7.6. Биологическое разнообразие биосферы

Биологическое разнообразие биосферы – это совокупность всех существующих на Земле видов растений, животных, микроорганизмов и образуемых ими природных экосистем.

Выделяют 4 уровня биоразнообразия биосферы: 1 – экологическое разнообразие (биомы, биорегионы, ландшафты, экосистемы, местообитания, экологические ниши, популяции); 2 – организменное разнообразие (царства, классы, отряды, семейства, роды, виды, подвиды, популяции, особи); 3 – генетическое разнообразие (популяции, особи, хромосомы, гены, нуклеотиды); 4 – культурное разнообразие (человеческие взаимоотношения на всех уровнях (Маврищев, 2005).

По оценкам ученых, общее число видов живых существ составляет от 5 до 30 млн. Из них в настоящее время описано более 1,7 млн (в том числе около 1,3 млн видов животных и 0,4 млн видов растений, бактерий и грибов).

В 2000 г. описано видов: бактерии – 4000, водоросли и простейшие – 80 000, животные позвоночные – 52 000, животные беспозвоночные – 1 272 000, грибы – 72 000, растения – 270 000 (всего 1 750 000 видов). Возможное количество видов на Земле, включая неизвестные виды, составляет 14 000 000.

Разнообразие биосферы доминирует среди насекомых и высших растений из живущих видов организмов. Общее количество организмов всех жизненных форм колеблется между 10 и 100 млн видов (Wilson,1992).

В результате деятельности человека снижается биологическое разнообразие природных экосистем. Так, после 1600 г. на Земле исчезли 384 вида высших растений, 23 вида рыб, 2 вида амфибий, 21 вид рептилий, 113 видов птиц и 83 вида млекопитающих.

Современная природоохранная деятельность направлена на максимальное сохранение разнообразия форм жизни на Земле. Чем больше это разнообразие, тем больше устойчивость биосферы.

Совокупность генов одного вида называется генофонд вида, а совокупность генофондов всех видов организмов нашей планеты создает особый генофонд жизни в биосфере.

В Конвенции о биологическом разнообразии, принятой 5 июня 1992 г. в качестве основной цели провозглашается «сохранение биологического разнообразия, устойчивое использование его компонентов и совместное получение на справедливой и равной основе выгод, связанных с использованием генетических ресурсов». Для контроля и сохранения биологического разнообразия разрабатывается и внедряется комплекс мероприятий. Проблема сохранения биологического разнообразия биосферы является особенно актуальной и значимой для всего человечества. От результатов ее решения зависит возможность сохранения устойчивого функционирования биосферы, жизни на Земле и обеспечение интересов нынешнего и будущих поколений человека.

7.7. Биогеохимический круговорот веществ в биосфере

Для того, чтобы биосфера могла существовать, чтобы ее движение (развитие) не прекращалось, на Земле должен происходить круговорот биологически активных веществ, то есть после использования одними организмами они должны вновь переходить в усвояемую для других организмов форму. Этот переход биологически важных веществ из одного звена в другие звенья может осуществляться за счет энергетических затрат.

На Земле происходит постоянная циркуляция веществ, основой которой является энергия Солнца.

Круговорот веществ – это непрерывный циклический процесс перераспределения химических элементов в биосфере.

За счет потока солнечной энергии на Земле осуществляются два круговорота веществ: 1 – геологический (абиотический), или большой круговорот веществ; 2 – биологический (биотический), или малый круговорот веществ.

Геологический круговорот проявляется в круговороте воды и циркуляции атмосферы, на что уходит около половины энергии Солнца, падающей на Землю.

Круговорот воды в биосфере основан на том, что вода испаряется с поверхности океана в большей степени, чем выпадает с осадками. На суше выпадение осадков преобладает над испарением. Выпадающие осадки подпитывают водоемы и реки, стекающие в океаны. При этом формируется климат и происходит процесс выветривания горных пород.

В процессе геологического круговорота воды осуществляется также перенос минеральных соединений в разные регионы в масштабах планеты, происходит изменение агрегатного состояния воды (жидкая, твердая – снег, лед, газообразная – пары). Наиболее интенсивно вода циркулирует в парообразном состоянии. Движение воздушных масс помимо механических эффектов (волны, ветры, течения) обусловливает аэрогенную миграцию веществ (паров воды, пылевидных частиц, аэрозолей). Под действием солнечной радиации в атмосфере происходят различные фотохимические реакции – фотолиз воды (разложение воды под действием энергии Солнца), образование озона, углеводородных смогов и др.

Имеются данные, что за 1 год в глобальный круговорот воды вовлекается 0,04% массы гидросферы. Это соответствует кругообращению 16,5 млн м³ воды за секунду и более 40 МВт солнечной энергии. Речной сток составляет 7% глобального гидрологического цикла.

Геологический круговорот происходит на протяжении всего геологического развития Земли.

С появлением жизни на Земле на основе большого абиотического круговорота (круговорота воды, атмосферы, растворенных минеральных соединений) возник малый, или биологический круговорот органического вещества. В отличие от простого переноса минеральных элементов в большом абиотическом круговороте, в малом биологическом круговороте самыми важными процессами являются синтез и разрушение органических соединений. Синтез и распад органических веществ находятся в определенном соотношении, что лежит в основе жизни и составляет одну из главных ее особенностей.

Биологический круговорот – это явление непрерывного циклического перераспределения вещества, энергии и информации в пределах экологических систем в биосфере.

Суть биологического круговорота заключается в протекании двух противоположных, но взаимосвязанных процессов – синтеза органического вещества и его разрушения. При этом поток энергии направляется от растений-продуцентов, через консументы к редуцентам с последующим выносом в околоземное пространство.

Частью биологического круговорота является биогеохимический круговорот (цикл) – круговорот химических элементов из неорганической природы через живые организмы в неорганическую природу.

Биогенная миграция атомов совершается с использованием солнечной энергии (менее 1% падающей на Землю энергии Солнца, тогда как на абиотический круговорот воды тратится более 50% падающей энергии Солнца) и энергии химических связей органических веществ и проявляется в процессе обмена веществ, росте и размножении организмов.

Для поддержания равновесия в биосфере особое значение имеет глобальная степень замкнутости биотического круговорота. Круговорот полностью замкнут, когда существует равенство сумм прямых и обратных расходов. В ХХ и ХI вв. под влиянием интенсивной хозяйственной и производственной деятельности человека в биосфере накапливаются отходы различного химического состава, которые не полностью разлагаются и далее вовлекаются в биологический круговорот. Это приводит к частичной разомкнутости звеньев биологического круговорота и приводит к нарушению динамического равновесия и снижению устойчивости биосферы.

Малый и большой круговороты тесно связаны между собой и представляют единый биогеохимический круговорот веществ.

Основными биогеохимическими циклами в биосфере являются круговороты воды, углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и др. биогенных элементов.

Если принять, что биосфера существует 3,5 – 4,0 млрд. лет, то вся вода Мирового океана прошла через биогеохимический цикл не менее 300 раз, а свободный кислород атмосферы – не менее 1 млн раз. Круговорот углерода осуществляется за 8-10 лет, азота – за 110 лет, кислорода – за 2 500 лет.

На протяжении длительной органической эволюции живые организмы тысячекратно «пропустили» через себя (через свои клетки, органы, ткани, кровь) всю массу атмосферы, весь объем Мирового океана, большую часть массы почв, огромную массу минеральных элементов, а также, соответственно, изменили эту среду.

Круговорот углерода. Углерод составляет основу органических веществ биосферы. Масса углерода в биосфере составляет 4000 Гт. Из них 1000 Гт приходится на биомассу. Ежегодная продукция биосферы по углероду составляет 90-100 Гт. Такое же его количество освобождается в процессе дыхания. Следовательно, период обновления биосферы по углероду составляет около 10 лет. Запас углекислого газа (СО₂) в атмосфере – 700 Гт.

Углекислый газ при участии воды фиксируется растениями в процессе фотосинтеза, при этом образуются органические вещества – углеводы и кислород. Далее фиксированный растениями в органических веществах углерод потребляется человеком, животными, микроорганизмами и снова выделяется в атмосферу при дыхании организмов и при их разложении после гибели. В результате антропогенной деятельности и огромного количества сжигаемого человеком для получения энергии органического топлива (нефть, газ, уголь) в атмосферу привносится значительная дополнительная масса двуокиси углерода, которая не полностью поглощается растениями и компонентами океана. Это приводит к негативным явлениям – глобальному потеплению, изменению климата, «парниковому эффекту». Масса углерода, заключенная в каменном угле и нефти, оценивается экологами в 0,34 * 10 ¹⁶ т.

Круговорот кислорода. Кислород на Земле – первый по распространенности элемент. Биотический круговорот кислорода составляет 250 Гт в год, а общее его количество в биосфере – 10¹⁴ т. Свободный кислород выделяется в атмосферу в процессе фотосинтеза растений. Он потребляется при дыхании человека, животных и растений, используется в реакциях окисления (в том числе сжигания топлива).

Круговорот азота. Круговорот азота охватывает все области биосферы. Азот входит в структуру аминокислот и белков, без которых невозможнга жизнь, а также молекул нуклеиновых кислот – носителей наследственной информации, пигмента хлорофилла, необходимого для улавливания солнечной энергии в процессе фотосинтеза, ростовых веществ, минеральных солей и других. Азот – наиболее лимитирующий фактор из всех биогенных элементов.

Азот, которого очень много в атмосфере (78%), не может усваиваться растениями в молекулярной форме (N₂). Энергия химической связи в молекуле азота очень велика. Поэтому соединение азота с другими элементами – кислородом и водородом (процесс азотфиксации) требует больших затрат энергии. Промышленная фиксация азота идет в присутствии катализаторов – ускорителей химических реакций при температуре 500^оС и давлении 300 атмосфер. В биосфере же фиксация азота осуществляется преимущественно несколькими группами анаэробных бактерий (Rhizobium, Azotobacter) и цианобактерий при нормальной температуре и давлении, благодаря высокой эффективности биологического катализа – катализа реакций фиксации молекулярного азота атмосферы с помощью ферментных систем (биокатализаторов) клубеньковых бактерий. Считают, что бактерии переводят в связанную форму около 1 млрд т азота в год (для сравнения: мировой объем промышленной фиксации азота составляет только 90 млн т в год). Азот усваивается растительными организмами только после соединения его с водородом и кислородом.

Круговорот азота начинается с фиксации его из воздуха почвенными микроорганизмами. Возможна и небиологическая фиксация азота в атмосфере под действием космических лучей и в результате промышленной деятельности человека. Растения потребляют азот в нитратной (NO₃^-) и аммиачной (NH₄⁺) формах и преобразуют их в органические соединения – аминокислоты, белки и другие вещества. После разложения отмершего органического вещества образуется аммиак (NH₃). Часть соединений азота не подвергается окончательному разложению и сохраняется в виде гумуса и осадочных пород. Нитрифицирующие бактерии превращают аммиак в почве в нитраты (NO₃^-) и нитриты (NO₂^-). Часть азота благодаря денитрифицирующим бактериям вновь поступает в атмосферу. На круговорот азота значительное влияние оказывает деятельность человека, который вносит азотные удобрения в почву. Установлено, что только 1/10 часть внесенного азота используется растениями, а остальная часть с поверхностным стоком и грунтовыми водами переходит в морские отложения. Избыточный азот создает проблему эвтрофирования (зарастания) водоемов, а также накопления избытка нитратов, нитритов, нитрозоаминов в пищевой продукции, что неблагоприятно сказывается на состоянии здоровья населения (канцерогенный эффект, анемия и др.). Широкое использование сельскохозяйственной техники для обработки почвы приводит к усилению поверхностного стока и увеличению выноса азота – эрозии. За последние 100 лет биологическая фиксация азота уменьшилась в 20-30 раз.

Круговорот азота в биосфере тесно сопряжен с круговоротом углерода, так как соотношение между этими элементами в составе глобальной биомассы постоянно: C : N = 55 : 1. Круговорот азота в биосфере составляет 1,5 Гт в год.

Все круговороты тесно связаны между собой различными формами взаимодействия. Основными звеньями биогеохимических циклов выступают различные организмы, многообразие форм которых обеспечивает интенсивность протекания круговоротов веществ и вовлечение в них практически всех элементов земной коры.