Экология как фундаментальная биологическая наука. Объект, предмет изучения. Понятие биосферы. Учение Вернадского о биосфере. Основные структуры биосферы

Лекция 1 Экология как фундаментальная биологическая наука. Объект, предмет изучения. Понятие биосферы. Учение Вернадского о биосфере. Основные структуры биосферы. Каждый человек в наши дни имеет какое-то представление об экологии. Само понятие «экология» используется сегодня при обсуждении различных объектов природной и социальной действительности. Говорят об экологии растений и животных, об экологии человека и общества, об экологии города и культуры, употребляют даже словосочетания «плохая экология» или «хорошая экология». Об экологии говорят тогда, когда хотят обратить внимание на условия существования и развития чего-нибудь. Так, в круг экологических проблем входят причины и следствия исчезновения отдельных видов растений и животных, загрязнения природной среды, ухудшения качества жизни людей и т.д. Однако понятие «экология» не сразу приобрело такой универсальный смысл. Генри Дэвид Торо 1858 г впервые употребляет термин экология как "природоведение" в своей книге «Жизнь в лесу» об идеальном существовании человека в ненарушенных природных условиях. Немецкий биолог Эрнст Геккель 1866 г предложил термин экология ("ойкос"- дом, и "логос"- наука) как наука о доме, о хозяйствовании в нем. Сегодня классическая экология – это биологическая наука, изучающая организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, биоценозов (сообществ), экосистем и биосферы. Экологию определяют также как науку, исследующую закономерности жизнедеятельности организмов (в любых ее проявлениях, на всех уровнях интеграции) в их естественной среде обитания, с учетом изменений, вносимых в среду деятельностью человека. В зависимости от объекта исследования и угла зрения, под которым он изучается, в экологии сформировались самостоятельные научные направления. По размерности объектов изучения экологию делят на аутэкологию (организм и его среда), популяционную экологию (популяция и ее среда), синэкологию (сообщества и их среда), биогеоцитологию (учение об экосистемах) и глобальную экологию (учение о биосфере Земли). В зависимости от объекта изучения экологию подразделяют на экологию микроорганизмов, грибов, растений, животных, человека, агроэкологию, промышленную (инженерную), экологию человека и т.п. Классификация экологии по «средам» исследования: водная, почвенная, воздушная и т.д. Среда обитания организма – это та часть природы, которая окружает живой организм и с которым он непосредственно взаимодействует. Живые организмы на планете освоили следующие среды обитания: водную, наземную, воздушную и организменную. Объектом исследования экологии являются биологические макросистемы (популяции, биоценозы, экосистемы), предметом - взаимодействия и взаимосвязи живых организмов между собой и с окружающей средой. В задачи экологии входит: 1. исследование закономерностей организации жизни, в том числе в связи с антропогенным воздействием на природные системы и биосферу в целом, 2. создание научной основы эксплуатации биологических ресурсов, прогноз изменений природы под влиянием деятельности человека и управления процессами, протекающими в биосфере, сохранение среды обитания человека, 3. регуляция численности живых организмов, 4. экологическая индикация, индикация состояния и загрязнения природных сред. Учение о биосфере Земли – одно из крупнейших и наиболее интересных обобщений современного естествознания. Оно является научной основой для исследования природных объектов и комплексного подхода при организации современного производства. Землю нередко сравнивают с космическим кораблем, а человека – с пассажиром. В бескрайних просторах космоса, в известной части Вселенной, только одна Земля – планета жизни. И только на ней могут жить люди. Системой жизнеобеспечения для них является биосфера. Биосфера (греч. «биос» - жизнь, «сфера» - шар) – это оболочка Земли, в которой развивается жизнь разнообразных организмов, населяющих поверхность суши, почву, нижние слои атмосферы, гидросферу. Владимир Иванович Вернадский (1863-1945) впервые понял и научно обосновал единство человека и биосферы. В.И. Вернадский – крупный отечественный ученый, минералог и кристаллограф, один из основоположников геохимии и биогеохимии. Концепция биосферы, которую мы принимаем сейчас, в основном опирается на идеи В.И.Вернадского. Классический труд В.И.Вернадского «Биосфера» опубликован в 1926 году. В.И.Вернадский дал несколько определений биосферы, везде подчеркивая две ее отличительные особенности. Первая: «Биосфера представляет оболочку жизни - область существования живого вещества». Вторая: «Биосфера может быть рассматриваема как область земной коры, занятая трансформаторами, переводящими космическое излучение в действенную земную энергию - электрическую, химическую, механическую, тепловую и т.д.» По В.И.Вернадскому, биосфера представляет собой уникальную геологическую оболочку земного шара, глобальную систему Земли, в которой геохимические и энергетические превращения определяются суммарной активностью живых организмов. Тесная связь биотической (живой) и абиотической (неживой) составляющих экосистемы является главным принципом выделения ее как целостного образования. Ключевыми разделами науки о биосфере являются представления о круговоротах вещества и потоках энергии. Биосфера включает в себя: Живое вещество – это вся совокупность живых организмов на планете (растения, животные, микроорганизмы); Живое вещество по своей массе занимает ничтожную долю по сравнению с любой из верхних оболочек земного шара. По современным оценкам, общее количество массы живого вещества в наше время равно 2420 млрд. тонн. Косное вещество - это совокупность тех веществ, в образовании которых живые организмы не участвуют, например, изверженные горные породы. Биогенное вещество – это органо-минеральные или органические продукты, созданные и переработанные живыми организмами (торф, каменный уголь, нефть, известняки). Это источник чрезвычайно мощной потенциальной энергии. После образования биогенного вещества живые организмы в нем малодеятельны. Особой категорией является биокосное вещество. Оно создается в биосфере живыми организмами вместе с косными (неживыми) процессами (водой, атмосферой, горными породами). Организмы в биокосном веществе играют ведущую роль. Биокосное вещество планеты - это почва. Следовательно, биосфера – это та область Земли, которая охвачена влиянием живого вещества. Жизнь на Земле - самый выдающийся процесс на ее поверхности, получающий живительную энергию Солнца и вводящий в движение едва ли не все химические элементы таблицы Менделеева. 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 и магнитных полей Солнца, Луны и других небесных тел). 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, происходящими 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 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 – единой системы геологических и биологических тел и процессов преобразования энергии и вещества. Эти преобразования изменили облик и эволюцию Земли. В результате процесса фотосинтеза, деятельности зеленых растений образовался современный состав атмосферы, в ней появился кислород. На активность фотосинтеза существенно влияет концентрация углекислого газа в атмосфере, наличие влаги и тепла. Установившиеся за миллионы лет круговороты энергии и веществ в биосфере само поддерживаются в глобальных масштабах, хотя локальные (местные) изменения структуры и особенностей отдельных экосистем, составляющих биосферу, могут быть значительными. Еще на ранних этапах эволюции живое вещество распространилось по безжизненным пространствам планеты, занимаемая доступные для жизни места. А в древние времена различные жизненные формы и виды растений, животных и микроорганизмы, грибы заняли всю планету. Живое органическое вещество можно найти и в глубинах океана, и на вершинах высоких гор, и во льдах, и горячих источниках. Такую способность к распространению живого вещества В.И. Вернадский назвал «всюдностью» жизни. Вершиной эволюции живого на Земле явился человек, который как биологический вид приобрел не только сознание, но и способность изготавливать и использовать в своей жизни орудия труда. С их помощью человечество стало создавать 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. Устойчивость биосферы обеспечивается многообразием форм жизни и многофункциональностью живых существ, которые поддерживают круговорот веществ и энергии. Человечество является неотъемлемой частью биосферы и не может не зависеть от нее «ни на одну минуту». Биосфера Земли представляет собой глобальную открытую систему со своим «входом» и «выходом». Ее «вход» - это поток солнечной энергии, поступающий из космоса, «выход» - выход в «геологию». Планета Земля характеризуется наличием трех поверхностных геосфер – гидросферы, литосферы, атмосферы (рис. 1). Нижняя граница биосферы опускается на 2-3 км от поверхности на суше и на 1-2 км ниже дна океана. Верхней границей биосферы служит защитный озоновый слой, выше которого УФ излучение исключает существование жизни. Общая протяженность биосферы по вертикали составляет 33-35 км. Рисунок 1– строение биосферы В пределах биосферы выделяется биогеосфера – «пленка жизни», своеобразная оболочка земного шара, где сконцентрировано практически все живое вещество. Она располагается на границе поверхностного слоя земной коры с атмосферой и в верхней части водной оболочки Земли Толщина биогеосферы колеблется от нескольких метров в степях и пустынях и до сотен метров в горах и морях. Гидросфера – водная оболочка Земли, она включает в себя совокупность поверхностных вод, а также воду, находящуюся в пределах литосферы и атмосферы. Гидросфера представлена океанами, морями, озерами, реками и искусственными водоемами. Наибольшая глубина в западной части Тихого океана достигает 11.5 км (Филиппинская впадина). Основная часть поверхностных вод заключена в Мировом океане, который занимает 71% поверхности земного шара и включает примерно 96% общего запаса свободной воды. Океанические воды содержат значительное количество солей. Средняя соленость океанической воды 3,5% или 35 г/л. Доля пресных вод составляет 2,5%, однако 70% этой воды сосредоточено в ледниковых покровах. В верхней части земной коры находятся обширные запасы подземных вод. Пресные воды залегают до глубины 150-200 м, ниже они переходят в солоноватые. Подземные воды включают в себя также лед в толще многолетней мерзлоты. Вода в атмосфере – это главным образом водяной пар и его конденсат (капельки воды и ледяные кристаллы). Поверхностные воды по вертикали делятся на три зоны. Верхняя зона – эфотическая, определяется глубиной проникновения 1 % солнечного света падающего на поверхность водоема. Этого света достаточного для фотосинтеза, который возможен в океане на глубинах до 100 м. В эфотической зоне живут фотосинтезирующие организмы. Нижняя зона – афотическая. В эту зону свет не проникает, здесь живут живые организмы, использующие готовые органические вещества, синтезированные организмами эфотической зоны. Между ними располагается дисфотическая зона. Здесь обитают некоторые формы красных сине-зеленых водорослей. В глубоких впадинах, заполненных сероводородом, обитают особые бактерии, использующие сероводород – хемосинтезирующие организмы. Общая роль хемосинтетиков велика. Ими синтезируется до 1-2 % первичной продукции. Литосфера – «каменная оболочка» Земли представляет собой верхнюю часть земной коры. В контексте биосферы под литосферой обычно понимают только поверхностную ее часть - почву. Поэтому иногда употребляют термин педосфера - почвенная оболочка земной коры. Литосфера является важнейшим ресурсом для человечества: содержит топливно-энергетическое сырье, рудные и нерудные полезные ископаемые, естественные строительные материалы. Поверхность Земли обладает значительной неоднородностью по высоте: от 8848 м над уровнем моря (Эверест, г. Джомолунгма) до 11034 м (Филиппинская впадина). Жизнь в литосфере концентрируется только в поверхностном слое земной коры, в основном в почве. Почва – это верхние наружные уровни горных пород, измененные под влиянием воды, воздуха и деятельности живых организмов. В.И. Вернадский характеризовал почву как смесь остатков живых организмов и косных (неорганических) веществ. Продукты жизнедеятельности и разрушения организмов, главным образом растений, частично накапливаются на поверхности почвы (сухие листья, ветки), частично на некоторых глубинах (например, отмершие корни). Процесс разложения органических веществ происходит с помощью различных микроорганизмов, грибов и разнообразных почвенных животных – редуцентов. Соотношение трех фаз в почве – твердых минеральных веществ, жидкости и воды – определяет основные физические свойства почвы как среды обитания живых организмов. Химические свойства почвы сильно зависят от наличия органических веществ. Атмосфера – газовая оболочка Земли существенно отличается от всех известных науке газовых оболочек других небесных тел. Ее масса около 5.9∙1015 т. Она состоит из нескольких сфер – тропосферы, стратосферы, мезосферы, ионосферы (термосфера), экзосфера (рис. 2). Рисунок 2– структура атмосферы Тропосфера – это область, где наиболее интенсивно протекают тепловые процессы. Тепловая энергия в основном подводится снизу от поверхности земли и океана. Физические процессы, протекающие в тропосфере, оказывают глубокое влияние на климат планеты, на процессы поглощения солнечной радиации, на круговорот воды, связанный с образованием облаков и выпадением осадков. Толщина тропосферы составляет от 7 до 12 км, на ее долю приходится ¾ всей земной атмосферы. Стратосфера находится выше тропосферы. Ее протяженность составляет 40 км. В пределах стратосферы расположен озоновый слой. Толщина озонового слоя оценивается в 8-10 км. Озоновый слой интенсивно поглощает УФ лучи, что обусловливает повышение температуры в этой зоне атмосферы. Мощность озонового слоя ничтожно мала. Если собрать все его молекулы и опустить их к поверхности планеты, то толщина озонового слоя или экрана составит 3 мм. Мезосфера. Количество озона в ней уменьшается, средняя температура там значительно ниже. На высоте 80 км она равна – 70 оС. Ионосфера или термосфера. Слой атмосферы над мезосферой от высот 80-90 км, температура в котором растет до высот 200-300 км. Экзосфера наиболее удалена от Земли, в ней еще обнаруживаются газы атмосферы, находящиеся в атомарном состоянии. Силы притяжения Земли здесь уже недостаточны для удержания материальных частиц, которые рассеиваются в космическом пространстве. Химический состав воздуха до высоты 100 км остается практически постоянным: азот -78.09 %, кислород – 20,94 %, аргон – 0,93 %, диоксид углерода – 0,03 %, остальные газы – в микроколичествах. Атмосфера, гидросфера и литосфера тесно взаимодействуют между собой. Практически все поверхностные экзогенные геологические процессы обусловлены этим взаимодействием и проходят, как правило, в биосфере.