Текст книги "Естествознание"

В экосистеме между живыми организмами, населяющими ее, происходит непрерывный процесс обмена энергией, веществом друг с другом и с окружающей средой.

Перенос вещества и энергии происходит непосредственно по пищевым цепям (рис. 45). Вещества при этом совершают круговорот по полному циклу: сначала происходит образование органических веществ из неорганических, затем, пройдя через звенья пищевой цепи (продуценты – консументы – редуценты), органические вещества в итоге разлагаются на неорганические составляющие, которые вновь используются в следующем цикле образования органических веществ.

Рис. 45. Поток энергии и круговорот веществ в типичной пищевой цепи

Круговорот веществ возможен только при условии постоянного притока энергии, основным источником которого является солнечное излучение. Большинство живых организмов (все животные и человек) не могут напрямую усваивать солнечную энергию и получают энергию, необходимую для поддержания их жизнедеятельности, в результате потребления пищи. А вот все зеленые растения и некоторые бактерии обладают способностью напрямую поглощать энергию солнечного света и использовать ее для фотосинтеза.

Фотосинтезом называется процесс образования живыми растительными клетками органических веществ, таких как сахара и крахмал, из неорганических – из углекислого газа и воды – с помощью энергии света, поглощаемого пигментом хлорофиллом, содержащимся в растительных клетках. В образующихся при фотосинтезе органических веществах значительная часть световой энергии, используемой для фотосинтеза, накапливается в виде химической потенциальной энергии. У всех наземных растений и у большей части водных в ходе фотосинтеза выделяется кислород.

Именно в результате фотосинтеза из углекислого газа и воды образуются сложные органические вещества, в которых часть солнечной энергии накапливается в форме химической энергии. Высвобождение этой энергии происходит на уровне клеток живых организмов, потребляющих в пищу продукты фотосинтеза (растительную массу), как результат биохимических реакций, называемых дыханием.

Дыханием называется важнейший биохимический процесс биологического окисления, обратный фотосинтезу, в результате которого происходит высвобождение энергии, запасенной в ходе фотосинтеза. Процесс дыхания заключается в том, что углеводы (или белки, жиры и другие запасные вещества клетки) разлагаются, окисляясь кислородом воздуха, до углекислого газа и воды. Выделяющаяся при этом энергия расходуется на поддержание жизнедеятельности организмов, рост и размножение.

В процессе дыхания образуются углекислый газ, вода и неорганические вещества, которые затем вновь могут использоваться зелеными растениями. Так осуществляется бесконечный круговорот веществ в экосистеме.

Круговорот веществ никогда не бывает полностью замкнутым. Часть органических и неорганических веществ выносится за пределы экосистемы, но в то же время их запасы могут пополняться за счет притока извне. Неполная замкнутость циклов приводит с течением времени к накоплению элементов в различных природных сферах Земли. Так происходит образование полезных ископаемых – угля, нефти, газа и т. п.

Растения-продуценты, содержащие синтезированные ими органические вещества и другие микроэлементы, формируют богатую энергией биомассу, некоторую часть которой съедают травоядные животные и получают необходимую для их жизнедеятельности долю энергии. Хищники, потребляя травоядных животных, также получают свою долю энергии. При этом поток энергии по цепи происходит однонаправленно – только от продуцентов через консументов к редуцентам.

При передаче энергии с одного уровня на другой действует так называемое «правило Р. Линдемана»[6]6
  Открыто в 1942 г. американским ученым Р. Линдеманом.


[Закрыть], которое говорит о том, что только около 10 % от первоначального количества передается по пищевой цепи. Остальная часть энергии (около 90 %) теряется в виде теплового излучения (в процессе дыхания) на движение и поддержание жизнедеятельности. Вот почему энергия в экосистеме не совершает круговорот, как это происходит в случае веществ, а постоянный приток энергии извне является необходимым условием существования экосистемы.

В природе, помимо естественных экосистем, существуют экосистемы, искусственно созданные человеком в результате его хозяйственной деятельности, называемые агробиоценозами. Как правило, они создаются и поддерживаются человеком с целью производства сельскохозяйственной продукции. Поэтому к агробиоценозам относятся поля, пастбища, сады, огороды, зеленые насаждения, крупные животноводческие комплексы с прилегающими пастбищами и т. д. Они включают совокупность организмов, обитающих на землях сельскохозяйственного назначения.

Как искусственное образование, черты которого формируются человеком, агробиоценоз обладает низкой экологической устойчивостью (так как он не способен к саморегуляции), но обеспечивает высокую урожайность одного или нескольких сортов культивируемых растений или животных.

По своей структуре агробиоценозы, как и естественные экосистемы, имеют определенный видовой состав живых организмов, которые формируют как внутренние связи, так и взаимоотношения с внешней средой.

В агробиоценозах складываются и цепи питания. Например, на ржаном поле трофическая структура агробиоценоза будет формироваться следующим образом: продуценты – рожь и сорняки, консументы – насекомые, птицы, мыши полевки, лисы, редуценты – грибы, микроорганизмы. В то же время агробиоценозы обладают рядом существенных отличий.

1. Они имеют низкое видовое разнообразие, которое сознательно формируется человеком для повышения производительности монокультуры. Например, при выращивании ржи уничтожаются многие сорные растения, и на поле будут встречаться всего несколько видов сорняков. А на соседнем лугу, в условиях естественной экосистемы, в то же самое время можно обнаружить огромное разнообразие трав, и уже рожь будет представлена только отдельными растениями, поэтому биологическая продуктивность луга будет во много раз уступать засеянному полю.

2. Организмы в агробиоценозе отбираются и культивируются искусственно, что отражается на их повышенной чувствительности к болезням и вредителям. Без ухода со стороны человека они не могут выдерживать конкуренции с дикорастущими видами.

3. Агробиоценозы характеризуются значительно большей открытостью, чем естественные биоценозы. Если в естественных условиях первичная продукция растений потребляется в многочисленных пищевых цепях и, осуществляя круговорот веществ, превращается в неорганическое вещество, углекислый газ и воду, которые опять подлежат использованию внутри экосистемы, то в агробиоценозах вещество и энергия изымаются человеком в виде урожая или продукции животноводства. Целенаправленное воздействие человека на растительный покров в агробиоценозе отрицательно сказывается на состоянии почвенного слоя и приводит к его истощению.

4. Для поддержания агробиоценозов необходимо привлечение дополнительной внешней энергии. Это может быть мускульная сила человека или тягловая сила животных, различные виды топлива, применяемого для сельскохозяйственных машин, удобрения, ядохимикаты и т. д.

Пространство, включающее околоземную атмосферу и наружную оболочку Земли, населенную организмами, составляющими в совокупности живое вещество планеты, называется биосферой (греч. bios – жизнь, sphaira – шар, сфера). Все живые организмы и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую систему (рис. 46).

Рис. 46. Строение биосферы как иерархии экосистем

В современной науке под биосферой понимают глобальную экосистему, объединяющую в себе практически все вещество верхних слоев планеты, включая гидросферу, верхнюю часть литосферы, вплоть до озонового слоя атмосферы. Нижняя граница биосферы расположена на 2–3 км ниже поверхности материков и на 1–2 км ниже дна океана, а верхняя граница биосферы – озоновый слой, который расположен в стратосфере на 20–25 км выше поверхности Земли.

Биосфера состоит из абиотической (почва и породы до глубины, где еще живут живые организмы; атмосферный воздух до высот, на которых возможна жизнь; водная среда океанов, рек, озер и т. д.) и биотической части (все живые организмы).

Живое вещество (совокупность всех живых организмов), или биомасса, составляет всего около 0,0001 % от массы биосферы, но является не только ее центральным звеном, но и наиболее активным компонентом.

Биосфера характеризуется рядом основных свойств.

1. Биосфера – это сбалансированная глобальная экосистема, центральным звеном которой являются все живые организмы (живое вещество), в том числе и человек.

2. Биосфера – это открытая система, для ее существования требуется постоянное поступление энергии извне, от Солнца. Каждый живой организм получает энергию Солнца в прямом или измененном виде, а затем выделяет ее в окружающую среду или передает другим живым организмам. В обобщенной схеме энергия проходит сквозь живую оболочку и выделяется в среду в уже «отработанном» виде в виде тепла, которое не может быть вновь усвоено живыми организмами.

3. Биосфера – это саморегулирующаяся система, она способна при нарушении внутренней сбалансированности нейтрализовать действие неблагоприятных факторов включением ряда механизмов.

4. Биосфера – это система, характеризующаяся большим разнообразием. Это повышает ее устойчивость, так как дает возможность дублирования отдельных функций. В настоящее время описано более 2 млн видов живых организмов, но предполагают, что на самом деле на Земле их в 2–3 раза больше. И это составляет только около 5 % от всего многообразия видов, населявших когда-либо биосферу.

5. Биосфера обладает рядом механизмов, обеспечивающих круговорот веществ. Это гарантирует неисчерпаемость отдельных химических соединений. При отсутствии круговорота, например, за короткое время был бы исчерпан весь углерод. Только благодаря круговороту обеспечивается непрерывность процессов.

Таким образом, биосферу можно представить в виде глобальной целостной системы, в которой, как и в любой другой экосистеме, благодаря жизнедеятельности организмов происходит непрерывный круговорот живого и неживого вещества. Этот круговорот поддерживается постоянным потоком энергии, поступающим извне в виде солнечной энергии и проходящим по пищевым цепям. При этом энергия частично используется для поддержания жизнедеятельности, а частично выделяется в виде тепла. Как и в любой другой экосистеме, в биосфере действуют принципы саморегуляции для поддержания динамического равновесия составляющих ее компонентов и обеспечения стабильности.

За время своего существования биосфера прошла сложную эволюцию, сохраняя при этом основные свойства экосистемы: способность к саморегуляции и поддержанию стабильности.

Как известно, между всеми живыми организмами в природе существует теснейшая взаимосвязь, которая реализуется в виде общих потоков энергии и питательных веществ, проходящих по пищевым цепям. Всю глобальную экосистему, которой является биосфера, можно уподобить единому механизму, потребляющему энергию и питательные вещества для совершения работы. Создание органического вещества в результате фотосинтеза является единственным на Земле процессом, который не тратит, а, наоборот, связывает солнечную энергию и даже накапливает ее.

В связывании и запасании солнечной энергии и заключается основная планетарная функция живого вещества на Земле.

Деятельность живых организмов сопровождается извлечением из окружающей их неживой природы больших количеств минеральных веществ. После смерти живых организмов составляющие их химические элементы опять возвращаются в окружающую среду. Вместе с круговоротом веществ в биосфере, таким образом, осуществляется и круговорот атомов конкретных химических элементов. Они переходят из организма в организм, затем – в неживую природу и снова в организм. Происходит постоянная циркуляция веществ между атмосферой, гидросферой, литосферой и живыми организмами, и возникает круговорот веществ, в котором многократно участвуют и живой и неживой компоненты. Такие круговороты называются биогеохимическими циклами, посредством которых реализуется влияние живых организмов на формирование состава атмосферы, водной среды и земной коры.

Главная функция биосферы, собственно, и заключается в обеспечении круговорота химических элементов, который выражается в циркуляции веществ между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами. Благодаря наличию внутренних регуляторных механизмов этот процесс непрерывен и стабилен. Он обеспечивает существование и дальнейшее развитие живого вещества биосферы.

Термин «биосфера» введен в 1875 г. австрийским геологом и общественным деятелем Э. Зюссом. Биосферу он понимал как «тонкую пленку жизни» на поверхности Земли и подробно не раскрывал ее сущности.

Учение о биосфере как об активной оболочке Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов (в том числе человека) проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба и значения, создал в 1926 г. наш соотечественник В. И. Вернадский (1863–1945). В понятие «биосфера» он впервые включил все пространство литосферы, гидросферы и атмосферы, где существует или когда-либо существовала жизнь, т. е. где встречаются организмы или продукты их жизнедеятельности.

Главной сущностью учения В. И. Вернадского является признание исключительной роли живого вещества, преобразующего облик планеты.

Созданное В. И. Вернадским учение о биосфере вывело теорию происхождения жизни на новый, более высокий уровень понимания природы как единого целого. Остановимся на некоторых положениях этого учения.

1. Зарождение жизни не произошло случайно, а является неизбежным следствием мирового эволюционного процесса.

2. Возникновение жизни произошло практически одновременно с образованием Земли как космического тела, так как следы жизни обнаруживаются в ее самых глубоких геологических слоях.

3. Земля не отделима от космоса и составляет с ним единую систему, все процессы в которой связываются в единое целое жизнью. Развитие природы носит направленный характер, выражающийся в нарастании сложности и упорядоченности вещества и его структур во Вселенной.

4. Количество живого вещества на Земле является постоянной и неизменной величиной, т. е. во все времена с начала существования Земли в круговорот жизни было вовлечено то же количество вещества, что и в настоящее время (включая вещество каменноугольных, нефтяных месторождений и т. п.).

5. В развитии верхних геологических слоев литосферы Земли главную преобразующую роль играют живые организмы и обусловливаемые ими механизмы разрушения горных пород, круговороты веществ, приводящие также к изменению водной и атмосферной оболочек Земли. Таким образом, весь облик Земли с ее ландшафтами, составом океанических вод и структурой атмосферы является порождением жизни.

6. Появление человека явилось неизбежным следствием эволюции планеты и вершиной направленного развития биосферы. Самые крупные изменения в биосфере Земли наступили именно в этот период. Появление и развитие человека ознаменовало переход биосферы в ноосферу, которую В. И. Вернадский понимал как новую оболочку Земли.

7. В настоящее время именно человек превращается в главную геологическую силу на планете (человек меняет состав атмосферы и гидросферы, ландшафты Земли, высвобождает из захоронений огромное количество веществ, возвращая их в круговороты жизни, обедняет разнообразие форм жизни на планете и одновременно порождает или способствует порождению новых форм жизни).

Живое вещество, в соответствии с учением В. И. Вернадского, выполняет в биосфере следующие основные функции.

1. Энергетическая функция. Живые существа обладают уникальной способностью улавливать солнечную энергию при фотосинтезе и передавать ее по пищевой цепи, но на поддержание своей жизнедеятельности организмы тратят только около 10 % этой энергии. Остальная ее часть перераспределяется внутри экосистемы и, в конце концов, переходит в ископаемое состояние, консервируясь в земле в виде полезных ископаемых (уголь, нефть, газ), которые служат энергетической базой для геологических процессов и обеспечивают энергетические потребности человечества.

2. Деструктивная функция, которая состоит в разложении мертвого органического вещества до простых неорганических соединений: углекислого газа, воды, сероводорода, метана, аммиака, которые затем вновь участвуют в круговороте веществ. Эта функция выполняется специальной группой организмов-редуцентов.

3. Концентрационная функция заключается в избирательном накоплении организмами в процессе жизнедеятельности атомов веществ, рассеянных в природе.

4. Средообразующая функция. В результате совместного действия всех приведенных выше функций живого вещества происходит преобразование физико-химических параметров среды (литосферы, атмосферы, гидросферы) таким образом, что создаются условия, благоприятные для существования организмов. Благодаря средообразующей функции постепенно происходило образование почвенного покрова, изменение газового состава атмосферы, химического состава водной среды.

Важнейшим в учении Вернадского о биосфере является теория ноосферы.

Ноосфера (греч. noos – разум и sphaira – шар) – сфера взаимодействия общества и природы, в границах которой разумная человеческая деятельность становится определяющим фактором развития (она обозначается также терминами «антропосфера», «социосфера», «биотехносфера»).

Коротко остановимся на основных положениях теории ноосферы. Центральной ее идеей является понимание единства биосферы и человечества в том смысле, что человек не является самодостаточным живым существом, живущим отдельно по своим законам, а сосуществует внутри природы, являясь ее частью. Это единство обусловлено, прежде всего, функциональной неразрывностью окружающей среды и человека. Человечество само по себе есть природное явление, и естественно, что влияние биосферы сказывается не только на средовых условиях жизни, но и на образе мысли.

Но не только природа оказывает влияние на человека, существует и обратная связь. Причем она не поверхностная, отражающая только физическое влияние человека на окружающую среду, она гораздо глубже.

Главной отличительной чертой человека Вернадский считал разум, который бесконечно увеличивает возможности людей. «…Все человечество, вместе взятое, – писал Вернадский, – представляет ничтожную массу вещества планеты. Мощь его связана не с его материей, но с его мозгом, с его разумом и направленным этим разумом его трудом… Ноосфера есть новое геологическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупнейшей геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни…»

В общепринятом сейчас понимании под ноосферой подразумевают ту область биосферы, которая находится под влиянием человеческой активности, поэтому многие ее процессы, в принципе, могут быть направляемы и управляемы человеком. Более того, разумная человеческая деятельность становится главным определяющим фактором развития биосферы в целом.

Биосфера как глобальная экосистема подвержена воздействию различных факторов, важнейшими из которых являются антропогенные, т. е. возникающие в результате деятельности человека.

Уже на ранних стадиях развития цивилизации в результате вырубки и выжигания лесов для земледелия, выпаса скота, промысла и охоты на диких животных, войн опустошались огромные территории, что приводило к разрушению растительных сообществ и истреблению отдельных видов животных.

По мере развития цивилизации, особенно после промышленной революции XVIII в., приведшей к росту населения, совершенствованию техники, расширению сельскохозяйственного производства, развитию строительства и транспорта, человечество стало оказывать еще большее влияние на состояние биосферы. Масштабное уничтожение лесов в Европе и Северной Америке приводило к массовой гибели растительного покрова Земли и эрозии почв. Добыча полезных ископаемых в промышленном масштабе влекла за собой разрушение ландшафтов, загрязнение почвы, воды, воздуха различными отходами.

В результате очередной, еще более мощной промышленной революции XX в. в биосферных процессах стали происходить серьезные сдвиги. Это объясняется тем, что рост численности населения Земли, интенсивность потребления энергии и материальных ресурсов неизбежно влекут за собой бурное развитие энергетики, машиностроения, химии, транспорта, и человеческая деятельность по своим масштабам становится сопоставима с естественными процессами, происходящими в биосфере.

В настоящее время загрязнение атмосферного воздуха носит глобальный характер и сказывается на состоянии природных экосистем, особенно на зеленом покрове нашей планеты. Наиболее опасными считаются загрязнения, которые поступают в атмосферу в виде аэрозолей и газообразных веществ. На их долю приходится около 80 % всех выбросов: это, прежде всего, соединения серы, углерода, азота, вызывающие выпадение кислотных дождей, угнетающе действующих на состояние флоры и фауны Земли.

Задымление и насыщение атмосферы углекислым газом и частицами пыли, задержка части тепла, излучаемого Землей в космическое пространство, являются причинами парникового эффекта, который, по мнению многих ученых, может вызвать таяние льдов, затопление больших площадей, глобальное потепление и изменение климата на планете.

Загрязнение почвы соединениями тяжелых металлов (свинца, ртути, кадмия), радиоактивными веществами, включение их в цепи питания и затем в организм животных и людей становятся причиной отравлений и появления мутаций на генетическом уровне. Современное сельскохозяйственное производство является одним из основных источников мощного загрязнения почвы, перенасыщения ее удобрениями, ядохимикатами.

Результатом деятельности человека является также снижение биологического разнообразия, сокращение числа видов животных и растений и даже истребление ряда видов. Негативные изменения, происходящие в настоящее время в природной среде, ставят под угрозу исчезновения ¾ существующих видов. Ежедневно регистрируется исчезновение нескольких видов растений и животных.

Антропогенное воздействие выражается также в истощении природных ресурсов биосферы. Огромные масштабы их использования привели к значительному изменению ландшафтов в некоторых регионах. Если на заре цивилизации человек использовал для своих нужд всего около 20 химических элементов, в начале XX в. – около 60, то сейчас – более 100, почти всю таблицу Менделеева. Ежегодно добывается около 100 млрд т руды, угля, нефти, минеральных удобрений. В нашей стране объем добычи полезных ископаемых практически удваивается через каждые 10 лет.

Отношение человека к природе как к неиссякаемому источнику приводит к истощению как возобновляемых (почва, растительный и животный мир), так и невозобновляемых (полезные ископаемые) природных ресурсов.

Необходимость ресурсосбережения является одним из важных экологических требований, предъявляемых к развитию современной экономики. Как известно, при производственном потреблении природных ресурсов в готовую продукцию переходит не более 5 % добытого сырья. Вся же остальная масса (95 %) в виде отходов возвращается в природную среду, загрязняя ее. Отходы, в том числе токсичные, образуются также при потреблении и использовании конечной продукции в виде изношенных или пришедших в негодность изделий, упаковочных материалов, пищевых отходов и др.

Ученые сделали вывод о том, что основная причина отрицательного воздействия хозяйственной деятельности человека на окружающую среду состоит не столько в росте производства, сколько в отсутствии комплексной переработки полезных ископаемых, а также утилизации отходов. Эти проблемы могут быть решены путем широкого внедрения новейших ресурсосберегающих и перерабатывающих технологий с одновременным повышением экологической грамотности населения.

Изменения, происходящие в биосфере под влиянием хозяйственной деятельности человека, обратили на себя внимание ученых только в конце XIX в. В первой половине XX в. эти изменения лавинообразно нарастали и в настоящее время в буквальном смысле обрушились на человеческую цивилизацию.

Стремление к улучшению условий жизни населения, приводящее к бесконтрольному наращиванию темпов материального производства и потребления, создает угрозу существованию и биосферы, и непосредственно самого человека. Медиками установлена прямая зависимость между ростом числа людей, болеющих аллергией, бронхиальной астмой, раком, и ухудшением экологической обстановки. Доказано, что токсичные отходы производства (хром, никель, бериллий, асбест, многие ядохимикаты и др.) являются канцерогенами, т. е. вызывают раковые заболевания. За последнее время значительно возросли показатели заболеваемости населения всеми видами рака. У детей еще сто лет назад рак был почти неизвестен, а сейчас он встречается все чаще и чаще.

Развитие общества происходит в процессе постоянного и неизбежного взаимодействия с природой. Только осознавая масштаб ущерба, который наносится биосфере Земли человечеством, люди в состоянии переосмыслить свое отношение к природе и преодолеть современное кризисное состояние экологии. Для этого было бы достаточно минимизировать производимое человечеством негативное воздействие на биосферу до того уровня, когда природа будет в состоянии справиться с его последствиями самостоятельно.