Понятие экологических систем и их классификация

Экология как наука

Естественные науки (естествознание) — это совокупность отраслей знаний о природе, которые ставят целью раскрытие сущности явлений природы, познание общих законов ее развития, поиски путей использования полученных знаний в практической деятельности человека. Среди отраслей естествознания в исследовании процессов природопользования особое место занимает экология.

Экология как наука сформировалась в недрах биологии в середине XIX ст., после того как были накоплены сведения о многообразии живых организмов на Земле. Возникло понимание того, что не только строение и развитие организмов, но и взаимоотношения их со средой обитания подчинены определенным закономерностям, которые заслуживают специального изучения.

Термин «экология» был введен в науку известным немецким ученым-зоологом Эрнстом Геккелем, который в своих трудах «Всеобщая морфология организмов» (1866 г.) и «Естественная история миротворения» (1868 г.) впервые попытался дать определение сущности новой науки. Слово «экология» образовано от двух греческих слов: “oikos” — дом, жилище, и “logos” — наука; в буквальном смысле экология — наука о местообитании.

Э. Геккель определял экологию как «общую науку об отношениях организмов к окружающей среде, куда мы относим в широком смысле все условия существования органической и неорганической природы». По Э.Геккелю, экология представляет собой науку о «домашнем быте» живых организмов и призвана исследовать «все те замкнутые взаимоотношения, которые Ч. Дарвин условно обозначил как борьбу за существование». В процессе развития эта наука превратилась в биологическое учение, которое исследует живые организмы и их совокупности, взаимодействующие друг с другом и образующие с окружающей средой обитания некое единство, в пределах которого происходит преобразование энергии и органического вещества.

Современная экология в структурном отношении представляет сложную систему знаний; прежде всего она подразделяется на общую и частную (экология растений и экология животных). В задачи общей экологии входит исследование популяций, биоценозов и биосферы, а также экологических систем и биогеоценозов. Выделяются также научные направления, исследующие действие различных факторов окружающей среды на отдельные виды (аутэкология), взаимоотношения организмов, их различных совокупностей (демэкология, синэкология).

В «Кратком экономическом словаре» (1987 г.) экология определяется уже как «наука об общих закономерностях взаимодействия природы и общества; специальная сфера деятельности общества, направленная на охрану окружающей среды и целесообразное использование природных ресурсов». Таким образом, взгляд на экологию как на область только естествознания изменился, хотя никто, конечно, не отрицает права на существование классической «геккелевской» экологии — науки о местообитании живых организмов, которая по-прежнему изучается студентами-биологами и объединяет несколько самостоятельных дисциплин (аутоэкологию, демэкологию, синэкологию, общую экологию).

Свойства и функции экосистем

Напомним, что экосистема - это совокупность живых организмов, обменивающихся непрерывно энергией, веществом и информацией друг с другом и с окружающей средой. Рассмотрим сначала процесс обмена энергией.

Энергию определяют как способность производить работу. Свойства энергии описываются законами термодинамики.

Первый закон (начало) термодинамики или закон сохранения энергии утверждает, что энергия может переходить из одной формы в другую, но она не исчезает и не создается заново.

Второй закон (начало) термодинамики или закон энтропии утверждает, что в замкнутой системе энтропия может только возрастать. Применительно к энергии в экосистемах удобна следующая формулировка: процессы, связанные с превращениями энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную, то есть деградирует. Мера количества энергии, которая становится недоступной для использования, или иначе мера изменения упорядоченности, которая происходит при деградации энергии, есть энтропия. Чем выше упорядоченность системы, тем меньше ее энтропия.

Таким образом, любая живая система, в том числе и экосистема, поддерживает свою жизнедеятельность благодаря, во-первых, наличию в окружающей среде в избытке даровой энергии (энергия Солнца); во вторых, способности за счет устройства составляющих ее компонентов эту энергию улавливать и концентрировать, а использовав - рассеивать в окружающую среду.

Структура экосистем

Экосистема основана на единстве живого и неживого вещества. Суть этого единства проявляется в следующем. Из элементов неживой природы, главным образом молекул CO2 и H2O, под воздействием энергии солнца синтезируются органические вещества, составляющие все живое на планете. Процесс создания органического вещества в природе происходит одновременно с противоположным процессом - потреблением и разложением этого вещества вновь на исходные неорганические соединения. Чтобы эти процессы были уравновешены, природа за миллиарды лет отработала определенную структуру живого вещества системы.

Движущей силой в любой материальной системе служит энергия. В экосистемы она поступает главным образом от Солнца. Растения за счет содержащегося в них пигмента хлорофилла улавливают энергию излучения Солнца и используют ее для синтеза основы любого органического вещества - глюкозы C6H12O6.

Кинетическая энергия солнечного излучения преобразуется таким образом в потенциальную энергию, запасенную глюкозой. Из глюкозы вместе с получаемыми из почвы минеральными элементами питания - биогенами - образуются все ткани растительного мира - белки, углеводы, жиры, липиды, ДНК, РНК, то есть органическое вещество планеты.

Кроме растений продуцировать органическое вещество могут некоторые бактерии. Они создают свои ткани, запасая в них, как и растения, потенциальную энергию из углекислого газа без участия солнечной энергии. Это так называемая энергия химического синтеза, поэтому организмы называются хемосинтетиками.

Таким образом, растения и хемосинтетики создают органическое вещество из неорганических составляющих с помощью энергии окружающей среды. Их называют продуцентами или автотрофами. Виды, потребляющие созданную продуцентами органику как источник вещества и энергии для своей жизнедеятельности, называются консументами или гетеротрофами.

Консументы - это самые разнообразные организмы (от микроорганизмов до синих китов): простейшие, насекомые, пресмыкающиеся, рыбы, птицы и, наконец, млекопитающие, включая человека.

Первичные консументы, питающиеся только растениями, называются растительноядными или фитофагами. Консументы второго и более высоких порядков - плотоядные. Виды, употребляющие в пищу как растения, так и животных, относятся к всеядным, например, человек.

Мертвые растительные и животные остатки, например опавшие листья, трупы животных, продукты систем выделения, называются детритом. Это органика! Существует множество организмов, специализирующихся на питании детритом. Они называются детритофагами. Примером могут служить грифы, шакалы, черви, раки, термиты, муравьи и т.п.

Поскольку роль грибов и бактерий столь специфична, их обычно выделяют в особую группу детритофагов и называют редуцентами. Редуценты служат на Земле санитарами и замыкают биогеохимический круговорот веществ, разлагая органику на исходные неорганические составляющие - углекислый газ и воду.

Таким образом, несмотря на многообразие экосистем, все они обладают структурнымсходством. В каждой из них можно выделить фотосинтезирующие растения - продуценты, различные уровни консументов, детритофагов и редуцентов. Они и составляют биотическую структуру экосистем.

Круговорот вещ-в в экосистемах

Потоки энергии в экосистемах

Питание — основной способ движения веществ и энергии.

Организмы в экосистеме связаны общностью энергии и питательных веществ, которые необходимы для поддержания жизни. Главным источником энергии для подавляющего большинства живых организмов на Земле является Солнце. Фотосинтезирующие организмы (зеленые растения, цианобактерии, некоторые бактерии) непосредственно используют энергию солнечного света. При этом из углекислого газа и воды образуются сложные органические вещества, в которых часть солнечной энергии накапливается в форме химической энергии. Органические вещества служат источником энергии не только для самого растения, но и для других организмов экосистемы. Высвобождение заключенной в пище энергии происходит в процессе дыхания. Продукты дыхания — углекислый газ, вода и неорганические вещества — могут вновь использоваться зелеными растениями. В итоге вещества в данной экосистеме совершают бесконечный круговорот. При этом энергия, заключенная в пище, не совершает круговорот, а постепенно превращается в тепловую энергию и уходит из экосистемы. Поэтому необходимым условием существования экосистемы является постоянный приток энергии извне (рис. 14.5).

Рис. 14.5. Суммарный поток энергии (темные стрелки) и круговорот веществ (светлые стрелки) в экосистеме.

Таким образом, основу экосистемы составляют автотрофные организмы —продуценты (производители, созидатели), которые в процессе фотосинтеза создают богатую энергией пищу — первичное органическое вещество. В наземных экосистемах наиболее важная роль принадлежит высшим растениям, которые, образуя органические вещества, дают начало всем трофическим связям в экосистеме, служат субстратом для многих животных, грибов и микроорганизмов, активно влияют на микроклимат биотопа. В водных экосистемах главными производителями первичного органического вещества являются водоросли.

Понятие (определение) Биосферы

Впервые термин «биосфера» встречается в работах величайшего французского натуралиста и мыслителя Жана Батиста Ламарка (1744 – 1829), изучавшего ботанику, зоологию и геологию. В его научных трудах термин «биосфера» обозначал область жизни и влияния живых организмов на процессы, происходящие на Земле. Однако дифференциация наук о природе, происходившая быстрыми темпами в ХVIII в., привела к тому, что на долгие годы было забыто об исследованиях важных для наук о природе процессов взаимодействия сообществ живых организмов и косных (неживых) оболочек Земли. И только в 1875 г. австрийский геолог и палеонтолог Эдуард Зюсс (1831 – 1914) обратил внимание на место живого в строении и развитии земной коры и вновь после Ж.Б. Ламарка ввел в науку термин «биосфера». Биосфера - сложная наружная оболочка Земли, населенная организмами, составляющими в совокупности живое вещество планеты, рассуждая об оболочке Земли в своей книге о происхождении Альп. Затем снова на несколько десятилетий этот термин был предан забвению.

Новую (уже третью) жизнь термину «биосфера» дал выдающийся русский (советский) ученый – геолог В.И. Вернадский (1863 – 1945), создавший в 20-х годах ХХ века современное учение о биосфере. Возможно поэтому введение термина «биосфера» в научный обиход часто приписывается именно Вернадскому.

Биосфера (по В.И. Вернадскому) – это оболочка Земли, включающая как область распространения живого вещества, так и само это вещество. Здесь под живым веществом понимается совокупность всех организмов, населяющих Землю. Понятие биосферы несколько условно, так как кроме естественных мест существования органической жизни, создаются и искусственные (космические корабли, подводные лодки) «островки жизни». Органическая жизнь сосредоточена в трех косных (неживых) географических оболочках – геосферах Земли (литосфера, гидросфера и атмосфера). К биосфере относится и человеческое сообщество с его производством.

Общая совокупность живых организмов, выраженная в массе на единицу площади (суши, акватории, дна водоема) или объема (воды, почвы, осадков), принято называть биомассой. Следовательно, понятие «живое вещество» биосферы эквивалентно биомассе всей Земли.

Состав и структура биосферы

Структура биосферы. Биосфера имеет иерархическую структуру. Традиционно в структуре биосферы выделяют атмосферу, гидросферу и литосферу. Атмосфера делится на слои в зависимости от температуры воздуха: ниже 0°С -альтобиосфера, выше 0 "С - тропобиосфера. Гидросфера включает в себя океанобиосферу и аквабиосферу, т.е. солено- и пресноводную среду, и также делится на слои в зависимости от освещенности: фото-, дисфото- и афотосферы. Гео(био)сфера состоит из террабиосферы (твердо-водной среды) и литобиосферы (твердо-воздушной среды). Выделенные подсферы включают экосистемы различного иерархического уровня.

Состав биосферы включает 7 глубоко разнородных частей:

живое вещество;

биогенное вещество:

косное вещество:

биокосное вещество;

вещество в радиоактивном распаде:

вещество рассеянных атомов, не связанных химическими реакциями;

вещество космического происхождения.

Живое вещество совокупность организмов на планете (растительный и животный мир, микроорганизмы).

Биогенное вещество - совокупность веществ, возникших в результате жизнедеятельности организмов (торф, нефть, мел, природный газ и др.).

Косное вещество - совокупность веществ, в образовании которых живые организмы не участвуют, т.е. горные породы магматического, неорганического происхождения, вода,

Биокосное вещество - продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами (почва, природные воды).

Условия существования жизни

Жизнь, ее происхождение и развитие всегда, с древнейших времен волновали мысль человека. П.Кемп и К. Армс (1988) намечают 7 признаков живого организма:

1. Живые организмы характеризуются высокоупорядоченным строением. Химические вещества, из которых состоят живые, организмы сложны и обладают уровнями организации превышающими таковые у большинства веществ неживой (или косной) природы.

2. Живые организмы используют энергию окружающей их среды для поддержания и усиления своей высокой упорядоченности. Большая часть из них прямо или косвенно использует солнечную энергию. Зеленые растения используют эту энергию для синтеза питательных веществ, потребляемых как самими растениями, так и подавляющем большинством всех других организмов, обитающих на Земле.

3. Живые организмы активно реагируют на состояние окружающей среды и происходящие в ней изменения. Способность реагировать на внешние раздражения - универсальное свойство всех живых веществ.

4. Живые организмы развиваются. Рост, например, кристалла и рост органов любого живого существа принципиально отличны по структуре, сложности и многообразию свойств формирующихся органов.

5. Все живое размножается. Новые организмы возникают только в результате размножения других таких же организмов.

6. Каждому организму для того, чтобы выжить, развиваться и размножаться, необходима информация, заложенная в нем самом, в его генетическом аппарате, которая расщепляется и передается от каждого индивидуума к его потомкам. Генетический материал предопределяет возможные пределы развития организма, его структур, функций и реакции на окружающую его среду.

7. Живые организмы адаптированы к среде их обитания. Они сами и все их органы приспособлены своему образу жизни.

Каковы же условия этой внешней среды обитания, благоприятствующие возникновеию, сохранению и развитию жизни?

Экология рассматривает пять таких условий, совокупность которых определяет эти возможности (Мамедов и Суравегина, 1966).

1. Достаточное количество кислорода и углекислого газа. А.С.Монин (1977) отмечает, что с биологической точки зрения критический уровень содержания свободного кислорода в атмосфере, при котором организмы переходят от анаэробного обмена веществ, к энергетически более эффективному окислению при дыхании, составляет около одной сотой от количества кислорода в современной атмосфере. Такое его содержание в атмосфере Земли было достигнуто, вероятно, в конце венда, около 600 млн. лет тому назад. С этого момента в морской среде происходит массовый взрыв биологической продуктивности и разнообразия организмов, однако, их выход на сушу еще долгое время сдерживался отсутствием озонового экрана атмосферы. Формирование последнего состоялось около 400 млн. лет тому назад, при содержании кислорода в приземном слое атмосферы порядка 10% от современного. С появлением озонового экрана резко интенсифицируется освоение континентов лесной растительностью с ее бурным фотосинтезом и в относительно короткий срок, в несколько миллионов лет содержание свободного кислорода достигло современного уровня. Стоит отметить, что в настоящее время всеми растениями мира продуцируется около 100-150 млрд.т. кислорода, примерно в равных долях на суше и в океанических пространствах. Почти весь он расходуется на дыхание животных, окисление органических остатков, вулканических газов и горных пород. Углекислый газ первоначально попадал в атмосферу и гидросферу земли из земных недр, с продуктами дегазации мантии, а затем - с вулканическими газами. Можно представить каталитическую реакцию графита с водой, происходящую при высоких температурах: (3C+H2O ® CH4+2CO; C+H20 ® CO+H2; C+2H2O ® CO2 +H2) или температурную диссоциацию первичных карбонатов CаCO3 ® CаO+CO2. Одновременно, удаление углекислого газа из атмосферы происходило и происходит главным образом за счет образования карбонатного скелета морских организмов и накопления на морском дне карбонатных отложений и органического вещества растений.

2. Достаточное количество жидкой воды, недостаток которой встречается на земле лишь в Антарктиде, Гренландии, высокогорьях и экваториальных пустынях. История формирования земной гидросферы также достаточно интересна. В момент образования нашей планеты из протопланетного облака все элементы ее будущей гидросферы, как и атмосферы, находились в составе твердых веществ (Монин, 1977): вода в гидроокислах, азот - в нитридах, кислород в окислах металлов, углерод - в графитах, карбидах и карбонатах. Возникновение гидросферы связано уже с последующими выплавками базальтов, водяного пара и газов, в первые 0,5-1,5 млрд. лет существования Земли, в результате прогревания недр планеты за счет гравитационного сжатия и распада радиоактивных изотопов. Подтверждением тому служат современные вулканические газы, содержащие водяной пар в количествах не менее 70-80 весовых процентов. Обнаружение осадочных образований в древнейших из известных горных пород Земли свидетельствует о весьма раннем возрасте ее гидросферы.

3. Определенный интервал благоприятных температур: не слишком низких для протекания биохимических реакций с участием ферментов и не слишком высоких, не более 1000 ° С, выше которых белок свертываются.

4. Необходимый минимум минеральных веществ в почвенном слое, доступных для освоения микроорганизмами и растениями.

5. Ограничение солености среды: при концентрации солей примерно в 10 раз выше чем морская вода, а ее соленость составляет в среднем 35 г/кг, жизнь в воде исчезает, подземные же воды лишены жизни при их минерализации свыше 270 г/л. К этим пяти условиям необходимо добавить:

6. Отсутствие загрязняющих веществ, которые по своим свойствам и концентрации превышают допустимые для биосферных объектов уровни.

Таковы, меняющиеся под влиянием человека, необходимые условия существования живого вещества Земли.

Функции живого вещества

Понятие «живое вещество», как уже говорилось выше, введено В. И. Вернадским. По сравнению с другими веществами биосферы (биогенным, косным, биокосным, радиоактивным, рассеянными атомами и веществом космического происхождения) живое вещество играет наибольшую роль и выполняет ряд важнейших функций. В. И. Вернадский отмечал, что между косной, безжизненной частью биосферы, косными природными телами и живыми организмами, ее населяющими, идет непрерывный обмен энергией и веществом. Живое вещество в биосфере выполняет две основные функции: энергетическую и средообразующую.

Энергетическая функция. Чтобы биосфера могла существовать и развиваться, ей необходима энергия, собственных источников которой она не имеет. Она может потреблять энергию только от внешних источников. Таким главным источником для биосферы является Солнце. Энергетический вклад других поставщиков (внутреннее тепло Земли, энергия приливов, излучение космоса) в функционирование биосферы по сравнению с Солнцем ничтожно мал (около 0,5% от всей энергии, поступающей в биосферу).

Солнечный свет для биосферы является рассеянной лучистой энергией электромагнитной природы. Почти 99% этой энергии, поступившей в биосферу, поглощается атмосферой, гидросферой и литосферой, а также участвует в вызванных ею физических и химических процессах (движение воздуха и воды, выветривание и др.) и только около 1% накапливается на первичном звене ее поглощения и передается потребителям уже в концентрированном виде. Первичным звеном поглощения солнечной лучистой энергии являются растения, которые преобразуют ее в концентрированную энергию химических связей, или энергию пищи. Без этого процесса накопления и передачи энергии живым веществом невозможно было бы развитие жизни на Земле и образование современной биосферы.

Каждый последующий этап развития жизни сопровождался все более интенсивным поглощением биосферой солнечной энергии. Одновременно нарастала энергоемкость жизнедеятельности организмов в изменяющейся природной среде, и всегда накопление и передачу энергии осуществляло живое вещество.

Энергия определяется как общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. Ее свойства описываются следующими законами термодинамики. Первый – закон сохранения энергии – гласит, что энергия может переходить из одной формы в другую, но она не исчезает и не создается вновь. Второй – закон энтропии (от греч. entropia – поворот, превращение) – можно сформулировать следующим образом: энергия любой системы стремится к состоянию термодинамического равновесия или максимальной энтропии. Если температура какого-либо тела или поверхности, допустим, валуна или участка суши, выше температуры воздуха, то данная система стремится к равновесию. Валун или участок суши будет отдавать тепло до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой воздушной среды. Энергия любого живого организма также может быть рассеяна в тепловой форме. В конечном итоге достигается состояние термодинамического равновесия, и дальнейшие энергетические процессы становятся невозможными. Чтобы не наступило состояние максимальной энтропии, организм или система должны постоянно извлекать энергию извне и стремиться к нарушению термодинамического равновесия. В противном случае происходит гибель организма, необратимая деградация системы.

Жизнь сводится к непрерывной последовательности роста, самовоспроизведения и синтеза сложных химических соединений. Без переноса энергии, сопровождающего эти процессы, невозможно было бы ни существование самой жизни, ни образование надорганизменных систем всех уровней организации. Если бы солнечная энергия на планете только рассеивалась, то жизнь на Земле была бы невозможной. Чтобы биосфера существовала, она должна получать и накапливать энергию извне. И эта работа выполняется организмами. Часть энергии, запасенной организмами и не израсходованная в биосфере, с их отмиранием «складируется» в виде торфа, углей, горючих сланцев и других полезных ископаемых, используемых в теплоэнергетике. Человек, извлекая эту «складированную» энергию и возвращая ее биосфере, активизирует в ней теплоэнергетические процессы, которые в конечном итоге приводят к парниковому эффекту.

Современная биосфера образовалась в результате длительной эволюции под влиянием совокупности космических, геофизических и геохимических факторов. Первоначальным источником всех процессов, протекавших на Земле, было Солнце, но главную роль в становлении и последующем развитии биосферы сыграл фотосинтез. Биологическая основа генезиса биосферы связана с появлением организмов, способных использовать внешний источник энергии, в данном случае энергию Солнца, для образования из простейших соединений органических веществ, необходимых для жизни. (9)

Под фотосинтезом понимается превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами при участии энергии света и поглощающих свет пигментов (хлорофилл и др.) простейших соединений (воды, углекислого газа и минеральных элементов) в сложные органические вещества, необходимые для жизнедеятельности всех организмов.

В результате фотосинтеза растительность земного шара ежегодно усваивает около 200 млрд т углекислого газа и выделяет в атмосферу примерно 145 млрд т свободного кислорода, при этом образуется более 100 млрд т органического вещества. Если бы не жизнедеятельность растений, исключительно активные молекулы кислорода вступили бы в различные химические реакции, и свободный кислород исчез бы из атмосферы примерно за 10 тыс. лет. К сожалению, варварское сокращение человеком массивов зеленого покрова планеты являет реальную угрозу уничтожения современной биосферы.

В процессе фотосинтеза одновременно с накоплением органического вещества и продуцированием кислорода растения поглощают часть солнечной энергии и удерживают ее в биосфере. На фотосинтез используется около 1% солнечной энергии, падающей на Землю. Возможно, этот низкий показатель связан с малой концентрацией углекислого газа в атмосфере и гидросфере. Ежегодно фотосинтезирующие организмы суши и океана связывают около 3*10 в 18-й кДж солнечной энергии, что примерно в 10 раз больше той энергии, которая используется человечеством.

В отличие от зеленых растений некоторые группы бактерий синтезируют органическое вещество за счет не солнечной энергии, а энергии, выделяющейся в процессе реакций окисления серных и азотных соединений. Этот процесс именуется хемосинтезом. В накоплении органического вещества в биосфере он, по сравнению с фотосинтезом, играет ничтожно малую роль.

Синтезированные зелеными растениями и хемобактериями органические вещества (сахара, белки и др.), последовательно переходя от одних организмов к другим в процессе их питания, переносят заключенную в них энергию. Растения поедают растительноядные животные, которые в свою очередь становятся жертвами хищников и т. д. Этот последовательный и упорядоченный поток энергии является следствием энергетической функции живого вещества в биосфере. (2)

Средообразующая функция. Биосфера, согласно учению В. и. Вернадского, есть целостное единство, планетарная система, все элементы которой взаимосвязаны и взаимодействуют. В этой системе центральную роль играет живое вещество, поскольку с ним генетически связаны и образованы из него все структурные части биосферы благодаря прошлой или настоящей деятельности живых организмов. Окружающая живое вещество физико-химическая среда изменена вследствие его функционирования до такой степени, что биотические и абиотические процессы оказались неразделимыми. В результате их взаимовлияния живые организмы преобразуют среду своего обитания или поддерживают ее в таком состоянии, которое удовлетворяет условиям их существования. Выполняя средообразующие функции, живые организмы контролируют состояние окружающей среды.

Средообразующая роль живого вещества в биосфере имеет, по В. И. Вернадскому, химическое проявление и выражается в соответствующих биогеохимических функциях, которые свидетельствуют об участии живых организмов в химических процессах изменения вещественного состава биосферы. Живое вещество выполняет следующие биогеохимические функции: газовые, концентрационные, окислительно-восстановительные, биохимические и биогеохимические, связанные с деятельностью человека (Вернадский, 1965).

Газовые функции заключаются в участии живых организмов в миграции газов и их превращениях. В зависимости от того, о каких газах идет речь, выделяется несколько газовых функций.

Вследствие выполнения живым веществом газовых биогеохимических функций в течение геологического развития Земли сложились современный химический состав атмосферы с уникально высоким содержанием кислорода и низким содержанием углекислого газа, а также умеренные температурные условия.

Концентрационные функции связаны с аккумуляцией живыми организмами из внешней среды химических элементов – водорода, углерода, азота, кислорода, кальция, магния, натрия, калия, фосфора и многих других, включая тяжелые металлы. Отмирание живого вещества (естественная смерть или случайная гибель), особенно массовое, приводит к аномально высокому содержанию большинства этих элементов в почве и литосфере вплоть до образования горных пород однородного химического состава – торфа, углей, известняков, сапропелей, мела, железных руд осадочного происхождения и многих других.

Вследствие выполнения окислительно-восстановительных функций осуществляются химические превращения веществ, содержащих атомы с переменной валентностью. Окислительная функция выражается в окислении с участием бактерий и, возможно, грибов всех бедных кислородом соединений в почве, коре выветривания и гидросфере. Например, так образуются болотные железные руды, бурые железистые конкреции, ожелезненные горизонты. Восстановительная функция противоположна по своей сути окислительной. Благодаря ей в результате деятельности анаэробных бактерий в нижней трети профиля заболоченных почв, практически лишенного кислорода, образуются оксидные формы железа.

Биохимические функции связаны с жизнедеятельностью живых организмов – их питанием, дыханием, размножением, смертью и последующим разрушением тел. В результате происходит химическое превращение живого вещества сначала в биокосное, а затем, после умирания, в косное. Следует различать разрушение тел организмов после их смерти, идущее повсеместно и вызываемое микробами, грибами и некоторыми насекомыми, и разрушение, связанное с массовым захоронением растительных и животных остатков после их смерти или гибели. В последнем случае совместное или последовательное выполнение живым веществом концентрационных и биохимических функций приводит к геохимическому преобразованию литосферы.

Биогеохимические функции, связанные с деятельностью человека, обеспечили большие изменения химических и биохимических процессов в биосфере, способствуют становлению ее нового эволюционного состояния – ноосферы. Уже сегодня локальное и планетарное загрязнение в результате развития теплоэнергетики, промышленности, транспорта и сельского хозяйства может привести к необратимым последствиям в биосфере, так как человек интенсивнее, чем другие организмы, изменяет физические условия среды.

Кроме указанных, к функциям живого вещества в биосфере следует отнести также водную, которая связана с биогенным круговоротом воды, имеющим важное значение в круговороте воды на планете.

Выполняя перечисленные функции, живое вещество адаптируется к окружающей среде и приспосабливает ее к своим биологическим потребностям. При этом живое вещество и среда его обитания развиваются как единое целое, однако контроль за состоянием среды осуществляют живые организмы. Такого рода биологический контроль за состоянием биосферы на глобальном уровне стал основой гипотезы Геи, предложенной американскими физиком Дж. Лавлоком и микробиологом Л. Маргулисом. Согласно этой гипотезе, организмы, прежде всего микроорганизмы, вместе со средой обитания образуют сложную систему регуляции – «коричневый пояс», поддерживающий на Земле условия, благоприятные для жизни.

Загрязнение окружающей среды

Загрязнения окружающей среды бывают физические и химические. К физическим (энергетическим) загрязнениям относятся шум, вибрация, электромагнитные поля, ионизирующие излучения радиоактивных веществ, тепловое излучение, возникающее в результате антропогенной деятельности.

Продолжающееся увеличение количества и разнообразие новых промышленных предприятий, химических производств, различных транспортных средств, химизация сельского хозяйства приводят к нарастающему загрязнению окружающей среды всевозможными химическими веществами (ксенобиотиками), попадающими в нее с газообразными, жидкими и твердыми выбросами и отходами.

Экологической ситуации в России присущи все основные черты и проявления глобального экологического кризиса. В последнее время прежде всего имеет место антропогенное загрязнение окружающей среды, уровни которого превышают допустимые.

Создавшаяся на сегодняшний день экологическая обстановка является чрезвычайной и опасной. В настоящее время ежегодные выбросы промышленных предприятий и транспорта России составляют около 25 млн. т. В настоящее время на территории страны находятся более 24 тыс. предприятий, загрязняющих окружающую среду. По официальным данным, более 65 млн. человек, проживающих в 187 городах, подвержены воздействию загрязняющих веществ, средние годовые концентрации которых превышают предельно допустимые нормы. Каждый десятый город России имеет высокий уровень загрязнения природных сред.

Значительное загрязнение атмосферы в них вызывают стационарные источники. Большая часть загрязняющих веществ приходится на газообразные и жидкие вещества и значительно меньшая часть — на твердые примеси. Суммарный выброс вредных газообразных веществ в атмосферу значительно увеличивают транспортные средства. Доля автомобильного транспорта в общем объеме выбросов составляет в среднем по Российской Федерации 35–40%, а в крупных городах доходит до 80–90%. Выделяемые автотранспортом выхлопные газы содержат более 200 вредных веществ и соединений. Наиболее известными загрязнителями атмосферного воздуха являются оксид углерода, оксид и диоксид азота, альдегиды, углеводороды, свинец и др. Некоторые загрязнители воздуха обладают канцерогенными свойствами (бензпирен).

Загрязнение атмосферы

Атмосферный воздух — один из важнейших компонентов среды обитания. Главными источниками загрязнения атмосферы являютсятепловые электростанции и теплоцентрали, сжигающие органическое топливо; автотранспорт; черная и цветная металлургия; машиностроение; химическое производство; добыча и переработка минерального сырья; открытые источники (добычи сельскохозяйственного производства, строительства).

В современных условиях в атмосферу попадает более 400 млн. т частиц золы, сажи, пыли и разного рода отходов и строительных материалов. Кроме приведенных выше веществ в атмосферу выбрасываются и другие, более токсичные вещества: пары минеральных кислот (серной, хромовой и др.), органические растворители и т. п. В настоящее время насчитывается более 500 вредных веществ, загрязняющих атмосферу.