Лекции по Экологии. / 4-6_lektsii_EKOLOGIYa_2011

Курслекций по дисциплине«Экология»

мало. На долю остальной части пресных вод, пригодных для водоснабжения, приходится 4,2 млн км3 воды, или всего лишь 0,3% объема гидросферы.

Гидросфера играет огромную роль в формировании природной среды нашей планеты. Весьма активно она влияет и на атмосферные процессы (нагревание и охлаждение воздушных масс, насыщение их влагой и т. д.).

Атмосфера (греч. «атмос» - пар) - газовая оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли (табл. 6.3, по Н. Реймерсу, 1990). Общая масса атмосферы - 5,15 - 1015 т. На высоте от 10 до 50 км, с максимумом концентрации на высоте 2025км, расположен слой озона, защищающий Землю от чрезмерного ультрафиолетового облучения, гибельного для организмов.

Атмосфера физически, химически и механически воздействует на литосферу, регулируя распределение тепла и влаги. Погода и климат на Земле зависят от распределения тепла, давления и содержания водяного пара в атмосфере. Водяной пар поглощает солнечную радиацию, увеличивает плотность воздуха и является источником всех осадков. Атмосфера поддерживает различные формы жизни на Земле.

Вформировании природной среды Земли велика роль тропосферы (нижний слой атмосферы до высоты 8-10 км в полярных, 1012км в умеренных и 1618км в тропических широтах) и в меньшей степени стратосферы, области холодного разреженного сухого воздуха толщиной примерно 20 км. Сквозь стратосферу непрерывно падает метеоритная пыль, в нее выбрасывается вулканическая пыль, а в прошлом и продукты ядерных взрывов в атмосфере.

Втропосфере происходят глобальные вертикальные и горизонтальные перемещения воздушных масс, во многом определяющие круговорот воды, теплообмен, трансграничный перенос пылевых частиц и загрязнений.

Атмосферные процессы тесно связаны с процессами, происходящими в литосфере и водной оболочке. К атмосферным явлениям относят: осадки, облака, туман, грозу, гололед, пыльную (песчаную) бурю, шквал, метель, изморозь, росу, иней, полярное сияние и др.

Атмосфера, гидросфера и литосфера тесно взаимодействуют между собой. Практически все поверхностные, экзогенные, геологические процессы обусловлены этим взаимодействием и проходят, как правило, в биосфере.

Биосфера - внешняя оболочка Земли, в которую входят часть атмосферы до высоты 25-30 км (до озонового слоя), практически вся гидросфера и верхняя часть литосферы примерно до глубины 3 км. Особенностью этих частей является то, что они населены живыми организмами, составляющими живое вещество планеты. Взаимодействие абиотической части биосферы - воздуха, воды и горных пород, и органического вещества - биоты, обусловило формирование почв

иосадочных пород. Последние, по В. И. Вернадскому, несут на себе следы деятельности древних биосфер, существовавших в прошлые

Биосфера, являясь глобальной экосистемой (экосферой), как и любая экосистема, состоит из абиотической и биотической частей.

Абиотическая часть представлена:

1) почвой и подстилающими ее породами до глубины, где в них еще есть живые организмы, вступающие в обмен с веществом этих пород и физической средой порового пространства;

2) атмосферным воздухом до высот, на которых возможны еще проявления жизни; 3) водной средой океанов, рек, озер и т. п.

Биотическая часть состоит из живых организмов всех таксонов, осуществляющих важнейшую функцию биосферы, без которой не может существовать сама жизнь: биогенный ток атомов. Живые организмы осуществляют этот ток атомов благодаря своему дыханию, питанию и размножению, обеспечивая обмен веществом между всеми частями биосферы га рисунке 4.3.

55

Курслекций по дисциплине«Экология»

Рисунок 4.3 - Взаимосвязи живых организмов с компонентами биосферы

В основе биогенной миграции в биосфере лежат два биохимических принципа:

-стремиться к максимальному проявлению, к «всюдности» жизни;

-обеспечить выживание организмов, что увеличивает саму биогенную миграцию.

Эти закономерности проявляются прежде всего в стремлении живых организмов «захватить» все мало-мальски приспособленные к их жизни пространства, создавая экосистему или ее часть. Но любая экосистема имеет границы, имеет свои границы в планетарном масштабе и биосфера.

Биомасса организмов, обитающих на суше, на 99,2% представлена зелеными растениями и 0,8% - животными и микроорганизмами. Напротив, в океане на долю растений приходится 6,3%, а на долю животных и микроорганизмов - 93,7% всей биомассы. Жизнь сосредоточена главным образом на суше.

В. И. Вернадский считал, что живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей.Решающее отличие живого вещества от косного заключается в следующем:

изменения и процессы в живом веществе происходят значительно быстрее, чем в косных

телах.

в ходе геологического времени возрастают мощь живого вещества и его воздействие на косное вещество биосферы.

только в живом веществе происходят качественные изменения организмов в ходе геологического времени.

живые организмы изменяются в зависимости от изменения окружающей среды, адаптируются к ней и именно постепенное накопление таких изменений служит источником эволюции.

Важнейшей частью учения Вернадского о Биосфере являются представления о ее возникновении и развитии. В сжатом виде идеи В. И. Вернадского об эволюции биосферы могут быть сформулированы следующим образом:

1.Вначале сформировалась литосфера – предвестник окружающей среды, а затем после появления жизни на суше – биосфера. Современная биосфера возникла не сразу, а в результате длительной эволюции в процессе постоянного взаимодействия абиотических и биотических факторов. Первые формы жизни были представлены анаэробными бактериями.

2.Современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых геологических эпох.

3.Живые организмы – главный фактор миграции химических элементов в земной коре.

56

Курслекций по дисциплине«Экология»

4.Основным движущим фактором развития процессов в биосфере является биохимическая энергия живого вещества.

Живое вещество образует ничтожно тонкий слой в общей массе геосфер Земли.

По подсчетам ученых его масса составляет 2420 млрд т, что более чем в две тысячи раз меньше массы самой легкой оболочки Земли - атмосферы. Но эта ничтожная масса живого вещества встречается практически повсюду - в настоящее время живые существа отсутствуют лишь в области обширных оледенений и в кратерах действующих вулканов.

Пределы толерантности температур у различных организмов практически от абсолютного нуля до плюс 180 С, а некоторые бактерии могут существовать в вакууме. Широк диапазон химических условий среды для ряда организмов - от жизни в уксусе до жизни под действием ионизирующей радиации (бактерии в котлах ядерных реакторов). Более того, выносливость некоторых живых существ по отношению к отдельным факторам выходит даже за пределы биосферы, т. е. у них есть еще определенный «запас прочности» и потенциальные возможности к распространению. Однако все организмы выживают еще и потому, что везде, где бы ни было их местообитание, существует биогенный ток атомов. Этот ток не смог бы иметь место, во всяком случае в наземных условиях, если бы не было почв.

Почвы - важнейший компонент биосферы, оказывающий, наряду с Мировым океаном, решающее влияние на всю глобальную экосистему в целом. Именно почвы обеспечивают питание биогенными веществами растения, которые кормят весь мир гетеротрофов. Почвы на Земле разнообразные и их плодородие тоже разное. Плодородие зависит от количества гумуса в почве, а его накопление, как и мощность почвенных горизонтов, зависит от климатических условий и рельефа местности. Наиболее богаты гумусом степные почвы, где гумификация идет быстро, а минерализация идет медленно. Наименее богаты гумусом лесные почвы, где минерализация по скорости опережает гумификацию.

Выделяют по различным признакам множество типов почв. Под типом почв понимается большая группа почв, формирующаяся и в однородных условиях, характеризующаяся определенным почвенным профилем и направленностью почвообразования.

Время формирования почв зависит от интенсивности гумификации. Скорость накопления гумуса в почвах можно определить в единицах, измеряющих мощность (толщину) гумусового слоя по отношению к времени их формирования, например, в мм/год. На Русской равнине черноземы образовались за 2500-3000 лет, серые и бурые лесные почвы - за 800-1000 лет, подзолистые, примерно за 1500 лет. Скорость образования почв зависит и от типа материнской породы - на гранитах во влажном тропическом климате для образования настоящей почвы надо 20000 лет.

Эти данные позволяют количественно оценивать допустимый смыв при интенсивном антропогенном воздействии. Одновременно они свидетельствуют, как легко можно разрушить эту тонкую «коричневую пленку» и сколько нужно времени, не считая затрат, чтобы восстановить утраченное.

Почвенный покров, являясь неотъемлемым компонентом биосферы, выполняет ряд биосферных, т. е. глобальных с экологических позиций, функции почв обеспечивается их важнейшая экологическая роль в биосфере, которая сводится к следующим положениям (приводится с некоторыми изменениями автором раздела настоящего учебника):

1)почва является средой обитания, аккумулятором и источником вещества и энергии для организмов суши;

2)почва регулирует состав атмосферы и гидросферы;

3)почва - защитный барьер биосферы (нейтрализует значительную часть загрязняющих биосферу веществ, тем самым предотвращая их поступление в живое вещество);

4)почва обеспечивает малый биогеохимический круговорот веществ на суше и сопряжение его с большим геологическим круговоротом веществ и, тем самым,

5)обеспечивает существование жизни на Земле.

Почва является граничным слоем между атмосферой и биосферной частью литосферы. В нем наблюдается не просто смешение живого и неживого компонентов природы, но и их взаимодействие в рамках почвенной экосистемы. Главное назначение этой экосистемы -

57

Курслекций по дисциплине«Экология»

обеспечение круговорота веществ в биосфере.

Таблица 4.1 - Глобальные функции почв (педосферы)

4.2 Живое вещество биосферы

При общем рассмотрении биосферы, как планетарной экосистемы, особое значение приобретает представление о ее живом веществе, как о некой общей живой массе планеты. Под живым веществом В. И. Вернадский понимает все количество живых организмов планеты как единое целое. Его химический состав подтверждает единство природы - он состоит из тех же элементов, что и неживая природа, только соотношение этих элементов различное и строение молекул иное.

В.И. Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, включающую наряду с организмами и среду их обитания. Он выделил в биосфере семь разных, но геологически взаимосвязанныхтипов веществ. По В.И. Вернадскому, в состав биосферы входят следующие типы веществ.

1.Живоевещество—живыеорганизмы,населяющиенашупланету.

2.Косное вещество — неживые тела, образующиеся в результате процессов, не связанных с деятельностью живых организмов (породы магматического и метаморфического происхождения, некоторые осадочные породы).

3.Биогенное вещество — неживые тела, образующиеся в результате деятельности живых организмов (некоторые осадочные породы: известняки, мел и др., а также нефть, газ, каменный уголь, кислород атмосферы и др.).

4.Биокосное вещество — биокосные тела, представляющие собой результат совместной деятельностиживыхорганизмов игеологических процессов (почвы, илы, кора выветривания).

5.Радиоактивное вещество — атомы радиоактивных элементов(уран (238U,235U), торий (232Th), радий (226Ra) и радон (222Rn, 220Rn), калий (40К), рубидий (87Rb), кальций (48Са), цирконий (96Zr), тритий

58

Курслекций по дисциплине«Экология»

(3Н), бериллий(7Ве,,0Ве),углерод(14С)и др.

6.Рассеянные атомы — отдельные атомы элементов, встречающиеся в природе в рассеянном состоянии (в таком состоянии часто существуют атомы микро- и ультрамикроэлементов: Mn, Co, Zn, Cu, Au, Hg и др.)

7.Вещество космического происхождения — вещество, поступающее на поверхность Земли из космоса (метеориты, космическая пыль).

Классификация вещества биосферы, предложенная В.И. Вернадским, с логической точки зрения не является безупречной, так как выделенные категории вещества частично перекрывают друг друга. Так, вещество космического происхождения одновременно является и косным. Атомы многих элементов являются и радиоактивными, и рассеянными одновременно. При этом и атомы радиоактивных элементов, и рассеянные атомы могут входить в состав как живого, так и косного вещества. «Биокосное вещество», нельзя рассматривать в качестве особого типа вещества, поскольку оно состоит из двух веществ — живого и косного. По своему характеру это не вещество, а динамическая система, что подчеркивает и сам В.И. Вернадский.

Классификацию типов вещества в биосфере В.И. Вернадский строил по нескольким параметрам:

а) по характеру самого вещества (живое или косное); б)по характеру исходного вещества (выделяются биогенное вещество и косное вещество, в

образовании которого жизнь не участвует); в)по признаку радиоактивности (выделяется вещество, находящееся в радиоактивном

распаде); г) по степени дисперсности молекулярной структуры (выделяется вещество, представленное

рассеяннымиатомами); д)по признаку земного или внеземного происхождения (выделяется вещество космического

происхождения).

Свойства живого вещества заключаются в следующем:

1.Способность быстро занимать (осваивать) все свободное пространство. Способность быстрого освоения пространства связана с интенсивным размножением (некоторые простейшие формы организмов могли бы освоить весь земной шар за несколько часов или дней, если бы не было факторов, сдерживающих их потенциальные возможности размножения), так иэ способностью организмов интенсивно увеличивать поверхность своего тела или образуемых ими сообществ. Например, площадь листьев растений, произрастающих на 1 га, составляет 8—10 га и более. То же относится к корневым системам.

Движение не только пассивное, но и активное, то есть не только под действием силы тяжести, гравитационных сил и т.п., но и против течения воды, силы тяжести, движения воздуха и т.п.

Устойчивостьприжизниибыстроеразложениепослесмерти (включение в круговороты веществ). Благодаря саморегуляции живые организмы способны поддерживать постоянный химический состав

иусловия внутренней среды, несмотря на значительные изменения условий внешней среды. После смерти эта способность утрачивается, а органические остатки очень быстро разрушаются. Образовавшиеся органические и неорганические вещества включаются в круговороты.

Высокая приспособительная способность (адаптация) к различным условиям и в связи с этим освоение не только всех сред жизни (водной, наземно-воздушной, почвенной, организменной), но и крайне трудных по физико-химическим параметрам условий. Например, некоторые организмы переносят температуры, близкие к значениям абсолютного нуля — 273° С, микроорганизмы встречаются в термальных источниках с температурами до 140 °С, в водах атомных реакторов, в бескислородной среде, в ледовых панцирях и т.п.

5.Феноменально высокая скорость протекания реакций.Она на несколько порядков значительнее, чем в неживом веществе. Об этом свойстве можно судить по скорости переработки вещества организмамив процессе жизнедеятельности. Например,гусеницы некоторых насекомых потребляют за день количество пищи, которое в 100—200 раз больше веса их тела. Дождевые черви (масса их тел примерно в 10 раз больше биомассы всего человечества) за 150—200 лет пропускают через свои организмы весь однометровый слой почвы. По представлениям В.И. Вернадского, практически все

59

Курслекций по дисциплине«Экология»

осадочные породы, а это слойдо 3 км, на 95—99% переработаны живыми организмами.

6. Высокаяскоростьобновленияживоговещества.Подсчитано, что в среднем для биосферы она составляет 8 лет, при этом для суши — 14 лет, а для океана, где преобладают организмы с коротким периодом жизни (например, планктон), — 33 дня. В результате высокой скорости обновления живого вещества за всю историю существования жизни общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу, примерно в 12разпревышает массу Земли.

4.3 Функции живого вещества

Живое вещество обеспечивает биогеохимический круговорот веществ и превращение энергии

вбиосфере.Выделяютследующие основные геохимические функции живого вещества:

1.Энергетическая (биохимическая) — связывание и запасание солнечной энергии в органическом веществе и последующее рассеяние энергии при потреблении и минерализации этнического вещества. Эта функция связана с питанием, дыхаханием, размножением и другими процессами жизнедеяльности организмов.

2.Газовая — способность живых организмов изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания атмосферы в целом. С газовой функцией связывают два переломных периода (точки) в развитии биосферы.

3.Концентрационная — «захват» из окружающей среды жи-1ыми организмами и накопление в них атомов биогенных химических элементов. Концентрационная способность живого вещества повышает содержание атомовхимическихэлементов »организмахпо сравнению с окружающей средой на несколько порядков. Содержание углерода в растениях в 200 раз, а азота в 30 раз превышает их уровень в земной коре. Результат концентрационной деятельности живого вещества — образование залежей горючихископаемых,известняков,рудныхместорожденийит.п.

3.Окислительно-восстановительная — окисление и восстановление различных веществ с участием живых организмов. Под влиянием живых организмов происходит интенсивная миграция атомов элементов с переменной валентностью (Fe, Mn, S, Р, N и др.), создаются их новые соединения, происходит эотложение сульфидов и минеральной серы, образование сероводорода и т.п.

5.Деструктивная — разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности, в том числе и после их смерти, как остатков органического вещества, так и косных веществ. Наиболее существенную роль вэтомотношениивыполняют редуценты (деструкторы) — сапротрофные грибы и бактерии.

6.Транспортная — перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. Такой перенос может осуществляться на огромные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных. С транспортной функцией в значительной мере связана концентрационная роль сообществ организмов, например, в местах их скопления (птичьи базары и другие колониальные поселения).

7.Средообразующая — преобразование физико-химических параметров среды. Эта функция является в значительной мере интегральной — представляет собой результат совместного действия других функций. Она имеет разные масштабы проявления. Результатом средообразующей функции является и вся биосфера, ипочва как одна из сред обитания, и более локальные структуры.

8.Рассеивающая — функция, противоположная концентрационной — рассеивание веществ в окружающей среде. Она проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, смене покровов и т.п. Железо гемоглобина крови рассеивается кровососущими насекомыми.

9.Информационная — накопление живыми организмами определенной информации, закрепление ее в наследственных структурах и передача последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.

10.Биогеохимическая деятельность человека — превращение и перемещение веществ биосферы в результате человеческой деятельности для хозяйственных и бытовых нужд человека. Например, использование концентраторов углерода — нефти, угля, газа и др.

60

Курслекций по дисциплине«Экология»

Таким образом, биосфера представляет собой сложную динамическую систему, осуществляющую улавливание, накопление и перенос энергии путем обмена веществ между живым веществом и окружающей средой.

4.4 Круговорот веществ

Основных круговоротов веществ в природе два: большой (геологический) и малый (биогеохимический).

Большой круговорот веществ в природе (геологический). Геологический круговорот обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества междубиосферой и более глубокими горизонтами Земли.

Осадочные горные породы, образованные за счет выветривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются и образуют магму - источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на земную поверхность и действия процессов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадочные породы ак на рисунке 4.4. Символом круговорота веществ является спираль, а не круг. Это означает, что новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то новое, что со временем приводит к весьма значительным изменениям.

Рисунок 4.4 - Большой (геологический) круговорот веществ

Большой круговорот - это и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу. Влага, испарившаяся с поверхности Мирового океана (на что затрачивается почти половина поступающей к поверхности Земли солнечной энергии), переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока. Круговорот воды происходит и по более простой схеме: испарение влаги с поверхности океана - конденсация водяного пара - выпадение осадков на эту же водную поверхность океана.

Подсчитано, что в круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км3 воды.

61

Курслекций по дисциплине«Экология»

Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимическом цикле, весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за два миллиона лет.

Малый круговорот веществ в биосфере (биогеохимический). В отличие от большого круговорота, малый 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 неорганические соединения.

Этот круговорот для жизни биосферы - главный, и он сам является порождением жизни. Изменяясь, рождаясь и умирая, живое вещество поддерживает жизнь на нашей планете, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ.Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез. Эта энергия довольно неравномерно распределяется по поверхности земного шара.

Вряде экосистем перенос вещества и энергии осуществляется преимущественно посредством трофических цепей. Такой круговорот обычно называют биологическим. Он предполагает замкнутый цикл веществ, многократно используемый трофической цепью. Безусловно, он может иметь место в водных экосистемах, особенно в планктоне с его интенсивным метаболизмом, но не в наземных экосистемах, за исключением дождевых тропических лесов, где может быть обеспечена передача питательных веществ «от растения к растению», корни которых на поверхности почвы.

Однако в масштабах всей биосферы такой круговорот невозможен. Здесь действует биогеохимический круговорот, представляющий собой обмен макро- и микроэлементов и простых неорганических веществ (CO2, H2O) с веществом атмосферы, гидросферы и литосферы. Круговорот отдельных веществ В. И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Суть цикла в следующем: химические элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают, уходя в абиотическую среду, затем, через какое-то время, снова попадают в живой организм и т. д. Такие элементы называют биофильными. Этими циклами и круговоротом в целом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества в биосфере.

Вбиогеохимических круговоротах следует различать две части, или как бы два среза:

1)резервный фонд - это огромная масса движущихся веществ, не связанных с организмами,

2)обменный фонд - значительно меньший, но весьма активный, обусловленный прямым обменом биогенным веществом между организмами и их непосредственным окружением. Если же рассматривать биосферу в целом, то в ней можно выделить: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере (океан) и 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре (в геологическом круговороте).

В связи с этим, следует отметить, лишь один-единственный на Земле процесс, который не тратит, а, наоборот, связывает, солнечную энергию и даже накапливает ее - это создание органического вещества в результате фотосинтеза. В связывании и запасании солнечной энергиии заключается основная планетарная функция живого вещества на Земле.

4.5 Биогеохимические циклы биогенных веществ

Наиболее жизненно важными можно считать вещества, из которых, в основном, состоят белковые молекулы. К ним относятся углерод, азот, кислород, фосфор, сера.

Биогеохимические циклы углерода, азота и кислорода наиболее совершенны. Благодаря большим атмосферным резервам, они способны к быстрой саморегуляции. В круговороте углерода, а точнее - наиболее подвижной его формы - CO2, четко прослеживается трофическая цепь: продуценты - улавливающие углерод из атмосферы при фотосинтезе, консументы -

поглощающие углерод вместе с телами продуцентов и консументов низших порядков, редуцентов - возвращающих углерод вновь в круговорот. Скорость оборота CO2 составляет порядка 300 лет (полная его замена в атмосфере и других элементов цикла ).

В Мировом океане трофическая цепь: продуценты (фитопланктон) - консументы

62