28

Содержание

Введение

1. Структура современной биосферы

2. НТР и изменение структуры биосферы

2.1 Эрозия почв (земель)

2.2 Загрязнение почв

2.3 Вторичное засоление и заболачивание почв

2.4 Опустынивание

3. Перспективы и принципы создания неразрушающих природу производств

Заключение

Список литературы

Введение

Изучение биосферы становится все более важной и актуальной задачей. Это вызвано непрерывно возрастающим и усложняющимся воздействием человека на окружающую среду. Люди всегда сталкивались с окружающим их миром живой природы, с огромным разнообразием растений и животных, издавна изучили внешнее и внутреннее строение живых организмов, исследовали особенности их физиологии, закономерности развития, взаимосвязь с окружающей средой. Было выяснено, что организмы обитают в самых разнообразных условиях, что жизнь практически есть и на поверхности материков, и в толще океанов и морей, и даже в атмосфере. Около 50 лет назад, эта вполне уже очевидная истина привлекла внимание русского минеролога-геохимика В.И.Вернадского. Основываясь на обширных исследованиях и расчетах, он впервые показал глобальное значение всей совокупности организмов нашей планеты живого вещества.

Оказалось, что живое вещество представляет собой мощнейший фактор, преобразующий лик Земли. Толща горных пород, вод и атмосферы, изменившаяся под действием жизни и бала названа "биосферой". Теперь это слово уже встречается на страницах газет, звучит в выступлениях общественных деятелей, становится понятным не только ученым, но и всем людям. В последнее время все чаще и тревожнее возникает обоснованная озабоченность судьбой окружающей нас среды, особое значение приобретает проблемы охраны и рационального использования природных ресурсов. Все это требует высокого уровня наших знаний о биосфере.

Жизнь на нашей планете возникла 3 млрд. лет назад. Это произошло в процессе длительной эволюции разнообразных физико-химических систем, включающих и органические вещества. Примерно 400 млн. лет назад первые живые существа начали заселять сушу. Ныне же на поверхности материков, в толще морей и океанов, в приземном слое атмосферы - почти всюду обитают многоликие потомки первых организмов. Все современные виды растений, животных и микроорганизмов в той или иной степени родственны друг другу. Все они в течении миллиардов лет питались, размножались, отмирали и изменялись под действием естественного отбора и всегда воздействовали на среду своего существования, коренным образом обновился состав атмосферы, природных вод, осадочных пород. Достаточно вспомнить, что 0₂, залежи угля и нефти, большинство отложений известняков, почвенный покров - прямой результат деятельности живых организмов. Косвенных результатов известно еще больше и они не менее важны. К примеру, можно указать на озоновый экран атмосферы, задерживающий губительное для всех наземных обитателей коротковолновое космическое излучение.

Биосфера земли представляет собой сложную термодинамическую открытую систему, которая включает в себя, согласно определению В.И.Вернадского, верхние слои земной коры, гидросферу и атмосферу вместе с населяющими их живыми организмами. Естественным образом биосфера распадается на более или менее самостоятельные единицы, которые характеризуются большой замкнутостью круговорота вещества.

Современная деятельность человека во многом нанесла непредвиденный ущерб окружающей среде, поэтому одна из задач современной экологии - это изучение регуляторных процессов в биосфере, создание научного рационального ее использования.

1. Структура современной биосферы

Структура современной биосферы выглядит следующим образом:

Биосфера - место обитание организмов. Это местообитание вместе с его организмами делится на три подсферы:

1. Аэробиосфера, населенная аэробионтами, субстратом жизни которых служит влага воздуха - специфический слой образованный микроорганизмами.

2. Гидробиосфера - населенный гидробионтами мировой океан и моря.

3. Геобиосфера - населенный геобионтами слой Земли - литосфера.

В.И. Вернадский писал, что понятие биосфера (область жизни) "введено в биологию Ламарком”, а в геологию Э.Зюссом".

Во времена Ламарка термин "биосфера" употреблялся редко. Он высказывал идеи о геохимической роли живых существ.

Биосфера, по В.И.Вернадскому, это- особое геологическое тело, строение и функции которого определяются особенностями Земли и космоса. А живые организмы, популяции, виды и все живые вещества - это формы, уровни организации биосферы. В биосфере в результате жизнедеятельности живого идет постоянное движение(миграция) атомов и они переходят из атмосферы в гидросферу, в земную кору и замыкают свои круговороты возвращаясь в первоначальную среду.

Живое вещество активно регулирует геохимическую миграцию атомов. Благодаря ему сохраняется стабильность биосфреры и осуществляется эволюция как живых организмов, так и всей биосферы в целом, Этот особый вид постоянно изменчивого равновесного состояния В.И.Вернадский называл динамическим равновесием.

Динамическое равновесие характерно не только для биосферы. В таком состоянии находятся атмосфера и ионосфера, а также вся земная кора и подстилающие ее мантии Земли.

Для геосфер, не охваченных жизнью, характерно устойчивое динамическое равновесие. В биосфере динамическое равновесие неустойчиво. Это значит, что биосфера развивается в процессе работы, самосовершенствуется, все более полно, активно и в большем масштабе накапливает, трансформирует энергию, усложняет свою организацию, обогащается информацией.

Биосфера обладает сложной внутренней структурой. Она состоит из трех основных структурных компонентов:

I. Живого вещества;

II. Биокосного вещества.

III. Косного вещества.

Каждый из них характеризуется специфической, динамической структурой и организацией.

Живое вещество - совокупность всех живых существ биосферы, Оно характеризуется весом, химическим составом, и геохимической энергией, а также многообразием видов и их численностью, т.е. растений, животных и микроорганизмов, а также многообразием видов и тенденций роста их численности в процессе эволюции живой природы.

Биоскосное вещество. Живые организмы и неорганическая(или косная) материя на Земле тесно связаны и образуют в совокупности сложные природные тела - биокосные системы. Это явление характерно для биосферы. К структурным компонентом биокосного тела относятся: почвы, илы, кора выветривания, водоносные горизонты, поверхностные воды, ландшафты и др.

Биокосные системы изучаются различными отраслями науки: гидробиологией, гидрохимией, географией, биологией и др.

Органическое вещество Земли имеет двоякую форму: абиогенную и биогенную, т.е. в виде живого вещества, совокупности всех живых организмов и мертвой органики - биокосных веществ. Биокосные, т.е. неживые биогенные органические вещества встречаются во всех оболочках Земли - биосфере, гидросфере, атмосфере, литосфере и др.

Органическое вещество является важнейшей субстанцией почв, наличие и формы которой определяет почвенное плодородие и отличают почвы от горных пород.

Гидросфера является колоссальным вместилищем, резервуаром органического вещества. Во всех типах природных вод суши и в океане действуют механизмы их самоочищения, заключающейся в размножении органического вещества фотохимическим и биохимическим путями.

Горные породы земной коры являются хранилищем колоссального количества захороненного остаточного органического вещества биосферы. Оно находится в них в рассеянном состоянии и образует залежи горючих ископаемых.

Живые организмы и биосфера в целом состоят из тех же химических элементов, которые встречаются в окружающей среде. Во всех живых организмах преобладают в основном 14 элементов, их называют биогенными: Н₂;С;0₂.

Они составляют 99,9% веса живых организмов, образуют 99% веса всей земной коры нашей планеты и тем самым обеспечивают устойчивость жизни на Земле. Все остальные химические элементы находятся в рассеянном состоянии. Большую часть веса живых организмов дают 0₂ и С. Они составляют от 50 до 90% их сухого абсолютного веса. "Совокупность живых организмов - писал В.И.Вернадский, образует лишь малую долю всей массы вещества биосферы, вес этого вещества представляет много триллионов метрических тонн (10¹²), вес биосферы несколько квинтиллионов тонн(10¹⁸). Жизнь соответствует лишь сотым или десятым процента всей массы живого вещества.

Общую биологическую массу на Земле В.И.Вернадский оценивает в 10¹³ т. Несмотря на то, что живое вещество биосферы, имеет незначительный общий вес(массу), оно выполняет огромную геологическую работу. Верхняя часть литосферы изменяется в жизненном процессе. Между химией земной коры и химическим составом живого вещества исторически сложилась взаимосвязь и взаимозависимость. Живое вещество играет решающую роль в процессах выветривания, осадконакопления, преобразования осадков и формирования из них горных пород. Оно дает начало почти всем горючим и энергетическим телам - ископаемым; железным, марганцевым, алюминиевым и др. рудам, которые прямо или косвенно связаны с процессами и явлениями жизни.

В почвообразовательном процессе также участвуют разнообразные виды растений, животных и микроорганизмов.

Наиболее типичными и главными свойствами биосферы являются неразрывное единство одно- и многокачественности; биологическая продуктивность, прерывность и непрерывность; устойчивость и изменчивость; эволюционируемость. Устойчивость биосферы характеризуется длительностью ее существования на нашей планете.

Живые организмы существенно влияют на микроклимат и геофизические условия место обитания, сами также зависят от физических условий среды. Именно этими взаимоотношениями обусловлена основная черта биосферы, состоящая в том, что она является саморегулирующейся системой. Устойчивость биосферы тесно связана с ее организованностью.

В классических исследованиях академика В. И. Вернадского переосмыслены, конкретизированы и обогащены новым содержанием первоначальные представления и понятия о биосфере, им разработано целостное и относительное завершенное учение о биосфере.

В.И.Вернадский показал все значение биосферы в геохимических процессах Земли. В трудах В.И.Вернадского определены место и роль биосферы относительно геосфер и выявлены ее качественные особенности.

Почва - один из важнейших компонентов окружающей природной среды. Все основные ее экологические функции замыкаются на одном обобщающем показателе - почвенном плодородии. Отчуждая с полей основной (зерно, корнеплоды, овощи и др.) и побочный урожай (солома, листья, ботва и др.), человек размыкает частично или полностью биологический круговорот веществ, нарушает способность почвы к саморегуляции и снижает ее плодородие. Даже частичная потеря гумуса и, как следствие, снижение плодородия, не дает почве возможность выполнять в полной мере свои экологические функции, и она начинает деградировать, т. е. ухудшать свои свойства. К деградации почв (земель) ведут и другие причины, преимущественно антропогенного характера.

В наибольшей степени деградируют почвы агроэкосистем. Причина неустойчивого состояния агроэкосистем обусловлена их упрощенным фитоценозом, который не обеспечивает оптимальную саморегуляцию, постоянство структуры и продуктивности. И если у природных экосистем биологическая продуктивность обеспечивается действием естественных законов природы, то выход первичной продукции (урожая) в агроэкосистемах всецело зависит от такого субъективного фактора, как человек, уровня его агрономических знаний, технической оснащенности, социально-экономических условий и т.д., а значит, остается непостоянным.

Например, в случае создания человеком монокультуры (пшеницы, свеклы, кукурузы и т. д.) в агроэкосистеме нарушается видовое разнообразие растительных сообществ. Агроэкосистема упрощается, объединяется и становится неустойчивой, не способной противостоять абиотическому или биотическому экологическому стрессу.

Основные виды антропогенного воздействия на почвы следующие:

эрозия (ветровая и водная);

загрязнение;

вторичное засоление и заболачивание;

опустынивание;

отчуждение земель для промышленного и коммунального строительства.

2. НТР и изменение структуры биосферы

Поверхностные слои почв легко загрязняются. Большие концентрации в почве различных химических соединений - токсикантов пагубно влияют на жизнедеятельность почвенных организмов. При этом теряется способность почвы к самоочищению от болезнетворных и других нежелательных микроорганизмов, что чревато тяжелыми последствиями для человека, растительного и животного мира. Например, в сильно загрязненных почвах возбудители тифа и паратифа могут сохраняться до полутора лет, тогда как в незагрязненных - лишь в течение двух-трех суток.

Основные загрязнители почвы: 1) пестициды (ядохимикаты); 2) минеральные удобрения; 3) отходы и отбросы производства; 4) газо-дымовые выбросы загрязняющих веществ в атмосферу; 5) нефть и нефтепродукты.

В мире ежегодно производится более миллиона тонн пестицидов. Только в России используется более 100 индивидуальных пестицидов при общем годовом объеме их производства - 100 тыс. т. Наиболее загрязненными пестицидами районами являются Краснодарский край и Ростовская область (в среднем около 20 кг на 1 га). В России на одного жителя в год приходится около 1 кг пестицидов, во многих других развитых промышленных странах мира эта величина существенно выше (Лосев и др., 1993). Мировое производство пестицидов постоянно растет.

В настоящее время влияние пестицидов на здоровье населения многие ученые приравнивают к воздействию на человека радиоактивных веществ. Достоверно установлено, что при применении пестицидов, наряду с некоторым увеличением урожайности, отмечается рост видового состава вредителей, ухудшаются пищевые качества и сохранность продукции, утрачивается естественное плодородие и т. д.

По мнению ученых, подавляющая часть применяемых пестицидов попадает в окружающую среду (воду, воздух), минуя виды-мишени. Пестициды вызывают глубокие изменения всей экосистемы, действуя на все живые организмы, в то время как человек использует их для уничтожения весьма ограниченного числа видов организмов. В результате наблюдается интоксикация огромного числа других биологических видов (полезных насекомых, птиц) вплоть до их исчезновения. К тому же человек старается использовать значительно больше пестицидов, чем это необходимо, и еще более усугубляет проблему.

Среди пестицидов наибольшую опасность представляют стойкие хлорорганичесте соединения (ДДТ, ГХБ, ГХЦГ), которые могут сохраняться в почвах в течение многих лет и даже малые их концентрации в результате биологического накопления могут стать опасными для жизни организмов. Но и в ничтожных концентрациях пестициды подавляют иммунную систему организма, а в более высоких концентрациях обладают выраженными мутагенными и канцерогенными свойствами. Попадая в организм человека, пестициды могут вызвать не только быстрый рост злокачественных новообразований, но и поражать организм генетически, что может представлять серьезную опасность для здоровья будущих поколений. Вот почему применение наиболее опасного из них - ДДТ в нашей стране и в ряде других стран запрещено.

Таким образом, можно с уверенностью констатировать, что общий экологический вред от использования загрязняющих почву пестицидов многократно превышает пользу от их применения. Воздействие пестицидов оказывается весьма негативным не только для человека, но и для всей фауны и флоры. Растительный покров оказался очень чувствительным к действию пестицидов, причем не только в его применения, но и в местах, достаточно удаленных от них, из-за переноса загрязняющих веществ ветром или поверхностным стоком воды.

Пестициды способны проникать в растения из загрязненной почвы через корневую систему, накапливаться в биомассе и впоследствии заражать пищевую цепь. При распылении пестицидов наблюдается значительная интоксикация птиц (орнитофауны). Особенно страдают популяции певчих и перелетных дроздов, жаворонков и других воробьиных. Работами отечественных и зарубежных исследователей неопровержимо доказано, что загрязнение почв пестицидами вызывает не только интоксикацию человека и большого числа видов животных, но и ведет к существенному нарушению воспроизводящих функций и, как следствие, к тяжелым демоэкологическим последствиям. С длительным применением пестицидов связывают также развитие резистентных (устойчивых) рас вредителей и появление новых вредных организмов, естественные враги которых были уничтожены.

Почвы загрязняются и минеральными удобрениями, если их используют в неумеренных количествах, теряют при производстве, транспортировке и хранении. Из азотных, суперфосфатных и других типов удобрений в почву в больших количествах мигрируют нитраты, сульфаты, хлориды и другие соединения. Б. Коммонер (1970) установил, что при самых благоприятных условиях из всего количества азотных удобрений нет, применяемых в США, поглощается растениями 80%, а в среднем по стране лишь 50%. Это приводит к нарушению био-геохимического круговорота азота, фосфора и некоторых других элементов. Экологические последствия этого нарушения в наибольшей степени проявляются в водной среде, в частности при формировании эвтрофии, которая возникает при смыве с почв избыточного количества азота, фосфора и других элементов.

В последнее время выявлен еще сдан неблагоприятный аспект неумеренного потребления минеральных удобрений и в первую очередь нитратов. Оказалось, что большое количество нитратов снижает содержание кислорода в почве, а это способствует повышенному выделению в атмосферу двух «парниковых» газов - закиси азота и метана. Нитраты опасны и для человека. Так, при поступлении нитратов в человеческий организм в концентрации свыше 50 мг/л отмечается их прямое общетоксическое воздействие, в частности возникновение метгемоглобинемии вследствие биологических превращений нитратов в нитриты и другие токсичные соединения азота. Неумеренное потребление минеральных удобрений вызывает в ряде районов и нежелательное подкисление почв.

К интенсивному загрязнению почв приводят отходы и отбросы производства. В нашей стране ежегодно образуется свыше миллиарда тонн промышленных отходов, из них более 50 млн т особо токсичных. Огромные площади земель заняты свалками, золоотвалами, хвостохранилищами и др., которые интенсивно загрязняют почвы, а их способность к самоочищению, как известно, ограничена.

Огромный вред для нормального функционирования почв представляют газо-дымовые выбросы промышленных предприятий. Почва обладает способностью накапливать весьма опасные для здоровья человека загрязняющие вещества, например тяжелые металлы. Вблизи ртутного комбината содержание ртути в почве из-за газо-дымовых выбросов может повышаться до концентрации, в сотни раз превышающих допустимые.

Значительное количество свинца содержат почвы, находящиеся в непосредственной близости от автомобильных дорог. Результаты анализа образцов почвы, отобранных на расстоянии нескольких метров от дороги, показывают 30-кратное превышение концентрации свинца по сравнению с его содержанием (20 мкг/г) в почве незагрязненных районов.

По данным агрохимической службы России (1997), почти 0,4 млн га в нашей стране оказались загрязненными медью, свинцом, кадмием и др. Еще больше земель были загрязнены радионуклидами и радиоактивными изотопами в результате Чернобыльской катастрофы.

Одной из серьезных экологических проблем России становится загрязнение земель нефтью и нефтепродуктами в таких нефтедобывающих районах, как Западная Сибирь, Среднее и Нижнее Поволжье и др. Причины загрязнения - аварии на магистральных и внутрипромысловых нефтепроводах, несовершенство технологии нефтедобычи, аварийные и технологические выбросы и т. д. В результате, например, в отдельных районах Тюменской и Томской областей концентрации нефтяных углеводородов в почвах превышают фоновые значения в 150- 250 раз. На Тюменском Севере площади оленьих пастбищ уменьшились на 12,5%, т. е. на 6 млн га, замазученными оказались 30 тыс. га. В Западной Сибири выявлено свыше 20 тыс. га, загрязненных нефтью с толщиной слоя не менее пяти сантиметров (Государственный доклад..., 1995).

Значительную угрозу для здоровья людей представляет загрязнение почв различными патогенами, которые могут проникать в организм человека следующим образом (Розанов, 1984):

- во-первых, через цепь: человек - почва - человек. Патогенные организмы выделяются зараженным человеком и через почву передаются другому, либо через выращенные на зараженной почве овощи и фрукты. Таким способом человек может заболеть холерой, бациллярной дизентерией, брюшным тифом, паратифом и др. Аналогичным путем в организм человека могут попадать и черви-паразиты;

- во-вторых, через цепь: животные - почва - человек. Существуют ряд заболеваний животных, которые передаются человеку (лептосориаз, сибирская язва, туляремия, лихорадка Ку и др.) путем прямого контакта с почвой, загрязненной выделениями инфицированных животных;

- в-третьих, через цепь: почва - человек, когда патогенные организмы попадают из нее в организм человека при прямом контакте (столбняк, ботулизм, микозы и др.).

2.3 Вторичное засоление и заболачивание почв

В процессе хозяйственной деятельности человек может усиливать природное засоление почв. Такое явление носит название вторичного засоления и развивается оно при неумеренном поливе орошаемых земель в засушливых районах.

Во всем мире процессам вторичного засоления и осолонцевания подверженно около 30% орошаемых земель. Площадь засоленных почв в России составляет 36 млн га (18% общей площади орошаемых земель). Засоление почв ослабляет их вклад в поддержание биологического круговорота веществ. Исчезают многие виды растительных организмов, появляются новые растения галофиты (солянка и др.). Уменьшается генофонд наземных популяций в связи с ухудшением условий жизни организмов, усиливаются миграционные процессы.

Заболачивание почв наблюдается в сильно переувлажненных районах, например, в Нечерноземной зоне России, на Западно-Сибирской низменности, в зонах вечной мерзлоты. Заболачивание почв сопровождается деградационными процессами в биоценозах, появлением признаков оглеения и накоплением на поверхности неразложившихся остатков. Заболачивание ухудшает агрономические свойства почв и снижает производительность лесов.

2.4 Опустынивание