Биосфера и человек

Размещено на http://www.allbest.ru/

БИОСФЕРА И ЧЕЛОВЕК

1. Общее понятие биосферы

Еще в трудах античных ученых (Аристотеля, Теофраста, Эмпедокла и др.) имелись представления об устройстве окружающего мира, взаимодействии живых организмов с внешней средой. Крупные составляющие учения о биосфере просматриваются в работах Н. Коперника, Ж. Бюффона, М.В. Ломоносова, А. Гумбольдта и многих других.

Термин «биосфера» впервые предложил и ввел в науку австрийский геолог Э. Зюсс в 1835 г. (Коробкин, Передельский, 2004.). Первоначально это понятие означало совокупность всех живых организмов на нашей планете. Позднее «биосферу» стали представлять как единство объектов неживой (косной) природы, вовлеченных в среду жизни. Живые организмы (растения, животные, микроорганизмы) вместе с окружающей средой образуют оболочку, которая названа «биосферой». Еще в 1926 г. В.И. Вернадский писал, что созданная в течение геологического времени, установившаяся в своих равновесиях биосфера начинает все сильнее и глубже меняться под влиянием научной мысли человечества. Биосфера находится на стыке трех геосфер Земли: литосферы, гидросферы и атмосферы и объединяет их в единое функциональное целое. Вещества, необходимые для жизни, называются биогенами, они поступают в живые организмы из литосферы, атмосферы вместе с водой. Пределы распространения жизни представлены на рисунке 1.

Рис. 1. Распространение живых организмов в биосфере (высоты и глубины, м): 1 - озоновый слой; 2 - граница снегов; 3 - почва; 4 - животные, обитающие в пещерах; 5 - бактерии в нефтесодержащих жидкостях

Биосфера распространяется почти на 10 км вглубь литосферы, поднимается до 23 км в атмосферу, включает всю гидросферу. Два основных компонента биосферы - живые организмы, в том числе человек как биологический вид и среда их обитания - непрерывно взаимодействуют и влияют друг на друга. Живые организмы нельзя рассматривать отдельно от неживой природы, а только в единой совокупности со средой обитания живых организмов - гидросферой, атмосферой и верхней частью литосферы, которые обеспечивают их необходимыми компонентами жизни - водой, кислородом, минеральными веществами, энергией в виде влияния совокупности полей различной природы, обладающих энергетическими и информационными характеристиками. Между неживой и живой природой происходит постоянный обмен веществом. Большинство химических элементов проходит бесчисленное количество раз через живое вещество. Этот круговорот веществ получил название биологического круговорота веществ в природе. Биологический круговорот играет важную роль в биосфере - он обеспечивает жизнь. Химические элементы извлекаются из окружающей среды, входят в состав живой протоплазмы и возвращаются в окружающую среду для повторного использования.

Ряд элементов покидают биологический круговорот и переходят в большой геологический круговорот, образуя через определенное время другие природные сырьевые ресурсы, например, полезные ископаемые, которые становятся объектами природопользования. Таким образом, биосфера - это своеобразная оболочка земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

Биосфере как месту современного обитания в естественнонаучной картине мира отводится особая роль, определяется биотической (живой) материей, которая находится в самодвижении и происходит из космического. С другой стороны, ее сущность определяется специфической структурно-функциональной организацией живых систем.

Биосфера охватывает значительные части атмосферы, литосферы и всю гидросферу.

2. Абиотические составляющие и живое вещество биосферы

Атмосфера. Атмосфера - абиотическая газовая оболочка планеты, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли. Через атмосферу осуществляется обмен веществ и энергии Земли с Космосом. Земля получает метеориты, космическую пыль и энергию Солнца; отдает водород, гелий и излучает тепло в мировое пространство. Температурный режим атмосферы очень интересен. Например, в тропосфере с подъемом на каждые 100 м температура понижается на 0,6?. Известно, температура воздуха на Эвересте при высоте 8 тыс. м и за бортом самолета на аналогичной высоте примерно одинакова и соответствует вышеназванным закономерностям.

Большая часть массы атмосферы имеет относительно однородный азотно-кислородный состав. В тропосфере во взвешенном состоянии присутствуют также жидкие и твердые частицы, которые обычно называют аэрозолями. Выделяют постоянные и переменные компоненты в зависимости от длительности пребывания их в атмосфере (вода - переменный, азот - постоянный).

Состав атмосферы до 100 м остается сравнительно постоянным по газовому составу (табл. 1).

Таблица 1. Состав нижнего слоя атмосферы (по Н.Ф. Реймерсу, 1990)

Содержание озона по объему составляет: в тропосфере - 0,000001, в стратосфере - 0,001-0,0001; метана - 0,00016, окиси азота - 0,000001, окиси углерода - тысячные доли, в воздухе городов - до 0,000008.

Конкретные химические и физические ресурсы атмосферы будут рассмотрены в последующих главах.

Литосфера. Литосфера - верхняя твердая оболочка Земли, постепенно переходящая в сферы с меньшей плотностью вещества, включает в себя земную кору и верхнюю мантию Земли. Мощность литосферы составляет 50-200 км, в том числе земной коры - 50-75 км на континентах и 5-10 км на дне океана. Верхние слои литосферы (до 2-3 км, по некоторым данным - до 8,5 км) называются литобиосферой. На Кольском полуострове в конце ХХ в. российскими научно-техническими специалистами была пробурена сверхглубокая скважина глубиной около 11 км. В начале ХХI в. в эту скважину на глубину около 8 км за 20 млн долл. был опущен литосферный турист миллионер Тито. Такие глубины можно уже относить к техносфере.

Суша занимает 29,2% поверхности земного шара, включает материки и острова различной площади, высоты над уровнем моря, мощности (табл. 2).

Таблица 2. Площади, средние высоты и мощности литосферы материков (по Н.Ф. Реймерсу, 1990)

Петрографический состав земной коры представлен магматическими, метаморфическими и осадочными породами. Из магматических и метаморфических пород 50,34% относятся к базальтам, габбро, амфиболитам и эклогитам; 16,91% - к гнейсам и кристаллическим сланцам; 20,86% - гранитам, диоритам, кислым эффузиям. К осадочным породам относятся: глины и глинистые сланцы - 4,48%, пески и песчаники - 3,56, карбонатные породы, мраморы - 3,57, прочие породы - 0,28%.

Из общей площади поверхности земного шара, равной 510 млн км?, на долю суши приходится 149 км? (29,2%). Земельные ресурсы планеты - специфическая часть ресурсов литосферы. Земельный фонд планеты состоит из различных категорий земель (табл. 3).

Таблица 3. Земельный фонд планеты (по Н.Ф. Реймерсу, 1990)

Гидросфера. Гидросфера имеет греческие корни: «гидро» - вода, «сфера» - шар. Это слово широко применяется в науке, технике, культуре и т.д. Гидросфера - совокупность всех вод Земли: материковых (глубинных, почвенных, поверхностных) океанических и атмосферных. Как особая земная оболочка рассматриваются лишь воды, находящиеся на поверхности планеты (материковые и океанические).

Общее количество воды на планете оценивается по разным данным от 1,5 до 2,5 млрд км?. Мировые запасы воды показаны в таблице 4.

Таблица 4

Характеристика вод биосферы (по Н.Ф. Реймерсу, 1990)

Вода - химическое соединение водорода и кислорода в соотношении (по весу) 11,11% водорода и 88,89% кислорода. Простейшую формулу Н₂О имеет водяной пар (гидроль). Молекула жидкой воды состоит главным образом из объединения двух простых молекул - (Н₂О)₂ - дигидроль. Лед - объединение трех простых молекул - (Н₂О)₃ - тригидроль.

Вода является составной частью биосферы, от которой зависит состояние животного и растительного мира. Из общей поверхности планеты, равной 510 млн км?, вода занимает 70,8%. Объем воды Мирового океана составляет около 1400 млн км?. Более 98% всех водных ресурсов планеты представлены водами с повышенной минерализацией, которые малопригодны для хозяйственной деятельности. На долю пресных вод планеты приходится около 28 млн км?, из которых 4,2 млн км? доступны для хозяйственного использования, что составляет 0,3% объема всей гидросферы. При этом эти ресурсы распространены неравномерно. Большая их часть находится в мало освоенных районах, что создает дефицит пресных вод в развитых регионах.

Подземные воды составляют 14% запасов пресных вод. В связи с усиливающимся загрязнением поверхностных вод, их роль как источника водоснабжения будет возрастать. Мировой океан является практически неисчерпаемым водным резервуаром. В перспективе он может стать одним из основных источников пресной воды, но для этого необходимы производительные и надежные опреснительные установки.

Качество воды в природе определяется совокупностью физико-географических факторов (климат, рельеф местности, почвенный покров, характер прибрежной растительности, площадь стока, особенность его строения, лесистость), а также зависит от биологических процессов, протекающих в водоеме, и деятельности человека (регулирование речного стока, сброс сточных вод, судоходство). Под качеством воды понимают совокупность ее свойств, обусловленных характером содержащихся в воде примесей (минеральных и органических веществ) в ионном, молекулярном, комплексном, коллоидном и взвешенном состоянии, а также изотопным составом радионуклидов в воде.

Состав природных вод оценивается физическими, химическими и санитарно-гигиеническими показателями.

Физическими показателями являются температура, содержание взвешенных веществ, цветность, запах и привкус. Температура подземных вод относительно стабильна в течение года (8…12?С, а температура поверхностных вод колеблется по сезонам года в интервале 0,1…30?С. Прозрачность и мутность характеризуют наличие в воде взвешенных веществ (частиц песка, глины, ила, планктона, водорослей). Цветность воды обусловлена присутствием в ней органических веществ (гумусовых, дубильных, белковых, углеводородных, жиров, органических кислот, входящих в состав зоо- и фитопланктона вод и являющихся продуктами их метаболизма или распада).

3. Живое вещество биосферы

По современным оценкам, общая масса живого вещества в наше время равна 2420 млрд т.

В.И. Вернадский подчеркивал, что живое вещество - самая активная форма материи во Вселенной. Оно проводит гигантскую геохимическую работу в биосфере, полностью преобразовав верхние оболочки Земли за время своего существования. По своей массе живое вещество составляет ничтожную долю по сравнению с любой из оболочек Земли (атмосферы, гидросферы или литосферы). Но по своему активному воздействию на окружающую среду живое вещество стоит на первом месте и качественно резко отличается от всех других оболочек.

Биосфера, с точки зрения физических процессов, - открытая энергетическая система со входом и выходом. Основу живого вещества нашей планеты составляют соединения углерода, способного создавать бесчисленное множество органических соединений. При их образовании углерод в первую очередь соединяется с водородом и кислородом. Остальные химические элементы содержатся в живых организмах в меньших количествах, играя важную роль в физиологических процессах. Основная масса живого вещества сосредоточена в зеленых растениях, улавливающих энергию солнечных лучей и строящих сложные соединения в своих тканях. Этот процесс естественного построения органичных веществ называется фотосинтезом. Он лежит в основе всей жизни, всех биологических и частично геологических круговоротов веществ.

Живое вещество имеет следующий состав: H₂, С, О₂, N₂, Р, S. Эти элементы широко распространены в природе. Отличие их в более высоком содержании углерода в составе животных и растений по сравнению с земным, солнечным и звездным веществом. Это относится также к кислороду и соединениям серы. В процессе жизнедеятельности организмы используют наиболее доступные атомы, способные к созданию устойчивых химических связей, сложных молекулярных построек. Эти молекулярные постройки представлены углеводами, липидами, белками и нуклеиновыми кислотами.

Гений человека призван овладеть законами природы и создать новый этап всей эволюции, который В.И. Вернадский назвал ноосферой - этапом господства разума, строгих научных принципов и методов в использовании природных ресурсов, что и будет определять гармоническое сосуществование человека и природы. Ноосфера в отличии от биосферы самоуправляется разумной деятельностью человека на основе научно-технической революции. Ноосфера - это будущая практически замкнутая регионально-глобальная технологическая система утилизации и реутилизации вовлекаемых в хозяйственный оборот природных ресурсов, рассчитанная на изоляцию хозяйственно-производственных циклов от природного круговорота вещества и энергии.

В современной науке о природопользовании под ноосферой понимается планетарное и космическое пространство (природная среда), которое управляется и преобразуется человеческим разумом, гарантирующим всестороннее прогрессивное развитие природы и человечества. В ноосфере человечество преобразует природу, не приводя ее к разрушению, не нанося ущерба самому человеку.

4. Косное и биокосное вещества

Косное вещество, по В.И. Вернадскому, - это совокупность веществ в биосфере, в образовании которых живые организмы не участвовали и не участвуют, например, магматические, частично метаморфические породы, космическая пыль, метеориты. К косному веществу относят многие минеральные ресурсы суши и океана, используемые без участия в круговоротах прочей биоты, а только в антропогенных превращениях (ресурсных циклах).

К этим же веществам относятся минералы и материнские (горные) породы, образованные минералами. В результате выветривания минералов и пород освобождаются химические элементы, служащие элементами питания для растений и микроорганизмов. Таким образом, косная природа является источником элементов питания для живых организмов. Выветрившаяся горная (рыхлая) порода становится опорой для растений и домов животных и микроорганизмов, определяя условия жизни всего живого.

Минералы и породы образовались в результате геологических (эндогенных и экзогенных) процессов. Химический состав минералов и пород является важным фактором (условием) среды обитания. К неживой природе относят физические условия существования живой природы: свет, температура, влага (осадки). Организмы постоянно взаимодействуют с элементами неживой природы, а также оказывают влияние друг на друга. Все организмы при взаимодействии с неживой природой поддерживают известное динамическое равновесие или гомеостаз.

Живые организмы и неживая природа существуют и развиваются совместно образуя единое целое или систему. Такие системы получили название экологических систем, или экосистем. Экосистемы являются биокосными системами, состоящими из двух частей живой или неживой природы, живого или неживого (абиотического) вещества. Самой крупной биокосной системой, известной нам, является биосфера, которая включает все живые организмы планеты, находящиеся во взаимодействии с физико-химической (абиотической) средой Земли - атмосферой, гидросферой и литосферой.

Таким образом, биокосное вещество создается в биосфере одновременно живыми и косными процессами, представляя динамические системы тех и других. Биокосные вещества планеты - кора выветривания горных пород, почвы, сапропели, природные воды, атмосферный воздух, вода, углекислый газ, кислород и др. Элементы и вещества за длительные периоды в круговоротах проходят через живое вещество.

Сапропель (греч. «sapros» - гнилой, «pelos» - грязь, ил) - природный ил водоемов, содержащий значительное количество органического вещества, остатков водных растений и животных, а также неорганические компоненты биоминерального и наносного происхождения. В свежем состоянии сапропель оливкового, бурого, почти черного цвета, а при наличии известковых материалов и глинистых примесей - розового или серого цвета. Содержит азот (N) - 2%, фосфор (P) - 0,5, калий (K) - 0,8%, микроэлементы, витамины (Д, В, В₁₂), антибиотики, биостимуляторы. Как подкормка применяется в рационе жвачным животным, с ограничениями, свиньям и птице - вволю. Свиньи съедают до 2 кг в день, на корм используют и для других животных. Как лечебное средство применяют для курортного лечения людей и ветеринарного - для животных.

5. Некоторые объекты биогенного вещества Земли

биосфера земля живое природопользование

Биогенные объекты возникли как результат деятельности разнообразных животных и растительных макро- и микроорганизмов. Биогенное вещество создается и перерабатывается жизнью, совокупностью живых организмов. Это источник большой потенциальной энергии (угли, битумы, известняки и др.). После образования биогенного вещества живые организмы в нем малодеятельны или не живут вообще.

Торф - результат анаэробного разложения растений под водой. Торфяники образуются в местностях с избытком влаги и умеренным климатом. По берегам озера и старицы селится болотная растительность: осока, камыш, тростник, водяной хвощ, кувшинки, рдесты, водоросли и др. растения, не поднимающиеся над поверхностью воды. Под водой растительные остатки не могут разложиться до минеральных веществ, и образуется торф. Водная поверхность сокращается - осоковое болото превращается в моховое болото. Со временем поселяется травянистая и древесно-кустарниковая растительность, скрывая бывшее болото и запасы торфа. Это, в основном, современный биолого-геологический процесс. В торфе содержится 55-59% углерода.

Бурый уголь - результат обугливания древесной породы ранних геологических эпох, причем процесс обугливания заходит значительно дальше, чем в торфе, поэтому содержание углерода выше, чем в торфе - 60-75%.

Каменный уголь - результат обугливания гигантских древовидных растений прошлых геологических эпох. Здесь процесс обугливания зашел еще дальше, и количество углерода колеблется в пределах 75-93%.

Антрацит - уголь, где количество углерода колеблется от 93 до 98%, он имеет металлический блеск, черный цвет, более плотный, чем каменный уголь. Значительные залежи каменного угля находятся в Кузбассе, Донбассе, Воркутинском бассейне и других территориях.

К органогенным породам относится и нефть (жидкость бурого, желто-зеленого, черного цвета). Она состоит из жидких углеводородов. Существуют версии происхождения: результат естественного разложения под высоким давлением и температурой жировых веществ, трупов морских животных, а также водорослей и растений; может быть ил органического происхождения дна морей, от скопления отмирающего планктона, действия большого давления и высокой температуры.

Органогенной породой считается и газ, который занял значительное место среди энергоносителей России.

Коралловые рифы. В их образовании участвуют коралловые водоросли, коралловые полипы, коралловые губки и др. Большинство кораллов (морские книдарии) образуют известковый (реже роговой) скелет разнообразной формы. Из красного и черного кораллов изготовляют украшения.

Жемчуг - шарообразной или неправильной формы образования в раковинах некоторых моллюсков (жемчужница). Цвет белый, розовый, желтоватый, иногда черный. Размеры - от микроскопических до голубиного яйца. Используют для украшений. Морской жемчуг добывают в Красном море, Персидском заливе у берегов Цейлона, Австралии, Японии и Венесуэлы. Речной жемчуг получают в России, Шотландии, Северной Америке и других местах.

Янтарь - ископаемая смола хвойных деревьев верхнемелового - палеогенового периодов. Встречается в виде натеков, капель, линзообразных слепков «смоляных карманов» и их обломков, размером от 0,02 до 50 см, максимальная масса выделений достигает 10 кг. Цвет янтаря водно-прозрачный (редко) молочно-белый, красно-коричневый (окисленный янтарь), обычно желтый, редко в отраженном свете голубой или зеленый. Часть янтаря содержит так называемые инклюзы. Они включают в себя остатки насекомых и растительности. Янтарь образуется в специфических условиях окаменения смолы в результате поликонденсации смоляных кислот и терпенов. Главное условие окаменения (фоссилизации) - продолжительное окисление в почве «янтарного леса» и последующее его переотложение с захоронением в прибрежно-морских, лагунных и дельтовых осадках. Основные месторождения в отложениях по берегам Балтийского моря. Янтарь - поделочный, ювелирный материал, компонент масляных красок.

Таким образом, все вещества и системы Земли являются объектами природопользования, составляют природно-ресурс-ный и эколого-экономический потенциал, призванный служить человеческому обществу.

Размещено на Allbest.ru