Основные этапы эволюции биосферы.

В связи с тем, что не все органическое вещество первичного бульона вошло в состав коацерватов традиционно предполагается, что протобионты были гетеротрофами. Однако принимая во внимание полифилетичность жизни и основную особенность биосферы как процесса синтеза и деструкции кажется более логичным предположить и наличие синтезирующих организмов. В своем примитивном варианте фотосинтез не мог быть источником кислорода. В безкислородной среде современные цианобактерии используют сероводород при фиксации CO_2. Следующим этапом в развитии биосферы было возникновение организмов способных к фотолизу воды. Использование в фотосинтезе всегда недефицитной воды дало таким организмам и биосфере в целом больше выгод. Водоросли, активно фотосинтезируя, создавали окислительные условия в ближайшем окружении. Из-за нерегулярной эрозии количество уходящего в осадки органического вещества должно было быть весьма велико, но многократная переработка осадков должна была приводить к их значительному окислению. При этом накопление кислорода в атмосфере шло весьма медленно. Отсутствие рек, преобладание плащевого стока приводило к тому, что вода стекающая с материков была мутной. Мутность воды в прибрежной зоне затрудняла утилизацию минеральных веществ океаническим фитопланктоном из-за узости фотической зоны. Питание организмов на этом этапе оставалось осмотическим. Казалось бы, что наиболее прогрессивным шагом при таком типе питания является дальнейшая миниатюризация жизни, однако мелкие организмы, лишенные способности активно передвигаться в окружающей среде быстро истощают биогены вокруг себя и оказываются в условиях пищевого дефицита. Для преодоления этого противоречия возможны два пути. Один реализовали строматолиты, зафиксировав себя в пространстве и представив среде двигаться относительно их. Второй путь - увеличение размеров тела. Первоначально его попытались реализовать прокариоты - объединившись в агрегаты, но наибольшего развития он достиг у эукариотических организмов. Процесс роста разнообразия значительно, а, возможно, и принципиально ускоряется в Кембрии. появлением членистоногих, а среди них весьма совершенных фильтраторов, образующих фекальные пеллеты. Последствия появления совершенных фильтраторов вполне очевидны. Роль пеллетов известна гораздо хуже, хотя и не менее значима. В современных морях попадающий в них тонкий пеллитовый материал очень быстро отфильтровывается, упаковывается в фекальные пеллиты и отправляется на дно. Без пеллитового механизма мутность воды была бы несравненно большей. Просветление и насыщение воды кислородом привело в Ордовике к освоению толщи морей жизнью. История развития жизни на суше, по-видимому, начинается с образования под водорослево-бактериальными матами примитивных почв, известных уже в докембрии. Возникновение наземных растений с жесткими вертикальными осями, появление камбиальной ткани и вторичной древесины, без которых рост таких растений не мог происходить, несомненно, оказались величайшими новообразованиями. Они изменили ситуацию сразу в нескольких направлениях. Появилась возможность резко увеличить интенсивность образования органического вещества, так как фотосинтезирующие структуры располагаются теперь в трехмерном пространстве, а не на плоскости. Вертикальное положение осей сделало растения устойчивыми к занесению смываемым мелкоземом, тем самым резко уменьшив потери органики из биогеоценозов. Обеспечение жесткости стволов требовало значительного количества древесины, дававшей после гибели растений большое количество детрита, который из-за медленного разложения приводил к стабилизации условий в биоценозе. Поддержание вертикального положения требовало развития достаточно мощной корневой системы, что повышало противоэрозионные свойства растительности. Можно видеть, что все эти изменения в общем приводили к стабилизации биогеоценозов. экологическая экспансия покрытосеменных имела клонность давать за счет неотении травянистые формы, использовать вегетативное размножение и образовывать дерновины. Эффективность сукцессионных систем по кондиционированию среды - предупреждение эрозии, совершенствование почвы как буфера против вымывания биогенов, перевод стока в преимущественно подпочвенный - привела к появлению новых типов ландшафтов с гораздо большей пестротой гидро- и педологических характеристик. Более всего регулирование стока воды и биогенов должно было сказаться на континентальных водоемах. Однако этот процесс затянулся на длительное время вплоть до распространения в Неогене злаковников и водоемов с пышным развитием погруженных некрофитов.

2. Прогноз возможного естественного развития биосферы. Концепция ноосферы.

Интенсивность солнечного излучения по данным современной астрономии, по-видимому, сохранится на уровне близком к современному не один миллиард лет. Многолетние флуктуации солнечной активности также, очевидно, не достигают критических величин. Приливное трение будет замедлять вращение Земли вокруг оси, что приведет к увеличению продолжительности суток. Снижение концентрации углекислого газа в атмосфере в результате вулканической деятельности и усилении фотосинтеза сопровождается понижением температуры поверхности Земли. Дальнейшее снижение концентрации CO₂ по его расчетам неизбежно должно привести к устойчивому режиму полного оледенения Земли. Качественно новый этап в развитии биосферы начался в конце Третичного периода в связи с появлением новой геологической и биотической силы - человеком. К этому времени биотический круговорот достиг своего современного развития, став мощным фактором мегабиосферы. Сначала деятельность людей мало отличалась от деятельности иных животных. Беря у биосферы средства к существованию, люди отдавали ей то, что могли использовать другие организмы. Универсальная способность микроорганизмов производить разрушение почти любого органического вещества достаточно долго обеспечивало включение остатков человеческой деятельности в биотический круговорот. Однако уже добывание огня выделило наших предков из ряда других животных. Научившись использовать огонь люди приобрели способность к полной деструкции органических остатков, то есть научились делать то, что до них делали лишь микроорганизмы. Умение с помощью огня минерализовать органические остатки позволило в дальнейшем вовлечь в круговорот даже те органические вещества которые слабо используются микроорганизмами. В результате внутри биотического круговорота обособляется антропогенный круговорот. Дальнейшую судьбу человечества величайшие умы общества связывают с ноосферой - новым этапом развития биосферы, в котором биохимические и биоценотические процессы находятся под антропогенным влиянием и в котором научная мысль и техническая оснащенность дают возможность контролировать, модифицировать и изменять эти процессы, то есть управлять ими. Само понятие "ноосфера" было первоначально введено в науку французским философом Э. Леруа (1927) и получило развитие в работах В.И. Вернадского. Черты современные ноосферы:

- трудовые процессы распространились на все компоненты биосферы и стали важнейшими факторами ее дальнейшего развития,

- наблюдается рост и социализация населения,

- современное развитие общества характеризуется разрушительной деятельностью,

- объем биогенного и антропогенного круговоротов становятся соизмеримыми,

- мощность антропогенного воздействия на биосферу возрастает быстрыми темпами,

- в отдельных сообществах хозяйственная деятельность человека приводит к полной перестройке их структуры.

3. Научные основы экистики (экология города): зонирование территории города, экологии особенности города, энергопотребление и функционирование городских экосистем.

Процесс увеличения численности городских поселений, приводящий к росту и развитию городов, получил название урбанизации. В 50-х годах XX века появилась экистика- урбанистическая наука, изучающая формирование и эволюцию человеческих поселений. Целью экистики является создание моделей поселений (городов) различной величины с оптимальным сочетанием элементов их планировочной структуры и окружающей природной среды.

На метеорологический режим города влияют следующие факторы:

1) изменение альбедо (отражательной способности) земной поверхности, которое для застроенных районов обычно меньше альбедо загородной местности;

2) уменьшение средней величины испарения с земной поверхности;

3) выделение тепла, создаваемого различными видами хозяйственной деятельности;

4) увеличение в черте города шероховатости земной поверхности по сравнению с загородной местностью;

5) загрязнение атмосферы различными примесями, образуемыми в результате хозяйственной деятельности.

Функциональное зонирование территории города. Промышленная зонапредназначается для размещения промышленных предприятий и связанных с ними объектов. Промышленные зоны формируют с учетом производственно-технологических, транспортных, санитарно-гигиенических и функциональных требований. Санитарно-защитная зонапредназначена для уменьшения отрицательного влияния промышленных и транспортных объектов на население. Эта зона пространства и растительности специально выделяется между промышленными предприятиями и районом проживания населения. Санитарно-защитная зона обеспечивает пространство для безопасного рассеивания вредных промышленных отходов. Для посадки в санитарно-защитных зонах рекомендуется использовать пылегазоустойчивые породы растений, такие, как клен американский, можжевельник казацкий, тополь канадский, крушина ломкая, роза морщинистая, бузина красная, туя западная и др. Вблизи металлургических и химических предприятий могут нормально произрастать шелковица белая, боярышник обыкновенный, белая акация, ива белая. Жилая (селитебная) зонапредназначена для размещения жилых районов, общественных центров (административных, научных, учебных, медицинских и др.), зеленых насаждений. В ней запрещено строительство промышленных, транспортных и иных предприятий, загрязняющих окружающую человека среду. Жилую зону размещают с наветренной стороны для ветров преобладающего направления, а также выше по течению рек по отношению к промышленным и сельскохозяйственным предприятиям с технологическими процессами, являющимися источником выделения в окружающую среду вредных и неприятно пахнущих веществ. Преобладающее направление ветров определяется по средней розе ветров летнего и зимнего периодов года (с учетом суточного хода) на основе данных многолетних наблюдений гидрометеостанций. В районах с противоположным направлением преобладающих ветров в летний и зимний периоды года жилые районы располагают слева и справа от указанных направлений ветров по отношению к промышленным предприятиям. Коммунально-складская зона предназначена для размещения торговых складов, складов для хранения овощей и фруктов, предприятий по обслуживанию транспорта (депо, автопарки), предприятий бытового обслуживания (фабрики-прачечные и фабрики химической чистки) и т.д. Коммунально-складскую зону размещают вне жилой территории, зачастую на территории санитарно-защитных зон промышленных предприятий. Зона внешнего транспорта служит для размещения транспортных коммуникаций пассажирских и грузовых железнодорожных станций, портов, пристаней и др. Зона отдыха включает городские и районные парки, лесопарки, спортивные комплексы, пляжи, дачные поселки, курорты, места туризма. По функциональному назначению выделяют три основных типа лесопарков: прогулочные, спортивные и полифункциональные. Экосистемы городов и промышленных предприятий относятся к антропогенным. Получают готовую энергию (газ, уголь,электричество). Они являются как генераторами улучшения жизни, так и источниками загрязнения окружающей природной среды(поскольку прямая солнечная энергия не используется).

4. Проблемы охраны окружающей среды, связанные с ростом городов и промышленного производства.Изменение состояния компонентов окружающей среды в городе. В крупных городах значительную долю выбросов в атмосферу дает автотранспорт. Среди отраслей промышленности особенно токсичные атмосферные выбросы обеспечивают предприятия цветной металлургии, химической, нефтехимической, черной металлургии, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности. Основными загрязнителями воздушного бассейна города являются диоксид серы, оксиды азота и углерода, твердые частицы (промышленная пыль). В городах складывается неблагоприятная ситуация с водными объектами, которые сильно загрязнены промышленными и бытовыми стоками. Постоянно ухудшается и качество городских земель. Почвы урбанизированных территорий подвергаются тем же вредным воздействиям, что и городской воздух и вода. Почва, в отличие от атмосферы, обладает некоторой способностью биологического самоочищения, однако нарушение природного механизма самоочищения вследствие физических, химических и механических воздействий способно привести к деградации почвы. Почва города в значительной степени загрязнена бытовыми и промышленными отходами, уличным мусором. Среди городских почв различают природные и насыпные. Насыпные почвы содержат значительное количество строительного мусора, из-за чего они отличаются высокой дренажностью и слабой водоудерживающей способностью. Эта особенность насыпных почв может привести к нарушению нормального водного режима. Кроме того, насыпные почвы обычно содержат больше гумуса, но при их уплотнении ухудшается воздухообмен, в результате чего угнетается жизнедеятельность почвенных микроорганизмов, что может привести к ухудшению питания растений. Эти нарушения водного, воздушного и питательного режимов в конечном итоге отрицательно сказываются на развитии древесной растительности и ее долголетии. Утилизация городских ТБО входит в число мировых проблем, требующих неотложного решения. Особенно остро эта проблема стоит в крупных и средних городах, не говоря уже о мегаполисах. К числу наиболее сильных факторов, способных оказывать отрицательное воздействие на человека, относится шум. Шум как экологический фактор приводит к повышению утомляемости, снижению умственной активности, неврозам, росту сердечно-сосудистых заболеваний, шумовым стрессам, ухудшению зрения и т.д. Постоянный шум способен вызвать перенапряжение центральной нервной системы, из-за чего жители шумных районов города в среднем на 20% чаще страдают сердечно-сосудистыми заболеваниями и на 18-23% - атеросклерозом и нарушениями нервной системы. Особенно отрицательно шум воздействует на функциональное состояние сердечной системы у детей. Роль зеленых насаждений в жизни города.

5. Проблема ограниченности пищевой базы человечества. Структура и компоненты агроландшафта. Энергопотребление, функционирование и биопродуктивность агроэкосистем.Компоненты агроэкосистемы, связанные круговорот веществ: Автотрофные организмы - продуценты, главным образом травы; Первичные консументы, большей частью сельскохозяйственные животные; Вторичные консументы - паразиты и микроорганизмы; Редуцентами являются грибы и микробы. Посевы культурных растений в агрофитоценозе являются единственным источником питания для травоядных животных. В благоприятные периоды популяции комменсалов могут резко и быстро увеличиваться. Обычно наносит большой ущерб сельскохозяйственным культурам массовое размножение травоядных и насекомых- фитофагов. Естественное регулирование численности насекомых-фитофагов и доведение их популяций до экономически безвредного порога путем использования их естественных врагов-хищников сложно и не всегда дает хорошие результаты, поэтому чаще используются различные искусственные средства защиты. Основными элементами агробиоценоза в аграрных экосистемах являются:

1. Культурные растения, высеянные или высаженные человеком.

2. Сорные растения, которые проникли в агробиоценоз помимо, а иногда и вопреки воле человека.

3. Микроорганизмы ризосфер культурных и сорных растений.

4. Клубеньковые бактерии на корнях бобовых.

5. Микоризообразующие грибы на корнях высших растений.

6. Бактерии, грибы, актиномицеты, водоросли, свободно живущие в почве.

7. Беспозвоночные животные, живущие в почве и на растениях.

8. Позвоночные, живущие в почве и посевах.

9. Грибы, бактерии, вирусы - паразиты (полупаразиты) культурных и сорных растений.

10. Бактериофаги - паразиты микроорганизмов.

В развивающемся мировом сельском хозяйстве различаются по количеству поступающей и используемой человеком энергии и ее источнику несколько типов экосистем: Естественные экосистемы. Единственным источником является энергии солнечного излучения. Приток энергии в среднем 0,2 ккал/см2год. Высокопродуктивные естественные экосистемы. Кроме солнечной, используются другие естественные источники энергии. К ним относятся лиманы, дельты крупных рек, влажные тропические леса и другие естественные экосистемы, обладающие высокой продуктивностью. Здесь органическое вещество, синтезируемое в избытке, используется или накапливается. Приток энергии в среднем 2 ккал/см2год. Агроэкосистемы, близкие к естественным экосистемам. Наряду с солнечной энергией используются энергетические субсидии, создаваемые человеком. Сюда относятся системы сельского и водного хозяйства, которые производят продовольствие и сырье. Приток энергии в среднем 2 ккал/см2год. Агроэкосистемы интенсивного типа. Существование экосистем этого типа связано со значительными энергетичексими субсидиями. Они более продуктивны в сравнении с предыдущим типом. Приток энергии в среднем 20 ккал/см2год.тРазновременность развития растений в естественной (природной) экосистеме и одновременность их развития в агроценозе приводят к различному ритму продукционного процесса. Ритм продукционного процесса, например, в естественных лугопастбищных экосистемах, задает ритм деструкционным процессам или определяет скорость минерализации растительных остатков и время ее максимальной и минимальной интенсивности. Ритм деструкционных процессов в агроценозах в значительно меньшей степени зависит от ритма продукционного процесса, ввиду того, что наземные растительные остатки поступают на почву и в почву на короткий промежуток времени, как правило, в конце лета и в начале осени, а их минерализация осуществляется главным образом на следующий год.