дискретность, централизованность, ритмичность, устойчивость и

саморегуляцию, горизонтальную зональность и высотную поясность,

круговороты вещества и высокое биоразнообразие.

Целостность выражается в взаимосвязи слагающих биосферу компонентов

за счет круговоротов вещества и энергии; дискретность в том, что биосфера

это качественно новое образование, обладающее своими особенностями, и

развивающееся как единое целое. Центральным звеном биосферы является

живое вещество (экоцентризм), а не человек (антропоцентризм). Биосфера

способна гасить, по принципу Ле-Шателье, возникающие возмущения

(вулканическую активность, землетрясения, изменение климата, смену

растительных зон). В биосфере существуют ритмы различной

продолжительности (суточные, сезонные, годовые, многолетние – 11, 22, 90-

летние). Биосфера открытая система, она существует за счет притока энергии

от Солнца. Горизонтальная зональность проявляется в смене географических

поясов от экватора к полюсам, - она объясняется уменьшением количества

солнечного тепла благодаря шарообразной форме планеты и неодинаковому

углу падения солнечных лучей (на экваторе под прямым углом, у полюсов –

по касательной). Природные зоны выделяют по господствующему типу

растительности, которая распределяется внутри поясов в зависимости от

соотношения тепла и влажности. Высотная поясность обусловлена

изменением климата с высотой (на каждые 100 м температура падает на 0, 60

и увеличивается количества осадков до высоты 2-3 км). Биоразнообразие на

Земле характеризуется более чем 2 миллионами видов (каждый из которых

имеет общую продолжительность около 10-30 млн лет).

Биосфера включает следующие типы вещества:

1. Живое вещество – образовано совокупностью живых организмов;

2. Биогенное вещество – создается и перерабатывается в процессе

жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь,

нефть, сланцы, известняки и т.д.);

3. Косное вещество – объекты, образующиеся в результате процессов не

связанных с деятельностью живых организмов (продукты

тектонической деятельности – магматические и метаморфические

породы, метеориты, некоторые осадочные породы);

4. Биокосное вещество – тела представляющие собой результат

совместной деятельности живых организмов и абиогенных процессов

(почва, кора выветривания).__ 5. Радиоактивное вещество – атомы радиоактивных элементов,

например уран, торий, радий, радон, углерод 14С, и др.

6. Атомы веществ рассеянных в природе – отдельные атомы

элементов, встречающиеся в природе в рассеянном состоянии:

молибден, кобальт, цинк, медь, золото и др.

7. Вещество космического происхождения – вещество, поступающее на

Землю из космоса (метеориты, космическая пыль).

Живое вещество планеты обладает уникальными свойствами. Нет ни

одного элемента из таблицы Менделеева, который бы отсутствовал в живых

системах. Эволюция видов в природе идет в направлении, усиливающем

биогенную миграцию химических элементов. Живые организмы все шире

распространяются по планете, стимулируя перераспределение энергии и

вещества.

Все разнообразие живых организмов сегодня заключено в термин

«биоразнообразие». Чаще понятие «биоразнообразие» в науке и

естественнонаучном образовании используют при характеристике множества

видов животных, растений, грибов и микроорганизмов, сосуществующих

ныне на Земле и населяющих все среды жизни: водную, наземно-воздушную,

почвенную и организменную. Согласно представлениям зарубежных и

российских ученых-биологов биоразнообразие живых существ – это

результат очень длительного процесса эволюции. Ключом к его пониманию

служат данные палеонтологической летописи. Они свидетельствуют о том,

что в течение всей истории Земли на ней появлялись, переживали время

своего расцвета и вымирали многие виды живых существ.

Как возникло биоразнообразие? Этот вопрос возникает из проблемы

происхождения жизни на Земле. В.И. Вернадский был сторонником

гипотезы стационарного состояния, которая заключалась в положении о

том, что жизнь существовала всегда и будет существовать вечно. Кроме этой

гипотезы на сегодняшний день существуют следующие:

1. Креационизм – жизнь создана богом;

2. Панспермия – жизнь на нашу планету занесена из космоса, например,

на метеоритах;

3. Самозарождение – новые виды возникают благодаря перерождению

старых, в том числе и из неживой материи – единственная гипотеза

опровергнутая начиная с опытов Ф. Реди и заканчивая разработками Л.

Пастера;

4. Абиогенный синтез – возможность зарождения живого из неживого в

бескислородной атмосфере Земли, с последующей биохимической

эволюцией. В 1953 г С. Миллер (США) в лаборатории получил

аминокислоты при нагревании морской воды в запаянной колбе.

Причем в процессе кипячения пары воды пропускались в стеклянную

трубку, сначала подвергавшуюся воздействию электрических разрядов,

имитирующих молнии, а затем охлаждавшейся, за счет

вмонтированного холодильника. Сегодня опыт Стенли Миллера

можно повторить, что доказывает возможность подобного процесса.

Однако как далее из отдельных аминокислот появилась клетка и пусть

самые примитивные, но организмы? На этот вопрос пытались дать

ответ ученые разных стран на протяжении всего ХХ века:

В 1924 году А. И. Опарин предположил возможность образования в

первичном океаническом бульоне - коацерватов – белково-липидных

капель; Э. Геккель (1909) говорил о «голобиозе» - первичном

единовременном возникновении клеток; А. Минчин (1915) предполагал

первичность хроматина в теории «генобиоза»; П. Деккер (1970) ввел

термин «биоид», под которым понимал структуру способную к эволюции,

подверженную мутациям и приобретающую все новые биты информации;

М. Эйген (80-е годы ХХ века) считал возможным существование

«спаренных циклов» или «гиперциклов» - комплекса нуклеиновых кислот

и белка, который позже В.А. Ратнером (1986) был назван молекулярно-

генетической системой управления (МГСУ). А. Воронкову, 1997):

А/. Способность быстро занимать все свободное пространство («всюдность

жизни»);

Б/. Движение не только пассивное, но и активное (например, против ветра,

против силы тяжести);

В/. Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти

(образовавшаяся органика и неорганическое вещество включаются в

круговороты);

Г/. Адаптации (высокая приспособляемость к среде обитания за счет

морфологических, физиологических и этологических изменений,

выработавшихся у организмов в процессе эволюции). Адаптации могут

осуществляться активным путем – за счет усиления сопротивляемости и

развития регуляторных процессов, позволяющих осуществлять все

жизненные функции, несмотря на отклонение фактора от оптимума;

пассивным путем, через подчинение жизненных функций организма

изменению факторов среды, например впадение в анабиоз; и через избегание

неблагоприятных воздействий, например, используя сезонные миграции.

Д/. Высокая скорость протекания реакций;

Е/. Высокая скорость обновления живого вещества (составляет в среднем для

всей биосферы 8 лет).

Функции живого вещества по А.В. Лапо (1987):

1. Энергетическая (состоит в том, что благодаря фотосинтезу возможно

создание органического вещества и последующая передачи энергии в

виде органического вещества по пищевым сетям в экосистеме);

2. Деструктивная (состоит в разложении и минерализации мертвого

органического вещества редуцентами-деструкторами; в химическом

разложении горных пород и минералов, и в последующем вовлечении

образовавшихся элементов в биотический круговорот);

3. Концентрационная (заключается в избирательном накоплении при

жизнедеятельности организмов атомов веществ рассеянных в природе.

Активной способностью концентрировать элементы из разбавленных

растворов отличаются микроорганизмы);

4. Средообразующая (основана, на создании одними организмами среды

обитания для других, заключается в трансформации физико-

химических параметров среды в условия благоприятные для жизни).

Выделяют также:

5. Газовую функцию (способность изменять и поддерживать

определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом);

6. Окислительно-восстановительную (состоит в окислении и

восстановлении различных веществ с помощью живых организмов,

например, образуется сероводород, лимониты, минеральная сера и

т.д.);

7. Транспортную – перенос вещества и энергии в результате активной

формы движения организмов; __ 8. Рассеивающую – рассеивание вещества в окружающей среде, -

проявляется через трофическую и транспортную функции организмов;

9. Информационную – накопление живыми организмами информации,

закодированной в наследственных структурах: ДНК и РНК, и передача

последующим поколениям.

10. Биогеохимическую деятельность человека – превращение, добыча и

перемещение вещества на расстояния от мест их производства или

добычи.

Антропогенные воздействия привели к частичной деградации многих

наземных экосистем, особенно в умеренных широтах Северного

полушария.

Деградация ландшафта – это результат необратимых изменений,

полностью разрушающих его структуру, причем выражается это в потере

ландшафтом способности выполнять ресурсо- и средовоспроизводящие

функции. В современных условиях деградация ландшафтов чаще происходит

в результате неконтролируемой деятельности человека. Деградация

ландшафта включает деградацию биоты, и деградацию биотопа. Так,

деградация и уничтожение влажных тропических лесов влечет многие

неблагоприятные последствия: снижение биологической продуктивности в

целом, уменьшение генофонда растений и животных, нарушения глобальных

биогеохимических циклов. Деградация в высоких широтах, например на

Кольском полуострове происходит в результате сильного загрязнения

окружающей среды соединениями серы и тяжелыми металлами от крупных

промышленных центров (ПО «Апатит» и «Североникель»). Особенности

антропогенного загрязнения окружающей среды лучше всего видны в

крупных промышленных регионах. Рассмотрим их ниже на примере Урала.

Кислотные дожди – это любые осадки – дожди, туманы, снег, - кислотность

которых выше нормальной. К ним также относят выпадение из атмосферы

сухих кислых частиц, называемых также кислотными отложениями. На

обширных территориях Европы и США выпадают осадки, кислотность

которых превышает нормальную в 10-1000 раз. Кислотные свойства (кислый

вкус и разъедание металлов) обусловлены присутствием чрезвычайно

активных ионов Н+, т.е. атомов водорода без электронной оболочки.

Кислотой считается любое химическое вещество, высвобождающее при

растворении в воде ионы водорода. Чем больше концентрация водородных

ионов в растворе, тем выше его кислотность. Реальная кислотность ионов

водорода выражается в единицах водородного показателя, или рН. Шкала рН

строится от 0 (крайне высокая кислотность), через точку 7 (нейтральная

среда), до 14 (крайне высокая основность). В точке рН=7 концентрация ионов

водорода составляет 10-7(0, 0000001) г/л. Значение рН измеряют с помощью

рН-метра или индикаторной бумаги. Бумага содержит пигменты, легко

отдающие или присоединяющие ионы водрода в зависимости от рН среды и

меняющие при этом цвет. Полоску индикаторной бумаги опускают в раствор

и сверяют ее цвет с прилагаемым эталоном. У нормального дождя рН=5, 6, __ слабую кислоту. Кислотными называют осадки с рН 5, 5 и ниже. Химический

анализ кислотных осадков показывает присутствие серной (Н2SO4) и азотной

(HNO3) кислот. Обычно кислотность на две трети обусловлена первой из них

и на одну треть – второй. Известно, диоксид серы и оксиды азота образуются

при сжигании топлива. При соединении с парами воды эти соединения

образуют кислоты:

SO2+H2O=H2SO4,

NO2+H2O=HNO3.

Вымывая из атмосферы эти кислоты, осадки становятся кислотными.

Сильные дожди обычно менее кислотные, так как воды в них больше.

Сегодня кислотные осадки связаны прежде всего с работой угольных

электростанций, транспорта и промышленных предприятий. Влияние

кислотных осадков на экосистемы было отмечено только около 50 лет тому

назад. Впервые это было сделано для озер Швеции и Канады (провинция

Онтарио), где рыбаки заметили резкое сокращение популяций рыбы.

Шведские ученые первыми отметили, что все дело в повышении кислотности

воды, и связали ее с ненормально низкими значениями рН осадков. Значение

рН среды чрезвычайно важно, так как от него зависит деятельность

ферментов, гормонов, и ряда других соединений, регулирующих метаболизм,

рост и развитие организма. На крупные виды небольшие изменения значения

рН среды могут не оказывать сильного виляния, т.к. кожа оказывает

барьерную функцию и имеется метаболизм, поддерживающий внутренний

рН на должном уровне. Однако, икра и молодь водных обитателей защищены

недостаточно. При изменении рН всего лишь на одну единицу они погибают.

Обычно рН пресных водоемов составляет 6-7 единиц. В период таяния

снегов кислотность в водоемах резко увеличивается, поскольку

накопившиеся за зиму кислотные осадки устремляются в реки. Кислотные

осадки могут просачиваться сквозь почву и выщелачивать алюминий и

тяжелые металлы. Обычно присутствие этих элементов в почве не создает

проблем, так как они связаны в нерастворимые соединения и, следовательно

не поглощаются организмами. Однако при низких значениях рН их

соединения растворяются, становятся доступными и оказывают сильное

токсичное воздействие как на растения, так и на животных. Например,

алюминий, попадая в озера вызывает аномалии развития и гибель эмбрионов

рыб, далее гибнут личинки насекомых, исчезают птицы ими питающиеся и,

даже пропадают береговые млекопитающие животные, добывающие корм из

воды. Кислотные осадки являются причиной гибели растительных

сообществ. Кислоты попадая на лист, вызывают нарушения воскового налета

и последующее повреждение эпидермиса, что способствует более быстрому

повреждению листвы вредителями, грибами и патогенами. Через

поврежденные листья испаряется больше влаги в период засух. При

подкислении среды могут мобилизоваться кроме алюминия ртуть и свинец,

которые действуя как синергисты, еще быстрее вызывают гибель деревьев.

Ученые считают. Что можно сократить количество кислых осадков. Если это__будет сделано хотя бы на 50%, то можно будет остановить дальнейшее

подкисление окружающей среды. Что можно сделать? Ответ: заменить

топливо на низкосернистый уголь; перевести электростанции с угля на

другие виды топлива; ставить скрубберы – жидкие фильтры; заниматься

энергосбережением.

Озоновые дыры – это истончение слоя озона и его неспособность

задерживать ультрафиолетовое излучение. Ультрафиолетовые лучи проникая

через атмосферу поглощаются тканями живых организмов, - при этом могут

разрушаться молекулы белка и ДНК. Если бы все ультрафиолетовое

излучение достигало поверхности земли, то вряд ли бы на ней до сих пор

существовала жизнь. Большая часть ультрафиолетового излучения (до 99%)

поглощается слоем озона в стратосфере на высоте около 25 км от

поверхности земли. Этот слой и называют озоновым экраном. По свое сути

экран это тонкая пленка до 4 см толщиной опоясывающая землю. К

сожалению, некоторые антропогенные загрязнения разрушают озон (О3).

Озон есть и в нижних и в верхних слоях атмосферы. Но слои не

перемешиваются, и поэтому озон – как загрязнитель в нижних слоях

атмосферы, и как существенный компонент стратосферы – совершенно

разные вещи. Озон в стратосфере – продукт воздействия ультрафиолета (УФ)

на молекулы кислорода (О2). Некоторые молекулы могут распадаться на

свободные атомы, а те в свою очередь могут присоединяться к другим

молекулам кислорода с образованием озона. Однако весь кислород не

превращается в озон, так как свободные атомы О, реагируя с молекулами

озона, дают две молекулы О2. Таким, образом, количество озона в

стратосфере представляет собой результат равновесия между этими двумя

реакциями. Однако, ученые выяснили, что свободные атомы хлора

катализируют процесс разложения озона. Большая часть хлора,

используемого на земле, например для очистки воды, представлена

водорастворимыми соединениями. Следовательно они могут вымываться из

атмосферы осадками. ХФУ, в которых некоторые атомы водорода замещены

хлором и фтором летучи и нерастворимы в воде. Они могут достичь

стратосферы. Там они разлагаются, высвобождая атомарный хлор, который

разрушает озон. Таким образом, ХФУ наносят ущерб, выступая в роли

переносчиков атомов хлора в стратосферу. ХФУ используются в

аэрозольных баллончиках; в холодильниках, кондиционерах, тепловых

насосах как хладоагенты. Их применяют при производстве пластмасс и в

электронной промышленности для очистки компьютерных микросхем. ХФУ

попадают в атмосферу. Первые «дыры» были обнаружены в озоновом экране

над Южным полюсом. На огромной территории содержание озона

сократилось на 50%. Частицы облаков, формирующиеся при очень низких

температурах зимой, стимулировали высвобождение атомов хлора из ХФУ.

Весной экран начал разрушаться активным хлором. В 1989 г подобные

процессы были зафиксированы в Арктике. Было также установлено, что

«дыры» могут смещаться. В 1985 году в Вене была подписана Конвенция о

защите озонового слоя, которая к 1992 году ратифицирована 82__государствами. В 1986 г в рамках Программы по окружающей среде, в

Монреале удалось подписать соглашение о сокращении производства ХФУ

на 50%. В дальнейшем планируется найти замену ХФУ, и полностью

отказаться от их производства.

Парниковый эффект – резкое потепление климата, вызванное увеличением

содержания в атмосфере углекислого газа. Световая энергия проникает

сквозь атмосферу, поглощается поверхностью земли, преобразуется в ее

тепловую энергию и выделяется в виде инфракрасного излучения. Однако

углекислый газ в отличие от других природных компонентов атмосферы его

поглощает. При этом он нагревается и в свою очередь нагревает атмосферу в

целом. Значит, чем больше в ней углекислого газа, тем больше

инфракрасных лучей будет поглощено, тем теплее она станет. Температура и

климат, к которому мы привыкли, обеспечивается концентрацией

углекислого газа в атмосфере на уровне 0, 03%. Теперь мы увеличиваем эту

концентрацию, и намечается тенденция к потеплению климата. Климат

менялся и раньше. Но тогда изменения были постепенными. Сейчас же

потепление происходит очень быстро, что приведет неминуемо к

повышению уровня моряна 1, 5 м, к подтаиванию горных ледников и вечной

мерзлоты, и освобождению при этом метана, к сокращению биоразнообразия

в следствии сокращения суши и возможно к переселению народов.

Изменится картина циркуляции атмосферы. В каких то районах количество

осадков увеличится, а где-то еще более сократится. Источниками

углекислого газа является сжигаемое топливо. Каждый год сжигается около 2

млрд. т. ископаемого топлива, значит в атмосферу попадает почти 5, 5 млрд.

т. углекислого газа. Еще 1, 7 млрд. т. попадает туда же за счет вырубки

тропических лесов и окисления гумуса. Усугубляют проблему другие газы,

выбрасываемые человеком: метан, хлорфторуглероды (ХФУ), оксиды азота,

поглощающие инфракрасное излучение в 50-100 раз сильнее, чем

углекислый газ. Следовательно, хотя их содержание в воздухе значительно

ниже они влияют на температурный режим планеты почти также. Если

допустить существующие тенденции, то к 2050 г концентрация углекислого

газа в атмосфере удвоится, что повлечет за собой потепление на 4-50С. Что

же можно сделать, чтобы предотвратить парниковый эффект? Следует:

увеличить к.п.д. использования горючего на транспорте; разработать и

внедрить бестопливные источники энергии; прекратить вырубать леса,

особенно тропические; садить деревья и поддерживать биоразнообразие на

планете (приведено по Б. Небелу, 1993).

Урал – старейший горнорудный район России. Развитие рудной базы,

горнодобывающей и металлургической промышленности имеет почти 300-

летнюю историю. Современное состояние региона напрямую связано с

развитием промышленности и урбанизацией территории. На Урале

горнорудная база имеет свою специфику, которая определяется

особенностями минерального сырья, включающего также токсичные для

биологических систем и человека элементы: медь, цинк, никель, ртуть,

мышьяк и др. При многокомпонентности исходного сырья из-залишь одного или нескольких составляющих. Остальные элементы, часто

наиболее токсичные для природной среды и человека, переходят на хранения

в отвалы и так называемые хвостохранилища. Причем, в случае каких либо

природных катаклизмов, например, паводковых наводнений, отстойники

токсичных веществ способны вызвать настоящую экологическую

катастрофу.

Острая экологическая ситуация складывается и в водных экосистемах

Урала. При таянии снега поверхностные воды выносят в основные водные

артерии области большое количество токсических веществ, накопленных

снегом за зимний период. Другой источник загрязнения поверхностных вод –

регулируемые промышленные и бытовые сбросы. Пик токсической нагрузки

в водных экосистемах отмечается в период летнего цветения водоемов. Это

связано с широким использованием в сельском хозяйстве азотных

удобрений, которые частично выносятся водами в водные системы, создавая

условия для развития фитопланктона (если водоем питьевой, то качеству

воды грозит серьезная опасность). Основные токсичные вещества,

поступающие в водоемы, образуют два класса. Тяжелые металлы, к которым

относятся химические элементы, имеющие высокий атомный вес (все они

ядовиты, поскольку, поступая в организмы и взаимодействуя с молекулами

ферментов, снижают их активность, что может привести к тяжелым

заболеваниям). И, органические вещества синтетического происхождения

(поступают в результате производства пластмасс, синтетического волокна,

лакокрасочных покрытий, растворителей, пестицидов и т.п.). Многие из

синтетических веществ близки по своему строению природным соединениям,

поэтому легко поступая в живые организмы, они нарушают их нормальное

функционирования, приводя к канцерогенному, тератогенному или

мутагенному эффекту. Так, например, в загрязнении реки Исеть принимают

участие два крупнейших города Свердловской области – Екатеринбург и

Каменск-Уральский. Только очистные сооружения Екатеринбурга в 1995

году сбрасывали в реку 2090 т органических веществ, 5070 т взвешенных

веществ, 150 т нефтепродуктов, 720 т азота и почти 100 т железа.

И в то же время, чтобы избежать еще большего поступления токсичных

веществ в водоемы прибегают к основным приемам очистки и

обезвреживания сточных вод:

1. охлаждение горячих стоков на градирнях, в бассейнах;

2. осаждение взвешенных веществ в специальных ловушках;

3. нейтрализация кислых стоков известью или таким природным

материалом, как доломит;

4. биологическая очистка стоков, содержащих органические

загрязняющие вещества животного и растительного происхождения; __

5. применение специальных физико-химических методов нейтрализации

промышленных стоков;

6. использование в промышленности замкнутых циклов водоснабжения,

когда вода многократно участвует в технологическом процессе.

Радиоактивное загрязнение среды складывается из двух источников:

естественных и искусственных. Радиоактивные вещества вошли в состав

Земли с самого начала ее возникновения. Во всякой биологической ткани

присутствует незначительное количество радиоактивных источников: калий-

40, радий, торий. Наиболее весомым из всех источников естественной

радиации можно считать газ радон – продукт распада радия-226. Облучению

от естественных источников радиации подвергается каждый житель планеты.

Одни, живущие в горных областях, где есть выходы на дневную поверхность

магматических горных пород, получают большие дозы радиации, другие –

жители равнин – меньшие. К радиационному воздействию относятся

космические лучи, это внешняя радиация; с другой стороны естественные

радиоактивные вещества могут находиться в воздухе, воде или пище.