Материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления пользователям Интернета и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
© 2018 - 2024
Биосферой называют «живую» оболочку Земли, состав, структура и энергетика которой определяются совокупностью деятельности живых организмов. Термин введен Э. Зюссом в 1875 году.
Целостное учение о биосфере принадлежит академику В.И. Вернадскому, который показал роль живых организмов в формировании всей жизни нашей планеты – кислорода и озонового экрана, ряда пород Земли и в целом современного облика нашей планеты. Основы учения Вернадского изложены в книге «Биосфера», вышедшей в 1926 году. Он понимал биосферу как сферу единства живого и неживого. Биосфера охватывает часть атмосферы до высоты озонового экрана – 25-35 км; часть литосферы, особенно кору выветривания – до 3 км и всю гидросферу – до 10-11 км.
В.И. Вернадский выделял живое вещество, биогенное вещество, то есть вещества, создаваемые и перерабатываемые живыми организмами (например, известняки, горючие сланцы, уголь и другие), косное вещество, в образовании которого живые организмы не принимали участия (изверженные горные породы), биокосное вещество, которое является продуктом жизнедеятельности организмов и геохимических процессов неживой природы (почвы), радиоактивное вещество, рассеянные атомы и вещество космического происхождения (метеориты, космическая пыль).
В.И. Вернадский развил учение о ноосфере (1944 г.), то есть о среде, управляемой разумом человека. Он понимал ноосферу как растущее глобальное осознание усиливающегося вторжения человека в естественные биогеохимические циклы, ведущее к более взвешенному и целенаправленному контролю человека над глобальной системой. Это модель вероятного будущего, но пока она остается гипотезой.
Круговорот веществ в природе
О превращениях энергии в экосистемах мы уже упоминали, когда говорили о цепях питания. В отличие от энергии, которая, однажды использованная организмом, превращается в тепло и теряется для экосистемы, вещества циркулируют в биосфере, что и называется биогеохимическими круговоротами.
Из 90 с лишним элементов, встречающихся в природе, около 40 нужны живым организмам. Наиболее важные из них и требующиеся в больших количествах - углерод, водород, кислород и азот. Кислород поступает в атмосферу в результате фотосинтеза и расходуется организмами при дыхании. Азот извлекается из атмосферы благодаря деятельности азотфиксирующих бактерий и возвращается в нее другими бактериями.
Круговороты элементов и веществ являются безотходными. В природе нет ничего бесполезного или вредного. Даже от вулканических извержений есть польза, так как с вулканическими газами в воздух поступают нужные элементы (например, азот). Степень замкнутости круговоротов не абсолютна, что показывает пример возникновения кислородной атмосферы. Наивысшая степень замкнутости наблюдается в тропических экосистемах - наиболее древних и консервативных.
Биогеохимические процессы играют значительную роль в образовании атмосферы, гидросферы и литосферы. Вернадский занимался созданной им биогеохимией, изучая распределение химических элементов по поверхности планеты.
Три биогеохимических принципа Вернадского
1. Биогенная миграция химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению. Этот принцип в наши дни нарушен человеком.
2. Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов. Это приводит к измельчению средних размеров особей.
3. Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с окружающей его средой, создающейся и поддерживающейся на Земле космической энергией солнца.
Выводы Вернадского
1. Каждый организм может существовать только при условии постоянной тесной связи с другими организмами и неживой природой.
2. Жизнь со всеми ее проявлениями произвела глубокие изменения на нашей планете.
Выделяют большой, или геологический круговорот, связанный с циркуляцией веществ между почвой, растениями, микроорганизмами и животными. Биологический круговорот связан с углеродом, кислородом, фосфором, азотом, серой, кальцием, железом и рядом других элементов.
Кислород входит в состав атмосферы (О2, СО2), воды (Н2О), литосферы (Fe2О3, СаСО3 и т. д.). Запас кислорода составляет около 21 % от веса атмосферы. Каждый четвертый атом живого вещества является атомом кислорода. Весь кислород оборачивается через живые организмы за 2000 лет, а углекислый газ - за 200-300 лет. Более 90 % имеющейся на земном шаре воды связано в горных породах, образующих земную кору.
Вода, содержащаяся в виде пара, в любой момент соответствует в среднем слою 2.5 см, равномерно распределенному по поверхности Земли. За год атмосферный фонд воды ежегодно совершает круговорот 25 раз.
Весь ассимилированный в процессе фотосинтеза углерод включается в углеводы, а в процессе дыхания весь углерод, содержащийся в органических соединениях, превращается в двуокись углерода. Содержание углерода в растениях в 200 раз больше, чем в земной коре.
Круговорот азота через экосистемы отличается рядом особенностей:
- большинство организмов не могут ассимилировать азот из огромного фонда воздуха, содержащего 78 % азота (кроме некоторых бактерий и водорослей);
- азот входит в состав белков и нуклеиновых кислот, регулирующих функции биологических систем;
- биологическое разложение азотсодержащих органических соединений до неорганических форм слагается из нескольких стадий, некоторые из них могут осуществляться только специальными бактериями;
- большая часть биохимических превращений, участвующих в разложении азотсодержащих соединений, происходит в почве, где доступность азота растениям облегчается растворимостью его неорганических соединений.
У животных азот выводится в виде аммиака (NH3) или мочевины CO(NH2)2. Фиксация азота осуществляется свободноживущими бактериями (цианобактерии, азотобактерии, фотосинтезирующие бактерии) или симбиотическими в сообществе с высшими растениями (род ризобиум, развивающийся в клубеньках на корнях преимущественно бобовых растений).
Основные запасы фосфора содержат горные породы, из которых он поступает в экосистемы. Фосфор – один из важнейших элементов, лимитирующих рост растений. Этот элемент неравномерно распределен по территории Земли. В атмосферу фосфор поступает только в виде пыли, круговорот фосфора в экосистеме осуществляется в почве и в воде. Фосфор наиболее доступен в узком диапазоне кислотности - в слабокислой среде. В сельском хозяйстве сильно кислые почвы нейтрализуют, добавляя известь (известкование почвы) для повышения доступности фосфора почвы для растений вследствие снижения концентрации ионов водорода.
В соответствии с геологическими представлениями, человек существует очень короткое время (всего 0.0001 % от продолжительности существования биосферы). Однако за этот короткий промежуток времени круговорот веществ в биосфере радикально изменился. На сегодня человек является наиболее важным геологическим фактором. Сейчас используется около 90 химических элементов, которые существуют в земной коре, кроме того, получены еще и такие, которых в природе не существовало (например, плутоний, технеций и другие).
Человек небывало ускорил круговорот некоторых веществ. Залежи железа, меди, цинка, свинца и многих других элементов, которые природа накапливала на протяжении миллионов лет, быстро исчерпываются. Кое-где, наоборот, наблюдается концентрация элементов в таких пропорциях, которых не было в природе (например, на больших заводах, где сконцентрированы железо, медь, алюминий, органические вещества и другие).
Все это способствует увеличению неуравновешенности биосферы. Человек не только ускоряет биологический круговорот, но и задействует те элементы, которые были из него давно вытеснены.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Мы, конечно, должны как можно меньше изменять природные процессы, в частности, внедрять безотходные производства или качественно новые производственные циклы. Но нам и в идеальном случае не удастся избавиться от отходов тепла, ибо это противоречит началам термодинамики.
Природу нашей планеты невозможно вернуть к тому состоянию, в котором она пребывала до начала развития человека. Все больше "диких" ландшафтов планеты будет сменяться искусственно созданными человеком. Первичная природа уступает вторичной.
На современном этапе задача состоит не в том, чтобы "оставить все, как было", – это невозможно, а в том, чтобы действовать продуманно, научно обоснованно, с максимальной осторожностью. Другими словами, "отрезать" после того, как "отмеряно" не семь раз, а тысячу раз по семь.
Человек достаточно вооружен технически, чтобы обеспечить сохранение высокоразвитой промышленной цивилизации, ликвидировать нищету и голод, а также сохранить свою среду на протяжении многих тысячелетий. Главная опасность для него заключается в том, что он не сумеет понять (и притом достаточно быстро) все, что ему надлежит понимать, и не примет вовремя мер, необходимых для того, чтобы предупредить возникновение ситуаций, которые могут оказаться весьма и весьма неприятными.
Нам следует четко представить, что мы собираемся строить для себя и своих потомков, ведь ничего из того, что делается и будет сделано с живой природой, исправить невозможно.
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ЭКОЛОГИИ
1. Законы экологии.
2. Следствия из экологических законов, накладывающих ограничения на преобразовательную деятельность человека
ЗАКОНЫ ЭКОЛОГИИ
В научно-популярной литературе по экологии встречается укороченный и сильно упрощенный вариант формулирования экологических законов, принадлежащий американцу Б. Коммонеру (1971):
1. Все связано со всем (всеобщая связь процессов и явлений в природе).
2. Все должно куда-то деваться (и откуда-то браться) (любая природная система может развиваться только за счет использования энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды).
3. Природа «знает» лучше (пока мы не имеем абсолютно достоверной информации о механизмах и функциях природы, мы легко можем навредить природе, пытаясь ее улучшить).
4. Ничто не дается даром (глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которой ничто не может быть выиграно или потеряно, она не может быть объектом всеобщего улучшения; все, извлеченное в процессе человеческого труда, должно быть возмещено).
В этих формулировках правильно изображен "дух" экологических законов, однако такое упрощение мало что дает для практики решения реальных проблем взаимодействия человека и окружающей среды.
Из-за сложности объектов изучения экологии, связей между этими объектами, а также из-за того, что экология находится в стадии развития, законов и правил в ней очень много. Приведем некоторые из них.
1. Закон минимума: при стационарном состоянии лимитирующим будет то вещество, доступные количества которого наиболее близки к необходимому минимуму.
2. Закон толерантности: отсутствие или невозможность развития экосистемы определяется не только недостатком, но и избытком любого из факторов (тепло, свет, вода).
3. Закон конкурентного исключения: два вида, занимающие одну экологическую нишу, не могут сосуществовать в одном месте неограниченно долго.
4. Основной закон экологии: развиваются не только организмы и виды, но и экосистемы; развитие экосистем идет в сторону увеличения количества энергии, направленной на поддержание системы, повышения их устойчивости, достигаемой за счет увеличения разнообразия, к уменьшению продуктивности, усилению симбиоза, сохранению биогенных веществ, повышению стабильности и содержания информации.
Кроме закона минимума, закона толерантности, закона конкурентного исключения, основного закона экологии (о сукцессиях) есть некоторые другие важные для экологии законы и принципы.
5. Закон эмерджентности: целое всегда имеет особые свойства, отсутствующие у его частей.
6. Закон необходимого разнообразия: система не может состоять из абсолютно идентичных элементов, но может иметь иерархическую организацию и интегративные уровни.
7. Закон необратимости эволюции: организм (популяция, вид) не может вернуться к прежнему состоянию.
8. Закон усложнения организации: историческое развитие живых организмов приводит к усложнению их организации путем дифференциации органов и функций.
9. Биогенный закон (Э. Геккель): онтогенез организма есть краткое повторение филогенеза данного вида, то есть индивид в своем развитии повторяет сокращенно историческое развитие своего вида.
10. Закон неравномерности развития частей системы: система одного уровня развивается не строго синхронно - в то время, как один достигает более высокой стадии развития, другие остаются в менее развитом состоянии. Этот закон непосредственно связан с законом необходимого разнообразия.
11. Закон сохранения жизни: жизнь может существовать только в процессе движения через живое тело потока веществ, энергии, информации.
12. Принцип сохранения упорядоченности (И. Пригожин): в открытых системах энтропия не возрастает, а уменьшается до тех пор, пока не достигается минимальная постоянная величина, которая всегда больше нуля.
13. Принцип Ле Шателье-Брауна: при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабевает. Этот принцип в рамках биосферы нарушается современным человеком. "Если в конце прошлого века еще происходило увеличение биологической продуктивности и биомассы в ответ на возрастание концентрации углекислого газа в атмосфере, то с начала нашего века это явление не обнаруживается. Наоборот, биота выбрасывает углекислый газ, а биомасса ее автоматически снижается".
14. Принцип экономии энергии (Л. Онсагер): при вероятности развития процесса в некотором множестве направлений, допускаемых началами термодинамики, реализуется то направление, которое обеспечивает минимум рассеивания энергии.
15. Закон максимизации энергии и информации: наилучшими шансами на самосохранение обладает система, в наибольшей степени способствующая поступлению, выработке и эффективному использованию энергии и информации; максимальное поступление вещества не гарантирует системе успеха в конкурентной борьбе.
16. Периодический закон географической зональности А.А. Григорьева и М.М. Будыко: со сменой физико-географических поясов Земли аналогичные ландшафтные зоны и некоторые общие свойства периодически повторяются, то есть в каждом поясе - субарктическом, умеренном, субтропическом, тропическом и экваториальном - происходит смена зон по схеме: леса-степи-пустыни.
17. Закон развития системы за счет окружающей среды: любая система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды; абсолютно изолированное саморазвитие невозможно.
18. Принцип преломления действующего фактора в иерархии систем: фактор, действующий на систему, преломляется через всю иерархию ее подсистем. В силу наличия в системе "фильтров" данный фактор либо ослабляется, либо усиливается.
19. Правило затухания процессов: с увеличением степени равновесности с окружающей средой или внутреннего гомеостаза (в случае изолированности системы) динамические процессы в системе затухают.
20. Закон физико-химического единства живого вещества В.И. Вернадского: все живое вещество Земли физико-химически едино, что не исключает биогеохимических различий.
21. Термодинамическое правило Вант-Гоффа-Аррениуса: подъем температуры на 10 0C приводит к 2-3-кратному ускорению химических процессов. Отсюда опасность повышения температуры вследствие хозяйственной деятельности современного человека.
22. Правило Шредингера "о питании" организма отрицательной энтропией: упорядоченность организма выше окружающей среды и организм отдает в эту среду больше неупорядоченности, чем получает. Это правило соотносится с принципом сохранения упорядоченности Пригожина.
23. Правило ускорения эволюции: с ростом сложности организации биосистем продолжительность существования вида в среднем сокращается, а темпы эволюции возрастают. Средняя продолжительность существования вида птиц - 2 млн. лет, вида млекопитающих - 800 тысяч лет. Число вымерших видов птиц и млекопитающих в сравнении со всем их количеством велико.
24. Принцип генетической преадаптации: способность к приспособлению у организмов заложена изначально и обусловлена практической неисчерпаемостью генетического кода.
25. Правило происхождения новых видов от неспециализированных предков: новые крупные группы организмов берут начало не от специализированных представителей предков, а от их сравнительно неспециализированных групп.
26. Принцип дивергенции Ч. Дарвина: филогенез любой группы сопровождается разделением ее на ряд филогенетических стволов, которые расходятся в разных адаптивных направлениях от среднего исходного состояния.
27. Принцип прогрессирующей специализации: группа, вступающая на путь специализации, как правило, в дальнейшем развитии будет идти по пути все более глубокой специализации.
28. Правило более высоких шансов вымирания глубоко специализированных форм (О. Марш): быстрее вымирают более специализированные формы, генетические резервы которых для дальнейшей адаптации снижены.
29. Закон увеличения размеров (роста) и веса (массы) организмов в филогенетической ветви. В.И. Вернадский так сформулировал этот закон: "По мере хода геологического времени выживающие формы увеличивают свои размеры (а следовательно, и вес) и затем вымирают". Происходит это от того, что чем мельче особи, тем им труднее противостоять процессам энтропии (ведущим к равномерному распределению энергии), закономерно организовывать энергетические потоки для осуществления жизненных функций. Поэтому размер особей эволюционно увеличивается (хотя и является очень стойким морфо-физиологическим явлением в коротком интервале времени).
30. Аксиома адаптированности Ч. Дарвина: каждый вид адаптирован к строго определенной специфичной для него совокупности условий существования.
31. Экологическое правило С.С. Шварца: каждое изменение условий существования прямо или косвенно вызывает соответствующие перемены в способах реализации энергетического баланса организма.
32. Закон относительной независимости адаптации: высокая адаптивность к одному из экологических факторов не дает такой же степени приспособления к другим условиям жизни (наоборот, она может ограничивать эти возможности в силу физиолого-морфологических особенностей организма).
33. Законы единства "организм - среда": жизнь развивается в результате постоянного обмена веществом и информацией на базе потока энергии в совокупном единстве среды и населяющих ее организмов.
34. Правило соответствия условий среды генетической предопределенности организма: вид может существовать до тех пор и постольку, поскольку окружающая его среда соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к ее колебаниям и изменениям.
35. Закон максимума биогенной энергии (энтропии) В.И. Вернадского – Э.С. Бауера: любая биологическая или биокосная система находится в динамическом равновесии с окружающей средой и, эволюционно развиваясь, увеличивает свое воздействие на среду, если этому не препятствуют внешние факторы.
36. Закон давления среды жизни, или ограниченного роста (Ч. Дарвин): есть ограничения, препятствующие тому, чтобы потомство одной пары особей, размножаясь в геометрической прогрессии, заполнило весь Земной шар.
37. Принцип минимального размера популяций: существует минимальный размер популяции, ниже которого численность не может опускаться без угрозы гибели этой попуяции.
38. Правило представительства рода одним видом: в однородных условиях и на ограниченной территории таксономический род, как правило, представлен только одним видом. По-видимому, это связано с близостью экологических ниш видов одного рода.
39. Правило А. Уоллеса: по мере продвижения с севера на юг видовое разнообразие увеличивается. Причина в том, что северные биоценозы исторически моложе и находятся в условиях меньшего поступления энергии от Солнца.
40. Закон обеднения живого вещества в островных его сгущениях (Г.Ф. Хильми): "индивидуальная система, работающая в ... среде с уровнем организации более низким, чем уровень самой системы, обречена: постепенно теряя структуру, система через некоторое время растворится в окружающей ... среде". Из этого следует важный для человеческой природоохранной деятельности вывод: искусственное сохранение экосистем малого размера (на ограниченной территории, например, заповедника) ведет к их постепенной деструкции и не обеспечивает сохранения видов и сообществ.
41. Закон пирамиды энергий (Р. Линдеман): с одного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой, более высокий уровень в среднем около 10 % поступившей на предыдущий уровень энергии. Обратный поток с более высоких на более низкие уровни намного слабее - 0.5 %-0.25 %, и потому говорить о круговороте энергии в биоценозе не приходится.
42. Правило биологического усиления: при переходе на более высокий уровень экологической пирамиды накопление ряда веществ, в том числе токсичных и радиоактивных, увеличивается примерно в такой же пропорции.
43. Правило экологического дублирования: исчезнувший или уничтоженный вид в рамках одного уровня экологической пирамиды заменяет другой, аналогичный по схеме: крупного сменяет мелкий, более высоко организованного ниже организованный, генетически более лабильного и мутабильного - генетически менее изменчивый. Особи измельчаются, но общее количество биомассы увеличивается, так как никогда слоны не дадут той биомассы продукции с единицы площади, какую способны дать саранча или еще более мелкие беспозвоночные.
44. Правило биоценотической надежности: надежность биоценоза зависит от его энергетической эффективности в данных условиях среды и возможности структурно-функциональной перестройки в ответ на изменение внешних воздействий.
45. Правило обязательности заполнения экологических ниш: пустующая экологическая ниша всегда и обязательно бывает естественно заполнена ("природа не терпит пустоты").
46. Правило экотона, или краевого эффекта: на стыках биоценозов увеличивается число видов и особей в них, так как возрастает число экологических ниш из-за возникновения на стыках новых системных свойств.
47. Правило взаимоприспособленности организмов в биоценозе К. Мебиуса – Г.Ф. Морозова: виды в биоценозе приспособлены друг к другу настолько, что их сообщества составляют внутренне противоречивое, но единое и взаимоувязанное целое.
48. Принцип формирования экосистемы: длительное существование организмов возможно лишь в рамках экологических систем, где их компоненты и элементы дополняют друг друга и взаимно приспособлены.
49. Закон сукцессионного замедления: процессы, идущие в зрелых равновесных экосистемах, находящихся в устойчивом состоянии, как правило, проявляют тенденцию к снижению темпов.
50. Правило максимума энергии поддержания зрелой системы: сукцессия идет в направлении фундаментального сдвига потока энергии в сторону увеличения ее количества, направленного на поддержание системы.
51. Закон исторического саморазвития биосистем (Э. Бауэр): развитие биологических систем есть результат увеличения их внешней работы - воздействия этих систем на окружающую среду.
52. Правило константности числа видов в биосфере: число появляющихся видов в среднем равно числу вымерших, и общее видовое разнообразие в биосфере есть константа. Это правило справедливо для сформировавшейся биосферы.
53. Правило множественности экосистем: множественность конкурентно-взаимодействующих экосистем обязательно для поддержания надежности биосферы.
Дата: 2019-02-19, просмотров: 275.