Биосфера Земли

Биосфера (от греч. «биос» — жизнь, «сфера» — шар) — это область существования и распространения живого вещества. Академик В. И. Вернадский сформулировал понятие биосферы Земли следующим образом: «Биосфера есть организованная, определенная оболочка земной коры, сопряженная с жизнью, и ее пределы обусловлены прежде всего полем существования жизни». Он считал, что биосфера геологически вечна. Следовательно, биосфера — это самая крупная экологическая система, система высшего ранга. В современном состоянии она охватывает нижнюю часть атмосферы до высоты озонового слоя, всю гидросферу, педосферу и верхнюю часть литосферы до глубины распространения живых микроорганизмов. Если верхняя граница биосферы достаточно четкая, то нижняя расплывчата и- изменяется не только от Мирового океана к континентам, но и в пределах самих континентов. В их пределах и под дном океанов она ограничивается температурами существования микроорганизмов.

Биосфера Земли функционирует благодаря взаимодействию с атмосферой, гидросферой и литосферой, получая от них энергию, биофильтруя вещества и химические соединения, необходимые для жизнедеятельности.

Наличие биосферы отличает Землю от других планет Солнечной системы. Кислородная атмосфера, глобальный круговорот воды, глобальные круговороты фосфора, углерода, азота и их соединений, так необходимые для функционирования биосферы, существуют только на Земле. Биота играет определяющую роль во всех глобально протекающих биогеохимических процессах и циклах. Благодаря биоте обеспечивается гомеостаз системы, т.е. способность поддерживать ее основные параметры в благоприятных для жизнедеятельности условиях, несмотря на внешние воздействия как естественного, так и антропогенного характера.

Основной процесс образования органического вещества — фотосинтез. Главной целью этого процесса является создание живого вещества из неживого, что обеспечивает устойчивое образование важнейшего из природных ресурсов — первичной биологической продукции.

Судьбу современной биосферы во многом предопределил процесс цефализации. Он заключается в обособлении головы у билатерально-симметричных животных и сосредоточении в ней органов чувств, передних отделов центральной нервной системы, которые у остальных животных находятся в других частях тела. Для защиты этих жизненно важных органов у позвоночных развился череп.

Биосфера возникла на самой ранней стадии развития Земли и в течение длительной геологической истории медленно эволюционировала. На первых этапах (4,0-3,5 млрд. лет назад) биосфера Земли состояла в основном из прокариотных существ, среди которых главными были сине-зеленые водоросли, бактерии и вирусы. Их существование обеспечивала восстановительная бескислородная атмосфера. С возникновением эвкариот существенно меняются функции и условия взаимодействия биосферы с другими геосферами. На протяжении длительного времени (3,5-0,65 млрд. лет) совместно существовали прокариотные и эвкариотные существа, которые в основном являлись одноклеточными формами. Важнейшей вехой в развитии биосферы было появление свободного кислорода в атмосфере и гидросфере и постепенное возникновение озонового экрана. С этого времени главенствующая роль переходит к многоклеточным формам. Появляются и расселяются организмы с твердым известковым, хитиновым и кремнистым скелетом, развиваются разнообразные водоросли и грибы.

Важным рубежом для развития биосферы был ордовикский период, в течение которого растительность постепенно переместилась на сушу, а среди водных организмов появились позвоночные животные с обособленным черепом. Около 350 — 400 млн. лет назад, в девонском периоде, животные вышли на сушу. В течение последующих геологических периодов позвоночные освоили для обитания все существовавшие экологические ниши. В триасовом периоде появились первые млекопитающие, которые заняли главенствующее положение в палеогеновом периоде, после массового вымирания динозавровой фауны 65 млн. лет тому назад. В это же время началось выделение приматов. Около 35-40 млн. лет назад возникли антропоиды. Среди них около 5 млн. лет назад появились гоминоиды, а всего 3,5 млн. лет назад возник человек.

Биологическое разнообразие и биоиндикация

Общее число организмов, населяющих Землю, весьма велико. Считается, что на Земле существуют одновременно от 5 до 80 млн. видов организмов. Значительную часть из них составляют насекомые, бактерии и вирусы. Более или менее четкая таксономическая принадлежность установлена всего для 1,5 млн. видов. Из этого числа около 750 000 составляют насекомые, 41 000 — позвоночные и около 25 000 — растения. Остальные виды представлены сложным набором беспозвоночных, грибов, водорослей и микроорганизмов.

Различные ландшафтно-климатические области отличаются одна от другой не только качественным составом, но и числом видов. Биологическое разнообразие меняется от полюса к экватору. Число пресноводных моллюсков в тропических экосистемах почти в 5 раз выше, чем в умеренном климате. Во влажных тропических лесах, например в Амазонии, на одном гектаре встречается до 100 видов деревьев, в то время как в аридных областях тропиков их число не превышает 30.

В морской среде наблюдается такая же закономерность. Так, число видов асцидий в Арктике едва превышает 100, а в тропиках достигает 600. Биоразнообразие — основа жизни на Земле и составляет важнейший жизненный ресурс. Люди используют в пищу около 7 000 видов растений, но около 90% мирового продовольствия создается за счет всего 20 видов, из которых пшеница, рожь, кукуруза и рис покрывают около половины всех потребностей. Биологические ресурсы — важный источник сырья для промышленности, в том числе и для медицинской.

В последние десятилетия человечество осознало важность и полезность диких растений и животных. Многие из них не только содействуют развитию сельского хозяйства, используются в медицине и промышленности, но и полезны для окружающей среды, составляя основу природных экосистем. Биоразнообразие считается главным фактором, определяющим устойчивость биогеохимических циклов вещества и энергии в биосфере. Велика роль организмов, которые напрямую используются человеком в пищу, а также животных фильтраторов и детритофагов, которые вносят существенный вклад в круговорот биогенных элементов. И следовательно, среди огромного разнообразия организмов существуют группы, которые приносят пользу косвенным путем. Многие организмы на заре развития Земли внесли огромный вклад в становление и развитие атмосферы и климата Земли, например сине-зеленые водоросли. Деятельность целого ряда животных и растений до сих пор является мощным стабилизирующим фактором в отношении климата.

Итак, под биоразнообразием понимают все виды организмов, которые являются составляющей частью экологических систем и экологических процессов.

Биоразнообразие может рассматриваться на трех уровнях: генетическом, видовом и экосистемном. Генетическое разнообразие представляет собой особый вид генетической информации, содержащейся в генах организмов, которые обитают на Земле. Видовое разнообразие — это разнообразие видов живых организмов, населяющих Землю. Разнообразие экосистем касается различных сред обитания, биотических сообществ и экологических процессов в биосфере.

Целый ряд органических сообществ, групп видов и отдельные виды определенным образом реагируют на различные антропогенные нагрузки. Степень реагирования живых экосистем на антропогенную нагрузку носит название биоиндикации. Функции индикатора выполняют тот вид, особь или группы особей, которые имеют узкую амплитуду экологической толерантности по отношению к какому-либо фактору.

Индикация экологических условий проводится на основе оценки состояния видового разнообразия, которая отражает их способность накапливать химические элементы и соединения, поступающие из окружающей среды. Причем при растущей загрязненности мест обитания одни виды растений и животных могут исчезать из биоценоза (майский жук, лишайники в промышленно развитых областях) или, наоборот, увеличивать свою численность (сине-зеленые водоросли).

Биоиндикация — составная часть экологического мониторинга (от лат. «монитор» — напоминающий, надзирающий), который является системой наблюдения и контроля за состоянием окружающей среды на определенной территории. Это осуществляется в целях рационального использования природных ресурсов и охраны природы.

Экологический мониторинг основывается на определении содержания загрязняющих веществ в воздушной, водной или почвенной среде. Составная часть экологического мониторинга — биологический, тест-объектами которого служат живые организмы и их сообщества.

Рост загрязняющих веществ в воздушной, водной и геологических средах может быть как природным фактором, так и обусловленным антропогенной деятельностью.

В воздушной и водной средах загрязняющие вещества вызывают закупорку и разъедание газами тканей и органов дыхания животных и растений. Неблагоприятные факторы среды приводят к нарушению формообразовательных процессов, угнетению роста, цветения и плодоношения у растений. Но степень восприимчивости растений и животных к загрязнению окружающей среды зависит от видовой принадлежности.

Считается, что биоиндикация более точно отражает экологическую ситуацию, чем непосредственные инструментальные наблюдения и измерения.

Растения часто используют в качестве тест-индикаторов загрязнения окружающей среды, особенно при выбросах веществ, содержащих серу и тяжелые металлы, которые начинают накапливаться в ассимиляционных органах. В зависимости от технологических процессов на промышленных предприятиях, от которых зависит химический состав аэрозольных и газовых выбросов в воздушный бассейн, используют различные виды растений и применяют разнообразные методы исследований — от экспериментов в специальных камерах с заданным составом воздуха до тонких физико-химических методов анализа. Важным является и определение химического состава коры хвойных деревьев, которая поглощает примеси и пыль, находящиеся в атмосферном воздухе.

В наибольшей степени чувствительны к атмосферному загрязнению низшие растения, в частности лишайники. Их использование в экологическом мониторинге носит название лихеноиндикации. Чувствительность низших растений к антропогенным выбросам известна с середины XIX в., но их стали использовать в качестве биоиндикаторов только со второй половины XX в. Исследования, проведенные в Канаде, Великобритании и Скандинавских странах, показали прямую связь состояния лишайников и степень концентрации в них загрязняющих веществ, в частности тяжелых металлов и диоксидов серы с уровнем загрязненности воздушной среды. Среди лишайников встречаются виды с разной чувствительностью к атмосферному загрязнению, но большинство видов отличается высоким уровнем чувствительности, в сотни раз превышающим чувствительность животных и людей.

Исходя из уровня загрязнения воздушной среды, установленного по различным видам лишайников, составляют специальные карты, на которых показывают разную степень загрязненности воздуха. Нередко на таких картах, построенных для территорий с высоким уровнем развития промышленности, отражают территории, полностью лишенные лишайниковой растительности: некоторые районы Кольского полуострова, Норильска и т. д.

Биоиндикационные исследования в системе экологического мониторинга позволяют проследить пространственное распределение многих вредных для здоровья населения и природной среды веществ на фоне общего загрязнения территории в целом. Полученные значения концентрации тех или иных веществ в конкретных экосистемах могут быть использованы в моделировании и прогнозировании загрязнения и в оценке его экологических последствий при глобальном, региональном и локальном уровнях поступления вредных веществ в окружающую среду.

Индикаторами загрязнения водной среды могут служит как водоросли и макрофиты, так и отдельные животные, в частности рачки, раки, креветки, крабы. Эвтрофикация воды в результате интенсивного размножения сине-зеленых и зеленых водорослей является следствием поступления в водоемы большого объема биогенных веществ и служит характерным предупреждением начавшегося загрязнения водоема.

Вместе с тем водные и наземные растения обладают уникальной фильтрующей способностью. Они поглощают из воздуха и нейтрализуют в тканях значительное количество вредных компонентов, поступающих в воздушный бассейн от теплоэнергетических объектов, промышленных предприятий, транспорта и сельского хозяйства. В водной среде растения выполняют средообразующие функции. Среди них важными являются фильтрационная функция, с помощью которой задерживаются и осаждаются различные механические примеси, осуществляются переработка и усвоение органических веществ; поглотительно-накопительная, когда происходит накопление минеральных соединений, в том числе и радиогенных, и детоксикационная, благодаря которой некоторые виды водных растений в процессе своей жизнедеятельности осуществляют детоксикацию вредных загрязнителей, тем или иным путем поступающих в водоемы.

Неустойчивая биосфера и устойчивое развитие

В течение последних десятилетий учеными разных направлений весьма интенсивно исследуются глобальные процессы, вызванные нарушением биогеохимических циклов, вторжением в климатическую систему и сокращением биоразнообразия в результате антропогенной деятельности. Это, так же как и проблемы лавинообразного прироста численности населения, дефицит продовольствия, голод и недостаток чистой питьевой воды со всей неотвратимостью поднимают вопрос о емкости биосферы и способности систем жизнеобеспечения продолжать выполнять свои функции в условиях растущего антропогенного пресса.

Как известно, прямые и обратные связи поддерживают гомеостаз. Это означает, что планетная биота управляет связями между атмосферой, Мировым океаном и верхней частью литосферы. Этим она поддерживает и сохраняет стабильность потоков вещества и энергии в биосфере. Гомеостаз имеет место только при определенном высоком уровне поглощения планетарной биотой солнечной энергии, возможен только при отсутствии экстремальных космических и планетарных воздействий на биосферу. Он основан на связях, разрушение которых носит триггерный характер. Это означает, что живая природа и многие биокосные образования, поддерживающие гомеостатичность биосферы, оказываются хрупкими, спонтанно разрушающимися в ходе нарушения экологического баланса силами органической природы. Дестабилизация биосферы возможна в результате воздействия трех сил: космической, геологической и антропогенной.

В результате исследований биосферы с точки зрения природной системы, осуществленной Г. Лавлоком (1982), который конкретизировал и несколько видоизменил представления В.И.Вернадского об организованности биосферы, а также В. Г. Горшкова (1995), который математически выразил идею Г. Лавлока о гомеостазе глобальной экосистемы, можно констатировать:

естественная биота Земли устроена таким образом, что она способна с высочайшей точностью поддерживать пригодное для жизни состояние окружающей среды;

огромная мощность продукции, достигнутая биотой, позволяет ей восстанавливать любые естественные нарушения окружающей среды в кратчайшие сроки, измеряемые десятками лет;

огромная мощность, развиваемая биотой Земли, таит в себе скрытую опасность быстрого разрушения окружающей среды за десятки лет, если целостность биоты будет нарушена. При этом установлено, что широкомасштабное окультуривание ландшафтов опаснее образования антропогенных пустынь;

биосфера в определенной степени способна компенсировать любые возмущения, производимые человечеством, но только в том случае, если доля его потребления не превышает 1% продукции биосферы;

современные изменения биосферы человеком, ведущие к выбросу биотой 2,3 млрд. т/год углерода в атмосферу, свидетельствуют о переходе ее в неустойчивое состояние, о сильном нарушении глобальных биогеохимических циклов и о существенном подавлении дестабилизирующего равновесного состояния процессов ее естественного саморегулирования;

современное состояние биосферы в определенной степени обратимо. Она способна вернуться в прежнее состояние, имевшее место в прошлом веке, но для этого необходимо на порядок снизить потребление ее естественной продукции;

другого устойчивого состояния биосферы не существует, и при сохранении или росте степени антропогенной нагрузки устойчивость окружающей среды будет нарушена и биосфера начнет разрушаться;

из-за инерционности демографических процессов рост населения Земли до 8 млрд. чел. неизбежен. Однако после стабилизации на этом уровне необходимо почти на порядок снизить число людей на планете путем планирования семьи, и только в этом случае дестабилизированная биосфера возвратится в устойчивое состояние саморегулирования в соответствии с принципом Ле Шателье, так как отторжение человеком ее продукции не будет превышать 1% (К. С. Лосев и др., 1993).

Таким образом, ведущие экологи однозначно свидетельствуют о том, что стихийно развивающаяся цивилизация вплотную подошла к порогу устойчивости биосферы. Главная опасность заключается в том, что антропогенные воздействия привели к нарушению процессов саморегулирования биогеохимических циклов. Поэтому человечество оказалось перед экологическим императивом: либо восстановление дикой природы на уровне XIX в. или даже несколько более ранних времен, либо конец света. Третьего не дано. Согласно В. Г. Горшкову, биосфера гомеостатична только в рамках условий дотехногенного голоцена и ей не свойственны другие устойчивые состояния. Однако этот вывод, сделанный на основе прямого применения метода актуализма, требует определенных корректив. Вся история биосферы, начиная с самых ранних этапов ее возникновения и развития, — это непрерывная череда гомеостазисов и бифуркаций-катастроф (кризисов и революций).

До наших дней биосфера прошла сложный и нелегкий путь усложнения и ускорения. На ее долю выпадали самые разнообразные катастрофы, начиная от крупнейших космических и планетарных до региональных и локальных. Их развитие нередко ставило биосферу на грань самоуничтожения и полного распада. Однако каждый раз благодаря внутренней энергии биосфера с честью выходила из сложнейших ситуаций, и вновь возрождалась жизнь. Такие случаи в геологической истории многочисленны. Ярким примером может служить глобальный кризис биосферы, который произошел 65 млн. лет назад. В результате столкновения Земли с крупным космическим телом (астероидом) возникла экологическая катастрофа. Изменились газовый состав атмосферы и температуры приземной части воздуха и морских акваторий, на просторах суши начались масштабные лесные пожары и т. д. Взрыв космического тела массой в несколько сотен миллиардов тонн и диаметром около 10 км сначала вызвал значительный подъем приземных температур в результате пожаров, а затем — похолодание, похожее на «ядерную зиму».

Нарушение природного баланса было настолько значительно, что привело к гибели крупных наземных позвоночных, в том числе и динозавров. Органический мир Земли лишился почти всего лесного покрова. Исчезли все головоногие моллюски (аммониты и белемниты), все семейства планктонных организмов, кораллов и мшанок, 75% семейств брахиопод, такое же количество двустворчатых и брюхоногих моллюсков и других организмов. Однако через сравнительно недолгое время, спустя 3—5 млн. лет, органическая жизнь на Земле возродилась.

Между тем эта космическая катастрофа была все же не самой крупной в истории Земли. В течение последних 800 млн лет геологической истории подобных космических катастроф насчитывается 21. Это не только прямые удары и взрывы астероидов, но падения комет или их пролеты вблизи Земли. Все это фиксируется в истории развития органического мира и отмечено крупными рубежами геохронологической шкалы. Не упади на Землю астероид 65 млн. лет, не произойди в это время космическая бомбардировка, неизвестно, сколько миллионов лет могла продлиться эпоха жизни динозавров. А ведь экологическую нишу динозавров после их исчезновения заняли млекопитающие, эволюция которых привела к появлению Homo sapiens и к тому, что в настоящее время происходит с биосферой.

Среди планетарных процессов надо отметить региональные по масштабам и глобальные по степени воздействия вулканические извержения, гигантские процессы столкновения литосферных плит и такие скромные по сравнению с ними процессы, как великие оледенения и межледниковья. Правда смена ледниковых периодов межледниковьями, так же как и резкие понижения температур, вызвавшие появления оледенений, могли быть результатом космических причин, в частности связанных с прилетом комет, и с астрономическими циклами.

Связь четвертичных ледниковых эпох и межледниковий с астрономическими циклами М. Миланковича в настоящее время общепризнанна. Этот ученый связывает наступление ледниковых эпох с изменениями трех параметров земной орбиты: эксцентриситета, т. е. степени отклонения орбиты от круговой, наклона земной оси (угла между осью и перпендикуляром к плоскости орбиты) и времени прохождения Землей перигелия, т. е. моментом наиболее близкого расположения Земли от Солнца. На каждый из перечисленных параметров влияет притяжение Луны и других планет. Эксцентриситет достигает максимальных значений через каждые 92 тыс. лет, циклы колебаний наклона земной оси и времени прохождения перигелия периодически повторяются через каждые 41 тыс. и 21 тыс. лет соответственно.

Конечным результатом изменений положения Земли на орбите по отношению к Солнцу являются циклические изменения летней инсоляции в высоких широтах в условиях относительного постоянства радиационного баланса в целом. В высоких широтах такого изменения достаточно для существенного снижения среднегодовых температур, которые влекут за собой появление и саморазвитие ледниковых покровов на равнинах и плоскогорьях и горных ледников. В свою очередь, такие огромные по масштабам изменения напрямую дестабилизируют биосферу, которая каждый раз прилагает огромные усилия по дополнительному расходу энергии и вещества для того, чтобы вначале приспособиться к возникающим непривычным обстановкам, а затем выйти из создавшихся кризисных или критических ситуаций.

В геологической истории Земли гляциоэры разной продолжительности происходили по крайней мере шесть раз, и каждый раз рост криосферы суживал развитие биосферы и нарушал ее гомеостаз. Нарушался не только температурный режим земной поверхности, который вызывал миграции или изменения в образе жизни животных и растений. Он приводил в том числе и к существенному сокращению биомассы, а значит, нарушал биологический круговорот веществ. Нарушался и гидрологический цикл. В ледниковые эпохи снижался влагообмен между океаном и атмосферой, падало содержание влаги в атмосфере, а значит сокращалась составляющая парникового эффекта. Вследствие развития криосферы на значительных площадях существенно увеличивалось альбедо земной поверхности и снижался радиационный баланс, а все это еще больше усиливало эффект выхолаживания планеты.

Активный вулканизм, особенно при значительном выбросе пирокластического материала в атмосферу, определенным образом снижал альбедо атмосферы, но выброс значительных количеств углекислоты, наоборот, способствовал усилению парникового эффекта.

Как в случае отрицательного (выхолаживание), так и положительного развития планетарных событий, когда появлялось большое число благоприятных для жизнедеятельности организмов ландшафтов, биосфера успешно справлялась с возникавшими трудностями и продолжала развиваться.

Однако совершенно другой сценарий возможен при антропогенном воздействии, если фактором деструкции станет криогенно-гляциальное воздействие, вызванное человеком. Оно может возникнуть при ядерном конфликте и масштабном использовании ядерных устройств. Это вызывает явление, описанное как «ядерная зима». В этом случае нарушится энергообеспеченность Земли, а криосфера получит планетарное распространение, т.е. Земля может превратиться в новую ледяную планету.

Сравнения современных условий с палеогеографическими, т. е. с физико-географическими условиями геологического прошлого, свидетельствуют о том, что современная дестабилизация биосферы хотя и уникальна по происхождению, но далеко не первая. Однако это вовсе не означает, что биосфера даже в ее современном состоянии способна перенести еще более серьезные воздействия со стороны современной цивилизации.

Современная ситуация необычайна еще и тем, что она накладывается на условия природного гомеостаза в биосфере, и поэтому ее развитие может считаться однонаправленным. Явления как дестабилизирующего, так и благоприятно развивающегося характера дают некоторую стабилизацию в развитии, но главное заключается в том, какие явления пересилят.

В современной биосфере экологические ресурсы восстанавливаются не полностью. Однако биосфера обладает еще одним уникальным качеством. Находясь в дестабилизированном состоянии, она не полностью утрачивает свои экологические функции. Живое вещество способно аккумулировать рассеиваемую неорганическими источниками энергию и при этом перераспределять ее вновь в окружающее пространство таким образом, что косная среда, в основном неорганическая, превращается в фактор прогрессивного увеличения функционального и статического потенциала живой природы. Работая на себя, живое вещество меняет действие процессов в неживой природе (С. П. Горшков, 1998). Таким образом, в биосфере происходят процессы, восстанавливающие гомеостаз.

Со времени своего возникновения биосфера постоянно взаимодействует с Космосом. Это взаимодействие вытекает из длительности развития биосферы, которая существует на Земле почти 4 млрд. лет, и постоянного увеличения биоразнообразия и биологических функций живого вещества.

Эти два фактора свидетельствуют об удивительной устойчивости биосферы, об определенной ограниченности масштабов воздействия на биосферу неорганической природы, об ускорении космического воздействия на биосферу, по крайней мере в течение фанерозойской истории. По мнению ведущих экологов, для выработки научно обоснованной стратегии устойчивого развития и оптимальных условий выживания человечества необходимо установить следующие приоритеты (С. П. Горшков, 1998):

высший — эколого-экономическая оптимизация природно-антропогенных и антропогенных систем. От успехов реализации высшего приоритета зависит и решение демографической проблемы; высокий — охрана природных систем и биоразнообразия. В условиях сочетания демографического, социально-экономического и экологического кризисов должны быть более приоритетными цели, защищающие человека и природу одновременно.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.