743

3. УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ. КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ

«Ни один организм не может существовать в среде, созданной из его отходов»

В.И. Вернадский

Перечень необходимых для усвоения знаний:

-Биосфера и еѐ структура;

-Роль В.И. Вернадского в развитии учения о биосфере;

-Функции «живого вещества»;

-Понятие о круговоротах веществ.

Биосфера (bios – жизнь, sphaira – шар) – оболочка Земли, в которой раз-

вивается жизнь разнообразных организмов, населяющих поверхность суши,

почву, нижние слои атмосферы и гидросферу. Термин введѐн Э. Зюссом в

1875 году. Биосфера является самой крупной экосистемой Земли. Понятие в науке появилось во второй половине 19 века и в буквальном смысле означало учение о существовании живых организмов на Земле. Становление учения о биосфере связано с именами таких выдающихся учѐных, как Ж.Б. Ламарк, А.

Гумбольдт, В.В. Докучаев, К.А. Тимирязев, Н.И. Вавилов, В.Н. Сукачев, А.П.

Виноградов и др.

Основоположником современных представлений о биосфере является советский академик В.И. Вернадский (1863 - 1945).

Границы биосферы полностью охватывают гидросферу, нижний слой атмосферы высотой до 15 км (т.е. до озонового экрана, защищающего живые организмы от губительного ультрафиолетового излучения) и литосферу, как считается, до глубины 5 км. В эоловой зоне (выше 5 – 6 км над уровнем моря)

обитают пауки и некоторые клещи, питающиеся зернами пыльцы, спорами,

микроорганизмами и другими органическими частицами. Выше эоловой зо-

ны существует жизнь только в виде спор и случайно попавших организмов.

31

Таким образом, максимальная мощность биосферы составляет 33 – 35 км.

(Будыко М.И., 1984).

По В.И. Вернадскому биосферу отличает:

1.Присутствие живого вещества;

2.Наличие жидкой воды;

3.Восприятие мощного потока солнечной энергии;

4.Присутствие поверхностей раздела между веществами, находящимися в трѐх фазах;

5.Централизованность;

6.Саморегулируемость и организованность;

7.Разнообразие;

8.Круговороты биогенных элементов и воды.

Биосфера включает следующие виды вещества:

1.«Живое вещество» - совокупность всех живых организмов, выступаю-

щих как геологический фактор. Оно состоит в основном из главных биогенных элементов: углерода, кислорода, водорода, азота, фосфора,

серы, калия, кальция, магния, натрия, хлора и микроэлементов;

2.Биогенное – создаѐтся и перерабатывается совокупностями живых ор-

ганизмов (нефть, известняки и др.);

3.Косное - совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых живые организмы не участвуют (магматические горные породы);

4.Биокосное – создаѐтся одновременно живыми организмами и косным веществом (почва, кора выветривания, все природные воды).

5.Радиоактивное;

6.Космическое (метеориты и др.);

7.Рассеянные атомы.

Функции живого вещества (по А.В. Лаппо, 1987):

-газовая (формирование газового состава атмосферы);

-энергетическая (осуществление энергетического потока в биосфере);

32

-окислительно-восстановительная (процессы окисления и восстановления веществ);

-концентрационная (участие в накоплении некоторых веществ и элементов);

-деструктивная (разрушение веществ);

-транспортная (участие в транспорте вещества);

-средообразующая (живые организмы являются средообразователями);

-рассеивающая (функция, противоположная концентрационной).

Основные аспекты учения В.И. Вернадского:

-«живое вещество» способно использовать солнечную энергию и участвует в изменении облика планеты;

-организованность биосферы проявляется в согласованном взаимодействии живого и неживого;

-биосфера возникла и развивалась в результате длительной эволюции под действием биотических и абиотических факторов.

Принципы эволюции биосферы по В.И. Вернадскому:

-первой сформировалась литосфера, а после появления жизни началось фор-

мирование биосферы.

- на протяжении всей геологической истории Земли отсутствуют геологиче-

ские эпохи, лишенные жизни, поэтому современное живое вещество генети-

чески связано с живым веществом предыдущих геологических эпох;

- живые организмы осуществляют миграцию химических элементов из лито-

сферы в гидросферу и почву, обмен элементами между гидросферой, почвой и атмосферой, между сушей и морем, круговорот воды, углерода и других элементов, входящих в состав живого вещества;

- геологический эффект деятельности живых организмов обусловлен огром-

ным их количеством и длительностью воздействия;

- основным фактором развития биосферы является биохимическая энергия живого вещества.

В.И. Вернадский ввѐл представление о ноосфере (сфере разумной жиз-

ни) как о новой оболочке Земли, так как именно с появлением человека био-

33

сфера приобрела новое качество. Деятельность человека является мощным фактором, сравнимым с геологическим.

Закон целостности биосферы – биогенный поток атомов между компо-

нентами биосферы связывает их в единую материальную систему, в которой изменение даже одного звена влечѐт за собой сопряжѐнное изменение всех остальных.

3.1. Структура биосферы

Биосферу составляют гидросфера, частично атмосфера и литосфера.

Атмосфера – газообразная оболочка планеты. Через атмосферу осу-

ществляется обмен веществ и энергии Земли с Космосом. Атмосферу делят на слои (по удалению от земной поверхности): тропосфера – стратосфера – мезосфера – термосфера – экзосфера. Основные газы: азот, кислород, аргон,

углекислый газ. Одним из важных компонентов атмосферы является озон -

О3. Его образование и разложение происходит в стратосфере на высоте 10 –

25 км над уровнем моря и связано с поглощением УФ радиации солнца, ко-

торая губительна для живых организмов, поэтому озон защищает всѐ живое на планете от УФ излучения.

Гидросфера – совокупность всех вод Земли (моря, реки, озѐра, ледни-

ки, подземные воды, вечная мерзлота и т.д.)

Литосфера – верхняя «твѐрдая» оболочка земли, постепенно перехо-

дящая с глубиной в сферы с большей плотностью вещества. Литосфера включает в себя земную кору и верхнюю мантию Земли. Мощность литосфе-

ры – 50 – 100 км, в том числе земной коры на континентах – 75 км и 7 - 10 км под дном океана. Основными химическими элементами литосферы являются:

кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий, калий.

Положение биосферы в вертикальной структуре геосферы представле-

но на рисунке 13.

34

Растительный опад попадает в почву и минерализуется (т.е. разлагается до высших оксидов элементов), после чего высвободившийся фосфор снова становится доступным для растений (рисунок 14).

Рисунок 14. – Глобальный круговорот фосфора (по Степановских А.С., 2001)

В водные экосистемы и, в конечном итоге, в океан фосфор попадает с поверхностными стоками. В солѐных морских водах фосфор переходит в со-

став фитопланктона, служащего пищей другим организмам моря. В последу-

ющем он накапливается в организмах моря, при отмирании которых седи-

ментируется (оседает) в виде донных отложений на разных глубинах. Ча-

стичный возврат фосфора связан с поднятием земной коры выше уровня мо-

ря, однако этот процесс осуществляется медленно, охватывая геологически значимые промежутки времени. Добыча фосфора с глубин океана в настоя-

щее время невозможна. Определѐнное количество фосфора переносится на

36

сушу морскими птицами, а также благодаря рыболовству. Птицы способ-

ствуют накоплению фосфора на отдельных островах (на месте своих посто-

янных колоний) в виде гуано. В связи с тем, что запасы фосфора на Земле малы (около 1 % от массы земной коры), то любое воздействие человека на биогеохимический круговорот этого элемента несѐт опасность потери фос-

фора. Основным потребителем фосфора является сельскохозяйственное про-

изводство, где высокие урожаи невозможны без соответствующих доз фос-

форных удобрений. Одновременно с этим сельское хозяйство является глав-

нейшим фактором, усиливающим эрозионный процесс, а значит, потерю фосфора из биологического круговорота.

3.3. Практическая работа № 4

Круговорот биогенных элементов

Задание: поясните представленные на рисунках 15 – 17 круговороты биогенных элементов.

Рисунок 15. –

Круговорот

азота (по Ни-

колайкину

Н.И., 2006)

37

Рисунок 16. – Кругово-

рот углерода (по Нико-

лайкину Н.И., 2006)

2-

2-

2-

3

2-

Рисунок 17. – Круговорот серы (по Николайкину Н.И., 2006)

Контрольные вопросы

1.Каковы границы биосферы?

2.В чѐм главная заслуга В.И. Вернадского в учении о биосфере?

3.В чѐм заключается энергетическая функция «живого вещества»?

38

4. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА

ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ И ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА.

НОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

«Нельзя быть здоровым в нездоровой среде обитания»

Экологическая аксиома

Перечень необходимых для усвоения знаний:

-Действие основных загрязняющих веществ на здоровье человека;

-Экологические нормативы и стандарты. Санитарно -

гигиеническое и хозяйственное нормирование;

- Основные загрязняющие вещества и источники загрязнения а т-

мосферного воздуха. Индекс загрязнения атмосферы (ИЗА). Оценка ка-

чества атмосферного воздуха. Автотранспорт как источник загря з-

нения атмосферного воздуха;

- Индекс загрязнения воды (ИЗВ). Категории водопользования. Ос-

новные загрязняющие вещества и источники загрязнения гидросферы.

Оценка качества питьевой воды;

-Основные загрязняющие вещества и источники загрязнения почв;

-Основные загрязняющие вещества и источники загрязнения пи-

щевых продуктов.

Здоровье человека зависит от экологического состояния окруж а-

ющей среды. Загрязнение атмосферного воздуха, вод, почвы изменяет качество окружающей среды, делая еѐ неблагоприятной и в некоторых случаях опасной для живых организмов и человека. По этой причин е есть необходимость постоянного контроля загрязнения в компонентах окружающей среды.

Загрязнение – это всѐ то, что появляется не в том месте, не в то время и не в том количестве, какое естественно для природы, что выво-

дит еѐ системы из равновесия, отличается от нормы, обычно наблюдае-

39

мой и (или) желательной для человека (например, ядохимикаты, нефть

ит.д.) (Каплин В.Г., 2006).

Н.Ф. Реймерс (1994) классифицирует загрязнители следующим обра-

зом:

- по происхождению: антропогенное (искусственное), природное (есте-

ственное);

-по распространению: локальное, региональное, глобальное;

-по источнику: промышленное, эксплуатационное, сельскохозяйствен-

ное;

-по механизму действия: первичное, вторичное;

-по умыслу: преднамеренное, непреднамеренное;

-по объектам загрязнения: атмосферы, гидросферы (подземных, по-

верхностных вод, мирового океана); литосферы (земной коры и др.).

По природе загрязнение бывает:

- физическое (например, радиационное, световое, тепловое, шумовое,

электромагнитное);

- физико-химическое (например, аэрозольное – смог Лондонского ти-

па, Лос-анджелесского типа (фотохимический);

-химическое (например, тяжѐлые металлы (ТМ), пестициды и т.д.) в

частности, органическое, неорганическое, металлоорганическое.

-биологическое (например, бактериальное, вирусное загрязнение);

-информационное (например, реклама, псевдосигналы и т.д.);

Внастоящее время количество вносимых в окружающую среду химических соединений достигает 400 тыс. наименований. Все они ха-

рактеризуются различной степенью опасности, одним из комплексных показателей которой можно назвать стресс-индексы. Стресс-индекс это условная оценка опасности различных категорий химических веществ для биосферы в целом. Эта характеристика не является постоянной для конкретного загрязнителя и может быть пересмотрена (таблица 13).

40