Учение В. И. Вернадского о биосфере

2. Учение В. И. Вернадского о биосфере

По современным представлениям, биосфера — это особая оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.  Эти представления базируются на учении В. И. Вернадского (1863—1945) о биосфере, являющимся крупнейшим из обобщений в области естествознания в XX в.

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 рассеяние атомы. Все эти семь различных типов веществ геологически связаны между собой.

Сущность учения В. И. Вернадского  заключена в признании исключительной роли «живого вещества», преобразующего облик планеты. Суммарный результат  его деятельности за геологический  период времени огромен. По словам В. И. Вернадского, «на земной поверхности  нет химической силы более постоянно  действующей, а потому более могущественной по своим конечным последствиям, чем  живые организмы, взятые в целом». Именно живые организмы улавливают и преобразуют лучистую энергию  Солнца и создают бесконечное  разнообразие нашего мира.

Вторым главнейшим аспектом учения В. И. Вернадского является разработанное  им представление об организованности биосферы, которая проявляется в  согласованном взаимодействии живого и неживого, взаимной приспособляемости  организма и среды. «Организм, —  писал В. И. Вернадский, — имеет  дело со средой, к которой он не только приспособлен, но которая приспособлена  и к нему» (В. И. Вернадский, 1934).

В. И. Вернадский обосновал  также важнейшие представления  о формах превращения вещества, путях  биогенной миграции атомов, т. е. миграции химических элементов при участии  живого вещества, накоплении химических элементов, о движущих факторах развития биосферы и др.

Важнейшей частью учения о  биосфере В. И. Вернадского являются представления о ее возникновении и развитии. Современная биосфера возникла не сразу, а в результате длительной эволюции в процессе постоянного взаимодействия абиотических и биотических факторов. Первые формы жизни, по-видимому, были представлены анаэробными бактериями. Однако созидательная и преобразующая роль живого вещества стала осуществляться лишь с появлением в биосфере фотосинтезирующих автотрофов — цианобактерий и синезеленых водорослей (прокариотов), а затем и настоящих водорослей и наземных растений (эукариотов), что имело решающее значение для формирования современной биосферы. Деятельность этих организмов привела к накоплению в биосфере свободного кислорода, что рассматривается как один из важнейших этапов эволюции.

Параллельно развивались  и гетеротрофы, и прежде всего  — животные. Главными датами их развития являются выход на сушу и заселение материков (к началу третичного периода) и, наконец, появление человека.

В сжатом виде идеи В. И. Вернадского  об эволюции биосферы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Вначале сформировалась  литосфера — предвестник окружающей  среды, а затем после появления  жизни на суше — биосфера.

2. В течение всей геологической  истории Земли никогда не наблюдались  азойные геологические эпохи (т. е. лишенные жизни). Следовательно, современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых геологических эпох.

3. Живые организмы —  главный фактор миграции химических  элементов в земной коре, «по  крайней мере, 90% по весу массы  ее вещества в своих существенных  чертах обусловлено жизнью» (В.  И. Вернадский, 1934).

4. Грандиозный геологический  эффект деятельности организмов  обусловлен тем, что их количество  бесконечно велико и действуют  они практически в течение  бесконечно большого промежутка  времени.

5. Основным движущим фактором  развития процессов в биосфере  является биохимическая энергия  живого вещества.

Венцом творчества В. И. Вернадского  стало учение о ноосфере, т. е. сфере  разума.

В целом, учение о биосфере В. И. Вернадского заложило основы современных  представлений о взаимосвязи  и взаимодействии живой и неживой  природы. Практическое значение учения о биосфере огромно. В наши дни  оно служит естественнонаучной основой  рационального природопользования и охраны окружающей среды.

12. Закономерности  действия экологических факторов: законы Либиха и Шелфорда.

Существование и выносливость организма часто оказываются  чувствительными к двум или большему числу факторов окружающей среды. В  таких случаях решающее значение будет принадлежать такому фактору  или ресурсу, который имеется  в минимальном с точки зрения потребностей количестве. Эта идея легла в основу так называемого  закона минимума, сформулированного  немецким химиком Ю. Либихом (1840). Суть этого закона можно понять на таком  примере. Величина урожая определяется количеством в почве того из элементов  питания, потребность растения в  котором удовлетворена меньше всего, т.е. данный элемент находится в  минимальном количестве. Урожай будет  возрастать пропорционально вносимым дозам до тех пор, пока не окажется в минимуме другое вещество.

Выявление наиболее слабого  звена цепи очень важно в экологическом  прогнозировании, планировании и экспертизе проектов. Правило (закон) Либиха позволяет  рационально производить замену дефицитных веществ и воздействий  на менее дефицитные, что важно, например, в процессе эксплуатации природных  ресурсов, а также в сельском хозяйстве.

Из практике известно, что сам факт существования организма может определяться не минимальным значением, а наоборот, избытком любого из факторов. Впервые мысль об этом высказал американский ученый В. Шелфорд (1913); она легла в основу закона толерантности, который гласит, что лимитирующим фактором процветания организма (вида) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет величину выносливости (толерантности) организма к данному фактору.

Очевидно, что все экологические  факторы среды действуют на организм совместно. При этом оптимальная  зона предела выносливости организма  по отношению к какому-либо фактору  может смещаться в зависимости  от того, с какой силой и в  каком сочетании действуют одновременно другие факторы. Эта закономерность носит название взаимодействия экологических  факторов. Так, например, в мороз  животные могут погибать при отсутствии пищи и относительно нормально себя чувствовать при ее достатке. Жару легче переносить в сухом, а не влажном воздухе. Таким образом, один и тот же фактор в сочетании  с другими оказывает неодинаковые воздействия. Напротив, один и тот  же экологический результат может  быть получен разными путями. Например, увядание растений можно приостановить  путем либо увеличения влаги в  почве (полив), либо снижения температуры  воздуха, уменьшающего скорость испарения. Таким образом создается эффект частичного  взаимозамещения экологических факторов, или эффект компенсации.

22. Проблемы урбанизации.

Экологические проблемы городов  — главные проблемы урбанизации. Города дают 80% всех выбросов в атмосферу  и 3/4 общего объема всего загрязнения  окружающей среды.

Все города мира ежегодно “выбрасывают”  в окружающую среду до 3 млрд. тонн твердых отходов, свыше 500 м3 промышленных и бытовых стоков, около 1 млрд. тонн аэрозолей.

Особенно сильное воздействие  на окружающую среду оказывают большие  города и агломерации, их загрязняющее и тепловое воздействие прослеживается на расстоянии 50 км.

Кроме того, города изменяют естественные ландшафты. В них формируются  городские антропогенные ландшафты. Еще одной проблемой урбанизации является то, что этот процесс носит стихийный характер и трудноуправляем. “Городской взрыв” в развивающихся странах приводит к так называемой “трущобной урбанизации”, связанной с притоком малоимущего сельского населения в крупные города.

В развитых странах прилагаются  усилия по регулированию процесса урбанизации. Принимаются различные меры по охране и улучшению городской среды. Это проблема междисциплинарная, и ее решение требует участия различных специалистов.

Ложная урбанизация —  резкое увеличение доли городского населения  в развивающихся странах, при  котором в городах не происходит развития функций, характеризующих  мировой процесс урбанизации.

32. Гидроэнергетика.  Влияние на окружающую среду.

Гидроэнергетические объекты  оказывают существенное влияние  на окружающую природную среду. Это  влияние является локальным. Однако сооружение каскадов крупных водохранилищ, намечая переброска части стока  рек Сибири в Среднюю Азию и другие крупные водохозяйственные мероприятия могут изменить природные условия в региональном масштабе. При рассмотрении влияния гидроэнергетических объектов на окружающую среду необходимо различать период строительства гидроэнергетических объектов и период их эксплуатации.

Первый период сравнительно кратковременный - несколько лет. В  это время в районе строительства  нарушается естественный ландшафт. В  связи с прокладкой дорог, постройкой промышленной базы и посёлка резко  повышается уровень шума. Вода, используемая для разнообразных строительных работ, возвращается в реку с механическими  примесями - частицами песка, глины  и т. п. Возможно загрязнение воды коммунально-бытовыми стоками строительного  посёлка. Подъём уровня воды в верхнем  бьефе начинается обычно в период строительства. В результате производного при этом наполнении водохранилища  изменяются расходы и уровни воды в нижнем бьефе.

В период эксплуатации происходит разносторонне влияние гидроэнергетических  объектов на окружающую среду. Наиболее существенное влияние на природу  оказывают водохранилища:

1. Затопление в верхнем  бьефе. Создание водохранилищ  ведёт за собой затопление территории. В зону затопления могут попасть сельскохозяйственные угодья, месторождения полезных ископаемых, промышленные и гражданские сооружения, памятники старины, дороги, лесные массивы, места постоянного обитания животных и растений и т. д. Наиболее заселены и освоены прирусловые участки реки и районы в устьях притоков. На склонах гор мало сельскохозяйственных угодий, обычно там отсутствуют промышленные объекты. Поэтому создание водохранилищ в горных условиях приносит значительно меньший ущерб, чем на равнинах.

2. Подтопление. Подтопление  прилежащих к водохранилищу земель  происходит вследствие подъёма  уровня грунтовых вод. В зоне  избыточного увлажнения подтопление  влечёт за собой негативны последствия - переувлажнение корней растений и их отмирание. С изменением водно-воздушного режима почвы может произойти заболачивание и оглеение почв, что ухудшает качество почвы и снижает её продуктивность. В засушливых районах подтопление улучшает условия произрастания растений при соответствующих глубинах почвенных вод. В неблагоприятных условиях может происходить засоление почвы.

3. Переработка берегов.  Вследствие подъёма и снижения  уровня воды в водохранилище  при регулировании стока и  волновых явлений проходит переработка  берегов водохранилища, Она заключается  в размыве и обрушении крутых  склонов, срезке мысов и кос.  Размеры переработки берегов  зависят от их геологического  строения, режима уровней воды  и глубины водохранилища, конфигурации  берегов, господствующих ветров  и т. п. Относительная стабилизация  берегов происходит через 5-20 лет  после наполнения водохранилища.

4. Качество воды. Вследствие  снижения скорости течения и  уменьшения перемещения воды  по глубине существенно изменяются  физико-химические характеристики  воды по отношению к бытовым  условиям реки до создания  водохранилища. На качество в  годы в водохранилище влияет  заселённость зоны затопления, видовой  и возрастной состав леса, подлеска  и лесной подстилки, наличие  притоков, режим и глубина сработки водохранилища и т. п. Качество воды ухудшают сточные воды промышленных, горнорудных и животноводческих комплексов, комунально-бытовые сточные воды и вынос удобрений с сельскохозяйственных угодий. Для южных районов неприятным следствием перенасыщения воды в водохранилищах органическими и биогенными веществами(в основном ионами азота и фосфора) является бурное развитие в тёплой воде сине-зелёны водорослей.При создании водохранилищ необходимо тщательно изучить Совместное влияние всех факторов с учётом перспектив строительства каскадов ГЭС и принимать меры для поддержания качества воды. Качество воды - характеристика состава и свойств воды, определяющая пригодность её для конкретных видов водопользования. Должна производиться тщательная очистка сточных вод, поступающих в водохранилище. Использовать прилегающие земли в сельском хозяйстве надо, применяя передовые методы агротехники, ограничивающие вынос удобрений в водохранилище.

5. Влияние водохранилищ  на микроклимат. Водохранилища  повышают влажность воздуха, изменяют  ветровой режим прибрежной зоны, а также температурный и ледяной  режим водотока. Это приводит  к изменению природных условий,  а также жизни и хозяйственной  деятельности населения, обитания  животных, рыб. Степень влияния  крупных водохранилищ на микроклимат  различна для отдельных регионов  страны. Интегральное влияние, оказываемое  акваторией на развитие растительности, благоприятно в условиях степной  и лесостепной зоны и неблагоприятно  в лесной.

6. Влияние водохранилищ  на фауну. Многие животные из зоны затопления вынуждены мигрировать на территорию с более с высокими отметками. При этом видовой состав и численность животных значительно уменьшается. В ряде случаев водохранилища способствуют обогащению фауны новыми видами водоплавающих птиц и в особенности рыб: карасёвых, сазана, щуки и т. п. При ранней сработке водохранилища после весеннего половодья осушаются мелководья, что отрицательно влияет на нерест рыбы в верхнем бьефе. Глубокая зимняя сработка водохранилища в средней полосе страны может повлечь за собой замор рыбы на мелководных участках водохранилища.

Также на окружающую среду  влияют гидротехнические сооружения. Возведение платин гидроузлов приводит к подъёму уровней воды в верхнем  бьефе и образованию водохранилищ. Плотины, перегораживающие реки затрудняют проход рыб к местам естественных нерестилищ в верховьях рек. Но платины, здания ГЭС шлюзы каналы и т. п., удачно вписанные в рельеф местности  и хорошо архитектурно оформленные, создают вместе с акваторией верхнего бьефа монументальные и живописные ансамбли.

Разрушения ГЭС при  военных действиях приведёт к  спуску воды водохранилища, возникновению  волны высотой десятки метров, которая может уничтожить города, расположенные ниже ГЭС. Строительство  ГЭС приводит к наведённой сейсмичности, в частности в США и Индии  возникали землетрясения, разрушившие  ГЭС.

42. Источники и  последствия загрязнения гидросферы.

Загрязнение водных экосистем  представляет огромную опасность для  всех живых организмов, и в частности  для человека.

Пресноводные  экосистемы. Установлено, что под влиянием загрязняющих веществ в пресноводных экосистемах отмечается падение их устойчивости вследствие нарушения пищевой пирамиды и ломки сигнальных связей в биоценозе, микробиологического загрязнения, эвтрофирования и других крайне неблагоприятных процессов. Они снижают темпы роста гид-робионтов, их плодовитость, а в ряде случаев приводят к их гибели.

Наиболее изучен процесс  эвтрофирования водоемов. Этот естественный процесс, характерный для всего геологического прошлого планеты, обычно протекает очень медленно и постепенно, однако в последние десятилетия, в связи с возросшим антропогенным воздействием, скорость его развития резко увеличилась. Ускоренная, или так называемая антропогенная эвтрофикация связана с поступлением в водоемы значительного количества биогенных веществ — азота, фосфора и других элементов в виде удобрений, моющих веществ, отходов животноводства, атмосферных аэрозолей и т. д. В современных условиях эвтрофикация водоемов протекает в значительно менее продолжительные сроки — несколько десятилетий и менее.

Антропогенное эвтрофирование весьма отрицательно влияет на пресноводные экосистемы, приводя к перестройке структуры трофических связей гидробионтов, резкому возрастанию биомассы фитопланктона благодаря массовому размножению синезеленых водорослей, вызывающих «цветение» воды, ухудшающих ее качество и условия жизни гидробионтов (к тому же выделяющих опасные не только для гидробионтов, но и для человека токсины). Возрастание массы фитопланктона сопровождается уменьшением разнообразия видов, что приводит к невосполнимой утрате генофонда, уменьшению способности экосистем к гомеостазу и саморегуляции (Яблоков, 1983).

Процессы антропогенной  эвтрофикации охватывают многие крупные озера мира — Великие Американские озера, Балатон, Ладожское, Женевское и др., а также водохранилища и речные экосистемы, в первую очередь малые реки. На этих реках, кроме катастрофически растущей биомассы сине-зеленых водорослей, с берегов происходит зарастание их высшей растительностью. Сами же сине-зеленые водоросли в результате своей жизнедеятельности производят сильнейшие токсины, представляющие опасность для гидробионтов и человека.

Помимо избытка биогенных  веществ на пресноводные экосистемы губительное воздействие оказывают  и другие загрязняющие вещества: тяжелые  металлы (свинец, кадмий, никель и др.), фенолы, СПАВ и др. Так, например, водные организмы Байкала, приспособившиеся в процессе длительной эволюции к  естественному набору химических соединений притоков озера, оказались неспособными к переработке чуждых природным  водам химических соединений (нефтепродуктов, тяжелых металлов, солей и др.). В результате отмечено обеднение гидробионтов, уменынение биомассы зоопланктона, гибель значительной части популяции байкальской нерпы и др.

Морские экосистемы. Скорости поступления загрязняющих веществ в Мировой океан в последнее время резко возросли. Ежегодно в океан сбрасывается до 300 млрд м3 сточных вод, 90% которых не подвергается предварительной очистке. Морские экосистемы подвергаются все большему антропогенному воздействию посредством химических токсикантов, которые, аккумулируясь гидробионтами по трофической цепи, приводят к гибели консументов даже высоких порядков, в том числе и наземных животных — морских птиц, например. Среди химических токсикантов наибольшую опасность для морской биоты и человека представляют нефтяные углеводороды (особенно бенз(а)пирен), пестициды и тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий и др.).

По Ю. А. Израэлю (1985), экологические последствия загрязнения морских экосистем выражаются в следующих процессах и явлениях (рис. 14.4):

— нарушении устойчивости экосистем;

— прогрессирующей эвтрофикации;

— появлении «красных приливов»;

— накоплении химических токсикантов в биоте;

— снижении биологической продуктивности;

— возникновении мутагенеза и канцерогенеза в морской среде;

— микробиологическом загрязнении прибрежных районов моря.

До определенного предела  морские экосистемы могут противостоять  вредным воздействиям химических токсикантов, используя накопительную, окислительную и минерализующую функции гидробионтов. Так, например, двустворчатые моллюски способны аккумулировать один из самых токсичных пестицидов — ДДТ и при благоприятных условиях выводить его из организма.

Экологические последствия  загрязнения Мирового океана.

Биогенные элементы - Эвтрофирование - нарушение устойчивости экосистемы, красные приливы - анаэробиз среды, выпадение отдельных видов.

Абиотические факторы  загрязнения токсического характера - биологические эффекты на уровне популяций и сообществ, биологические  эффекты на уровне организмов - генетические, физиологические, биохемические, морфологические последствия.

Биотические факторы загрязнения  ( патогенные бактерии, вирусы и грибы) - накоаление патогенной микрофлоры фильтрующими гидробионтами, иммунологические эффекты - гинетические последствия.

В то же время в океан  продолжают поступать все новые  и новые токсичные загрязняющие вещества. Все более острый характер приобретают проблемы эвтрофирования и микробиологического загрязнения прибрежных зон океана. В связи с этим важное значение имеет определение допустимого антропогенного давления на морские экосистемы, изучение их ассимиляционной емкости как интегральной характеристики способности биогеоценоза к динамическому накоплению и удалению загрязняющих веществ.

На здоровье человека неблагоприятные  последствия при использовании  загрязненной воды, а также при  контакте с ней (купание, стирка, рыбная ловля и др.) сказываются либо непосредственно при питье, либо в результате биологического накопления по длинным пищевым цепям типа: вода — планктон — рыбы — человек  или вода — почва — растения — животные — человек, и др.

При непосредственном контакте человека с бактериально загрязненной водой, а также при проживании или нахождении близ водоема различные паразиты могут проникнуть в кожу и вызвать тяжелые заболевания, особенно характерные для тропиков и субтропиков. В современных условиях увеличивается опасность и таких эпидемических заболеваний, как холера, брюшной тиф, дизентерия и др.