Биосфера. Структура окружающей среды

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Биосфера. Структура окружающей среды. Законы экологии

Существуют два основных определения понятия “биосфера”, одно из которых известно со времени появления в науке данного термина. Это понимание биосферы как совокупности всех живых и неживых организмов на Земле. Ученик Докучаева, создателя учения о почвах, В.И. Вернадский, изучавший взаимодействие живых и неживых систем, выдвинул принцип неразрывной связи живого и неживого, переосмыслив понятие биосферы. Он понимал биосферу как сферу единства живого и неживого.

Такое толкование определило взгляд Вернадского на проблему происхождения жизни на Земле. Рассматривались следующие варианты: 1) жизнь возникла до образования Земли и была занесена на неё; 2) жизнь зародилась после образования Земли; 3) жизнь зародилась вместе с образованием Земли. Вернадский придерживался последней из этих точек зрения и считал, что нет убедительных научных данных о том, что живое когда-либо не существовало на нашей планете. Иными словами, биосфера была на Земле всегда.

Под биосферой, таким образом, Вернадский понимал тонкую оболочку Земли, в которой все процессы протекают под прямым воздействием живых организмов. В дальнейшем Вернадский развил данное понимание биосферы и определил её структуру.

Характеристика и структура биосферы

В буквальном переводе термин “биосфера” обозначает сферу жизни и в таком смысле он впервые был введен в науку в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831-1914). Однако задолго до этого под другими названиями, в частности "пространство жизни", "картина природы", "живая оболочка Земли" и т. п. , его содержание рассматривалось многими другими естествоиспытателями. Первоначально под всеми этими терминами подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом скорее обращалось внимание на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической природы. Даже автор самого термина "биосфера" Э. Зюсс в своей книге "Лик Земли", опубликованной спустя почти тридцать лет после введения термина (1909 г.), не замечал обратного воздействия биосферы и определял ее как "совокупность организмов, ограниченную в пространстве и во времени и обитающую на поверхности Земли".

Первым из биологов, который ясно указал на огромную роль живых организмов в образовании земной коры, был Ж.Б. Ламарк (1744-1829). Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.

Факты и положения о биосфере накапливались постепенно в связи с развитием ботаники, почвоведения, географии растений и других преимущественно биологических наук, а также геологических дисциплин. Те элементы знания, которые стали необходимыми для понимания биосферы в целом, оказались связанными с возникновением экологии, науки, которая изучает взаимоотношения организмов и окружающей среды. Биосфера является определенной природной системой, а ее существование в первую очередь выражается в круговороте энергии и веществ при участии живых организмов.

Очень важным для понимания биосферы было установление немецким физиологом Пфефером (1845- 1920) трех способов питания живых организмов: автотрофное - построение организма за счет использования веществ неорганической природы; гетеротрофное -строение организма за счет использования низкомолекулярных органических соединений;

миксотрофное - смешанный тип построения организма (автотрофно-гетеротрофный). Биосфера (в современном понимании) -своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.

Атмосфера - наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с космическим пространством; через атмосферу осуществляется обмен вещества и энергии с космосом. Атмосфера имеет несколько слоев:

тропосфера - нижний слой, примыкающий к поверхности Земли (высота 9-17 км). В нем сосредоточено около 80% газового состава атмосферы и весь водяной пар;

стратосфера;

ноносфера - там “живое вещество” отсутствует.

Преобладающие элементы химического состава атмосферы: N2 (78%), O2 (21%), CO2 (0, 03%). Гидросфера -водная оболочка Земли. В следствие высокой подвижности вода проникает повсеместно в различные природные образования, даже наиболее чистые атмосферные воды содержат от 10 до 50 мгр/л растворимых веществ.

Преобладающие элементы химического состава гидросферы: Na+, Mg2+, Ca2+, Cl-, S, C. Концентрация того или иного элемента в воде еще ничего не говорит о том, насколько он важен для растительных и животных организмов, обитающих в ней. В этом отношении ведущая роль принадлежит N, P, Si, которые усваиваются живыми организмами. Главной особенностью океанической воды является то, что основные ионы характеризуются постоянным соотношением во всем объеме мирового океана. Литосфера -внешняя твердая оболочка Земли, состоящая из осадочных и магматических пород. В настоящее время земной корой принято считать верхний слой твердого тела планеты, расположенный выше сейсмической границы Мохоровичича. Поверхностный слой литосферы, в котором осуществляется взаимодействие живой материи с минеральной (неорганической), представляет собой почву. Остатки организмов после разложения переходят в гумус (плодородную часть почвы). Составными частями почвы служат минералы, органические вещества, живые организмы, вода, газы.

Преобладающие элементы химического состава литосферы: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K.

Ведущую роль выполняет кислород, на долю которого приходится половина массы земной коры и 92% ее объема, однако кислород прочно связан с другими элементами в главных породообразующих минералах. Т. о. в количественном отношении земная кора-это “царство” кислорода, химически связанного в ходе геологического развития земной коры.

Постепенно идея о тесной взаимосвязи между живой и неживой природой, об обратном воздействии живых организмов и их систем на окружающие их физические, химические и геологические факторы все настойчивее проникала в сознание ученых и находила реализацию в их конкретных исследованиях. Этому способствовали и перемены, произошедшие в общем подходе естествоиспытателей к изучению природы. Они все больше убеждались в том, что обособленное исследование явлений и процессов природы с позиций отдельных научных дисциплин оказывается неадекватным. Поэтому на рубеже ХIХ-ХХ вв. в науку все шире проникают идеи холистического, или целостного, подхода к изучению природы, которые в наше время сформировались в системный метод ее изучения.

Результаты такого подхода незамедлительно сказались при исследовании общих проблем воздействия биотических, или живых, факторов на абиотические, или физические, условия. Так, оказалось, например, что состав морской воды во многом определяется активностью морских организмов. Растения, живущие на песчаной почве, значительно изменяют ее структуру. Живые организмы контролируют даже состав нашей атмосферы. Число подобных примеров легко увеличить, и все они свидетельствуют о наличии обратной связи между живой и неживой природой, в результате которой живое вещество в значительной мере меняет лик нашей Земли. Таким образом, биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы, от которой она, с одной стороны зависит, а с другой - сама воздействует на нее. Поэтому перед естествоиспытателями возникает задача - конкретно исследовать, каким образом и в какой мере живое вещество влияет на физико-химические и геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в земной коре. Только подобный подход может дать ясное и глубокое представление о концепции биосферы. Такую задачу как раз и поставил перед собой выдающийся российский ученый Владимир Иванович Вернадский (1863- 1945).

Ну и в завершении нашего «Экологического цикла», приводим список основных экологических законов.

Закон минимума Ю. Либиха. По стационарного состояния лимитирующей будет то вещество, доступное количество которой наиболее близка к необходимому минимуму. Устойчивость организма определяется слабым звеном в цепи его экологических потребностей.

Закон толерантности (закон Шелфорда). Отсутствие или невозможность развития экосистемы определяется не только недостатком, но и избытком любого из факторов (тепло, свет, вода и т.д.). Фактором, лимитирующим процветание организма, может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет степень выносливости (толерантности) организма к данному фактора.

Закон конкурентного исключения. Два вида, занимающие одну экологическую нишу, не могут сосуществовать в одном месте бесконечно долго.

Закон биогенной миграции атомов (закон В.И. Вернадского). Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется под преобладающим влиянием живого вещества, организмов.

Закон внутреннего динамического равновесия. Вещество, энергия, информация и динамические качества отдельных природных систем находятся в тесной взаимосвязи. Изменение одного из показателей неминуемо приводит к функционально-структурных изменений других при сохранении общих качеств системы -- вещественно-энергетических, информационных и динамических.

Закон генетического разнообразия. Все живое генетически разное и имеет тенденцию к увеличению биологической разнородности.

Закон исторической необратимости. Общий процесс развития биосферы и человечества однонаправленный.

Закон константности (сформулированный В.И. Вернадским). Количество живого вещества биосферы, образованной за определенный геологическое время, является постоянной величиной.

Закон корреляции (сформулированный Ж. Кювье). В организме как целостной системе все части соответствуют друг другу как по строению, так и по функциям.

Закон максимизации энергии (сформулированный Г. и Ю. Одум и дополнен М. Реймерсом). В конкуренции с другими системами сохраняется та из них, наиболее способствует поступлению энергии и информации и использует максимальную их количество эффективно.

Закон максимума биогенной энергии (закон Вернадского-Бауэра). Любая биологическая и бионедоскональная система, находящаяся в состоянии устойчивости неравновесия (динамически подвижного равновесия с окружающей средой), увеличивает, развиваясь, свое влияние на среду.

Закон ограниченности природных ресурсов. Все природные ресурсы в условиях Земли исчерпывающие.

Закон однонаправленности потока энергии. Энергия, которую получает экосистема и которая усваивается продуцентами, рассеивается или вместе с их биомассой необратимо передается консументам первого, второго, третьего и других порядков, а затем редуцентам, сопровождающееся потерей определенного количества энергии на каждом трофическом уровне как следствие процессов, сопровождающие дыхание.

Закон оптимальности. Никакая система не может сужаться или расширяться до бесконечности.

Закон пирамиды энергий (сформулированный Р. Линдемана). С одного трофического уровня экологической пирамиды на другой переходит в среднем не более 10% энергии.

Закон равнозначности условий жизни. Все естественные условия среды, необходимые для жизни, играют равнозначные роли.

Закон развития окружающей среды. Любая естественная система развивается лишь за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды.

Закон уменьшения энергоотдачи в природопользовании. Процесс получения из природных систем полезной продукции, со временем (в историческом аспекте) на ее изготовление в среднем расходуется все больше энергии (возрастают энергетические затраты на одного человека).

Закон совокупного действия естественных факторов (закон Митчерлиха-Тинемана-баулы). Размер урожая зависит от всей совокупности экологических факторов одновременно.

Закон грунтостомлення (снижение плодородия). Из-за длительного использования и нарушения естественных процессов почвообразования происходит постепенное снижение естественного плодородия почв.

Закон физико-химического единства живого вещества (сформулированный В. И. Вернадским). Вся живое вещество Земли имеет единую физико-химическую природу.

Закон экологической корреляции. В экосистеме живое вещество и абиотические компоненты функционально соответствуют друг другу, выпадение одной части системы неизбежно приводит к выключению связанных с ней других частей экосистемы и функциональных изменений.

Законы Б. Коммонера

-- Все связано со всем;

-- Все должно куда деваться;

-- Природа знает лучше;

-- Ничто не дается даром.

Закон эмерджентности. Целое всегда имеет особые свойства, отсутствующие в его частей.

Закон необходимого разнообразия. Система не может состоять из абсолютно идентичных элементов, но может иметь иерархическую организацию и интегративные уровне.

Закон необратимости эволюции. Организм (популяция, вид) не может вернуться к прежнему состоянию, реализованного его предками.

Закон усложнения организации. Историческое развитие живых организмов приводит к усложнению их организации путем дифференциации органов и функций.

Биогенный закон (Э. Геккель). Онтогенез организма является кратким повторением филогенеза данного вида, т.е. развитие индивида сокращенно повторяет историческое развитие своего вида.

Закон неравномерности развития частей систем. Система одного вида развивается не совсем синхронно -- в то время, когда один достигает более высокой стадии развития, другие остаются в менее развитом состоянии.

Закон сохранения жизни. Жизнь может существовать только в процессе движения через живое тело потока веществ, энергии, информации.

Принцип сохранения упорядоченности (И. Пригожин). В открытых системах энтропия не возрастает, а уменьшается, пока не достигается минимальная постоянная величина.

Принцип Ле Шателье-Брауна. Если есть внешнее воздействие, выводящее систему из состояния устойчивости равновесия, это равновесие смещается в направлении ослабления эффекта внешнего воздействия.

Принцип экономии энергии (Л. Онсагер). По вероятности развития процесса в некотором множестве направлений, допускаемых началами термодинамики, реализуется тот, который обеспечивает минимум рассеивания энергии.

Закон максимизации энергии и информации. Наилучшие шансы самосохранения имеет система, в наибольшей степени способствует поступлению, выработке и эффективному использованию энергии и информации; максимальное поступление веществ не гарантирует системе успеха в конкурентной борьбе.

Периодический закон географической зональности А.А. Григорьева-М М. Будыко. С изменением физико-географических поясов Земли аналогичные ландшафтные зоны и некоторые общие свойства периодически повторяются, то есть в каждом поясе -- субарктическом, умеренном, субтропическом, тропическом и экваториальном -- происходит смена зон по схеме: леса -- степи -- пустыни.

Закон развития системы за счет окружающей среды. Любая система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды; абсолютно изолированное саморазвитие невозможно.

Правило затухания процессов. С ростом степени зривноважености с окружающей средой или внутреннего гомеостаза (в случае изолированности системы) динамические процессы в системе затухают.

Закон физико-химической единства живого вещества В.И. Вернадского. Вся живое вещество Земли физико-химически едина, что не исключает биогеохимических различий.

Термодинамическое правило Вант-Гоффа-Аррениуса. Рост температуры на 10° С приводит к 2-3-кратного ускорения химических процессов.

Правило Шредингера «о питании организма отрицательной энтропией». При упорядоченности организма лучше окружающую среду он отдает в эту среду больше неупорядоченности, чем получает.

Правило ускорения эволюции. С ростом сложности организации биосистем продолжительность существования вида в среднем сокращается, а темпы эволюции возрастают.

Принцип генетической предадаптации. Способность к приспособлению у организмов заложена изначально и обусловлена практической неисчерпаемостью генетического кода.

Правило происхождения новых видов от неспециализированных предков. «Новые крупные группы организмов берут начало не от специализированных представителей предков, а от их сравнительно неспециализированных групп».

Принцип дивергенции Ч. Дарвина. Филогенез любой группы сопровождается ее делением на ряд филогенетических ветвей, которые расходятся в разных адаптивных направлениях от среднего исходного состояния.

Принцип прогресса специализации. Группа, ступает на путь специализации, в дальнейшем развитии будет идти по пути все более глубокой специализации.

Правило более высоких шансов вымирания глубоко специализированных форм (А. Марш). Скорее вымирают более специализированные формы, генетические резервы которых для дальнейшей адаптации снижены.

Закон увеличения размеров (роста) и веса (массы) организмов в филогенетической ветви (В.И. Вернадский). В ходе геологического времени формы, которые выживают, увеличивают свои размеры (а следовательно -- вес), а затем вымирают.

Аксиома адаптивности Ч. Дарвина. Каждый вид адаптирован к определенной, специфической для него, совокупности условий существования.

Экологическое правило С.С. Шварца. Каждое изменение условий существования прямо или косвенно вызывает соответствующие изменения способов реализации энергетического баланса организма.

Закон относительной независимости адаптации. Высокая адаптивность к одному из экологических факторов не дает такой же степени приспособляемости через физиолого-морфологические свойства организмов.

Закон единства «организм-среда». Жизнь развивается вследствие постоянного обмена веществом и информацией на базе потока энергии в совокупном единстве среды и организмов, его населяющих.

Правило соответствия условий среды генетической предопределенности организма. Вид может существовать только тогда, когда окружающая среда соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к его колебаниям и изменениям.

Закон ограниченного роста (Ч. Дарвин). Существуют ограничения, которые препятствуют тому, чтобы потомки одной пары особей, размножаясь по геометрической прогрессией, заполонили весь земной шар.

Принцип минимального размера популяций. Существует минимальный размер популяции, ниже которого ее численность не может опускаться.

Правило А. Уоллеса. По мере продвижения с севера на юг видовое разнообразие возрастает. Причина заключается в том, что северные биоценозы исторически молодые и находятся в условиях меньшего поступления энергии от Солнца.

Закон обеднение живого вещества в его сгущения (Г. Ф. Хильми). Индивидуальная система, которая работает в среде с более низким уровнем организации, чем уровень самой системы, обречена: постоянно теряя структуру, система через некоторое время растворяется в окружающей среде.

Правило биологического усиления. При условии перехода на более высокий уровень экологической пирамиды накопления ряда веществ, в том числе токсичных и радиоактивных, возрастает примерно в такой же пропорции.

Правило экологического дублирования. Пропавший или уничтоженый вид в рамках одного уровня экологической пирамиды заменяет другой, аналогичный по схеме: мелкий заменяет большого, нижеорганизованный -- более высокоорганизованного, более генетически лабильный и мутабельный менее генетически изменчивого.

Правило обязательности заполнения экологических ниш. Пустая экологическая ниша всегда и обязательно заполняется.

Правило экотопов, или краевого эффекта. На рубеже биоценозов растет число видов и особей в них, поскольку растет число экологических ниш в результате возникновения на грани новых системных свойств.

Правило взаемопристосованости организмов в биоценозе К. Мебиуса -Г.Ф. Морозова. Виды в биоценозе приспособлены друг к другу настолько, что их сообщество составляет внутренне противоречивое, но единое и взаимосвязанное целое.

Принцип формирования экосистемы. Длительное существование организмов возможно лишь в рамках экологических систем, где их компоненты и элементы дополняют друг друга и взаимно приспособлены.

Закон сукцесийних замедление. Процессы, происходящие в зрелых равновесных системах, находящихся в устойчивом состоянии, имеют тенденцию к снижению темпов.

Правило максимума энергии поддержания зрелой системы. Сукцессия идет в направлении фундаментального смещения потока энергии в сторону увеличения ее количества в целях поддержки системы.

Правило константности числа видов в биосфере. Число видов, появляющихся в среднем соответствует числу вымерших, и общее видовое разнообразие в биосфере является постоянной.

Правило множественности экосистем. Множественность конкурентно взаимодействующих экосистем является обязательным для поддержания надежности биосферы.

биосфера ламарк загрязнение

2. Плата за загрязнение окружающей среды

Платежи за загрязнение окружающей среды (в формулировках нового Федерального закона об охране окружающей среды -- платежи за негативные воздействия на окружающую среду; в формулировках Налогового кодекса -- экологический налог) в настоящее время устанавливаются в соответствии с порядком, утвержденным Постановлением Правительства от 28 августа 1992 г. № 632 «Об утверждении порядка определения платы и ее предельных размеров за загрязнение окружающей природной среды, размещение отходов, другие виды вредного воздействия».

Настоящий порядок предусматривает взимание платы за такие виды вредного воздействия на окружающую природную среду как:

выбросы в атмосферу загрязняющих веществ от стационарных и передвижных источников;

сбросы загрязняющих веществ в поверхностные и подземные водные объекты;

размещение отходов;

другие виды вредного воздействия (шум, вибрация, электромагнитные и радиационные воздействия и т.п.).

Для исчисления размера платежей по каждому ингредиенту загрязняющего вещества указанным постановлением устанавливается два вида базовых нормативов платы:

а) за выбросы, сбросы загрязняющих веществ, размещение отходов, другие виды вредного воздействия в пределах допустимых нормативов;

б) за выбросы, сбросы загрязняющих веществ, размещение отходов, другие виды вредного воздействия в пределах установленных лимитов (временно согласованных нормативов).

Между этими двумя видами базовых размеров установлено 5-кратное повышающее соотношение. Это соотношение означает, что ставки платы в объемах предельно допустимых нормативов в 5 раз меньше ставок платы в объемах лимитов.

За превышение лимитов к базовым размерам платы категории б) устанавливается дополнительный 5-кратный коэффициент, выполняющий роль штрафной санкции.

При определении суммы платежа предусмотрен механизм зачета расходов предприятий на проведение природоохранных мероприятий. Этот механизм заключается в том, что размер платежей мог уменьшаться на сумму средств, потраченных на создание очистных сооружений.

3. Глобальная экологическая проблема «Истощение энергетических ресурсов» - причина возникновения, пути решения

Энергия -- основной ресурс, обеспечивающий существование современной цивилизации

Мировые потребности в энергии сейчас удовлетворяются в основном за счет нефти, природного газа и угля. Но их запасы имеют пределы . В таблице приведены мировые запасы традиционных источников энергии

В начале XXI в., как и в XX в., в основном реализуется простейшая схема обеспечения мирового энергобаланса путем увеличения добычи нефти, газа и угля. Проблемы истощения природных ресурсов и ухудшения экологической обстановки широко обсуждаются мировой общественностью и международными организациями энергетического и экологического профиля. Разрабатываются рекомендации по уменьшению потребления углеводородного сырья как по экологическим причинам, так и из-за исчерпания запасов. Экологическая компонента становится жестким ограничителем объемов сжигания органического топлива. Поэтому наряду с эффективным энергосбережением требуется широкомасштабное получение энергии из новых источников, значительное увеличение КПД и улучшение экологических характеристик действующих и вновь сооружаемых энергетических установок, оборудования и др.

Ухудшение экологии непременное условие и фон нерационального потребления нефти, газа, угля.

Выбросы парниковых газов, тепла, загрязнение атмосферы, воды, почвы.

Глобальный спрос на энергию увеличивается стремительно (около 3 % в год). При сохранении такого темпа к середине XXI в. мировой энергобаланс может возрасти в 2,5 раза, к концу века - в 4 раза. Увеличение потребностей в энергии обусловлено ростом мирового населения и улучшением качества жизни, развитием мировой промышленности, индустриализацией развивающихся стран. Многократное увеличение объема мирового энергобаланса неизбежно ведет к значительному истощению природных ресурсов. Для уменьшения этих негативных последствий огромное значение имеет энергосбережение, которое позволяет производить продукцию и полезную работу с гораздо меньшим потреблением энергии, чем в прошлом веке. В XX в. эффективно использовалось около 20% первичной энергии, в то время как новейшие технологии позволяют повысить коэффициент действия энергетических установок в 1,5-2 раза. По экспертным оценкам, реализация программ энергосбережения позволит сократить потребление энергии на 30-40 %, что будет способствовать безопасному и устойчивому развитию мировой энергетики.

На территории России сосредоточено 45% мировых запасов природного газа, 13% - нефти, 23% - угля, 14% - урана. Однако фактическое их использование обусловлено существенными трудностями и опасностями, не обеспечивает потребности многих регионов в энергии, связано с безвозвратными потерями топливно-энергетических ресурсов (до 50%), угрожает экологической катастрофой в местах добычи и производства топливно-энергетических ресурсов.

Сейчас мы потребляем нефть, газ и уголь со скоростью, примерно в миллион раз превышающей скорость их естественного образования в земной коре. Очевидно, что рано или поздно они будут исчерпаны и перед человечеством встанет вопрос: чем их заменить? Если сопоставить остающиеся в распоряжении человечества ископаемые энергоресурсы и возможные сценарии развития мировой экономики, демографии и технологии, то это время, в зависимости от принятого сценария, составляет от нескольких десятков до пары сотен лет. В этом суть стоящей перед человечеством энергетической проблемы. Кроме того, все более активная добыча и использование исчерпаемого сырья наносит вред окружающей среде, в частности, ведет к изменению земного климата. Чрезмерные выбросы парниковых газов меняют климат Земли, ведут к природным катастрофам.

Принято считать, что в эпоху глобализации человечество столкнулось с множеством «глобальных» проблем: экономическими, политическими, экологическими, демографическими и продовольственными. На самом деле есть только одна глобальная проблема -- энергетическая, поскольку при достаточном количестве энергии все остальные проблемы принципиально разрешимы.

Анализ потенциала природных ресурсов Земли свидетельствует о том, что человечество обеспечено энергией на длительную перспективу. Нефть и газ обладают достаточно мощным ресурсом, однако этот «золотой фонд» планеты необходимо не только рационально использовать в XXI в., но и сохранить для будущих поколений.

Размещено на Allbest.ru