Биосфера как глобальная экосистема. Деятельность человека и эволюция биосферы

 

Биосфера как глобальная экосистема. Деятельность человека и эволюция биосферы

 

Рассмотрение основополагающих вопросов общей экологии целесообразно начать со знакомства с биосферой как глобальной экосистемой и закономерностями ее функционирования. В таком случае разделы экологии более низкого ранга (популяционный, экосистемный) будут в определенной мере подчинены углубленному раскрытию закономерностей существования биосферы и допустимых пределов вмешательства в нее или ее звенья человека. Другими словами, на уровне экосистем элементарного плана должен осуществляться в основном принцип локальных действий, в то время как биосферный уровень формирует базу для глобального мышления.

В настоящее время становится предельно ясным, что среда, в которой мы живем, сформирована жившими организмами различных геологических эпох. По образному выражению Б. Коммонера, окружающая среда - «... это дом, созданный на Земле жизнью и для жизни». При этом каждое поколение организмов этот дом совершенствовало соответственно изменявшимся условиям и обитающим в нем существам. Эти истины стали понятными людям далеко не сразу. Важнейший вклад в этот раздел современной экологии внесли исследования академика В. И. Вернадского (1863-1945), его учение о биосфере.

Понятие «биосфера». Термин «биосфера» в научную литературу введен в 1875 г. австрийским ученым-геологом Эдуардом Зюссом. К биосфере он отнес все то пространство атмосферы, гидросферы и литосферы (твердой оболочки Земли), где встречаются живые организмы.

Владимир Иванович Вернадский (1863-1945) использовал этот термин и создал науку с аналогичным названием. Если с понятием «биосфера», по Зюссу, связывалось только наличие в трех сферах земной оболочки (твердой, жидкой и газообразной) живых организмов, то, по В. И. Вернадскому, им отводится роль главнейшей геохимической силы. При этом в понятие биосферы включается преобразующая деятельность организмов не только в границах распространения жизни в настоящее время, но и в прошлом. В таком случае под биосферой понимается все пространство (оболочка Земли), где существует или когда-либо существовала жизнь, то есть где встречаются живые организмы или продукты их жизнедеятельности. В. И. Вернадский не только сконкретизировал и очертил границы жизни в биосфере, но, самое главное, всесторонне раскрыл роль живых организмов в процессах планетарного масштаба. Он показал, что в природе нет более мощной геологической (средообразующей) силы, чем живые организмы и продукты их жизнедеятельности1.

Учение В. И. Вернадского о биосфере произвело переворот во взглядах на глобальные природные явления, в том числе геологические процессы, причины явлений, их эволюцию. До трудов В. И. Вернадского эти процессы прежде всего связывались с действием физико-химических сил, объединяемых термином «выветривание». В. И. Вернадский показал первостепенную преобразующую роль живых организмов и обусловливаемых ими механизмов образования и разрушения геологических структур, круговорота веществ, изменения твердой (литосферы), водной (гидросферы) и воздушной (атмосферы) оболочек Земли.

Ту часть биосферы, где живые организмы встречаются в настоящее время, обычно называют современной биосферой, или необиосферой, а древние биосферы относят к палеобиосферам, или белым биосферам. В качестве примеров последних можно назвать безжизненные скопления органических веществ (залежи каменных углей, нефти, горючих сланцев и т. п.) или запасы других соединений, образовавшихся при участии живых организмов (известь, мел, соединения кремния, рудные образования и т. п.).

Границы биосферы. По современным представлениям необиосфера в атмосфере простирается примерно до озонового экрана (у полюсов 8-10 км, у экватора - 17-18 км и над остальной поверхностью Земли - 20-25 км). За пределами озонового слоя жизнь невозможна вследствие наличия губительных космических ультрафиолетовых лучей. Гидросфера практически вся, в том числе и самая глубокая впадина (Марианская) Мирового океана (11022 м), занята жизнью. К необиосфере следует относить также и донные отложения, где возможно существование живых организмов. В литосферу жизнь проникает на несколько метров, ограничиваясь в основном почвенным слоем, но по отдельным трещинам и пещерам она распространяется на сотни метров.

Границы палеобиосферы в атмосфере примерно совпадают с необиосферой, под водами к палеобиосфере следует отнести и осадочные породы, которые, по В. И. Вернадскому, практически все претерпели переработку живыми организмами. Это толща от сотен метров до десятков километров. Сказанное относительно осадочных пород применимо и к литосфере, пережившей водную стадию функционирования.

Таким образом, границы биосферы определяются наличием живых организмов или «следами» их жизнедеятельности. В пределах современной, как и былых биосфер, насыщенность жизнью между тем далеко не равномерна. На границах биосферы встречаются лишь случайно занесенные организмы («поле устойчивости жизни», по В. И. Вернадскому). В пределах основной части биосферы организмы присутствуют постоянно («поле существования жизни»), но распределены далеко не равномерно. Очаги повышенной и максимальной концентрации жизни В. И. Вернадский называл пленками и сгущениями жизни. Эти наиболее продуктивные экосистемы являются своего рода каркасом биосферы и требуют повышенного внимания человека.

 

Видовая структура Биоценоза.

 

В природе все популяции, существующие в пределах одного биотопа, вступают в разнообразные взаимоотношения в зависимости от их потребностей и образуют более сложную биологическую систему - биоценоз. Биоценоз - это исторически сложившаяся совокупность популяций растений (фитоценоз), животных (зооценоз) и микроорганизмов (микроценоз), проживающих совместно в однородных условиях на общей территории и взаимосвязанных между собой различными типами взаимоотношений. Параллельно с термином «биоценоз» используется термин «сообщество». Сообщество - это любая совокупность популяций разных видов, взаимодействующих между собой и существующих совместно. Таким образом, понятие «сообщество» более широкое, чем «биоценоз».

Сообщество (биоценоз) является основным компонентом природных Надорганизменные систем. Надорганизменные системы имеют свои особенности в сравнении с организмом:

1. Сообщество  всегда возникает, формируется из  готовых частей, которые есть  в окружающей среде. В отдельном  организме они возникают путем  постепенной дифференциации зачатков.

2. Составные  части сообщества заменяемы. Один  вид может занять место другого  со сходными экологическими потребностями  без ущерба для системы. Части  же любого организма уникальны.

3. Если же  в организме поддерживается постоянная  согласованность деятельности его  органов, тканей и клеток, то надорганизменная  система существует за счет  уравновешивания противоположно  направленных сил, интересы многих  видов в сообществе прямо противоположны (хищник - жертва).

4. Сообщества  основаны на количественной регуляции  численности одних видов другими, в организме регуляция всех  органов осуществляется нервной  системой и гуморальным путем.

5. Размеры  организма ограничены его внутренней  наследственной программой. Размеры надорганизменной системы определяются внешними причинами.

Как и всякая биологическая система, биоценоз имеет свою структуру, которую можно охарактеризовать в двух аспектах:

1) видовая, или  таксономическая, структура;

2) пространственная  структура;

Видовая, или таксономическая, структура. Видовая структура характеризует разнообразие видов и соотношение их численности или массы.

Видовое разнообразие биоценоза характеризуется двумя показателями: 1) видовое богатство; 2) видовая насыщенность.

Видовое богатство - это общее число видов, обитающих в данном биотопе. Видовое богатство возрастает с севера на юг, а также с увеличением площади биотопа и эволюционного времени. Чем выше видовое богатство, тем более устойчивым является биоценоз, и наоборот.

Видовая насыщенность - это количество видов на единице площади или в единице объема биотопа.

Соотношение численности видов характеризуется показателем выравненность. Например, если два биоценоза (А и В) имеют одинаковое видовое богатство (10 видов) и одинаковую численность особей (100 особей), то они могут отличаться по характеру распределения этих особей между видами, т.е. выравненностью:

биоценоз А: 91:1:1:1:1:1:1:1:1:1 -минимальная выравненность и максимальное доминирование;

биоценоз В: 10:10:10:10:10:10:10:10:10:10 -максимальная выравненность и минимальное доминирование.

Выравненность возрастает с севера на юг, а доминирование возрастает с юга на север.

В природе границы между биоценозами редко бывают резкими, чаще всего наблюдается постепенный переход, в результате чего образуется пограничная зона, которая имеет особенные условия существования. По протяженности она всегда меньше, чем территория биотопов. Эта зона называется экотон. Она более богата по численности видов, чем каждое из смежных сообществ, потому что здесь встречаются как виды из соседних сообществ, так и виды, характерные только для экотона. Тенденция к увеличению видового разнообразия и плотности организмов на границе сообществ называется краевым, или пограничным, эффектом.

Пространственная структура. Пространственная структура характеризует распределение особей биоценоза в пределах биотопа.

Любой биоценоз занимает конкретное пространство, которое разделяется между видами в зависимости от их биологических особенностей. В связи с этим различают вертикальную и горизонтальную зональность, а также консорции.

Вертикальная зональность биоценоза обусловлена наличием в нем растений разной высоты. Благодаря этому в биоценозе наблюдается вертикальное расслоение на структурные части, занимающие разное положение по отношению к уровню почвы. Это явление называется ярусностью, а структурные части биоценоза - ярусами. Растительные ярусы заселяются животными и микроорганизмами. Ярусность способствует значительному ослаблению конкуренции между видами, благодаря этому увеличивается численность особей на единице площади и более полно и разнообразно используются условия среды.

В биоценозе различают надземную и подземную ярусность. В биоценозе смешанного леса выделяют 5-7 надземных ярусов. Подземная ярусность обусловлена разной глубиной расположения активной части корневой системы и включает, как правило, на один ярус меньше, чем надземная ярусность, так как мхи, грибы и лишайники, формирующие самый нижний ярус, корневой системы не имеют.

 

 

Основные принципы охраны окружающей среды и рационального природопользования

 

Постоянный рост населения планеты сопровождается бурным ростом использования всех видов природных ресурсов. Под влиянием хозяйственной деятельности человека природные ресурсы истощаются. Охрана природы и рациональное использование природных ресурсов призваны решать эту проблему. Охрана ресурсов в процессе их использования - это

основной принцип охраны природы. «Все связано со всем» - гласит закон Б. Коммонера. Поэтому охрана одного природного объекта означает охрану объектов, связанных с ним.

Организация охраны природы должна осуществляться одновременно с рациональным природопользованием в двух направлениях:

1) минимизация  вредных последствий производственной  деятельности;

2) стимулирование  нормального функционирования биосферы  планеты.

Важными принципами рационального использования природных ресурсов являются:

1) изучение  ресурсов. Грамотное и бережное  использование ресурсов невозможно  без наличия сведений об их  объеме, качестве, без прогноза последствий  их изъятия из природных объектов  и возможности замены их на  другие;

2) организация  мониторинга состояния природных  ресурсов;

3) совершенствование  технологий добычи, транспортировки  и переработки ресурсов, предусматривающее  их максимальное использование. Проектирование, строительство новых, а также модернизация уже имеющихся  производств с целью сокращения  использования природных ресурсов. Использование альтернативных источников  энергии;

4) повышение  урожайности в сельском хозяйстве  на освоенных территориях, строгое  соблюдение норм и назначения  при использовании минеральных  удобрений и пестицидов;

5) постоянный  поиск новейших природоохранных  технологий с обязательным проведением  экологической экспертизы;

6) сокращение  образования отходов производства - сточных вод, выбросов в атмосферу  и твердых отходов. Использование  отходов в качестве сырья для  получения энергии и продукции;

7) восстановление  природных объектов после техногенного  воздействия - рекультивация земель, защита от эрозии почв, воспроизводство  лесов и организация борьбы  с лесными пожарами т. п.;

8) сохранение  биологического разнообразия планеты. Организация заповедных зон, заказников, национальных парков. Сокращение  отлова промысловых и морских  беспозвоночных. Охрана и разведение  редких видов растений и животных;

9) открытая  демонстрация результатов природоохранной  деятельности. Экологическое просвещение  населения;

10) совершенствование  природоохранного законодательства  стран и создание эффективных  механизмов его реализации.

 

Потенциальные экологические опасности

 

Вопросы защиты естественных основ жизни от опасностей стали в последнее время узловыми, ключом к будущему. Потенциальными экологическими опасностями являются технологический и экологический кризисы, в которых оказалась Россия.

Экологическая опасность – вероятность разрушения среды обитания человека, растений и животных в результате неконтролируемых развитий экономики, отставания технологий, естественных и антропогенных аварий и катастроф, вследствие чего нарушается приспособленность живых систем к условиям существования.

Рассмотрим источники и последствия этих кризисов (опасностей).

Технологический кризис. Со вступлением человечества в эпоху научно-технического прогресса, стремительного роста техносферы частота и масштабы ущерба от технологических катастроф стали сопоставимы с аналогичными показателями стихийных бедствий либо с потенциалом военных арсеналов. Эти катастрофы могут вызвать далеко идущие негативные последствия, затрагивающие территории соседних стран и даже распространяясь по всей планете. Потенциально наиболее опасными считаются атомные объекты, химическая промышленность, нефтепереработка, трубопроводы, транспорт. Но и в повседневной жизни, изо дня в день имеют место тысячи «тихих» технологических катастроф, порождаемых выбросами в атмосферу и водоемы, захоронением в землю различных вредных отходов. Их коварность состоит в том, что, подобно накоплению радиоактивности, токсическое воздействие на человека и живые организмы происходит постепенно и до определенного уровня незаметно. Кумулятивный же эффект, однако, с каждым годом растет и в итоге грозит неотвратимым умерщвлением, как природы, так и человека.