Основные сведения глобальной экологии.

Биосфера – «область жизни», пространство на поверхности земного шара, в котором распространены живые существа. Термин был введен в 1875 году австрийцем Эдуардом Зюссом, однако до него о планетарной роли жизни в формировании земной коры высказывался Ж.Б. Ламарк. Целостное учение о биосфере было создано академиком В.И. Вернадским в начале XX века. Большое влияние на него оказали работы В. В. Докучаева о почве, как о естественно-историческом теле. По В.И Вернадскому биосфера представляет собой одну из геологических оболочек земного шара, глобальную систему земли, в которой геохимические и энергетические превращения определяются суммарной активностью всех живых организмов – живого вещества.

Биосфера имеет определенные границы и охватывает относительно небольшой слой поверхностных оболочек нашей планеты. Каждая из геологических оболочек имеет свои специфические свойства, которые определяют не только набор форм живых организмов, обитающих в данной части биосферы, но и их основные морфофизиологические особенности. При этом атмосфера, гидросфера и литосфера предстают не только как емкости, заполненные жизнью, но как основные среды жизни, активно формирующие ее состав и биологические свойства.

Биосферу, как местообитание организмов, можно разделить на три подсферы (которые, в свою очередь, имеют составные части):

1) геобиосферу (верхнюю часть литосферы, населенную геобионтами):

· террабиосферу (поверхность суши с наземными организмами – террабионтами);

- гипотеррабиосферу (слой, где возможна жизнь аэробных организмов, до 1,5 км);

- теллуробиосферу (слой, где возможна жизнь анаэробных организмов, до 6 км);

· литобиосферу (толщу земной коры с литобионтами);

- фитосферу (пространства от 0 до 150 м., т.е. до верхушек деревьев);

- педосферу (почвенный покров до 2 – 3 метров с педобионтами);

2) гидробиосферу:

Как часть биосферы рассматривается только поверхностная часть литосферы, которая представляет собой сложное биокосное тело (содержащее органические, минеральные компоненты и воду) и называется почвой. Поэтому часто в место термина «литосфера» употребляется понятие «педосфера» (эдафосфера) – почвенная оболочка Земли. Минерального вещества в почве от 60 % и более. От минерального состава почвы зависят ее физико-химические свойства, а следовательно, аэрация, водный и температурный режим, условия движения организмов. Органическое вещество – обязательный компонент почвы. Почвенный горизонт (А_о) – лесная подстилка, сформированная растительным опадом. Почвенные животные (насекомые, панцирные клещи, черви) измельчают субстрат, обогащают его азотом и делают доступным для грибов и бактерий. При этом детрит превращается в гумус, формирующий перегнойно-аккумулятивный горизонт (А₁). Гумус не имеет постоянной химической структуры, в нем происходят завершающие стадии разложения органики. Он содержит органические кислоты большое количество коллоидных частиц (частицы диаметром < 0,001 мм), которые активно связывают ионы биогенных элементов и не дают промывным водам смыть их за пределы корнеобитаемой зоны. Горизонт А₂ (элювиальный или вымывания) беден органическим веществом, которое вымывается из него в нижележащий иллювиальный (или вмывания) горизонт (В). Еще ниже располагается материнская порода – горизонт С. На стыке горизонтов В и С направление движения влаги сменяется на горизонтальное. Фактически жизнь в литосфере простирается не более чем на 10 м (5 – 7 м – норы грызунов, 8 – 10 м – корни растений). Формально границы геобиосферы отодвигают до 3 км бактерии, которые обитают в водах, сопутствующих залежам нефти, и до 100 м – рыбы подземных водоемов.

Атмосфера.

На атмосферу действует сила земного притяжения, которая удерживает воздушную оболочку у поверхности Земли. Атмосферные газы сжимаются под действием собственного веса. Это сжатие максимально у нижней границы атмосферы, поэтому и плотность воздуха здесь наибольшая. На любой высоте над земной поверхностью давление воздуха равно весу вышележащего столба атмосферы, приходящемуся на единицу площади. Поэтому с высотой давление монотонно уменьшается; а поскольку оно находится в прямой связи с плотностью, то и плотность воздуха уменьшается с высотой. Если бы атмосфера представляла собой «идеальный газ» с не зависящим от высоты постоянным составом, неизменной температурой и на нее действовала бы постоянная сила тяжести, то давление уменьшалось бы в 10 раз на каждые 20 км высоты. Реальная атмосфера незначительно отличается от идеального газа примерно до высоты 100 км, а затем давление с высотой убывает медленнее, так как изменяется состав воздуха. Небольшие изменения в описанную модель вносит и уменьшение силы тяжести по мере удаления от центра Земли, составляющее вблизи земной поверхности около 3% на каждые 100 км высоты.

В отличие от атмосферного давления температура с высотой не понижается непрерывно, она убывает приблизительно до высоты 10 км, а затем вновь начинает расти. Это происходит при поглощении ультрафиолетовой солнечной радиации кислородом. При этом образуется газ озон, молекулы которого состоят из трех атомов кислорода (О₃). Он тоже поглощает ультрафиолетовое излучение, и поэтому этот слой атмосферы, называемый озоносферой, нагревается. Выше температура вновь понижается, так как там гораздо меньше молекул газа, и соответственно сокращается поглощение энергии. В еще более высоких слоях температура вновь повышается вследствие поглощения атмосферой наиболее коротковолнового ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца. Под воздействием этого мощного излучения происходит ионизация атмосферы, т.е. молекула газа теряет электрон и приобретает положительный электрический заряд. Такие молекулы становятся положительно заряженными ионами. Благодаря наличию свободных электронов и ионов этот слой атмосферы приобретает свойства электропроводника. Полагают, что температура продолжает повышаться до высот, где разреженная атмосфера переходит в межпланетное пространство. На расстоянии нескольких тысяч километров от поверхности Земли, вероятно, преобладают температуры от 5000 до 10 000 ^оС. Хотя молекулы и атомы имеют очень большие скорости движения, а следовательно, и высокую температуру, этот разреженный газ не является «горячим» в привычном смысле. Из-за мизерного количества молекул на больших высотах их суммарная тепловая энергия весьма невелика.

На основании осредненного распределения температур метеорологи разработали схему строения идеальной «средней атмосферы»:

Тропосфера – нижний слой атмосферы, простирающийся до первого термического минимума (т.н. тропопаузы). Верхняя граница тропосферы зависит от географической широты (в тропиках – 18–20 км, в умеренных широтах – ок. 10 км) и времени года. В марте тропопауза находится на высоте ок. 7,5 км. С марта до августа или сентября происходит неуклонное охлаждение тропосферы, и ее граница на короткий период в августе или сентябре поднимается приблизительно до высоты 11,5 км. Затем с сентября по декабрь она быстро понижается и достигает своего самого низкого положения – 7,5 км, где и остается до марта, испытывая колебания в пределах всего 0,5 км. Именно в тропосфере в основном формируется погода, которая определяет условия существования человека. Б льшая часть атмосферного водяного пара сосредоточена в тропосфере, и поэтому здесь главным образом и формируются облака, хотя некоторые из них, состоящие из ледяных кристаллов, встречаются и в более высоких слоях. Для тропосферы характерны турбулентность и мощные воздушные течения (ветры) и штормы. В верхней тропосфере существуют сильные воздушные течения строго определенного направления. Турбулентные вихри, подобные небольшим водоворотам, образуются под воздействием трения и динамического взаимодействия между медленно и быстро движущимися воздушными массами. Поскольку в этих высоких слоях облачности обычно нет, такую турбулентность называют «турбулентностью ясного неба».

Стратосфера. Вышележащий слой атмосферы часто ошибочно описывают как слой со сравнительно постоянными температурами, где ветры дуют более или менее устойчиво и где метеорологические элементы мало меняются. Верхние слои стратосферы нагреваются при поглощении кислородом и озоном солнечного ультрафиолетового излучения. Верхняя граница стратосферы (стратопауза) проводится там, где температура несколько повышается, достигая промежуточного максимума, который нередко сопоставим с температурой приземного слоя воздуха. В стратосфере установлены турбулентные возмущения и сильные ветры, дующие в разных направлениях. Сильные ветры, называемые струйными течениями, дуют в узких зонах вдоль границ умеренных широт, обращенных к полюсам.

Мезосфера, располагающаяся выше стратосферы, представляет собой оболочку, в которой до высоты 80–85 км происходит понижение температуры до минимальных показателей для атмосферы в целом - до –110 ^оС. Верхний предел мезосферы (мезопауза) примерно совпадает с нижней границей области активного поглощения рентгеновского и наиболее коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца, что сопровождается нагреванием и ионизацией газа. В полярных регионах летом в мезопаузе часто появляются облачные системы, которые занимают большую площадь, но имеют незначительное вертикальное развитие. Такие светящиеся по ночам облака часто позволяют обнаруживать крупномасштабные волнообразные движения воздуха в мезосфере. Состав этих облаков, источники влаги и ядер конденсации, динамика и связь с метеорологическими факторами пока еще недостаточно изучены.

Термосферапредставляет собой слой атмосферы, в котором непрерывно повышается температура. Его мощность может достигать 600 км. Давление и, следовательно, плотность газа с высотой постоянно уменьшаются. Вблизи земной поверхности в 1 м³ воздуха содержится около 2,5*1025 молекул. В межпланетном пространстве концентрация молекул составляет 108–109 на 1 м³. На высоте около 100 км количество молекул невелико, и они редко сталкиваются между собой. Среднее расстояние, которое преодолевает хаотически движущаяся молекула до столкновения с другой такой же молекулой, называется ее средним свободным пробегом. Слой, в котором эта величина настолько увеличивается, что вероятностью межмолекулярных или межатомных столкновений можно пренебречь, находится на границе между термосферой и вышележащей оболочкой (экзосферой) и называется термопаузой. Термопауза отстоит от земной поверхности примерно на 650 км. По мере удаления от поверхности Земли атомарный кислород приобретает все большее значение в составе атмосферы и на высоте около 200 км становится ее главным компонентом. Выше, приблизительно на расстоянии 1200 км от поверхности Земли, преобладают легкие газы – гелий и водород. Из них и состоит внешняя оболочка атмосферы.

Экзосферойназывается внешний слой атмосферы, выделяемый на основе изменений температуры и свойств нейтрального газа. Молекулы и атомы в экзосфере вращаются вокруг Земли по баллистическим орбитам под воздействием силы тяжести. Некоторые из этих орбит параболические и похожи на траектории метательных снарядов. Молекулы могут вращаться вокруг Земли и по эллиптическим орбитам, как спутники. Некоторые молекулы, в основном водорода и гелия, имеют разомкнутые траектории и уходят в космическое пространство

Гравитационное поле Земли с высокой точностью описывается законом всемирного тяготения Ньютона. Ускорение свободного падения над поверхностью Земли определяется как гравитационной, так и центробежной силой, обусловленной вращением Земли. Зависимость ускорения свободного падения от широты приближенно описывается формулой g = 9,78031 (1+0,005302 sin2 ) m/c2, где m масса тела.

Магнитное поле над поверхностью Земли складывается из постоянной (или меняющейся достаточно медленно) «главной» и переменной частей; последнюю обычно относят к вариациям магнитного поля. Главное магнитное поле имеет структуру, близкую к дипольной. Магнитный дипольный момент Земли, равный 7,98·1025 единиц СГСМ, направлен примерно противоположно механическому , хотя в настоящее время магнитные полюсы несколько смещены по отношению к географическим. Их положение, впрочем, меняется со временем, и хотя эти изменения достаточно медленны, за геологические промежутки времени, по палеомагнитным данным, обнаруживаются даже магнитные инверсии, то есть обращения полярности. Напряженности магнитного поля на северном и южном магнитных полюсах равны соответственно 0,58 и 0,68 Э, а на геомагнитном экваторе около 0,4 Э.

Электрическое поле над поверхностью Земли в среднем имеет напряженность около 100 В/м и направлено вертикально вниз это так называемое «поле ясной погоды», но это поле испытывает значительные (как периодические, так и нерегулярные) вариации.

Отличие состава атмосферы от состава вулканических газов свидетельствует о мощных процессах ее преобразования в результате жизнедеятельности живого населения биосферы. Процессы газообмена в живых системах напрямую зависят от величины парциального давления кислорода и СО₂. На высоте свыше 6 200 м давление уменьшается в двое по сравнению с атмосферным. Воздух как среда жизни (табл. 5.1) обладает определенными особенностями, обусловливающими эволюцию его обитателей. Высокое содержание О₂ определяет высокий уровень энергетического метаболизма. Низкая плотность воздуха исключает существование организмов, не связанных с субстратом, поэтому жизнь в атмосфере сосредоточена вблизи поверхности земли (обычно не более 50 – 70 м).  Жизнь в атмосфере не отличается вертикальной структурированностью потоков вещества и энергии. Многообразие жизненных форм наземных организмов определяется зональными климатическими и ландшафтными факторами. Форма и движение Земли определяет существование на ней однородных по условиям жизни ландшафтно-климатических зон (тропические леса, пустыни, саванны, степи, леса, тундры, полярные пустыни). Прозрачность атмосферы определяет попадание на поверхность земли солнечного света (47 % от количества света, доходящего до Земли). Примерно половина его – фотосинтетически активная радиация (ФАР) с длинной волны 380 – 710 мм.

Таблица 1. Газовый состав атмосферы

Гидросфера

Гидросфе́ра - это водная оболочка Земли. Средняя глубина океана составляет 3800 м, максимальная (Марианская впадина Тихого океана) — 11 022 метра. Около 97 % массы гидросферы составляют соленые океанические воды, 2,2 % — воды ледников, остальная часть приходится на подземные, озерные и речные пресные воды. Общий объём воды на планете около 1 532 000 000 кубических километров. Масса гидросферы примерно 1,46*10²¹ кг. Это в 275 раз больше массы атмосферы, но лишь 1/4000 от массы всей планеты. Воды Мирового океана содержат растворенные соли (в среднем 3,5%), а также ряд газов. Верхний слой океана содержит 140 трлн. тонн углекислого газа, а растворенного кислорода — 8 трлн. тонн. Область биосферы в гидросфере представлена во всей ее толще, однако наибольшая плотность живого вещества приходится на поверхностные прогреваемые и освещаемые лучами солнца слои, а также прибрежные зоны.

В общем виде принято деление гидросферы на Мировой океан (71 % от поверхности Земли), континентальные воды (5 %) и подземные воды. Большая часть воды сосредоточена в океане, значительно меньше — в континентальной речной сети и подземных водах. Также большие запасы воды имеются в атмосфере, в виде облаков и водяного пара. Свыше 96 % объёма гидросферы составляют моря и океаны, около 2 % — подземные воды, около 2 % — льды и снега, около 0,02 % — поверхностные воды суши. Часть воды находится в твёрдом состоянии в виде ледников, снежного покрова и в вечной мерзлоте, представляя собой криосферу.

Поверхностные воды, занимая сравнительно малую долю в общей массе гидросферы, тем не менее, играют важнейшую роль в жизни наземной биосферы, являясь основным источником водоснабжения, орошения и обводнения. Сверх того эта часть гидросферы находится в постоянном взаимодействии с атмосферой и земной корой.

Взаимодействие этих вод и взаимные переходы из одних видов вод в другие составляют сложный круговорот воды на земном шаре. В гидросфере впервые зародилась жизнь на Земле. Лишь в начале палеозойской эры началось постепенное переселение животных и растительных организмов на сушу. Океаническую кору слагают осадочный и базальтовый слои.

Химизм воды имеет чрезвычайное значение как фактор существования организмов. По мнению большинства ученых, жизнь зародилась в океане именно благодаря уникальному химизму воды. Вода как среда жизни немыслима без огромного количества веществ органогенного происхождения. Причем, соотношение растворенной в воде органики, мертвой органики и живого вещества в океане примерно 100 : 10 : 1. Благодаря этому жизнь распространена в гидросфере по всей ее толщине, вплоть до дна Марианской впадины (11 022 м). Особенности гидросферы состоят в четкой приуроченности биогенного круговорота веществ к вертикальной зональности. Если проще говорить, вся органика в океане синтезируется в эвфотической зоне (зоне проникновения света, где фотосинтез энергетически выгоден) глубиной до 200 м. Исключение составляют глубоководные рифтовые зоны. Комплекс свойств водной среды определил многие черты биологии водных организмов и существование широкого спектра их жизненных форм.

Все живое примерно на 80 % по объему состоит из воды. Вода находится в постоянном движении. Это вечное движение воды в природе обеспечивает обмен веществ между организмами и окружающей средой и между отдельными компонентами среды, очищение воды от загрязнения при испарении и непрерывное образование пресной воды. Структура распределения водных масс в гидросфере Земли (табл. 6.1) показывает, что более 98 % мировых запасов составляет соленая вода. Основные запасы пресной воды сосредоточены в ледниках и недоступны для использования.

Таблица 2. Распределение водных масс и активность водообмена в гидросфере

Объем остальной части пресных вод составляет доли процентов от общих мировых запасов водных масс. Кроме того, пресная вода неравномерно распределена по поверхности Земли. Около шестой части населения планеты испытывает острую нехватку питьевой воды. Россия обладает 1/4 частью всех мировых запасов пресных вод, причем 80 % отечественных запасов сосредоточено в озере Байкал.

Важнейшей характеристикой различных частей гидросферы является активность водообмена. Наибольшей скоростью водообмена обладают реки, вода в которых сменяется каждые 10 – 11 дней. Именно поэтому, несмотря на малые запасы речных вод (0,0001 % объема всей гидросферы или 1200 км³), они обеспечивают основной объем потребляемой воды, так как обладают значительной способностью к возобновлению и самоочищению.

Обмен веществ в биосфере.

Все три оболочки (атмосфера, гидросфера и литосфера) тесно связанны друг с другом, образую единую функциональную систему, обеспечивающую глобальный круговорот веществ, и за счет этого саморегулирующуюся. Особая роль в этом процессе саморегуляции играет живое вещество планеты (примерная масса 2400 млрд. т). Биохимические реакции в живых организмах протекают в 1000 раз быстрее реакций в неорганическом мире за счет биологических катализаторов – ферментов, что делает живое вещество чрезвычайно химически активным. Эта активность обеспечивает вовлечение в глобальный круговорот биологически значимых химических элементов. Так, весь кислород планеты обновляется с помощью живых организмов за 2000 лет.

Высокая способность биосферы к саморегуляции лежит в основе гипотезы «Геи», согласно которой живой мир рассматривают как единый живой сверхорганизм (Дж. Ловелок, 1986 г.). Другими важнейшими свойствами живого вещества являются:

· устойчивость к жизни и быстрое разложение после смерти;

· способность быстро осваивать все свободное пространство;

· высокая приспособительная способность к различным условиям среды;

· высокая скорость обновления живого вещества.

Именно эти свойства живого вещества определяют способность биосферы к гомеостазу.

Геохимические функции живого вещества разнообразны:

1) энергетическая – связывание и запасание солнечной энергии в органическом веществе, и последующее рассеивание энергии при минерализации органики;

2) газовая – способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды и атмосферы в целом;

3) концентрационная – захват из окружающей среды живыми организмами и накопление в них атомов биогенных химических элементов (многие моллюски накапливают Са, губки – J, хвощи – Si и т.п.) результат этой функции – образование залежей полезных ископаемых: нефти, сланцев, известняков, железа и т.д.;

4) окислительно-восстановительная – окисление и восстановление различных веществ при миграции химических элементов через цепь живых организмов.

5) деструктивная – разрушение органического и минерального вещества живыми организмами и продуктами их жизнедеятельности;

6) средообразующая –синтез всех функций. В результате были сформированы в современном варианте атмосфера, почва, гидросфера;

7)  транспортная – перенасыщенность вещества и энергии в результате активной формы движения организмов;

8) рассеивающая – противоположна концентрационной;

9) информационная – накопление живыми организмами информации, закрепление ее в наследственных структурах и передача последующим поколениям.

Живые организмы построены из большого количества химических элементов (рис. 5.1).

Круговорот веществ – многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидро- и литосфере. В зависимости от движущей силы условно выделяюткруговороты: геологический (большой) круговорот веществ, биологический (геохимический или малый) круговорот веществ и антропогенный круговорот (обмен) веществ.

Геологический (большой) круговорот веществ – процессы образования и разрушения различных форм рельефа в результате геологических процессов при участии энергии Солнца (горообразование, выветривание горных пород, подъем новых материков). Геологический круговорот протекает без участия живых организмов и охватывает обширные области за пределами биосферы.

Биологический (геохимический или малый) круговорот веществ совершается в пределах биосферы. Его движущей силой является деятельность живых организмов, а главным источником энергии круговорота является солнечная радиация. Интенсивность биологического круговорота, в первую очередь, определяется температурой окружающей среды и количеством воды (в тропиках скорость круговорота выше, чем в тундре).

Движущей силой антропогенного круговорота (обмена) веществ является человеческая деятельность. Хозяйственная деятельность человека приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению природной среды, что обусловливает незамкнутость антропогенного круговорота (обмена) веществ.

Живое вещество стремится так преобразовать среду обитания, чтобы необходимые жизни элементы (биогенные = жизнеродные) всегда были в доступной (растворимой) форме в нужном месте и нужном количестве. Эти элементы должны как можно дольше циркулировать в экосистемных циклах, не возвращаясь в исходное геохимическое состояние. При этом живое вещество постоянно накапливает, перемещает и видоизменяет различные химические вещества в огромных масштабах. Из всех химических элементов наиболее важными для организмов являются C, O, H, N, S, P.

Контрольные вопросы к главе 4:

1. Основные сведения популяционной экологии.

2. Основные сведения биоценологии.

3. Важнейшие экосистемы.

4. Основные сведения глобальной экологии, структура биосферы.

5. Основные сведения о литосфере.

6. Основные сведения об атмосфере.

7. Основные сведения о гидросфере.

8. Обмен веществ в биосфере.