Российская экономическая академия им. Г. В. Плеханова. Кафедра физики

Концепции современного естествознания (Материалы для самостоятельной работы студентов)

Лекции: Тема 11. Биосфера и глобальный экологический кризис (с. 23 – 24)

Биосфера – совокупность всех биогеоценозов, область распространения жизни на Земле, охватывающая всю гидросферу, нижнюю часть атмосферы (до высоты 20 – 30 км) и верхнюю часть земной коры (до глубин  3 км), в которой происходят круговороты веществ и превращения энергии, связанные с деятельностью всех живых организмов; представляет собой эволюционирующую систему, активно взаимодействующую с окру-жающей средой и изменяющую ее.

Основы современной теории биосферы были разработаны В. Вернадским в 20 – 30 гг. ХХ в.; термин «биосфера» ввел в 1875 г. Э. Зюсс.

Живое вещество – совокупная масса всех живых организмов, населяющих Землю.

Косное вещество – та часть «неживого» вещества планеты, которое находится в непрерывном обмене с живыми организмами.

Общая масса живого вещества сегодня оценивается в 2,4.10¹⁵ кг. Это более, чем в 2000 раз меньше массы атмосферы (5,15.10¹⁸ кг), почти в 600000 раз меньше массы гидросферы (1,5.10²¹ кг) и еще меньше массы земной коры (2,8.10²² кг). Если равномерно «размазать» живое вещество по всей поверхности Земли (вклю-чая поверхность Мирового океана), то его толщина составит 4 мм. Однако оно распределено в биосфере крайне неравномерно – сильней всего жизнь кипит в теплых поверхностных слоях Мирового океана и суши, где она находит себе больше всего пищи и первичной жизненной энергии (солнечного излучения). Масса жи-вого вещества на суше в 750 раз больше биомассы океана, но на суше преобладают растения (99% по массе), а в океане – животные и микроорганизмы (94%). Распространенность и активность жизни опреде-ляется в основном интервалом температур от 0 С (точка замерзания воды) до +80 С (денатурация белков). Среднегодовая температура по всей поверхности Земли составляет +15 С и определяется количеством лучистой энергии, поступающей от Солнца (солнечная постоянная за пределами атмосферы равна 1,4 кВт/м²), и наличием парниковых газов в атмосфере (углекислый газ, пары воды и др.), не пропускающих длинноволновое инфракрасное излучение Земли в космос. Естественный парниковый эффект Земли повыша-ет ее поверхностную температуру на 33 С.

Биосфера непрерывно обменивается веществом и энергией с окружающей средой. Через биосферу идет мощный биогенный поток атомов, как основа общего биогеохимического круговорота веществ, который складывается из отдельных круговоротов и сопровождается движением и превращениями химических соединений и энергии. На первом месте здесь стоит процессы фотосинтеза и обратные ему процессы окисления и гниения биоорганических соединений. Ежегодно зеленые растения и бактерии с помощью фотосинтеза поглощают из атмосферы около 2.10¹⁴ кг углекислого газа, синтезируя при этом 6.10¹³ кг органических соединений и выделяя в атмосферу 1,4.10¹⁴ кг кислорода. За время существования биосферы вся вода Мирового океана прошла через биогенный цикл, связанный с фотосинтезом, не менее 300 раз, а свободный кислород атмосферы обновлялся примерно 1 миллион раз.

Биосфера – весьма активная природная система. Она не только хорошо приспособилась к физико-химичес-ким условиям Земли, но и существенно изменила их. Весь свободный кислород и азот атмосферы – продукты деятельности фотосинтезирующих растений и бактерий. Озоновый слой Земли, расположенный в среднем на высоте 25 км (в стратосфере), возникший благодаря наличию в атмосфере кислорода, позволил живым организмам выйти на сушу и тем самым дал мощный толчок их дальнейшей эволюции. За миллиарды лет морские организмы существенно изменили и химический состав океана. Все осадочные породы (глины, известняки, доломиты, бурые железняки, бокситы) и почвенный покров (педосфера) Земли сформировались при активном взаимодействии биоты (совокупности всех видов живых организмов на данной территории) с воздухом, водой и горными породами. Целые горные хребты состоят из остатков живших когда-то организ-мов. Подземные горючие газы образовались в результате разложения органических веществ растительного происхождения, ранее захороненных в осадочных породах. Уголь, горючие сланцы, нефть, торф имеют биогенное происхождение.

Биосфера во многом «сама себя кушает», весьма экономно используя создаваемые органические соединения с помощью сложных трофических (пищевых) цепей внутри себя. По способу питания все организмы делятся на автотрофов (синтезирующих органическую пищу из неорганических веществ), гетеротрофов (поедаю-щих другие живые или мертвые организмы) и миксотрофов (особая категория организмов, способных как к синтезу органических веществ, так и к их потреблению в готовом виде), а по месту в трофических цепях – на продуцентов, консументов и редуцентов.

Продуценты, они же автотрофы – организмы (растения и бактерии), создающие первичное органическое вещество, которым питаются консументы, из неорганических соединений (вода, углекислый газа, неорганические соединения азота и серы); в зависимости от источника энергии делятся на фотосинтезирующие и хемосинтезирующие организмы (к последним относятся серобактерии, железобак-терии, водородные, нитрофицирующие и азотфиксирующие бактерии).

Консументы – организмы, потребляющие органические вещества других организмов, к их числу относятся все растительноядные и хищные животные, включая человека.

Редуценты – организмы (грибы, бактерии), разлагающие мертвое органическое вещество до минерального сырья, замыкая тем самым трофический круговорот веществ в биосфере.

Консументы и редуценты относятся к разряду гетеротрофов. Организмы царства животных называют также зоотрофами, царства растений – фототрофами, царства грибов – осмотрофами (получающими пищу, всасывая питательные вещества из окружающей среды).

Все живые организмы состоят из небольшого числа органогенных элементов, наиболее распространенных на Земле. Четыре главных органогена (кислород, углерод, азот и водород) составляют 96% массы живого веще-ства, еще восемь (Ca, P, K, S, Na, Cl, Mg, Fe) к этому числу добавляют 3,8%, остальные встречаются в микроскопических количествах (тысячные доли процента). Всего в живых организмах находят 80 различных элементов.

Глобальный экологический кризис (ГЭК):

В наше время биосфера Земли и быстро развивающееся человеческое общество находятся в состоянии гло-бального экологического кризиса, вызванного огромными масштабами хозяйственной деятельности цивили-зации. Сегодня антропогенные факторы (стихийные и неконтролируемые действия человека), которые нару-шают равновесие биосферы, значительно превосходят космические и внутрипланетарные факторы (измене-ния солнечной активности, магнитного поля, климата, тектонические процессы, радиоактивные излучения). Эти нарушения особенно усилились во второй половине ХХ в.

Основные причины ГЭК: 1) неконтролируемый и очень быстрый рост народонаселения Земли; 2) колос-сальные масштабы мирового промышленного производства; 3) растущее загрязнение всех геофизических сфер; 4) безвозвратное уничтожение многих видов живых организмов флоры и фауны.

Демографический взрыв – чрезвычайно быстрый за последние десятилетия рост населения Земли: 1700 г. – 600 млн., 1800 г. – 870 млн., 1900 г. – 2 млрд. (прирост более чем в 2 раза за 100 лет), 2000 г. – 6 млрд. (при-рост за 100 лет в 3 раза). В наши дни население Земли ежегодно увеличивается на 90 млн. человек и весь прирост приходится на развивающиеся страны Африки, Азии и Латинской Америки. Ежесекундно рождается 21 и умирает 18 человек. Эксперты предполагают, что к концу XXI в. рост населения прекратится сам собой и численность мировой популяции стабилизируется на уровне 12 – 14 млрд. человек.

Расширение техносферы и уменьшение жизненного пространства биосферы. Прогрессирующее увеличе-ние масштабов промышленного и сельскохозяйственного производства, транспортных коммуникаций, культурного землепользования, строительства, добычи полезных ископаемых за последние 100 лет привели к значительному сокращению жизненного пространства биосферы. В 2000 г. общая площадь суши (без Антарктиды), покрытой всеми видами сооружений (города, поселки, дороги, каналы, водохранилища и т. п.) составила около 15%, а с учетом земель, используемых в сельском хозяйстве, почти 50%. Стихийная и нера-зумная хозяйственная деятельность весьма эффективно способствует уничтожению лесов, необратимой деградации почв и всей окружающей природной среды, что, в частности проявляется в таком опасном гло-бальном процессе, как опустынивание ранее биологически продуктивных земель. Площадь антропогенных пустынь сегодня составляет 6,7% всей поверхности суши. С начала развития земледелия по разным причи-нам было потеряно 2 млрд. га пахотных земель, что превышает ныне существующую пашню (1,5 млрд. га).

Загрязнение природной среды приводит к заметному снижению количества и качества жизненно важных ресурсов, потребляемых человеком и биосферой, в первую очередь воздуха и воды. Виды загрязнений: физические (тепловые, шумовые, электромагнитные, радиоактивные), химические (тяжелые металлы, пестициды, пластики, поверхностно-активные вещества и др.) биологические (патогенные бактерии, вирусы, простейшие микроорганизмы, некоторые виды грибов).

Наиболее опасные загрязнители: диоксид серы (SO₂), тяжелые металлы (Pb, Cd, Hg), канцерогенные вещества (бензапирен и др.), нефть и нефтепродукты, хлорорганические пестициды, оксид углерода и оксиды азота, долгоживущие радионуклиды, диоксины (самый токсичный из них тетрахлордиоксин).

Наиболее заметные экологические последствия загрязнения атмосферы, угрожающие здоровью людей и существованию многих видов живых организмов: 1) кислотные дожди, 2) смоги (ядовитые смеси тумана, дыма и пыли), 3) истощение озонового слоя Земли, 4) усиление парникового эффекта. Сильно загрязняется и гидросфера Земли, что привело к растущему дефициту во многих районах чистой пресной воды.

Уменьшение видового разнообразия живых организмов сильно нарушает устойчивость отдельных биоценозов и биосферы в целом. За последние 100 лет безвозвратно исчезли до 25 тыс. видов высших растений и более 1 тыс. видов позвоночных животных. По оценкам, в ближайшие 10 – 15 лет биосфера может потерять 10 – 15% общего числа своих видов. Такой скорости вымирания еще не было в ее истории.

Все это в целом может привести к деградации и полному исчезновению человеческой популяции с поверхности Земли. Судьба человечества будет зависеть от того, насколько правильно он оценит свое положение среди других живых существ и в какой степени он сможет сохранить биосферу.

***