Роль живых организмов в формировании биосферы

Лекция №2

Название темы

Состав и строение литосферы, гидросферы и атмосферы. Учение о биосфере.

Цель лекции

1. Перед тем, как приступить к изучению влияния горного производства на окружающую среду, необходимо уяснить ряд основопологающих вопросов экологии, целью чему служит данная лекция

План лекции

1. Литосфера
2. Гидросфера
3. Абиотический круговорот веществ на планете
4. Роль живых организмо в формировании биосферы
5. Биотический круговорот веществ в биосфере
6. Природные экологические системы.

Ключевые слова

литосфера, земная кора, мантия, биокосное тело, почва, фотосинтез, гидросфера, круговорот воды, атмосфера, абиотический круговорот, биотический круговорот, биосфера, живое вещество, биоценоз, биогеоценоз, экологическая система, транспирация, численность популяции.

Текст лекции

1. Литосфера

Литосфера—внешняя, относительно прочная оболочка Земли. Включает земную кору и часть верхней мантии Земли. Нижняя граница литосферы нерезкая и выделяется по умень­шению вязкости, скорости распространения сейсмических волн и увеличению электропроводимости. Мощность литосферы под океанами составляет 5—100 км, максимальная под континента­ми 25—200 км.

В строении земного шара выделяют внешнюю оболочку — земную кору, промежуточную часть — мантию и внутреннюю — ядро.

Земная кора —верхняя тонкая оболочка, имеет мощ­ность 70—75 км под континентами и 5—7 км под океанами.

Мантия Земли простирается до глубины 2900 км, плот­ность ее выше плотности коры и колеблется от 3,3 г/см3 в верх­ней части до 6—9 г/см3 в нижнем слое. На глубине 900 км про­ходит граница, разделяющая мантию на верхнюю и нижнюю части.

Ядро Земли, которое включает центральную часть плане­ты, по своему строению также неоднородно. Выделяют внешнее и внутреннее ядра, граница между которыми лежит на глубине 5000—5200 км.

Земная кора наиболее изучена и в настоящее время пред­ставляется как слоистая сложная оболочка. Мощность земной коры на разных участках Земли не одинакова. На континентах при гористом рельефе местности мощность коры больше. На­пример, под Гималайским хребтом, высота которого около 9 км, мощность земной коры достигает 75 км, тогда как в пределах Западно-Сибирской низменности — 35—40 км.

Основная площадь Земли занята двумя пологими поверх­ностями — равнины суши и равнины океанического дна. Между ними имеет место значительный перепад высот.

Переход суши в океаническое дно начинается с участка, уклон которого незначителен, и составляет 1,5—2 м на 1 км (рис. 2.1). Эта мелководная область вокруг материка, которая в среднем простирается на 80 км, составляет континентальный шельф. Континентальный шельф ограничен резким перегибом (обрывом), где через 30—35 км глубина океана достигает 3 км. В ряде районов средний уклон дна составляет 30°. Эта область с резким перепадом глубин называется континентальным скло­ном. Далее, после небольшой переходной области лежат абиссальные равнины—-обширная область с глубиной 3,7—6 км. Абиссаль в ряде мест пересекается подводными хребтами и впа­динами, наибольшая глубина которых достигает 10—11 км.

Жизнь в литосфере концентрируется только в поверхностном слое земной коры, в основном в почве. Почва — это наружные верхние горизонты горных пород, измененные совместным влия­нием воды, воздуха и деятельностью живых организмов. В. И. Вернадский характеризовал почву как биокосное тело, состоящее одновременно из остатков живых организмов и кос­ных (неорганических) веществ. Почва возникла на земле вместе с живой материей и дальнейшее ее развитие связано с жизне­деятельностью большого числа растений, животных и микроор­ганизмов.

Почва как среда обитания обладает рядом особенностей. Она представляет собой трехфазную систему. Первая, твердая, фаза состоит из различных по величине твердых частиц; вто­рая, жидкая, представлена почвенной влагой; третья, газооб­разная,— газами, заключенными в порах и растворенными в во­де. Организмы, обитающие в почве, должны преодолевать силь­ное механическое сопротивление, испытывать значительные ко­лебания температуры, недостаток света и воздуха, влияние рас­творенных в воде солей. Основная масса организмов, сущест­вующих в литосфере, сосредоточена в пределах слоя почв, глу­бина которого в большинстве случаев не превосходит несколь­ких метров.

Почвы образованы из смеси минеральных веществ, возник­ших в результате разрушения горных пород, с органическими веществами — продуктами жизнедеятельности и разрушения ор­ганизмов, главным образом растений. Эти продукты частично накапливаются на поверхности почвы (листья, сухие ветки и т.д.), частично на некоторых глубинах (например, отмершие корни). Важную роль в процессе разложения органического ве­щества, поступающего в почву, играют различные микроорга­низмы, грибы и разнообразные почвенные животные.

Именно в результате разложения органического вещества в почве создаются запасы углерода, азота, фосфора, кадня, маг­ния и других элементов в форме, доступной для использования высшими растениями. Вследствие этого почвы оказывают боль­шое влияние на продуктивность растительного покрова. Выделе­ние углекислого газа пополняет его массу в атмосфере и в гид­росфере, компенсируя расход его на фотосинтез.

Гидросфера

Г и д р ос фе р а — водная оболочка нашей планеты, включа­ет в себя все поверхностные воды, а также воду, находящуюся в пределах литосферы и атмосферы.

Основная часть поверхностных вод заключена в Мировом океане, который занимает около 71% поверхности земного шара. Океан включает ~98% общего запаса свободной воды. При этом океанические воды содержат значительное количество солей (в среднем около 35 г/л). Соленость несколько повышает­ся в субтропическом поясе высокого, давления, где испарение с океанов превышает осадки, и уменьшается вблизи экватора, а также в средних и высоких широтах, где осадков больше, чем испарения. Большую часть растворенных солей составляет хло­ристый натрий (78%), затем хлористый магний (11%). Сред­нее содержание катионов и анионов в морской воде показано в табл. 2.1.

Из газов, растворенных в водах океанов, наибольшее значе­ние для организмов имеют кислород и углекислый газ. Количе­ство кислорода в океанических водах изменяется в широких пределах в зависимости от температуры, а также от деятельно­сти живых организмов и некоторых других факторов. Концент­рация углекислого газа в океане также изменчива, но общая масса С02 в нем примерно в 60 раз превосходит его количество в атмосфере.

Углекислый газ океанических вод усваивается растениями в ходе фотосинтеза, причем та его Часть, которая вошла в кру­говорот органического вещества, расходуется на построение Из­вестковых скелетов и панцирных покровов различных живых существ. Эта масса океанического углекислого газа после гибе­ли организмов частично возвращается в океан при растворении остатков скелетов погибших организмов, частично выпадает на дно океана в виде карбонатных осадков.

Воды океана находятся в постоянном движении, главный источник энергии которого —- различия в нагреве его поверхно­сти на разных широтах и динамическое воздействие движущего­ся воздуха над поверхностью.

Верхний слой океанических вод сильно перемешан под влия­нием движения волн, в этом слое скорости течений максималь­ны. Начиная с глубин в несколько сот метров, скорости движе­ния воды обычно невелики и Перемешивание ее меньше. Темпе­ратура океанической воды в низких широтах убывает с глуби­ной (ниже 2 км 1—2°С). В высоких широтах вертикальный гра­диент температуры мал, и на всех глубинах она только немного превосходит точку замерзания соленой воды.

В арктической и антарктической зонах значительные про­странства океанов закрыты ледяными полями, средняя толщи­на которых доходит до нескольких метров. Площадь, занимае­мая льдами, изменяется в течение года, достигая максимума весной и минимума в конце лета.

Водность рек и озер в течение года меняется. Это объясняет­ся неравномерностью осадков, а также климатическими факто­рами, вызывающими таяние снега и ледников. В период весен­него полноводия расход отдельных рек составляет 60% и более от годового стока.

Большое значение для обеспечения чистой пресной водой населения имеют болота, которые занимают 3,5 млн. кмг. Боло­та, т.е. сильно увлажненные участки поверхности земли, играют роль губки, которая вбирает в себя избыток воды во влажные периоды и отдает в сухие. Болота являются крупными хранилищами пресной воды, служат естественным фильтром. Это мощные очистные сооружения, где загрязненная вода превра­щается в чистую пресную воду родников, лесных речек и озер. При уничтожении болот наблюдается обмеление крупных рек, уничтожаются первозданные флора и фауна. А на осушенных участках, где раньше были болота, через два-три года урожай­ность культур падает и интенсивно развивается ветровая эро­зия почв.

Подземная гидросфера включает в себя следующие воды: в форме пара, в твердом состоянии, физически связанная, сво­бодная в парокритическом состоянии, химически связанная.

В объеме, который ограничивается сверху земной поверхно­стью, а снизу постоянным уровнем подземных вод, водяной пар заполняет не занятые жидкой фазой пустоты в массиве горных пород. Проникая сверху, он конденсируется и служит одним из источников свободных подземных вод. Большое количество па­ра образуется при выходе перегретых вод на поверхность зем­ли в гейзерах и вулканах.

Вода в виде льда встречается в толще многолетних мерз­лых пород, мощность которых местами достигает 1 км. На тер­ритории СССР такие породы встречаются на площади, равной ~47%. Лед в массиве наблюдается в виде жил, распространяю­щихся по трещинам и прослоям, и отдельных кристалликов.

Физически связанная вода находится во взаимодействии с частицами пород, слагающих массив. Ее количество в едини­це объема породного массива определяется размерами мине­ральных частиц. Чем меньше размер частиц, тем больше ее.

влажность — количество физически связанной воды присутству­ет в единице объема данной породы. Особенно велика влаж­ность глины (более 50%).

Свободная вода представлена капиллярными и гравитацион­ными водами. Капиллярная вода заполняет поры пород выше уровня подземных вод и передвигается под влиянием сил по­верхностного натяжения. Высота подъема капиллярной воды достигает 6 м и более. Гравитационная вода образует скопле­ние подземных вод в трещинах и порах массива горных пород. Она передвигается под действием гравитационных сил. Разли­чают воду инфильтрующуюся, которая просачивается сверху вниз, и фильтрующуюся, двигающуюся по водоносному пласту. Количество гравитационной воды зависит от гранулометриче­ского состава, пористости и трещиноватости горных пород. В глине гравитационная вода практически отсутствует (коэф­фициент водоотдачи менее 1'%). В песчаниках и гранитных по­родах коэффициент водоотдачи может достигать 30%.

Нижняя граница подземных вод достигает глубины критиче­ских температур и давлений: 12—16 км на континентах и 2— 3 км в местах современного вулканизма. Глубже вода находит­ся в парокритическом состоянии, когда скорости молекул дости­гают скорости движения их в газах, а плотности приближаются к единице. Здесь стираются фазовые различия воды, характер­ные для нормальных условий. Основные отличительные свойст­ва воды в надкритическом состоянии — высокая ее подвиж­ность и возросшая более чем в десятки раз растворяющая спо­собность.

Химически связанная вода входит в Состав кристаллической решетки минералов. Отделение кристаллизационной воды осу­ществляется при температуре 300—400 °С и приводит к разру­шению кристаллической решетки и образованию новых соеди­нений.

Круговорот вод глубоких горизонтов происходит очень мед­ленно, и один цикл продолжается многие тысячи лет, а в ряде Случаев несколько миллионов лет.

В процессе круговорота воды на планете большое значение имеют атмосферные осадки, т. е. вода, которая содержится в ат­мосфере и под действием воздушных потоков перемещается на большие расстояния. Известно, что на поверхность нашей пла­неты в среднем за год выпадают осадки, равные 1 м. Однако распределяются они по поверхности земли неравномерно. Наи­большее Их количество приходится на тропические зоны (от 10" с. ш. до 10е ю. ш.). Например, на территории некоторых районов Индии количество осадков в год превышает 12 м, тог­да как в ряде районов экваториальной зоны их практически нет. В пустынях, которые занимают 25% материков, осадки в среднем не превышают 200 мм в год.

Неравномерность выпадения осадков наблюдается и в тече­ние года. Так, до 2/з их количества выпадает: в тропиках, в муссонных областях — летом; в субтропиках — зимой; в районах е континентальным климатом — летом.

На количество осадков в основном оказывают влияние тем­пература воздуха и близость больших водоемов. В теплых экваториальных районах в результате испарения больших масс воды влажность воздуха повышается и соответственно увеличи­вается количество осадков. В южном полушарии, где большие пространства заняты морями и океанами, осадков больше, чем в северном.

Физические и химические процессы в гидросфере тесно свя­заны с аналогичными в атмосфере. Преобразование энергии, круговорот воды, углекислого газа, ряда других составляющих воздуха и воды осуществляются в гидросфере и атмосфере как в единой системе.

3. Абиотический круговорот веществ на планете

В природе постоянно происходят процессы, обеспечивающие круговорот твердых минеральных веществ и воды. При этом в общем едином кругообороте выделяются кругооборот твердого вещества и воды, происходящий в результате действия абиоти­ческих факторов (большой геологический кругооборот), а так­же малый биогенный кругооборот веществ в твердой, жидкой и газообразной фазах, происходящий при участии живых орга­низмов.

Большой геологический кругооборот веществ на планете осуществляется в результате действия множества абиотических факторов. Следует отметить, что из большого числа существую­щих гипотез, объясняющих процессы кругооборота веществ на планете, еще не выделилась такая, которая смогла бы одно­временно объяснить все многообразие происходящих явлений.

Установлено, что под действием поверхностных и подземных вод в Мировой океан ежегодно выносится 12 км3 минерального вещества. В результате ежегодно с поверхности континентов в среднем снимается слой мощностью около 0,08 мм (табл. 2.2).

При таких темпах разрушения поверхности все континенты были бы уничтожены в течение 10—11 млн. лет. Однако этого не происходит, так как в противовес процессу разрушения мате­риков сверху, действует другой глобальный, обеспечивающий подъем вещества из глубин мантии. Используя основные поло­жения гипотезы о глобальной тектонике или тектонике лито-сферных плит, можно представить глобальный кругооборот твердого вещества. Гипотеза предполагает существование гори­зонтальных перемещений мощных литосферных плит, толщиной 100—150 км.

При этом в пределах срединноокеанических хребтов, так называемой зоны рифтов, происходят разрыв и раздвигание литосферных плит с образованием молодой океанической коры (рис. 2.2). Это явление называют спредингом океанического дна. Таким образом, на поверхность из глубин мантии поднимается поток минеральных веществ, образующий молодые кри­сталлические породы. В противовес этому процессу в зоне глу­боководных океанических желобов постоянно происходит надви­гание одной части континентальной плиты на другую, что сопро­вождается погружением периферийной части плиты в мантию, т. е. часть твердого вещества земной коры переходит в состав мантии земли. Процесс, происходящий в океанических глубоко­водных желобах, назван субдукцией океанической коры.

Таким образом, в зонах спрединга происходит постоянное обновление литосферы, в зонах субдукции — ее поглощение и последующее распространение в мантии.

Гипотеза тектоники плит по сравнению с другими лучше объясняет эволюцию литосферы и действующий кругооборот твердого вещества на планете.

Круговорот воды на планете действует повсеместно и непре­рывно. Движущие силы круговорота воды — тепловая энер­гия и сила тяжести. Под влиянием тепла происходят испарение, конденсация водяных паров и другие процессы, на что расходуется около 50% энергии, поступающей от Солнца. Под влиянием силы тяжести — падение капель дождя, течение рек, движение почвенных и подземных вод. Часто эти две при­чины действуют совместно: например, на атмосферную циркуля­цию воды влияют как тепловые процессы, так и сила тяжести.

Атмосферное звено круговорота характеризуется переносом влаги в процессе циркуляции воздуха и образованием атмосфер­ных осадков (рис. 2.3). Режим циркуляции атмосферного возду­ха из года в год остается примерно постоянным, но характери­зуется существенной сезонной изменчивостью. Расчеты показы­вают, что средний слой осадков составляет на суше 765 мм, в океане—1140 мм. а в целом для всего земного шара — 1030 мм, т.е. немногим более 1 м. По объему соответствующие величины равны: для суши—113,5 тыс. км³ (22%), для океа­на— 411,6 тыс. км3 (78%), для всего земного шара — 525,1 тыс. км3. На сушу переносится значительное количество влаги, испаряемой в океане (40—43 тыс. км3), в итоге она по­лучает часть влаги за счет океана. Разница между переносом воздушной влаги на сушу с океана восполняется последнему за счет стока речных и подземных вод.

Для океанического звена круговорота наиболее важным яв­ляется процесс испарения воды, в результате которого непре­рывно восстанавливается содержание водяного пара в атмосфе­ре. Более 86% влаги поступает в атмосферу за счет испарения с поверхности океана и только 14% —с суши.

Важный элемент океанического звена круговорота воды — перенос огромных масс морских вод морскими течениями. Для полного водообмена Мирового океана требуется примерно 60 лет; наименее интенсивно происходит водообмен Тихого океана (более 100 лет), для Атлантического океана требуется около 50 лет, для Индийского — 40 лет, столько же лет в сред­нем необходимо для Северного Ледовитого океана.

Полный обмен воды в реках осуществляется в значительно более короткие сроки, чем в морях и океанах, и зависит от ин­тенсивности выпадения осадков и площади района, с которого собирается влага.

Роль рек в процессе круговорота заключается в возвращении океану той части воды, которая в виде пара переносится ат­мосферой с него на сушу. Все источники питания рек делятся на две группы — поверхностные и подземные. Поверхностный сток, или вода, стекающая в русла рек по поверхности почвы, может быть разного происхождения. От таяния снежного покро­ва образуется снеговой сток, при выпадении дождей — дожде­вой. В особую группу выделяется высокогорный снеговой (т.е.

от таяния многолетних снегов) и ледниковый стоки. Различие в снеговом стоке равнинных и высокогорных районов заклю­чается в том, что первый обычно наблюдается весной, а в горах и на Крайнем Севере — летом.

С точки зрения интересов человека поверхностный сток во­ды с территории полей, лугов, лесов имеет больше отрицатель-ное воздействие, чем положительное.

Во-первых, он — источник безвозвратных потерь воды для сельскохозяйственных полей, что особенно ощутимо в районах недостаточного увлажнения. Во-вторых, в процессе стекания воды по поверхности происходит смыв почвы, образуются промоины и овраги, в горах возникают грозные явления — грязекаменные потоки — сели; эрозия наносит огромный вред хозяйству. В-третьих, поверхностный сток образует паводки, вызывающие разливы рек и наводнения, наносящие большой ущерб хозяйству.

Озерное звено круговорота воды неразрывно связано с реч­ным. Озер, в которые реки не впадают, очень мало. Испарение с поверхности озер больше, чем с суши. Например, с Каспий­ского моря ежегодно испаряется слой почти в 1 м, а в при­брежных районах 200—300 мм, т. е. в 3—4 раза меньше, чем с поверхности воды. В районах, лучше увлажненных (на севе­ре или в экваториальной зоне, где в почвенном покрове почти всегда имеется влага), разница в количестве воды, испаряю­щейся с поверхности суши и озер, уменьшается.

Атмосфера получает ежегодно примерно 500—600 км3 воды за счет испарения с поверхности озер. Если оценить эту роль озер, включая болота, также расходующие на испарение боль­ше воды, чем окружающие незаболоченные части суши, то ука­занная величина увеличивается примерно в 3 раза и достигает 3% общего расхода воды на испарение с суши.

Главная роль проточных озер в круговороте воды — регули­рование речного стока, его выравнивание во времени. Примера­ми могут служить р. Нева, сток которой хорошо зарегулирован целой системой озер, в том числе крупнейшими в Европе — Ла­дожским и Онежским. Река Ангара зарегулирована озером Бай­кал. Другой классический пример — сток р. Святого Лаврентия, зарегулированный системой Великих озер.

Водорегулирующее значение еще в большей степени имеют искусственные озера — водохранилища. На земном шаре созда­но около 1350 водохранилищ, имеющих объем более 100 млн. м3 (в СССР их более 150).

Процесс регулирования увеличивает ресурсы пресных вод, позволяет уменьшить паводки и тем самым снизить масштабы речных разливов и ущерб, вызываемый ими. Однако значитель­ные потери нанесены за счет вывода из использования больших площадей плодородных земель.

Важнейшим элементом в общем круговороте являются под­земные воды. Их запасы в недрах очень велики. Подземные мо­ря имеются на всех материках, включая районы пустыни. Так, например, в самой большой на земле пустыне Сахаре подзем­ные воды прослеживаются на глубине 150—200 м. Уровень под­земных вод на территории пустыни Каракумы проходит на глубине 30 м.

Важной отличительной особенностью подземных вод явля­ется то, что они достаточно хорошо защищены от загрязнений с поверхности, имеют постоянные состав и температуру и рас­пространены по территории континентов более равномерно.

В верхней части земной коры в зоне активного водообмена залегают подземные поды, дренируемые речными долинами, озе­рами и морями. Благодаря интенсивному водообмену и относи­тельно частым переходам через фазу конденсации атмосферной влаги эти воды слабо минерализованы, они практически пресны.

Явлению естественного дренажа подземных вод принадле­жит исключительно важная роль в круговороте. Водный режим рек в значительной степени зависит от режима подземных вод. При отсутствии подземных вод вода в реках появляется во вре­мя дождей или при снеготаянии, а в остальное время они пере­сыхают. Реки с таким режимом распространены в зоне сухой степи и в пустыне. Примером могут служить реки Южного За­волжья и равнинной части Казахстана. Использование водных ресурсов таких рек возможно лишь путем создания больших водохранилищ, собирающих паводковые воды и в какой-то ме­ре заменяющих подземные.

Количество подземных вод, попадающих с суши непосредст­венно в море, минуя реки, невелико по сравнению с объемом подземных вод, дренируемых реками. Примером может служить Каспийское море. Суммарный приток воды в Каспий составля­ет в среднем около 300 км3. Из этого количества только 5 км3, или менее 2%, по приблизительной оценке, приходится на под­земные воды, попадающие в море, минуя реки.

Распределение подземных вод по территории и интенсив­ность их возобновления связаны с геологическим строением и географической зональностью. Оба этих фактора тесно взаимо­связаны, и не всегда возможно их разделение. В настоящее время установлено, что комплекс условий и компонентов приро ды (климат, почвенный покров, рельеф, растительность) оказы­вает существенное влияние на формирование подземного стока. Особенно это относится к подземным водам, дренированным реками.

Геологическое строение заметно влияет на местный кругово­рот воды и на водный баланс в целом. Большое влияние оказы­вает карст. В закарстованных районах горные породы (обычно известняки или гипсы) интенсивно выщелачиваются, в результате чего создаются пустоты, подземные водоемы, в которых свободно циркулирует вода, просочившаяся с поверхности.

В условиях полной закарстованности и легкой проницае­мости верхних слоев пород и почв вода быстро просачивается вглубь. В результате реки становятся более водоносными, а расход воды на испарение снижается. Например, Армянское нагорье, сложенное вулканическими туфами, отличается почти полным отсутствием поверхностного стока, так как при выпаде­нии осадков и снеготаянии вся вода быстро просачивается вглубь и питает подземные воды. В этих условиях формируют­ся обильные источники подземной воды.

Выделение почвенных вод (почвенной влаги) в особое звено круговорота объясняется тем, что она отличается от подземных вод рядом особенностей. Во-первых, почвенная влага связана с биологическими процессами и с характером погоды в гораздо большей мере, чем подземные воды. Во время дождей или при снеготаянии происходит инфильтрация, обогащающая почву влагой, а в сухое время влага быстро расходуется на испаре­ние. По этой причине содержание воды в почве на большей ча­сти суши бывает неустойчивым. Испарение происходит не толь­ко с поверхности почвы; почвенная влага расходуется также на транспирацию, которая представляет важный процесс жизнедея­тельности растений, причем корни растений поглощают влагу с той глубины, на которую они распространяются.

Часть почвенной влаги идет на питание подземных вод, ко­торое очень интенсивно происходит в местах большого увлаж­нения почвы, особенно в лесах, где почвенный покров сильно разрыхлен корневой системой растений и поэтому обладает вы­сокими инфильтрационными и водопроводящими свойствами. В засушливых районах просачивание почвенной влаги незначи­тельно, поэтому возобновимые запасы подземных вод в таких условиях меньше, чем в хорошо увлажненных районах. С этим явлением в значительной степени связана зональность подзем­ных вод.

Хотя единовременный объем почвенной влаги относительно невелик, она быстро сменяется и играет большую роль в круго­вороте воды. Таким образом, почвенное звено круговорота ока­зывает большое влияние не только на формирование подземных вод, но также и на водоносность и водный режим рек.

Роль живых организмов в формировании биосферы

Под охраной природы принято понимать систему мер, на­правленных на поддержание рационального взаимодействия между деятельностью человека и окружающей природной сре­ды. Эта система мер должна обеспечивать сохранение и восста­новление природных богатств, рациональное использование природных ресурсов, а также предупреждать прямое и косвен­ное вредное влияние промышленного производства на природу и здоровье человека. Одновременно ставится задача обеспечить сохранение равновесия между развитием производства и устой­чивостью окружающей природной среды в интересах человече­ства. Для этого необходимо комплексное изучение процессов, происходящих в окружающей природе, и организация всех ви­дов производств с учетом выявленных закономерностей. Науч­ной Основой для исследований природных объектов и комплекс­ного подхода при организации современного производства явля­ется учение о биосфере Земли.

Термин «биосфера» ввел в 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс; основоположник современного учения о биосфере — русский ученый В. И. Вернадский. В представлении В. И. Вер­надского биосфера охватывает то пространство, в котором жи­вое вещество действует как геологическая сила, формирующая облик Земли;

В современном представлении биосфера—это Сложная ди­намическая большая система, состоящая из многих компонен­тов живой и неживой природы, целостность которой поддержи­вается в результате постоянно действующего биологического круговорота веществ.

В основе учения В, И. Вернадского лежат представления О Планетарной геохимической роли живого вещества в образо­вании биосферы, как продукта длительного превращения веще­ства и энергии в ходе геологического развития Земли. Живое Вещество — это совокупность живых организмов, существо­вавших или существующих в определенный отрезок времени И являющихся мощным геологическим фактором. В отличие от живых существ, изучаемых биологией, живое вещество как биогеохимический фактор характеризуется элементарным соста­вом, массой и энергией. Оно аккумулирует и трансформирует солнечную энергию и вовлекает неорганическую материю в не­прерывный круговорот. Через живое вещество многократно про­шли атомы почти всех химических элементов. В конечном итоге Живое вещество определило состав атмосферы, гидросферы, почв и в значительной степени осадочных пород нашей планеты.

В.И. Вернадский указывал, что живое вещество аккумулирует энергию космоса, трансформирует ее в энергию земных процессов (химическую, механическую, тепловую, электрическую и пр.) и в непрерывном обмене веществ с косной материей пла­неты обеспечивает образование живого вещества, которое не только замещает отмирающие его массы, но и привносит новые качества, определяя тем самым процесс эволюции органическо­го мира.

В представлений В. И. Вернадского биосфера включает в се­бя четыре основных компонента:

живое вещество — совокупность всех живых организмов;

биогенное вещество, т. е. продукты, образовавшиеся в ре­зультате жизнедеятельности различных организмов (каменный уголь, битумы, торф, лесная подстилка, почвенный гумус и ip.);

биокосное вещество — преобразованное организмами неорганическое вещество (например, приземная атмосфера, некоторые осадочные породы и т.д.);

косное вещество — горные породы в основном магматическо­го, неорганического происхождения, слагающие земную кору.

Любые виды растений, животных и микроорганизмов, взаимодействуя с окружающей средой, обеспечивают свое существо­вание не как сумма особей, а как единое функциональное целое, представляющее собой популяцию (популяции сосны, кома­ра и т.д.).

По С.С.Шварцу, популяция — это элементарная группи­ровка организмов определенного вида, обладающая всеми не­обходимыми условиями для поддержания своей численности необозримо длительное время и в постоянно изменяющихся условиях среды. Иначе говоря, популяция — это форма сущест­вования вида, та надорганизменная система, которая делает вид потенциально (но не реально) бессмертным. Это свидетель­ствует о том, что приспособительные возможности популяции гораздо выше, чем у слагающих ее отдельных организмов.

Популяция как элементарная экологическая единица обла­дает определенной структурой, которая характеризуется состав­ляющими ее особями и их распределением в пространстве. Популяциям свойственны рост, развитие, и способность поддер­живать существование в постоянно меняющихся условиях.

В природе популяции растений, животных и микроорганиз­мов составляют системы более высокого ранга — сообщества живых организмов, или, как их принято называть, биоценозы. Биоценоз — это организованная группа популяций растений, животных и микроорганизмов, живущих во взаимодействии в одних и тех же условиях среды. Понятие «биоценоз» было предложено в 1877 г. немецким зоологом К- Мебиусом, который установил, что все члены одного сообщества живых организмов находятся в тесной и постоянной взаимосвязи. Биоценоз являет­ся продуктом естественного отбора, когда его устойчивое существование во времени и пространстве зависит от характера взаимодействия популяций и возможно лишь при обязатель­ном поступлении лучистой энергии Солнца и наличии постоян­ного круговорота веществ.

Иногда для упрощения изучения биоценоза его условно раз­деляют на отдельные компоненты: фитоценоз — раститель­ность, зооценоз — животный мир, микробоценоз — мик­роорганизмы. Такое деление приводит к искусственному выделе­нию отдельных группировок живых организмов, которые само­стоятельно существовать не могут. Не может быть устойчивой система, которая состояла бы только из растений или только из животных. Сообщества и их компоненты необходимо рассмат­ривать как биологическое единство разных типов живых орга­низмов.

Биоценоз не может развиваться сам по себе, вне и незави­симо от среды неорганического мира. В результате в природе складываются определенные относительно устойчивые комп­лексы, совокупности живых и неживых компонентов. Простран­ство с однородными условиями, заселенное сообществом организ­мов (биоценозом), называется биотопом, т.е. биотоп — это место существования, место обитания биоценоза. Поэтому био­ценоз можно рассматривать как исторически сложившийся ком­плекс организмов, характерный для данного конкретного био­топа.

Биоценоз образует с биотопом диалектическое единство, био­логическую макросистему еще более высокого ранга — биогео­ценоз. Термин «биогеоценоз», обозначающий совокупность биоценоза и его местообитания, предложил в 1940 г. В. Н. Су­качев. Термин практически тождествен термину «экосистема», который принадлежит А. Тенсли.

Экологическая система — это система, состоящая из живых и неживых элементов среды, между которыми имеет место обмен веществом, энергией и информацией. Экологиче­ские системы разных рангов могут включать ограниченное или очень большое число компонентов и занимать малые или очень большие площади и объемы; экологическая система Европы, экологическая система страны, экологическая система области, района, зоны действия предприятия и т.д.

Под биогеоценозом понимается элемент биосферы, где на известном протяжении биоценоз (сообщество живых организ­мов) и отвечающий ему биотоп (части атмосферы, литосферы и гидросферы) остаются однородными и тесно связанными между собой в единый комплекс. То есть, под биогеоцено­зом понимается естественный природный комплекс, через который не проходит ни одна существенная биоценотическая, геоморфологическая, гидрологическая, микроклиматическая, ночвенно-геохимическая или какая-либо другая граница. Это однородный по топографическим, микроклиматическим, гидро логическим и биотическим условиям участок биосферы. Поня­тие «экологическая система» не несет в себе этого ограничения и может объединять разные природные комплексы (лес, луг, реку и т.д.). Сам биогеоценоз является элементарной экологи­ческой системой.

Элементарная структурная единица биосферы — биогеоце­ноз— состоит из двух взаимосвязанных составляющих (рис. 3.1):

абиотической (биотоп), включающей абиотические элементы внешней среды, находящиеся во взаимосвязи с живы­ми организмами;

биотической (биоценоз), сообщество живых организ­мов, обитающих в пределах выделенного биотопа (выделенной экологической системы).

Абиотическая составляющая включает в себя компоненты: литосфера, гидросфера и атмосфера.

В литосфере выделяются участок массива горных пород, зем­ной поверхности, которые являются местом обитания живых организмов и входят в состав выделенного биоценоза. Важной характеристикой биотопа является участок земной поверхно­сти с особой структурой и вещественным составом почв (педосферы) в пределах выделенного участка.

К гидросфере относятся поверхностные и подземные воды, находящиеся в пределах биотопа и прямо или косвенно обеспе­чивающие жизнедеятельность живых организмов, а также вода, выпадающая на территории выделенного района в виде осад­ков.

К атмосфере (газовой составляющей) относятся: атмосфер­ный воздух; газы, растворенные в поверхностных и подземныхводах; газовая составляющая почв, а также газы, выделяю­щиеся из горного массива, которые прямо или косвенно влияют на жизнедеятельность живых организмов.