Тема 4. Биосфера и глобальные проблемы окружающей среды

обязательная часть содержания лекциИ

Учение В.И. Вернадского о биосфере. Живое, косное, биогенное и биокосное вещество. Свойства и функции живого вещества. Современное понимание биосферы как глобальной экосистемы (экосферы). Структура биосферы: аэробиосфера, гидробиосфера, литобиосфера, террабиосфера.

Стабильность и развитие (эволюция) биосферы. Закон необходимого разнообразия У.Р.Эшби. Закон глобального круговорота веществ. Малый (биологический) и большой (биосферный) круговорот веществ. Закон однонаправленного потока энергии. Учение В.И. Вернадского о ноосфере.

Глобальные проблемы окружающей среды. Загрязнение окружающей природной среды (ОПС): сущность и классификация форм и видов. Химическое, токсическое, радиоактивное, биологическое загрязнения. Загрязнения околоземного космического пространства, атмосферного воздуха, земной поверхности, мирового океана. Проблема «чистой воды». Загрязнители и их классификация.

Учение В.И. Вернадского о биосфере. Живое, косное, биогенное и биокосное вещество. Свойства и функции живого вещества. Современное понимание биосферы как глобальной экосистемы (экосферы). Структура биосферы: аэробиосфера, гидробиосфера, литобиосфера, террабиосфера.

Термин «биосфера» использовал в 1875 г. австрийский геолог Эдуард Зюсс для обозначения оболочки Земли, населяемой живыми организмами.

Биосферой В. И. Вернадский назвал ту область нашей планеты, в которой существует или когда-либо существовала жизнь и которая постоянно подвергается или подвергалась воздействию живых организмов.

Он подчеркивал, что живое вещество – самая активная форма материи во Вселенной. Оно производит гигантскую геохимическую работу в биосфере, полностью преобразовав верхние оболочки Земли за время своего существования.

Выделил в составе биосферы 7 типов веществ: живое вещество, биогенное вещество (ископаемое горючее, известняки), косное вещество (изверженные горные породы), биокосное вещество (почва), радиоактивное вещество, рассеянные атомы и вещество космического происхождения.

Всю совокупность организмов на планете В. И. Вернадский назвал живым веществом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию.

Косное вещество  – это совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых живые организмы не участвуют.

Биогенное вещество создается и перерабатывается жизнью, совокупностями живых организмов.

Биокосное вещество – «создается в биосфере одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя системы динамического равновесия тех и других».

Функции живого вещества в биосфере разнообразны:

– Энергетическая – аккумуляция солнечной энергии в ходе фотосинтеза; за счет солнечной энергии протекают все жизненные явления на Земле.

– Газовая – состав современной атмосферы (в частности, содержание кислорода и углекислого газа) сложился, в значительной мере, под  воздействием жизнедеятельности организмов.

– Концентрационная – в результате жизнедеятельности организмов сложились все виды ископаемого топлива, многих руд, органическое вещество почвы и т.д. 

– Окислительно-восстановительная – в ходе жизнедеятельности живых организмов постоянно протекают окислительно-восстановительные реакции, обеспечивающие круговорот и постоянные превращения углерода, водорода, кислорода, азота, фосфора, серы, железа и других элементов.

– Деструкционная – в результате разрушения погибших организмов и продуктов их жизнедеятельности происходит превращение живого вещества в косное, биогенное и биокосное.

– Средообразующая – организмы различным образом преобразуют физико-химические факторы среды.

– Транспортная – перенос вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении.

Распределение жизни в биосфере

Места наибольшей концентрации организмов в биосфере В. И. Вернадский назвал «пленками жизни». Атмосфера выполняет экологическую защитную функцию предохраняя биосферу от абсолютного холода Космоса и жесткого солнечного излучения.

Живое вещество в биосфере существует в клеточной и неклеточной формах.

Границы распространения жизни на земле: в литосфере считают, где температура достигает около +100 °С, в гидросфере - она полностью освоена живыми организмами, в атмосфере – озоновый экран на высоте 20-25 км.

Основная планетарная функция живого вещества на Земле заключается в связывании и запасании солнечной энергии, которая затем идет на поддержание множества других геохимических процессов в биосфере, а также окисление и восстановление элементов с переменной валентностью (азот, сера, железо, марганец и др.), разложение органических остатков, создание и поддержание газового состава современной атмосферы, перераспределение атомов в биосфере.

Экосфера (греч. oikos место обитания + sphaira шар, сфера), экологическая сфера, биологическая система, включающая живые организмы и окружающую их среду, с которой они взаимодействуют. Термин предложил Л. Кол (1958). В этом смысле термин используется Б. Коммонером (1973), Иногда экосфера используется как синоним биосферы, как комплекс всех экосистем, существующих на Земле. Термин «биосфера» употребляется только для обозначения зоны, где возможна жизнь, а экосфера подразумевает взаимодействие живых организмов с окружающей средой. В отличие от биосферы понятие экосферы включает в себя характеристику состояния окружающей среды, в которой находятся биологические системы, а также области, где могут находиться живые организмы (в том числе за пределами естественной среды обитания).

В настоящее время существует множество подходов к определению понятия «биосфера».

Биосфера – это геологическая оболочка Земли, сложившаяся в ходе исторического развития органического мира.

Биосфера – это активная оболочка Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба.

Биосфера – это оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются совокупной жизнедеятельностью живых организмов; это самая большая из известных экосистем.

Структура биосферы

Биосфера включает в свой состав как витасферу (совокупность живых организмов), так и суммарные результаты деятельности ранее существовавших организмов: атмосферу, гидросферу, литосферу.

Область, в которой регулярно встречаются живые организмы,  называется эубиосфера (собственно биосфера). Общая толщина эубиосферы ≈ 12-17 км.

По отношению к эубиосфере выделяют следующие слои биосферы:

– апобиосфера – лежит над парабиосферой – живые организмы не встречаются;

– парабиосфера – лежит над эубиосферой – организмы попадают случайно;

– эубиосфера – собственно биосфера, где организмы встречаются регулярно;

– метабиосфера – лежит под эубиосферой – организмы попадают случайно;

– абиосфера – лежит под метабиосферой – живые организмы не встречаются.

Аэробиосфера – включает нижнюю часть атмосферы. В состав аэробиосферы входят:

а) тропобиосфера – до высоты 6...7 км;

б) альтобиосфера – до нижней границы озонового экрана (20...25 км).

Озоновый экран – это слой атмосферы с повышенным содержанием озона. Озоновый экран поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца, которое губительно действует на все живые организмы. В последние десятилетия в приполярных областях наблюдаются «озоновые дыры» – области с пониженным содержанием озона.

Гидробиосфера – включает всю гидросферу. Нижняя граница гидробиосферы ≈ 6...7 км, в отдельных случаях – до 11 км. К гидробиосфере относятся:

а) аквабиосфера – реки, озера и другие пресные воды;

б) маринобиосфера – моря и океаны.

Террабиосфера – поверхность суши. К террабиосфере относятся:

а) фитосфера – зона обитания наземных растений;

б) педосфера – тонкий слой почвы.

Литобиосфера. Нижняя граница литобиосферы ≈ 2...3 км (реже – до 5...6 км) на суше и ≈ 1...2 км ниже дна океана. Живые организмы в составе литобиосферы встречаются редко, однако осадочные породы в составе биосферы возникли под влиянием жизнедеятельности организмов.

Стабильность и развитие (эволюция) биосферы. Закон необходимого разнообразия У.Р.Эшби. Закон глобального круговорота веществ. Малый (биологический) и большой (биосферный) круговорот веществ. Закон однонаправленного потока энергии. Учение В.И. Вернадского о ноосфере. Глобальные экологические проблемы.

 Закон  необходимости  разнообразия  (закон  Эшби ): при создании проблеморазрешающей системы  необходимо , чтобы эта система имела большее  разнообразие , чем  разнообразие  решаемой проблемы, или была способна создать такое  разнообразие . Иначе говоря, система должна обладать возможностью изменять своё состояние в ответ на возможное возмущение;  разнообразие  возмущений требует соответствующего ему  разнообразия  возможных состояний. В противном случае такая система не сможет отвечать задачам управления, выдвигаемым внешней средой, и будет малоэффективной. Отсутствие или недостаточность  разнообразия  могут свидетельствовать о нарушении целостности подсистем, составляющих данную систему.

Закон глобального круговорота веществ.

Круговорот веществ - многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том числе в тех слоях, которые входят в состав биосферы Земли.

Большой  (биосферный, геологический) круговорот веществ - круговорот веществ, движущей силой которого являются экзогенные и эндогенные геологические процессы. К эндогенным процессам относятся: тектонические движения, землетрясения, магматизм, метаморфизм. Эти процессы происходят под влиянием внутренней энергии Земли. Экзогенные процессы включают выветривание горных пород и минералов, удаление продуктов разрушения с одних участков земной коры и перенос их на новые участки, отложение и накопление продуктов разрушения с образованием осадочных пород. Эти процессы протекают под влиянием внешней энергии Солнца. Эндогенные и экзогенные процессы противоположны по своему действию. Первые ведут к образованию крупных форм рельефа, вторые - к их сглаживанию. Магматические горные породы в результате выветривания преобразуются в осадочные. В подвижных зонах земной коры они погружаются вглубь Земли. Там под влиянием высоких температур и давлений они переплавляются и образуют магму, которая, поднимаясь на поверхность и застывая, образует магматические породы.

Малый  круговорот  (часть большого, биологический, биотический) - поступление веществ из почвы и атмосферы в живые организмы с соответствующим изменением их химической формы, возвращение их в почву и атмосферу в процессе жизнедеятельности организмов и с посмертными остатками и повторное поступление в живые организмы после процессов деструкции и минерализации с помощью микроорганизмов, происходит на уровне экосистемы. Биогеохимический круговорот химических элементов - циклические процессы перемещения и трансформации химических элементов в пределах биосферы, происходящие между ее (био)хорологическими подразделениями: биогеоценозами, ландшафтами и т.п.

Глобальный биогеохимический круговорот вещества на планете представляет собой систему сложно переплетенных циклов отдельных элементов, связанных друг с другом по аналогии с деталями часового механизма.

Вместе с тем отличительная черта биологических круговоротов – их неполная замкнутость. Запасы биогенных веществ, мало доступные для живых организмов и медленно вовлекающиеся поэтому в биологический круговорот, составляют так называемый резервный фонд того или иного химического элемента в биосфере (например, кальция в карбонатных породах). Другая часть, интенсивно циркулирующая между телами организмов и окружающей средой, называется подвижным, или обменным, фондом. Соотношения между резервным и обменным фондами в биосфере у всех биогенных элементов различны.

Основными преобладающими по объему газами атмосферы, концентрация которых практически не изменяется, являются – азот и кислород.

Средняя глобальная температура у поверхности земли в настоящее время составляет - + 14,7 ⁰ С.

Соответствие между этапами эволюции биосферы и их началом – химическая - 4,5 млрд лет, биологическая – 3,5 млрд. лет, антропогенез – около 3 млн.лет.

Соответствие между этапами эволюции биосферы и основными событиями, которые в это время происходили - химическая - синтез простейших органических соединений, биологическая – возникновение прокариотических организмов, антропогенез – возникновение рода австралопитеков.

Закон физико-химического единства живого вещества– живое вещество физико-химически едино. Следствия:

• нет такого физического или химического агента, который был бы губителен для одних организмов и абсолютно безвреден для других,

• количество живого вещества биосферы в пределах рассматриваемого геологического периода есть константа,

• общее видовое разнообразие в биосфере есть константа.

Принцип функционирования биосферы – получение ресурсов и переработка отходов происходят в процессе круговорота всех элементов.

Закон необратимости эволюции – организмы, популяции, вид не может вернуться к прежнему состоянию, которое было уже осуществлено в ряду его предков, так как гибель (исчезновение) особи (вида) означает исчезновение навсегда уникального генотипа (геофонда).

Закон незаменимости биосферы: биосфера – это единственная система, обеспечивающая устойчивость среды обитания при любых возникающих возмущениях; нет никаких оснований надеяться на построение искусственных сообществ, обеспечивающих стабилизацию окружающей среды в той же степени, что и естественные сообщества.

Закон биогенной миграции атомов (В.И.Вернадского): миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется при непосредственном участии живого вещества – биогенная миграция.

Закон единства «организм-среда»: жизнь развивается в результате постоянного обмена веществом и информацией на базе потока энергии в совокупном единстве среды и населяющих ее организмов.

Закон однонаправленности потока энергии: энергия, получаемая сообществом и усваиваемая продуцентами, рассеивается или вместе с их биомассой передается консументам, а затем редуцентам с падением потока на каждом трофическом уровне; поскольку в обратный поток (от редуцентов к продуцентам) поступает ничтожное количество изначально вовлеченной энергии (максимум 0,35%) говорить о «круговороте энергии» нельзя; существует лишь круговорот веществ, поддерживаемый потоком энергии.

Закон необратимости эволюции Л. Долло: организм (популяция, вид) не может вернуться к прежнему состоянию, уже осуществленному в ряду его предков, даже вернувшись в среду их обитания.

Учение В. И. Вернадского о ноосфере.

С появлением человека и общества формируется ноосфера – геологическая оболочка Земли, сформировавшаяся под влиянием деятельности человека.

Термин «ноосфера» ввел французский естествоиспытатель Эдуар Леруа (1927); в дальнейшем учение о ноосфере как сфере разума развивал французский палеонтолог, философ Пьер Тейяр де Шарден. Однако естественнонаучную концепцию ноосферы разработал выдающийся российский мыслитель В.И.Вернадский, который утверждал, что «…разум человека меняет планету». По его мнению, разумная деятельность человека и научно-технический прогресс должны привести к формированию техносферы, и должна наступить новая геологическая эпоха – психозойная эра. Человек должен научиться управлять геологическими процессами, создавать искусственные месторождения полезных ископаемых. Должен возникнуть новый биологический вид – Человек созидающий (Homo faber). С формированием ноосферы должны исчезнуть угроза голода, болезней, социальных конфликтов.

В настоящее время происходит разрушение ранее сложившихся связей, и формируются новые. Происходит неуклонная деградация природных экосистем, что ставит под угрозу само существование биосферы.

Глобальные проблемы окружающей среды. Загрязнение окружающей природной среды (ОПС): сущность и классификация форм и видов. Физическое, химическое, биологическое загрязнения. Загрязнители и их классификация. Загрязнения околоземного космического пространства, атмосферного воздуха, земной поверхности, мирового океана. Проблема «чистой воды».

Глобальные проблемы окружающей среды являются общими для всей биосферы и для всего человечества. Изменение климата. Проблемы озона. Потеря биологического разнообразия. Парниковый эффект, по своему происхождению это естественное атмосферное явление. Перенаселение планеты. В результате демографического перехода неизбежно произойдет – старение населения во всех странах.

Пути решения:

– обеспечение населения продовольствием и водой;

– защита людей от негативных последствий научно-технического прогресса;

– обеспечение растущих потребностей мирового хозяйства в энергии и в природных ресурсах;

– охрана природной среды от разрушительного антропогенного воздействия, защита среды от разнообразных загрязнений – физических, химических, биологических;

– сохранение биологического (генетического) разнообразия: многообразия сообществ и экосистем, видов и генофонда каждого вида как представителя таксономической группы и сообщества.

400 лет назад каждые 3 года вымирал один биологический вид. В наше время каждые 8 месяцев на Земле вымирает один вид. Исчезновение одного вида растений может привести к гибели 10 видов животных.

К глобальным экологическим проблемам также относится защита людей от особо опасных заболеваний.

Загрязнение природной среды в широком понимании представляет собой привнесение в среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных для нее физических, химических, информационных или биологических агентов или превышение в конкретное время естественного многолетнего уровня концентрации перечисленных агентов в среде, нередко выводящее природную систему из состояния равновесия.

Формы загрязнения природной среды характеризуются большим разнообразием. Они обусловлены природными или антропогенными факторами. Природное загрязнение возникает в результате естественных, как правило, катастрофических процессов (напр., извержение вулкана и др.), вне влияния человека, либо косвенного воздействия людей на природу. Антропогенное загрязнение обусловлено хозяйственной деятельностью человека, которая может также прямо или косвенно влиять на состав и интенсивность природного загрязнения. Загрязнение: глобальное, региональное, локальное, точечное; промышленное (эксплуатационное) и сельскохозяйственное. Наиболее катастрофично загрязнение, связанное с работой военной промышленности, испытанием современных образцов оружия, ведением военных действий, работой топливно-энергетического комплекса, химической промышленности и т.д.

Антропогенное воздействие на биосферу современного человека – изменение структуры земной поверхности, изменение химического состава природной среды, круговорота и баланса веществ, изменение энергетического баланса, изменение в составе биоты.

Классификация загрязнений:

1. Ингредиентное (химическое) – Минеральное (продукты сгорания ископаемого топлива, отходы химических производств, шахтные отвалы и терриконы, отходы металлургии). Органическое (бытовые стоки и мусор, микробиологические препараты, отходы пищевой промышленности, отходы животноводческих ферм). Комбинированное (продукты сгорания двигателей внутреннего сгорания, пестициды и удобрения, нефть и нефтепродукты).

2. Параметрическое (физическое) – тепловое, световое, электромагнитное, шумовое, радиационное.

3. Биоценотическое -вызывает нарушение в составе и в структуре популяций живых организмов (комплексный фактор беспокойства, нарушение баланса популяции, случайная и направленная интродукция и акклиматизация видов, нерегулируемый сброс, отлов, отстрел, браконьерство, перепромысел).

4. Стациально-деструкционное - изменение ландшафтов и экологических систем в процессе природопользования (Вырубка лесных насаждений, зарегули-рование водотоков, карьерная разработка ископаемых, дорожное строительство, эрозия почв, мелиорация земель, урбанизация, лесные и степные пожары).

Физическое загрязнение создается сбросом тепла или радиоактивных веществ, шумов, вибрации.

Химическое загрязнение соз­дается поступлением в среду раз­личных химических веществ.

Биологическое загрязнение создается микроорга­низмами, в том числе болезнетвор­ными, а также органическими веществами, способными к броже­нию.

Загрязнители (загрязняющие вещества – ЗВ, поллютанты, токсичные, опасные или вредные вещества) – это не утилизированные материальные и энергетические отходы производства, а также естественные компоненты, нехарактерные для данной среды, оказывающие нежелательное действие на человека и ценные для него ресурсы живой (биотической) и неживой (абиотической) природы.

Все виды загрязнителей можно разделить по их природе на:

- физические (тепловое, шумовое, электромагнитное, световое, радиоактивное);

- химические (тяжелые металлы, пестициды, пластмассы и др. химические вещества) - тяжелые металлы, пестициды, нефть и нефтепродукты;

- биологические (биогенное, микробиологическое, генетическое);

- информационные (информационный шум, ложная информация, факторы беспокойства);

По характеру загрязняющие вещества делятся на:

- первичные (поступившие в окружающую среду непосредственно из источников загрязнения);

- вторичные, образующиеся из первичных в объектах окружающей среды в результате биогенных и абиогенных трансформаций.

Соответствие между геосферными оболочками планеты и их основными загрязнителями – атмосфера – хлорфторуглеводороды, гидросфера – минеральные удобрения, литосфера – патогенные бактерии.

Загрязнение околоземного космического пространства – загрязнение естественными (астероиды, кометы, метеоры, космическая пыль, гелиофизические факторы), антропогенными и комбинированными источниками (вредными продуктами сгорания ракетного топлива и его несгоревшими остатками, загрязнение ионосферы при запусках космической техники, обломки космических аппаратов, техногенный мусор, падение техногенных отходов на Землю, электромагнитное излучение различных передатчиков и линий передачи электроэнергии на Земле, взрывы ядерных зарядов, общая радиоактивность, техногенные катастрофы и др.). Нарушение озонового слоя, повышение ультрафиолетового облучения поверхности Земли.

Загрязнение атмосферного воздуха — принесение новых нехарактерных для него явлений и веществ или изменение их естественной концентрации. В основном три основных  источника: промышленность, бытовые котельные, транспорт.

Загрязнение земной поверхности - изменение ее формы, состава, свойств в результате поступления различных веществ и соединений, которые оказывают вредное воздействие на литосферу, человека. Литосфера загрязняется в первую очередь отходами, которые накапливаются в отвалах, на свалках и др.

Загрязнение почв – содержание в почвах химических соединений, радиоактивных элементов, патогенных организмов в количествах, оказывающих вредное воздействие на здоровье человека, окружающую природную среду, плодородие.

Утрата земельных ресурсов – эрозия почвы, потеря гумуса, подтопление и вторичное засоление почвы, машинная деградация почвы, химическое и радиационное загрязнение почвы, техногенное опустынивание.

Загрязнение мирового океана и вод – сточные воды промышленных предприятий и коммунального хозяйства, стоки систем орошения, поверхностные стоки с полей и других сельскохозяйственных объектов, атмосферное выпадение загрязнителей, эфтрофикация водоемов (резкое повышение биопродуктивности и массовое размножение фитопланктона).

Промышленные отходы, содержащие ртуть, являются – чрезвычайно опасные. К малоопасным промышленным отходам относятся отходы, содержащие – сульфаты, фосфаты.

Проблема «чистой воды». По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) в настоящее время 1,2 млрд. человек не имеют воды в необходимом количестве, миллионы людей умирают ежегодно от болезней, вызванных растворенными в воде веществами. Всего 2% гидросферы приходится на пресные воды Прогноз, что к 2025 году население более половины стран мира будет испытывать недостаток в чистой воде, а к 2050 году - 75%.

Проблемы: Сокращение запасов пресных вод (наибольшее практическое значение для человечества имеют пресные воды рек). Потребность в воде не удовлетворяется у 20% городского и 75% сельского населения мира. Объем потребляемой воды зависят от региона и уровня жизни и составляет от 3 до 700 л в сутки на одного человека. В среднем в мире на промышленность уходит примерно 20% всей потребляемой воды. Главный потребитель пресной воды - сельское хозяйство: на его нужды уходит 70-80% всей пресной воды. Запасы пресных вод значительно сокращаются из-за загрязнения. Загрязнение воды бытовыми, сельскохозяйственными и промышленными стоками. Тепловое загрязнение воды. Нефтяное загрязнение Мирового океана (от 2 до 4% водной поверхности Тихого и Атлантического океанов постоянно покрыто нефтяной пленкой). Другие загрязнения водных ресурсов (например, хлорированные углеводороды, тяжелые металлы).

Реакция природной дождевой воды – слабокислая. Обычно в речных водах pH находится в пределах 6,5-8,5. В некоторых водоемах естественную кислотность создают гуминовые и другие слабые органические кислоты. В этих случаях pH воды не бывает ниже 4,5. В атмосферных осадках pH – от 4,6 до 6,1, в болотах pH – от 5,5 до 6,0, в морских водах pH – от 7,9 до 8,3. В загрязненных водоемах может содержаться большое количество сильных кислот за счет сброса промышленных сточных вод. В этих случаях pH может быть ниже 4,5.

Основными причинами, порождающими проблему недостатка чистой пресной воды, являются – загрязнение водоемов промышленными и бытовыми стоками, потери пресной воды из-за сокращения водоносности рек, интенсивное увеличение потребности в воде в связи с ростом численности населения.