Основные понятия и определения

Ключевым объектом изучения экологии и природопользо­вания является биосфера. Создателем современного учения о биосфере является выдающийся русский ученый академик В. И. Вернадский. Центральным в его концепции является понятие о живом веществе, которое он определяет как сово­купность живых организмов. Революционность учения Вер­надского состояла в том, что он рассматривал живую приро­ду в неразрывной связи с исторической деятельностью чело­века. В. И. Вернадский подчеркивал, что биосфера включает в себя "живую пленку" Земли, "живое вещество" планеты. Биосфера — это единство всего живого и минеральных эле­ментов.

С развитием цивилизации, согласно концепции В. И. Вер­надского, возникает новая оболочка Земли — ноосфера — сфера человеческой деятельности, человеческого разума.

Ноосфера (от греч. "разум" и "шар") — новое состояние биосферы, при котором разумная деятельность человека ста­новится главным, определяющим фактором ее развития. Раз­рабатывая учение о ноосфере, В. И. Вернадский рассматри­вал ее как новое эволюционное состояние биосферы, преоб­разуемой в интересах мыслящего человечества.

Биосфера — это оболочка Земли, содержащая всю сово­купность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном процессе обмена с этими организмами.

Вокруг Земли расположены концентрические слои, или оболочки, которые характеризуются соответствующим соста­вом и свойствами вещества (см. рис. 1).

Атмосфера — вне­шняя газовая оболочка Земли, которая граничит с космичес­ким пространством, через нее осуществляется обмен веще­ства и энергии с космосом. Атмосфера имеет несколько слоев: тропосфера — нижний слой, примыкающий к поверхности Земли; стратосфера; мезосфера; ионосфера (термосфера), экзосфера. Гидросфера — водная оболочка Земли, которая включает моря и океаны. Литосфера — внешняя твердая обо­лочка Земли, состоящая из осадочных и магматических по­род (рис. 1).

Биосфера — та часть земного шара, в пределах которой имеется жизнь. Верхний предел биосферы обуслов­лен интенсивной концентрацией УФ-лучей, т. е. верхней ее границей является озоновый слой, нижний предел — высо­кой температурой земных недр (свыше 100°С) (рис. 2).

Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидро­сферу и верхнюю часть литосферы.

В литосфере главным фактором, ограничивающим жизнь, является температура подземных вод и горных пород. С глу­биной температура возрастает и на уровне 1,5—15 км превы­шает +10°С. В породах земной коры были обнаружены бак­терии на максимальной глубине 4 км. Достаточно большое количество бактерий зарегистрировано на глубине 2-2,5 км в нефтяных месторождениях.

Летальным ограничителем распространения жизни в ат­мосфере служит ультрафиолетовая радиация, которая на­растает с высотой. Споры грибов и бактерий обнаружены на высоте 20—22 км, а основная часть аэропланктона концент­рируется в слое до 1-1,5 км.

В горах граница распространения наземной жизни дости­гает высоты 6 км над уровнем моря. На высоте 22-25 км рас­положен озоновый слой, который поглощает большую часть ультрафиолетовой радиации. Выше этого защитного слоя живые организмы погибают.

В пресных водах континентов и в Мировом океане (гид­росфере) жизнь — распространена повсеместно и встреча­ется даже на дне океанических впадин глубиной 10-11 км.

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

Некоторые живые организмы приспособились жить в бес­кислородной среде. Уксусные угрицы (нематоды) обитают в емкостях с бродящим уксусом. Ряд микроорганизмов живет 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 при действии ионизирующей радиации. Ряд инфузорий вы­держивает излучение, по дозе 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.

В природе при помощи солнечной энергии происходят гео­логический (большой) и биологический (малый) круго­вороты веществ в природе. Наиболее легко проследить геологический круговорот веществ на примере воды (см. рис. 3).

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 испаренной влаги и выпавших осадков. Таким образом совершается большой гео­логический круговорот веществ в природе.

Энергия солнечного излучения преобразуется в органи­ческую материю благодаря процессу фотосинтеза, 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 зеленой массы и выработки кис­лорода.

Образуемые зелеными растениями органические вещества служат пищей для других живых существ, а выделяемый кислород обеспечивает процессы дыхания. Таким образом, основу биологического круговорота веществ составляет энергия солнца и хлорофилл растений (рис.4)

Сущность биологического круговорота — синтез 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 (рис. 5, б, 7).

Перемещения углекислого газа (см. рис. 5) в биосфере Земли протекают в двух направлениях:

1. 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;

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

Во втором случае углерода накапливается в 4 раза боль­ше, чем заложено его в продуктах фотосинтеза.

В результате антропогенного воздействия содержание С02 в атмосфере постоянно растет из-за сжигания горючих ис­копаемых, интенсификации, расширения масштабов сельс­кохозяйственного производства и вырубки лесов. Это приво­дит к нарушению баланса в природе между атмосферой, материками и океанами.

Атмосферный воздух содержит 78% азота, но азот хи­мически малоактивен, и поэтому круговорот азота в био­сфере происходит замедленно. Фиксация атмосферного азо­та осуществляется азотофиксирующими бактериями и не­которыми видами сине-зеленых водорослей. Образующиеся нитраты становятся доступными для других растений. Например, клубеньковые бактерии, живущие на корнях растений семейства бобовых, производят биофиксацию азота в почве. В Мировом океане и почвенном покрове есть опре­деленные микроорганизмы, которые расщепляют атмос­ферный азот (N2) и используют его атомы для построения органических соединений. Погибшие растения и животные возвращают азот в почву, откуда он вновь поступает в пос­ледующие поколения растений, а через них и в животных. Благодаря деятельности денитрифицирующих бактерий азот постоянно поступает в атмосферу.

Важным элементом протоплазмы клеток живых организ­мов является фосфор. Он совершает свой круговорот в био­сфере, переходя из органических веществ в фосфаты, дос­тупные растениям.

Круговорот фосфора происходит на суше и в океане. Фос­фориты и апатиты — горные минералы, содержащие фос­фор. Под действием выветривания, атмосферных физических и химических факторов горные породы разрушаются. Продукты разрушения перемещаются водой, льдом, ветром. Фосфор переносится в низины и далее природными водами — в Мировой океан. Здесь фосфор переходит в состав фито­планктона. По пищевым цепям происходит перемещение и накопление фосфора в тканях морских животных. Морские птицы, животные доставляют соединения фосфора на сушу. Определенное количество фосфора попадает на сушу благо­даря рыболовству (см. рис. 7).

В основе экологического взгляда на мир лежит представ­ление, что каждое живое существо окружено множеством влияющих на него факторов, образующих в комплексе его место обитания — биотоп. Организмы, характерные для определенного биотопа, составляют жизненное сообщество, или биоценоз. Жизненное сообщество образует со своим био­топом единое целое, называемое экологической системой (экосистемой ).

Основными компонентами экосистем являются:

• неживая (абиотическая) среда. Это вода, минеральные вещества, газы, а также органические вещества и гумус;

• биотические компоненты: продуценты, консументы, редуценты.

К продуцентам (производителям) относятся живые су­щества, способные из неорганических материалов среды стро­ить органические вещества. Такую работу выполняют, глав­ным образом, зеленые растения, производящие с помощью солнечной энергии из двуокиси углерода, воды и минераль­ных веществ органические соединения в процессе фотосин­теза. При этом высвобождается кислород. Органические ве­щества, производимые растениями, идут в пищу животным и человеку, кислород используется для дыхания.

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

Редуценты (деструкторы, разлагатели) — организмы, разлагающие остатки отмерших живых существ, 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.

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

Природа действует в высшей степени экономно. Естествен­ные ненарушенные экосистемы стремятся к равновесию. Со­зданная организмами биомасса (вещество их тел) и содержа­щаяся в них энергия передаются другими членам экосистемы: животные поедают растения, этих животных поедают другие животные. Этот процесс называют пищевой (трофической) цепью. Примеры пищевых цепей: растение — растительно­ядное животное — хищник; злак — полевая мышь — лиса.

Как правило, каждый консумент питается не одним-единственным видом организмов. Поэтому пищевые цепи перепле­таются, образуя пищевую сеть. Чем сильнее организмы связа­ны между собой пищевыми сетями и другими взаимодействия­ми, тем устойчивее сообщество против возможных нарушений.

Состояние равновесия основано на взаимодействии био­тических и абиотических факторов среды, которое под­держивается благодаря непрерывному обмену материей и энергией между всеми компонентами экосистем.

В замкнутых круговоротах естественных экосистем наря­ду с другими обязательно участие двух факторов: наличие редуцентов и постоянное поступление солнечной энергии.

В городских и искусственных экосистемах мало или со­всем нет редуцентов, поэтому жидкие, твердые и газообраз­ные отходы накапливаются, загрязняя окружающую среду. В отношении потребности в энергии природные и антропо­генные (созданные человеком) экосистемы сходны. И при­родным, и искусственным экосистемам — домам, городам, 22 системам транспорта — требуется поступление энергии из­вне. Но естественные экосистемы получают энергию от прак­тически вечного источника — Солнца, которое, "производя" энергию, не загрязняет окружающую среду. Человек осуще­ствляет процессы производства и потребления в основном за счет конечных источников энергии — угля и нефти, которые наряду с энергией дают пыль, газы, тепловые и другие от­ходы, вредящие окружающей среде и не поддающиеся пе­реработке внутри самой искусственной экосистемы.