругооборота этих элементов. Кругооборот, движущей силой которого являются тектонические процессы и солнечная энергия, получил название большого (геологического) кругооборота. Мощность большого кругооборота приблизительно 2 • 1016 т/год. Возникновение жизни на Земле способствовало появлению новой формы миграции химических элементов — биогенной. На большой (геологический) кругооборот наложился малый (биогенный) кругооборот веществ. В малом кругообороте перемещаются в основном углерод

29