Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Экологические основы природопользования на водном транспорте. Учебное пособие
.pdf
и сопровождаемое уменьшением содержания гумуса, разрушением почвенной
структуры и снижением плодородия.
Гумус — органическое вещество почвы, образуемое в результате разло-
жений растительных и животных остатков и продуктов жизнедеятельности
организмов. Гумус содержит основные элементы питания растений, в связи с
чем почвы, богатые гумусом, обладают высоким плодородием. Уменьшение
содержания гумуса в почве ведет к снижению их плодородия и в итоге к опустыниванию.
2.5 Живое вещество биосферы, его функции
В формировании современного понятия о биосфере ведущая роль принадлежит русскому ученому В.И. Вернадскому. Биосфера по В.И. Вернадскому
— это одна из геологических оболочек земного шара, в которой обитают живые
существа, активно осуществляющие обмен веществ и энергии в глобальных
размерах и, в которой геохимические и энергетические превращения определяются суммарной активностью всех живых организмов. В качестве структурных
компонентов биосферы Вернадский изначально выделял семь разнообразных,
но геологически взаимосвязанных частей: живое вещество; биогенное вещество; косное вещество; биокосное вещество; радиоактивное вещество; рассеянные атомы; вещество космического происхождения. В настоящее время чаще
всего различают три типа веществ: живое, косное и биокосное.
Живое вещество — вся совокупность живых организмов (включая чело-
века), которая рассматривается как однородное живое вещество. Живое вещество, как биогеохимический фактор, количественно выражается в элементарном химическом составе, массе и энергии.
Косное вещество — совокупность всех планетарных и геологических
свойств Земли (солнечная радиация, гравитация, температура, атмосферное
давление и т.п.).
Биокосное вещество — взаимодействующие комплексы живого и косного вещества (почва, океанические воды, нефть, торф, известняки и др.). Центральное место в учении о биосфере отводится живому веществу, особенности
которого заключаются в следующем:
— все живое проявляется в биосфере как физико-химическое единство;
— химические реакции протекают в живых организмах с удивительной
упорядоченностью и в менее жестких условиях, чем вне их. В возникающих
химических связях живого вещества заключено огромное количество «свободной энергии» (так Вернадский называл солнечную энергию);
41
— живое вещество способно заполнить собой все возможное пространство путем «растекания», реализуемого в 2-х формах: пассивной (рост и размножение организмов) и активной (направленное движение организмов);
— живое вещество характеризуется значительно большим морфологическим и химическим разнообразием, чем любое косное вещество, и постоянно
обновляется. Оно проводит «геологическую работу» — увеличивает биомассу,
меняет среду обитания, преобразовывает физико–химические параметры биосферы;
— в биосфере живое вещество представлено в виде дискретных особей,
но никогда не существует в виде обособленных организмов;
— характерным для живого вещества является способность к эволюционному процессу.
Живое вещество — краевой камень учения о биосфере В.И. Вернадского, который акцентировал внимание на биохимической специфике этого образования следующим образом: на земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом.
В деятельности живого вещества в биосфере можно выделить несколько
следующих основополагающих функций.
Энергетическая функция состоит в осуществлении связи биосферно-
планетарных явлений с излучением Космоса и, прежде всего, с солнечной радиацией. Основой указанной функции является фотосинтез, в процессе которого происходит аккумуляция энергии Солнца и ее последующее перераспределение между живыми компонентами биосферы. Накопленная ими солнечная
энергия обеспечивает протекание всех жизненных процессов. За время существования жизни на Земле живое вещество превратило в химическую энергию
огромное количество солнечной энергии. При этом существенная часть ее
накопилась в связанном виде (залежи угля, нефти и других органических веществ).
Благодаря газовой функции происходит миграция газов и их превращение, формируется газовый состав биосферы. Преобладающая масса газов на
планете имеет биогенное происхождение, например, кислород атмосферы. При
этом количество молекул кислорода, выделяемых земными растениями, пропорционально количеству связываемых водой молекул диоксида углерода. Последний поступает в атмосферу при дыхании всех организмов, а также выделяется по трещинам земной коры из осадочных пород за счет химических процессов под действием высоких температур.
42
Концентрационная функция проявляется в извлечении и накоплении
живыми организмами биогенных элементов из ОС для построения их тел. Концентрация этих элементов в телах в тысячи раз выше, чем во внешней среде.
Окислительно-восстановительная функция заключается в химическом
превращении веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисления (это в основном соединения железа, марганца и др.). В результате происходят превращения большинства химических соединений, при этом преобладают биогенные процессы окисления и восстановления.
Благодаря деструкционной функции протекают процессы, связанные с
разложением остатков мертвых организмов. При этом происходит минерализация органического вещества, т.е. превращение живого вещества в косное.
Таким образом, живое вещество трансформирует солнечную энергию и
вовлекает неорганическую материю в непрерывный круговорот. Живое вещество определило современный состав атмосферы, гидросферы, почв и, в значительной степени, осадочных пород Земли.
2.6 Круговорот веществ в биосфере
Круговорот веществ и приток солнечной энергии — основные условия
существования биосферы.
Под круговоротом веществ понимают повторяющийся процесс превращения и перемещения веществ в природе, имеющий более или менее выраженный циклический характер. Основных круговоротов веществ в природе два:
большой (геологический) и малый (биогеохимический).
Большой круговорот веществ в биосфере (геологический) обусловлен
взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли. Горные породы, образованные за счет переноса, отложения,
выветривания, окаменения магматических пород, в подвижных зонах земной
коры вновь погружаются в зону высоких температур и давлений, переплавляются и образуют магму — источник новых магматических пород. Новый цикл
круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то новое, что со временем приводит к весьма значительным изменениям. Большой круговорот – это
и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу.
Малый круговорот веществ в биосфере (биогеохимический), в отличие
от большого, совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза
и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганиче-
43
ские соединения. Биогеохимический круговорот представляет собой движение
веществ между литосферой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами.
В круговороте веществ принимают участие все живые организмы, поглощающие из внешней среды одни вещества и выделяющие в нее другие. Так, растения потребляют из внешней среды углекислый газ, воду и минеральные соли и выделяют в
нее кислород. В жизненные циклы наземными растениями включено не менее 340
млрд. т химических элементов в виде минеральных веществ. Большинство их активно
участвует в метаболических (обменных) процессах, а часть находится в связанном состоянии. Важной особенностью минеральных компонентов растений различных групп
является регулярно повторяемое вовлечение их в жизненные процессы и возвращение
обратно в среду (например, с опадающими листьями и другими отмирающими органами). При этом, чем больше биомассы растений, тем выше годичный оборот элементов минерального питания.
Животные вдыхают выделенный растениями кислород, поедая растения,
усваивают синтезированные из воды и углекислого газа органические вещества
и выделяют углекислый газ и не переваренные остатки пищи. При разложении
бактериями и грибами отмерших растений и животных образуется дополнительное количество углекислого газа, а органические вещества превращаются в
минеральные, которые попадают в почву или водоемы и снова усваиваются
растениями.
Круговорот воды. Вода — самое распространенное вещество в биосфере.
Основные ее запасы (около 95 %) сосредоточены в виде солено-горькой воды
морей и океанов. Остальные воды — пресные. Воды ледников и вечных снегов
(т.е. вода в твердом состоянии) и подземные воды совместно составляют свыше
97 % всех запасов пресной воды. Лишь незначительная часть пресных вод заключена в озерах, реках, болотах и атмосфере (в виде водяного пара).
Вода испаряется с поверхности морей и океанов и переносится от них
воздушными потоками на различные расстояния. Большая часть испарившейся
воды возвращается в виде дождя в океан, а меньшая — на сушу. С суши вода в
виде водяного пара теряется также вследствие процессов испарения с ее поверхности и транспирации растениями. Вода переносится в атмосферу и в виде
осадков возвращается на сушу или в океан. Одновременно с континентов в моря и океаны поступает речной сток воды.
Основу глобального круговорота воды в биосфере обеспечивают физические процессы, происходящие с участием Мирового океана. На суше главную
роль в круговороте воды играет вода, испаряемая растениями и поверхностью
почвы. Так, 1 га леса испаряет примерно 20–50 т воды в сутки. Роль растительного покрова заключается также в удержании воды путем замедления ее стока,
44
в поддержании постоянства уровня грунтовых вод и др. В результате такие зоны суши функционируют как бы на собственном замкнутом водном балансе.
Круговорот кислорода. Кислород играет важнейшую роль в жизни
большинства живых организмов на планете, так как он необходим для дыхания.
Это наиболее распространенный в природе элемент, его содержание составляет
в атмосфере Земли 21 % по объему, в литосфере в виде соединений около 50 %
по массе (в карбонатах, органических веществах и оксидах) и в гидросфере
88,8 % по массе.
Круговорот углерода. Углерод — обязательный химический элемент органических веществ. Огромная роль в круговороте углерода принадлежит зеленым
растениям. В процессе фотосинтеза углекислый газ атмосферы и гидросферы ассимилируется наземными и водными растениями, а также цианобактериями и превращается в углеводы. В процессе же дыхания всех живых организмов происходит
обратный процесс: углерод органических соединений превращается в углекислый
газ. В результате ежегодно в круговорот вовлекаются многие десятки миллиардов
тонн углерода. Таким образом, два фундаментальных биологических процесса —
фотосинтез и дыхание обусловливают циркуляцию углерода в биосфере.
Еще одним мощным потребителем углерода являются морские организмы. Они используют соединения углерода для построения раковин, скелетных
образований. Из остатков отмерших морских организмов на дне морей и океанов образованы мощные отложения известняков.
Цикл обращения углерода не полностью замкнут. Углерод может выходить из круговорота на довольно длительный срок в виде залежей каменного
угля, известняков, торфов, сапропелей, гумуса и др.
Отрегулированный круговорот углерода нарушает человек в ходе интенсивной хозяйственной деятельности. За счет сжигания огромного количества
ископаемого топлива содержание углекислого газа в атмосфере за прошлое
столетие возросло на 25 %.
Круговорот фосфора. Из всех микроэлементов фосфор — один из са-
мых редких в доступных резервуарах на поверхности Земли. В природе он содержится в различных минералах (прежде всего в ряде горных пород) в виде
неорганического фосфатиона. При разрушении горных пород или выщелачивании атмосферными осадками соединения фосфора растворяются. Далее из
водного раствора фосфатионы поглощаются растениями, и включаются в состав их органических соединений, выступая в дальнейшем в форме «органического фосфора».
По пищевым цепям фосфор последовательно переходит от растений к организмам всех трофических уровней, и аналогично углероду в каждом из орга-
45
низмов велика вероятность окисления при клеточном дыхании фосфорсодержащего соединения с целью получения необходимой для жизнедеятельности
энергии.
Круговорот азота. Азот — необходимый компонент важнейших органи-
ческих соединений: белков, нуклеиновых кислот и др. Основные его запасы сосредоточены в атмосфере в форме молекулярного азота, недоступного для растений, так как они способны использовать азот только в виде соединений.
К прямой фиксации атмосферного молекулярного азота способны лишь
некоторые прокариотические организмы: бактерии и цианобактерии. Клубеньковые бактерии, поселяющиеся в клетках корней бобовых растений, синтезируют аммиак из молекулярного азота. Аммиак хорошо растворяется в воде и
образует ион NH4, который усваивают растения. После отмирания растения и
разложения клубеньков почва обогащается органическими и минеральными
формами азота.
2.7 Факторы, определяющие устойчивость биосферы
Устойчивость биосферы, то есть ее способность возвращаться в исходное
состояние после любых возмущающих воздействий, очень велика. Биосфера
существует уже около 3,8 миллиардов лет. Только за последние 570 миллионов
лет отмечено шесть глобальных катастроф, приводивших к исчезновению многих видов. В результате одной из них число семейств морских животных
уменьшилось более чем на 40 %. Крупнейшая катастрофа на границе пермского
и триасового периодов (240 млн. лет назад) привела к вымиранию около 70 %
видов, а катастрофа на границе мелового и третичного периодов (67 млн. лет
назад) — к вымиранию почти половины видов (тогда-то вымерли и динозавры). За это время эволюция не прерывалась: это следует из того, что все живые организмы, появившиеся на Земле в разные исторические эпохи, от вирусов до человека, имеют один и тот же генетический код, записанный в молекуле ДНК, а их белки построены из 20 аминокислот, одинаковых у всех организмов. Как бы не были велики возмущающие воздействия, в биосфере всегда
находились внутренние резервы для восстановления и развития.
Биосфера рассматривается как огромная, чрезвычайно сложная экосистема, работающая в стационарном режиме на основе тонкой регуляции всех составляющих ее частей и процессов. Так, климат определяет общий характер
выветривания земной коры, формирования рельефа и почвообразования, типы
растительного покрова и животного населения. Геологические условия конкретизируют характер всех перечисленных выше явлений. Почвы непосредственно
46
сильно воздействуют на растительность и почвенную фауну, косвенно (через
растительность) — на других животных. Растения участвуют, в свою очередь, в
почвообразовании, изменяют микроклимат, но также существенно влияют друг
на друга и на условия существования животных. Последние незначительно воздействуют на микрорельеф, влияют на некоторые стороны почвообразования
(кроты, дождевые черви), определяют возможность существования тех растений, у которых они опыляют цветы или разносят плоды, одновременно сильно
влияют друг на друга.
Важнейшим свойством устойчивости биосферы является участие ее живых компонентов в разложении остатков растительной биомассы. Ткани и органы отмерших растений и животных под воздействием специфических организмов-редуцентов подвергаются деструкции, т.е. распадаются. Их разложение
и последующая минерализация (превращение в относительно простые неорганические вещества) — необходимые условия нормального хода биопродукционного процесса. Вещества, которые входили в состав организмов, становятся
доступными для повторного усвоения, вновь вовлекаются в круговорот веществ, предотвращая истощение ресурсов питания растений, а подчас и способствуя их восстановлению.
Устойчивость биосферы в значительной степени основывается на высоком видовом разнообразии живых организмов, отдельные группы которых выполняют различные функции в поддержании общего потока вещества и распределения энергии на теснейшем переплетении и взаимосвязи биогенных и абиогенных процессов, на согласованности циклов отдельных элементов и уравновешивании емкости отдельных резервуаров. В биосфере действуют сложные
системы обратных связей и зависимостей.
Стабильное устойчивое биосферы обусловлено в первую очередь деятельностью самого живого вещества, которое согласно В.И. Вернадскому, «как
бы само создает себе область жизни».
Однако устойчивость биосферы имеет определенные пределы и нарушение ее регуляторных возможностей чревато серьезными последствиями. На это,
в частности, указывает правило одного процента: изменение энергетики природной системы в среднем на 1 % выводит последнюю из состояния гомеостаза
(равновесия). Данное правило подтверждается исследованиями в области глобальной климатологии и других геофизических, а также биофизических процессов. Так, все крупные природные явления на поверхности Земли (извержения вулканов, мощные циклоны, процесс глобального фотосинтеза и т.п.), как
правило, имеют суммарную энергию, не превышающую 1 % энергии солнечного излучения, попадающего на поверхность Земли. Переход энергетики процес-
47
са за это значение обычно приводит к резким аномалиям — климатическим отклонениям, переменам в характере растительности, крупным лесным и степным
пожарам.
Все это следует учитывать при планировании отдельных видов хозяйственной деятельности глобального, а иногда и локального, масштаба в целях
сохранения устойчивого состояния биосферы.
В тоже время, эволюция биосферы, как естественный процесс развития, продолжается. В.И. Вернадский, анализируя геологическую историю Земли, утверждал, что закономерным явлением будет переход биосферы в новое состояние — в
ноосферу под действием новой геологической силы, научной мысли человечества.
В настоящее время вследствие деятельности человека в биосфере образовалась составляющая, сформированная техническими (плотина) и техногенными (биологический объект, созданный искусственно, например, водохранилище) сооружениями
— техносфера. На сегодняшний день техносфера охватывает большую часть биосферы, оставляя в первичном состоянии лишь малую ее часть. В результате биосфера фактически является технобиосферой. Разумная деятельность человека (в основе которой заложены экологические принципы) должна быть направлена на превращение технобиосферы в «ноосферу» — сферу разума. По В.И. Вернадскому ноосфера является высшей стадией развития биосферы.
48
Тема 3. ГЛОБАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
3.1 Возрастание антропогенного воздействия на природу - источник
возникновения глобальных экологических проблем
Экологические проблемы в современном мире вышли на первое место.
Угроза выживания человечества пришла со стороны окружающей природной
среды, быстро деградирующей под натиском человеческой деятельности. Ресурсы планеты иссякают. Катастрофически быстро загрязняются воздух и вода.
Превращаются в пески плодородные земли. На глазах сокращаются площади
лесов. На планету буквально «вываливаются» горы отбросов; человек провоцирует природные катастрофы. Возможное потепление, истощение озонового
слоя, кислотные дожди, накопление токсичных и радиоактивных отходов - все
человечество озабочено этими проблемами, и поэтому они являются глобальными.
С середины 60-х годов XX века в развитых странах мира началось обсуждение глобальных экологических проблем. В настоящее время отмечаются качественное усложнение экологических противоречий и их распространение на
обширное пространство.
К качественной стороне противоречий относятся:
— высокий и даже критический уровень загрязнений ОС;
— нерациональное потребление природных ресурсов, используемых в
мировом производстве.
Качественное изменение экологических проблем обусловило возрастание
их социального значения. Если раньше негативное воздействие человека на
окружающую среду влияло на отдельные объекты природы, то в современных
условиях неблагоприятные последствия стал испытывать сам человек, под
угрозой оказались его здоровье и жизнь.
Проблема взаимодействия общества и природы влияет и на хозяйственное развитие. Усложнилась добыча многих видов природных ресурсов, что
ограничивает возможности производства. Использование природных ресурсов
напрямую связано с уровнем национального богатства каждой страны.
Распространение экологических противоречий на большое пространство
вызывается расширением деятельности человека, осваивающего все оболочки
Земли — литосферу, гидросферу, атмосферу, а также космос.
Расширение территорий, охваченных экологическими противоречиями,
означает, что:
49
— антропогенное воздействие распространилось на все природные сферы
Земли;
— все страны мира затронуты прямо или косвенно экологическими противоречиями;
— интенсивная человеческая деятельность может нарушить равновесие
биосферы планеты и вызвать гибель цивилизации.
Качественное усложнение и пространственное распространение экологических противоречий привели к тому, что они приобрели глобальный характер
и поставили перед человечеством глобальные проблемы.
Глобальными экологическими проблемами современного общества признаны: парниковой эффект, разрушение озонового слоя Земли, кислотные осадки, загрязнение природных вод, радиоактивное загрязнение, накопление отходов антропогенной деятельности, уничтожение и деградация лесов, проблемы
роста народонаселения и обеспечения его продовольствием, сокращение биологического разнообразия на планете.
3.2 Основные загрязнители окружающей среды и их классификация
Для современного этапа взаимодействия человека и природы характерно
глобальное загрязнение всех компонентов ОС, кризис редуцентов (загрязнения
ОС). Почти одновременно с кризисом редуцентов наступают два других кризиса — тепловой и глобальный кризис надёжности природных компонентов экологических систем.
Загрязнение – это привнесение в природу или возникновение в ней новых, обычно нехарактерных для нее агентов. В наиболее общем смысле это все
то, что выводит природные системы из состояния равновесия, как это показано
на рис. 3.1
Рисунок 3.1 – Виды загрязнений ОС
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]