Биосфера Вопросы для рассмотрения n n n

Биосфера.

Вопросы для рассмотрения n n n n Определение, границы и особенности биосферы Роль живого вещества в биосфере Свойства биосферы Гомеостаз и эволюция биосферы Биогеохимические циклы Место человека в биосфере Коэволюция человека и биосферы

Биосфера – оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой обусловлены прошлой и современной деятельностью живых организмов В. И. Вернадский

Особенности биосферы n n Наличие живого вещества Содержание значительного количества воды Наличие мощного потока солнечной энергии Наличие поверхностей раздела между веществами, находящимися в трех фазах – твердой, жидкой и газообразной

Функции живого вещества в биосфере 1. Энергетическая Осуществляется преимущественно зелеными растениями, которые аккумулируют энергию солнца и преобразовывают ее в энергию химических связей разнообразных органических соединений. Ежегодно растения аккумулируют до 1019 ккал энергии.

Функции живого вещества в биосфере l Деструктивная. Разрушение неживого вещества – как мертвой органики , так и неживых объектов природы – до простых неорганических соединений, которые включаются в круговорот веществ

Деструктивная функция Разложение неорганического вещества последовательно осуществляется механическим и химическим способами

n Механическое разрушение: карбонатов - сверлящими водорослями, коралловых рифов - рыбами, иглокожими и т. д.

Химическое разложение минералов. Его интенсивность зависит как от вида организмов, так и от состава минералов. n В раствор легче всего переходят щелочные и щелочноземельные элементы. Труднее – железо, кремний и алюминий. n

n На горные породы сильно воздействуют «пионеры» жизни на скалах: цианобактерии, грибы, лишайники, некоторые высшие растения (ель, например)

Функции живого вещества в биосфере 3. Средообразующая. Состоит в преобразовании организмами физикохимических параметров среды.

Функции живого вещества в биосфере 4. Концентрационная. Избирательное накопление организмами в процессе жизнедеятельности атомов веществ, рассеянных в природе. Биофильность элементов – отношение их среднего содержания в живом веществе к кларку данного элемента в литосфере.

Функции живого вещества в биосфере 5. Транспортная. Перемещение вещества живыми организмами против сил земного притяжения и горизонтальный перенос по планете

Свойства биосферы 1. Целостность достигается круговоротом вещества и потоком энергии. Биосфера - система с прямыми и обратными связями, которые, в конечном счете, обеспечивают механизмы ее функционирования и устойчивости. Изменение одного компонента неизбежно приводит к изменению других и биосферы в целом.

Свойства биосферы 2. Централизованность. Центральным звеном биосферы выступают живые организмы (живое вещество). Это свойство часто недооценивается человеком и в центр биосферы ставится только один вид – человек (идеи антропоцентризма).

Свойства биосферы 3. Устойчивость и саморегуляция. Биосфера способна возвращаться в исходное состояние, гасить возникающие возмущения, создаваемые внешними и внутренними воздействиями. Гомеостатические механизмы биосферы связаны в основном с живым веществом, его свойствами и функциями. Гомеостатические механизмы биосферы подчинены принципу Ле Шателье-Брауна.

Принцип Ле-Шателье Брауна При внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в том направлении, при котором эффект этого воздействия ослабляется.

Свойства биосферы 4. Ритмичность. Биосфера проявляет ритмичность развития — повторяемость во времени тех или иных явлений. В природе существуют ритмы разной продолжительности. Основные из них — суточный, годовой, внутривековые и сверхвековые

Свойства биосферы 5. Энергозависимость и круговорот веществ. Биосфера — открытая система. Ее существование невозможно без поступления извне энергии Солнца. В отличие от количества солнечной энергии, количество атомов вещества на Земле ограничено, но круговорот веществ обеспечивает неисчерпаемость отдельных атомов химических элементов. При отсутствии круговорота за короткое время были бы исчерпаны основные «строительные» материалы живых организмов (углерод, азот, кислород и т. д. )

Свойства биосферы 6. Горизонтальная зональность - закономерное изменение природной среды по направлению от экватора к полюсам. Зональность обусловлена неодинаковым количеством поступающего на разные широты тепла, что обеспечивает зональность состава растительности и животного мира

Свойства биосферы Высотная поясность — закономерная смена природной среды с подъемом в горы от их подножия до вершин. Она обусловлена изменением климата с высотой

Свойства биосферы 7. n n Большое разнообразие. Это свойство обусловлено следующими причинами: разными средами жизни (водной, наземновоздушной, почвенной, организменной); разнообразием природных зон, различающихся по климатическим, гидрологическим, почвенным, биотическим и другим свойствам; наличием регионов, различающихся по химическому составу (геохимические провинции); биологическим разнообразием живых организмов. Разнообразие – основное условие устойчивости любой экосистемы и биосферы в целом

Эволюция биосферы

Эволюция биосферы : основные тенденции v v Постепенное увеличение общей биомассы и продуктивности биосферы, т. е. прогрессивное накопление аккумулированной солнечной энергии в поверхностных оболочках Земли. Увеличение информационной емкости биосферы, проявляющейся в нарастающей диверсификации (росте разнообразия) органических форм.

v Усиление преобразующего воздействия жизни на атмосферу, гидро- и литосферу, а также увеличение роли живого вещества и продуктов его жизнедеятельности в геологических, геохимических и физико-географических процессах

v v Усложнение структуры биотического круговорота Трансформирующее воздействие человеческой деятельности на биосферу.

Биогеохимические циклы

Путь химических элементов в биосфере 1. 2. 3. 4. Включение минеральных веществ в состав живых клеток Преобразования элементов в процессе жизнедеятельности Высвобождение из отмерших организмов в процессе деструкции Включение вновь в биологические циклы в виде минеральных веществ

Цикл углерода

Круговорот воды

Скорость круговорота некоторых элементов

Цикл азота в биосфере Cодержание азота в атмосфере – 79%. В свободном виде он недоступен для большинства организмов. Связывание (фиксация) азота в доступные для растений формы в основном осуществляется микроорганизмами

Биологическая азотфиксация n Усвоение молекулярного азота воздуха азотфиксирующими бактериями с образованием соединений азота, доступных для дальнейшего использования

Цикл азота в биосфере

Цикл азота в биосфере Нитрификация – это цепь реакций, с помощью которых микроорганизмы (род Nitrosomonas, Nitrosococcus и др. ) окисляют аммиак до нитрита (NO 2), а нитрит (Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospina) – до нитрата (NO 3)

Цикл азота в биосфере Денитрификация – микробиологический процесс восстановления нитратов и нитритов до газообразных азотистых продуктов (N 2, N 2 O – закись азота, NO – окись). Денитрификаторы – анаэробные бактерии родов Pseudomonas, Bacillus, Paracoccus и др.

Цикл азота в биосфере

Цикл серы в биосфере Сера – химически активный элемент, что способствует ее активному переносу внутри сфер и между сферами Земли. n В атмосфере цикл самых долгоживущих соединений серы не превышает 3 -х лет; в литосфере – много миллионов лет n

Цикл серы в биосфере (влияние деятельности человека) n n Ежегодно с топливом и минеральным сырьем из литосферы извлекается и перераспределяется между средами более 170 млн т, из них в атмосферу выбрасывается около 130 млн т. В атмосферу сера поступает в виде SO 2, которая при окислении в атмосфере превращается в серную кислоту – причину кислотных дождей

«Биогеохимическая функция человека является новой геологической силой, которая никогда еще не существовала на нашей планете в таком размере» В. И. Вернадский

Биогеохимические функции человека в биосфере обусловлены видами его деятельности Газовые Антропогенное поступление окиси углерода превышает природное в 3, 6 раза, двуокиси – в 73 раза n Водные n Пылевые Особенно много пыли поступает в атмосферу при сжигании топлива и мусора, производстве цемента, при лесопереработке, работе предприятий горнодобывающей и тяжелой промышленности n

Биогеохимические функции человека в биосфере n n Нефтяные Тяжелометаллические Хлоруглеводородные Легколетучие органические Результат этой деятельности – поступление в среду ксенобиотиков (веществ, обладающих токсическим действием на живые организмы)

Концентрации глобальных парниковых газов n Диоксид углерода, метан, закись азота и хлорфторуглеводороды уменьшают рассеивание тепла от Земли в космическое пространство, и в результате температура на Земле увеличивается. Концентрация этих газов в атмосфере – за исключением ХФУ, которые были впервые синтезированы в середине 80 -х гг. ХХ века – росла примерно с 1800 г. (CDIAC; UNEP. )

Рост мировой температуры n Среднемировая температура за последнее столетие выросла на 0. 6○ С. Пунктир отображает среднегодовые значения, сплошная линия усредненные за пятилетние периоды. (CDIAC

Человек и биосфера

“Римский клуб” организован в 1968 г. Аурелио Печчеи «Будущее больше не кажется таким, каким оно могло бы быть, если бы люди научились эффективно использовать свой разум и открывающиеся возможности. Но будущее всё ещё может стать таким, как мы хотим, если только наши пожелания будут разумны и реалистичны» . Аурелио Печчеи, 1981

Доклады «Римскому клубу» (Затруднения человечества) 1. 1972 – «Пределы роста» . Подготовлен группой ученых из Массачусетского технологического института во главе с Деннисом и Донеллой Медоузами. Глобальные модели построены по методике системного анализа, разработанной Джеем Форрестером (1968, 1971)

Три основных причины выхода за пределы: 1. рост (причём порой ускоряющийся) и слишком быстрые изменения. 2. всегда существует некий предел или ограничение, за которыми деятельность системы перестаёт быть безопасной. 3. часто между событием и откликом на него бывает запаздывание, вдобавок не всегда этот отклик интерпретируется правильно, так, чтобы вернуть систему в допустимые пределы.

Сценарий 1 модели World 3 Сценарий 1: «отправная точка» n Мировое общество идет привычным путем без каких-либо существенных политических изменений в политике, характерной для конца XX в. Численность населения и производство растут до тех пор, пока этому не кладет конец увеличивающаяся нехватка невозобновимых ресурсов. Для поддержания потоков ресурсов требуется все больше и больше финансовых вложений. В конце концов нехватка инвестиций в других секторах экономики приводит к уменьшению производства промышленных товаров и услуг. Вследствие этого приходят в упадок производство продовольствия и здравоохранение, что снижает ожидаемую продолжительность жизни и увеличивает коэффициент смертности.

«Точки согласия» человечества (Meadows, 1982) 1. Технологический прогресс желателен и жизненно важен, но необходимо, чтобы при этом происходили также социальные, экономические и политические изменения

«Точки согласия» человечества (Meadows, 1982) 2. Народонаселение и ресурсы не могут расти беспрестанно на конечной планете. «… Если бы каждый житель планеты пользовался такими же экологическими благами, как в Северной Америке, то нам пришлось бы иметь для этого три планеты вместо одной… Чтобы приспособиться к грядущему росту численности населения и экономического производства в ближайшие четыре десятилетия, потребовалось бы от 6 до 12 дополнительных планет» Mathis Wackernagel and William Rees, 1996

«Точки согласия» человечества (Meadows, 1982) 3. Мы не имеем надежной и полной информации относительно того, до какой степени физическая среда Земли и система жизнеобеспечения могут удовлетворить нужды и потребности будущего роста населения, однако резкое снижение скорости роста сильно уменьшит вероятность превышения допустимого уровня или больших катастроф (экобедствий).

«Точки согласия» человечества (Meadows, 1982) 4. Продолжение практики «обычного бизнеса» не приведет к желаемому будущему: результатом этого будет скорее углубление нежелательных противоречий (например, между богатством и бедностью).

«Точки согласия» человечества (Meadows, 1982) 5. Долговременное сотрудничество было бы выгоднее для всех партий, чем политика сиюминутной конкуренции.

«Точки согласия» человечества (Meadows, 1982) 6. Поскольку народы, страны и окружающая среда находятся в более тесной зависимости друг от друга, чем это обычно представляют, все решения должны приниматься в контексте холистического подхода. Действия, направленные на достижение узко ограниченных целей, скорее всего контрпродуктивны.

«Точки согласия» человечества (Meadows, 1982) 7. Природа будущего глобального устройства не предопределена. Многое зависит от того, как скоро изменятся существующие нежелательные тенденции. Действия, предпринятые быстро (за ближайшие два десятилетия), окажутся, повидимому, более эффективными и менее дорогостоящими, чем те же действия, предпринятые с запозданием. Это требует сильного руководства и более широкой макрообразованности, поскольку к тому времени, когда проблема станет очевидной каждому, предпринимать какие бы то ни было действия будет уже слишком поздно.

Сценарий 8 – осознанное ограничение роста n Сценарий 8: мир с 2002 г. стремится к стабильной численности населения и стабильному объему производства на душу населения Если в моделируемом обществе семья ориентирована на двух детей и довольствуется фиксированным производством промышленной продукции на душу населения, то «золотой период» относительно высокого благосостояния человека удается продлить до 2100 г. Однако загрязнение все сильнее сказывается на сельскохозяйственных ресурсах. Производство продовольствия на душу населения уменьшается, приводя в какой-то момент к снижению ожидаемой продолжительности жизни и уменьшению численности населения.

Потенциальная ёмкость биосферы и нагрузка на окружающую среду График показывает долю поверхности планеты, необходимую для обеспечения человечества ресурсами и для разложения загрязнений. Начиная с 80 -х гг. , потребности человека превышают возможности планеты, и выход за пределы в 1999 г. составляет порядка 20 %.

Устойчивое развитие – это такая модель социальноэкономического развития, при которой достигается удовлетворение жизненных потребностей нынешнего поколения людей без того, чтобы будущие поколения были лишены такой возможности из-за исчерпания природных ресурсов и деградации окружающей среды.

Повестка на XXI век, принятая на Конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992 г. ): n необходимость перехода мирового сообщества на рельсы устойчивого долговременного развития; n требование ко всем слоям общества во всех странах осознать безусловную необходимость такого перехода и всячески ему способствовать.

Повестка на XXI век, принятая на Конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992 г. ): n n неизбежность компромиссов и жертв со стороны развитых стран по отношению к малоразвитым на пути к более справедливому устройству мира и устойчивому развитию; невозможность движения развивающихся стран по пути, которым пришли к благополучию развитые страны;

Элементы стратегии выживания: ô Контроль демографических процессов ô Отказ от потребительского подхода ô Энергосбережение ô Ресурсосбережение ô Уменьшение загрязнения окружающей среды

ôКонтроль демографических процессов Численность людей в различные периоды истории: S Около 2 млн. лет назад – 125 тыс. S Около 300 тыс. лет назад – 1 млн. S Около 40 тыс. лет назад – 3, 34 млн.

Динамика населения мира n Разница между рождаемостью и смертностью определяет скорость, с которой растёт население. Примерно до 1965 г. средний коэффициент смертности снижался быстрее, чем коэффициент рождаемости, поэтому скорость роста численности населения увеличивалась. С 1965 г. средний коэффициент рождаемости снижался быстрее, чем коэффициент смертности, поэтому скорость роста численности населения уменьшалась – хотя сам рост продолжает оставаться экспоненциальным. (UN)

«Продовольственная безопасность» - объем производства продуктов питания, который избавит население планеты от голода. «Емкость выживания» - количество населения на планете, позволяющее обеспечить устойчивое развитие сообщества.

Коэффициент рождаемости и валовый национальный доход на душу населения в 2001 г. n С ростом уровня благосостояния в обществе коэффициент рождаемости постепенно снижается. В беднейших странах мира он составляет от 20 до 50 рождений на 1000 чел. в год. Ни в одной из богатых стран коэффициент рождаемости не превышает 20. PRB; World Bank. )

ôОтказ от потребительского подхода Все, что человек потребляет и что ему необходимо для жизни, требует затрат энергии и ресурсов. По мере роста народонаселения запасы ресурсов сокращаются, а энергия дорожает. Потребности человека безграничны, а ресурсы ограничены. Поэтому необходима смена приоритетов и отказ от потребительского подхода.

ôЭнергосбережение Выбор наименее энергоемких технологий производства Ê Использование нетрадиционных источников энергии Ê Усовершенствование двигателей Ê Отказ от транспортировки энергии на большие расстояния Ê Экономия в быту и т. д. Ê

ôРесурсосбережение Экономия ресурсов: снижение металлоемкости машин, увеличение глубины переработки нефти, многократное использование воды и т. д. Ê Комплексное использование природных ресурсов Ê Переработка вторичного сырья (рециклинг) Ê

ôУменьшение загрязнения окружающей среды Эффективная экологическая политика в сочетании с экономическими механизмами ( «зеленый налог» на грязные производства) Ê Ужесточение экологических нормативов Ê Мониторинг, в том числе и контроль трансграничных переносов Ê

Этапы Международного экологического сотрудничества: 1. Становление международного экологического сотрудничества (1913 -1948 гг. ). 2. Укрепление экологического сотрудничества в условиях нарастания угрозы экологической катастрофы (1948 -1968 гг. ). 3. Международное экологическое сотрудничество на современном этапе.

1. Становление международного экологического сотрудничества (1913 -1948 гг. ). 1913 г. – Международная конференция (Берн, Швейцария). Посвящена международной охране природы. Носила информационный и организационный характер и наметила пути развития природоохранительных идей. ô 1923 г. – первый Международный конгресс по охране природы (Париж). ô

1. Становление международного экологического сотрудничества (19131948 гг. ). ô 1928 г. – открыто Международное бюро защиты природы (Брюссель, Бельгия). Главное содержание первого этапа развития международного сотрудничества в области охраны природы – повышение внимания ученых и международной общественности к этой проблеме. Однако так и не удалось создать эффективный международный орган, который смог бы координировать и направлять природоохранную деятельность во всем мире.

2. Укрепление экологического сотрудничества в условиях нарастания угрозы экологической катастрофы (1948 -1968 гг. ). ô ô 1948 г. – по инициативе ООН на базе Брюссельского международного бюро охраны природы был создан Международный Совет защиты природы (МСЗП). С 1959 г. он стал называться Международным Союзом охраны природы и природных ресурсов (МСОП). С 1956 г. – в его работе принимает участие СССР, а позже – Россия. 1962 г. – 12 Генеральная конференция ЮНЕСКО приняла резолюцию «Экологическое развитие и охрана природных ресурсов, флоры и фауны» . 17 Сессия Генеральной Ассамблеи ООН принимает резолюцию «Экологическое развитие и охрана природы» .

3. Международное экологическое сотрудничество на современном этапе. ô 1970 г. – на 16 сессии Генеральной конференции ЮНЕСКО решено приступить к выполнению новой программы «Человек и биосфера» (MAB). Основные темы: влажные тропические леса, S засушливые земли, S биосферные заповедники, S городские экосистемы, S подготовка кадров. 1972 г. – Конференция ООН по окружающей среде S ô (Стокгольм, Швеция). Участвовали 113 стран, специализированных учреждений ООН, МАГАТЭ и других межправительственных организаций и неправительственных организаций. Отчет конференции – «Земля всего одна!» . Принята Декларация по

3. Международное экологическое сотрудничество на современном этапе. ô ô 1974 г. – Всемирная продовольственная конференция (Рим, Италия). Участники – 133 государств, национально-освободительных движений, международных правительственных и неправительственных организаций. 1975 г. – специальная сессия Генеральной Ассамблеи ООН, указавшая на необходимость рационального использования сырьевых ресурсов, поиска новых источников энергии и подчеркнувшая актуальность задачи предотвращения загрязнения окружающей

3. Международное экологическое сотрудничество на современном этапе. 1976 г. – конференция ООН по населенным пунктам (Ванкувер, Канада). Декларация: каждая страна должна рационально использовать свои природные ресурсы, избегая загрязнения биосферы. ô 1977 г. – конференция ООН по водным ресурсам (Мардель-Плата, Аргентина). Участники – 116 государств, представители ряда национальноосвободительных движений, органов ООН. ô

3. Международное экологическое сотрудничество на современном этапе. 1977 г. – Конференция по проблемам опустынивания (Найроби, Кения). Участники – 95 стран. ô 1982 г. – Всемирная хартия природы была одобрена Генеральной Ассамблеей ООН – кодекс поведения в обращении с природой. ô 1985 г. – принята при содействии ООН Конвенция по охране озонового слоя стратосферы, разрушающегося под воздействием хлорфторуглеродов. ô

ô ô 3. Международное экологическое сотрудничество на современном этапе. 1989 г. (Гаага) – Конференция на высшем уровне по защите мировой атмосферы по программе ООН. Принята декларация о создании под эгидой ООН специализированного органа по борьбе с глобальным потеплением атмосферы, а также Международного суда ООН, призванного бороться с нарушениями обязательств по экологии. 1989 г. (Найроби, Кения) – консультативная конференция по окружающей среде. Принято решение о создании космической лаборатории для контроля за состоянием окружающей среды.

3. Международное экологическое сотрудничество на современном этапе. 1989 г. (Москва, Россия) – Первая международная конференция по утилизации вторичного сырья и охране окружающей среды. ô 1990 г. (Москва, Россия) – «Глобальный форум по защите окружающей среды и развитию в целях выживания» . ô

3. Международное экологическое сотрудничество на современном этапе. ô 1992 г. (Рио-де-Жанейро) – конференция на высшем уровне по окружающей среде и развитию по инициативе ООН. Подтверждены и развиты положения Декларации Конференции ООН по среде обитания человека, принятой в Стокгольме. Принят ряд конвенций, в том числе конвенции о биоразнообразии и об изменении климата.

Ноосфера ( «ноос» - гр. разум, дух) – это новое эмоциональное состояние биосферы, при котором разумная деятельность человека становится решающим фактором ее развития. Для ноосферы характерно взаимодействие человека и природы: связь законов природы с законами мышления и социально-экономическими законами.

Условия, необходимые для становления и существования ноосферы (по В. И. Вернадскому): ¯ ¯ Заселение человеком всей планеты Резкое преобразование средств связи и обмена между странами Усиление связей, в том числе политических, между всеми странами Земли Начало преобладания геологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в биосфере

Условия, необходимые для становления и существования ноосферы (по В. И. Вернадскому): Расширение границ биосферы и выход в космос ¯ Открытие новых источников энергии ¯ Равенство людей всех рас и религий ¯ Увеличение роли народных масс в решении вопросов внешней и внутренней политики ¯

Условия, необходимые для становления и существования ноосферы (по В. И. Вернадскому): ¯ ¯ Свобода научной мысли и научного искания от давления религиозных, философских и политических построений и создание в государственном строе условий, благоприятных для свободной научной мысли Продуманная система народного образования и подъем благосостояния трудящихся. Создание реальной возможности не допустить недоедания и голода, нищеты и чрезвычайно ослабить болезни

Условия, необходимые для становления и существования ноосферы (по В. И. Вернадскому): ¯ Исключение войн из жизни общества ¯ Исключение загрязнения окружающей среды

Когда «наука о доме» (Экология) и наука о «ведении домашнего хозяйства» (Экономика) сольются, и когда предмет Этики расширит свои границы… тогда мы на самом деле сможем стать оптимистами относительно будущего человечества

Спасибо за внимание!

Доклады Римскому клубу (Затруднения человечества) 2. 1973. «Человечество на перепутье» Подготовили Михайло Мессарович (директор центра системных исследований при Университете Кейс Уэстерн Резерв) и Эдуард Пестель (профессор института механики из Ганновера) 3. 1977. «РИО – перестройка международного порядка» Подготовлен группой экспертов под руководством экономиста, лауреата Нобелевской премии Яна Тинбергена.

Доклады Римскому клубу (Затруднения человечества) 4. 1977. «Цели для глобального общества» Подготовлен профессором философии Эрвином Ласло. . . 9. 1980. «Нет пределов обучению: наведение мостов через разделяющую людей пропасть» (Botkin et al. ).