КРУГОВОРОТЫ ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 28Следующая ⇒

Самой существенной особенностью биосферы является биогенная миграция атомов химических элементов, вызванная энергией Солнца. Солнечная энергия вызывает на Земле два вида круговоротов веществ:

большой (биогеохимический), протекающий в пределах биосфе-ры; малый (биотический), проходящий в границах элементарных эко-

логических систем (рис. 2.3).

Круговорот веществ –закономерный процесс многократногоучастия веществ в явлениях, протекающих в биосфере планеты. Веще-ство, вовлеченное в круговорот, не только перемещается, но и испыты-вает трансформацию и нередко меняет свое физическое и химическое состояния. Особенно активную роль в ускорении круговорота и транс-формации играют живые организмы.

Большой (биогеохимический) круговорот веществ –это безос-

тановочный планетарный процесс закономерного циклического, нерав-номерного во времени и пространстве перераспределения вещества, энергии и информации, многократно входящих в непрерывно обнов-ляющиеся экологические системы биосферы.

Малый круговорот веществ развивается на основе большого и за-ключается в круговой циркуляции веществ между почвой, растениями, микроорганизмами и животными.

Оба круговорота взаимосвязаны и представляют собой единый процесс, который обеспечивает воспроизводство живого вещества и оказывает активное влияние на облик биосферы.

На нашей планете всегда существовал геохимический круговорот веществ, но с появлением жизни на Земле геохимические связи стали биогеохимическими – более сложными и разнообразными. Поэтому го-ворят о биогеохимическом круговороте веществ, или биогеохимическом цикле.

Различают три основных типа биогеохимических круговоротов:

круговорот воды; круговорот элементов преимущественно в газовой фазе (кисло-

род, углерод, азот и др.); круговорот элементов преимущественно в твердой и жидкой фа-

зах (фосфор, калий, кальций и др.).

Круговорот углерода (рисунок3.2)на суше начинается с фикса-ции углекислого газа растениями в процессе фотосинтеза.

Рисунок 3.2 – Круговорот углерода

Из СО₂ и Н₂О образуются углеводы и высвобождается кислород. Фиксированный в растениях углерод в некоторой степени потребляется животными. Отжившие животные и растения разлагаются микроорга-низмами, в результате чего углерод мертвого органического вещества окисляется до углекислого газа и снова попадает в атмосферу. Кроме

того, углерод частично выделяется на всех стадиях круговорота в соста-ве СО₂ во время дыхания растений и животных. Подобный круговорот углерода совершается и в океане.

Круговорот азота (рисунок3.3).Азот, которого очень много ватмосфере, усваивается растениями лишь после соединения его с водо-родом или кислородом. Это, как правило, происходит в результате раз-личных физических явлений, протекающих в атмосфере (атмосферная фиксация) и производстве (промышленная фиксация), а также в резуль-тате действия азотфиксирующих бактерий или водорослей (биофикса-ция). Соединения азота используются растениями и через них по пище-вым цепям попадают к животным. Растительные и животные отходы, мертвые организмы разлагаются, и с помощью денитрифицирующих бактерий происходит восстановление азота и возвращение его в атмо-сферу.

Рисунок 3.3 – Круговорот азота

Круговорот фосфора (рисунок3.4) –пример простого незамкну-того цикла. Фосфор совершает круговорот в наземных экосистемах. Биоредуценты минерализуют органические соединения фосфора, кото-рые вновь потребляются корнями растений.

Рисунок 3.4 – Круговорот фосфора

Громадные запасы фосфора, накопившиеся в прошлые геологиче-ские эпохи, содержат горные породы. В процессе разрушения эти поро-ды отдают наземные фосфаты экосистемам. Однако значительное количество их оказывается включенным в круговорот воды, выщела-чивается и увлекается в море. Здесь фосфор вовлекается в пищевые це-пи, а затем с отмершими остатками погружается в океанические глуби-ны. Частичный возврат фосфатов на сушу возможен с помощью мор-ских птиц и благодаря рыболовству.

Биогеохимические круговороты веществ и связанные с ними пре-вращения энергии являются основой динамического равновесия и ус-тойчивости биосферы. Нормальные, ненарушенные биогеохимические циклы имеют почти круговой, почти замкнутый характер. Этим под-держивается известное постоянство и равновесие состава, количества и концентрации компонентов в биосфере, например, состава атмосферно-го воздуха, концентрации солей в воде океанов и т.п. В свою очередь, подобное постоянство обусловливает генетическую и физиологическую приспособленность живых организмов к существованию на Земле.

С другой стороны, неполная замкнутость циклов в геологическом масштабе времени приводит к концентрированию или рассеиванию от-дельных элементов. Например, концентрирование азота и кислорода в

атмосфере, воды в океанах, образование залежей фосфатов, железной руды и т.п.

Общепланетарные биогеохимические циклы, существующие в биосфере, складывались длительное время и протекают довольно мед-ленно. По оценкам ученых, полный оборот углекислого газа в атмосфе-ре, т.е. время его полного замещения, составляет 300 лет, кислорода – 2000 лет. В этих пределах колеблется и продолжительность круговоро-тов других элементов.

Огромные по размерам и происходящие в крайне короткие сроки (порядка десятков лет) масштабы антропогенных воздействий на био-сферу нарушают установившиеся скорости биогеохимических кругово-ротов, что может привести к опасным, непоправимым последствиям.

Например, в настоящее время сельское хозяйство и промышлен-ность дают почти на 60 % больше фиксированного азота, чем естест-венные наземные экосистемы. Это приводит к нарушению круговорота азота и, в результате, к накоплению нитратов в почве и далее в трофиче-ских цепях. Нитраты, как известно, являются опасными веществами, вызывающими отравление живых организмов.

В руках человека концентрируются огромные запасы металлов, фосфатов, серы, синтезируются колоссальные количества азотсодержа-щих и других веществ. В атмосферу выбрасываются с дымовыми газами продукты сгорания топлива: оксиды азота, серы и другие вредные веще-ства. Накапливаются огромные энергетические мощности. Все это спо-собствует изменению хода геохимических процессов и требует глубоко-го изучения всех природных превращений веществ на Земле с тем, что-бы установить рациональные взаимоотношения в системе «человек – природа».

ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ БИОСФЕРЫ

Живые организмы выполняют ряд фундаментальных биологиче-ских функций планетарного масштаба.

Газовая функция. Живые существа постоянно обмениваются ки-слородом и углекислым газом с окружающей средой в процессах фото-синтеза и дыхания, участвуют в создании азота, метана и других ве-ществ, формируя состав атмосферы. Они строго контролируют концен-трации этих веществ, оптимальные для современной жизни.

Концентрационная функция. Живые организмы пропускают че-рез свое тело большие объемы воздуха и природных растворов. При этом они извлекают и накапливают вещества, многократно увеличивая их концентрацию. Концентрации биогенных элементов (углерода, ки-

слорода, калия, магния, серы и др.) в теле живых организмов в сотни тысяч раз превышают их концентрации в окружающей среде.

Окислительно-восстановительная функция. Многие вещества вприроде крайне устойчивы и не подвергаются окислению в обычных условиях. Живые клетки обладают настолько эффективным катализато-ром (ферментами), что способны осуществлять многие окислительно-восстановительные реакции в миллионы раз быстрее, чем это может происходить в абиотической среде. Благодаря этому живые организмы существенно ускоряют процессы миграции химических элементов в биосфере.

Информационная функция. С появлением первых живых су-ществ на планете появилась и активная (“живая”) информация, отли-чающаяся от той “мертвой“ информации, которая является простым от-ражением структуры. Организмы оказались способными к получению информации путем соединения потока энергии с активной молекуляр-ной структурой, играющей роль программы. Способность восприни-мать, хранить и передавать молекулярную информацию совершила опе-режающую эволюцию в природе и стала важнейшим экологическим системообразующим фактором.

Перечисленные функции живого вещества образуют мощную сре-дообразующую функцию биосферы.Деятельность живых организмовобусловила современный состав атмосферы. Растительный покров ока-зывает существенное влияние на водный баланс, распределение влаги и климатические особенности больших пространств. Живые организмы играют ведущую роль в самоочищении воздушной и водной сред. Бла-годаря растениям, животным и микроорганизмам создается почва и поддерживается ее плодородие. Таким образом, биота формирует и кон-тролирует состояние биосферы.

Следует четко представлять, что окружающая нас среда – это не возникшая когда-то фиксированная и непреходящая физическая да-ность, а живое дыхание природы, каждое мгновение создаваемое рабо-той множества живых существ.

ЭВОЛЮЦИЯ БИОСФЕРЫ. НООСФЕРА

Возникновение и существование всех экологических систем в биосфере обусловлено эволюцией. Самоподдерживающиеся динамиче-ские системы эволюционируют в сторону усложнения организации и возникновения системной иерархии – образования подсистем в струк-туре системы. Эволюция состоит из последовательного закрепления та-ких отклонений от стационарного состояния, при которых поток энер-гии через систему возрастает. Следствием увеличения сложности и раз-

нообразия является ускорение эволюции, все более быстрое прохожде-ние ее ступеней, равноценных по качественным сдвигам.

Первопричиной, источником движущей силы последовательных качественных изменений экологических систем служит поток энергии через систему и отбор наиболее эффективных преобразователей энер-гии, вещества и информации. Важнейшим двигателем органической эволюции является непрерывное, циклически воспроизводящееся про-тиворечие между безграничной способностью организмов к размноже-нию, организуемой потоком солнечной энергии, и ограниченностью ма-териальных ресурсов.

Эволюция биосферы состоит из добиотической фазы, в ходе кото-рой химическая эволюция подготовила возникновение жизни, и собст-венно биотической эволюции.

Добиотическая эволюция

Образование планеты (около 4, 5 млрд. лет назад). Первичная атмосфера имела высокую температуру и содержала водород, азот, пары воды, метан, аммиак, инертные газы и другие простые соединения.

Возникновение абиотического круговорота веществ в атмосфе-ре за счет ее постепенного остывания и энергии солнечного излучения. Появляется жидкая вода, формируется гидросфера, круговорот воды, водная миграция элементов и многофазные химические реакции в рас-творах. Происходит отбор и рост молекул.

Образование органических соединений в процессах конденса-ции и полимеризации простых соединений углерода, водорода, кисло-рода, азота за счет энергии ультрафиолетового излучения Солнца, ра-диоактивности, электрических разрядов и других энергетических им-пульсов. Аккумуляция лучистой энергии в органических веществах.

Возникновение круговорота органических соединений углеро-да. Дальнейшее усложнение органических веществ и появление устой-чивых комплексов макромолекул; возникновение молекулярных систем самовоспроизведения.

Биотическая эволюция

Возникновение жизни (около 3, 5 млрд. лет назад). Структури-зация белков и нуклеиновых кислот с участием биомембран приводит к появлению вирусоподобных тел и первичных клеток, способных к де-лению. Возникает биотический круговорот, и формируются функции живого вещества.

Развитие фотосинтеза и обусловленное им изменение состава среды: увеличение количества кислорода. Ускоряется биогенная мигра-ция элементов. Появление многоклеточных организмов, наземных рас-тений и животных приводит к дальнейшему усложнению биогеохими-

Увеличение биотического разнообразия и усложнение строения

и функциональной организации живых существ и биосферы в целом. Организмами заняты все экологические ниши на планете.

Появление человека – лидера эволюции. Возникновение и раз-витие человеческого общества, вовлечение в техногенез непропорцио-нально больших потоков вещества и энергии нарушают замкнутость биогеохимических круговоротов, вызывают антропогенные экологиче-ские кризисы и становятся негативным фактором эволюции биосферы.

Масштабы и характер воздействия человека на важнейшие ком-поненты природной среды возросли настолько, что стали оказывать ре-шающее влияние на всю биосферу. Человек, по определению академика В.И. Вернадского, стал могучей геологической силой, преобразующей планету. Глобальный характер взаимоотношений человека со средой своего обитания привел к появлению понятия ноосферы.

В переводе с греческого “ноосфера” – это сфера разума. С науч-ной точки зрения ноосфера – это коллективное сознание, которое ста-нет контролировать направление будущей эволюции планеты.

Развивая концепцию ноосферы, В.И. Вернадский определил ее как

этап эволюции биосферы, который характеризуется ведущей ролью разумной и сознательной деятельности человеческого общества в раз-

витии биосферы.Он рассуждал следующим образом. “...Все человече-ство, вместе взятое, представляет ничтожную массу вещества планеты. Мощь его связана не с его материей, но с его мозгом, разумом и направ-ляемым этим разумом его трудом”. Человек должен понять, “что он не есть случайное, независимое от окружающего свободно действующее природное явление. Он составляет неизбежное проявление большого природного процесса, закономерно длящегося в течение, по крайней мере, 2-х миллионов лет”.

Согласно закону ноосферы В.И.Вернадского: биосфера неиз-

бежно превратится в ноосферу, т.е. сферу, где разум человека будет играть доминирующую роль в развитии системы человек – природа.

Хаотичное саморазвитие, основанное на процессах естественной са-морегуляции, будет заменено разумной стратегией, базирующейся на прогнозно-плановых началах, регулировании процессов естественного развития.

Однако в свете опыта ХХ столетия идея Вернадского В.И. о ноо-сфере утопична. Эта мечта и вера, конечно, светлая, но весьма далекая от реальности и недостаточная как научный прогноз. Хотя сам закон, безусловно, справедлив в том смысле, что, если человечество не начнет разумно регулировать свое давление на природу, сообразуясь с ее зако-нами, биосфера в измененном виде может сохраниться, но цивилизация

погибнет. Только гуманизация общества, относительно бесконфликтное его включение в систему биосферы может спасти человечество. Управ-лять люди будут не природой, а прежде всего собой. И в этом смысл за-кона ноосферы.

⇐ Предыдущая 2 3 4 5 678 9 10 11 Следующая ⇒