Биосфера. Учение В.И.Вернадского о биосфере и ноосфере Круговорот элементов в биосфере

Общие сведения о биосфере; – В.И.Вернадский о биосфере; – о биологических циклах углерода, кислорода, азота, фосфора; – о глобальных проблемах биосферы.
Самой большой экосистемой является биосфера Земли – оболочка планеты, заселенная живыми организмами. Сведения о толщине биосферы различны. Но одно сравнение верно, что биосфера по-сравнению с диаметром Земли (13 тыс. км) подобна кожице на большом яблоке.
Над поверхностью моря (или суши) живые организмы распространены примерно на высоте до 6 км, в толщу суши они опускаются на 15 км и на 11 км в глубь океана; следовательно, общая толщина биосферы составляет около 20 км.
Биосфера состоит из следующих оболочек Земли: литосферы (в состав которой входит почва), гидросферы (реки, озера, моря, океаны) и тропосферы (нижняя часть атмосферы). Но жизнь в этих слоях биосферы распределена неравномерно – основная масса живого вещества сосредоточена в поверхностном слое суши (50-100 м) – это высота лесного полога, а в океане – поверхностные слои воды (10-20 м). В этих слоях сконцентрировано больше 90% биомассы растений и животных.
Учение о биосфере, как особой оболочке Земли, создал русский ученый В.И.Вернадский.
В.И.Вернадский еще в молодости заинтересовался вопросом о влиянии организмов живой природы на ее мертвую, или, как он называл позднее, “косную” материю. Свою статью по почвоведению, написанную им в 1884 году в бытность студентом и участником почвенных экспедиций В.В.Докучаева, он посвятил описанию влияния сурков, сусликов и других землероющих животных на мощность, строение и состав почвенного покрова.
До середины 30-х годов В.И.Вернадский считал все компоненты биосферы, в частности, количество живого вещества в ней, постоянными на протяжении всей геологической истории Земли. Деятельность человека он рассматривал как чуждую биосфере, наложенную на нее извне. Однако с середины 30-х годов В.И.Вернадский пересмотрел эту точку зрения, признал качественную и количественную эволюцию биосферы и стал намечать основные этапы такой эволюции. С этого времени он и вмешательство человека в дела природы стал рассматривать как исторически обусловленный, качественно новый этап развития биосферы. При этом он был уверен, что расхищение природных ресурсов, характерное для ранних стадий развития капиталистического общества, явление временное, связанное с недостатком знаний и низким культурным уровнем населения. В.И.Вернадский считал, что при разумном отношении к антропогенному преобразованию природной среды суммарные ресурсы биосферы могут возрастать быстрее, чем возрастает численность человечества, и что такая разумно преобразованная биосфера сможет удовлетворить материальные и духовные потребности человечества.
Термины “ноосфера” и “биосфера” не принадлежат В.И.Вернадскому (их предложил французский математик и физик Э.Леруа после того, как им был прослушан курс лекций В.И.Вернадского по геохимии). “Ноос” – древнегреческое название человеческого разума. Следовательно, ноосфера – это сфера человеческого разума. В дальнейшем употребление термина “ноосфера” связано с именем В.И.Вернадского.
В.И.Вернадский доказал, что за 4 млрд. лет существования на планете Земля живые организмы вызвали огромные преобразования, полностью изменив облик нашей планеты: сделали ее зеленой, создали огромные запасы энергетических веществ – нефти, каменного угля, торфа; в морях образовали коралловые рифы и целые острова; создали голубую пелену нашей планеты, т.е. слой воздуха, в котором велика доля кислорода.
Под влиянием и при участии жизнедеятельности организмов в биосфере происходит круговорот воды, кислорода, углерода, азота и других веществ. Такой обмен элементами различных слоев биосферы обеспечивает возможность жизни в ней живых существ.

Рассмотрим некоторые циклы элементов.

Цикл углерода. Углерод (C) – основа всех органических соединений.
В атмосфере постоянно происходит обмен CO2, поглощение его растениями при фотосинтезе и выделение всеми организмами при дыхании. Кроме того, углерод поступает в атмосферу из детрита: торфа, сапропеля, что является результатом деятельности микроорганизмов на болотах. Углерод в виде CO2 поступает в атмосферу также при сжигании топлива (каменного угля, нефти, газа) или при извержении вулканов – это приводит к повышению содержания CO2 в атмосфере.
Пока еще наши леса справляются с поглощением этого дополнительного диоксида углерода в атмосфере, тем более, что часть его поглощается и поверхностью океана, где обитает фитопланктон (зеленые водоросли).
Но если площадь лесов будет сокращаться, а океан загрязняться, возникнет проблема “парникового эффекта”, когда в результате избытка CO2 и других газов, загрязняющих атмосферу, наша планета будет как бы покрыта пленкой (как в парнике). Такое “пленочное” покрытие пропускает к Земле солнечные лучи, но задерживает отраженное ее поверхностью тепло. В результате произойдет потепление климата, может начаться таяние льдов Арктики и Антарктики, горных ледников. Это вызовет подъем уровня Мирового океана на несколько метров. Низменности прибрежных районов будут затоплены, а в странах, удаленных от океанов, участятся засухи, снизится урожайность сельскохозяйственных культур, что может привести к голоду. В результате затопления могут погибнуть такие государства, как Бангладеш и Нидерланды, на территориях которых проживает сейчас 1 млрд. человек.
Такие нежелательные последствия может вызвать вмешательство человека в естественный цикл углерода в биосфере.

Цикл кислорода. Кислород выделяют растения в результате фотосинтеза, а поглощают его все живые организмы при дыхании. До появления цивилизации эти процессы находились в равновесии. Сейчас происходит дополнительное расходование кислорода при сжигании горючего в автомобилях, двигателях самолетов, топках электростанций. При уменьшении площади лесов равновесие в цикле О2 может резко нарушиться.

Цикл азота. Азот – один из важнейших биогенных элементов, составная часть белков, наряду с углеродом. В основном атмосфера состоит из азота, но это инертный газ, который не доступен большинству организмов. Превращение азота в доступные растениям формы происходит при грозовых разрядах. Его усваивают также микроорганизмы – азотофиксаторы (клубеньковые бактерии).
В атмосферу азот из разложившихся белков поступает при участии микроорганизмов – денитрификаторов, которые “работают” в почве. При распашке земель резко (в пять раз) уменьшается активность фиксации азота микроорганизмами и активизируются денитрифицирующие микроорганизмы – в результате уменьшается содержание азота в почве, что снижает ее плодородие.

Цикл фосфора. Фосфор содержится в горных породах и попадает в экосистемы при разрушении горных пород либо при внесении на поля фосфорных удобрений. Растения поглощают соединения фосфора из почвы, от растений, по пищевым цепям фосфор поступает к животным и накапливается в их тканях. Перерабатывая мертвые ткани растений и животных в детритных цепях, микроорганизмы возвращают фосфор в почвенный раствор. Однако часть фосфора вымывается из почвы и по ручьям и рекам поступает на дно морей и океанов. Из этих хранилищ фосфор почти никуда не тратится, лишь небольшую его часть выносят на сушу птицы, питающиеся рыбами. В океаны ежедневно вымывается 14 млн. т. фосфора, а с рыбой через птиц возвращается 0,1 млн. т., т.е. в отличие от замкнутых циклов воды, углерода и кислорода, цикл фосфора – открытый. С суши фосфор постоянно выносится в океан. Запасы фосфора в горных породах истощаются, возникает проблема его дефицита. Решение этой проблемы лежит в экономном внесении удобрений.
Итак, мы рассмотрели важнейшие циклы некоторых веществ, необходимых для построения живого компонента биосферы. Живые организмы способны накапливать многие элементы и сложные вещества, повышая их концентрацию в тысячи раз.
Если вмешательство человека в биосферу незначительно, то сохраняется природное равновесие экосистем. Однако усиливающееся влияние человека на природу (вырубка лесов, которые выделяют кислород и испаряют много воды, сжигание большого количества топлива, содержащего углерод, уменьшение испарения с поверхности океана из-за пленки нефти, которая покрывает все большие площади океана) приводит к нарушению равновесия и глобальному ухудшению состояния биосферы.

Глобальные проблемы биосферы. Первая проблема – угроза “парникового эффекта”, о котором мы уже говорили.
Вторая проблема – разрушение озонового слоя, расположенного на высоте 15-50 км от земной поверхности и защищающего живые организмы от губительного действия коротковолновых УФЛ. Озоновый слой разрушается в результате попадания в него летучих хлор- и фтор- органических соединений, которые распадаются под действием солнечного света. Каждый атом хлора или фтора, попавший в озоновый слой, может разрушить до 100 000 молекул озона. Источники таких хлор- и фтор- органических соединений – различные растворители, фреоны холодильников и аэрозольных баллонов. Накопление различных аэрозолей в атмосфере очень вредит озоновому экрану. Поэтому во всем мире идет поиск заменителей этих опасных веществ.
Третья важнейшая проблема биосферы – это аридизация (или опустынивание) суши.
Опустынивание – это процесс крайней деградации земель, ведущий к тому, что они становятся похожими на пустыню. Происходит это в результате снижения уровня грунтовых вод и эрозии (разрушения) почвы.
Вообще опустынивание – это взаимодействие засухи и хозяйственной деятельности человека. Так, земли в районе Оклахомы, при таком взаимодействии, превратились в “пыльную чашу”, или описание вида открывающегося с Великой китайской стены: “... Вся долина, бывшая некогда прекрасными фермерскими угодьями, превратилась в пустыню из песка и гравия, то влажную, то сухую, но всегда бесплодную. Ее единственный урожай сейчас – это пыль, подхватываемая сильными зимними ветрами...” .
Рассмотрим причины опустынивания.
Перевыпас – увеличение поголовья крупного рогатого скота, который не столь устойчив к засухе, как местные пустынные животные.
Упрощение экосистем – выжигание кустарников для лучшего роста травы, уничтожение травы животными, не оставляющими ее перегнивать в почве.
Сельское хозяйство – интенсивное земледелие, не оставляющее поля под пар.
Заготовка дров – непланомерная вырубка лесов.
Засоление – в результате орошения происходит испарение воды, а соль – остается.
Перерасход грунтовых вод – грунтовые воды расходуются быстрее, чем возобновляются.
Четвертая проблема – истощение природных ресурсов. В древние времена человек добывал 19 элементов периодической системы Д.М.Менделеева, к началу XVIII века – 25, в XIX веке – до 50, а в настоящее время в производство вовлечено около 100 элементов. Количество ежегодно добываемых полезных ископаемых превышает 100 млрд. т. и темпы добычи растут. По разным оценкам невозобновимые природные ресурсы истощатся через 50-100 лет.
Все эти проблемы биосферы возникли в результате развития особой оболочки Земли – сферы человеческого разума, или, как ее называл В.И.Вернадский, ноосферы. Под ноосферой он понимал современный этап развития биосферы.
Создание ноосферы – это создание новых принципов разумного управления биосферой. В этом процессе человечество должно найти способ устранения экологического кризиса и одновременно способ сосуществования общества с природой при высоком уровне его технического развития. Человек должен научиться делать прогнозы и предсказывать возможные результаты своего вмешательства в природные процессы.