Земля - как планета Солнечной системы. Атмосфера. Гидросфера. Литосфера. Биосфера

Тема 1. Экология и окружающая природная среда.

1. Понятие о научной дисциплине "Экология".

Термин «экология» (от гр. oikos — дом, родина и logos — наука) предложил немецкий биолог Э.Геккель (1866 г.), это наука об отношениях растительного мира, животных организмов, человека и образуемых ими сообществ между собой и окружающей средой.

Исходя из определения, что экология — совокупность научных и практических проблем взаимоотношений человека и природы, ее можно разделить на экологию общую и прикладную.

К общей экологии следует отнести разделы, изучающие антропосное воздействие на живое вещество (биоэкология) и биокосное вещество (геоэкология) и их ответные реакции на это воздействие.

В биоэкологии при делении по уровню организации живого можно выделить молекулярную экологию, морфологическую экологию (клеток и тканей) и аутоэкологию, изучающую живое вещество на уровне особи. При делении по типу структурирования живого в биологической системе биоэкологию можно разделить на экологию многоклеточных организмов (грибов, растений и животных) и одноклеточных (микроорганизмов).

К предмету геоэкологии относятся проблемы взаимодействия в системе антропос - биокосное вещество. Принимая за признак деления агрегатное состояние этого вещества, получим, например, деление геоэкологии на экологию суши, гидросферы и атмосферы.

К области прикладной экологии необходимо отнести следующие вопросы: выработка общих решений, прогнозов и рекомендаций, касающихся путей выхода из глобальных кризисных ситуаций экологического характера; разработка конкретных управленческих, юридических, технологических и экономических решений, улучшающих экологические параметры развития общества. Исходя из сказанного, прикладную экологию можно разделить на экологию глобальных кризисных проблем и экологию природопользования.

К глобальным кризисным относятся, например, проблемы парникового эффекта и озонового слоя Земли. Экологию природопользования составляют экология промышленная, сельскохозяйственная, промысловая, быта и т.д.

Астрономы предполагают, что Земля вместе с другими планетами возникла около 4,6 млрд. лет назад из одного сжимающегося газопылевого облака, из которого образовалось и Солнце. В соответствии с современными научными взглядами Земля представлена тремя слоями (сферами).

Первый слой - это атмосфера, простирающаяся в Космос. Современная атмосфера планеты по составу относится к азотно-кислородному типу и этим качественно разнится от газовых оболочек всех известных ныне небесных тел, включая планеты Солнечной системы. Атмосфера подразделяется на несколько зон: тропосферу, стратосферу, мезосферу, ионосферу и экзосферу.

1.Тропосфера - нижняя часть атмосферы. В ней сосредоточено более 80% всей массы воздуха. Ее высота определяется интенсивностью вертикальных (восходящих и нисходящих) потоков воздуха, вызванных нагреванием земной поверхности (на экваторе до высоты 16-18 км, в умеренных широтах 10-11км, на полюсах до 8 км). Тропосфера характеризуется понижением температуры воздуха с высотой, в среднем на 0,6 К через каждые 100 м.

2.Стратосфера располагается выше тропосферы, до высоты 50-55 км, и отличается повышением температуры у ее верхней границы. Это связано с наличием здесь пояса озона, интенсивно поглощающего световое излучение ультрафиолетового спектра. Одновременно озоновый слой защищает поверхность Земли от губительного воздействия этой части излучения Солнца.

3.Мезосфера простирается до высоты 80 км. В ней наблюдается резкое понижение температуры (до -75-90°С) и образование серебристых облаков, состоящих из ледяных кристаллов.

4.Ионосфера (термосфера) достигает высоты 800 км. Для нее характерно значительное повышение температуры (до 1000°С и более). Под прямым воздействием ультрафиолетового излучения газ здесь присутствует в ионизированном состоянии, что способствует многократному отражению радиоволн, обеспечивающих дальнюю радиосвязь на Земле.

5.Экзосфера находится на высоте от 800 до 2000-3000 км и имеет температуру свыше 2000°С. Скорость движения газов в ней приближается к критической (11,2 км/с). Они представлены в основном водородом и гелием, образующими вокруг Земли корону, простирающуюся до высоты 20 тыс. км.

Вторая сфера – литосфера – верхняя твердая оболочка Земли, включает земную кору и верхнюю мантию. Мощность литосферы – 50-100 км, в том числе земной коры – до 75 км на континентах и 10 км под океаном. Исследована лишь верхняя часть земной коры (около 5% ее объема). На 47-49% она состоит из кислорода, на 27-28% из кремния, на 8% из алюминия. Они составляют основу песчано-глинистых минералов, доля которых в коре достигает 80-85%. Эти же элементы, а также железо, кальций, натрий, калий, магний и титан образуют 99,6% массы земной коры. На долю остальных 105 известных химических элементов приходится только 0,4%. Жизнь в литосфере концентрируется только в поверхностном слое земной коры, то есть в почве. Почва - это верхние наружные уровни горных пород, измененные под влиянием воды, воздуха и деятельности живых организмов, это смесь остатков живых организмов и косных (неорганических) веществ, обладающая таким свойством как плодородие. Мощность почвы невелика: от 30 см в тундре до 160 см – в западных черноземах.

Следующий за корой слой Земли толщиной около 2880 км известен как мантия. Предполагают, что она в основном сложена плотными силикатными породами. Третий слой толщиной порядка 3500 км называют ядром. По-видимому, оно состоит из внешнего жидкого слоя толщиной около 2080 км и твердой центральной части из никеля и железа при температуре 6400 К.

Большую часть поверхности нашей планеты занимает третья сфера или гидросфера, включающая все типы водоемов. В наиболее общем виде гидросферу делят на Мировой океан, континентальные и подземные воды.

В Мировом океане сосредоточена основная масса воды. Его средняя глубина составляет более 4000 м, он занимает площадь, равную 71% поверхности земного шара, и отличается высокой соленостью. Континентальные водоемы покрывают около 5% площади Земли. Из них на долю поверхностных вод (озера, реки, болота) приходится весьма малая часть (0,2%), ледников - 1,7%.

В верхней части земной коры находятся обширные запасы подземных вод, которые составляют около 4% общего объема гидросферы. Пресные воды залегают до глубины 150-200 м, ниже они переходят в солоноватые. Подземные воды включают в себя также лед в толще многолетней мерзлоты.

Свободные воды гидросферы по вертикали делятся на две зоны. Верхняя зона - эуфотическая, определяется глубиной проникновения солнечного света (в среднем 200 м). В этой зоне протекает деятельность фотосинтезирующих организмов (растений, некоторых бактерий). В нижних слоях, куда не проникает солнечный свет, - афотической зоне - обитают живые организмы, использующие готовые органические вещества, синтезированные организмами эуфотической зоны. Весь планетный запас воды достигает 1450 млн. км³.

Гидросфера тесно связана с литосферой (подземные воды), атмосферой (пары воды) и живым веществом, в состав которого вода входит в качестве обязательного компонента. Она выступает в роли универсального растворителя практически всех веществ, взаимодействует со многими из них. Это взаимодействие обеспечивает обмен веществ, например, между сушей и океаном, организмами и окружающей средой.

Кроме названных, выделяют еще одну весьма своеобразную оболочку Земли, которую называют биосферой, это область распространения жизни на Земле, охватывающая несколько населенных организмами геосфер: тропосферу, гидросферу и часть литосферы (до 3 км). Биосфера представляет собой совокупность частей земных оболочек, которая заселена живыми организмами, находится под их воздействием и занята продуктами их жизнедеятельности.

В соответствии с учением В.И. Вернадского, биосферу можно разделить на три подсферы:

1. Аэробиосфера населена аэробионтами, основой жизни которых является влага воздуха. В аэробиосфере выделяют слой тропобиосферы – от вершин деревьев до высоты наиболее частого расположения кучевых облаков. Выше тропобиосферы лежит слой альтобиосферы, где концентрация микроорганизмов очень небольшая. Над слоем альтобиосферы находится пространство, куда микроорганизмы проникают случайно, и в этом слое они не размножаются – парабиосфера.

2. В гидробиосфере выделяют три слоя в зависимости от интенсивности проникающего солнечного света:

- фотосфера – относительно ярко освещенный слой;

- дисфотосфера – проникает до 1% солнечного света;

- афтосфера – слой абсолютной темноты, где фотосинтез невозможен.

3. Геобиосфера включает:

- террабиосферу – область жизни на поверхности суши, которая подразделяется на фитосферу (от поверхности Земли до верхушек деревьев) и педосферу (почвы и лежащие под ними подпочвы);

- литобиосферу – жизнь в глубинах Земли в порах горных пород. Жизнь в толще литосферы существует в основном в подземных водах.

Биосфера состоит из нескольких типов веществ:

1. живое вещество - совокупность всех живых организмов на планете (растений, животных, микроорганизмов).;
2. биогенное вещество - вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами на протяжении геологической истории (каменный уголь, битумы, известняки, нефть);
3. косное вещество (твердое, жидкое, газообразное) - вещество неорганического происхождения, т.е. образуемое в процессах, в которых живое вещество не участвует;
4. биокосное вещество - вещество, которое создается одновременно в процессах жизнедеятельности живых организмов и в процессах неорганической природы, причем организмы играют ведущую роль (сюда относится почти вся вода биосферы, почвы, илы);
5. вещество, находящееся в процессе радиоактивного распада (радиоактивные элементы);
6. рассеянные атомы, непрерывно образующиеся из различных видов земного вещества под влиянием космического излучения;
7. вещество космического происхождения (космическая пыль, обломки метеоритов и т.д.).

К основным признакам живого относятся:

1. Единство химического состава. В живых организмах 98% химического состава приходится на 6 элементов (макробиогены): около 60% кислорода, около 20% углерода, около 10% водорода, 3% азота, 3,5% кальция и 1% фосфора.

2.Живые системы содержат совокупность сложных биополимеров (белки, нуклеиновые кислоты, ферменты, витамины и др.).

3.Это открытые системы, то есть системы, которые не могут существовать без постоянного притока энергии в виде пищи, света и т.п. (используют внешние источники энергии). Все живые системы способны к обмену веществами с окружающей средой, поглощая из нее вещества, необходимые для питания, и выделяя во внешнюю среду продукты жизнедеятельности.

Через живые организмы проходят потоки энергии и веществ, в результате чего в системах осуществляется обмен веществ – метаболизм (от греч. – превращение.).

Метаболизм включает процессы анаболизма (синтез веществ) и катаболизма (распад сложных веществ). В процессах анаболизма под действием ферментов происходит синтез сложных веществ из более простых с накоплением энергии (фотосинтез).

При катаболизме происходит высвобождение энергии, заключенной в химических связях крупных органических молекул, и накопление ее в форме богатых энергией фосфатных связей аденозинтрифосфорной кислоты (дыхание, брожение). Конечными продуктами катаболизма являются углекислый газ, вода, аммиак и т.д. Обмен веществ обеспечивает постоянство химического состава внутренней среды организма (гомеостаз) и, как следствие, постоянство его функционирования в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды.

4.Живые системы – высокоорганизованные и упорядоченные системы, они устойчивы при жизни и быстро разлагаются после смерти.

5.Жизнь на Земле проявляется в виде дискретных форм. Дискретность живого означает, что отдельный организм или сообщество организмов состоят из отдельных изолированных, но тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство.

6.Живые системы – самовоспроизводящиеся системы. В основе самовоспроизведения лежит образование новых молекул и структур по генетической программе, которая заложена в ДНК клеток.

Наследственность – способность организмов передавать свои признаки, свойства и способности развития из поколения в поколение.

7.Живые системы – самоуправляющиеся, саморегулирующиеся и самоорганизующиеся системы.

Саморегуляция – свойство живых систем автоматически устанавливать и поддерживать на определенном уровне те или иные показатели системы (рН, температуру, содержание воды, углекислого газа и т.д.), т.е. обеспечивать гомеостаз.

Самоорганизация – свойство живой системы приспосабливаться к изменяющимся условиям внешней среды за счет изменения структуры своей системы управления. Это изменение происходит в процессе переработки поступающей из внешней среды информации, т.е. живые системы с амоуправляющиеся.

8.Живые системы способны к росту и развитию. Рост – увеличение в размерах и массе с сохранением общих черт и качеств системы. Рост живой системы сопровождается развитием, то есть возникновением новых качеств и черт.

9. Историческое развитие, то есть необратимое и направленное развитие живой природы, сопровождается образованием новых видов и прогрессивным усложнением формы жизни от оплодотворения до смерти. Историческое развитие живых систем связано с их изменчивостью.

Изменчивость – свойство, противоположное наследственности и связанное с приобретением организмом новых свойств и признаков под воздействием внешних факторов в результате самоуправления.

10.Живым организмам характерна ритмичность, то есть периодические изменения интенсивности физиологических функций с различными периодами колебаний (суточные ритмы сна и бодрствования, сезонные ритмы активности и спячки некоторых млекопитающих).

11.Живая система – динамическая система, которая активно воспринимает и преобразует молекулярную информацию с целью самосохранения.

Взаимодействие живых организмов с компонентами биосферы (литосферой, атмосферой, гидросферой) происходит путем обмена, питания, дыхания и выделения продуктов метаболизма. Все организмы неодинаковы с точки зрения накопления ими веществ и энергии. Растения используют солнечную энергию, осуществляя процесс фотосинтеза, а животные потребляют органические вещества, созданные растениями - фотосинтетиками. Поэтому все живые организмы по способу питания можно разделить на два класса: автотрофные и гетеротрофные организмы.

Автотрофные, т.е. самопитающиеся, - поглощают энергию Солнца и вещества из окружающей среды, создают органические вещества из неорганических. К ним относятся зеленые растения, водоросли и некоторые бактерии. По источнику энергии автотрофы подразделяют:

1. Фотоавтотрофы осуществляют процесс превращения воды и углекислого газа в сахара с выделением в качестве побочного продукта - кислорода (фотосинтез).

2. Хемоавтотрофы для синтеза органических веществ используют химическую энергию (серо- и железобактерии – при окислении соединений серы и железа), они играют значительную роль только в экосистемах подземных вод.

Гетеротрофные организмы, т.е. питаемые другими, - используют в качестве пищи готовые органические вещества, т.е. они питаются другими животными организмами, растениями или их плодами. К ним относятся травоядные, хищники и человек.

Выделяют иногда еще миксотрофные организмы, которые в зависимости от условий внешней среды могут сочетать автотрофный и гетеротрофный режим питания. Например, водные одноклеточные организмы при хорошей освещенности питаются автотрофно, а в темноте переходят к гетеротрофному способу.

Живое вещество также подразделяется:

1. Однородное – биомасса организмов одного вида или рода.

2. Разнородное – биомасса особей разных видов, населяющих данную экосистему.

3. Репродуктивное вещество – живые организмы, благодаря которым жизнь в биосфере постоянно воспроизводится.

4. Соматическое вещество – организмы, уже не способные воспроизводить себе подобных.

Живые системы обладают совокупностью следующих функций:

1. Питание. Пища нужна всем живым системам как источник энергии и веществ, необходимых для строительства органов (процесс анаболизма).

2. Дыхание – процесс катаболизма.

3. Выделение – выведение из организма конечных продуктов обмена.

4. Раздражимость – реагирование на изменение внешней и внутренней среды (голод, жажда, холод). Реакция многоклеточных животных на раздражение осуществляется с участием нервной системы и называется рефлексом.

5. Размножение.

6. Рост – в отличие от кристаллов, растущих снаружи, живые системы растут как бы изнутри, включая питательные вещества в структуру своего тела.

7. Подвижность – перемещение в пространстве всей системы и движение внутри системы (кровь у животных).

К свойствам живого вещества относят:

1.Способность быстро осваивать все свободное пространство (всюдность жизни).

2.Способность двигаться не только пассивно (под действием гравитации), но и активно (против течения воды, силы тяжести и т.д.).

3.Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти.

4.Высокая приспособительная способность (адаптация) к разным условиям и в связи с этим освоение не только всех сред жизни (водной, воздушной, почвенной), но и трудных по физико-химическим параметрам условий (температурным, радиационным и др.).

5.Очень большая скорость протекания реакций, она на несколько порядков выше, чем в неживом веществе.

6.Высокая скорость обновления живого вещества (в среднем для биосферы 8 лет, при этом для суши – 14 лет, а для океана – 33 дня).

К основным свойствам биосферы относят:

1.Биосфера способна аккумулировать солнечную энергию и превращать ее в энергию химических связей органических соединений.

2.Биосфера – целостная система, она обусловлена непрерывным обменом веществ и энергии между ее составными частями.

3.Биосфера – централизованная система, центром ее являются живые организмы.

4.Биосфера – открытая система. Ее существование невозможно без постоянного притока солнечной энергии.

5.Биосфера – саморегулирующая система, для которой характерна организованность, способность поддерживать исходное состояние, т.е. после различных нарушений возвращаться в первоначальное состояние (это свойство называется гомеостазом).

6.Биосфера проявляет ритмичность – повторяемость во времени тех или иных явлений. В природе существуют ритмы разной продолжительности. Основные из них – суточные, годовые, внутривековые и сверхвековые.

7.Биосфера обладает горизонтальной зональностью и высокой поясностью.

Горизонтальная зональность – закономерное изменение природной среды по направлению от экватора к полюсам. Зональность обусловлена неодинаковым количеством поступающей на разные широты тепла в связи шарообразной формой Земли. Наиболее крупные зональные подразделения – географические пояса.

8.Биосфера – глобальная многоэлементная система, характеризующаяся большим разнообразием. Это разнообразие обусловлено совокупностью большого количества экосистем со свойственным им видовым разнообразием.

9.Важнейшее свойство биосферы – обеспечение круговорота веществ и неисчерпаемости отдельных химических элементов и их соединений. Нарушение или тем более разрушение природных круговоротов химических элементов может привести к коллапсу биосферы.

10.Биосфера – живая открытая система. Она обменивается энергией и веществом с внешним миром. Применительно к биосфере внешний мир – это космическое пространство.

К биосфере относят прежде всего те участки, где есть условия для выживания и размножения живых существ – это поле существования жизни. К ним прилегают территории, в которых живые организмы лишь выживают, они не могут размножаться. Эти территории называются полем устойчивости жизни.

Поле существования жизни определяется:

1) достаточным количеством кислорода, углекислого газа и воды;

2) благоприятной температурой;

3) прожиточным минимумом минеральных веществ.

Наибольшая концентрация жизни в биосфере наблюдается на границах соприкосновения земных оболочек: атмосферы и литосферы (поверхность суши), атмосферы и гидросферы (поверхность океана), гидросферы и литосферы (дно океана), и особенно на границе трех оболочек – атмосферы, гидросферы и литосферы (прибрежные зоны). Эти места наибольшей концентрации жизни В.И. Вернадский назвал пленками жизни. Вверх и вниз от этих поверхностей концентрация живой материи уменьшается.

Существует пять интегральных биохимических функций биосферы, и в том числе, живого вещества:

1. Энергетическая функция выполняется в основном растениями. В основе этой функции лежит процесс фотосинтеза, т.е. аккумулирование зелеными растениями солнечной энергии и дальнейшее ее перераспределение между остальными компонентами биосферы.

2. Средообразующая функция состоит в трансформации химических параметров среды в условия, благоприятные для существования организмов. Средообразующая функция включает:

-Газовая функция обеспечивает газовый состав биосферы в процессах миграции и превращения газов, большая часть которых имеет биогенное происхождение. Выделяется несколько газовых функций: кислородно-углекислотная (процесс фотосинтеза), углекислотная (процесс дыхания), азотная (выделение азота азотденитрофицирующими бактериями).

-Деструктивная функция обуславливает процессы, связанные с разложением мертвой органики, с химическим разрушением горных пород и вовлечением образовавшихся веществ в биотический круговорот. В результате этого образуются биокосные и биогенные вещества, происходит минерализация органики, т.е. превращение ее в косное вещество.

-Концентрационная функция заключается в избирательном извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов окружающей среды, обуславливая большую разницу в составе живого и косного вещества планеты. Благодаря этой функции живые организмы могут служить для человека источником, как полезных веществ (витаминов, аминокислот), так и опасных для здоровья (тяжелых металлов, радиоактивных элементов и ядохимикатов).

- Окислительно-восстановительная функция живых организмов проявляется в окислении с участием бактерий, грибов всех бедных кислородом соединений в почве, коре выветривания и гидросфере. В результате восстановительной деятельности анаэробных микроорганизмов в заболоченных почвах, практически лишенных кислорода, образуются окисленные формы железа.

3. Транспортная функция – перенос вещества и энергии в результате движения живых организмов. Часто такой перенос осуществляется на громадное расстояние, например при перелете птиц.

4. Информационная функция. Живые организмы способны воспринимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию и передавать ее последующим поколениям.

5. Рассеивающая функция – рассеивание веществ в окружающей среде. Она проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов, например рассеивание токсичных веществ, рассеивание веществ при выделении организмами экскрементов.

Условием существования и развития биосферы является круговорот биологически важных веществ. Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ: геологический, или большой, и малый, биологический.

Геологический круговорот четко проявляется на примере круговорота воды и циркуляции атмосферы. По оценкам, до половины поступающей от Солнца энергии расходуется на испарение воды. Ее испарение с поверхности Земли компенсируется выпадением осадков. При этом из Океана воды испаряется больше, чем возвращается с осадками, а на суше происходит обратное - осадков выпадает больше, чем испаряется воды. Излишки ее стекают в реки и озера, а оттуда - снова в Океан. Наряду с водой в геологическом круговороте с одного места в другое переносятся и минеральные вещества.

С появлением живого начала на базе геологического, или абиотического, круговорота возникает биологический круговорот. Под биологическим круговоротом понимается поступление химических элементов из почвы и атмосферы в живые организмы, превращение в них поступающих элементов в новые сложные соединения с последующим их возвращением в почву и атмосферу, а также воду.

С момента появления на Земле человека начинается формирование новой геологической оболочки – ноосферы (от греч. - разум), то есть сферы разума. Это понятие было введено французским математиком и философом Э. Леруа в 1927 г. Ноосфера рассматривается как высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением в ней цивилизованного общества.

Дата добавления: 2014-01-20