Относительный баланс процессов образования органического вещества в биосфере и его разложения обеспечивает постоянство количества живого вещества. Масса биосферы составляет около 2400 млрд. т, что примерно соответствует массе кислорода.
Эволюцию биосферы можно представить тремя этапами:
1 Этап (около 3 млрд. л. н.) – появились первые клетки, не имеющие ядра (прокариоты). Они обладали всеми признаками живых организмов:
подвижностью;
питанием и способностью запасать энергию;
защитой от нежелательных воздействий;
размножением;
раздражимостью;
приспособляемостью;
способностью к росту.
2 Этап (около 2 млрд. л. н.) – появились клетки с ядром (эукариоты) – простейшие (25-30 тыс. видов).
3. Этап (около 1 млрд. л. н.) – появились многоклеточные организмы. Процесс фотосинтеза обеспечил кислородную атмосферу Земли и образование озонового слоя, после чего организмы получили возможность осваивать сушу (при достижении содержания кислорода 10 % от современного).
Затем происходило повышение разнообразия и сложности биосферы:
около 365 млн. л. н. появились наземные растения и земноводные;
около 185 млн. л. н. появились млекопитающие, птицы, хвойные растения;
около 70 млн. л. н. появились все современные группы растений и животных;
около 2 млн. л. н. появились предки человека;
около 1 млн. л. н. появился человек разумный (Homo sapiens).
Современный этап развития биосферы называют антропогенным, что связано с огромным воздействием человека и его техники на биосферу.
Глобальное влияние живых организмов на состояние других оболочек Земли связано с уникальными свойствами живого вещества:
1. Огромный запас свободной энергии.
2. Значительная скорость химических реакций.
3. Способность к размножению.
4. Разнообразие форм (более 2 млн. известных видов, в то время как минералов известно около 2 тыс.).
Важнейшие функции живого вещества:
1. Постоянное изменение свойств неживой природа, даже состава планеты (геологическая функция).
2. Производство органической продукции (продукционная функция).
3. Биологическая очистка среды (деструкционная функция).
Ушедший ХХ век ознаменовался изменением глобальной экологической обстановки, возникновением антропогенно обусловленных экологических кризисов и катастроф, приобретающих глобальный характер.
Основные индикаторы и показатели, характеризующие глобальную экологическую обстановку, а также прогнозы на будущее приведены в таблице (табл. 2).
Таблица 2
Глобальные последствия и прогнозы антропогенных воздействий
| Индикатор и тенденции изменения | Прогнозы на период после 2000 года |
| Сокращение площади естественных экосистем | Сохранение тенденции, сокращение со скоростью 0,5-1% в год, приближение к почти полной ликвидации |
| Изменение климата | Антропогенное изменение (глобальное потепление) |
| Увеличение концентрации парниковых газов | Рост концентраций: ускорение темпов роста для углекислого газа и метана |
| Нарушение биогеохимических круговоротов | Сохранение тенденции, особенно в отношении углерода |
| Истощение озонового слоя | Сохранение тенденции снижения концентрации озона в стратосфере на 1-2% в год, рост площади озоновых дыр |
| Повышение уровня и объема Мирового океана. Нарастание проблем прибрежных регионов | Сохранение темпов скорости повышения уровня (1-2 мм в год), возможно ускорение до 7 мм в год |
| Загрязнение ОС, накопление поллютантов и миграция по трофическим цепям | Рост массы и числа поллютантов (в год синтезируется приблизительно около 1000 новых веществ) |
| Обезлесивание | Сохранение тенденций. Сокращение площади лесов со скоростью порядка 200 тыс. кв. км в год |
| Опустынивание | Сохранение тенденций, расширение площади пустынь со скоростью 60 тыс. кв. км в год. Возможен рост темпов |
| Деградация земель | Сохранение тенденций роста эрозии почв (в год деградирует около 24 млрд. тонн), снижение плодородия, загрязнение и накопление полютантов, засоление и закисление почв |
| Потеря биоразнообразия, утрата видов | Усиление тенденции. Угроза исчезновения множества видов, в том числе человека |
| Нехватка пресной и питьевой воды | Обострение проблемы питьевой воды |
| Рост отходов | Сохранение и усиление тенденций, обострение проблемы «утилизации» отходов |
| Рост числа техногенных аварий и стихийных бедствий | Сохранение и усиление тенденций |
| Ухудшение медико-демографических показателей и здоровья населения | Сохранение и усиление тенденций особенно в развивающихся странах |
| Рост проблем городской среды | Сохранение и усиление тенденций |
Некоторые индикаторы только приобретают глобальный характер, но имеют важное значение для будущего биосферы.
Большинство тенденций негативных изменений в окружающей среде, в дальнейшем не только будет сохраняться, но и усилится.
В изменениях глобальной экологической ситуации важнейшее значение придается разрушению природных экосистем, которое приводит к нарушению устойчивости биосферы в целом.
Наземные и спутниковые наблюдения позволили построить карты глобальных изменений, согласно которым на суше Земли сформировалось три центра дестабилизации окружающей среды:
– Североамериканский (США, Канада, Мексика);
– Европейский (Западная, Центральная и Восточная Европа – куда входят страны Балтии, и Европейская территория России);
– Азиатский центр (Индия, Цейлон, Малайзия, Бирма, Китай, Тайвань, Япония, Корея, Филиппины).
В наибольшей степени нарушены территории в Европе, Северной Америке и Японии.
Тем не менее, сохранились и крупные центры стабилизации окружающей среды.
– Северный Евроазиатский (Скандинавия, Север Европейской территории России, Западная, Восточная Сибирь, Дальний Восток (за исключением частичных территорий);
– Южноамериканский (Амазония и прилегающие к ней территории);
– Австралийский центр (Австралия, кроме восточной и южной части);
– Мощным центром стабилизации ОС является Мировой океан.
На остальной части суше в различных биогеографических провинциях есть «пятна» с разрушенными и сохранившимися экосистемами.
Глобальные экологические проблемы и явные тенденции негативных изменений со всей очевидностью показывают необходимость консолидации усилий всех стран для их решения, необходимость радикальной перестройки технологической структуры современной цивилизации, разработки качественно новых путей и способов взаимодействия с природой.
► Для закрепления теоретического материала рекомендуется выполнить практическую работу 4
Тема 4. Круговороты основных биогенных элементов
Сложные межвидовые взаимоотношения, определяющие функциональную целостность экосистем, отличаются относительной «свободой» структурных связей между отдельными компонентами. Виды в составе конкретных биоценозов могут замещаться биологически сходными видами. Нестабильность абиотических факторов экосистем является причиной колебаний состава и функциональных связей в биоценозах. Динамичность – это одно из фундаментальных свойств экосистем, которое отражает не только зависимость последних от комплекса факторов, но и адаптивную (приспособительную) реакцию всей системы на эти факторы.
Масштабы времени, в которых выражается динамика экосистем, различны. Изменения могут продолжаться несколько лет или охватывать целые геологические эпохи, влияя на развитие глобальной экосистемы Земли.
С возникновением жизни химические процессы постепенно стали подчиняться определённым закономерностям и упорядочились. Атомы, входящие в состав органических соединений живой ткани, стали передаваться по пищевой цепи от одного звена к другому, и в конце концов они возвращались в неорганическую природу.
Академик В.И. Вернадский установил закономерность, сформулированную как закон биогенной миграции атомов:
миграция химических элементов во всех экосистемах, включая биосферу в целом, осуществляется либо при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), либо она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом, как населяющим планету в настоящее время, так и действовавшим на Земле в течение всей геологической истории.
Разнообразие организмов, существующих во всевозможных экосистемах планеты, по образному выражению В.И. Вернадского образует «живое вещество» Земли. Главной геохимической особенностью живого вещества является то, что оно пропускает через себя атомы химических элементов, осуществляя в процессе жизнедеятельности их закономерную сортировку и дифференциацию. Завершив свой жизненный цикл, организмы возвращают природе всё, что взяли от неё в течение жизни.
Малые миграционные потоки химических элементов, как между взаимосвязанными организмами, так и между организмами и окружающей их средой складываются в более крупные циклы – круговороты. Продолжительность и постоянство существования жизни поддерживают именно круговороты, потому что без них даже в масштабах всей Земли запасы необходимых элементов были бы очень скоро исчерпаны. Круговороты обеспечивают многократность одних и тех же процессов и явлений и их высокую суммарную эффективность при ограниченном объёме исходного вещества, участвующего в этих процессах.