Текст книги "Основы экологии"

• органный — уровень, на котором несколько типов тканей функционально взаимодействуют и образуют определенный орган;

• организменный – уровень, на котором взаимодействие ряда органов сводится в единую систему индивидуального организма. Представлен определенными видами организмов;

• популяционно-видовой, где существует совокупность определенных однородных организмов, связанных единством происхождения, образом жизни и местом обитания. На этом уровне происходят элементарные эволюционные изменения в целом;

• биоценоз и биогеоценоз (экосистема) – более высокий уровень организации живой материи, объединяющий разные по видовому составу организмы. В биогеоценозе они взаимодействуют друг с другом на определенном участке земной поверхности с однородными абиотическими факторами;

• биосферный — уровень, на котором сформировалась природная система наиболее высокого ранга, охватывающая все проявления жизни в пределах нашей планеты. На этом уровне происходят все круговороты вещества в глобальном масштабе, связанные с жизнедеятельностью организмов.

В настоящее время особое значение приобретают несвойственные естественному развитию мира антропогенные факторы среды, обусловленные непосредственной хозяйственной деятельностью человека, точнее, совокупностью разнообразных его воздействий на окружающую среду и биосферу в целом.

Антропогенные факторы среды чаще всего проявляются в форме разного рода загрязнений биосферы: механического, химического, биологического, физического, биоценотического и ландшафтного[2]2
  Все эти виды загрязнений и их источники будут рассмотрены в главе 4.


[Закрыть].

Вмешательство человека в естественные процессы изменяет состав биосферы и ее свойства. Изменение условий среды обитания влияет не только на растения и животных, но и изменяет природу человека.

Хозяйственная деятельность человека, приобретая все более глобальный характер, начинает оказывать весьма ощутимое влияние на процессы, происходящие в биосфере. До определенного уровня биосфера способна к саморегуляции, что позволяет свести к минимуму негативные последствия деятельности человека. Но существует предел, когда биосфера уже не в состоянии поддерживать равновесие. Начинаются необратимые процессы, приводящие к экологическим катастрофам.

Человечество существенно изменило ход течения целого ряда процессов в биосфере, в том числе биохимического круговорота и миграции ряда элементов. Поэтому в настоящее время, хотя и медленно, происходит качественная и количественная перестройка всей биосферы планеты. Уже возник ряд сложнейших экологических проблем биосферы, которые необходимо разрешить в ближайшее время. Наиболее значимыми являются следующие:

• изменение климата в результате загрязнения атмосферы промышленными и транспортными выбросами;

• общее ослабление стратосферного озонового экрана на 1–2 % в год, образование «озоновых дыр» над рядом регионов, чреватое усилением интенсивности жесткого ультрафиолетового излучения;

• загрязнение океана и внутренних водоемов за счет захоронения ядовитых и радиоактивных отходов, смыва минеральных удобрений, нефтепродуктов и ядохимикатов с суши, насыщения оксидами серы, азота и углерода из загрязненной атмосферы, что изменяет скорость и эффективность биогеохимического круговорота веществ и приводит к снижению фотосинтетической активности гидросферы;

• локальное радиоактивное загрязнение за счет эксплуатации атомных устройств, АЭС и испытаний ядерного оружия;

• геохимическое загрязнение биосферы в результате неудержимого накопления на поверхности суши тяжелых металлов, ядовитых, радиоактивных и промышленных отходов, бытового мусора и пр.;

• опустынивание планеты во всеувеличивающихся масштабах, углубление процесса опустынивания (60 тыс. км²/год), что ежегодно значительно сокращает площади плодородных земель и снижает их общее плодородие;

• сокращение площади лесов, особенно тропических (200 тыс. км²/год), ведущее к дисбалансу поступления кислорода в атмосферу и усилению процесса необратимого исчезновения многих видов животных и растений (от 5 до 150 тыс. видов ежегодно из существующих 30 млн);

• сокращение площади экосистем со скоростью 1 % в год;

• освобождение в результате гибели животных и растительных видов экологических ниш и заполнение их более стойкими организмами, обычно паразитами, вредителями и возбудителями ряда заболеваний. Так, появление и стремительное распространение в последние десятилетия таких заболеваний, как легионеллез («болезнь легионеров»), гепатит С, лихорадка Эбу, желтая лихорадка Скалистых гор, СПИД и других, неподдающихся пока излечению, инфекционных заболеваний, многие ученые напрямую связывают с мутированием под воздействием изменившихся условий существования привычных вирусов гриппа, паратифа, некоторых риккетсий и захват ими освободившихся экологических ниш, принадлежавших исчезнувшим видам;

• абсолютное перенаселение Земли и относительное демографическое переуплотнение в отдельных регионах;

• ухудшение условий жизни в селитебных (жилых) зонах сел и городов за счет шумового, электромагнитного, вибрационного и других воздействий, стрессов присутствия, привычного стресса от напряженного темпа городской жизни и потери социальных связей между людьми, нарастания общей психологической усталости.

Также к хорошо известным глобальным последствиям экологического кризиса в настоящее время добавились такие, как:

• ожирение;

• информационное загрязнение;

• высокотехнологичный терроризм и др.

К региональным экологическим проблемам, стоящими перед белорусским обществом, относятся:

• загрязнение атмосферы, гидросферы и литосферы выбросами промышленных предприятий и автотранспорта, накопление промышленных и бытовых отходов разной категории опасности, в том числе токсичных и радиоактивных;

• сокращение сельскохозяйственных земель после катастрофы на ЧАЭС в результате загрязнения почвы радионуклидами, после мелиорации и химизации сельскохозяйственного производства;

• истощение и загрязнение поверхностных водных источников и подземных горизонтов, нарушение гидрогеологических условий региона;

• техногенная деградация ландшафтов;

• демографическая дестабилизация и ухудшение состояния здоровья населения в результате изменения социально-экономических и экологических условий существования.

3.4. Биосфера

Содержание понятия биосферы не всегда было однозначным. Первоначально биосферами называли гипотетические глобулы (видимо, под влиянием идей французских ученых XVIII в. П. Л. Мопертюи и, особенно, Ж. Л. Бюффона о бессмертных органических молекулах), якобы составляющие живую основу всех организмов. Такое понимание продержалось во Франции до середины XIX в.

Существенно иное представление о биосфере сформулировал в 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс. В монографии «Происхождение Альп» он говорит о «самостоятельной биосфере» как об особой оболочке Земли, образованной живыми организмами. В заключительной главе большого трехтомного труда «Лик Земли» (1909) этот автор пишет, что понятие «биосфера» возникло как следствие идей Ж. Ламарка и Ч. Дарвина о единстве органического мира.

Работы Зюсса положили начало биологическому представлению о биосфере как о совокупности организмов, населяющих Землю, как о живой оболочке планеты. Такого взгляда придерживались многие русские географы, например Н. М. Си бирцев (1899), Д. Н. Анучин (1902), П. И. Броунов (1910), А. А. Григорьев (1948), английский исследователь и философ Дж. Бернал (1969) и др.

Представление Зюсса о биосфере как об особой оболочке Земли использовал и В. И. Вернадский (1926), вложив в него, однако, существенно иное, биогеохимическое содержание.

Биосфера, по Вернадскому, – это область распространения жизни, включающая наряду с организмами и среду их обитания. Зачатки этого представления можно обнаружить уже в высказываниях ученых XVII и XVIII вв., в книге «Космос» А. Гум больдта и в работах В. В. Докучаева.

Общее учение о биосфере создано в 20–30-х гг. ХХ в. В. И. Вер надским, развившим идеи Докучаева о комплексном естественно-историческом анализе взаимодействующих в природе разнокачественных объектов и явлений (факторов почвообразования) и выявлении самостоятельных природных объектов гетерогенной структуры и состава (почвы, природные зоны).

В основе учения В. И. Вернадского лежат следующие представления:

• о планетарной геохимической роли живого вещества (совокупности всех живых организмов, существовавших или существующих в определенный отрезок времени, рассматриваемых как мощный геологический фактор). Живое вещество, в понимании Вернадского, как биогеохимический фактор количественно выражается в элементарном химическом составе, массе и энергии;

• об организованности биосферы, являющейся продуктом сложного превращения вещественно-энергетического и информационного потоков живым веществом за время геологической истории Земли.

Биосфера включает не только область жизни (биогеосферу, фитогеосферу, витасферу), но и другие структуры Земли, генетически связанные с живым веществом. По Вернадскому, вещество биосферы состоит из семи разнообразных, но геологически взаимосвязанных частей: живое вещество; биогенное вещество; косное вещество; биокосное вещество; радиоактивное вещество; рассеянные атомы; вещество космического происхождения.

В пределах биосферы везде встречается либо живое вещество, либо следы его биогеохимической деятельности. Атмосферные газы (кислород, азот, углекислый газ), природные воды, равно как и природное топливо (нефть, уголь), известняки, глины и их метаморфические производные (сланцы, мраморы, граниты и др.) в своей основе созданы живым веществом планеты.

Слои земной коры, лишенные в настоящее время живого вещества, но переработанные им в геологическом прошлом, Вернадский относил к области «былых биосфер».

Биосфера мозаична по структуре и составу, в ней отражается геохимическая и геофизическая неоднородность лика Земли (океаны, озера, горы, ущелья, равнины и т. д.) и неравномерность в распределении живого вещества по планете, как в прошлые эпохи, так и в наше время. Максимальное содержание живого вещества гидросферы приурочено к мелководьям, минимальное – к глубинным акваториям (абиссаль); на суше эта неравномерность проявляется в мозаике биогеоценотического покрова (леса, болота, степи, пустыни и др.) с минимумом плотности живого вещества в высокогорьях, пустынях и полярных областях.

Живое вещество выполняет следующие биогеохимические функции:

• газовую (миграция газов и их превращения);

• концентрационную (аккумуляция живыми организмами химических элементов из внешней среды);

• окислительно-восстановительную (химические превращения веществ, содержащих атомы с переменной валентностью, – соединений железа, марганца, микроэлементов и т. д.);

• биохимическую и биогеохимическую (включение разного рода химических веществ, поступающих в окружающую среду в процессе жизнедеятельности человека).

Совокупность этих функций определяет все химические превращения в биосфере.

Эволюция биосферы диалектически связана с эволюцией форм живого вещества (организмы и их сообщества), усложнением его биохимических функций, совершающихся на фоне геологической истории Земли.

В учении о биосфере Вернадского выделяют следующие основные аспекты:

• энергетический, освещающий связь биосферно-планетарных явлений с космическими излучениями (в основном солнечными) и радиоактивными процессами в земных недрах;

• биогеохимический, отражающий роль живого вещества в распределении и поведении атомов (точнее, их изотопов) в биосфере и ее структурах;

• информационный, изучающий принципы организации и управления, осуществляемые в живой природе в связи с исследованием влияния живого вещества на структуру и состав биосферы;

• пространственно-временной, освещающий формирование и эволюцию различных структур биосферы в геологическом времени в связи с особенностями пространственно-временной организованности живого вещества в биосфере;

• ноосферный, изучающий глобальные эффекты воздействия человечества на структуру и химию биосферы в процессе хозяйственной и иной деятельности.

Выход человека в космос, за пределы биосферы, несомненно, будет стимулировать разработку новых сторон учения о биосфере.

Существенными моментами учения о биосфере являются представления о взаимосвязях (прямых и обратных связях) и сопряженной эволюции всех структур биосферы. Эти представления положены в основу разработки многими национальными и международными организациями, научными центрами и лабораториями проблемы «биосфера и человечество», для решения которой проводятся такие мероприятия, как Международное гидрологическое десятилетие, Международная биологическая программа и др.

Повышенный интерес к изучению биосферы вызван тем, что локальное воздействие человека на нее, характерное для всей предшествовавшей истории, сменилось в ХХ в. глобальным его влиянием на состав, структуру и ресурсы биосферы. На планете нет участка суши или моря без следов деятельности человека. Один из ярких примеров – глобальные выпадения радиоактивных осадков, т. е. продуктов ядерных взрывов. В атмосфере, океане и на суше повсеместно присутствуют (пусть в самых незначительных количествах) продукты сгорания нефти, угля, газов, отходы химической и другой индустрии, ядохимикаты и удобрения, сносимые с полей в процессе водной и ветровой эрозий. Интенсивное и нерациональное использование ресурсов биосферы (водных, газовых, биологических и др.), усугубляемое гонкой вооружений и испытаниями ядерного оружия, развеяло миф о бесконечности и неисчерпаемости этих ресурсов.

Многочисленные примеры разрушительной деятельности человека и, к сожалению, редкие примеры его созидательной деятельности (в том числе и в плане охраны природы) свидетельствуют об актуальности разумного ведения земных дел разумным человечеством, что возможно только при переходе от стихийного производства к принципам устойчивого развития человеческой цивилизации.

Современная структура биосферы – продукт длительной эволюции многих систем разной сложности, последовательно стремящихся к состоянию динамического равновесия. Практическое значение учения о биосфере огромно. Особенно заинтересованы в развитии этого учения здравоохранение, сельское и промысловое хозяйство и другие отрасли человеческой практики, чаще других сталкивающиеся с «ответными ударами» со стороны биосферы, вызванными неразумным или неосторожным преобразованием природы человеком.

В настоящее время оба понимания биосферы, по Зюссу и по Вернадскому, существуют на равных правах.

По физическим природным условиям биосфера может быть подразделена на три среды: атмосферу, гидросферу и литосферу.

Биосферу как место современного обитания организмов вместе с самими организмами можно разделить на три подсферы:

• аэробиосферу, населенную аэробионтами, субстратом жизни которых служит влага воздуха;

• гидробиосферу – глобальный мир воды (водная оболочка Земли без подземных вод), населенный гидробионтами;

• геобиосферу – верхнюю часть земной коры (литосфера), населенную геобионтами.

Лимитирующим фактором развития жизни в аэробиосфере служит наличие капель воды и положительных температур, а также твердых аэрозолей, поднимающихся с поверхности Земли. От вершин деревьев до высоты наиболее частого расположения кучевых облаков простирается тропобиосфера (с тропобионтами), выше которой лежит слой крайне разряженной микробиоты – альтобиосфера (с альтобионтами), а над ней простирается пространство, куда жизнь проникает лишь случайно и не часто, где организмы не размножаются, – парабиосфера.

Гидробиосфера распадается на мир континентальных, главным образом пресных вод: аквабио сферу (с аквабионтами) и область морей и океанов – маринобио сферу (с маринобионтами). В гидробиосфере выделяют три слоя, связанных главным образом с интенсивностью света: фото сферу – относительно ярко освещенный; дисфотосферу – всегда очень сумеречный (до 1 % солнечной инсоляции); афотосферу – абсолютной темноты, где невозможен фотосинтез.

Геобиосфера состоит:

• из террабио сферы (с террабионтами) – области жизни на поверхности суши, которая подразделяется на фитосферу (от поверхности земли до верхушек деревьев) и педосферу (почвы и лежащие под ними подпочвы, нередко сюда включают всю кору выветривания) с педобионтами;

• литобио сферы – жизни в глубинах Земли (с литобионтами, живущими в порах горных пород). Она состоит из гипотерра биосферы – слой, где возможна жизнь аэробов (или подтеррабиосфера), и теллуробиосферы – слой, где возможно обитание анаэробов (или глубинобиосфера). Жизнь в толще литосферы существует в основном в подземных водах.

На больших высотах в горах, там, где уже невозможна жизнь высших растений и вообще организмов-продуцентов, но куда ветры приносят с более низких вертикальных поясов органическое вещество и где при отрицательных температурах воздуха еще достаточно тепла от прямой солнечной инсоляции для существования жизни, расположена высотная часть террабиосферы – эоловая зона. Это царство членистоногих и некоторых микроорганизмов – эолобионтов.

Жизнь в океанах достигает их дна. Под ним, в базальтах, она едва ли возможна. В глубинах литосферы есть два теоретических уровня распространения жизни – изотерма 100 °С, ниже которой при нормальном атмосферном давлении вода кипит, а белки свертываются, и изотерма 460 °С, где при любом давлении вода превращается в пар, т. е. в жидком состоянии существовать не может.

Жизнь в глубинах Земли фактически не идет дальше 3–4 км, максимум 6–7 км и лишь случайно в неактивных формах может проникнуть глубже – в гипобиосферу («подбиосфера» – аналог парабиосферы в атмосфере). Следует отметить, что здесь, где залегают биогенные породы, образно выражаясь, следы былых сфер, расположена метабиосфера. Она, начинаясь с поверхности Земли, простирается далеко вглубь литосферы, теряясь там, где процессы метаморфоза горных пород стирают признаки жизни.

Между верхней границей гипобиосферы и нижней парабиосферы лежит собственно биосфера – эубиосфера. Ее наиболее насыщенный жизнью слой называют биофильмом, или, по В. И. Вернадскому (1926), пленкой жизни.

Выше парабиосферы расположена апобиосфера, где сравнительно обильны биогенные вещества (ее верхняя граница трудноуловима). Под метабиосферой расположена абиосфера («небиосфера»).

Весь слой нынешнего или прошлого воздействия жизни на природу Земли называют мегабиосферой, а вместе с артебиосферой (пространством человеческой экспансии в околоземной космос) – панбиосферой.

Таким образом, поле существования жизни, по новейшим данным, ограничено в вертикальном пределе высотой около 6 км над уровнем моря, до которой сохраняются положительные температуры в атмосфере и могут жить хлорофиллоносные растения (6,2 км в Гималаях). Выше, в эоловой зоне, обитают лишь жуки, ногохвостки и некоторые клещи, питающиеся зернами растительной пыльцы, спорами растений, микроорганизмами и другими органическими частицами, заносимыми ветром, и т. д. Еще выше живые организмы попадают лишь случайно (микроорганизмы могут сохранять жизнь в виде спор).

Нижний предел существования активной жизни традиционно ограничивают дном океана и изотермой 100 °С в литосфере, расположенными соответственно на отметках около 11 км, а по данным сверхглубокого бурения на Кольском полуострове – 16 км. Фактически жизнь в литосфере распространена до глубины 3–4 км.

Таким образом, вертикальная мощность биосферы в океанической области Земли достигает более 17 км, в сухопутной – 12 км.

Парабиосфера еще более асимметрична, поскольку верхнюю ее границу определяет озоновый экран.

Более значительны колебания толщи мегабиосферы, охватывающей осадочные породы, но она не опускается на материках глубже отметок самых больших глубин океана, т. е. 11 км (здесь температура достигает 200 °С), и не поднимается выше наибольших плотностей озонового экрана (22–24 км), следовательно, ее максимальная толщина 33–35 км.

Теоретически пределы биосферы шире, поскольку в гидротермах дна океана (их назвали «черными курильщиками» из-за темного цвета извергающихся вод) на глубинах около 3 км обнаружены организмы при температуре до 250 °С.

Подстилающая литосфера, верхняя стратосфера, ионосфера и космическое пространство служат биосфере средой. Основной энергетический источник, обеспечивающий функционирование биосферы, – лучистая энергия Солнца.

Таким образом, биосфера – это особая термодинамическая открытая оболочка Земли, вещество, энергетика и организация которой и обусловливаются взаимодействием ее биотического и абиотического компонентов. Она, следовательно, включает совокупность организмов и их остатки, а также части атмосферы, гидросферы и литосферы, населенные организмами и изменяемые их деятельностью.

Важнейшей функцией биосферы является регулярное, возрастающее во времени воссоздание живого вещества по численности, весу и количеству аккумулированной и удерживаемой энергии. Человек воспринимает эту функцию как биологическую продуктивность биосферы, ее частей (океан, почвы, пресные воды) или ее отдельных экосистем и биогеоценозов (дельты, луга, тайга, поля зерновых и т. д.).