Человек и биосфера

1

НАЗВАНИЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ: «ЧЕЛОВЕК И БИОСФЕРА»

ПЛАН:

Введение

В своей курсовой работе я попытаюсь подробнее рассмотреть вопросы, связанные с зарождением и развитием биосферы.

Все живые организмы, населяющие нашу планету, существуют не сами по себе, они зависят от окружающей среды и испытывают на себе ее воздействия. Это точно согласованный комплекс множества факторов окружающей среды, и приспособление к ним живых организмов обуславливает возможность существования всевозможных форм организмов и самого различного образования их жизни.

Экология (от греческого oikos - жилище, местообитание) - наука, изучающая взаимосвязи живых организмов в природе: организацию и функционирование популяций, биогеоценозов и биосферы в целом; законы «здорового» состояния как нормы и основы существования жизни.

Живая природа представляет собой сложно организованную, иерархичную систему. Выделяют несколько уровней организации живой материи.

Все природные экосистемы связаны между собой, и вместе образуют живую оболочку Земли, которую можно рассматривать как самую большую экосистему, которая называется биосферой.

Биосфера - самый высокий уровень организации жизни на нашей планете.[1] [1]

Все компоненты биосферы тесно взаимодействуют между собой, составляя целостную, сложно организованную систему, развивающуюся по своим внутренним законам и под действием внешних сил, в том числе космических (солнечного излучения, гравитационных сил, магнитных полей Солнца, Луны и др. небесных тел).

1. Эволюция биосферы

По современным представлениям, развитие безжизненной геосферы, т.е. оболочки, образованной веществом Земли, происходило на ранних стадиях существования нашей планеты, миллиарды лет назад. Изменения облика Земли были связаны с геологическими процессами, происходившими в земной коре, на поверхности и в глубинных слоях планеты и находили проявление в извержениях вулканов, землетрясениях, подвижках земной коры, горообразовании. Такие процессы происходят и сейчас на безжизненных планетах солнечной системы и их спутниках - Марсе, Венере, Луне.

С возникновением жизни (саморазвивающихся, устойчивых форм) сначала медленно и слабо, затем все быстрее и значительнее стало проявляться влияние живой материи на геологические процессы Земли.

Деятельность живого вещества, проникшего во все уголки планеты, привела к возникновению нового образования - биосферы - тесно взаимосвязанной единой системы геологических и биологических тел и процессов преобразования энергии и вещества. Размеры преобразований, осуществляемых живой материей, достигли планетарных масштабов, существенно видоизменив облик и эволюцию Земли.

В биосфере, как в любой экосистеме, происходит круговорот воды, планетарные перемещения воздушных масс, а также биологический круговорот, характеризующийся емкостью - количеством химических элементов, находящихся одновременно в составе живого вещества в данной экосистеме, и скоростью - количеством живого вещества, образующегося и разлагающегося в единицу времени. В результате на Земле поддерживается большой геологический круговорот веществ, где для каждого элемента характерна своя скорость миграции в больших и малых циклах. Скорости всех циклов отдельных элементов в биосфере теснейшим образом сопряжены между собой.[2]

Установившиеся за многие миллионы лет круговороты энергии и вещества в биосфере самоподдерживаются в глобальных масштабах, хотя локальные (местные) изменения структуры и особенностей отдельных экосистем (биогеоценозов), составляющих биосферу, могут быть значительными.

Еще на ранних этапах эволюции живое вещество распространилось по безжизненным пространствам планеты, занимая все потенциально доступные для жизни места, изменяя их и превращая в места обитания. И уже в древние времена различные жизненные формы и виды растений, животных, микроорганизмов, грибов заняли всю планету. Живое органическое вещество, можно найти и в глубинах океана, и на вершинах самых высоких гор, и в вечных снегах Приполярья, и в горячих водах источников вулканических районов.

Такую способность к распространению живого вещества В.И. Вернадский назвал «всюдностью жизни».[3]

Эволюция биосферы шла по пути усложнения структуры биологических сообществ, умножения числа видов и совершенствования их приспособляемости. Эволюционный процесс сопровождался увеличением эффективности преобразования энергии и вещества биологическими системами: организмами, популяциями, сообществами.

Вершиной эволюции живого на Земле явился человек, который как биологический вид на основе многочисленных изменений приобрел не только сознание (совершенную форму отображения окружающего мира), но и способность изготавливать и использовать в своей жизни орудия труда.

Посредством орудий труда человечество стало создавать фактически искусственную среду своего обитания (поселения, жилища, одежду, продукты питания, машины и многое другое). С этих пор эволюция биосферы вступила в новую фазу, где человеческий фактор стал мощной природной движущей силой.

2. Структура биосферы

Биосфера включает в себя: живое вещество, образованное совокупностью организмов; биогенное вещество, которое создается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, торф, известняки и др.); косное вещество, которое формируется без участия живых организмов; биокосное вещество, представляющее собой совместный результат жизнедеятельности организмов и небиологических процессов (например, почвы).

2.1 Косное вещество биосферы

Границы биосферы определяются факторами земной среды, которые делают невозможным существование живых организмов. Верхняя граница проходит примерно на высоте 20 км от поверхности планеты и ограничена слоем озона, который задерживает губительные для жизни коротковолновую часть ультрафиолетового излучения Солнца. Таким образом, живые организмы могут существовать в тропосфере и нижних слоях стратосферы. В гидросфере земной коры организмы проникают на всю глубину Мирового океана - до 10-11 км. В литосфере жизнь встречается на глубине 3,5-7,5 км, что обусловлено температурой земных недр и условием проникновения воды в жидком состоянии.

2.2 Атмосфера

Газовая оболочка состоит в основном из азота и кислорода. В небольших количествах в ней содержится диоксид углерода (0,03%) и озон. Состояние атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и биологические процессы на поверхности Земли и в водной среде. Для биологических процессов наибольшее значение имеют: кислород, используемый для дыхания и минерализации мертвого органического вещества, диоксид углерода, участвующий в фотосинтезе, и озон, экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения. Азот, диоксид углерода, пары воды образовались в значительной мере благодаря вулканической деятельности, а кислород - в результате фотосинтеза.

2.3 Гидросфера

Вода - важнейший компонент биосферы и один из необходимых факторов существования живых организмов. Основная ее часть (95%) находится в Мировом океане, который занимает около 70% поверхности земного шара и содержит 1300 млн. км3. Поверхностные воды (озера, реки) включают всего 0,182 млн. км3, а количество воды в живых организмах составляет всего 0,001 млн. км3. Значительные запасы воды (24 млн. км3) содержат ледники. Большое значение имеют газы, растворенные в воде: кислород и диоксид углерода. Их количество широко варьирует от температуры и присутствия живых организмов. Диоксида углерода, содержащегося в воде, в 60 раз больше, чем в атмосфере. Гидросфера формировалась в связи с развитием литосферы, которая в течение геологической истории Земли выделяла большое количество водяного пара.

2.4 Литосфера

Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, находится в почвенном слое, глубина которого не превышает нескольких метров. Почва включает минеральные вещества, образующиеся при разрушении горных пород, и органические вещества - продукты жизнедеятельности организмов.

2.5 Живое вещество

Хотя границы биосферы довольно узки, живые организмы в их пределах распределены очень неравномерно. На большой высоте и в глубинах гидросферы и литосферы организмы встречаются относительно редко. Жизнь сосредоточена главным образом на поверхности Земли, в почве и в приповерхностном слое океана. Общую массу живых организмов оценивают в 2,43 х 1012т. Биомасса организмов, обитающих на суше, на 99,2% представлена зелеными растениями и 0,8% - животными и микроорганизмами. Напротив, в океане на долю растений приходится 6,3%, а на долю животных и микроорганизмов - 93,7% всей биомассы. Жизнь сосредоточена главным образом на суше. Суммарная биомасса океана составляет всего 0,03х10 12 т, или 0,13% биомассы всех существ, обитающих на Земле.

В распределении живых организмов по видовому составу наблюдается важная закономерность. Из общего числа видов 21% приходится на растения, но их вклад в общую биомассу составляет 99%. Среди животных 96% видов - беспозвоночные и только 4% - позвоночные, из которых десятая часть - млекопитающие. Масса живого вещества составляет всего 0,01-0,02% от косного вещества биосферы, однако она играет ведущую роль в геохимических процессах. Вещества и энергию, необходимую для обмена веществ, организмы черпают из окружающей среды. Ограниченные количества живой материи воссоздаются, преобразуются и разлагаются. Ежегодно, благодаря жизнедеятельности растений и животных, воспроизводится около 10% биомассы.[4]

3. Учение В.И. Вернадского о биосфере

В 1919 г. В.И. Вернадский дал одно из самых первых своих определений живого вещества: «Под именем живого вещества я буду подразумевать всю совокупность организмов, растительных и животных, в том числе и человека». Впоследствии он уточнял это определение. Уточнение касались суждений о трансформации (преобразовании) различных форм энергии, их роли и функционировании «живого вещества» и роли «живого вещества» в истории химических элементов на Земле. По Вернадскому живое вещество – это то звено, которое соединяет историю  химических элементов с эволюцией организмов и человека, а также  с эволюцией  всей  биосферы.

Отмечая характерные отличия живой материи от неживой, В.И. Вернадский, следуя взглядам Л. Пастера, видел основное отличие живого в дисимметрии строения его молекул. Он подчёркивал, что «в соединениях, связанных с жизнью, преобладает или исключительно существует один антипод», т.е. стереоизомер – левовращающий или правовращающий. Напомним, что главный биологический смысл молекулярной дисимметрии – обеспечение молекулярно – пространственного соответствия при взаимодействий молекул.

Что касается происхождения такого фундаментального свойства живого вещества, то подобно Пастеру, Вернадский рассматривал его не как планетарное, а как космическое явление, «наведённое» на живую материю факторами космического порядка.

Космической же он считал и причину зарождения жизни на нашей планете. Он придерживался принципа Ф. Реди, сформулированного итальянским учёным ещё в 1668 году: «Всё живое происходит только из живого». Вернадский, будучи по образованию геологом и изучая результаты геохимической истории Земли мог с уверенностью говорить о том, что в истории земли не было геологических эпох, лишённых жизни: «… Жизнь всегда была и не имела начала».[5]

Эти основополагающие тезисы он уточнял в дальнейшем. Так, в 1940 году Вернадский утверждал:

1.               Нигде и не в каких явлениях, происходящих или когда – либо имевших место в земной коре, не было найдено следов самозарождения жизни.

2.               Жизнь, какой она нам представляется в своих проявлениях и в своём количестве, существует непрерывно со времени образования геологических отложений, со времени архейской эры.

3.               Нет ни одного организма среди сотен тысяч различных  изученных видов, генезис которого не отвечал бы принципу Реди.

Вернадский «вынес» зарождение жизни за пределы земной поверхности. Сегодняшнее развитие естествознания во многом подтверждает идеи В.И. Вернадского. [6]

4.  Биосфера и человек

Первая созданная человеком культура-палеолит (каменный век) - продолжалась примерно 20-30 тысяч лет. Она совпадала с длительным периодом оледенения. Экономической основой жизни человеческого общества была охота на крупных животных: благородного и северного оленя, шерстистого носорога, осла, лошадь, мамонта, тура. На стоянках человека каменного века находят многочисленные кости диких животных - свидетельство успешной охоты. Интенсивное истребление крупных травоядных животных привело к сравнительно быстрому сокращению их численности и исчезновению многих видов. Если мелкие травоядные могли восполнить потери от преследования охотниками высокой рождаемостью, то крупные животные в силу эволюционной истории были лишены этой возможности. Дополнительные трудности возникли вследствие изменения природных условий в конце палеолита. 10-12 тысяч лет назад наступило резкое потепление, отступил ледник, леса распространились в Европе, вымерли крупные животные. Это создало новые условия жизни, разрушило сложившуюся экономическую базу человеческого общества. Закончился период его развития, характеризовавшийся только использованием пищи, т.е. чисто потребительским отношением к окружающей среде.

В следующую эпоху - эпоху неолита (новый каменный век) - наряду с охотой, рыбной ловлей и собирательством все большее значение приобретает процесс производства пищи. Делаются первые попытки одомашнивания животных и разведения растений, зарождается производство керамики. Уже 9-10 тысяч лет назад существовали поселения, среди остатков которых обнаруживают пшеницу, ячмень, чечевицу, кости домашних животных - коз, свиней, овец. Развиваются зачатки земледельческого и скотоводческого хозяйства. Широко используется огонь и для уничтожения растительности в условиях подсечного земледелия, и как средство охоты. Начинается освоение минеральных ресурсов, зарождается металлургия.

4.1 Возникновение антропоценозов

Рост населения, качественный скачок в развитии науки и техники за последние два столетия, и особенно в наши дни, привели к тому, что деятельность человека стала фактором планетарного масштаба, направляющей силой дальнейшей эволюции биосферы. Возникли антропоценозы (от греческого anthropos - человек, koinos - общий, общность) - сообщества организмов, в которых человек является доминирующим видом, а его деятельность-определяющей состояние всей системы. В.И.Вернадский считал, что влияние научной мысли и человеческого труда обусловили переход биосферы в новое состояние - ноосферу (сферу разума). Сейчас человечество использует для своих нужд все большую часть территории планеты и все большие количества минеральных ресурсов.

Биосфера выступает как огромная, чрезвычайно сложная  экосистема, работающая в стационарном режиме на основе тонкой регуляции всех составляющих ее частей и процессов.

Стабильность биосферы основывается на высоком разнообразии живых организмов, отдельные группы которых выполняют различные функции в поддержании общего потока вещества и распределении энергии, на теснейшем переплетении и взаимосвязи   биогенных и абиогенных процессов, на согласовывании циклов отдельных элементов и уравновешивании емкости отдельных резервуаров. В биосфере действуют сложные системы обратных связей и зависимостей.

Как показывают исследования, по крайней мере последние 600 млн. лет, начиная с Кембрия, характер основных круговоротов на Земле существенно не менялся. Осуществлялись фундаментальные геохимические процессы, характерные и для современной эпохи: накопление кислорода, связывание инертного натрия, осаждение кальция, образование кремнистых сланцев, отложение железных и марганцевых руд, сульфидных минералов, накопление фосфора и т. д. Менялись лишь скорости этих процессов. По-видимому, не менялся существенно и общий поток атомов, вовлекаемых в живые организмы. Есть основание считать, что масса живого вещества оставалась приблизительно постоянной, начиная с карбона, т.е. биосфера с тех пор поддерживает себя в определенном режиме круговоротов. Стабильное состояние биосферы обусловлено в первую очередь деятельностью самого живого вещества, обеспечивающего определенную скорость фиксации солнечной энергии и биогенной миграции атомов. Таким образом, жизнь на Земле сама стабилизирует условия своего существования, что дает ей возможность развиваться бесконечно долго .

Однако стабильность атмосферы имеет определенные пределы, и нарушение ее регуляторных возможностей чревато серьезными последствиями.

Выступая как важнейший агент связывания и перераспределения на поверхности Земли космической энергии, живое вещество выполняет тем самым функцию космического значения.

Однако в настоящее время на Земле появилась новая сила, по мощности воздействия не уступающая суммарному действию живых организмов - человечество с его социальными законами развития и мощной техникой, позволяющей влиять на вековой ход биосферных процессов. Современное человечество использует не только огромные энергетические ресурсы биосферы, но и не биосферные источники энергии (например, атомной), ускоряя геохимические преобразования природы. Некоторые процессы, вызванные технической деятельностью человека, направлены противоположно по отношению к естественному ходу их в биосфере (рассеивание металлов, руд,  углерода и др. биогенных элементов, торможение минерализации и гумификации, освобождение законсервированного углерода и его окисление, нарушение крупномасштабных процессов в атмосфере, влияющих на климат и т.п.).

Вернадский считал возможным говорить даже об автотрофной роли человека, понимая под этим возрастающие масштабы искусственного синтеза органических веществ, часто даже не имеющих аналогов в живой природе.[7]

Современная деятельность человека во многом нанесла непредвиденный ущерб окружающей среде, что в конечном итоге угрожает дальнейшему развитию самого человечества. Эти изменения на данном этапе еще не являются непоправимыми. Поэтому одна из задач современной экологии - это изучение регуляторных процессов в биосфере, создание научного фундамента ее рационального использования. Основные законы функционирования биосферы уже вырисовываются, но предстоит еще многое сделать объединенными усилиями экологов всех стран мира.

5.        Антропогенные воздействия на биосферу

5.1. Современное состояние природной среды

Глобальные процессы образования и движения живого вещества в биосфере связаны и сопровождаются круговоротом вещества и энергии. В отличие от чисто геологических процессов биогеохимические циклы с участием живого вещества имеют значительно более высокие интенсивность, скорость и количество вовлеченного в оборот вещества.

С появлением и развитием человечества процесс эволюции заметно видоизменился. На ранних стадиях цивилизации вырубка и выжигание лесов для земледелия, выпас скота, промысел и охота на диких животных, войны опустошали целые регионы, приводили к разрушению растительных сообществ, истреблению отдельных видов животных. По мере развития цивилизации, особенно после промышленной революции конца средних веков, человечество овладевало все большей мощью, все большей способностью вовлекать и использовать для удовлетворения своих растущих потребностей огромные массы вещества - как органического, живого, так и минерального, косного.

Настоящие сдвиги в биосферных процессах начались в XX веке в результате очередной промышленной революции. Бурное развитие энергетики, машиностроения, химии, транспорта привело к тому, что человеческая деятельность стала сравнима по масштабам с естественными энергетическими и материальными процессами, происходящими в биосфере. Интенсивность потребления человечеством энергии и материальных ресурсов растет пропорционально численности населения и даже опережает его прирост. В.И.Вернадский писал: "Человек становится геологической силой, способной изменить лик Земли". Это предупреждение пророчески оправдалось. Последствия антропогенной (предпринимаемой человеком) деятельности проявляется в истощении природных ресурсов, загрязнения биосферы отходами производства, разрушении природных экосистем, изменении структуры поверхности Земли, изменении климата. Антропогенные воздействия приводят к нарушению практически всех природных биогеохимических циклов.

В соответствии с плотностью населения меняется и степень воздействия человека на окружающую среду. При современном уровне развития производительных сил деятельность человеческого общества сказывается на биосфере в целом.

5.2.               Атмосфера - внешняя оболочка биосферы.

Загрязнение атмосферы

Масса атмосферы нашей планеты ничтожна - всего лишь одна миллионная массы Земли. Однако роль ее в природных процессах биосферы огромна: она определяет общий тепловой режим поверхности нашей планеты, защищает ее от вредных воздействий космического и ультрафиолетового излучений. Циркуляция атмосферы оказывает влияние на местные климатические условия, а через них - на режим рек, почвенно-растительный покров, процессы рельефообразования.

Современный состав атмосферы - результат длительного исторического развития земного шара. Состав атмосферы - кислород, азот, аргон, углекислый газ и инертные газы.

В процессе своей деятельности человек загрязняет окружающую среду. Над городами и промышленными районами в атмосфере возрастает концентрация газов, которые обычно в сельской местности содержатся в очень небольших количествах или совсем отсутствуют. Загрязненный воздух вреден для здоровья. Кроме того, вредные газы, соединяясь с атмосферной влагой и выпадая в виде кислых дождей, ухудшают качество почвы и снижают урожай.

По данным ученых ежегодно в мире в результате деятельности человека в атмосферу поступает 25,5 млрд. т оксидов углерода, 190 млн. т оксидов серы, 65 млн. т оксидов азота, 1,4 млн. т фреонов, органические соединения свинца, углеводороды, в том числе канцерогенные, большое количество твердых частиц (пыль, копоть, сажа).

Глобальное загрязнение атмосферного воздуха сказывается на состоянии природных экосистем, особенно зеленого покрова нашей планеты.

Кислотные дожди, вызываемые главным образом диоксидом серы и оксидами азота, наносят огромный вред лесным биоценозам. От них страдают леса, особенно хвойные.

Основная причина загрязнения атмосферы - сжигание природного топлива и металлургическое производство. Если в XIX и начале ХХ века поступающие в окружающую среду продукты сгорания угля и жидкого топлива почти полностью ассимилировались растительностью Земли, то в настоящее время содержание продуктов сгорания неуклонно возрастает. Из печей, топок, выхлопных труб автомобилей в воздух попадает целый ряд загрязняющих веществ. Среди них выделяется сернистый ангидрид - ядовитый газ, легко растворимый в воде. Концентрация сернистого газа в атмосфере особенно высока в окрестностях медеплавильных заводов. Он вызывает разрушение хлорофилла, недоразвитие пыльцевых зерен, засыхание и опадание листьев, хвои.

В результате сжигания различного топлива в атмосферу ежегодно выбрасывается около 20 миллиардов тонн углекислого газа. Антропогенные выбросы углекислого газа превышают естественные и составляют в настоящее время большую долю его количества, нарушают прозрачность атмосферы, а следовательно ее тепловой баланс. Половина диоксида углерода, образующегося при сгорании ископаемого топлива, поглощается океаном и зелеными растениями, половина остается в воздухе. Содержание углекислого газа в атмосфере постепенно возрастает и за последние 100 лет увеличилась более чем на 10%. Углекислый газ препятствует тепловому излучению в космическое пространство, создавая там так называемый «парниковый эффект», т.е. увеличение средней температуры атмосферы на несколько градусов, что способно вызвать таяние ледников полярных областей, повышение уровня Мирового океана, изменение его солености, температуры и другие неблагоприятные последствия. Таким образом, изменение содержания углекислого газа в атмосфере в значительной мере влияет на климат Земли.

5.3.               Вода - основа жизненных процессов в биосфере.

Загрязнение природных вод

Вода - самое распространенное неорганическое соединение на планете; вода - основа всех жизненных процессов, единственный источник кислорода в главном  движущем процессе на Земле - фотосинтезе.

С появлением жизни на Земле круговорот воды стал относительно сложным, т.к. к простому явлению испарения добавились более сложные процессы, связанные с жизнедеятельностью живых организмов, особенно человека.