Биосфера и ее устойчивость

Такую способность к распространению  живого вещества В.И.Вернадский назвал «всюдностью жизни».

Эволюция биосферы шла  по пути усложнения структуры биологических  сообществ, умножения числа видов  и совершенствования их приспособляемости. Эволюционный процесс сопровождался  увеличением эффективности преобразования энергии и вещества биологическими системами: организмами, популяциями, сообществами.

Вершиной эволюции живого на Земле явился человек, который  как биологический вид на основе многочисленных изменений приобрел не только сознание (совершенную форму  отображения окружающего мира), но и способность изготавливать  и использовать в своей жизни  орудия труда.

Посредством орудий труда  человечество стало создавать фактически искусственную среду своего обитания (поселения, жилища, одежду, продукты питания, машины и многое другое). С этих пор  эволюция биосферы вступила в новую  фазу, где человеческий фактор стал мощной природной движущей силой.

3. Природные ресурсы и их использование.

Биологические, в том числе  пищевые, ресурсы планеты обуславливают  возможности жизни человека на Земле, а минеральные и энергетические служат основой материального производства человеческого общества. Среди природных  богатств планеты различают исчерпаемые и неисчерпаемые ресурсы.

Неисчерпаемые ресурсы.

Неисчерпаемые ресурсы подразделяются на космические, климатические и  водные. Это энергия солнечной  радиации, морских волн, ветра. С  учетом огромной массы воздушной  и водной среды планеты неисчерпаемыми считают атмосферный воздух и  воду. Выделение это относительно. Например, пресную воду уже можно  рассматривать как ресурс исчерпаемый, поскольку во многих регионах земного  шара возник острый дефицит воды. Можно  говорить и о неравномерности  ее распределения, и невозможности  ее использования из-за загрязнения. Условно считают и кислород атмосферы  неисчерпаемым ресурсом.

Современные ученые-экологи  полагают, что при современном  уровне технологии использования атмосферного воздуха и воды этим ресурсы можно  рассматривать как неисчерпаемые  только при разработке и реализации крупномасштабных программ, направленных на восстановление их качества.

Исчерпаемые ресурсы.

Исчерпаемые ресурсы делятся  на возобновляемые и невозобновляемые.

К возобновляемым относятся  растительный и животный мир, плодородие почв. Из числа восполняемых природных  ресурсов большую роль в жизни  человека играет лес. Лес имеет немаловажное значение как географический и экологический  фактор. Леса предотвращают эрозию почвы, задерживают поверхностные  воды, т.е. служат влагонакопителями, способствуют поддержанию уровня грунтовых вод. В лесах обитают животные, представляющие материальную и эстетическую ценность для человека: копытные, пушные звери  и дичь. В нашей стране леса занимают около 30% всей ее суши и являются одним  из природных богатств.

К невосполнимым ресурсам относятся полезные ископаемые. Их использование человеком началось в эпоху неолита. Первыми металлами, которые нашли применение, были самородные золото и медь. Добывать руды, содержащие медь, олово, серебро, свинец умели уже  за 4000 лет до н.э. В настоящее время  человек вовлек в сферу своей  промышленной деятельности преобладающую  часть известных минеральных  ресурсов. Если на заре цивилизации  человек использовал для своих  нужд всего около 20 химических элементов, в начале XX века - около 60, то сейчас более 100 - почти всю таблицу Менделеева. Ежегодно добывается (извлекается из геосферы) около 100 млрд. т руды, топлива, минеральных удобрений, что приводит к истощению этих ресурсов[2]. Из земных недр извлекается все больше различных  руд, каменного угля, нефти и газа. В современных условиях значительная часть поверхности Земли распахана  или представляет собой полностью  или частично окультуренные пастбища для домашних животных. Развитие промышленности и сельского хозяйства потребовало  больших площадей для строительства  городов, промышленных предприятий, разработки полезных ископаемых, сооружения коммуникаций. Таким образом, к настоящему времени  человеком преобразовано около 20% суши.

Значительные площади  поверхности суши исключены из хозяйственной  деятельности человека вследствие накопления на ней промышленных отходов и  невозможности использования районов, где ведется разработка и добыча полезных ископаемых.

Человек всегда использовал  окружающую среду в основном как  источник ресурсов, однако, в течение  очень длительного времени его  деятельность не оказывала заметного  влияния на биосферу. Лишь в конце  прошлого столетия изменения биосферы под влиянием хозяйственной деятельности обратили на себя внимание ученых. Эти  изменения нарастали и в настоящее  время обрушились на человеческую цивилизацию. Стремясь к улучшению условий  своей жизни, человечество постоянно  наращивает темпы материального  производства, не задумываясь о последствиях. При таком подходе большая  часть взятых от природы ресурсов возвращается ей в виде отходов, часто  ядовитых или не пригодных для  утилизации. Это приносит угрозу и  существованию биосферы, и самого человека.

4. Устойчивость  биосферы.

Какова устойчивость биосферы, то есть ее способность возвращаться в исходное состояние после любых  возмущающих воздействий? Она очень  велика. Биосфера существует уже около 3,8 миллиардов лет (Солнце и планеты  – около 4,6 миллиарда) и за это  время ее эволюция не прерывалась: это  следует из того, что все живые  организмы, от вирусов до человека, имеют один и тот же генетический код, записанный в молекуле ДНК, а  их белки построены из 20 аминокислот, одинаковых у всех организмов. И  как бы не были велики возмущающие  воздействия, а некоторые из них  можно отнести к разряду глобальных катастроф, приводивших к исчезновению многих видов, в биосфере всегда находились внутренние резервы для восстановления и развития.

Только за последние 570 миллионов  лет отмечено шесть крупных катастроф. В результате одной из них число  семейств морских животных уменьшилось  более чем на 40%. Крупнейшая катастрофа на границе пермского и триасового периодов (240 миллионов лет назад) привела к вымиранию около 70% видов, а катастрофа на границе мелового и третичного периодов (67 миллионов  лет назад) -  вымиранию почти половины видов (тогда-то вымерли и динозавры).

Причины таких катаклизмов  могли быть различны: похолодание  климата, большие вулканические  извержения с обширными излияниями лавы, отступления океана, удары  крупных метеоритов – биота все  равно развивалась, приспосабливаясь к окружающей среде и одновременно оказывая на последнюю мощное преобразующее  влияние. Образование атмосферного кислорода и увеличение его концентрации, кстати, тоже оказалось катастрофичным для некоторых видов – они  вымерли, в то же время развитие других ускорилось. Содержание углекислого  газа в атмосфере соответственно уменьшилось. Углерод начал накапливаться  в биоте и детрите (запас мертвого органического вещества: опад листьев, засохшие деревья, торф, каменный уголь, нефть) и преобразовываться в  уголь, нефть и газ. В океанах  из раковин и скелетов морских  организмов образовались мощные морские  отложения карбонатов (известняк, мел, мрамор) и силикатов. Полосчатые железняки, составляющие главные промышленные запасы железа, в том числе и  запасы Курской магнитной аномалии, образовались около 2 миллиардов лет  назад под воздействием кислорода, выделенного фотосинтезирующими бактериями (только после этого кислород стал накапливаться в атмосфере). Ряд  организмов, накапливающих определенные элементы, участвовал в создании месторождений  других полезных ископаемых.

Биота прошла огромный путь эволюции от простейших организмов до животных и растений и достигла видового разнообразия, которое исследователи  оценивают 2-10 миллионами видов животных, растений и микроорганизмов, каждый из которых занял свою экологическую  нишу.

Состояние биоты определяется в основном физико-химическими характеристиками окружающей среды. Совокупность среднемноголетних  характеристик атмосферы, гидросферы и сушы мы называем климатом. Основная климатическая характеристика –  температура у поверхности Земли  – изменялась за время эволюции биоты относительно мало (при современном  значении средней глобальной температуры 288 ⁰ К (шкала Кельвина отсчитывает градусы от абсолютного нуля, 288 ⁰ = 15 ⁰ )изминения, с учетом ледниковых периодов, не превышали 10-20 ⁰ ).

Хотя на состояние экосистем  и биосферы в целом физико-химические процессы в окружающей среде оказывают  определенное влияние, сильно и обратное влияние биоты на окружающую среду. Причем воздействует она как на положительные, так и на отрицательные обратные связи, поэтому ее развитие иногда ускоряется, а иногда замедляется.

Но этот цикл не замкнут, не стационарен, как показали геологические  данные и теоретические модели, содержащие в атмосфере СО₂ (и связанное с ним содержание О₂) за последние 570 миллионов лет неоднократно колебалось, причем количество СО₂  каждый раз уменьшалось или увеличивалось в несколько раз. В одних случаях это способствовало развитию биоты, а в других – мешало.

Не является замкнутым  и медленный геохимический цикл: СО₂  поступает в атмосферу через вулканы,  а расходуется на выветривание горных пород и на образование биоты. Часть атмосферного углерода откладывается, захороняется надолго, создавая запасы ископаемого топлива, а освободившийся кислород поступает в атмосферу. В результате за 4 миллиарда лет концентрация СО₂  в атмосфере уменьшилась в 100 – 1000 раз (из-за ослабления вулканизма, в результате расхода радиоактивных элементов в недрах Земли), что отрицательно повлияло на питание растений. В то же время накопление кислорода в атмосфере резко ускорило развитие биоты, но не было на пользу самым анаэробным (безкислородным) организмам, в результате жизнедеятельности которых появился кислород. Они были почти полностью вытеснены вновь возникшими аэробными организмами.

Большое влияние биоты  на окружающую среду привело некоторых  исследователей к выводу, что биота  могла поддерживать в окружающей среде условия, благоприятные для  ее жизнедеятельности. Но эта гипотеза противоречит ряду факторов (массовые вымирания, исчезновение миллиардов видов), а так же дарвиновской теории эволюции. Биота не поддерживала условия окружающей среды, оптимальные для живущих  организмов, поэтому многие организмы  и виды не могли пережить изминений  географических и климатических  условий. Есть оценки, что за время  существования биосферы исчезло  несколько миллиардов видов, тогда  как сейчас существуют несколько  миллионов. Но зато организмы, которые  сумели пережить изменение условий, давали начало новым видам. Именно приспособление к изменяющимся условиям окружающей среды создало многочисленные и  приспособленные виды, то есть двигало  эволюцию, как это впервые показал  Дарвин. Если бы было верным допущение  о том, что существующая в определенный момент биота может поддерживать параметры окружающей среды в  оптимальных для себя пределах, то сейчас могли бы существовать климат и богатейшая растительность каменноугольного периода, но эволюция биоты прекратилась бы.

Имеются данные о том, что  становлению человека как вида способствовали тяжелые условия окружающей среды, в которых жили наши предки. Когда  он научился поддерживать благоприятные  условия своего существования, его  эволюция как биологического вида прекратилась, сменившись эволюцией общества.

Итак, в процессе развития биоты были периоды устойчивого  развития и периоды катастроф.

5. Биопродуктивность экосистем.

Скорость, с которой продуценты экосистемы фиксируют солнечную  энергию в химических связях синтезируемого органического вещества, определяет продуктивность сообществ. Органическую массу, создаваемую растениями за единицу времени, называют первичной продукцией сообщества. Продукцию выражают количественно в сырой или сухой массе растений либо в энергетических единицах - эквивалентном числе джоулей.

Валовая первичная  продукция - количество вещества, создаваемого растениями за единицу времени при данной скорости фотосинтеза. Часть этой продукции идет на поддержание жизнедеятельности самих растений (траты на дыхание). Эта часть может быть достаточно большой, она составляет от 40 до 70% валовой продукции. Оставшаяся часть созданной органической массы характеризует чистую первичную продукцию, которая представляет собой величину прироста растений, энергетический резерв для консументов и редуцентов. Перерабатываясь в цепях питания, она идет на пополнение массы гетеротрофных организмов. Прирост за единицу времени массы консументов - это вторичная продукция сообщества. Ее вычисляют отдельно для каждого трофического уровня, т.к. прирост массы на каждом из них происходит за счет энергии, поступающей с предыдущего. Гетеротрофы, включаясь в трофические цепи, живут в конечном итоге за счет чистой первичной продукции сообщества. В разных экосистемах они расходуют её с разной полнотой. Если скорость первичной продукции в цепях питания отстает от темпов прироста растений, то это ведет к постепенному увеличению общей биомассы продуцентов. Под биомассой понимают суммарную массу организмов данной группы или всего сообщества в целом. Часто биомассу выражают в эквивалентных энергетических единицах.

Недостаточная утилизация продуктов  опада в цепях разложения имеет  следствием накопление органического  вещества, что происходит, например, при заторфовывании болот, зарастании мелководных водоемов. Биомасса сообщества с уравновешенным круговоротом веществ  остается относительно постоянной, т.к. практически вся первичная продукция  тратится в целях питания и  размножения.

Важнейшим практическим результатом  энергетического подхода к изучению экосистем явилось осуществление  исследований по Международной биологической  программе, проводившихся учеными  разных стран мира начиная с 1969 года в целях изучения потенциальной  биологической продуктивности Земли.

Мировое распределение первичной  биологической продукции крайне неравномерно. Самый большой абсолютный прирост растительного мира достигает  в среднем 25 г в день в очень  благоприятных условиях. На больших  площадях продуктивность не превышает 0,1 г/м (жаркие пустыни и полярные пустыни). Общая годовая продукция  сухого органического вещества на Земле  составляет 150-200 млрд. тонн. Около трети  его образуется в океанах, около  двух третей - на суше. Почти вся чистая первичная продукция Земли служит для поддержания жизни всех гетеротрофных  организмов. Энергия, недоиспользованная консументами, запасается в их телах, органических осадках водоемов и  гумосе почв.