Куренщиков ДК_Экология_лекции_2013_1

Преобразованные изверженные породы и биогенное вещество принято называть осадочными. Примерами изверженных пород являются различные граниты и базальты. Осадочные породы – известняк, глина, уголь, нефть. Считается, что осадочные породы постепенно погружаются вглубь планеты, становясь частью магмы.

2.5.2. Малый (биологический) круговорот

Малый (биологический) круговорот происходит, главным образом, в результате деятельности живых организмов. Как и геологический, биологический круговорот начинается при поступлении солнечной энергии на поверхность Земли. Наиболее известным примером фиксирования солнечной энергии живыми существами на Земле является процесс фотосинтеза (рис. 15).

Рис. 15. Биологический круговорот веществ на основе фотосинтеза [26]

Под действием солнечной энергии в зеленых растениях из неорганических химических соединений (вода и углекислый газ) образуется органическое вещество и выделяется кислород. Появление этого процесса (примерно 2,7–2,5 млрд лет назад) сыграло колоссальную роль в эволюции биосферы нашей планеты. Прежде всего, повышение концентра-

41

ции кислорода в атмосфере означало гибель живых организмов, которые атмосферный кислород для поддержания гомеостаза не использовали. Именно в этот период произошло массовое (по оценке некоторых ученых – до 90 %) вымирание видов. Кроме того, появившийся в атмосфере кислород способствовал началу формирования озонового экрана10. Располагающийся на высоте 15–25 км озоновый экран снижает интенсивность жесткого космического излучения на поверхности Земли.

Суммарное уравнение фотосинтеза:

nCO2 + 2nH2О + Солнечная энергия +

+хлорофилл (другие ферменты) =

=nC6H12O6 (органические вещества) + nO2.

Фотосинтез – основной, но не единственный процесс фиксации солнечной энергии живыми существами на Земле. Существуют различные формы хемосинтеза осуществляемого, главным образом, бактериями. Как видно на рис. 16, малый круговорот веществ объединяет элементы экосистемы, формируя единое целое. Скорость биологических круговоротов в большой степени зависит от температуры окружающей среды. Например, в экваториальном климатическом поясе скорость значительно выше, чем в муссонном подтипе умеренного климата, характерного, в частности, для Хабаровского края.

Дальнейшая миграция органических соединений в пределах малого круговорота проходит по трофическим цепям биоценоза. Основные «действующие лица» трофических цепей следующие:

1.Продуценты (лат. produsent создающий, производящий), зеленые растения, производящие органическое вещество из неорганического в результате фотосинтеза. Большинство продуцентов используют минеральные вещества, депонированные в почве или другом субстрате. Такие вещества накапливаются в результате деятельности редуцентов, разлагающих отмершие организмы.

2.Консументы (лат. consume потреблять, потребляющий) – организмы, потребляющие органическое вещество, в основном, это животные организмы. Консументы могут быть первого, второго, третьего и т. д. порядка. К консументам первого порядка относятся растительноядные животные: лоси, олени, зайцы, жирафы, зебры и так далее. Консументы второго порядка – хищники. Их роль в поддержании динамического равновесия в экосистеме чрезвычайно велика: они сдерживают рост растительноядных животных. Если бы не существовало хищников, то численность растительноядных животных постоянно бы росла. В результате была бы подорвана база их питания. Кроме того, повышение плотности растительноядных привело бы к возникновению эпидемий и в результате к гибели популяции консументов второго порядка. Примерами хищников являются: все кошачьи, волки, совы, филины, стрекозы, пауки.

10 Озон – химическое соединение, состоящее из трех атомов кислорода О3.

42

3. Редуценты (лат. reducens возвращающий, восстанавливающий) минерализуют химические соединения умерших организмов. В результате полученные соединения частично снова вовлекаются в круговорот веществ, частично депонируются в виде торфа, сапропеля, угля, мела и других видов биогенных веществ. В конечном итоге, благодаря деятельности редуцентов, химические соединения тел отмерших организмов или расщепляются до воды и углекислого газа, или образуют гуминовые кислоты, являющиеся основой плодородия почв. Основными группами редуцентов являются бактерии и грибы.

1

2

3

4

5

Рис. 16. Трофическая цепь в лесном биоценозе [27]: 1 – консументы третьего порядка (крупные хищники);

2 – консументы первого порядка (травоядные животные);

3 – консументы второго порядка (мелкие хищники);

4 – продуценты; 6 – редуценты

43

Таким образом, живое вещество в биологическом круговороте первоначально превращается в неживое, а в дальнейшем, под влиянием редуцентов переходит в неорганическое вещество, которое может снова включаться в биологический круговорот или выходить из него и включаться в геологический круговорот. В то же время химические элементы или соединения из геологического круговорота могут поглощаться организмами и вовлекаться в биологический круговорот. Следовательно, биологический круговорот тесно связан с геологическим круговоротом, что обусловливает их единство и неразрывность. Поэтому круговороты химических элементов из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии называют биогеохимическим круговоротом.

В биогеохимическом круговороте выделяют два вида запаса веществ:

1)обменный фонд – та часть, которая находится в постоянном круговороте. По своей массе обменный фонд весьма незначителен, но чрезвычайно активен в результате прямого обмена биогенным веществом между организмами и окружающей средой;

2)резервный фонд – та часть, которая не участвует в круговороте, однако может быть при необходимости включена в круговорот. В резервный фонд входят медленно движущиеся вещества, в основном небиологический компонент.

Биогеохимические циклы разделяют на круговороты газов (углерод, азот, кислород) с резервным фондом в атмосфере и гидросфере и осадочные круговороты с резервным фондом в земной коре (фосфор, железо, сера, вода и др.).

Теперь, познакомившись с геологическим и биологическим круговоротами, необходимо получить представление о миграции наиболее важных химических соединений и элементов на нашей планете.

К р у г о в о р о т в о д ы является классическим примером, включенным, в том числе и в программу средней школы. Об уникальных свойствах воды и особенностях водной среды обитания речь пойдет ниже, когда будут рассматриваться элементы биосферы. Основным резервуаром воды на Земле являются моря и океаны (рис. 17).

С поверхности любого открытого водоема естественным образом происходит испарение воды в атмосферу. Частично, атмосферная влага выпадает в виде осадков в эти же водоемы. Оставшаяся часть, вследствие атмосферных переносов, выпадает на поверхность суши. Некоторое количество воды депонируется в ледниках (которые расположены как на вершинах гор, так и на полюсах планеты). При потеплении климата депонированная вода включается в круговорот, при похолодании – количество воды в депо возрастает. Оставшаяся вода, выпав на поверхность почвы, либо фильтруется через почвенные поры, в конечном счете – под действием силы гравитации – попадая в моря или океаны, либо захва-

44

тывается растениями и в результате транспирации11 попадает в атмосферу. Следует подчеркнуть, что здесь приведена только схема круговорота воды на планете, без претензий на полноту.

Рис. 17. Схема круговорота воды в природе [28]

Следующий, чрезвычайно важный для поддержания гомеостаза биосферы – цикл углерода.

Круговорот углерода (рис. 18). Углерод входит в состав тел представителей фактически всех царств живой природы. Кроме того, углекислый газ (СО2) хорошо растворим в воде, являясь фактором, определяющим кислотность водоемов. Как пишет К.Ю. Еськов: «…В океанах существует динамическое равновесие между нерастворимым карбонатом кальция CaCO3 и растворимым бикарбонатом Ca(HCO3)2 при недостатке CO2 "лишний" бикарбонат превращается в карбонат и выпадает в осадок, а при избытке CO2 карбонат превращается в бикарбонат и переходит в раствор» [17].

Карбонатно-бикарбонатный буфер возник в океане на самом на-

чальном этапе его существования, и с тех пор он поддерживает кислотность океанской воды на стабильном уровне. В настоящее время углекислый газ и метан признаны «парниковыми газами», изменение концентрации которых в атмосфере влечет за собой изменение климата земли.

Вцелом, цикл углерода определяется поступлением углекислого газа

ватмосферу при дыхании и горении, восстановлением и временным депонированием углерода в телах живых организмов, длительным депонированием в составе биогенного вещества (залежи угля, месторожде-

ния нефти, газа) и миграцией углерода в составе СО2 между океанами и атмосферой.

11 Транспирация – испарение воды с поверхности, в данном случае – листьев растений. Поверхность, с которой происходит испарение, при этом охлаждается.

45

Углекислый газ в атмосфере (СО2)

Осадки разрушают горные породы

Растения и животные выделяют углекислый газ

При сжигании в процессе дыхания ископаемого топлива и песков выделяется

углекислый газ

Растения поглощают углекислый газ

в процессе фотосинтеза

	Действующие и
Растворенный углерод	глубоководные вулканы
выносится в океан	являются источниками
	углекислого газа
Морские организмы
поглощают углерод,
умирают и опускаются
на дно

Разложение животных и растений приводит к образованию ископаемого топлива

		Осадочные карбонатные
	Морские организмы	породы перемещаются
		в глубину земной коры
	образуют карбонатные
	осадочные породы

Рис. 18. Схема круговорота углерода [30]

46

Круговорот кислорода. Кислород один из наиболее важных элементов нашей планеты. Он необходим всем живым организмам (аэробам) для дыхания. Однако кислород не всегда был в составе приземного слоя атмосферы – тропосферы. Он появился в результате жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов. Кислород стал накапливаться в атмосфере в результате процесса фотосинтеза, поскольку единственным источником абиогенного поступления свободного кислорода в атмосферу является побочный процесс фотосинтеза – фотолиз воды, т. е. разложение молекулы воды в хлоропластах зеленых организмов под действием солнечной энергии с выделением атомарного кислорода (рис. 19). В настоящее время в тропосфере концентрация свободного кислорода составляет 20,95 % (~ 21 %).

Рис. 19. Схема круговорота кислорода [29]

47

В атмосфере под действием ультрафиолетовых лучей кислород превращался в озон. По мере накопления озона произошло образование озонового слоя в верхних слоях атмосферы. Озоновый слой, как экран, надежно защищал поверхность Земли от ультрафиолетового излучения, которое губительно для всех живых организмов.

Кислород, выделяющийся во время фотосинтеза, идет на дыхание живых организмов – аэробов, и на окисление углерода при минерализации органических соединений. В пределах биосферы происходит быстрый обмен кислорода среды с живыми организмами или их остатками после гибели.

Следовательно, круговорот кислорода связан с процессами фотосинтеза и дыхания.

фотосинтез: 6СО2 + 6Н2О (свет, хлорофилл) = С6Н12О6 + 6О2.

дыхание: С6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О + энергия.

Таким образом, роль всех живых организмов в круговоротах веществ является основной. Миграция веществ замкнута в циклы, компонентами которых являются тела как живой, так и неживой природы. Цикличность процессов обеспечивает непрерывное существование биосферы.

Циклы некоторых других элементов рассмотрены в литературе, рекомендованной для самостоятельного изучения.

2.6. Законы П. Дансеро (1957)

Канадский эколог Пьер Дансеро (1911–2011), один из «отцов экологии», в 1957 г. сформулировал три экологических закона, описывающих особенности взаимодействия человека и биосферы.

Закон обратимости биосферы. Биосфера после прекращения воздействия на ее компоненты антропогенных факторов стремится восстановить свое состояние, то есть сохранить свое экологическое равно-

весие и устойчивость. Биосфера стремится к восстановлению экологического равновесия тем сильнее, чем большее давление на нее оказывал человек. Восстановление происходит в ходе сукцессионных преобразований, которые продолжаются до достижения экосистемами зрелой стадии (климаксной стадии). Примерами обратимости биосферы является восстановление лесного биоценоза после пожара, зарастание лесом заброшенных сельскохозяйственных полей и др.

Однако необходимо отметить, что при деградации некоторых экосистем (например, эрозия почвы – разрушение почв поверхностными водными потоками, ветром или в ходе сельскохозяйственной деятельности человека) восстановить потери гумусового горизонта практически невозможно. Если естественная эрозия протекает очень медленно, и процессы вымывания и выдувания почв уравновешиваются естественным почвооб-

48

разованием, то при ускоренной эрозии разрушение почвы происходит во много раз быстрее естественных процессов её восстановления.

Закон обратной связи взаимодействия человек – биосфера

(закон бумеранга) или четвертое правило Б. Коммонера (1974) «ничто не дается даром». Любое изменение в природной среде, вызванное хозяйственной деятельностью человека, бумерангом возвращается к человеку и имеет нежелательные последствия, влияющие на экономику, социальную жизнь и здоровье людей.

В своей книге «Замыкающий круг» (1974) Б. Коммонер писал: «…глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которой ничего не может быть выиграно или потеряно и которая не может являться объектом всеобщего улучшения; все, что было извлечено из нее человеческим трудом, должно быть возмещено. Платежа по этому векселю нельзя избежать; он может быть только отсрочен. Нынешний кризис окружающей среды говорит о том, что эта отсрочка слишком затянулась» [21].

Примеры действия закона бумеранга: в сентябре 1957 г. на территории плутониевого комбината «Маяк» под Челябинском взорвался контейнер с радиоактивными отходами. Площадь зараженной территории составила 23 000 км2. По приблизительным оценкам, более 8000 человек погибли от лучевой болезни. Около 3000 человек до сих пор проживают в опасной зоне. Авария сделала этот район самым «грязным» местом на планете; 26 апреля 1986 г. Чернобыльская АЭС. Взрыв на четвертом энергоблоке. В результате взрыва во внешнюю среду было выброшено 50 миллионов кюри различных радионуклидов, 70 % этих веществ досталось Беларуси. По официальным данным, сразу погиб 31 человек, около 2000 скончались впоследствии. Общее число зараженных оценивается Greenpeace в 1 700 000 человек; 1992 г. – взрыв метана в шахте Зонгулдак (Турция), погибло около 400 человек [65]. 17 августа 2009 г. произошла авария на Саяно-Шушенской ГЭС. В результате аварии погибло 75 человек, 85 получили ранения. По степени ущерба авария считается самой крупной техногенной катастрофой в гидроэнергетике. Этот список можно еще долго продолжать.

Закон необратимости взаимодействия в системе человек – биосфера. Часть возобновимых природных ресурсов (животных, растительных и др.) могут стать невозобновимыми, если деятельность человека сделает невозможным их жизнедеятельность и воспроизводство.

Возобновимые и относительно возобновимые природные ресурсы, такие как животные, почва, некоторое минеральное сырье, деревья большого возраста и ряд других ресурсов в результате чрезмерного их использования, загрязнения окружающей среды, уничтожения естественной среды обитания для многих животных и других антропогенных факторов становятся невозобновимыми. Так восстановление одного сантиметра плодородной почвы, которая создается живыми организмами и процессами неорганической природы, происходит в течение столетий.

49

По данным Всемирного союза охраны природы (МСОП), с 1600 по 1975 гг. с лица Земли исчезло 74 вида и 86 подвидов птиц (1,23 %) и 63 вида и 44 подвида млекопитающих (1,43 %). Гибель 75 % видов млекопитающих и 86 % видов птиц связана с деятельностью человека. С территории России за последние 400 лет исчезло 9 видов и подвидов млекопитающих и птиц. В списке истребленных человеком видов, обитавших на территории России, есть и такие, которые в силу качеств своего генофонда могли бы использоваться для улучшения пород и выведения новых домашних животных: тур, степной тарпан, морская корова (наиболее перспективный вид для одомашнивания среди морских млекопитающих). В настоящее время основными причинами сокращения видового разнообразия являются:

–уничтожение, разрушение и загрязнение местообитаний;

–чрезмерное изъятие и истребление природных популяций животных и растений;

–интродукция чужеродных видов.

На сегодняшний день именно такова фаза развития системы взаимоотношений «человек – природа». Современная цивилизация и культура не обеспечивают стабильных условий существования на Земле ни жизни, ни человека как ее части. Многие специалисты полагают, что человечество, если оно хочет сохранить цивилизацию, должно решить экологические проблемы в ближайшие десятилетия. Угрозы растут, чего нельзя сказать о способности людей их устранять.

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

1.Выберите два правильных ответа. Основные функции живого вещества:

а) окислительно-восстановительная; б) быстрый распад после смерти; в) газовая; г) адаптация к условиям среды.

2.Выберите определение. Одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты», поскольку не просто населяет биосферу,

апреобразует облик земли – это:

а) экосистема;	в) литосфера;
б) биоценоз;	г) живое вещество.

3. Выберите правильный ответ. Особенностью живого вещества в биосфере является:

а) неизменяемость на протяжении многих сотен лет; б) стремление заполнить всё пространство;

50