Биосфера. Круговороты веществ

Биосфера — оболочка Земли, населённая живыми организмами; область распространения жизни. Понятие ввёл Эдуард Зюсс в 1875 году; развил и разработал Владимир Иванович Вернадский (1926, «Биосфера»). Границы биосферы. Верхняя граница (атмосфера): озоновый слой на высоте около 20–25 км; ультрафиолетовое излучение выше этого уровня уничтожает живые организмы; споры бактерий обнаружены на высоте до 80 км, но жизнь там не активна. Нижняя граница (литосфера): глубина до 4–5 км в земной коре; бактерии обнаружены в нефтяных скважинах. В гидросфере: жизнь обнаружена на максимальных глубинах — в Марианской впадине (11 км). Суть биосферы по Вернадскому: живое вещество — мощная геохимическая сила, преобразующая облик планеты.

Владимир Иванович Вернадский (1863–1945) — создатель учения о биосфере. Ключевые понятия. Живое вещество: совокупность всех живых организмов на Земле; масса около 2,4 триллиона тонн (в пересчёте на сухой вес); выполняет геохимические функции. Косное вещество: горные породы, вода, атмосферные газы; не содержит живых организмов. Биокосное вещество: создаётся совместно живым и неживым; почва, природные воды, нижние слои атмосферы. Биогенное вещество: образованное в результате жизнедеятельности организмов: уголь, нефть, известняк, торф. Функции живого вещества: газовая (O₂, CO₂, N₂), окислительно-восстановительная, концентрационная (накопление элементов), деструктивная (разложение), средообразующая. Ноосфера: «сфера разума» — этап биосферы, когда человеческий разум становится главной преобразующей силой.

Углерод — основа органических веществ. Два резервуара углерода. Атмосферный CO₂ (углекислый газ): 0,04% атмосферы; относительно небольшой резервуар. Карбонатный (в осадочных породах, океане): огромный резервуар; известняк, мел, доломит. Круговорот углерода. Фотосинтез: продуценты поглощают CO₂ из атмосферы → углерод входит в органические молекулы. Дыхание: организмы выделяют CO₂. Разложение: редуценты разлагают мёртвую органику → CO₂ возвращается в атмосферу. Образование ископаемого топлива: в анаэробных условиях органика не полностью разлагается → уголь, нефть, газ (геологически медленный отток углерода). Антропогенный фактор: сжигание ископаемого топлива → ежегодный выброс около 10 гигатонн углерода в виде CO₂; концентрация CO₂ выросла с 280 ppm (доиндустриальное время) до более 420 ppm (2023 год); усиление парникового эффекта.

Азот необходим для синтеза белков, нуклеиновых кислот. Атмосфера содержит 78% азота (N₂), но большинство организмов не могут его усваивать напрямую. Этапы круговорота азота. Азотфиксация: бактерии-азотфиксаторы (Rhizobium, ризобиум — в клубеньках бобовых; Azotobacter, азотобактер — свободноживущие; цианобактерии) превращают N₂ в NH₄+ (аммоний). Аммонификация: бактерии-аммонификаторы разлагают органический азот (белков, нуклеиновых кислот) до аммония NH₄+. Нитрификация: нитрифицирующие бактерии (Nitrosomonas, нитросомонас; Nitrobacter, нитробактер) окисляют NH₄+ до NO₂⁻, а затем до NO₃⁻ (нитрат); это хемосинтез. Поглощение растениями: растения поглощают нитраты и аммоний из почвы. Денитрификация: денитрифицирующие бактерии в анаэробных условиях восстанавливают нитраты до N₂ → азот возвращается в атмосферу.

Круговорот воды (гидрологический цикл) — непрерывный обмен водой между гидросферой, атмосферой, литосферой и биосферой. Испарение: с поверхности океанов, морей, озёр, рек, почвы и с поверхности растений (транспирация). Транспирация растений: существенный вклад в водный цикл; тропический лес испаряет огромные объёмы воды. Конденсация и осадки: водяной пар поднимается, охлаждается, конденсируется → облака → дождь, снег, град. Сток: осадки, попавшие на сушу, стекают по реками в океаны или просачиваются в подземные воды. Фильтрация: вода фильтруется через почву → пополнение подземных вод. Роль живых организмов: транспирация увеличивает локальные осадки; корни удерживают почву и воду; уничтожение лесов нарушает водный цикл → снижение осадков, эрозия почвы, наводнения. Глобальный запас воды: около 1,4 миллиарда кубических километров; 97,5% — солёная вода океанов; 2,5% — пресная.

Парниковый эффект — нагревание атмосферы Земли за счёт поглощения «парниковыми газами» инфракрасного излучения, испускаемого поверхностью Земли. Парниковые газы: углекислый газ (CO₂), метан (CH₄), закись азота (N₂O), водяной пар (H₂O), озон. Естественный парниковый эффект без него: средняя температура Земли была бы около минус 18 градусов; фактически плюс 15 градусов — эффект поддерживает жизнь. Антропогенное усиление парникового эффекта: сжигание ископаемого топлива; вырубка лесов; животноводство (метан); рисоводство. Следствия глобального потепления: повышение уровня мирового океана (таяние ледников и тепловое расширение воды); смещение климатических поясов; учащение экстремальных погодных событий (ураганы, засухи, наводнения); угроза биоразнообразию; закисление океана (CO₂ + H₂O → угольная кислота → снижение pH).

Озоновый слой — концентрация молекул O₃ (озона) на высоте 20–25 км в стратосфере. Функция: поглощает жёсткое ультрафиолетовое излучение (UV-B и UV-C) — защищает живые организмы от мутагенного и канцерогенного действия УФ. Образование озона: O₂ + UV → 2O; O + O₂ → O₃. Разрушение озонового слоя: хлорфторуглероды (ХФУ, фреоны) — раньше использовались в холодильниках и аэрозолях; ионы хлора от ХФУ катализируют разрушение O₃. «Озоновая дыра» над Антарктидой: каждую антарктическую весну (октябрь) наблюдается значительное истончение озона. Монреальский протокол (1987): международный договор о прекращении производства ХФУ; один из наиболее успешных природоохранных соглашений; озоновый слой медленно восстанавливается. Последствия разрушения озона: рост заболеваемости раком кожи; катаракта; снижение продуктивности фитопланктона.

Изменение климата: рост концентрации парниковых газов; потепление на 1,1–1,2 градуса с доиндустриального времени; Парижское соглашение (2015) — цель: не более плюс 1,5–2 градусов. Потеря биоразнообразия: шестое массовое вымирание; скорость вымирания в 100–1000 раз выше фоновой; причины: уничтожение местообитаний, загрязнение, инвазивные виды, климатические изменения. Загрязнение вод: нефтяные разливы; эвтрофикация (избыток азота и фосфора → водоросли → кислородное голодание → «мёртвые зоны»); пластиковое загрязнение (микропластик в Мировом океане). Деградация почв: эрозия, засоление, потеря плодородия при интенсивном сельском хозяйстве. Вырубка тропических лесов: потеря биоразнообразия; нарушение водного цикла; выброс CO₂. Закисление океана: CO₂ растворяется в воде → снижение pH → угроза коралловым рифам и морским организмам с кальциевым скелетом.

Особо охраняемые природные территории (ООПТ). Заповедники: полное исключение хозяйственной деятельности; только научные исследования; Россия — мировой лидер по площади заповедников. Национальные парки: охрана природы + экотуризм. Заказники: охрана определённых видов или угодий; ограниченная хозяйственная деятельность. Биосферные резерваты ЮНЕСКО: комбинация охраны и устойчивого использования. Международные соглашения: Конвенция о биологическом разнообразии (1992); СИТЕС — о торговле исчезающими видами; Рамсарская конвенция — о водно-болотных угодьях; Монреальский протокол — об озоновом слое; Парижское соглашение — об изменении климата. Ключевые инструменты: запрет охоты на исчезающие виды; создание коридоров между заповедниками; разведение в неволе с последующим выпуском; устойчивое сельское хозяйство. Красная книга: международный и национальные списки видов, нуждающихся в охране.

Природные ресурсы по восполнимости. Исчерпаемые невозобновимые: нефть, природный газ, уголь, металлические руды; образуются за миллионы лет; запасы конечны. Исчерпаемые возобновимые: пресная вода, почва, леса, рыбные запасы; возобновляются при правильном использовании; при перегрузке — истощаются. Неисчерпаемые: солнечная и ветровая энергия, энергия приливов, геотермальная энергия. Принцип устойчивого развития: удовлетворение потребностей настоящего поколения без ущерба для способности будущих поколений удовлетворять свои потребности; принят на Конференции ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро в 1992 году. Экологический след: объём природных ресурсов, необходимых для поддержания жизнедеятельности человека; средний житель Земли потребляет ресурсы, для производства которых нужно 1,7 планеты.

Почва — биокосное тело; верхний плодородный слой земной коры; образована при взаимодействии горных пород, климата, живых организмов (главным образом микроорганизмов и дождевых червей). Вернадский относил почву к биокосному веществу. Компоненты почвы: минеральные частицы (песок, ил, глина); органическое вещество (гумус); почвенная вода; почвенный воздух; живые организмы (почвенная биота). Гумус — органическая фракция почвы; результат неполного разложения органики; придаёт почве тёмный цвет; определяет плодородие. Образование почвы: разрушение горных пород → пионерные организмы (лишайники) → мхи и бактерии → накопление органики → дождевые черви (перемешивают, аэрируют) → полноценная почва. Россия — крупнейший в мире обладатель чернозёмов (40% мировых запасов). Деградация почв: эрозия ветром и водой; засоление; заболачивание; загрязнение тяжёлыми металлами.

Эвтрофикация — избыточное обогащение водоёмов питательными веществами (азотом и фосфором), ведущее к бурному развитию водорослей и нарушению экосистемы. Причины: сток удобрений с сельскохозяйственных полей; бытовые сточные воды (фосфаты из моющих средств). Процесс. Первое — взрывное размножение цианобактерий и водорослей («цветение» воды): вода зеленеет, мутнеет. Второе — гибель водорослей: бактерии разлагают огромную биомассу. Третье — активное дыхание бактерий поглощает кислород → гипоксия воды. Четвёртое — «мёртвая зона»: гибель рыбы и других аэробных организмов. Последствия: потеря рыбных запасов; ухудшение качества питьевой воды; некоторые цианобактерии вырабатывают токсины, опасные для людей и животных. Меры борьбы: ограничение выброса биогенов; создание буферных зон вдоль водоёмов; очистка сточных вод.

Внимание! Первая ошибка — считать, что Вернадский ввёл термин «биосфера». Термин ввёл Зюсс в 1875 году; Вернадский развил учение о биосфере в 1920-е годы. Вторая ошибка — думать, что все азотфиксирующие бактерии живут только в клубеньках бобовых. Есть и свободноживущие азотфиксаторы (Azotobacter, цианобактерии), которые фиксируют азот в почве и воде без симбиоза с растениями. Третья ошибка — путать эвтрофикацию с загрязнением токсинами. Эвтрофикация — избыток биогенов (азот, фосфор); её следствие — гипоксия и гибель аэробных организмов; это отличается от прямого отравления. Четвёртая ошибка — считать, что парниковый эффект — это исключительно вред. Естественный парниковый эффект необходим для жизни: без него средняя температура Земли составила бы около минус 18 градусов. Проблема — не сам эффект, а его антропогенное усиление.