История развития биосферы земли

8

 Живые организмы, регулируя  круговорот веществ, служат мощным  геологическим фактором, преобразующим  поверхность нашей планеты.

3. КРУГОВОРОТ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Каждое животное или растение является звеном в цепях питания своей  экосистемы, обменивается веществами с неживой природой, а следовательно — включено в круговорот веществ биосферы. Химические элементы в составе различных соединений циркулируют между живыми организмами, атмосферой и почвой, гидросферой и литосферой. Начавшись в одних экосистемах, круговорот заканчивается в других. Вся биомасса планеты участвует в круговороте веществ, это придает биосфере целостность и устойчивость. Живые организмы существенно влияют на перемещение и превращение многих соединений. В биологическом круговороте задействованы прежде всего элементы, входящие в состав органических веществ: С, N, S, Р, О, Н, а также ряд металлов (Fe, Ca, Mg и др.).

Циркуляция соединений осуществляется в основном за счет энергии Солнца. Зеленые растения, аккумулируя его  энергию и потребляя из почвы  минеральные соединения, синтезируют  органические вещества. Органика распространяется в биосфере по цепям питания. Редуценты разрушают растительную и животную органику до минеральных соединений, замыкая биологический цикл.

В верхних слоях океана и на поверхности  суши преобладает образование органического  вещества, а в почве и глубинах моря — его минерализация. Миграция птиц, рыб, насекомых способствует и  переносу накопленных ими элементов. Существенно на круговорот элементов  влияет деятельность человека.

1.1 Круговорот воды.

Нагреваемые солнцем воды планеты  испаряются. Выпадающая живительным  дождем влага возвращается обратно  в океан в качестве речных вод  или очищенных фильтрацией грунтовых  вод, перенося огромное количество неорганических и органических соединений. Живые  организмы активно участвуют  в круговороте воды, являющейся необходимым  компонентом процессов метаболизма (о биологической роли воды см. § 1). На суше большая часть вод испаряется растениями, уменьшая водосток и препятствуя  эрозии почвы. Поэтому при вырубке  лесов поверхностный сток увеличивается  сразу в несколько раз и  вызывает интенсивный размыв почвенного покрова. Лес замедляет таяние снега, и талая вода, постепенно стекая, хорошо увлажняет поля. Уровень грунтовых  вод повышается, а весенние наводнения редко бывают разрушительными.

Влажные тропические леса смягчают жаркий экваториальный климат, задерживая и постепенно испаряя воду (это  явление называют транспирацией). Вырубка  тропических лесов вызывает в  близлежащих районах катастрофические засухи. Хищническое уничтожение  лесов способно превратить в пустыни  целые страны, как это уже случилось  в северной Африке. Круговорот воды, регулируемый растительностью, — важнейшее  условие поддержания жизни на Земле.

1.2 Круговорот углерода.

В процессе фотосинтеза растения поглощают  углерод в составе углекислого  газа. Продуцируемые ими органические вещества содержат значительное количество углерода,

9

распространяющегося в экосистеме по цепям питания. В процессе дыхания  организмы выделяют углекислый газ. Органические остатки в море и  на суше минерализуются редуцентами. Один из продуктов минерализации — углекислый газ — возвращается в атмосферу, замыкая цикл.

В течение 6-8 лет живые существа пропускают через себя весь углерод  атмосферы. Ежегодно в процесс фотосинтеза  вовлекается до 50 млрд. т углерода. Часть его накапливается в  почве и на дне океанов —  в скелетах водорослей и моллюсков, коралловых рифах. Существенный запас  углерода содержится в составе осадочных  пород. На основе ископаемых растений и планктонных организмов сформированы месторождения каменного угля, органогенного  известняка и торфа, природного газа и, возможно, нефти (некоторые ученые предполагают абиогенное происхождение  нефти). Природное топливо при  сгорании пополняет количество атмосферного углерода. Ежегодно содержание углерода в атмосфере увеличивается на 3 млрд. т и может нарушить устойчивость биосферы. Если темп прироста сохранится, то интенсивное таяние полярных льдов, вызванное парниковым эффектом углекислого  газа, приведет к затоплению обширных прибрежных территорий по всему миру.

1.3 Круговорот азота. 

Значение азота для живых  организмов определяется в основном его содержанием в белках и  нуклеиновых кислотах. Азот, как  и углерод, входит в состав органических соединений, круговороты этих элементов  тесно связаны. Главный источник азота — атмосферный воздух. Благодаря  фиксации живыми организмами азот поступает  из воздуха в почву и воду. Ежегодно синезеленые связывают около 25 кг/га азота. Эффективно фиксируют азот и клубеньковые бактерии.

Растения поглощают соединения азота из почвы и синтезируют  органические вещества. Органика распространяется по цепям питания вплоть до редуцентов, разлагающих белки с выделением аммиака, преобразующегося далее другими бактериями до нитритов и нитратов. Аналогичная циркуляция азота происходит между организмами бентоса и планктона. Денитрифицирующие бактерии восстанавливают азот до свободных молекул, возвращающихся в атмосферу. Небольшое количество азота фиксируется в виде оксидов молниевыми разрядами и попадает в почву с атмосферными осадками, а также поступает от вулканической деятельности, компенсируя убыль в глубоководные отложения. Азот поступает в почву также в виде удобрений после промышленной фиксации из воздуха атмосферы.

Круговорот азота — более  замкнутый цикл, нежели круговорот углерода. Лишь незначительное его  количество вымывается реками или уходит в атмосферу, покидая границы  экосистем.

1.4 Круговорот серы. 

Сера входит в состав ряда аминокислот  и белков. Соединения серы поступают  в круговорот в основном в виде сульфидов из продуктов выветривания пород суши и морского дна. Ряд  микроорганизмов (например, хемосинтезирующие бактерии) способны переводить сульфиды в доступную для растений форму — сульфаты. Растения и животные отмирают, минерализация их остатков редуцентами возвращает соединения серы в почву. Так, серобактерии окисляют до сульфатов образующийся при разложении белков сероводород. Сульфаты способствуют переводу труднорастворимых соединений фосфора в растворимые. Количество минеральных соединений, доступных растениям, возрастает, улучшаются условия для их питания.

10

Ресурсы серосодержащих полезных ископаемых весьма значительны, а избыток этого  элемента в атмосфере, приводящий к  кислотным дождям и нарушающий процессы фотосинтеза вблизи промышленных предприятий, уже беспокоит ученых. Количество серы в атмосфере существенно  увеличивается при сжигании природного топлива.

1.5 Круговорот фосфора. 

Этот элемент содержится в ряде жизненно важных молекул. Его круговорот начинается вымыванием фосфорсодержащих соединений из горных пород и поступлением их в почву. Часть фосфора уносится в реки и моря, другая — усваивается  растениями. Биогенный круговорот фосфора  происходит по общей схеме: продуценты®консументы®редуценты.

Значительные количества фосфора  вносятся на поля с удобрениями. Около 60 тыс. т фосфора ежегодно возвращается на материк с выловом рыбы. В  белковом рационе человека рыба составляет от 20% до 80%, некоторые малоценные сорта  рыб перерабатываются на удобрения, богатые полезными элементами, в  т. ч. фосфором.

Ежегодная добыча фосфорсодержащих пород  составляет 1-2 млн. т. Ресурсы фосфорсодержащих пород пока велики, но в будущем  человечеству, вероятно, придется решать проблему возвращения фосфора в  биогенный круговорот.

Природные ресурсы. Возможность нашей  жизни, ее условия находятся в  зависимости от природных ресурсов. Биологические и особенно пищевые  ресурсы служат материальной основой  жизни. Минеральные и энергетические ресурсы, включаясь в производство, служат основой стабильного уровня жизни.

Ресурсы принято делить на неисчерпаемые и исчерпаемые. Энергия Солнца и ветра, атмосферный воздух и вода практически неисчерпаемы. Однако при современном неэкологичном промышленном производстве воду и воздух можно лишь условно считать неисчерпаемыми ресурсами. Во многих районах в связи с загрязнением возник дефицит чистой воды и воздуха. Для того, чтобы эти ресурсы оставались неисчерпаемыми, необходимо бережное отношение к природе.

Исчерпаемые ресурсы делят на невозобновляемые и возобновляемые. К невозобновляемым относятся утраченные виды животных и растений, большинство полезных ископаемых. Возобновляемыми ресурсами являются древесина, промысловые животные и рыбы, растения, а также некоторые полезные ископаемые, например, торф.

Интенсивно потребляя природные  ресурсы, человеку необходимо соблюдать  природное равновесие. Сбалансированность ресурсов в круговороте веществ  определяет устойчивость биосферы.

5. ВЛИЯНИЕ ЧЕЛОВЕКА  НА БИОСФЕРУ

Признаком устойчивой экологической  системы является стабильность определённых характери-стик. Так, например, экологически устойчивая система Земля имеет постоянную массу и постоян-ную среднюю температуру.  
Под экологической катастрофой следует понимать переход системы из одного устойчивого со-стояния в другое. Например, повышение средней температуры Земли может привести к таянию полярных льдов, опустыниванию почв, вымиранию определённых видов флоры и фауны, может

11

быть, даже к гибели человечества. Тем не менее Земля как элемент Солнечной системы скорее всего останется такой же стабильной, как и ранее. Экологические катастрофы могут иметь различные уровни - от локальных (гибель леса, осушение моря и т. д.) до глобальных (в масштабах Земли, Сол-нечной системы, Галактики и даже Вселенной). 
Человечество в процессе жизнедеятельности безусловно влияет на различные экологические сис-темы. Примерами таких, чаще всего опасных, воздействий является осушение болот, вырубание лесов, уничтожение озонового слоя, поворот течения рек, сброс отходов в окружающую среду. Этим самым человек разрушает сложившиеся связи в устойчивой системе, что может привести к её дестабилизации, то есть к экологической катастрофе.  
Ниже мы рассмотрим одну из проблем влияния человека на окружающую среду - проблему городских отходов.

 
1.1. Масштабы загрязнения.

 
До эры агломераций утилизация отходов была облегчена благодаря  всасывающей способности окружающей среды: земли и воды. Крестьяне, отправляя  свою продукцию с поля сразу к  столу, об-ходясь без переработки, транспортировки, упаковки, рекламы и торговой сети, привносили мало отходов. Овощные очистки и тому подобное скармливалось или использовалось в виде навоза как удобрение почвы для урожая будущего года. Передвижение в города привело к совершенно иной потребительской структуре. Продукцию стали обменивать, а значит, упаковывать для большего удобства. 
В настоящее время жители Нью-Йорка выбрасывают в день в общей сложности около 24000 т ма-териалов. Эта смесь, состоящая в основном из разнообразного хлама, содержит металлы, стеклянные контейнеры, макулатуру, пластик и пищевые отходы. В этой смеси содержится большое количество опасных отходов: ртуть из батареек, фосфоро-карбонаты из флюорисцентных ламп и токсичные химикаты из бытовых растворителей, красок и предохранителей деревянных покрытий. 
Город размером с Сан-Франциско располагает большим количеством алюминия, чем небольшая бокситовая шахта, меди - чем средняя медная копия, и большим количеством бумаги, чем можно было бы получить из огромного количества древесины. 
С начала 70-х до конца 80-х в России бытовых отходов стало в 2 раза больше. Это миллионы тонн. Ситуация на сегодняшний день представляется следующей. С 1987 года количество мусора по стране увеличилось в два раза и составило 120 млрд. т в год, учитывая промышленность. Сегодня только Москва выбрасывает 10 млн. т. промышленных отходов примерно по 1 т на каждого жителя! 

12

Как видно из приведёных примеров масштабы загрязнения окружающей среды городскими отхо-дами таковы, что острота проблемы нарастает с каждым днём.

1.2. Пути решения проблемы.

 
Приблизительно за 500 лет до нашей  эры в Афинах был издан первый из известных эдикт, запре-щающий выбрасывать мусор на улицы, предусматривающий организацию специальных свалок и предписывающий мусорщикам сбрасывать отходы не ближе чем за милю от города. 
С тех пор мусор складировали на различных хранилищах в сельской местности. В результате рос-та городов свободные площади в их окрестностях уменьшались, а неприятные запахи, возросшее количество крыс, вызванное свалками, стали невыносимыми. Отдельно стоящие свалки были заме-нены ямами для хранения мусора. 
Около 90 % отходов в США до сих пор закапывается. Но свалки в США быстро заполняются, и страх перед загрязнениями подземных вод делает их нежелательными соседями. Эта практика заста-вила людей во многих населенных пунктах страны прекратить потребление воды из колодцев. Желая уменьшить этот риск, власти Чикаго с августа 1984 г. объявили мораторий на разработку новых пло-щадей под свалку до тех пор, пока не будет разработан новый вид мониторинга, следящего за пере-мещением метана, так как если не проконтролировать его образование, он может взорваться. 
Даже простое захоронение отходов является дорогостоящим мероприятием. С 1980 по 1987 гг. стоимость захоронения отходов в США возросла с 20 до 90 долларов за 1 т. Тенденция к удорожанию сохраняется и сегодня. 
В густо населенных районах Европы способ захоронения отходов, как требующий слишком больших площадей и способствующий загрязнению подземных вод, был предпочтен другому - сжиганию. 
Первое систематическое использование мусорных печей было опробовано в Нотингеме, Англия, в 1874 г. Сжигание сократило объем мусора на 70-90 %, в зависимости от состава, поэтому оно на-шло свое применение по обе стороны Атлантики. Густонаселенные и наиболее значимые города вскоре внедрили экспериментальные печи. Тепло, выделяемое при сжигании мусора стали исполь-зовать для получения электрической энергии, но не везде эти проекты смогли оправдать затраты. Большие затраты на них были бы уместны тогда, когда не было бы дешевого способа захоронения. Многие города, которые применили эти печи, вскоре отказались от них из-за ухудшения состава воздуха. Захоронение отходов осталось в числе наиболее популярных методов решения данной про-блемы. 
Наиболее перспективным способом решения проблемы является переработка городских отходов. Получили развитие следующие основные направления в переработке: органическая масса использу-ется для получения удобрений, текстильная и бумажная макулатура используется для