<<
>>

Основы глобальной экологии (биосферологии)

Биосфера - «область жизни», пространство на поверхности земного шара, в котором распространены живые существа. Термин в таком виде был введен австрийским геологом Эдуардом Зюссом (1875).

Развернутое учение о биосфере было разработано академиком В.И. Вернадским (1926). Он рассматривал биосферу как оболочку Земли, населенную живыми организмами, и продукты их жизнедеятельности, подчеркивая также, что состав биосферы определяется деятельностью живых организмов, является результатом их совокупной химической активности в настоящем и прошлом.

Всю совокупность живых организмов как фактор эволюции планеты он обозначал термином живое вещество, противопоставляя его косному веществу, к которому относил все геологические образования, не входящие в состав живых организмов и не созданные ими. Третья категория - биокосное вещество - комплекс взаимодействующих живого и косного веществ (океанические воды, нефть, почва). Биогенное вещество - геологические породы, созданные деятельностью живого вещества (известняки, каменный уголь). Вернадский считал, что земная кора представляет собой остатки былых биосфер.

Фундаментальным отличием живого вещества от косного является эволюционный процесс, который непрерывно создает новые формы живых существ. Многообразие форм жизни и их многофункциональность создают основу устойчивого круговорота веществ и энергии. Именно в этом специфика и залог устойчивости биосферы как уникальной оболочки земного шара.

Таким образом, биосфера представляет собой одну из геологических оболочек земного шара, глобальную экосистему Земли, в которой геохимические и энергетические превращения определяются суммарной активностью всех живых организмов - живого вещества.

В рамках концепции биосферы деятельность живых организмов, населяющих разные среды, интегрируется на уровне биосферы как целостной функциональной системы.

Основной ее функцией является поддержание жизни, благодаря непрерывному потоку вещества и энергии. Тесная связь биотической и абиотической составляющей экосистемы является главным принципом ее организации и выделения как целостного образования.

Из более 90 известных химических элементов живые организмы используют 30-40. В этом отношении человек по своей природе уникален, так как, используя для поддержания жизни примерно 40 элементов, в своей деятельности он пользуется почти всеми имеющимися в природе элементами.

Основные элементы: углерод, водород, кислород, азот - необходимы организмам в больших количествах; их называют макроэлементами. Другие используются в относительно незначительных количествах, поэтому их часто относят к микроэлементам. Тем не менее, все химические элементы циркулируют в биосфере по определенным путям: из внешней среды в организмы и из них опять во внешнюю среду. Эти пути, в большей или меньшей степени замкнутые, называются биогеохимическими циклами.

Установившиеся в процессе эволюции биогеохимические циклы носят круговой, почти замкнутый характер. Благодаря этому поддерживается постоянство и динамическое равновесие состава, количества и концентрации вовлеченных в круговорот компонентов, а также генетическая и физиологическая приспособленность, «гармоничность» организмов и окружающей биосферы. Однако гармоничность и равновесие могут сдвигаться в ту или иную сторону, в результате чего в атмосфере накапливаются азот и кислород, а в земной коре - соединения углерода (нефть, известняк, уголь). По этой же причине постепенно уменьшается содержание углекислого газа в воздухе, а в океан и пустыни выносятся легкорастворимые соли.

Состояние биосферы характеризуется величиной биомассы, количеством углерода и связанной в биомассе энергии, годичным приростом и количеством минеральных веществ, вовлеченных в состав биомассы. Именно эти характеристики отражают жизнедеятельность растений, животных и микроорганизмов, непрерывный обмен составляющих их веществ со средой, а также перераспределение энергии, что и является основным содержанием круговорота веществ в биосфере.

Говоря о круговороте вещества в экосистеме, обычно имеют в виду не столько само вещество, сколько химические элементы: углерод, кислород, азот и фосфор. Их относят к так называемым биогенным элементам, т. е. элементам, порождающим жизнь. Азот и фосфор часто являются лимитирующими элементами и могут контролировать численность организмов. Сера - это химический элемент, который может служить примером связи между воздухом, водой и земной корой, то есть ее круговороту присущи особенности круговоротов азота и фосфора.

В глобальном масштабе биохимические круговороты воды и углекислого газа имеют, на наш взгляд, самое важное значение для человечества. Для биохимических круговоротов характерно наличие в атмосфере небольших, но подвижных фондов.

Атмосферный фонд СО2 в круговороте, по сравнению с запасами углерода в океанах, ископаемом топливе и других резервуарах земной коры, относительно невелик.

С наступлением научно-технического прогресса сбалансированные прежде потоки углерода между атмосферой, материками и океанами начинают поступать в атмосферу в количестве, которое не полностью может связаться растениями.

Круговорот кислорода и углерода в биосфере представлен на рис. 1.1,

1.2.

Азот, как и углерод, входит в состав атмосферного воздуха и присутствует в нем в виде молекул. Он играет важную роль в жизнедеятельности организмов. Как и кислород, азот необходим для дыхания животных. Азот входит в состав многих органических соединений, прежде всего белка. В молекуле белка он образует прочные амидные связи с углеродом или соединяется с водородом, присутствуя в виде аминных (-NH3) или амидных (-NH2) групп.

Образование амидных (пептидных) связей (C-N-связи) является главным механизмом синтеза белковых молекул и пептидов, составляющих сущность всего живого на Земле. Азот нитратов через корневую систему растений попадает по проводящим путям в листья, где используется для синтеза растительного белка. Второй путь, которым азот попадает в организмы, - прямая фиксация азота из атмосферы.

Это явление совершенно уникально и свойственно прокариотам - безъядерным микроорганизмам.

Образующиеся в растениях азотсодержащие органические соединения по трофическим цепям попадают в организм животных, а также в почву - после отмирания растений. В почве они подвергаются распаду, минерализуются и используются затем другими растениями. Конечным звеном разложения являются организмы, образующие аммиак (NH3). Аммиак включается в реакции образования нитритов и их превращения в нитраты. Таким образом, цикл круговорота азота в почве поддерживается постоянно.

Биогеохимический цикл азота представлен на рис. 1.3.

Рис. 1.1. Круговорот кислорода в биосфере

Рис. 1.2. Круговорот углерода в биосфере

Рис. 1.3. Биохимический цикл азота

Приостановление круговорота азота может происходить вследствие его накопления в глубоководных океанических осадках. При этом азот выключается из кругооборота на несколько миллионов лет. Потери компенсируются поступлением газообразного азота при вулканических извержениях. Некоторые ученые считают, что извержения вулканов в этом смысле полезны и если блокировать все вулканы на Земле, то при этом от голода вполне может погибнуть больше людей, чем страдает сейчас от извержений.

Резервуаром фосфора, в отличие от азота, служит не атмосфера, а горные породы и другие отложения, образовавшиеся в прошлые теологические эпохи. Минеральный фосфор входит в состав многих горных пород. Он попадает в гидросферу в ходе их эрозии, отлагается в виде осадков на мелководьях, частично осаждается в глубоководных илах.

Выведение фосфора из круговорота происходит вследствие его накопления в донных осадках. Круговорот фосфора является примером простого осадочного цикла с недостаточной «забуференностью» и нарушенными механизмами саморегуляции вследствие антропогенного воздействия на окружающую среду. Деятельность человека по лову рыбы и птиц ведет к нарушению баланса фосфора. По данным Дж. Хатчинсона, на сушу в результате рыболовства возвращается всего около 60 000 т элементарного фосфора. В настоящее время вызывает озабоченность увеличение концентрации фосфатов в водных экосистемах, что приводит к их интенсивному зарастанию, деградации экосистем и в конечном итоге к их гибели.

Фосфор широко используется в агротехнике в виде фосфорных (минеральных) удобрений с целью повышения плодородия почвы и урожайности сельскохозяйственных культур. Таким образом, минеральный фосфор попадает в водные и наземные экосистемы - вследствие выноса растворенных фосфатов с сельскохозяйственными сточными водами и стока с полей, где применялись фосфорные удобрения, а также сброса городских и промышленных сточных вод. Круговорот фосфора представлен на рис. 1.4.

Изучая круговорот биогенных элементов, можно сделать важный практический вывод: избыток элемента может быть так же невыгоден для человека, как и недостаток. Например, фосфор при внесении в почву в количествах, превышающих возможность его усвоения активными организмами, быстро связывается. В дальнейшем может происходить так называемое «старение» фосфатов и снижение их доступности для питания растений.

Так как организмы адаптированы к разным уровням содержания элементов, нарушение соотношения элементов питания может привести к изменениям химического и даже видового состава организмов вплоть до исчезновения некоторых видов, то есть при недостаточном или избыточном применении субсидий они превращаются в источник стресса.

В окружающую среду поступает значительное количество элементов, которые связаны с деятельностью человека и представляют опасность для

его здоровья. Поэтому при проведении экологических исследований необходимо учитывать круговороты практически всех элементов и соединений.


Многие второстепенные элементы в обычных для экосистем концентрациях почти не оказывают влияния на состояние организмов, поэтому их круговорот до недавнего времени мало интересовал экологов. 

<< | >>
Источник: В.М. Малахов, А.Г. Гриценко, С.В. Дружинин. ИНЖЕНЕРНАЯ ЭКОЛОГИЯ МОНОГРАФИЯ В трех томах Том 1. 2012

Еще по теме Основы глобальной экологии (биосферологии):

  1. Г л а в а 21 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕОГРАФИЯ И ГЕОЭКОЛОГИЯ
  2. Глава 22 ГЕОГЛОБАЛИСТИКА
  3. Основы глобальной экологии (биосферологии)