Абиотическая среда

Рассмотрим основные элементы биосферы - гидросферу, атмосферу и почву с позиций экологии, как среду и ресурсы, обеспечивающие жизнь на Земле.

Гидросфера. Вода - составная часть всех элементов биосферы - не только водоемов, но и воздуха, почвы, живых существ. Она занимает около 70% Земного шара и является самым распространенным на нашей планете природным соединением: есть и в воздухе, и на Земле, образует моря и океаны. Вода - это источник жизни, без нее невозможно существование ни животных, ни растений, ни человека.

В соответствии с современными гипотезами происхождения жизни принято считать, что эволюционно первичной средой на нашей планете была именно водная среда. Подтверждению этому служит тот факт, что содержание солей в крови человека по ряду химических элементов, таких как Cl, Na, О, Ca, K (поддерживаемое на относительно постоянном уровне), близко к таковому в океанической воде (табл. 1). Вероятно, с этим связано оздоровительное влияние морской воды на человеческий организм. Кроме этого, жизнедеятельность подавляющего большинства организмов невозможна без поступления воды в организм или, по крайней мере, без сохранения определенного содержания жидкости внутри организма.

На нашей Земле вода заключена в особую сферу, которая называется гидросфера. Гидросфера (греч. гидро – вода + сфера) – совокупность всей воды на планете Земля, ее водная оболочка. Гидросфера - это прерывистая водная оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и твёрдой земной корой (литосферой) и представляющая собой совокупность океанов, морей и поверхностных вод суши. В более широком смысле в состав гидросферы включают также подземные воды, лёд и снег Арктики и Антарктики, а также атмосферную воду и воду, содержащуюся в живых организмах. Основная масса воды гидросферы сосредоточена в морях и океанах, второе место по объёму водных масс занимают подземные воды, третье — лёд и снег арктических и антарктических областей. Эта жидкая оболочка, покрывающая планету, наиболее отличает Землю от соседних от них планет.

Поверхностные воды суши, атмосферные и биологически связанные воды составляют доли процента от общего объёма воды.

Эта жидкая оболочка, покрывающая планету, наиболее отличает Землю от соседних с ней планет. Земля уникальна не только тем, что имеет так много воды в жидкой фазе, но и решающей ролью воды в формировании особенных черт планеты. Гидросфера важна для развития жизни не только в химическом смысле, велика также ее роль в поддержании относительно неизменного климата, что позволило жизни воспроизводиться в течение

Таблица 1. Сравнение химического состава крови человека и вод

Мирового океана

Хлор 49,3 55,0

Натрий 30,0 30,6

Кислород 9,9 5,6

Калий 1,8 1,1

Кальций 0,8 1,2

более трех миллиардов лет. Поскольку для жизни необходимо, чтобы преобладающие температуры были в диапазоне от 0^о до 100^о С, т.е. в пределах, которые позволяют гидросфере оставаться в основном в жидкой фазе, то можно сделать вывод, что температура на Земле на протяжении большей части ее истории отличалась большим постоянством.

Водная оболочка способствует формированию климата на Земле, ее могучая сила преобразует планету, уничтожая подчас творение рук человеческих. Поэтому Землю иногда называют водной планетой. Без воды жизнь невозможна.

Гидросфера – это одна из неотъемлемых сред обитания человека. Она поставляет ему питьевую пресную воду, продукты питания, из гидросферы человек черпает воду для полива и орошения земель, на которых выращивается жизненно важный урожай. В современном обществе без воды не может развиваться ни одна отрасль промышленности. Огромное количество пресной воды выпивают современные города.

Проблема нехватки воды возникла из-за нескольких причин. Прежде всего, это увеличение ее расхода для насущных нужд человека. Значительного количества воды требует производство продовольствия. Кроме того, в громадных количествах промышленность потребляет жизненно необходимую влагу промышленность. Индустриальные страны, пока еще не знающие недостатка в воде, бездумно разработали технологию промышленного производства современных продуктов. На производство одной тонны бумажной массы в настоящее время расходуется триста тысяч литров воды, одной тонны азотных удобрений - шестьсот литров, а на изготовление тонны пластика - свыше миллиона литров! Для выпуска одной тонны стали нужно 200-300 кубометров, резины – до 1,4 тысячи, бумаги – до 1,3 тысячи кубометров воды. Особенно много влаги требует сельское хозяйство. На производство одной тонны хлопка требуется 4-5 тысяч кубометров воды, тонны риса – 8 тысяч, пшеницы – 1,6 тысячи, ржи – 1,2 тысячи, картофеля – до 3 тысяч кубометров воды. Короче говоря, для производства суточной нормы продовольствия на одного человека требуется 6 тонн воды.

Чтобы более наглядно представить себе тот объем воды, которым располагает человечество, приведем следующий пример. Если сравнить нашу планету с таким фруктом, как апельсин, то вся вода в мире - находящаяся во взвешенном состоянии в воздухе, подземные воды, вода морей, океанов, рек, озер - представляла бы на этом апельсине каплю, осторожно нанесенную на его поверхность с помощью пипетки.

И вот что самое интересное: почти вся эта капля (97-98%) состояла бы из соленой воды морей и океанов. И лишь 2-3% представляли бы собой пресную воду, необходимую для жизни, - количество столь ничтожное, что на нашем апельсине эта вода занимала бы место меньше булавочной головки. Однако гораздо серьезнее другое: 75% пресной воды на Земле находится в виде льда, значительную ее часть составляют подземные воды и лишь 1% доступен для живых организмов. И эти драгоценные крохи мы нещадно загрязняем и беспечно расходуем, при том, что потребление воды непрерывно возрастает.

Атмосфера. Жизнь на суше во многом зависит от состояния воздуха. Естественная смесь газов, сложившаяся в ходе эволюции Земли, - это и есть воздух, которым мы дышим. Причем, следует отметить, что воздух представляет собой смесь газов, а не их соединение. Нужно сказать, что атмосфера Земли совершенно уникальна. Современный состав ее мало похож на тот, который был у газо-пылевого облака, из которого миллиарды лет назад образовалась наша планета.

Воздух как среда жизни обладает особенностями, направляющими эволюционное развитие обитателей этой среды. Так, высокое содержание кислорода определяет возможность формирования высокого уровня энергетического метаболизма (обмена веществ между организмом и средой). Атмосферный воздух отличается низкой и изменчивой влажностью, что ограничило возможности освоения воздушной среды, а у ее обитателей направило эволюцию системы водно-солевого обмена и структуру органов дыхания. Также следует отметить низкую плотность воздуха в атмосфере как среде жизни, благодаря чему жизнь сосредоточена вблизи поверхности земли, проникая в толщу атмосферы на высоту не более 50 – 70 м (кроны деревьев тропических лесов).

Основными компонентами атмосферного воздуха являются азот - N₂ (78,08%), кислород - O₂ (20,9%), аргон - Ar (около 1%) и углекислый газ (0,03%) (табл.2).

Кислород появился на Земле примерно 2 млрд лет тому назад, когда происходило активное формообразование поверхности при активной вулканической деятельности. В настоящее время доля кислорода составляет 21%, и постепенное возрастание этой доли происходило в течение последних 20 млн лет. Главную роль в этом играло развитие растительного мира суши и океана.

Без пищи человек может жить пять недель, без воды - пять дней, без воздуха пять - минут. Избыток же кислорода может угрожать нашему существованию, потому что чистый кислород становится ядом, если дышать им очень долго. К тому же, если бы в атмосфере было слишком много кислорода, то горючие материалы стали бы весьма огнеопасными, и их трудно было бы держать под контролем.

Таблица 2. Газовый состав земной атмосферы

Азот 78,084 75,5

Кислород 20,946 23,14

Аргон 0,934 1,28

Неон 0,0018 0,0012

Гелий 0,000524 0,00007

Криптон 0,000114 0,0003

Водород 0,00005 0,000005

Углекислый газ (в среднем) 0,034 0,0466

Водяной пар:

в полярных широтах 0,2 -

у экватора 2,6 -

Озон:

в тропосфере 0,000001 -

в стратосфере 0,001-0,0001 -

Метан 0,00016 0,00009

Оксид азота 0,000001 0,0000003

Окись углерода Тысячные доли,

в воздухе городов - до

0,000008 0,0000078

Содержание кислорода в воздухе определяет границу распространения жизни для растений и животных. По вертикали это примерно 4000 м.

Из таблицы 3 видно, что процентное содержание кислорода, как и других газов, с высотой изменяется.

Таблица 3. Состав воздуха на разной высоте от земной поверхности

0 20,94 78,09 0,93 - 0,01 760

5 20,94 77,89 0,94 - 0,01 405

10 20,99 78,02 0,94 - 0,01 168

20 18,10 81,24 0,59 - 0,04 41

100 0,11 2,97 - 0,56 96,31 0, 0067

Как известно, кислород образуется в результате фотосинтеза органических продуктов в растениях и поступает затем в атмосферу. Очень упрощенно этот процесс можно представить как химическую реакцию, протекающую за счет энергии солнечных лучей при участии хлорофилла – зеленого пигмента растений:

Таким образом, за счет двуокиси углерода и воды синтезируется органическое вещество и выделяется кислород. Прямыми продуктами фотосинтеза являются различные органические соединения. Весь процесс фотосинтеза носит довольно сложный характер.

При дыхании происходит реакция, обратная фотосинтезу. В настоящее время пока наблюдается примерное сохранение равновесия между производством кислорода и его потреблением. Однако интенсивное потребление кислорода промышленностью и транспортом в последнее время вызывает опасение нарушить баланс кислорода в окружающей среде.

Атмосфера предохраняет Землю от метеоритной бомбардировки. Большинство метеоритов никогда не достигает земной поверхности, потому что они сгорают при вхождении в атмосферу с огромной скоростью, создавая при этом иллюзию падающих звезд. Представьте себе, что бы случилось, если бы вся эта метеоритная масса достигала поверхности Земли?

Кроме того, атмосфера также способствует сохранению тепла на планете, которое в противном случае рассеивалось бы в холоде космического пространства. Сама же атмосфера благодаря силам притяжения Земли не улетучивается.

Атмосфера не только поддерживает жизнь, она служит также защитным экраном. На высоте 20-25 километров от поверхности Земли под воздействием ультрафиолетовой радиации Солнца часть молекул кислорода расщепляется на свободные атомы кислорода. Последние могут вновь вступать в союз с молекулами кислорода и образовывать трехатомную его форму:

О + О₂ → О₃

Такая трехатомная форма кислорода называется озоном. Озон играет исключительную роль в жизни нашей планеты. Если кислороду мы обязаны тем, что без него невозможно существование жизни, то озон, образуя в высших слоях атмосферы тонкий слой - так называемый озоновый экран, обеспечивает этой хрупкой земной жизни дальнейшее ее существование. Тонкий слой озона отфильтровывает вредный компонент солнечного излучения - ультрафиолетовые лучи, прямое влияние которых губительно для всего живого. Не будь этого озонового слоя, такое излучение могло бы уничтожить жизнь на Земле. К сожалению, в 80-90-е годы нашего века наблюдается негативная тенденция истоньшения и разрушения озонового экрана.

Теперь рассмотрим почву как среду обитания живых организмов. Почва - это рыхлый поверхностный слой земной коры, который образовался в процессе выветривания, деятельности живых организмов, разложения органических остатков и перемешивания полученных веществ. Русский почвовед В.В.Докучаев дал такую оценку почве: "... почва есть такое же самостоятельное, естественно-историческое тело, как любое растение, любое животное". В.И. Вернадский также считал почву «живым организмом» и назвал ее биокосным телом.

Если учесть, что радиус Земли имеет величину 6350 километров, то мощность плодородного слоя почвы составит в этом масштабе слой от 20 сантиметров до 4 метров. Еще одно сравнение. Если представить Землю размером с куриное яйцо, то ее почвенный плодородный слой окажется настолько тонким, что его трудно будет различить невооруженным глазом. Все это говорит об исключительной хрупкости того плодородного слоя, который мы называем почвой.

Растения получают воду и питательные вещества из почвы. Листья и ветки, отмирая, возвращаются в почву, где они разлагаются, высвобождая содержащиеся в них минеральные вещества. В поверхностных слоя почвы, куда поступает самое свежее мертвое органическое вещество, обитает множество организмов-разрушителей - бактерий и грибов, мельчайших членистоногих и червей, термитов и многоножек.

Многие авторы отмечают промежуточность положения почвенной среды жизни между водной и наземно-воздушной средами. В почве возможно обитание организмов, обладающих как водным, так и воздушным типом дыхания. Вертикальный градиент проникновения света в почве еще более выражен, чем в воде. Микроорганизмы встречаются по всей толще почвы, а растения (в первую очередь, корневые системы) связаны с наружными горизонтами.

Роль почвы многообразна: с одной стороны, это важный участник всех природных круговоротов, с другой - основа для производства биомассы. Для получения растительной и животной продукции человечество использует около 10% суши под пашню и около 20% - под пастбища. Это та часть земной поверхности, которую, как полагают специалисты, уже не удастся увеличить, несмотря на необходимость производства все большего количества продовольствия в связи с ростом народонаселения.

Разновидностей почв несколько тысяч, и это требует исключительной грамотности при их использовании. Копая землю, можно заметить, что цвет почвы и ее структура меняются с глубиной от темного гумусного слоя к светлому песчаному или глинистому. Самым важным является гумусный слой, содержащий остатки растительности и определяющий плодородие почвы. В наиболее богатых гумусом черноземах толщина этого слоя достигает 1-1,5 м, иногда до 3-4 м, в бедных - около 10 см.

Общая площадь земли Беларуси оценивается цифрой в 20,76 млн. га. На долю продуктивных земель приходится примерно 86% этой площади, немногим более 6% составляют земли, отведенные под дороги, постройки, торфоразработки и прочее, и около 8% - так называемые неиспользуемые земли (болота, кустарники, пески).

На почвенный покров Беларуси в настоящее время оказывается значительное воздействие со стороны человека (антропогенное влияние). В первую очередь это проявляется в накоплении в почвах республики разного рода продуктов деятельности человека. Наиболее опасны продукты радиоактивного распада, которые загрязнили значительную часть почвенного покрова Беларуси после аварии на Чернобыльской АЭС.

К отрицательному техногенному фактору на территории Беларуси можно отнести и чрезмерную увлеченность минеральными удобрениями и ядохимикатами. Широкое использование минеральных удобрений в сельскохозяйственном производстве порождает ряд проблем. Ядохимикаты подавляют биологическую активность почвы, уничтожают микроорганизмы, червей, уменьшают естественное плодородие почвы.

В почве содержатся не только химические элементы, но и различные живые организмы. Особенно много в ней микроорганизмов (бактерии, водоросли, грибы, простейшие). В одной только чайной ложке почвы их насчитывается много миллионов! По своему строению они бесконечно разнообразны, но все «заняты» превращением отмерших листьев, травы и других органических остатков в усвояемую форму, а также взрыхлением почвы, для лучшего проникновения в нее воздуха и воды. Благодаря большому количеству различных живых существ, перерабатывающих в почве остатки растительности и животных, формирующих ее структуру и продуктивность, почва является образованием, в котором непрерывно протекает множество физических процессов, реакций химического разложения и синтеза. Верхний слой почвы улучшается благодаря тому, что черви и насекомые, прорывая в нем ходы, постоянно выносят на поверхность частицы подпочвы.

Для почвенных организмов характерны специфические органы и типы движения (роющие конечности у млекопитающих; способность к изменению толщины тела; наличие специализированных головных капсул у некоторых видов); формы тела (округлая, вольковатая, червеобразная); прочные и гибкие покровы; редукция глаз и исчезновение пигментов. Среди почвенных обитателей широко развита сапрофагия - поедание трупов других животных, гниющих остатков и т.д.

В небольшой горстке земли находится больше живых существ, чем людей на всей планете: на квадратный метр приходится больше четырех триллионов бактерий и грибов, полмиллиона жгутиконосцев, миллион нематод, двести тысяч клещей, сто тысяч вилохвосток, восемьдесят тысяч кольчатых и восемьдесят дождевых червей. Посредством обмена веществ все они поставляют тот самый ценный гумус, т. е. перегной, которым живут растения. И все они, чтобы сохранить жизнь, нуждаются в тепле, воздухе и воде.

Почва - главный фундамент жизни. Все живое на земле зависит от этого тонкого, драгоценного жизнеродящего слоя земной поверхности. Земля накапливала его многие тысячелетия с очень медленной скоростью: один сантиметр чернозема за 100, а иногда и за 300 лет. Человек же разрушает почву на глубину один сантиметр за три года, к тому же теряя еще большие площади из-за засоления, перевыпасов, роста городов, отравляя землю химикатами. За время только одного дождя с распаханного поля может быть смыт слой плодородной почвы толщиной от 5 до 10 см. А ведь ни в одной лаборатории и никаким путем, кроме природного, естественного, почву создать нельзя.

Основные причины, из-за которых теряются плодородные почвы можно свести к нескольким пунктам:

► ветровая и водная эрозия при механической обработке;

►отведение земель под строительство городов, предприятий, дорог и т.п.;

►затопление при строительстве ГЭС;

►загрязнение отходами производства и быта;

►закисление кислотными дождями;

►засоление при неграмотной мелиорации;

►потери при авариях на АЭС.