экология 2лекция

Лекция 2

Биосфера

1. Вернадский и биосфера.

2. Общая характеристика биосферы.

3. Фотосинтез и круговорот веществ

4. Основные этапы развития биосферы

5. Строение биосферы

6. Биогеоценоз

7. Общая характеристика биогеоценоза

8. Круговорот веществ в биогеоценозе

9. Глобальные экологические проблемы

10. Взаимоотношения общества и природы

11. Охрана природы

12. Международное сотрудничество в области охраны окружающей среды.

Вернадский и биосфера. Впервые термин «биосфера» встречается в работах величайшего французского натуралиста и мыслителя Жана Батиста Ламарка (1744–1829), изучавшего ботанику, зоологию и геологию. В его научных трудах термин «биосфера» обозначал область жизни и влияния живых организмов на процессы, происходящие на земле.

Австрийский геолог и палеонтолог Эдуард Зюсс (1831–1914) вновь после Ламарка ввел в науку термин «биосфера»,

Новую (уже третью) жизнь термину «биосфера» дал выдающийся русский (советский) ученый – геолог В.И. Вернадский (1863–1945), создавший в 20-х годах ХХ века современное учение о биосфере.

Изучая историю минералов и миграцию химических элементов в земной коре, В.И. Вернадский выявляет огромную роль живого вещества в геохимических процессах на нашей планете. Для изучения роли живого вещества в эволюции биосферы ему потребовались знания биологии, геологии, химии, на основе которых сформировалась новая наука – биогеохимия. Об исключительной роли живого вещества в биосфере В.И. Вернадский пишет в «Очерках геохимии», опубликованных в 1924 г. в Париже и в 1927 г. в Ленинграде. В 1926 г. выходит его книга «Биосфера», в которой представление биосферы как «тонкой пленки жизни», «живой оболочки» Земли оказалось очень своевременным, хотя и несколько опередившим время.

Учению В.И. Вернадский о биосфере сначала не было оказано должного внимания, но изучая последствия радиоактивного и химического загрязнения атмосферы, гидросферы и почв после второй мировой войны заставило ученых и политиков обратиться к учению Вернадского о биосфере, которое получило широкое распространение в западных странах, а затем и во всем мире.

В последние годы жизни Владимир Иванович Вернадский писал в дневнике: «человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. Перед ним, перед его мыслью и трудом становится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть ноосфера».

Понятие ноосферы (от греч. ноос – разум) было введено в XIX в. французским ученым Леруа и развито далее Тейяр де Шарденом (1881–1955). Они понимали под этим термином особую оболочку земли, рассматриваемую в качестве некоего «мыслящего слоя» над биосферой, в который включается индустриальное общество с атрибутами цивилизации (языком, религией и пр.).

В. И.Вернадский рассматривал ноосферу как новое геологическое явление на земле и человек в ней впервые становится мощной геологической силой.

Вернадский считал, что на данном этапе эволюции биосферы человек будет вынужден не только исправить возникшие в результате его деятельности нарушения в состоянии природы, но и предотвращать подобные нарушения в будущем.

В.И. Вернадский был уверен, что знание процессов, происходящих в биосфере, и разумная организация жизни и всей деятельности человечества приведут к созданию ноосферы на нашей планете. Однако необходимо отметить, что, кроме представлений о неизбежности перехода биосферы в ноосферу, изложенных в учении В.И. Вернадского о биосфере, в научном мире существуют и другие взгляды на перспективы развития биосферы.

В настоящее время ощутимые последствия научно-технического прогресса поставили под угрозу существование человечества на земле, привели к необходимости предвидения последствий человеческой деятельности во всех странах с целью сохранения биосферы, т.е. Жизни на земле.

Охрана биосферы должна быть заботой всего человечества, живущего на земле, и как руководителей государств, так и отдельных людей.

Каждому человеку надо знать строение биосферы, взаимосвязи происходящих в ней процессов и влияние деятельности человеческого общества на возникающие в биосфере изменения.

Общая характеристика биосферы. Биосфера (по в.и. Вернадскому) – оболочка земли, включающая как область распространения живого вещества, так и само это вещество.

Под живым веществом понимается совокупность всех организмов, населяющих землю.

Понятие биосферы несколько условно, так как кроме естественных мест существования органической жизни, создаются и искусственные (космические корабли, подводные лодки) «островки жизни».

Органическая жизнь сосредоточена в трех косных (неживых) географических оболочках – геосферах земли (литосфера, гидросфера и атмосфера).

К биосфере относится и человеческое сообщество с его производством.

Процессы, происходящие в геосферах земли, оказывают значительное воздействие на структуру и свойства живого вещества биосферы.

Само живое вещество, как показал В.И. Вернадский, производит существенное преобразование геосфер.

С появлением человечества на земле преобразующее воздействие многократно возросло и по некоторым оценкам в настоящее время достигло критического уровня.

Совокупность живых организмов, выраженная в массе на единицу площади (суши, акватории, дна водоема) или объема (воды, почвы, осадков), принято называть биомассой.

Понятие «живое вещество» биосферы эквивалентно биомассе всей земли. По современным оценкам сухая масса живого вещества биосферы, составляющая всего 2–3 трлн. Т, в тысячу раз меньше массы тропосферы, в десять миллионов раз – массы земной коры и в миллиард раз – массы земли. Распределение массы живого вещества (биомассы) в биосфере крайне неравномерно.

На океан приходится лишь 3% суммарной биомассы земли. Океан ежегодно производит живое вещество, масса которого составляет более четверти от суммарной продукции биосферы земли, оцениваемой величиной 230 млрд. Т.

Захороненное и накопленное за миллионы лет в осадочных толщах земной коры органическое вещество привело к образованию полезных ископаемых – каменного угля, нефти, газа, фосфоритов и др.

Фотосинтез и круговорот веществ – основные факторы существования биосферы.

Фотосинтез является единственным на земле процессом, в котором зелеными растениями из бедных энергией неорганических веществ (углекислого газа, воды, минеральных солей) с помощью солнечной энергии в огромных масштабах образуются сложные, богатые энергией органические соединения.

Все виды живых существ, обитающие на земле используют эти соединения, способные к разнообразным химическим превращениям, с одной и той же формой энергии химических связей – основой жизни всех других организмов биосферы. Любое проявление жизни на нашей планете связано с образованием и потреблением этой биохимической энергии.

Источник энергии для фотосинтеза (солнечная радиация) и главный инструмент фотосинтеза (живой организм) преобразуют углекислый газ, воду и минеральные соли в биохимическую энергию.

Фотосинтезирующие организмы – автотрофы (самопитающиеся), преобразуют энергию солнечного света в биохимическую энергию, запасая ее в виде энергии химических связей в сложных органических молекулах.

Другие организмы биосферы (большинство бактерий, грибы, животные), нуждающиеся для своего роста и развития в готовых органических соединениях, – гетеротрофы, т.е. Питающиеся другими организмами.

Кроме фотосинтеза, другим важнейшим для существования жизни процессом в биосфере является круговорот веществ, осуществляемый благодаря наличию в биосфере автотрофов, создающих органические вещества из неорганических, и гетеротрофов, которые используют эти органические вещества и снова превращают их в неорганические соединения, пополняя запас последних в биосфере.

Фотосинтез и круговорот веществ – это два основных фактора существования биосферы земли.

Основные этапы развития биосферы. Этапы эволюции биосферы: синтез простых органических соединений, биогенез, антропогенез, техногенез и ноогенез.

1. Синтез простых органических соединений (химическая эволюция) в геосферах земли совершался под действием ультрафиолетовой радиации: метана, аммиака, водорода, паров воды. Начало этапа – 3,5–4,5 млрд. Лет.

2. Биогенез – преобразование косного вещества геосферы земли в живое вещество биосферы (образование высокомолекулярных органических соединений из простых соединений под действием геофизических факторов). Начало этапа – 2,5–3,5 млрд. Лет назад (появление живого вещества биосферы).

3. Антропогенез – появление человека и превращение его в социальное существо, формирование общественной организации человеческих сообществ в процессе производственной трудовой деятельности. Начало этапа – 1,5–3 млн. Лет назад (появление человека).

4. Техногенез – преобразование природных комплексов биосферы в процессе производственной деятельности человека и формирование техногенных и природно-технических комплексов, т.е. Техносферы как составной части биосферы. Начало этапа – 10–15 тыс. Лет назад (появление городских поселений).

5. Ноогенез – процесс превращения биосферы в состояние разумно управляемой социально–природной системы (ноосферы), который осуществляются рациональным использованием природы, т.е. Рациональным природопользованием и устойчивым развитием мирового человеческого сообщества.

Строение биосферы. Современная биосфера наряду с живым веществом включает в себя полностью гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы.

Гидросфера. Эта геосфера представляет собой совокупность океанов, морей, озер, рек, подземных вод и ледников. Образует прерывистую водную оболочку земли, занимающую более 70% ее поверхности.

Масса гидросферы распределена крайне неравномерно: 98,3% ее составляет мировой океан, 1,6% связана в материковых льдах и лишь 0,1% приходится на воды материков.

Литосфера (от греч. Литос – камень) – верхняя твердая оболочка земли, толщина которой колеблется в пределах 50–200 км.

Верхняя часть литосферы образует земную кору, а нижняя – верхнюю часть мантии земли.

Земная кора, представляющая собой, в отличие от гидросферы, сплошную оболочку планеты, состоит из трех слоев: осадочного, гранитного и базальтового.

Осадочный слой в основном сложен осадочными породами (глинами, песчаниками, известняками, доломитами, гипсами и др.), образовавшимися на поверхности земли в основном в результате отложения продуктов выветривания и разрушения более древних пород, химического и механического выпадения осадка из воды, а также продуктов жизнедеятельности организмов. Мощность осадочного слоя крайне изменчива: в одних местах он отсутствует, в других – достигает толщины 20–25 км. Общий объем этого слоя составляет около 10% от объема всей земной коры, основная часть слагающих его пород приходится на материки и шельфы океанов.

Нижняя граница биосферы проходит в самой верхней части земной коры. Отчетливое распространение жизни отмечается здесь лишь до глубины в несколько десятков метров, однако с подземными водами микроорганизмы распространяются до глубин 2–3 км, хотя известны случаи обнаружения микроорганизмов в нефтяных водах и нефти, добытых при бурении скважин с глубин более 4 км.

В почвенном слое концентрация живого вещества биосферы, толщина которого в различных ландшафтных и климатических зонах изменяется в широких пределах (от нескольких сантиметров до 1–1,5 м).

Вся растительность суши и весь ее животный мир связаны с почвой как необходимым источником пищи.

Важнейшим свойством почвы является ее плодородие, т.е. Способность обеспечить необходимые условия для жизни растений.

Большое значение в плодородии почв играет гумус, состоящий преимущественно из продуктов биохимического разложения отмерших остатков организмов.

Почва является местом обитания огромного количества микроорганизмов, водорослей, простейших, насекомых, червей и других беспозвоночных животных и большого количества позвоночных животных.

Атмосфера – третья геосфера земли, с которой связана биосфера, представляющая собой газовую оболочку земли, состоящую из азота (78,08% объема), кислорода (20,95%), аргона (0,93%) и углекислого газа (0,03%). На долю остальных газов приходится около 0,01% общего объема атмосферы.

С удалением от поверхности земли плотность атмосферы постепенно уменьшается до высоты около 3 тыс. Км, где ее плотность становится равной плотности межпланетного пространства.

Атмосферу представляют в виде совокупности слоев – тропосферы, стратосферы и ионосферы.

Тропосфера, заключающая в себе около 80% массы всей атмосферы и практически весь водяной пар, простирается до высоты приблизительно 9 км (на полюсах) – 17 км (на экваторе).

В нижней части стратосферы, простирающейся от верхней границы тропосферы до высоты около 50 км, располагается озоновый слой, для которого характерно повышенное содержание озона. Концентрация озона на высотах расположения озонового слоя 15–26 км более чем в 100 раз превышает его концентрацию у поверхности земли.

В качестве верхней границы биосферы принимается нижняя граница озонового слоя, почти полностью поглощающего губительные для всего живого ультрафиолетовые лучи. Вот почему часто озоновый слой называют “озоновым щитом”, защищающим жизнь на земле.

Включение в биосферу нижней атмосферы является несколько условным, так как нахождение организмов в ней на значительных высотах над земной поверхностью в большинстве случаев может быть временным, а истинной средой обитания их служит гидросфера, верхняя часть земной коры и тонкий слой приземной атмосферы.

Биогеоценоз (от греч. био – жизнь, гео – земля, ценоз – сообщество) – наименьшая структурная единица биосферы, представляющая собой внутренне однородную пространственно ограниченную (обособленную) природную систему взаимосвязанных живых организмов и окружающей их абиотической (неживой, косной) среды.

Термин был введен в 1942 г. Известным русским (советским) ученым – биологом В.Н. Сукачевым (1880 – 1967).

Биогеоценоз состоит из двух сложных компонентов разной природы: биоценоза и биотопа.

Биогеоценоз = биоценоз + биотоп.

Термин биоценоз был введен немецким биологом к. Мебиусом (1877) и означает совокупность живых организмов (животных, растений, микроорганизмов), существующих на относительно однородном по условиям жизни участке среды обитания. Биоценоз представляет сложную совокупность, состоящую из ряда компонентов живой природы, взаимообусловливающих существование друг друга:

1) фитоценоза – сообщества растительных организмов;

2) зооценоза – биокомплекса животных организмов (беспозвоночных и позвоночных), обитающих в почве и надпочвенной среде;

3) микробиоценоза (или микробоценоза) – сообщества микроорганизмов (бактерий, грибковых и др.), живущих в почве, в воздушной и водной средах.

Общая характеристика биогеоценоза. Все компоненты любого биогеоценоза тесно связаны между собой единством и однородностью территории, круговоротом биогенных химических элементов, сезонными изменениями климатических условий, численностью и взаимной приспособленностью многообразных видовых популяций автотрофных и гетеротрофных организмов.

Биогеоценоз – это совокупность разных видов живых организмов (биоценоз), сосуществующих в пределах пространственно ограниченного и однородного по своим абиотическим свойствам участка территории (биотопа) и взаимодействующих как друг с другом, так и с биотопом.

Природный биогеоценоз представляет собой сложную саморегулирующуюся систему, сформировавшуюся в результате многих тысяч и миллионов лет эволюции и обладающую способностью трансформировать вещество и энергию в соответствии со своей структурой и динамикой.

Путем самоорганизации такая система способна противостоять как изменениям окружающей среды, так и резким изменениям в численности тех или иных организмов, входящих в состав биоценоза.

Основу биогеоценоза составляют зеленые растения – производители органического вещества, растительноядные организмы (животные, микроорганизмы), потребляющие органическое вещество.

Если растения – главный источник органического вещества исчезнут, то жизнь в биогеоценозе практически прекратится.

Биотопом (или экотопом) называется относительно однородное по своим геоморфоло-гичеким, климатическим, геохимическим и другим абиотическим свойствам пространство, занятое биоценозом.

Биотоп представляет собой совокупность двух взаимодействующих между собой компонентов неживой природы:

1) атмосферы, содержащей атмосферную влагу и биогенные газы (кислород и углекислый газ) и имеющая свойства, как температура, влажность, давление, солнечная радиация, осадки и др.;

2) почвенного покрова с подпочвенными слоями материковой породы и почвенно-грунтовыми водами.

Круговорот веществ в биогеоценозе. Для круговорота веществ в биогеоценозе необходимо наличие в нем двух типов организмов:

1. Создающих органические вещества из неорганических,

2. использующих для обеспечения своей жизнедеятельности эти органические вещества и снова превращающих их в неорганические соединения.

В результате дыхания, разложения трупов животных и растительных остатков органические вещества превращаются в неорганические соединения, которые возвращаются снова в природную среду и могут опять использоваться растениями в процессе фотосинтеза.

В биогеоценозе в результате жизнедеятельности организмов непрерывно осуществляется поток атомов из неживой природы в живую и обратно, замыкаясь в круговорот.

Источником энергии, необходимой для создания круговорота веществ в биогеоценозе, является солнце.

Глобальные экологические проблемы. С середины ХХ века в мире разворачивается научно-техническая революция, с использованием достижений науки создаётся новое поколение техники, обеспечивающей интенсификацию, усиление не только физической, но и умственной деятельности людей (компьютеризация, информатизация). В результате возможности общества воздействовать на природу и изменять природные комплексы необычайно возросли. Рост экономической и технической мощи человечества приводит к тому, что конфликт между обществом и природой достигает небывалой прежде остроты, что обусловило возникновение экологического кризиса, грозящего экологической катастрофой, т.е. ситуацией, когда природная среда на нашей планете будет непригодной для обитания на ней живых существ.

Демографический «взрыв» и быстрый промышленный рост во многих странах после второй мировой войны привели к тому, что стали явно проявляться негативные последствия чрезмерного воздействия человека на окружающую его среду, обусловившие возникновение экологического кризиса, создающего реальную угрозу для существования человечества на планете.

Экологический кризис – это напряженное состояние взаимоотношений между обществом и природой, характеризующееся несоответствием (чрезмерностью) антропогенной нагрузки на природную среду экологическим возможностям биосферы.

Экологический кризис характеризуется не только усилением воздействия человека на природу, но и резким увеличением влияния измененной людьми природы на здоровье населения и на общественное развитие.

В течение исторического времени выделяют несколько экологических кризисов.

Первым считается кризис собирательства и примитивного промысла.

Следующим был кризис консументов, проявившийся в оскудении охотничьих ресурсов, когда стали исчезать крупные позвоночные в результате хищнической деятельности человека.

Третий кризис связан с появлением земледелия и скотоводства, проявился в засолении почв и деградации поливных земель.

Четвертый кризис, называемый кризисом продуцентов, связывают с массовым уничтожением лесов как для освобождения земель под сельскохозяйственные поля и пастбища, так и с целью использования дерева в качестве строительного материала и топлива. Этот процесс начал интенсивно развиваться 3–4 тыс. лет назад в Китае, на Ближнем Востоке и в Индии, позднее охватил Европу, а после Великих географических открытий принял планетарный характер.

В ХХ веке, и особенно во второй его половине, резко усилилось воздействие человека на природу, что привело к возникновению глобальных экологических проблем и угрозы перерастания экологического кризиса в глобальную экологическую катастрофу. Локальная экологическая катастрофа – Аральское море.

Экологический кризис постепенно приобретает планетарный (глобальный) характер.

В последние десятилетия сформировались и другие глобальные проблемы, под которыми понимают природные, природно-антропогенные или чисто антропогенные явления, затрагивающие мир в целом.

Процесс развития этих явлений называют глобализацией.

Наиболее важными являются проблемы предотвращения ядерных конфликтов, демографическая, ресурсная, энергетическая и продовольственная проблемы, которые тесно взаимосвязаны и способствуют развитию экологического кризиса.

Разработка процедур и механизмов, обеспечивающих сохранение и развитие человеческой цивилизации невозможно без использования междисциплинарных знаний о взаимодействии общества и природы, что превратило современную экологию в комплексную междисциплинарную дисциплину.

Взаимоотношения общества и природы. В течение первобытного этапа человеческой истории главной целью людей являлось приспособление к природе. Человек внимательно, чутко улавливал биологические ритмы, подстраивался к ним, стремился соответствовать требованиям, которые предъявляла окружающая среда.

Постепенно, обеспечив свою защищенность от непосредственных негативных воздействий, общество от обороны переходит к наступлению на природу: собирательство вытесняется охотой, добычей, а затем производством продуктов питания – животноводством и растениеводством.

В средние века человек отразил в культуре сознательное стремление жить правильно, не нарушая не только юридические, но и нравственные нормы, которые в целом обеспечивали устойчивое, природо-сообразное развитие общества.

Уже в эпоху Возрождения меняется иерархия социальных целей и ценностей. Культура переключается с проблемы соответствия человека миру (природной и социальной среде) на проблему соответствия мира человеку. Человек сам становится мерой совершенства, гуманизм и человечность – основной целью, а окружающая его природно-социальная среда – средством достижения цели.

В Новое время (с ХVI века) отношения общества и природы выходят на новый виток своего развития, еще более динамичный и драматичный. Человек рассматривает природу лишь как средство удовлетворения собственных растущих день ото дня потребностей. Общество культивирует по отношению к природе потребительскую, явно агрессивную линию поведения.

Так как общество не в силах остановить научно-технический прогресс, человеку ничего не остается, как научиться жить в согласии с законами природы и не переступать допустимые пределы воздействий на природную среду. Эта важнейшая для будущего нашей цивилизации задача может быть решена только на основе перехода общества на концепцию устойчивого развития с использованием новых экологических технологий, с учетом корректировки стратегии природопользования, воспитания у людей разумного ограничения человеческих потребностей и формировать экологическое мировоззрение, которое выражается в оптимизации взаимоотношений в системе «общество – природа» путем снижения или полного устранения влияния вредных воздействий на человека и среду его обитания, замене многоотходных, ресурсоразрушающих технологий на малоотходные, прирородосохраняющие, создании социальных, правовых и экономических механизмов существования отдельных стран и всего человечества в оптимальных для жизни условиях.

Охрана природы — это комплексная система мероприятий, направленных на сохранение, рациональное использование и воспроизводство природных систем и ресурсов Земли, в интересах существующих и будущих поколений людей. Главная цель рационального использования природных ресурсов — сбережение видового разнообразия (генофонда) флоры и фауны планеты, ее недр, водных ресурсов, атмосферного воздуха, естественных экосистем, т. е. сохранение природных условий развития человеческого общества. Система охраны природы действует на основе международного, государственного и местного законодательства.

Известные российские ученые А. Г. Банников и В. В. Флинт (1992) писали: «Каждый вид обладает неповторимым генофондом, сложившимся в результате действия естественного отбора в процессе эволюции. Все виды имеют потенциальную экономическую ценность и для человека, поскольку невозможно предсказать, какие виды могут стать со временем полезными и даже незаменимыми. Необходимо охранять весь генофонд биосферы, кроме генофонда болезнетворных организмов.

В настоящее время разработана система природоохранных мероприятий, которая включает:

1. разработку системы длительного наблюдения — мониторинга (в том числе и биомониторинга), — позволяющей осуществлять контроль за состоянием параметров окружающей среды, судить о степени ее ухудшения, источниках загрязнения, а также делать прогнозы о Дальнейших тенденциях развития и функционирования экосистем;

2. создание охраняемых территорий (заповедников, заказников, резерватов, национальных парков);

3. принятие законов, обеспечивающих правовую основу природоохранных мероприятий;