UMK ЭиУР

Тема лекции 3 – Основные принципы функционирования природных экосистем. Характеристика большого и малого круговоротов. Биогеохимические круговороты основных химических элементов: воды, углерода, азота, кислорода и фосфора.

Характеристика большого и малого круговоротов. Все вещества на нашей планете находятся в процессе круговорота. Солнечная энергия вызывает на Земле два круговорота веществ:

-большой (геологический или абиотический);

-малый (биотический, биогенный или биологический).

Круговороты веществ и потоки космической энергии создают устойчивость биосферы. Круговорот твердого вещества и воды, происходящий в результате действия абиотических факторов (неживой природы), называют большим геологическим круговоротом. При большом геологическом круговороте (протекает миллионы лет) горные породы разрушаются, выветриваются, вещества растворяются и попадают в Мировой океан; протекают геотектонические изменения, опускание материков, поднятие морского дна. Именно большой круговорот поставляет живым организмам элементы питания и во многом определяет условия их существования.

Малый, биогенный или биологический круговорот веществ происходит в твердой, жидкой и газообразных фазах при участии живых организмов. Био-

логический круговорот в противоположность геологическому требует меньших затрат энергии. Малый круговорот является частью большого, происходит на уровне биогеоценозов (внутри экосистем) и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела. Продукты распада органического вещества разлагаются до минеральных компонентов. Малый круговорот незамкнут, что связано с поступлением веществ и энергии в экосистему извне и с выходом части их в биосферный круговорот.

В большом и малом круговоротах участвует множество химических элементов и их соединений, но важнейшими из них являются те, которые определяют современный этап развития биосферы, связанный с хозяйственной деятельностью человека. К ним относятся круговороты углерода, серы и азота (их оксиды – главнейшие загрязнители атмосферы), а также фосфора (фосфаты – главный загрязнитель материковых вод). Практически все загрязняющие веще-

ства выступают как вредные, и их относят к группе ксенобиотиков. Биологический круговорот происходит при участии живых организмов и

заключается в воспроизводстве органического вещества из неорганического и разложении этого органического до неорганического посредством пищевой трофической цепи.

Природные экосистемы функционируют в соответствии с тремя основными принципами:

Первый принцип функционирования природных экосистем – получение ресурсов и избавление от отходов происходит в рамках круговорота всех элементов (гармонирует с законом сохранения массы). Круговорот биогенных эле-

21

ментов, обусловленный синтезом и распадом органических веществ в экосистеме, в основе которого лежит реакция фотосинтеза, называют биотическим круговоротом веществ. Кроме биогенных элементов в биотический круговорот вовлечены важнейшие для биоты минеральные элементы и множество различных соединений. Поэтому весь циклический процесс химических превращений, обусловленных биотой, называют еще биогеохимическим круговоротом.

Круговорот углерода. Углерод является главным участником биотического круговорота как основа органического вещества. На рис. 3.1 представлена схема круговорота углерода в природе.

Рисунок 3.1 Круговорот углерода Молекулы углекислого газа из воздуха и воды поставляют углерод для

образования в ходе фотосинтеза глюкозы и других органических веществ, из которых построены все ткани продуцентов. Процесс фотосинтеза можно схематично представить уравнением:

6СО2 + 6Н2О → С6 Н12 О6 + 6О2.

В дальнейшем эти органические вещества переносятся по пищевым цепям и образуют ткани всех остальных живых организмов экосистемы. Возвращаются в атмосферу атомы углерода в процессе клеточного дыхания:

С6 Н12 О6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О + Q

При этом выделяется энергия (Q), которая используется живым организмом для синтеза необходимых ему веществ и выполнения жизненных функций. Особенность круговорота углерода состоит в том, что в далекие геологические эпохи (сотни миллионов лет назад) значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не использовалась фитофагами, а постепенно погребалась под различными минеральными осадками. Находясь в земле миллионы лет, этот детрит под действием высоких температур и давления превратился в нефть, природный газ, уголь в зависимости от условий и продолжительности воздействия.

22

В настоящее время в огромных количествах добывается это ископаемое топливо, сжигаем его и завершаем круговорот углерода. Но одновременно резко возрастает концентрация СО2 в воздухе: его поступление существенно превышает возможности растений поглощать его. Это обстоятельство чревато серьезными климатическими последствиями (парниковый эффект).

Круговорот азота. Круговорот азота несколько сложнее, так как включает газовую и твердую фазу (рис. 3.2). Основная часть азота содержится в воздухе (N2) – 78%. Большинство растений не могут усваивать его непосредственно из воздуха. Для усвоения азот должен входить в состав ионов аммония (NH4+) или нитрата (NO3-).

Рисунок 3.2 Круговорот азота Некоторые азотофиксирующие бактерии, живущие в клубнях бобовых

растений, клевера, синезеленых водорослей и др., могут превращать атмосферный азот в аммонийный (пример мутуализма: растения дают пищу бактериям, а последние обеспечивают растения азотом).

По пищевым цепям органический азот передается от бобовых другим организмам экосистемы. Когда в процессе клеточного дыхания белки и другие азотосодержащие органические соединения расщепляются, азот выделяется в окружающую среду главным образом в аммонийной форме. Некоторые бактерии могут переводить аммонийный азот в нитратный (процесс нитрификации).

В результате азот совершает круговорот как минеральный биоген. Однако такая минерализация обратима, поскольку другие почвенные бактерии могут превращать ионы NH4+ и NO3- – в N2. Часть N2 окисляется во время грозовых разрядов (N + О2 → 2NO; 2NO + О2 → 2NО2) и поступает в почву вместе с дождевой водой. Но по этому механизму азота фиксируется в 10 раз меньше, чем с помощью бактерий.

Следовательно, все естественные экосистемы зависят от азотофиксирующих организмов. Это семейство включает огромное количество растений – от клевера до тропических деревьев и пустынных кустарников. Для каждой крупной наземной экосистемы есть характерные для нее виды клубеньковых.

23

Вводных экосистемах круговорот азота выглядит подобным образом. Для водных систем в роли азотофиксирующих растений выступают синезеленые водоросли.

Круговорот фосфора. Фосфор входит в состав генов и АТФ, выполняю-

щих функцию переносчиков энергии внутри клетки. В минералах фосфор со-

держится в виде фосфатов (РО43-), многие из которых растворимы в воде, но не летучи. Растения поглощают РО43- из водного раствора и включают его в состав различных органических соединений (органический фосфор, его содержание в растениях – 0,1+0,015%). По пищевым цепям фосфор от растений переходит ко всем прочим организмам экосистемы (в живых организмах фосфора содержится от 0,1 до нескольких процентов). Из воды фосфор поглощается фитопланктоном, а затем по пищевым цепям другими обитателями воды (рыбы богаты фосфором). Но и здесь есть вероятность окисления фосфорсодержащего органического соединения в процессе клеточного дыхания для получения энергии. Тогда фосфор в виде мочи или ее аналога вновь поступает в окружающую среду, после чего снова может поглощаться растениями и начинать новый цикл.

Вотличие от углерода фосфор не дает газовой фазы и, следовательно, свободного возврата в экосистему нет (происходит обеднение почвы фосфором

вагроэкосистемах, где осуществляется вынос фосфора вместе с урожаем) (рис.

3.3).

Подобные круговороты характерны и для других биогенов (воды, кислорода, серы, кальция и др.).

Рисунок 3.3 Круговорот фосфора

Второй принцип функционирования природных экосистем: они суще-

ствуют за счет не загрязняющей среды и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно.

Биосфера существует за счет энергии Солнца, которая фотосинтезирующими растениями превращается в потенциальную энергию химических связей органических соединений растений, а затем по пищевым цепям – в другие формы энергии (в частности, аккумулируется в АТФ клеток).

На каждом трофическом уровне часть потенциальной энергии, высвобождаясь, позволяет организму выполнять свои жизненные функции, т. е. "работать", и параллельно теряется в виде тепла.

24

Таким образом, речь идет о потоке энергии, идущем через экосистемы: ее поступление в них с солнечными лучами, выполнение работы и удаление в виде тепла.

Источником солнечной энергии являются ядерные реакции, идущие в недрах Солнца. Эта энергия первоначально загрязнена радиоактивными частицами, но в процессе прохождения 150 млн км до Земли радиоактивные частицы теряются, и на Земле солнечная энергия – "чистая". В этом ее отличие от энергии, получаемой от сжигания топлива (угля, газа), и ядерной энергии.

Количество солнечной энергии избыточно: растения используют всего 0,5% ее количества, достигающего Земли. Поэтому увеличение количества ее использования не должно повлиять на динамику биосферы.

Третий принцип функционирования природных экосистем – снижение биомассы при переходе на более высокий трофический уровень. С повышением трофического уровня биомасса снижается в 10 раз и более, поскольку: 1) существенная доля биомассы предыдущего трофического уровня не усваивается и возвращается в экосистему в виде экскрементов; 2) большая часть переваренной пищи (80 – 90%) расходуется на выработку энергии для осуществления организмом жизненных функций. Отсюда понятно, почему биомасса первичных консументов во много раз меньше биомассы продуцентов. То же наблюдается на более высоких трофических уровнях.

Из сказанного следует, что чем больше биомасса популяции, тем должен быть ниже ее трофический уровень.

Таким образом, в природных экосистемах осуществляются три основных принципа: происходит круговорот биогенов, экосистемы существуют за счет не загрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно; на концах длинных пищевых цепей не может быть большой биомассы.

Экологические проблемы современности связаны с тем, что человечество нарушает указанные принципы: не происходит полного возвращения биогенов в экосистему; используется энергия топлива, приводящая к загрязнению окружающей среды; человечество относится в основном к третьему трофическому уровню, и его численность не должна быть чрезвычайно высокой.

Основная литература: 1 [323 – 342], 2 [108 – 127], 3 [133 – 140]

Дополнительная литература: 1 [39-46], 2 [56-60] Контрольные вопросы:

1.Как происходит большой круговорот веществ и воды в природе?

2.Как и какие важнейшие функции живого вещества обеспечиваются посредством малого круговорота веществ в природе?

3.Из каких частей состоит биогеохимический круговорот веществ?

4.В чем особенности биогеохимических циклов основных биогенных элементов?

Тема лекции 4 – Биосфера и биосферно-ноосферная концепция В.И.Вернадского. Учение В.И.Вернадского о биосфере. Состав и границы био-

25

сферы. Живое вещество биосферы и его функции. Основные свойства биосферы. Ноосфера – сфера разума.

Впервые термин «биосфера» (от греч. bios – жизнь, sphaira – сфера, оболочка) появился в 1875 г. в трудах австрийского геолога Э. Зюсса. Современное учение о биосфере создал выдающийся русский ученый В. И. Вернадский (1863

– 1945), основные положения которого были опубликованы в 1926 г. в книге «Биосфера».

Учение В. И. Вернадского о биосфере – это целостное фундаментальное учение, органично связанное с важнейшими проблемами сохранения и развития жизни на Земле, знаменующее собой принципиально новый подход к изучению планеты как развивающейся саморегулирующейся системы в прошлом, настоящем и будущем.

По представлениям В. И. Вернадского, биосфера включает живое вещество (т. е. все живые организмы), биогенное (уголь, известняки, нефть и др.), косное (в его образовании живое не участвует, например, магматические горные породы), биокосное (создается с помощью живых организмов), а также радиоактивное вещество, вещество космического происхождения (метеориты и др.) и рассеянные атомы (отдельные атомы элементов, встречающиеся в природе в рассеянном состоянии (микро-ультра-микроэлементы: Mn, Co, Zn, Cu, Hg и

др.).

Все эти семь различных типов веществ геологически связаны между со-

бой.

Сущность учения В. И. Вернадского заключена в признании ис-

ключительной роли «живого вещества», преобразующего облик планеты.

Для понимания той работы, которую совершает живое вещество в биосфере, очень важными являются три основных положения, которые Вернадский назвал

биогеохимическими принципами.

I принцип: биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению. Прогрессивная эво-

люция любой экосистемы ведет к увеличению суммарного потока энергии через нее. Эта закономерность проявляется в способности живого к распространению, развитию, во "всюдности жизни" (выражение В.И. Вернадского).

II принцип: эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливаю-

щем биогенную миграцию атомов. Согласно этому принципу преимущества в ходе эволюции получают те организмы, которые приобрели способность усваивать новые формы энергии или "научились" полнее использовать химическую энергию, запасенную в других организмах.

III принцип: живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с космической средой, его окружающей, и создается и поддерживается на нашей планете космической энергией Солнца. Этот принцип очень важен для понимания тех процессов, которые обычно называют самоорганизацией биологических структур.

26

Живое вещество биосферы и его функции. Вся масса «живого вещества» Земли составляет ее биомассу. Это лишь 0,25 % всего вещества биосферы» однако, благодаря обмену веществ «живое вещество» играет ведущую роль в биогеохимических процессах. Деятельность живых организмов обуславливает химический состав атмосферы и гидросферы, формирование почвенного покрова литосферы. Живое вещество играет огромную роль в круговороте веществ в природе и осуществляет важнейшие биогеохимические функции:

‒газовая функция заключается в поглощении растениями двуокиси углерода и выделении кислорода, в восстановлении азота, сероводорода и пр., то есть в поддержании газового состава атмосферы;

‒концентрационная функция заключается в поглощении и накоплении живыми организмами углерода, азота, водорода, кислорода, фосфора, серы, йода, железа и пр. элементов. На местах массовой гибели животных и растений обнаруживаются отложения мела, известняка, нефти, угля и других полезных ископаемых;

‒окислительно-восстановительная функция заключается в восстановлении и окислении различных веществ в живых организмах, например, восстановлении двуокиси углерода до углеводов в процессе фотосинтеза и окислении их до С02 при дыхании:

‒ круговорот веществ в природе, который осуществляется при участии всех организмов биосферы. Он заключается в циркуляции веществ между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Благодаря ему возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе элементов в природе. Около 40 элементов вовлекаются в круговорот. Одновременно с круговоротом веществ идет и круговорот энергии, основным источником которой является Солнце.

Таким образом, биосфера представляет собой сложную экологическую систему, стабильность которой обусловлена тем, что результаты деятельности продуцентов, консументов и редуцентов уравновешиваются.

Деятельность человека превратилась в мощный экологический фактор, нарушивший равновесие в биосфере. В результате деятельности человека (извлечение полезных ископаемых, использование синтетических продуктов, синтетических ядохимикатов, нетрадиционных источников энергии и пр.) нарушается биотический круговорот, он становится незамкнутым. За последние 300 лет существования человека биомасса земли уменьшилась почти на четверть.

Состав и границы биосферы. Биосфера, являясь глобальной экосистемой (экосферой), как и любая экосистема, состоит из абиотической и биотической части.

Абиотическая часть представлена: 1) почвой и подстилающими ее породами до глубины, где в них еще есть живые организмы, вступающие в обмен с веществом этих пород и физической средой порового пространства; 2) атмо-

27

сферным воздухом до высот, на которых возможны еще проявления жизни; 3) водной средой океанов, рек, озер и т. п.

Биотическая часть состоит из живых организмов всех таксонов, осуществляющих важнейшую функцию биосферы, без которой не может существовать сама жизнь: биогенный ток атомов. Живые организмы осуществляют этот ток атомов благодаря своему дыханию, питанию и размножению, обеспечивая обмен веществом между всеми частями биосферы.

К биосфере относят, прежде всего, те участки, где есть условия не только для выживания, но и для размножения живых существ, – это поле существования жизни, которое обеспечивают 5 условий: 1) достаточное количество кислорода и углекислого газа; 2) достаточное количество жидкой воды; 3) благоприятные температуры среды; 4) прожиточный минимум минеральных веществ; 5) соленость среды.

Таким образом, согласно современным представлениям биосфера – это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Биосфера включает в себя нижнюю часть атмосферы до озонового экрана, всю гидросферу и верхнюю литосферу до глубины 6 – 12 км (обнаружены микроорганизмы).

Ниже литосферной границы биосферы лежит “область былых биосфер”, под которой В.И.Вернадский понимал оболочку Земли, в геологическом прошлом подвергшуюся воздействию жизни. Каменный уголь, нефть, мрамор, доломит, известняк, мел, железная руда и другие горные породы осадочного происхождения – свидетели существования жизни в “былых биосферах”.

Ноосфера – сфера разума. В результате техногенной деятельности человечества биосфера Земли коренным образом преобразуется и согласно учению В.И. Вернадского человечество вступает в ноосферу – сферу человеческого разума, сферу разумной жизни человека, которая охватывает и космическое пространство.

Ноосфера («мыслящая оболочка», сфера разума) – высшая стадия развития биосферы. Это сфера взаимодействия природы и общества, в пределах которой разумная человеческая деятельность становится главным, определяющим фактором развития.

Ноосфера является новым этапом в развитии биосферы, предполагающим разумное регулирование отношений между человеком и природой.

Непреходящая ценность учения В. И. Вернадского о ноосфере именно в том, что он выявил геологическую роль жизни, живого вещества в планетарных процессах, в создании и развитии биосферы и всего разнообразия живых существ в ней.

Среди этих существ он выделил человека как мощную геологическую силу. Эта сила способна оказывать влияние на ход биогеохимических и других процессов в охваченной ее воздействием среде Земли и околоземном пространстве (пока «ближний» космос). Вся эта среда весьма существенно изменяется человеком, благодаря его труду. Он способен перестроить ее согласно своим

28

представлениям и потребностям, изменить фактически ту биосферу, которая складывалась в течение всей геологической истории Земли.

Воздействие человеческого общества, как единого целого, на природу по своему характеру резко отличается от воздействий других форм живого вещества. В. И. Вернадский писал: «Раньше организмы влияли на историю тех атомов, которые были нужны им для роста, размножения, питания, дыхания. Человек расширил этот круг, влияя на элементы, нужные для техники и создания цивилизованных форм Жизни», что и изменило «вечный бег геохимических циклов».

Основные условия устойчивости, стабильности биосферы. Стабиль-

ность биосферы основывается на высоком разнообразии живых организмов, отдельные группы которых выполняют различные функции в поддержании общего потока вещества и распределении энергии биогенных и абиогенных процессов, на согласованности циклов отдельных элементов и уравновешивании емкости отдельных резервуаров. В биосфере действуют сложные системы обратных связей и зависимостей.

Стабильность биосферы обусловлена тем, что результаты активности трех групп организмов, выполняющих разные функции в биотическом круговороте – продуцентов (автотрофов), потребителей (гетеротрофов) и деструкторов (минерализующих органические остатки) – взаимоуравновешиваются.

Человеческое общество, используя не только энергетические ресурсы биосферы, но и небиосферные источники энергии (например, ядерной), ускоряет геохимические преобразования на планете, вмешивается в ход биосферных процессов. Некоторые процессы, вызванные деятельностью человека, имеют противоположную направленность по отношению к естественным процессам (рассеивание руд металлов, углерода и других биогенных элементов, торможение минерализации и гумификации, освобождение углерода и его окисление, нарушение в атмосфере глобальных процессов, влияющих на климат, и т. д.).

В соответствии с этим, одной из основных задач современной экологии является изучение регуляторных процессов в биосфере, создание научного фундамента ее рационального использования, поддержания ее стабильности.

Основная литература: 1 [372 – 390], 2 [89 – 107], 3 [122 – 132]

Дополнительная литература: 1 [27-35,67-72] Контрольные вопросы:

1.Что такое биосфера и чем она отличается от других оболочек Земли?

2.Из чего состоят абиотическая и биотическая части биосферы как глобальной экосистемы (экосферы)?

3.Что понимал В. И. Вернадский под живым веществом и какие биохими-

ческие принципы лежат в основе биогенной миграции?

4.Что такое ноосфера и когда можно будет говорить о ее достижении?

5.Чем обусловлена целостность биосферы? Сформулируйте закон целостности биосферы.

29

Тема лекции 5 – Концепция Устойчивого развития и охрана приро-

ды. История возникновения понятия «устойчивое развитие». Стратегии и принципы устойчивого развития. Международное сотрудничество по обеспечению устойчивого развития.

Вусловиях глобального экологического кризиса достигнуть необходимого равновесия между экономикой, обществом и окружающей средой возможно лишь при формировании новой экологически безопасной и экономически оптимальной модели развития. Такой моделью, признанной мировым сообществом, является устойчивое развитие. Концепция устойчивого развития вошла

вприродоохранный лексикон после Конференции ООН по окружающей среде и развитию (ОСР) в Рио-де-Жанейро (1992), на которой встретились главы и высокопоставленные лица 179 правительств.

Влитературе встречаются более 60 определений устойчивого развития. Наиболее распространено из них определение, данное в докладе премьерминистра Норвегии Гру Харлем Брундланд на Конференции ООН, согласно которому устойчивое развитие рассматривается как «модель движения вперед, при котором достигается удовлетворение жизненных потребностей нынешнего поколения без лишения такой возможности будущих поколений. В широком смысле стратегия устойчивого развития направлена на достижение гармонии между людьми (друг с другом) и между Обществом и Природой».

Устойчивое развитие – под таким лозунгом проходила конференция ОСР. Необходим поиск новой модели развития цивилизации, обозначенной как

устойчивое развитие.

Модель предполагает прогресс и продвижение вперед, при котором удовлетворение потребностей нынешнего поколения должно происходить, без лишения такой возможности будущих поколений. Цель может быть достигнута при условии решений социально-экономических и экологических задач.

Устойчивое развитие подразумевает:

1) право людей на здоровую и плодотворную жизнь в гармонии с приро-

дой;

2) охрану окружающей среды как неотъемлемую часть процесса развития; 3) удовлетворение потребностей в благоприятной окружающей среде как

нынешнего, так и будущего поколений; 4) уменьшение разрыва в уровне жизни между народами мира, а также

между бедными и богатыми в каждой стране; 5) совершенствование природоохранного законодательства;

6) исключение моделей развития производства и потребления, не способствующих устойчивому развитию.

Были приняты три согласованных основополагающих документа, имеющих историческое значение:

1.Декларация РИО по окружающей среде и развитию; 2.Заявление о принципах глобального консенсуса по управлению, сохра-

нению и устойчивому развитию всех видов лесов; 3.Повестка дня на ХХ1 век, или Повестка 21.

30