Круговороты в природе и переход энергии из одного состояния в другое - естественный процесс. Этот процесс идет со времен формирования географической оболочки в течение сотен миллионов лет и будет продолжаться. Время влияния человеческой деятельности на естественные круговороты весьма кратко, мгновение по сравнению со временем формирования и существования земных сфер. Но, несмотря на это, быстро усиливающееся влияние человека на современном этапе приобретает глобальные масштабы.

Сегодня хозяйственная деятельность человека оказывает влияние на круговорот горных пород, ускоряя денудационные процессы. Распашка полей, орошение, обводнение, осушение и другие пути разрушения почвенного покрова увеличивают речные наносы, вынос минеральных частиц с поверхности суши текучими водами и ветрами. В результате увеличивается интенсивность осадконакоп-ления в океанах и морях, в озерах и во впадинах земной поверхности. Кроме того, гражданское и промышленное строительство, строительство каналов, водохранилищ, ГЭС, дорог, разработка месторождений полезных ископаемых и другие работы постепенно изменяют рельеф местности.

Разработка топливно-энергетических ресурсов и их сжигание приводят к изменениям в природной среде и вносят свою лепту в денудацию рельефа.
Влияние человека на атмосферную циркуляцию вызывает изменения климата Земли. В современных условиях есть три пути изменения глобального климата в результате хозяйственной деятельности человека:

увеличение концентрации углекислого газа в составе атмосферы;
увеличение в атмосфере количества свободной энергии;
увеличение концентрации атмосферных аэрозолей.

Сжигание во всевозрастающих объемах каменного угля, нефти и газа увеличивает концентрацию атмосферной углекислоты, что может привести к значительным изменениям климата нашей пла-неты. Углекислый газ (С02) обладает свойством свободно пропускать коротковолновую радиацию и препятствовать длинноволновой. Поэтому, беспрепятственно пропуская солнечную радиацию, он препятствует отраженному от Земли длинноволновому излучению. Создается "эффект парника". В результате в приземном слое атмосферы создается избыток тепла, и это может способствовать изменению климата.

Второй путь изменения климата также связан с хозяйственной деятельностью человека. Известно, что современное производство потребляет значительное количество искусственно выработанной энергии. Темпы выработки энергии постоянно растут, так как растут потребности в ее использовании. Эта энергия также может привести к "нагреванию" приземного слоя атмосферы. Нагревание атмосферы дополнительной энергией в совокупности с солнечной энергией может изменить климат планеты.

Искусственное накопление аэрозолей может иметь двоякое влияние на состояние климата. В результате хозяйственной деятельности человека концентрация атмосферных аэрозолей неуклонно растет. Аэрозольные частицы задерживают свободное проникновение солнечной радиации любой длины волны. Таким образом, увеличение аэрозолей в атмосфере может препятствовать солнечным лучам, и, недополучая энергию, климат земной поверхности рискует измениться в сторону похолодания. С другой стороны, препятствуя уходящему от Земли длинноволновому излучению, искусственные аэрозоли могут способствовать потеплению климата.

Основные виды влияния человека на круговорот воды в природе - это ежегодное увеличение потребления воды, в том числе безвозвратное водопотребление, регулирование режима стока рек в желаемом направлении, строительство водохранилищ и нарушение естественного режима увлажнения территорий в связи с ведением сельского хозяйства. В результате такой деятельности человека в одних регионах появляются цветущие оазисы, в других -возникают экологические катастрофы. Например, нынешнее положение Арала и Приаралья непосредственно связано с деятельностью человека. Арал - наглядный пример того, как хозяйственная деятельность человека приводит к нарушению водного баланса.

Человек пока еще не вносил изменения в циркуляцию океанических вод. Но при нынешнем уровне науки и техники он вполне может внести изменения и в этот процесс. Например, давно существуют проекты изменения климатических условий побережий Северного Ледовитого океана, тем самым имеется возможность по-* влиять на ледовый режим прибрежных морей, чтобы удлинить сроки навигации Северного морского пути. Данный вопрос поднимается и научно-популярной литературой. Суть проекта такова: на Беринговом проливе построить плотину, соединяющую берега Азии и Америки, и выкачивать воду Северного Ледовитого океана в Тихий океан. Через определенное время теплое течение Гольфстрима продолжит свой путь дальше обычного - к берегам России. И климат северных побережий России станет таким же, как на побережье Норвегии. Человечеству уже в настоящее время под силу осуществление подобных проектов, но к чему это может привести, трудно предугадать.

Среди естественных круговоротов наибольшее влияние человека испытывают биологический круговорот и миграции химических элементов. На биологический круговорот человек оказывает влияние, сжигая на огромных территориях лесные массивы и саванны, распахивая степи и прерии.
Углекислый газ (С02) антропогенного происхождения выбрасывается в атмосферу при сжигании энергоносителей на металлургических предприятиях, в химической промышленности и т.д. Соотношение естественной выработки углекислого газа и выбросов антропогенного происхождения составляет 1:200. Причем правая часть этого соотношения постоянно растет.

Основной "потребитель" углекислого газа - фотосинтез. Сжигание органического топлива, вырубка лесов, лесные пожары сокращают естественное "потребление" этого газа в процессе фотосинтеза и увеличивают его концентрацию в свободной атмосфере.
В результате фотосинтеза ежегодно вырабатывается огромное количество кислорода (02), обеспечивается устойчивый баланс этого газа в природе и возможность свободно дышать для всех живых организмов. Хозяйственная деятельность человека оказывает вли-яниена круговорот кислорода, уменьшает в основном его природные запасы. Процесс горения, уменьшение площади лесов, загрязнение поверхности Мирового океана и другие процессы, связанные с человеческой деятельностью, сокращают объем атмосферного кислорода.

Хозяйственная деятельность человека оказывает влияние и на круговорот азота (N) в природе. Этот газ в больших количествах вырабатывают промышленным путем. На его основе производят азотсодержащие удобрения. Внося эти удобрения в почву и рассеивая их над полями, люди заметно изменяют естественный круговорот азота. Интенсивное применение азотных удобрений привело к появлению проблемы нитратов, загрязняющих пищевые продукты. Верхняя граница нормы нитратов на одного человека в день, установленная Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ), равна 325 мг. При использовании экологически чистых продуктов человек в сутки без ущерба для здоровья потребляет примерно 100-200 мг нитратов, причем 60-70% - с овощами. В зерне, яго-дах, фруктах, мясе, рыбе нитратов содержится мало.

Если же продукция выращена на "переудобренных" нитратами почвах, то мы можем получить их дозу, превышающую норму в 2-5 раз. Причем "залповым", разовым образом. Это уже опасно, так как в организме избыточные нитраты не успевают расходоваться. Именно нитраты представляют угрозу здоровью, так как, всасываясь в кровь, они дезактивизируют дыхательные ферменты, что приводит к понижению в крови содержания гемоглобина и нарушению ее транспортной функции.

Огромное влияние человеческая деятельность оказывает на миграцию химических элементов в природе. В настоящее время большая часть открытых на планете химических элементов в той или иной степени в связи с деятельностью человека рассеивается в природе или концентрируется в отдельных точках, районах Земли. И то, и другое оказывает негативное влияние на нашу окружающую среду, и этот процесс набирает силу.

Биологический круговорот. Каждая группа организмов играет в биосфере определенную роль. Растения - посредники между Солнцем и Землей. С помощью фотосинтеза под действием солнечного света они создают первичные органические вещества.

Следовательно, растения - это организмы-производители. Животные питаются растениями или другими животными, т. е. готовыми органическими веществами; это организмы-потребители. Поедая органические вещества, животные перемещают их по земной поверхности. Попутно они разносят споры, семена и тем самым способствуют расселению растений и грибов.

Грибы и бактерии разлагают остатки отмерших организмов. Они превращают органические вещества в неорганические, которые вновь потребляются растениями. Таким образом, бактерии и грибы - это организмы-разрушители. При разложении органических веществ выделяется тепло, т. е. энергия, которая была когда-то поглощена от Солнца растениями. Если бы исчезли организмы-разрушители, была бы отравлена биосфера, так как многие продукты распада органических веществ ядовиты.

Таким образом, живые организмы переносят вещество и энергию из одних частей биосферы в другие. Такой перенос веществ и энергии образует биологический круговорот (рис. 157). Как и круговорот воды, он связывает в единое целое все части природы. Нарушение биологического круговорота человеком грозит катастрофическими последствиями.

Рис. 157. Схема биологического круговорота на примере широколиственного леса

Биосфера и жизнь Земли. Роль живых организмов как могучей природной силы долго недооценивалась. Это объясняется тем, что по сравнению с другими оболочками масса живого вещества кажется ничтожной. Если земную кору представить в виде каменной чаши весом 13 кг, то вся гидросфера, помещенная в эту чашу, весила бы 1 кг, атмосфера соответствовала бы весу медной монеты, а живое вещество - весу почтовой марки.

Однако миллиарды лет из поколения в поколение живые организмы перерабатывали вещество земных оболочек. Общее количество преобразованного ими вещества во много раз превысило массу самих организмов. Взаимодействие живых существ друг с другом и с неживыми телами формирует единый «организм» природы (рис. 158).

Рис. 158. Значение биосферы

Проанализируйте рисунок. Расскажите о связи биосферы с другими оболочками Земли.

Учение о биосфере как особой оболочке, населенной живыми организмами и изменяющейся под их влиянием, разработано гениальным русским ученым В. И. Вернадским. Именно он показал, что биосфера очень активная оболочка. Совокупная деятельность живых организмов, в том числе человека, формирует и преобразует географическую среду.

Распределение живого вещества в биосфере. Жизнь размещается в биосфере очень неравномерно. Основная часть живых организмов сосредоточена на границах соприкосновения воздуха, воды и горных пород. Поэтому более густо заселена поверхность суши и верхние слои вод морей и океанов. Это связано с тем, что здесь наиболее благоприятные условия: много кислорода, влаги, света, питательных веществ. Толщина наиболее насыщенного организмами слоя всего несколько десятков метров. Чем дальше вверх и вниз от него, тем разреженнее и однообразнее жизнь. Самое большое сгущение жизни отмечается в почве - особом природном теле биосферы.

Рис. 159. Масса живых организмов на суше и в океане

Живое вещество распределяется неравномерно не только по вертикали, но и по площади. Большинство организмов сосредоточено на суше. Их масса в 750 раз больше массы обитателей гидросферы (рис. 159). По количеству живого вещества на единицу площади океан близок к континентальным пустыням.

Вопросы и задания

1. Расскажите о роли в природе каждой группы живых организмов: растений, животных, бактерий, грибов.
2. Какую роль в природе играет биологический круговорот?
3. Равномерно ли распределены организмы в биосфере?
4. Какие участки биосферы заселены живыми организмами наиболее густо?

Биологический круговорот. Каждая группа организмов играет в биосфере определенную роль. Растения - посредники между Солнцем и Землей. С помощью фотосинтеза под действием солнечного света они создают первичные органические вещества. Следовательно, растения - это организмы-производители. Животные питаются растениями или другими животными, т. е. готовыми органическими веществами; это организмы-потребители. Поедая органические вещества, животные перемещают их по земной поверхности. Попутно они разносят споры, семена и тем самым способствуют расселению растений и грибов.

Грибы и бактерии разлагают остатки отмерших организмов. Они превращают органические вещества в неорганические, которые вновь потребляются растениями. Таким образом, бактерии и грибы - это организмы-разрушители. При разложении органических веществ выделяется тепло, т. е. энергия, которая была когда-то поглощена от Солнца растениями. Если бы исчезли организмы-разрушители, была бы отравлена биосфера, так как многие продукты распада органических веществ ядовиты.

Таким образом, живые организмы переносят вещество и энергию из одних частей биосферы в другие. Такой перенос веществ и энергии образует биологический круговорот. Как и круговорот воды, он связывает в единое целое все части природы. Нарушение биологического круговорота человеком грозит катастрофическими последствиями.

Биосфера и жизнь Земли. Роль живых организмов как могучей природной силы долго недооценивалась. Это объясняется тем, что по сравнению с другими оболочками масса живого вещества кажется ничтожной. Если земную кору представить в виде каменной чаши весом 13 кг, то вся гидросфера, помещенная в эту чашу, весила бы 1 кг, атмосфера соответствовала бы весу медной монеты, а живое вещество - весу почтовой марки.

Однако миллиарды лет из поколения в поколение живые организмы перерабатывали вещество земных оболочек. Общее количество преобразованного ими вещества во много раз превысило массу самих организмов. Взаимодействие живых существ друг с другом и с неживыми телами формирует единый «организм» природы.

Учение о биосфере как особой оболочке, населенной живыми организмами и изменяющейся под их влиянием, разработано гениальным русским ученым В. И. Вернадским. Именно он показал, что биосфера очень активная оболочка. Совокупная деятельность живых организмов, в том числе человека, формирует и преобразует географическую среду.

Распределение живого вещества в биосфере. Жизнь размещается в биосфере очень неравномерно. Основная часть живых организмов сосредоточена на границах соприкосновения воздуха, воды и горных пород. Поэтому более густо заселена поверхность суши и верхние слои вод морей и океанов. Это связано с тем, что здесь наиболее благоприятные условия: много кислорода, влаги, света, питательных веществ. Толщина наиболее насыщенного организмами слоя всего несколько десятков метров. Чем дальше вверх и вниз от него, тем разреженнее и однообразнее жизнь. Самое большое сгущение жизни отмечается в почве - особом природном теле биосферы.

Живое вещество распределяется неравномерно не только по вертикали, но и по площади. Большинство организмов сосредоточено на суше. Их масса в 750 раз больше массы обитателей гидросферы. По количеству живого вещества на единицу площади океан близок к континентальным пустыням.

Биологический круговорот

Биологический круговорот химических элементов совершается благодаря солнечной энергии, захваченной растениями. Растения на свету поглощают углекислый газ и воду, всасывают из почвы минеральные вещества и выделяют кислород. Наземные растения выделяют кислород в атмосферу, а водные - в воду. Растения в темноте, животные, грибы и микробы как в темноте, так и на свету, поглощают кислород и выделяют во внешнюю среду углекислый газ. Другие вещества гетеротрофные организмы в основном получают от растений. Поглощение и выделение кислорода и углекислого газа растениями и животными уравновешено, поэтому газовый состав атмосферы Земли остается довольно постоянным длительное время.

Благодаря зеленым растениям, осуществляющим процесс фотосинтеза, в биосфере создаются сложные по строению молекулы органических веществ. Заключенную в них энергию используют для процессов жизнедеятельности гетеротрофные организмы. В этом состоит космическая функция зеленых растений биосферы. Без живого вещества работа солнечного луча сводилась бы лишь к перемещению газообразных, жидких и твердых тел по поверхности планеты и к временному их нагреванию. Живое вещество выступает в качестве гигантского аккумулятора и уникального трансформатора связанной лучистой энергии Солнца. Солнечная энергия без живого вещества не совершала бы на Земле созидательной деятельности, так как не могла бы ни удержаться на ней, ни преобразоваться в необходимую для этого энергию.

Улавливание солнечной энергии осуществляется преимущественно растениями. Но в удержании и преобразовании заключенной в них энергии Солнца, перемещении ее по поверхности, а также из внешнего в более глубокие слои планеты принимает участие все живое вещество. Этот процесс осуществляется благодаря размножению, последующему росту и перемещению организмов. Скорость размножения, по В.И. Вернадскому, -- это скорость передачи в биосфере геохимической энергии.

Биогеоценоз

Элементарной структурной и функциональной единицей биосферы является биогеоценоз. Именно в биогеоценозе организмы и среда их обитания тесно взаимно приспособлены друг к другу и благодаря этому осуществяется биологический круговорот веществ -- основа бесконечности жизни на планете. В ходе осуществления биологического круговорота ограниченные запасы химических веществ приобретают свойство бесконечных, так как находятся в непрерывном круговом обращении. Поэтому круговорот веществ в виде биогеохимических циклов является необходимым условием существования биосферы. Весь круговорот веществ в биосфере происходит благодаря одному источнику энергии -- Солнцу. Между величиной поступающей на планету солнечной энергии и количеством образуемого живого вещества установилась тесная зависимость. Так, в результате многолетних исследований ученых разных стран удалось подсчитать, что ежегодно в биосфере образуется примерно 150--200 млрд. т сухого органического вещества. Таким образом, создание учения о биосфере явилось важным достижением человечества. Впервые живая природа стала рассматриваться как целостная система, тесно взаимодействующая с абиотической средой. В.И. Вернадский заложил основы современных научных представлений о планетарном и космическом значении жизни, о взаимосвязи и взаимодействии живой и неживой природы.

Роль растений в природе

Зеленые растения создают на Земле условия для существования всех живых организмов. Они выделяют кислород, который необходим для дыхания, служат основным источником пищи для всех животных. Даже самый кровожадный хищник зависит от растений, которыми питаются его жертвы.

Формирование газового состава атмосферного воздуха, как известно, также находится в прямой зависимости от растений. Зеленые растения в процессе фотосинтеза выделяют около 510" тонн свободного кислорода в год. Один гектар кукурузы выделяет за год 15 тонн кислорода, что достаточно для дыхания 30 человек. Весь кислород атмосферы проходит через зеленое вещество примерно за 2000 лет. За 300 лет растения усваивают столько углерода, сколько его содержится в атмосфере и водах. Годовая химическая энергия продуктов фотосинтеза в 1000 раз превышала выработку энергии в конце XX столетия всеми электростанциями мира. Установлено, что растения Земли в процессе фотосинтеза ежегодно образуют более 177 млрд. тонн органического вещества.

Растения участвуют в образовании гумуса, который является самой существенной частью почвы, обеспечивает ее высокое плодородие. Помимо углерода, водорода и кислорода в состав молекул многих органических веществ входят атомы азота, фосфора, серы, а нередко и других элементов (железа, кобальта, магния, меди). Все они добываются растениями из почвы или водной среды в виде ионов солей, главным образом, в окисленном виде. Минеральные соли не вымываются из поверхностных слоев почвы, так как растительность постоянно всасывает часть минеральных веществ из почвы и передает их животным на корм. Животные, так же, как растения, после отмирания передают минеральные вещества обратно в почву, откуда они вновь всасываются растениями.

Растительность оказывает большое влияние на климат, водоемы, животный мир и другие элементы биосферы, с которыми она тесно взаимосвязана. Растения обитают на огромных пространствах суши: в тундрах, лесах, степях. Они населяют водные просторы прудов, озер, болот, рек, морей, океанов и способны жить даже на голых скалах и сыпучих песках. Такие растения, которые размножаются и расселяются без участия человека, называются дикорастущими. Сегодня на Земном шаре известно около 500 тысяч видов дикорастущих растений.