Если взглянуть на нашу планету из Космоса, то биосфера представится нам как тонкая живая наружная оболочка, покрывающая каменное «тело» Земли, распространяющаяся также на водную среду и верхние слои атмосферы.
Советским биогеохимиком В.И. Вернадским в 20 годах 20 столетия было разработано общее научное учение о биосфере.
В контексте понятия «биосфера» возникают вопросы:
— Чем же особенным отличаются живые организмы от остальных природных тел?
Основной отличительной особенностью живого вещества в целом является способ использования энергии. Живые существа являются уникальными природными объектами, способными улавливать энергию, приходящую из Космоса, преимущественно в виде солнечного света, удерживать ее в виде энергии сложных органических соединений (биомассы), передавать друг другу, трансформировать в механическую, электрическую, тепловую и другие виды . Неживые тела преимущественно рассеивают энергию. Например, камень, под действием солнечного света нагревается и только, он не может двигаться или увеличивать свою массу.
— Почему живые организмы выделяются в особую оболочку – биосферу?
Для существования жизни необходим внешний источник энергии, например энергия Солнца.
Таки образом, биосфера является сложной физико-химической системой, получающей энергию извне, преобразующей ее часть в работу, а остальную – рассеивающей в виде тепла. Так, например, только 52% энергии Солнца из верхних слоев стратосферы достигает поверхности Земли, из них только 1% улавливается растениями и превращается в живое вещество биосферы, а остальная энергия тратится на испарение, нагревание и другие физические процессы.
Живое вещество биосферы проникнуто энергией, благодаря ей оно становится активным, собирает и распределяет в биосфере полученную в форме солнечного света энергию, превращает ее в земной коре в свободную энергию, способную совершать работу. Работа, производимая жизнью, состоит в переносе и перераспределении химических элементов в биосфере, создании из них новых тел, благодаря чему значительная часть атомов, составляющих материю земной поверхности, находится в непрерывном круговороте. Все почвы и минералы верхних слоев земной поверхности: черноземы, глины, известняки, месторождения руд, углей, нефти образовались и продолжают создаваться только под действием жизни. Химический состав природных вод в значительной степени сформирован живыми организмами, состав атмосферы земли в ее основных газах – кислороде, азоте и углекислоте – есть создание жизни.
Пределы биосферы обусловлены границами физических условий существования живых организмов. Согласно современным представлениям, существование жизни ограничивается диапазоном температур от минус 250°С до плюс 160°С, давлением от 0,001 атм. до 3000 атм. Нижняя граница жизни в водной среде условно проходит на глубине 10 км, в земной коре – на глубине до 2 км. В атмосфере верхняя граница распространения жизни обусловлена слоем озона, который предохраняет живую материю от ультрафиолетового излучения солнца и расположен на высоте около 345 км над уровнем моря.
— Каков химический состав живого вещества?
Живые существа, в отличии от машин, создаваемых человеком, в которых используются принципы перепада давлений, разности температур и др., являются скорее химическими машинами, в которых химическая энергия непосредственно преобразуется в другие виды энергии.
Около 98% общей массы составляют кислород (70%), углерод (18%), водород (10%). Большая часть кислорода и водорода, присутствующих в организмах, входит в состав воды, которая является растворителем и средой для протекания биохимических реакций. Кислород, углерод и водород являются основными биогенными элементами.
Десять других элементов вместе составляют лишь 1,5% — это азот, натрий, магний, кремний, фосфор, сера, калий, кальций, железо, хлор. Эти элементы выполняют различные биологические функции. Например, азот и сера входят в состав белков, кальций и кремний – формируют скелет и кости высших животных, защитный покров у насекомых, фосфор играет важную роль в биоэнергетике.
Менее 0,01% составляют в организме микроэлементы: марганец, кобальт, медь, железо, цинк. Эти металлы участвуют в процессах синтеза и разрушения органических веществ в составе высокоэффективных ферментов-катализаторов.
Что такое катализаторы? Это вещества, ускоряющие ход течения химических реакций, при этом само вещество-катализатор остается неизменным. Поскольку катализаторы не расходуются вы ходе реакции, содержание микроэлементов в организмах мало.
Для живых организмов характерна избирательность поглощения элементов из окружающей среды, необходимых для жизнедеятельности. Недостаток или недоступность того или иного элемента в окружающей среде является одной из важнейших причин, ограничивающих рост и размножение живых организмов.
Несоответствие между наличием и доступностью химических элементов в земной коре с одной стороны, и потребностями живых организмов с другой, породило в биосфере проблему дефицита некоторых элементов и привело к ограничению количества живого вещества на Земле. Единственным выходом из этого положения оказалось использование элементов по типу круговоротов, когда элемент, пройдя целый ряд биологических и химических превращений, возвращается в состав того же самого химического соединения, в котором он находился в начальный момент. В настоящее время биогенные элементы земной коры охвачены глобальными и локальными круговоротами, причем движущей силой в функционировании круговоротов являются сами живые организмы.
Глобальные круговороты жизненно важных (биогенных) элементов распадаются в биосфере на множество мелких круговоротов, приуроченных к локальным местам обитания различных биологических сообществ, образующих как бы «кванты» биосферы.
Функциональные системы, включающие в себя сообщества живых организмов и среду обитания, осуществляющие более или менее замкнутый круговорот биогенных элементов, называются экологическими системами.
Экосистемы могут быть наземными или водными, например, экосистема луга, пруда, леса.
В природе растения улавливают 1-2% поглощенного света. Эффективность усвоения пищи у растительноядных животных соответствует питательным свойствам их пищи, достигая 80% при поедании семян, 30-60% при поедании травы и листьев и около 10% при поедании древесины. Эффективность усвоения у хищников составляет 60-90% потребленной пищи.
Из усвоенной энергии растения около 30-85% расходуют на создание биомассы, остальная часть тратится на дыхание. Холоднокровные животные, особенно водные, могут тратить до 75% энергии на рост и размножение, что приближается к максимальной биохимической эффективности, а вот теплокровные имеют низкое производство массы: у птиц и крупных млекопитающих – менее 1%, у мелких – до 6%.
В результате, на верхние уровни пищевых цепочек переходят всего тысячные доли процента от энергии зеленых растений, пропорционально снижается и биомасса хищников.
Таким образом, основные принципы естественного устройства биосферы можно кратко изложить в следующих тезисах:
• биосфера использует внешние источники энергии (солнечный свет и энергию радиоактивного разогрева земных недр). Это позволяет упорядочивать структуру биосферы, усложнять ее организацию, эффективно использовать свободную энергию, не вызывая загрязнения окружающей среды. Постоянный приток определенного количества энергии, ее использование и рассеяние в виде тепла создало эволюционно сложившийся тепловой баланс в биосфере.
• биосфера использует вещество, в основном, в форме круговоротов. Биогеохимические циклы элементов отработаны эволюционно и не приводят к накоплению вредных отходов. В биосфере преимущественно используются легкие (биогенные) элементы.
• в биосфере существует огромное многообразие видов и биологических сообществ. Конкурентные и хищнические отношения между видами способствуют установлению равновесия между отдельными видами, при этом практически отсутствуют доминирующие виды с чрезмерной численностью, что обеспечивает защиту биосферы от чрезмерной опасности со стороны внутренних факторов.
Человек издавна рассматривал окружающую среду в основном как источник ресурсов. Стремясь достигнуть независимости от природы, улучшить условия жизни, человек наращивает темпы материального производства. При этом большая часть взятых от природы ресурсов возвращается ей в виде отходов, что ставит под угрозу существование как биосферы, так и человека.
Рост хозяйственной деятельности человека приобретает такие масштабы, когда нарушаются основные принципы естественного устройства биосферы: энергетический баланс, сложившийся круговорот веществ, сокращение многообразия видов и биологических сообществ.
Это есть основные причины экологического кризиса.
Источник: Челябинский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды — филиал ФГБУ «Уральское УГМС
