Характеристика и функции живого вещества

Под живым веществом понимается совокупность массы всех организмов, населяющих в тот или иной момент нашу планету. Живое вещество характеризуется количественно массой, химическим составом, геохимической энергией. Важнейшим свойством живого вещества является способность к воспроизводству и распространению на планете. Все вещества и энергию, необходимые для жизнедеятельности, организмы получают из окружающей среды.

Биосфера представляет собой открытую термодинамическую систему, через которую проходит поток энергии от Солнца. Зеленые растения аккумулируют солнечную энергию, превращают ее в химическую и обеспечивают существование жизни на Земле. Живые организмы принимают участие в перераспределении химических элементов, образовании горных пород и минералов, выполняют особые функции: энергетическую, газовую (газообменную), концентрационную, окислительно-восстановительную, биохимическую, функцию созидания (синтеза) и разрушения (распада) и другие.

Энергетическая функция живого вещества – основная планетарная функция биосферы. Она заключается в осуществлении связи биосферно-планетарных явлений с космическим излучением, преимущественно с солнечной радиацией. В основе этой функции лежит фотосинтетическая деятельность зеленых растений, в процессе которой происходит аккумуляция солнечной энергии и ее перераспределение между отдельными компонентами биосферы. За счет накопленной солнечной энергии протекают все жизненные явления на Земле.

Одной из важнейших функций живого вещества является газовая функция, заключающаяся в динамике и трансформации газов в биосфере. Известно, что в процессе фотосинтеза потребляется углекислый газ и выделяется кислород, который обогащает нашу планету. В настоящее время весь кислород в свободном и связанном состоянии имеет биогенное происхождение. В процессе дыхания происходит поглощение кислорода и выделение углекислого газа, как конечного продукта окислительного процесса, присущего живой системе. В большом количестве выдыхаются пары воды. С деятельностью бактерий связан круговорот азота. В процессе газового метаболизма могут выделяться сероводород (при неполном окислении органических веществ), метан, другие газы.

Концентрационная функция связана с накоплением в живых организмах разных химических элементов: углерода, водорода, азота, кислорода, кальция, калия, кремния, фосфора, магния, серы, хлора, натрия, железа, алюминия. Отдельные виды являются специфическими концентраторами некоторых элементов: морская капуста (ламинария) – йода, лютики – лития, ряска – радия, диатомовые водоросли и злаки – кремния, моллюски и ракообразные – меди, позвоночные – железа, бактерии – марганца и т. д. Результатом концентрационной функции в масштабах биосферы является накопление залежей полезных ископаемых (известняка, туфа, торфа, каменного угля, мергеля, др.). Живые организмы способны накапливать определенные химические элементы и соединения таким образом, что если в окружающей среде концентрацию элемента принять за единицу, то на первом пищевом уровне – у фотосинтезирующих организмов – она возрастет в 10 раз, на следующих уровнях – у растительноядных форм (фитофагов) и хищников – в 100, 1000 и более раз. В результате концентрации элементов по пищевым уровням они из безвредных в окружающей среде могут стать токсичными. Этим объясняется тот факт, что хищники высокого ранга – орлы, лососи, щуки, др. в пищевых цепях подвержены большим опасностям.

Окислительно-восстановительные функции и реакции лежат в основе всякого биологического метаболизма. Эта функция крайне важна для истории многих элементов, подвергавшихся окислению и восстановлению (прежде всего для соединений железа, серы, марганца, а также азота, меди, селена, урана, кобальта, ванадия, молибдена и др.).

Одной из функций является биохимическая. С ней В. И. Вернадский связывал такие явления, как рост, размножение, перемещение живых организмов. Все эти явления имеют существенное геологическое значение, так как приводят к быстрому расселению живых организмов – «давлению жизни».

Жизнь организмов – это непрекращающийся синтез и распад органических веществ. На разных этапах развития биосферы соотношение процессов данной функции менялось. В момент возникновения биосферы, когда природа была молода, созидание преобладало над разрушением, из первичной атмосферы были изъяты в большом количестве метан, сероводород, углекислый газ, а концентрация свободного кислорода, отсутствовавшего прежде, была доведена до нынешней (21%). При достижении расцвета теплокровных животных в биосфере это неравенство перешло в относительное равновесие. В этот период появился и человек. С момента расцвета промышленности до настоящего времени процессы разрушения стали преобладать над созиданием.

В наше время особое значение приобретает еще одна функция живого – биогеохимическая деятельность человечества. Анализируя эту функцию, В. И. Вернадский фактически первым четко сформулировал концепцию комплексного воздействия человечества на лик Земли, что значительно позже стали называть антропогенным (антропическим) воздействием на окружающую среду.

В основу учения о биосфере положены важные принципы о существующих в природе взаимосвязях. Эти взаимосвязи долгое время не учитывались человеком в его деятельности. Ф. Энгельс в книге «Диалектика природы» писал: «Людям, которые в Месопотамии, Греции, Малой Азии, других местах выкорчевывали леса, чтобы получить таким путем пахотную землю, и не снилось, что они этим положили начало нынешнему запустению этих стран, лишив их, вместе с лесами, центров скопления и сохранения влаги. Когда альпийские итальянцы вырубали на южном склоне гор хвойные леса, так заботливо охраняемые на северном, они не предвидели, что этим подрезают корни высокогорного скотоводства в своей области; еще меньше они предвидели, что этим они на большую часть года оставят без воды свои горные источники, с тем чтобы в период дождей эти источники могли изливать на равнину тем более бешеные потоки».

Чтобы выявить существующие в природе взаимосвязи, часто требуются длительные наблюдения. Это обусловлено медленностью процессов взаимодействия и многочисленностью звеньев цепи в элементах природы. Сведения о существующих в природе взаимосвязях постепенно накапливались, и в конце 19 века появились глубокие обобщения. В. В. Докучаев в работе «Учение о зонах природы», других работах заложил основы комплексной науки, предметом которой стала та вековечная и закономерная связь, какая существует между силами, телами и явлениями природы. Согласно этому учению, к природе следует подходить как к единому целому, как к комплексу, все части которого тесно связаны друг с другом. Изменения хотя бы одного из элементов этого комплекса вызывают изменения в других его частях и, как следствие, комплекса в целом. Данные положения составляют основу закона о всеобщей взаимосвязи и взаимозависимости предметов и явлений в природе. Взаимосвязь явлений и предметов служит основой равновесия, устойчивости биосферы. В основе взаимосвязи элементов природы лежит миграция химических элементов всех сред. Миграция химических элементов в биосфере связана с жизнедеятельностью живых организмов – их дыханием, питанием, размножением, смертью и разложением. Ведущее значение имеет миграция элементов, связанная с образованием растительного покрова и разложением мертвых остатков организмов, т. е. обмен веществ между живыми организмами и средой обитания. Живые организмы являются главным фактором миграции химических элементов. В. И. Вернадский отмечал, что на земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а поэтому более могущественной по своим конечным последствиям, чем организмы, взятые в целом. Захватывая энергию Солнца, живое вещество создает химические соединения, при распадении которых эта энергия освобождается в форме, могущей производить химическую работу. Благодаря деятельности организмов образуются почва и кора выветривания, формируется химический состав подземных и поверхностных вод, определяется состав атмосферы.

В процесс обмена веществ между живыми организмами и их средой активно вовлечены химические элементы и соединения атмосферы (углекислый газ, вода, кислород, азот) и литосферы (кальций, магний, калий, кремний, железо, алюминий, фосфор и др.). В общем, миграция химических элементов определяется двумя противоположными процессами:

1 Образованием живого вещества из элементов окружающей среды за счет солнечной энергии.

2 Разрушением органических веществ, сопровождающихся выделением энергии, в результате чего элементы переходят из органических соединений в минеральные.

Эти процессы протекают многократно и в совокупности образуют круговорот веществ в природе. Круговорот веществ есть многократно (бесконечно) повторяющийся процесс совместного, взаимосвязанного превращения и перемещения веществ в природе. Например, весь кислород планеты – продукт фотосинтеза зеленых растений обновляется через каждые 2000 лет, углекислый газ – через 300 лет, вода – 2 млн. лет. Выделяют (М. М. Камшилов, 1974) большой, или геологический круговорот, наиболее ярко проявляющийся в круговороте воды и циркуляции атмосферы, и малый, или биологический. Последний развивается на основе большого абиотического, используя его особенности.

Итак, миграция химических элементов и круговорот веществ лежат в основе существующих в природе взаимосвязей.

3. Человек и биосфера: проблемы современного этапа развития

Возраст Земли составляет около 4,6 млрд. лет. Биосфера сформировалась на планете в процессе эволюции около 3,5 млрд. лет назад под влиянием следующих естественных факторов: солнечной энергии, силы гравитации, тектонических сил, химической энергии и биогенной энергии. Более 1-го миллиона лет назад на Земле появился человек Отличие человека от других живых организмов – в обладании сознанием, которое дает человеку уникальную способность к самопознанию, познанию и преобразованию окружающего мира, позволяет оценивать результаты своей деятельности.

Антропогенное воздействие – деятельность человека, связанная с реализацией его экономических, военных, культурных и других интересов, вносящая физические, химические, биологические и другие изменения в окружающую природную среду.

Выделяют следующие основные виды антропогенных воздействий:

1. Изменение структуры земной поверхности: строительство городов, промышленных предприятий, дорог, распашка степей, вырубка лесов, осушение земель, создание искусственных водоёмов и т.д.

2. Изменение химического состава окружающей природной среды, влияние на круговорот веществ в биосфере: добыча полезных ископаемых, выбросы различных веществ в атмосферу и гидросферу, химизация сельского хозяйства и т.д.

3. Изменение энергетического (теплового) баланса отдельных регионов и планеты в целом: крупномасштабное сжигание топлива, загрязнение атмосферы "малыми газами" и т.д.

4. Изменения, вносимые в живую природу: уничтожение отдельных видов организмов, выведение новых пород животных и сортов растений, перемещение организмов на новые места обитания и т.д.

Характер и масштабы антропогенных воздействий на биосферу обусловлены биосоциальной природой человека, суть которой состоит в следующем:

♥ с одной стороны, человек – биологический объект, участвующий в глобальном круговороте веществ и энергии и связанный с окружающей природной средой системой трофических взаимодействий;

♥ с другой стороны, человечество представляет собой высокоразвитую социальную систему, которая предъявляет к окружающей природной среде широкий круг небиологических требований, вызванных техническими, бытовыми, культурными потребностями, прогрессивно возрастающими по мере развития науки, техники, культуры.

Таким образом, человек является одновременно и частью природы, и частью особой социальной среды – общества. В настоящее время человечество как социальная система стало функционировать намного шире, чем как система биологическая, вследствие чего масштабы антропогенного воздействия возросли до планетарных, ему подвергаются все компоненты биосферы.

Современное состояние планеты Земля оценивается как глобальный экологический кризис.

Экологический кризис – это такое состояние взаимоотношений человеческого общества и природы, которое характеризуется несоответствием развития производительных сил и производственных отношений в обществе ресурсно-экологическим возможностям биосферы.

В отличие от экологической катастрофы, экологический кризис является обратимым состоянием и человек в нём – активно действующая сторона. Ответная реакция человечества на экологический кризис называется экологической революцией.

Причинами современного экологического кризиса явились следующие факторы:

♥ количественный рост населения Земли и усложнение антропосистемы;

♥ достигнутый уровень развития промышленности и сельского хозяйства;

♥ недостаточное внимание со стороны правительств многих стран к проблемам экологии;

♥ слабый в ряде случаев контроль за состоянием природных ресурсов или вообще его отсутствие;

♥ неполнота научного познания и организации жизни на Земле;

♥ экологическая и биогеографическая безграмотность большинства населения Земли, включая специалистов, разрабатывающих тот или иной проект преобразования природы.

Названные причины кризиса обусловили его структуру, состоящую из двух частей – естественной и социальной. Естественная часть состоит в наступлении деградации, разрушении окружающей природной среды. Социальная сторона заключается в неспособности государственных и общественных структур остановить деградацию окружающей природной среды и оздоровить её.

В целом, современный экологический кризис характеризуется опасным загрязнением окружающей среды, истощением природных ресурсов с приближением к максимальному использованию энергии на поверхности Земли и, как следствие, резким нарушением экологического равновесия.

Загрязнение окружающей природной среды – это поступление в неё любых твёрдых, жидких и газообразных веществ, микроорганизмов или энергий (в виде звуков, шумов, излучений) в количествах, оказывающих вредное воздействие на здоровье человека, флору, фауну и общее состояние экосистем.

Выделяют следующие основные типы загрязнений окружающей среды:

1. Физическое загрязнение: тепловое, шумовое, радиационное и радиоактивное, электромагнитное.

2. Химическое загрязнение: минеральное и органическое.

3. Биологическое загрязнение: биотическое (биогенное) и микробиологическое (микробное).

Природные ресурсы – компоненты окружающей природной среды (естественные тела и природные явления), используемые человеком для создания материальных благ и удовлетворения духовных потребностей.

К природным ресурсам относятся: солнечная энергия, энергия морских приливов и отливов, геотермальная энергия (внутриземная теплота), энергия ветра, воздух, вода, почва, полезные ископаемые, животные и растения.

Неисчерпаемые ресурсы – те ресурсы, которые можно использовать неограниченно долго. К ним относятся ресурсы космического масштаба, источник которых не подвержен антропогенному влиянию.

Исчерпаемые ресурсы – те ресурсы, которые могут быть полностью использованы в ближайшей или отдалённой перспективе. Исчерпаемые ресурсы делят на возобновляемые, относительно возобновляемые и невозобновляемые.

Возобновляемые ресурсы – ресурсы, обладающие способностью к воспроизводству (естественному или с помощью человека) со скоростью, превышающей скорость их потребления. Относительно возобновляемые ресурсы – ресурсы, способные к воспроизводству со скоростью, сопоставимой с темпами их эксплуатации. Невозобновляемые ресурсы – ресурсы, скорость использования которых превышает скорость их естественного накопления, если таковое вообще происходит.

Человек использовал природные ресурсы с самого начала своего существования. До самого недавнего времени потребление человеком невозобновляемых природных ресурсов оставалось небольшим, а скорость использования возобновляемых была относительно мала. Сейчас сложилась качественно иная ситуация: осознан факт ограниченности невозобновляемых ресурсов, скорость потребления возобновляемых ресурсов стала превышать скорость их естественного возобновления. В результате возник целый ряд проблем, главными из которых являются: а) возможность перехода отдельных видов возобновляемых ресурсов в разряд невозобновляемых; б) быстрое истощение имеющихся запасов невозобновляемых ресурсов.

Решение проблем глобального загрязнения окружающей среды и истощения природных ресурсов – ключевых аспектов современного экологического кризиса – возможно только в рамках концепции о ноосфере, разработанной академиком В.И. Вернадским.

Ноосфера – высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и становлением в ней цивилизованного общества, т.е. с периодом, когда разумная деятельность человека становится главным определяющим фактором развития биосферы.

Важнейшей задачей предноосферного периода является выход из глобального экологического кризиса. Решение этой проблемы заключается в разработке комплекса надёжных антикризисных мер, позволяющих активно противодействовать дальнейшей деградации природной среды и выйти на устойчивое развитие общества.

Анализ причин и структуры современного экологического кризиса позволяет выделить следующие основные направления выхода из кризиса:

1. Технологическое направление – создание экологически чистой технологии, внедрение безотходных и малоотходных производств, обновление основных фондов, совершенствование технологических процессов.

2. Экономическое направление – развитие и совершенствование экономического механизма охраны окружающей природной среды: внедрение платежей за выбросы вредных веществ, введение налоговых льгот за выпуск экологически чистой продукции и др.

3. Административно-юридическое направление – применение мер административного пресечения и мер юридической ответственности за экологические правонарушения: закрытие предприятий, нарушающих природоохранные законы, привлечение виновных к уголовной или гражданской ответственности и т.п.

4. Эколого-просветительское направление – гармонизация экологического мышления человека: создание всеобщей системы экологического образования, просвещения, воспитания, искоренение потребительского отношения к природе.

5. Международно-правовое направление – гармонизация экологических международных отношений, объединение усилий всех стран в решении экологических проблем.

Ликвидация экологического кризиса и построение ноосферы возможны только при установлении рациональных взаимоотношений в системе "человек – природа". Рациональные взаимоотношения базируются на принципах охраны окружающей природной среды и рационального природопользования. Главными инструментами в области охраны окружающей природной среды и рационального природопользования являются система экологического нормирования и инженерная защита окружающей среды.

Экологическое нормирование – это процесс научной разработки и юридического закрепления системы количественных и качественных нормативов состояния окружающей природной среды, при которых обеспечиваются благоприятные условия для жизни людей и устойчивого функционирования природных экосистем.

Экологические нормативы делятся на три группы: санитарно-гигиенические, производственно-хозяйственные и комплексные.

Санитарно-гигиенические нормативы – это нормативы предельно допустимых уровней химического, биологического, физического и радиационного воздействий (применительно к здоровью человека). Основными санитарно-гигиеническими нормативами являются: предельно допустимая концентрация вредных веществ (ПДК – для химических и биологических воздействий) и предельно допустимый уровень воздействия (ПДУ – для физических и радиационных воздействий).

Производственно-хозяйственные нормативы устанавливают требования к источнику вредного воздействия, ограничивая его деятельность определённой пороговой величиной. Основными производственно-хозяйственными нормативами являются: предельно допустимый выброс (ПДВ) и предельно допустимый сброс (ПДС).

Комплексными нормативами качества являются предельно допустимые нормы нагрузки на окружающую природную среду (ПДН). Рациональное природопользование – это экономная, научно-обоснованная эксплуатация природных ресурсов, при которой достигается максимально возможное использование природно-ресурсного потенциала в интересах человека (с учётом перспективы) при сохранении способности природных экосистем к саморегуляции и воспроизводству.

Главное стратегическое направление инженерной защиты окружающей среды состоит в экологизации всего промышленного производства. Основными направлениями такой экологизации являются:

♥ совершенствование технологических процессов и разработка нового оборудования с меньшим уровнем выбросов вредных веществ и отходов в окружающую среду;

♥ широкое внедрение экологической экспертизы всех видов производств и промышленной продукции;

♥ замена токсичных и неутилизируемых отходов на нетоксичные и утилизируемые;

♥ широкое применение дополнительных методов и средств защиты окружающей среды – аппаратов и систем очистки газовых выбросов, сточных вод, глушителей шума и т.п.

Дата добавления: 2014-11-06