Принцип зональности систем живой и неживой природы в экологическом образовании

Современное экологическое образование ставит своей задачей сформировать у учащихся четкое представление об экологической картине мира как системе концепций, складывающейся в результате синтеза естественнонаучных знаний [1]. Экологические системы занимают определенное место в иерархическом ряду природных систем Земли и в соответствии с принципами иерархии и эмерджентности связаны с ними многочисленными природными связями. При изучении экологических систем необходимо особо акцентировать внимание на некоторых общих закономерностях в строении и функционировании различных природных систем. Одной их таких общих закономерностей является зональность организации биосферы и сфер жизнеобеспечения.

Основы учения о природной зональности были заложены В.В. Докучаевым [2], рассматривавшим зональность как всеобщий закон природы. Позднее физические основы формирования зональности земного шара были разработаны А.А. Григорьевым [3], назвавшим основными причинами зональности форму Земли и ее положение относительно Солнца. Форма Земли, ее вращение вокруг собственной оси и вокруг Солнца, наклон земной оси обусловливают неравномерное распределение солнечной энергии по поверхности планеты и чередование времен года. Это приводит к различию климатических условий и формированию открытых В.В. Докучаевым географических (природных) зон – целостных природных комплексов, т.е. значительных территорий с особыми типами климата, растительности, почв и животного мира. Такое разделение вызвано характерным распределением энергии Солнца по широтам и неравномерностью увлажнения. Широтное простирание имеют

целые географические пояса, которые распространяются по всей земной поверхности – на материки и океаны, а географические зоны выделяют внутри поясов, учитывая, помимо радиационных условий, характер увлажнения и соотношение тепла и влаги, поэтому географические зоны распространяются только на материки. Например, в умеренном географическом поясе выделяют такие географические зоны, как тайга, смешанные и широколиственные леса, лесостепи, степи, полупустыни и пустыни. Зональность проявляется и в гидрологических процессах (минерализация и глубина залегания подземных вод, коэффициент стока, водный режим рек), и в почвообразовании [4]. Огромное значение для изучения природных процессов имеет сформулированный А.А. Григорьевым и М.И. Будыко периодический закон географической зональности, согласно которому в различных природных поясах могут формироваться природные зоны, сходные по ряду существенных признаков – так называемые ландшафтные зоны, тип которых определяется величиной радиационного баланса. Здесь необходимо обратить внимание учащихся на то, что закон о периодическом повторении некоторых общих свойств аналогичных ландшафтных зон в физико-географических поясах Земли является одним из общих законов организации природных систем, постулирующих периодическое повторение свойств в рядах систем одного иерархического уровня (закон периодичности строения системных совокупностей или системо-периодический закон) [5].

Наряду с географической зональностью, имеющей горизонтальный характер, выделяют вертикальную зональность биосферы, которая проявляется в смене растительного и животного мира по мере подъема от уровня моря, а в гидросфере и литосфере – по мере опускания ниже уровня моря. Существование вертикальной зональности биосферы связано с зональным строением геосфер, которое, в свою очередь, определяется наличием градиентов температуры, давления, гравитации, химических и электромагнитных сил и др. В соответствии с 3 физическими оболочками планеты в биосфере выделяют 3 подсферы -аэробиосферу, населенную аэробионтами, субстратом жизни которых служит влага воздуха и твердые частицы, поднимающиеся с поверхности земли; гидробиосферу, населенную гидробионтами; геобиосферу - верхнюю часть земной коры, населенную геобионтами [6]. Геобиосфера состоит из области жизни на поверхности суши -террабиосферы с террабионтами и литобиосферы - жизни в глубинах земли с литобионтами, живущими в порах горных пород. Террабиосфера, в свою очередь, подразделяется на фитосферу (от поверхности земли до верхушек деревьев), педосферу (почвы и лежащие под ними подпочвы) с педобионтами и так называемая эоловая зона -высотная часть террабиосферы с эолобионтами (членистоногими и некоторыми микроорганизмами). Литосфера - важнейшая фазовая (твердая) часть биосферы. На континентах выделяют такие твердые тела, как почвы, осадочные породы, метаморфическая оболочка, гранитный слой и базальты. В океанической области присутствуют такие твердые тела, как илы, осадочные породы и базальты. Постоянное взаимодействие таких твердых тел, как почвенные, подпочвенные и иловые, с живым веществом, а также с жидкой и газовой фазами (надземная тропосфера и наземная гидросфера) приводит к формированию так называемой верхней коры выветривания, для которой характерны аэробные условия. Нижняя кора выветривания охватывает остальную толщу литосферы в пределах биосферы и находится одновременно под влиянием глубинных процессов литосферы и биосферных процессов в условиях ниже кислородной поверхности [7]. В соответствии с этим литобиосфера подразделяется на гипотеррабиосферу - слой, где возможна жизнь аэробов, теллуробиосферу - слой, где возможно обитание анаэробов (в основном в подземных водах) и гипобиосферу - на глубинах свыше 6-7 км, куда жизнь может проникнуть лишь случайно в неактивных формах.

Подобные слои существуют и в гидробиосфере, но они связаны главным образом с интенсивностью света. В воде интенсивность света быстро убывает с глубиной (в среднем, на глубине 10 м для фотосинтеза доступно лишь 10% световой энергии, поступающей на поверхность воды, а на глубине 100 м - только 1%). По этому критерию выделяют верхнюю (на глубину до 200 м) и нижнюю (глубже 200 м) эвфотические зоны. Верхнюю, освещенную иногда еще подразделяют на фотосферу - относительно ярко освещенную и дисфотосферу - всегда сумеречную, получающую до 1% солнечной инсоляции. Нижняя, афотическая или афотосфера - это слой абсолютной темноты, где невозможен фотосинтез. Помимо светового режима в водной среде существенными являются такие абиотические факторы, как гидростатическое давление (на каждые 10 м глубины давление возрастает на 1 атм.), температура, соленость, плотность, наличие биогенных элементов и др. Все эти факторы обусловливают существование вертикальной зональности распределения гидробионтов. Прежде всего, выделяют пелагиаль (толщу воды) и бенталь (дно). В зависимости от глубины бенталь делится на литоральную (до 200 м), батиальную (до 2500 м), абиссальную (до 6000 м) и ультра-абиссальную (глубже 6000 м) зоны, причем в литоральной (прибрежной) зоне выделяют, в зависимости от характера затопления, супралитораль, собственно литораль и сублитораль. В толще воды также выделяют вертикальные зоны, соответствующие по глубине зонам бентали [4].

В аэробиосфере лимитирующим фактором развития жизни служит наличие капель воды и положительных температур. Тропобиосфера (нижний слой аэробиосферы) с тропобионтами образует слой от вершин деревьев до высоты расположения кучевых облаков, т.е. толщина его меньше, чем у атмосферной тропосферы. Выше тропобиосферы лежит альтобиосфера - слой, где обитает очень незначительное количество микроорганизмов (альтобионтов). Пространство над ней - парабиосфера (аналог гипобиосферы в литосфере). Между верхней границей гипобиосферы и нижней границей парабиосферы лежит собственно биосфера - эубиосфера. Таким образом, зоны биосферы выделяют в зависимости от их насыщенности живым веществом. «Поле существования жизни» (в особенно активном проявлении) ограничено высотой около 6 км над уровнем моря и дном океана до глубины около 11 км. С учетом того, что жизнь в литосфере фактически распространена до глубины 3-4 км, верти -кальная мощность биосферы в океанической области Земли достигает более 17 км, а в континентальной - 12 км. Таким образом, ведущим средообразующим фактором в образовании подсфер является физическая фаза среды жизни: воздушно-водная в аэробиосфере, водная (пресноводная и соленоводная) в гидробиосфере, твердовоздушная в террабиосфере и твердоводная в литобиосфере.

На основании вышесказанного можно сделать вывод об универсальном характере принципа зональности, что проявляется в строении твердого тела планеты (зональное строение земной коры: осадочные породы, метаморфические оболочки, граниты, базальты; мантии: верхняя и нижняя мантии; ядра: внешнее ядро, переходная область, внутреннее ядро), в строении атмосферы (тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, экзосфера ) и гидросферы (зоны материкового плато, материкового склона и ложа океана). В свою очередь, живое вещество планеты, эволюционируя и развиваясь в разнообразных условиях окружающей среды, образовало многочисленные зоны в поле жизни. При этом границы зон биосферы и зон геосфер практически никогда полностью не совпадают, что является следствием высокой степени пластичности живых организмов и способности расширять свое поле жизни, включая в него участки планеты с экстремальными условиями. Целостность же биосферы обеспечивается пересечением незамкнутых глобальных, региональных и местных круговоротов веществ, образующих 8-9 уровней в пределах взаимосвязей семи основных вещественно-энергетических и одного информационного экологических компонентов [5] .

Взаимное проникновение вещества био-, гео- и гидросфер в пограничные зоны приводит к их совместной эволюции (коэволюции), что подтверждается многочисленными геологическими и палеонтологическими данными. В ходе коэволюции живой и неживой природы кардинальные преобразования затрагивают все структурные уровни природных систем, а общий ход эволюции представляет собой последовательность актов самоорганизации, в ходе которых, согласно принципу подчинения Г. Хакена [8], управляющие сверхмедленные параметры верхнего мегауровня совместно с короткоживущими параметрами низшего уровня вызывают возникновение структурообразующих долгоживущих переменных макроуровня. К параметрам мегауровня современная наука относит не только закономерности планетарного уровня, но и космические факторы, подтверждая идеи В.И. Вернадского о жизни как космическом явлении. При этом иерархичность организации всех природных систем приводит к тому, что развитие надсистемы определяет многие ограничения в развитии входящих в нее подсистем и тем самым позволяет, в соответствии с системогенетическим законом, прогнозировать их будущее развитие.

Выводы: учение о природной зональности может послужить, наряду с решением чисто экологических проблем, выходу на более высокий уровень обобщения, что будет способствовать формированию у учащихся современного научного мировоззрения.