Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
5.2. Биосфера и ее устойчивость. Структура биосферы. Коэволюция атмосферы, литосферы, гидросферы и биосферы
По имеющимся в современной науке данным, планета Земля является уникальным явлением в Солнечной системе. В тонком слое, окружающем планету, непрерывно взаимодействуют воздух, почва и живые организмы разного уровня организации. Этот слой, населенный живыми организмами, взаимодействующими с воздухом (атмосферой), водой (гидросферой) и земной корой (литосферой), называется биосферой.
Представление о биосфере как об особой оболочке земной коры, охваченной жизнью, было впервые введено в естественные науки в 1875 г. известным геологом, профессором Венского университета Э. Зюссом.
Биосфера – сложная наружная оболочка Земли, населенная организмами, составляющими в совокупности живое вещество планеты. Это одна из важнейших геосфер Земли, являющаяся основным компонентом природной среды, окружающей человека.
Земля состоит из концентрических оболочек (геосфер) – внутренних и внешних. К внутренним относятся такие как ядро, мантия, а к внешним – литосфера (земная кора), гидросфера, атмосфера и сложная оболочка Земли – биосфера (рис. 25).
Атмосфера – воздушная оболочка Земли, наиболее легкая оболочка, граничащая с космическим пространством.
Химический состав атмосферы многообразен, но в основном в ней присутствуют азот и кислород. В меньших концентрациях в ней присутствуют углекислый газ и аргон. Сухой воздух приземного слоя атмосферы – тропосферы – состоит из азота (78,084 %), кислорода (20,946 %), аргона (0,934 %) и углекислого газа (0,033 %). Из этих четырех газов, составляющих тропосферу, только аргон не связан с жизнедеятельностью организмов, а поступление и расход кислорода, азота, углекислого газа регулируются живыми организмами. За тропосферой до высоты примерно 100 км следует стратосфера. В верхних слоях тропосферы и в стратосфере под влиянием излучения молекулы кислорода распадаются на свободные атомы и, присоединяясь к молекуле кислорода, образуют озон. В то же время озон поглощает энергию ультрафиолетового излучения, разлагаясь на атомарный и молекулярный кислород. Озоновый слой или «экран» составляет верхнюю часть атмосферы – ионосферу (рис. 26).
Рис. 25. Геосферы Земли
Состояние атмосферы оказывает важное влияние на физические, химические и биологические процессы на поверхности Земли. Наибольшее значение для биологических процессов имеют кислород атмосферы, необходимый для дыхания организмов и минерализации омертвевшего органического вещества; углекислый газ, расходуемый на фотосинтез, а также озон, экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения. Вне атмосферы существование живых организмов невозможно, примером может служить Луна, лишенная атмосферы. Историческое развитие атмосферы связано с геохимическими процессами, а также с жизнедеятельностью организмов. Так, азот, углекислый газ, пары воды образовались в процессе эволюции планеты благодаря вулканической деятельности, а кислород в результате фотосинтеза.
Рис. 26. Схема строения атмосферы
Гидросфера – водная оболочка Земли. Вода является важной составной частью всех компонентов биосферы и одним из необходимых факторов существования живых организмов. Основная часть воды (95 %) заключена в Мировом океане, который занимает более 70 % поверхности земного шара; глубина Мирового океана в среднем около 4 километров, наибольшая – около 11 километров. Вода содержится в виде паров и облаков в земной атмосфере, существует в виде ледников в замороженном состоянии, атмосферные воды проникают в толщу осадочных пород, формируя подземные воды.
Химический состав природных вод формируется под воздействием живых организмов непосредственно и косвенно. Живые организмы и продукты их жизнедеятельности способствуют разрушению горных пород и вымыванию из них различных веществ. С речным стоком эти вещества поступают в Мировой океан. В пресных и в морских водах растворенные вещества концентрируются многими организмами. Из газов, растворенных в воде, наибольшее значение имеют кислород и углекислый газ. Количество кислорода в гидросфере значительно варьирует в зависимости от температуры и присутствия живых организмов. Концентрация углекислого газа также различна, но в целом количество его в океане приблизительно в 60 раз больше, чем в атмосфере.
Значение воды в биосфере огромно: вода является универсальным растворителем; большинство химических реакций осуществляется в водных растворах, в воде происходит диссоциация соединений, вода обладает огромной теплоемкостью, тепло- и электропроводностью.
Литосфера – это верхний плодородный слой почвы, населенный живыми организмами. Общий химический состав земной коры определяют немногие химические элементы. Всего лишь 8 элементов распространены в земной коре в весомом количестве (более 1 %) – кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий, калий. Наиболее распространенным элементом является кислород, составляющий почти половину массы земной коры (47,3 %).
Таким образом, земная кора – это царство кислорода, химически прочно связанного с другими элементами.
Исходным материалом для почвообразования служат поверхностные слои горных пород. Из них под воздействием микроорганизмов, растений и животных формируется почвенный покров. Организмы концентрируют в своем составе биогенные элементы. После отмирания животных и растений и их разложения эти элементы переходят в состав почвы, благодаря чему в ней аккумулируются биогенные элементы, а также накапливаются продукты разложения органических веществ. В почве накапливается огромное количество микроорганизмов.
Таким образом, литосфера имеет биогенное происхождение, она состоит из органических и неорганических соединений и живых организмов. Следовательно, биосфера представляет собой многоуровневую систему, включающую подсистемы различной степени сложности. Границы биосферы определяются областью распространения живых организмов в атмосфере, гидросфере и литосфере. Верхняя граница биосферы проходит примерно на высоте 20 км, т.е. живые организмы расселены в тропосфере и нижних слоях стратосферы. Лимитирующим фактором расселения в атмосфере является нарастающая с высотой интенсивность ультрафиолетовой радиации. Все живое, проникающее выше границы озонового слоя, погибает. В гидросферу биосфера проникает на всю глубину, Мирового океана, что подтверждается обнаружением живых организмов и органических отложений до глубины 10–11 км. В литосфере живые организмы обнаруживаются на глубине примерно 7,5 км.
Основные свойства биосферы как сложной глобальной системы:
1) организованность;
2) устойчивость;
3) эмержентность;
4) разнообразие видов.
1. Организованность. Биосфера – саморегулирующаяся система. В биосферу постоянно проникает солнечная радиация, т.е. биосфера аккумулирует и трансформирует энергию солнца. В результате, как было сказано выше, происходит постоянный обмен веществом и энергией. Здесь важную роль играет живое вещество. Такой постоянный вещественно–энергетический обмен между Землей и Космосом и между внешними оболочками Земли (рельеф, вода, почва, растительный и животный мир) представляет подвижное динамическое равновесие.
Системы, элементы которых взаимосвязаны переносами (потоками) вещества, энергии и информации, носят название динамических. Любая живая система представляет собой динамическую и, следовательно, открытую систему, но не всегда равновесную. Жизнь и движение (динамика) неразрывно связанные между собой понятия. Живое только потому и остается живым, что в нем ни на мгновение не останавливаются всевозможные процессы. Эти процессы незаметны и быстротечны. Так, в течение секунд и минут происходит деление клеток микроорганизмов, за несколько минут или часов может произойти гибель растений, животных и т.д. Несколько дней или недель достаточно, чтобы мелкие грызуны или насекомые после зимовки расплодились, увеличив свою численность в 10 или 100 раз.
Существование биосферы немыслимо без поступления энергии извне, прежде всего – энергии Солнца. Это говорит о том, что биосфера – открытая система.
Впервые представления о влиянии солнечной активности на живые организмы разработаны А.Л. Чижевским (1897–1964 гг.). Он доказал, что многие явления на Земле тесно связаны с активностью Солнца. Все больше накапливается данных, свидетельствующих о том, что резкое увеличение численности отдельных видов или популяций («волны жизни») – результат изменения солнечной активности. Высказывается мнение, что солнечная активность оказывает влияние на многие геологические процессы, как следствие – катаклизмы, а также на социальную активность человеческого общества. На многие процессы в живой природе влияют: вращение Земли вокруг своей оси, обращение Земли вокруг Солнца, циклы солнечной активности.
2. Устойчивость. Преобладание в динамической системе внутренних взаимодействий над внешними взаимодействиями определяет ее устойчивость и способность к самосохранению. В настоящее время устойчивость системы называют гомеостазом.
Гомеостаз – это совокупность механизмов, устраняющих факторы, нарушающие внутреннее динамическое равновесие системы. Они способствуют возвращению системы в устойчивое положение. Поэтому возможен самостоятельный возврат природной системы к состоянию динамического равновесия, из которого она была выведена воздействием природных или техногенных сил. Гомеостатические механизмы поддерживают стабильность экосистем.
Биосфера за свою историю пережила ряд катастроф, многие из которых были значительными по масштабам (извержение вулканов, встречи с астероидами, глобальные оледенения, землетрясения и т.д.), но справлялась с ними. Отдельные региональные (крупные) экологические катастрофы она, как видим, гасить уже не всегда в силах, как следствие – распад экосистем (опустынивание земель), появление неустойчивых урбанизированных мегаполисов, исчезновение многих видов растительного и животного мира и т.д.
3. Эмерджентность (от анг. еmergent – внезапно возникающий) – наличие у системного целого особых свойств, не присущих его подсистемам. Это особое свойство системы, которое отсутствует у ее частей. Невозможно постичь свойства системы лишь на основании свойств составляющих ее частей, решающее значение при этом имеет взаимодействие между элементами. Например, водород и кислород, находящиеся на атомарном уровне, при соединении образуют молекулу воды. Она обладает совершенно новыми свойствами. Принцип эмерджентности имеет весьма важное значение для экологического мышления: одно дерево не может составить леса; лес возникает лишь при определенных условиях – достаточной густоте древостоя, соответствующей флоре и фауне, сформированных биоценозах и других условиях. Экосистема определенного вида сохраняется лишь при определенном сочетании экологических компонентов. Эмерджентные свойства необходимо учитывать при экологической экспертизе и прогнозировании; она лишает смысла однокомпонентного подхода к природным явлениям.
4. Разнообразие. Биосфера – система, характеризующаяся большим разнообразием. Разнообразие обусловливается многими факторами. Это и разные условия среды жизни, разнообразие географических зон, геохимических провинций и т.д., где существует около 2 млн. видов (1,5 млн. животных, 0,5 млн. растений). Многообразие видов возникло как результат присущей организмам изменчивости, микро- и макроэволюционных процессов. Это многообразие форм способствует дальнейшему усложнению компонентов биосферы и повышению целостности ее как системы.
Практически вся без исключения деятельность человека приводит к оскудению экосистем любого ранга (резко уменьшились площади лесов, их было до человека 70 % суши, а сейчас – не более 20–23 %), количество животных, растений и т.д. Видовая насыщенность культурных земель сведена человеком до минимума (как правило, один вид). Это делает растения крайне уязвимыми для вредителей. Не случайно, что биологическое разнообразие отнесено Конференцией ООН по ОС и развитию (1992 г.) к числу трех важнейших экологических проблем, по которым приняты специальные заявления и Конвенции о сохранении разнообразия видов, лесов, предотвращении изменения климата.
Для сохранения устойчивости биосферы и механизма биотической регуляции окружающей среды потребление человечества не должно превышать 1 % чистой первичной продукции глобальной биоты. Современное прямое потребление цивилизацией биосферной продукции суши составляет около 10 %, т.е. на порядок больше допустимого порогового значения.
С момента своего появления на Земле человек постоянно сталкивается с необходимостью борьбы за жизнь, с неблагоприятными условиями природы, со стихийными факторами, с непредсказуемостью даже ближайшего будущего.
Овладев культурой изготовления орудий труда, воспроизводством пищи, устройством жилищ, человек в значительной степени изолировал себя от неблагоприятных факторов среды. При этом запросы человека постоянно росли, что требовало расширения и интенсификации производства. Человек все меньше применял свою мускульную энергию, но все больше использовал природные материалы и источники энергии. Такое положение, с одной стороны, в значительной степени оградило человека от многих факторов риска, но с другой стороны, породило целый ряд новых.
Деятельность человека по преобразованию природы привела к возникновению относительно новых для него же условий существования. Появились, так называемые, «вторая природа» и «третья природа». «Вторая природа» – изменения природной среды, искусственно вызванные людьми и характеризующиеся отсутствием самоподдержания, то есть постепенно разрушающиеся без поддерживающего влияния человека (пашни, лесопосадки, искусственные водоемы и др.). «Третья природа» – искусственный мир, созданный человеком и не имеющий вещественно-энергетической аналогии в естественной природе (города, внутреннее пространство помещений, асфальт, бетон, синтетика и др.).
В результате окружающая человека природная и искусственная среда стала меняться столь быстро, что организм человека зачастую уже просто не успевает адаптироваться ко многим переменам. Это привело к изменению в структуре заболеваемости и массовому появлению новых болезней.
Одним из выходов из сложившейся ситуации называют коэволюцию, то есть совместную эволюцию, человека и природы, смысл которой в снижении масштабов и темпов человеческой деятельности по изменению условий окружающей природной среды, чтобы человек (да и другие живые организмы) успевал приспосабливаться к меняющимся условиям обитания.