Характерной особенностью биосферы является


В настоящее время биосферу нередко сравнивают с системой, обладающей свойствами независимости, саморегуляции, значительным разнообразием и мозаичностью.

Биосфера – единственное место обитания человека и других живых организмов и хотя она непрерывно подвергается процессу «биологизации», она подчиняется и закону независимости биосферы (В.И. Вернадский).

Биосфера – это единственная система, обеспечивающая устойчивость среды обитания при любых возникающих возмущениях. Нет никаких оснований надеяться на построение искусственных сообществ, обеспечивающих стабилизацию окружающей среды в той же степени, что и естественные сообщества.

Из этого следует, что конечная задача охраны природы – это сохранение биосферы как естественного и единственного места обитания человеческого общества.

Одно из наиболее характерных проявлений саморегуляции биосферы В.И. Вернадский видел в наличии озонового слоя и поглощении губительных для жизни ультрафиолетовых лучей.

Другой пример саморегуляции представляет собой Мировой океан. Реки ежегодно вносят в океан 1,5 млн. т карбоната кальция, а солевой состав океанической воды существенно не меняется. Почему? Организмы используют эти карбонаты для построения своих скелетов, после их отмирания карбонаты осаждаются на дно. Таким путем создан кальциевый покров нашей планеты и стабилизируется (саморегулируется) состав океанических вод. Этот механизм действует в биосфере уже многие миллионы лет.


Таким образом, саморегулирование биосферы Земли обеспечивается живыми организмами. Это позволяет считать биосферу централизованной кибернетической системой. Живые организмы играют роль такого центра и определяют свойство значительного разнообразия биосферы. Это определяется ее шарообразной формой, движением вокруг Солнца и вокруг собственной оси, что обуславливает сезонное изменение интенсивности

Рисунок 2.3.

поступления солнечной энергии. Значительное разнообразие природных условий создается и рельефом земли. Амплитуда абсолютных отметок поверхности Земли составляет более 19 км – от 8848 м выше уровня океана (гора Эверест) до – 11022 м ниже этого уровня (Марианская впадина).

Но основное разнообразие биосферы Земли создается живыми организмами. Биосферу населяют 2,5 – 5 млн. видов живых организмов, каждый из которых в свою очередь включает в себя миллионы особей. Так, в Приангарье на 1/4 кв.км насчитывается 535 видов беспозвоночных. Внутреннее разнообразие биосферы служит определенной гарантией сохранения жизни на нашей планете.


Характерной особенностью биосферы является мозаичность ее строения. Эта особенность обусловлена свойством асимметрии, в основе которого лежит явление оптической изомерии макромолекул, входящих в состав живых организмов (углеводов, аминокислот, белков и др.). Это свойство определяет морфологическое разнообразие живых организмов, например, на одном дереве едва ли найдется два одинаковых листа и каждый из них асимметричен.

Источник: studopedia.ru

Учение В.И. Вернадского о биосфере

В.И. Вернадский – общепризнанный разработчик учение о биосфере. Он ввел понятие «живого вещества», как формирующего фактора биологической геосферы.

Учение В.И. Вернадского о биосфере

  • Ученый выдвинул теорию о том, что границы биосферы обусловлены пространством существования живых организмов. В трудах В.И. Вернадского говорится о взаимосвязи живых организмов с неживой средой. Одним их этапов эволюции биосферы Вернадский считал её преобразование в стадию ноосферы, он доказал, что организмы являются определяющими в жизненной силе Земли. 
  • Организмы и продукты их жизнедеятельности разрушали горные породы, способствовали вымыванию одних веществ и накоплению других.
  • Постоянное образование живого вещества с дальнейшей его трансформацией — функция биосферы.

Функции живого вещества по учению Вернадского:

В.И. Вернадский смог выделить несколько основных функций биосферы. А именно:

Функции Содержание
Газовая функция В результате фотосинтеза растения выделяют кислород. Данная функция осуществляется также благодаря животным, выделяющим углекислый газ в окружающую среду. 
Концентрационная функция Осуществляется в организмах различных животных, которые имеют способность накапливать в своих телах определенные химические элементы, такие как углерод и кальций. 
Окислительно-восстановительная функция Основывается на превращении веществ и энергии в процессе жизнедеятельности. В результате химических реакций получаются соли, окислы и разнообразные органические и неорганические соединения. Именно благодаря этой функции образовываются железные и марганцовые руды. 
Функция образования среды Подразумевает трансформацию  физических и химических характеристик среды обитания организмов, включая атмосферу, грунт, моря и океаны.
Функция накопления кальция Преобразование химического элемента в углекислые, щавелевокислые, фосфорнокислые кальциевые соли.

Особенностью живого вещества является то, что компоненты, входящие в его состав проявляют устойчивость исключительно в живых организмах.

Структура биосферы

Согласно учению Вернадского биосфера являет собой организованную сферу планеты, которая находится в контакте с живыми организмами. 

В.И. Вернадский в составе биосферы выделял такие элементы:

Компоненты биосферы

  • Живым веществом ученый считал всю совокупность организмов, живущих на Земле. В своих трудах ученый подчеркивал, что геохимическое состояние земной коры находится под влиянием живых организмов, определяется их деятельностью. Он выделял пять функций биологической сферы земли. По его учению, биосфера состоит из разнородных компонентов, важнейшим из которых есть живое вещество.
  • К косному веществу ученый причислял химические соединения, в образовании которых живые организмы не принимали участия.
  • Неживое биогенное вещество – это продукты жизнедеятельности организмов, которые разрушали горные породы, способствовали вымыванию одних веществ и накоплению других.
  • Биокосное вещество являет собой продукт совместной работы живой и неживой природы, например грунт, глинозем. 

В.И. Вернадский подчеркивал, что история возникновения и эволюция биосферы — это история возникновения жизни на Земле. Длительное время эта концепция биосферы В. И. Вернадского замалчивалась. 

Живое вещество, его функции

В основе концепции глобальной экосистемы заложено понимание термина «живое вещество». Большую часть живого вещества составляет земная растительность (около 90%). Данное вещество является самым мощным энергетическим, а также геохимическим фактором, его можно смело назвать основным фактором развития биосферы. 

Как известно, источником биохимической активности живых организмов является солнечная энергия, без которой не сможет произойти такой важный процесс как фотосинтез. 

С самого своего появления жизнь не стоит на месте, а постоянно развивается. Тем самым, влияя на окружающую среду и, в определенной мере, изменяя ее. 

Исходя из этого, можно с полной уверенностью сказать, что эволюционный процесс экосистемы и всей органической жизни проходит параллельно. 

Жизнь на нашей планете появилась около четырех миллиардов лет назад, с этого самого момента на Земле и сформировалась биосфера. Огромный вклад в образование биосферы внесли цианобактерии. Они первыми освоили кислородный фотосинтез. Других претендентов на производство атмосферы не существовало в мире прокариотов.

Живая оболочка Земли  — это не только сфера, в которой находится все живое, но и совместный результат деятельности организмов. Вещество и биосфера неразделимы. Биосферный уровень включает в себя все живое вещество планеты. 


Биосфера - живая оболочка земли

Геологический круговорот веществ происходит в течение многих тысяч и миллионов лет. В процессе круговорота образуется живое вещество из неорганических соединений, впоследствии органика распадается на неорганические компоненты.

Важнейшим результатом биогеохимических преобразований органического вещества можно считать кислородную революцию. Огромный вклад в это биогеохимическое изменение внесли древнейшие организмы — цианобактерии. Именно они явились родоначальниками фотосинтеза, в результате которого выделялся кислород, изменивший до неузнаваемости облик нашей планеты. 

Особенности распределения биомассы на Земле 

Состав и распределение биосферы – один из интереснейших вопросов в биологии. 

Биосфера включает в себя огромное количество растений, животных и других форм жизни нашей планеты. Термин «ноосфера», предложенный Вернадским в начале 20-го столетия, получил широкое распространение. 

Биогенные вещества — созданные в процессе жизнедеятельности организмов соединения, например, природный газ, нефть, известняк.

  • Изучение биомассы крайне важно для понимания климатических сдвигов, путей передачи и трансформации углерода и других элементов.

  • Разнообразие живых и неживых организмов, взаимодействующих между собой, обменивающихся веществами, называется экосистемой. Приспособленность видов к условиям существования происходит непрерывно.
  • Биосфера имеет четкую структурную организацию и является глобальной экосистемой планеты. В.И. Вернадский создал учение о роли живых организмов, о воздействии живого на преобразование земной коры. Состав биосферы и свойства зависят от взаимодействия её биотического и абиотического компонентов. 
  • Основной объем массы живой материи приходится на растительный мир, он составляет 80% от биомассы планеты. На втором месте, после растений, идут бактерии. Ученые, с использованием углеродного метода, определили, что все живые организмы содержат суммарно 550 миллиардов тонн углерода. 
  • Биомасса суши составляет почти 99,9%. Это объясняется большой массой продуцентов на поверхности Земли.
  • Наибольшая плотность жизни отмечается в тех зонах, где виды специфически приспособились к совместному существованию.
  • К структурообразующим факторам биосферы относят свет, как условия формирования и усовершенствования жизни. Под воздействием микроорганизмов, растений и животных сформировался почвенный слой. 
  • В почве обитает больше редуцентов. К ним относятся бактерии и грибы, которые разлагают останки живых существ до неорганических веществ. В почве происходит особый газообмен. Ночью, при охлаждении и сжатии газов, в неё проникает некоторое количество воздуха, его поглощают и перерабатывают почвенные организмы. 

  • Почвенные микроорганизмы играют важную роль в круговороте веществ, в почвообразовании и формировании плодородного слоя. Большая биомасса почвы, в сочетании с высоким видовым разнообразием, обеспечивает сложность экосистем.
  • Почвенные организмы включают в круговорот веществ биосферы важнейшие химические соединения.
  • В морской биомассе содержится больше консументов, чем продуцентов. В состав океанической и морской воды входят минеральные соли. Микроорганизмы, живущие в океанических термальных источниках, являются хемотрофами, основными продуцентами океанического дна.
  • Несмотря на многообразие водных обитателей, их можно поделить на 3 группы, с учетом мест обитания в воде. Между каждой группой организмов существуют тесные связи, они обмениваются веществом и энергией. В современном мире воздействие человека на биомассу океана огромно.
  • Бентосные организмы в океане живут на дне и в грунте. Фитобентос: зеленые, бурые, красные водоросли встречаются на глубине до 200 м. Зообентос представлен животными.
  • Воздушная среда характеризуется значительным количеством кислорода, солнечной энергии, но в ней, зачастую, не хватает влаги. Поэтому, обитатели засушливых мест имеют специальные приспособления для добычи, запасания и экономной траты драгоценной влаги. Разнообразие этой среды представлено разнообразием жизни в ней.
  • Каждому наземному биогеоценозу присущи свои черты. Так, в экваториальных биоценозах сильно развита конкуренция за обладание местом обитания, пищей, светом и кислородом.

В современном мире огромное влияние на биомассу оказывает человек. Сокращаются площади, производящие живую массу.

Источник: bingoschool.ru

ЛЕКЦИЯ №11

ТЕМА: КОНЦЕПЦИЯ БИОСФЕРЫ

ПЛАН:

1. Понятие о биосфере.

2. Границы биосферы.

3. Основные свойства и функции живого вещества.

3.1. Специфические свойства и особенности живого вещества.

3.2. Основные биогеохимические функции живого вещества.

4. Энергетика биосферы.

5. Круговороты веществ.

5.1. Круговорот биологический.

5.2. Круговорот биогенных элементов.

5.2.1. Круговорот углерода.

5.2.2. Круговорот фосфора.

5.2.3. Круговорот азота.

6. Биосфера и ноосфера.

1. Понятие о биосфере

Экосистемой высшего ранга на земле является биосфера –совокупность всех проявлений жизни, взятых в единстве с той частью неорганической природы, которая является вместилищем жизни в планетарном масштабе. Понятие о биосфере было введено австрийским ученым Э. Зюссом (1875). Целостное учение о биосфере было развито русским ученым (1926) г), который положил начало ее геохимическому изучению. Основу этого учения составляют законы взаимодействия и динамического равновесия вещества и энергии в земной оболочке, занятой совокупностью всех живых организмов, именуемых живым веществом.


Это живое вещество, не превышающееся по весу и десятых долей процента биосферы, превращается в самую внушительную силу на планете, материально и энергетически определяя ее функции.

Биосфера земли представляет собой глобальную открытую систему со своими “входом” и “выходом”. “Вход” – это поток солнечной энергии, поступающий из космоса, “выход” – образованные в процессе жизнедеятельности организмов вещества, которые в силу каких-либо причин ускользнули из биотического круговорота. Образно говоря, это выход в “геологию”. На языке современной науки биосферу называют саморегулируемой кибернетической системой, обладающей свойством гомеостаза.

Земля как планета характеризуется значительным разнообразием природных условий. Это определяется ее шарообразной формой, ее движением вокруг Солнца и вокруг собственной оси, что, в свою очередь, обусловливает широтное и сезонное изменение интенсивности поступления солнечной активности; значительное разнообразие природных условий создается и сложным рельефом земли. Но основное разнообразие биосферы земли создается живыми организмами.

Характерной особенностью биосферы как динамической системы является ее неравномерность (неравновесность) – следствие работы живого вещества и притока солнечной энергии.

Далее важной отличительной особенностью биосферы является ее “обводненность”.

Следующей обязательной характеристикой биосферы является ее неразрывная связь с космосом (в наибольшей степени – с Солнцем).

Таким образом, биосфера представляет собой глобальный биотоп, населенный всеми живыми существами, в том числе и человеком.

2. Границы биосферы

Биосфера включает три пояса фазового состава вещества: твердого (литосфера), жидкого (гидросфера) и газового (атмосфера). Приблизительная масса биосферы составляет 0,05 % массы земли, а ее объем 0,4 % объема планеты.

Структура современной биосферы представляет собой сложную многокомпонентную систему — совокупность газообразной, жидкой, твердой и биологической организации. Она характеризуется строгой организованностью, биологическим равновесием составляющих ее организмов.

подчеркивал, что биосферу нужно рассматривать как целостную геологическую оболочку земли, весьма сложную саморегулирующуюся систему, состоящую из живого вещества и неживой материи. В состав кроме, живого вещества (растительного и животного мира, микроорганизмов), входят:

а) биогенные вещества – продукты жизнедеятельности живых организмов – гумус почв, каменный уголь, торф, нефть и т. п.;

б) биокосные вещества – осадочные породы, приземная атмосфера и прочие компоненты, которые созданы в прошлом организмами, т. е. продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами;

в) косные вещества – горные породы магматического, неорганического происхождения, вода, а также переработанные и видоизмененные живыми организмами вещества космического происхождения (космическая пыль, метеориты и т. п.).

Какие же физико-химические условия наиболее благоприятны для существования жизни (живого вещества)? Достаточное количество углекислого газа и кислорода, достаточное количество воды (обязательно в жидком состоянии), температурный режим, исключающий как слишком высокие температуры (вызывающие свертывание белков), так и слишком низкие (прекращающие работу ферментов), наличие “прожиточного минимума” элементов минерального питания, определенная соленость водной среды.

Современная жизнь распространена в верхней части земной коры (литосфере), нижних слоях атмосферы (тропосфере) и в водной оболочке земли (гидросфере).

По последним данным, пространственно биосфера имеет толщину 40-50 км. Принято считать, что нижняя граница биосферы, в среднем, лежит на глубине 3 км от поверхности суши и 0,5 км ниже дна океана. Верхняя граница находится на высоте до 20 км над поверхностью земли (на уровне озонового слоя).

В литосфере жизнь зависит от температуры горных пород и подземных вод. Самая большая глубина, при которой в породах земной коры были обнаружены бактерии, составляет 4 км. В океане жизнь распространена до более значительных глубин и встречается даже на дне океанических впадин в 10-11 км от поверхности. Верхняя граница жизни в атмосфере определяется нарастанием с высотой ультрафиолетовой радиации. Озоновый слой поглощает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца на высоте 20-22 км. Все живое, находясь выше защитного слоя озона, погибает. Споры бактерий и грибов обнаруживают на высоте 20-22 км, но основная часть аэропланктона сосредоточена в слое до 1-1,5 км. В горах граница распространения наземной жизни проходит на высоте около 6 км над уровнем моря.

Распределение жизни в биосфере отличается крайней неравномерностью. Наиболее велика концентрация живого вещества на границах раздела основных сред – в почве, т. е. пограничном слое между литосферой и атмосферой, в поверхностных слоях океана, на дне водоемов и, особенно, в прибрежной зоне морского дна, затопляемого во время прилива и осушаемого при отливе, в лиманах (гавань, бухта) и эстуариях (берег, заливаемый приливом) – затопляемых устьях рек, где все три среды – почва, вода и воздух – тесно взаимодействуют друг с другом. такие места назвал – “пленками жизни”.

Вернадский указывал на “всюдность” жизни в биосфере. Крайние параметры температур — от практически абсолютного нуля до + 180° С. Давление, при котором существует жизнь, — от долей атмосферы на большой высоте до тысячи и более атмосфер на больших глубинах. Для ряда бактерий верхние критические точки давления лежат в области 12000 атм. С другой стороны, семена и споры растений, мелкие животные в анабиозе (состояние замедленной жизнедеятельности) сохраняют жизнеспособность в полном вакууме.

Живые организмы могут существовать в широком диапазоне химических условий среды (некоторые нематоды, серные бактерии).

Некоторые особо устойчивые формы могут существовать даже при действии ионизирующей радиации. Так, некоторые виды инфузорий выдерживают излучение, превышающее в 3 млн. раз естественный радиационный фон на поверхности земли, а некоторые бактерии обнаружены даже в котлах ядерных реакторов.

3. Основные свойства и функции живого вещества

С точки зрения современной науки, живое вещество обладает некоторыми специфическими свойствами и выполняет в биосфере определенные биогеохимические функции.

3.1. Специфические свойства и особенности живого вещества

Живое вещество биосферы характеризуется большим запасом энергии.

Резкое различие между живым и неживым веществом наблюдается в скорости протекания химических реакций (в живом веществе реакции идут в тысячи, а иногда в миллионы раз быстрее).

Отличительной особенностью живого вещества является то, что слагающие его индивидуальные химические соединения – белки, ферменты, нуклеиновые кислоты – устойчивы в живых организмах.

Произвольное движение, в значительной степени саморегулируемое, является общим признаком всякого живого вещества в биосфере.

Живое вещество обнаруживает значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое.

Живое вещество представлено в биосфере в виде индивидуальных организмов, размеры которых колеблются в огромных пределах.

3.2. Основные биогеохимические функции живого вещества

Энергетическая функция заключается в осуществлении связи биосферно-планетарных явлений с космическим излучением, преимущественно с солнечной радиацией. В основе этой функции лежит фотосинтетическая деятельность зеленых растений, в процессе которой происходит аккумуляция (накопление) солнечной энергии и ее перераспределение между отдельными компонентами биосферы. За счет накопленной солнечной энергии протекают все жизненные явления на земле.

Газовая функция обусловливает миграцию газов и их превращения, обеспечивает газовый состав биосферы. Преобладающая масса газов на земле имеет биогенное происхождение. В процессе функционирования живого вещества создаются основные газы: азот, кислород, углекислый газ, метан и др.

Концентрационная функция проявляется в извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов окружающей среды. В составе живого вещества преобладают атомы легких элементов: РІРѕРґРѕСЂРѕРґР°, углерода, азота, кислорода, натрия, магния, алюминия, кремния, серы, хлора, калия, кальция. Концентрация этих элементов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде. Этим объясняется неоднородность химического состава биосферы и ее существенное отличие от состава неживого вещества планеты.

Окислительно-восстановительная функция заключается в химическом превращении главным образом тех веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисления (соединения железа, марганца и др.). При этом на поверхности земли преобладают биогенные процессы окисления и восстановления.

Деструктивная функция обусловливается процессами, связанными с разложением организмов после их смерти, когда происходит минерализация органического вещества, т. е. превращение живого вещества в косное. В результате образуются биогенные и биокосные вещества биосферы.

Средообразующая функция заключается в преобразовании физико-химических параметров среды в результате процессов жизнедеятельности. Не только организмы приспосабливаются к среде обитания, но и среда изменяется в результате жизнедеятельности организмов.

Транспортная функция – это осуществление переноса вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении. Живое вещество – единственный (помимо поверхностного натяжения) фактор, обусловливающий обратное перемещение вещества – снизу вверх, из океана – на континент, реализующий, восходящую ветвь биохимических циклов.

4. Энергетика биосферы

Лучистая энергия Солнца – главный источник энергии, определяющий тепловой баланс и термический режим биосферы земли. При этом следует заметить, что земля получает лишь 5× 10-¹º -ю часть общей, излучаемой солнцем, энергии.

Источник и качество доступной энергии определяет характер функциональных процессов, протекающих в экосистеме. Существует по опр. Ю. Одума четыре фундаментальных типа экосистемы по преобладанию энергетики биосферы:

1. Несубсидируемые природные, получающие энергию от солнца.

Примеры: открытые океаны, высокогорные леса. Они почти не получают дополнительную энергию, помимо солнечного света, и занимают огромные площади, покрывая почти 70 % площади земного шара. Это основной “модуль жизнеобеспечения”, гомеостаз, стабилизирующий и поддерживающий условия на “космическом корабле”, имя которому Земля. Именно здесь ежедневно очищаются большие объемы воздуха, возвращается в оборот вода, формируются климатические условия. Это еще эстетические ценности беспредельного океанического пейзажа, величие нетронутого леса и др.

2. Получающие энергии от солнца, но с естественной энергетической субсидией.

Это природные системы, обладающие естественной плодородностью и характеризующиеся не только высокой поддерживающей способностью, но и производящие излишки органического вещества, которые могут выноситься в другие системы или накапливаться. Примеры дополнительной энергии: энергия приливов, прибоя, течения рек, ветры, дожди и др.

3. Получающие энергию от солнца, субсидируемой человеком.

Примеры: агросистема, аквакультура. Это системы, производящие продукты питания и волокнистые материалы и получающие дотации в форме горючего (или других формах), поставляемого человеком. Это энергия тратится на возделывание, орошение, удобрение, селекцию и борьбу с вредителями. Это тракторное горючее, мышечное и нервное усилие человека. Человек старается направить как можно больше энергии на производство продуктов питания, которые он может немедленно использовать, а природа обычно распределяет продукты фотосинтеза между многими видами и веществами и накапливает энергию “на черный день”; это, так называемая, “стратегия повышения разнообразия в целях выживания”.

4. Промышленно-городские системы, получающие энергию топлива. Примеры: города, пригороды, индустриализованные зеленые зоны. Это системы, в которых генерируется наше богатство, а также загрязняющие природу вещества. Главным источником энергии здесь, служит не солнце, а топливо. Эта система зависит от экосистем первых трех типов, использует их, получая продукты питания и топливо. Это система отличается двумя особенностями: первая — огромная потребность в энергии плотно населенных индустриально-городских районов, где люди живут на небольшой площади городов; вторая полная замена энергообеспеченностью всех функциональных экосистем.

5. Круговороты веществ

Малые миграционные потоки химических элементов как между взаимосвязанными организмами, так и между организ­мами и окружающей их средой складываются в более крупные циклы — круговороты. Продолжительность и постоянство су­ществования жизни поддерживают именно круговороты, пото­му что без них даже в масштабах всей Земли запасы необходи­мых элементов были бы очень скоро исчерпаны.

5.1. Круговорот биологический

Круговорот биологический (биотический) — явление не­прерывного, циклического, закономерного, но неравномерного во времени и пространстве перераспределения вещества, энер­гии1 и информации в пределах экологических систем различного иерархического уровня организации — от биогеоценоза до био­сферы. Круговорот веществ в масштабах всей биосферы назы­вают большим кругом, а в пределах конкретного био­геоценоза — малым кругом биотического обмена. Часть биологического круговорота, состоящая из кругово­ротов углерода, воды, азота, фосфора, серы и других биоген­ных веществ, называют биогеохимическим круговоротом.

Некоторое количество вещества может на время выбы­вать из биологического круговорота (осаждаться на дне океа­нов, морей, выпадать в глубины земной коры и т. п.). Однако в результате протекания тектонических и геологических про­цессов (вулканической деятельности, подъема и опускания земной коры, изменения границ между сушей и водой и др.) осадочные породы вновь включаются в круговорот, назы­ваемый геологическим циклом или кругово­ротом.

Круговороты веществ от продуцентов к консументам раз­личных уровней, затем к редуцентам, а от них вновь к проду­центам замкнуты не полностью. Если бы в экосистемах су­ществовала их полная замкнутость, то не возникало бы ника­ких изменений среды жизни, не было бы почвы, известняков и прочих горных пород биогенного происхождения. Таким обра­зом, биотический круговорот можно условно изобразить в виде незамкнутого кольца. Потери вещества из-за незамкнутости круговорота мини­мальны в биосфере (самой крупной экосистеме планеты). Ин­формация в экосистемах теряется с гибелью видов и необрати­мыми генетическими перестройками.

Таким образом, каждая экосистема поддерживает свое су­ществование за счет круговорота биогенов и постоянного прито­ка солнечной энергии. Круговорот энергии в экосистемах прак­тически отсутствует, поскольку от редуцентов она (энергия) воз­вращается к консументам в мизерных количествах. Считают, что коэффициент круговорота энергии не превышает 0,24%. Энергия может накапливаться, сберегаться (т. е. преобразовы­ваться в более эффективные формы) и передаваться из одной части системы в другую, но она не может быть снова пущена в дело, как вода и минеральные вещества. Единожды пройдя от растений-продуцентов через консументы к редуцентам, энергия выносится в околоземное и космическое пространство. При дви­жении через экосистему поток энергии затрагивает в основном ее биоценоз, поэтому он подробно рассмотрен ранее.

5.2. Круговорот биогенных элементов

Продуценты, консументы, детритофаги и редуценты экосистемы, поглощая и выделяя различные вещества, взаи­модействуют между собой четко и согласованно. Органические вещества и кислород, образуемые фотосинтезирующими расте­ниями, — важнейшие продукты питания и дыхания консу-ментов. В то же время выделяемые консументами диоксид уг­лерода и минеральные вещества навоза и мочи являются био­генами, столь необходимыми продуцентам. Поэтому вещества в экосистемах совершают практически полный круговорот, по­падая сначала в живые организмы, затем в абиотическую сре­ду и вновь возвращаясь в живое. Вот один из основных прин­ципов функционирования экосистем: получение ресурсов и переработка отходов происходят в процессе круговорота всех элементов.

К числу наиболее важных и распространенных биогенных элементов относятся кислород, углерод, азот и фосфор.

5.2.1. Круговорот углерода

В ходе фотосинтеза атомы углерода переходят из соста­ва углекислого газа СО2 в состав глюкозы и других органиче­ских веществ растительных клеток. Далее они переносятся по пищевым цепям, образуя ткани всех остальных живых су­ществ экосистемы. Однако побывать в составе клеток живых организмов всех трофических уровней удается только малому числу атомов углерода, так как на каждом уровне большинст­во органических молекул расщепляется в процессе клеточного дыхания для получения энергии. После этого атомы углерода поступают в абиотическую часть окружающей среды в составе углекислого газа, чем завершается один цикл и создаются предпосылки начала другого цикла. Аналогичным образом углерод возвращается в атмосферу при сжигании любых органических соединений, например древесины, сухой травы или листьев, а также ископаемого топлива.

Вывод части углерода из естественного круговорота эко­системы и «резервирование» в виде ископаемых запасов орга­нического вещества в недрах Земли является важной особен­ностью рассматриваемого процесса. В далекие геологические эпохи значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась в виде детрита. Позже слои детрита были погребены под слоями различных минеральных осадков, где под действием высоких температур и давления за миллионы лет превратились в нефть, уголь и природный газ (в зависимос­ти от исходного материала, продолжительности и условий пре­бывания в земле). Подобные процессы протекают и в настоя­щее время, но значительно менее интенсивно. Их результат — образование торфа.

В водных экосистемах прерывание круговорота углерода связано с включением СО2 в состав известняков, мела, корал­лов в виде СаСО3. При этом углерод исключается из круговоро­та на целые геологические эпохи.

5.2.2. Круговорот фосфора

Из всех макроэлементов (элементов, необходимых для всего живого в больших количествах) фосфор — один из самых редких в доступных резервуарах на поверхности Земли. В при­роде он содержится в различных природных минералах (прежде всего в ряде горных пород) в виде неорганического фосфат-иона (РО43–). Фосфаты растворимы в воде, но не летучи. При разрушении горных пород или выщелачивании атмосфер­ными осадками соединения фосфора растворяются. Далее из водного раствора РО43– поглощается растениями и включается в состав их органических соединений, выступая в дальнейшем в форме «органического фосфора».

По пищевым цепям фосфор последовательно переходит от растений к организмам всех трофических уровней, и анало­гично углероду в каждом из организмов велика вероятность окисления при клеточном дыхании фосфорсодержащего со­единения с целью получения необходимой для жизнедеятель­ности энергии. Если это происходит, то фосфат в составе мочи или ее аналога выводится из организма в окружающую среду, где может снова быть поглощен растениями и вновь запущен в круговорот.

Принципиальное различие круговоротов фосфора и углеро­да состоит в наличии либо отсутствии газовой фазы на одном из этапов цикла. Диоксид углерода в газообразном состоянии, попадая в воздух, свободно распространяется в атмосфере, пере­носясь на неограниченные расстояния, пока снова не будет ус­воен растениями. В круговороте фосфора подобного этапа нет.

Попадая со сточными водами в водоемы, фосфат насыщает, а порой перенасыщает их экологические системы. Обратно на сушу фосфор в естественных условиях возвращается практиче­ски только с пометом, и после гибели рыбоядных птиц. Абсолют­ное большинство фосфатов образует донные отложения, и кру­говорот вступает в свою самую замедленную фазу. Лишь геоло­гические процессы, протекающие миллионы лет, реально могут поднять океанические отложения фосфатов, после чего возмож­но повторное включение фосфора в описанный круговорот.

Фосфор и другие минеральные биогены циркулируют в пределах экосистемы лишь тогда, когда содержащие их «от­ходы» жизнедеятельности откладываются в местах поглоще­ния соответствующего элемента. В естественных экосистемах преимущественно так и происходит. Однако вмешательство человека, заключающееся в сборе урожая, содержащего извле­ченные из почвы биогены, и перемещение его на большие рас­стояния к местам потребления нарушает круговорот. Отходы жизнедеятельности человека попадают преимущественно в во­доемы. Изъятие фосфора из почв полей в современном сель­ском хозяйстве компенсируется внесением минеральных фос­форных удобрений, получаемых из природных апатитов, глав­ным месторождением которых в нашей стране является Хибинское (Кольский полуостров). Всего в мире ежегодно до­бывают 1—2 млн. т фосфорсодержащих пород.

В результате возникают многообразные отрицательные последствия, разрушающие природные экосистемы, ведущие, в частности, к эвтрофикации водоемов.

5.2.3. Круговорот азота

Главный источник азота органических соединений — молекулярный азот атмосферного воздуха, но растения не спо­собны усвоить его в газообразном виде. Абсолютному боль­шинству организмов азот доступен только в составе ионов ам­мония (NH4+) или нитрата (NO3-). В природных условиях пере­ход азота из газообразного N2 в фиксированную форму (ионы аммония или нитрата) возможен следующим образом:

• при разрядах атмосферного электричества во время гро­зы из азота и кислорода воздуха синтезируются оксиды азота, которые с дождем в виде азотной кислоты или иных растворимых нитратов попадают в почву. Фикса­ция азота возможна и как результат фотохимических реакций в атмосфере. Ежегодная азотфиксация разря­дами молний составляет 4—10 кг/га;

• при отмирании особых азотфиксирующих микроорганизмов (отдельных видов бактерий), обладающих уникальной способностью превращать газообразный азот в аммонийную форму, почва обогащается органическим азотом. Ежегодно они дают около 25 кг/га;

• путем эффективной фиксации азота бактериями, живущими в клубеньках бобовых растений и образующими с ними симбиотические связи, что является хорошим примером мутуализма. Растения обеспечивают бактериям местообитание и пищу (сахара), а взамен получают доступную форму азота. Таким путем в наземных и подземных органах растений (например, сои, клевера или люцерны) за год накапливается азота 150—400 кг/га;

• в водной среде и на очень влажной почве азотфиксация происходит благодаря цианобактериям (от греч. kyanos — синий), способным также и к фотосинтезу. В результате симбиоза от цианобактерий в растения азот попадает в форме нитратов, которые через корни и проводящие пути доставляются к листьям, где используются для синтеза протеинов — основы азотного питания животных.

Таким образом, все естественные экосистемы полностью зависят от азотфиксирующих микроорганизмов. Важную роль в наземных экосистемах играют бобовые расте­ния. Это семейство включает в себя огромное число представи­телей клевера, от обычного для лугов и степей до тропических деревьев и кустарников пустыни. Каждая крупная наземная экосистема имеет характерные для нее виды бобовых. Бобовые обычно первыми заселяют территорию после пожара.

В водных экосистемах круговорот азота происходит анало­гичным образом, причем в роли основных азотфиксаторов вы­ступают синезеленые водоросли.

Возврат азота в атмосферу (минерализация) есть результат деятельности бактерий-денитрификаторов, разлагающих ни траты до свободных азота и кислорода. Бактерии-денитрификаторы более разнообразны и многочисленны, чем азотфикси­рующие бактерии.

Для поддержания интенсивности круговорота азота при современном земледелии (так же, как круговорота фосфора и прочих биогенов) возникающий недостаток азота в почве ис­кусственно компенсируется внесением синтетических мине­ральных удобрений, произведенных на азотнотуковых (от русск. туки — удобрения) комбинатах. Для удобрения полей естественным путем в сельском хозяйстве успешно использу­ют азотфиксацию бобовыми растениями. Для этого поля пери­одически засевают соответствующими культурами, а затем их запахивают в почву.

При неразумном применении удобрений на полях избыток нитратов смывается и попадает в водоемы, что способствует их эвтрофикации.

Вещества, не характерные для живых тканей, не имеют ес­тественных (природных) циклов круговорота в экосистемах либо характеризуются очень слабым (малоинтенсивным) круговоротом, потому они имеют тенденцию накапливаться в тка­нях живых организмов. К подобным вещест­вам относятся, например, радиоактивный стронций-90, неког­да существовавший в природе, однако из-за малого периода полураспада к определенному моменту времени полностью ис­чезнувший в биосфере и вновь появившийся после того, как началось искусственное расщепление атома. Это и пестициды, и диоксины, и многие другие соединения, а также тяжелые металлы (ртуть, кадмий, медь, цинк и др.), интенсивность антропогенного вовлечения которых в естественный круговорот значительно увеличилась.

6. Биосфера и ноосфера

Постепенное развитие живого вещества в пределах биосферы земли приводит к изменению качественного состояния самой биосферы, переходу ее в ноосферу. Под ноосферой понимают сферу взаимодействия природы и общества, в которой разумная деятельность людей становится главным определяющим фактором развития. Название ноосфера происходит от греческого “ноос” – разум и обозначает сферу разума. Первое употребление термина “ноосфера” принадлежит ученикам .

Оценивая роль человеческого разума и научной мысли как планетарное явление, пришел к следующим выводам:

• Ход научного творчества является той силой, которой человек меняет биосферу, в которой он живет.

• Проявление изменения биосферы есть неизбежное явление, сопутствующее росту научной мысли.

• Так как среда жизни – биосфера — есть организованная оболочка планеты, то вхождение в нее в ходе ее длительного геологического существования – есть природный процесс перехода биосферы в новую фазу, в новое состояние, в ноосферу.

После накопился и огромный фактический материал по биосфере, по производственной деятельности человеческого общества. В своих главных проявлениях, рождающаяся ноосфера характеризуется следующими признаками:

• возрастающим количеством механического извлекаемого материала литосферы — ростом разработки месторождений полезных ископаемых.

• массовым потреблением продуктов фотосинтеза прошлых геологических эпох, преимущественно в энергетических целях.

• процессы в ноосфере приводят к рассеиванию энергии земли, а не к ее накоплению, что было характерным для биосферы до появления человека. Возникает важная энергетическая проблема.

• в ноосфере в массовом количестве создаются вещества, ранее в биосфере отсутствующие, в том числе чистые металлы. Происходит металлизация биосферы.

• для ноосферы характерны появление новых трансурановых химических элементов в связи с развитием ядерной технологии и энергетики.

• ноосфера выходит за пределы биосферы в связи с огромным прогрессом научно-технической революции. Возникла космонавтика. Создается принципиальная возможность создания искусственных биосфер на других планетах.

• в целом, в связи с образованием ноосферы, наша планета переходит в новое качественное состояние. Если биосфера – это сфера земли, то ноосфера – это сфера солнечной системы.

Контрольные вопросы и задания

1. Дайте определение биосферы.

2. Кто впервые ввел в науку термин «биосфера»?

3. Назовите основные оболочки Земли.

4. Каковы важнейшие аспекты учения о биосфере?

5. Чем отличается земная кора от мантии и ядра?

6. Как отражается на развитии жизни на Земле нарушение равновесия О2/СО2?

7. Почему человек абсолютно зависим от жизнедеятельности и разнообразия других организмов?

8. Что такое ноосфера и почему возникло это понятие?

9. Возможно ли возникновение ноосферы в результате коэволюции человеческого общества и природной среды?

10. Что такое природные ресурсы?

11. Как классифицируются природные ресурсы?

12. Как формировалась кислородная атмосфера Земли?

Источник: pandia.ru

Свойства биосферы необходимые для возникновения и продолжения жизни

Что такое биосфера

  • Наличие CO2 и кислорода;
  • вода – источник жизни на земле, присутствие, как пресных водоемов, так и соленых;
  • регуляция температуры: отсутствие резких перепадов, сверхвысоких и низких показателей;
  • обеспечение всего живого продуктами питания;

До сих пор нет единого определения. Существует три версии, что такое биосфера:

  1. Общая масса всех живых существ, которые обитают в оболочках земли, является биосферой.
  2. Организмы и места их жизнедеятельности вместе составляют биосферу.
  3. Это следствие продолжительной жизни существ, обитавших задолго до наших дней.

Ученые-геологи считают правильной первую точку зрения, так как другие не имеют теоретического подкрепления.

Биосфера простилается по всей поверхности Земли (горы, поля, реки, моря, океаны) и создает условия для жизнедеятельности всех организмов. Человек также является составляющим звеном.

Границы

Где проходят границы биосферы
Границы биосферы в км

Чем определяются границы распространения биосферы?

Поскольку Живое — главная составляющая биосферы, ее границы определяются возможностью выживать отдельных индивидуумов в условиях окружающей среды. В верхних слоях ультрафиолетовое излечение не дает развиваться живым организмам – это определяет верхнюю границу биосферы. Высокие температуры в земных глубинах устанавливают нижнюю черту жизни.

Где проходят границы биосферы?

Атмосфера – воздушный слой земного шара, состоит из азота, кислорода, диоксида углерода и др. Она защищает Землю от перегрева, действия космической радиации, ультрафиолета, метеоритов. В составе атмосферы выделяют: тропосферу, стратосферу, ионосферу.

Тропосфера (озоновый слой земли) является верхней границей биосферы, находится на высоте 20 км.

Стратосфера – располагается на высоте 50 км над уровнем моря, воздух разжижается, нагревается, увеличивается концентрация озона, условия становятся непригодными для жизни.

Ионосфера – поверхностный слой атмосферы, поддается воздействию космического излучения, поэтому сильно ионизированный.

Литосфера – земная кора, твердый слой, который уходит на глубину 200км. К биосфере относится верхний шар, населенный живыми организмами. Нижняя граница по литосфере достигает 4км, глубина где были найдены бактерии. Опускаясь ниже, температура возрастает, достигая 100 градусов, что несовместимо с существованием живых организмов, происходит денатурация белка, все живое – гибнет.

Гидросфера – совокупность наземных и подземных вод. Это одна из оболочек нашей планеты, которая окружает материки и острова, составляет 70% поверхности земного шара. Нижняя граница биосферы расположена на глубине около 11 км. (в области Тихого океана).

Схема границ биосферы
Схема границ биосферы

Слои биосферы

Эубиосфера – основная прослойка биосфера. 99,9% живых существ постоянно населяют данный слой. Ширина эубиосферы 12-17км.

Парабиосфера, метабиосфера – соответственно верхний и нижний слои бисоферы, куда жизнь попадет случайно, заносится из эубиосферы.

Апобиосфера и абиосфера — самый верхний и самый нижний слои, куда жизнь не может попасть даже случайно.

В зависимости от среды обитания живых организмов выделяют:

  • Аэробиосферу (жизнь осуществляется за счет атмосферной влаги и солнечной энергии, от верхушек деревьев до стратосферы);
  • геобиосферу (организмы населяют почву, поверхность суши, деревья);
  • гидробиосферу (все водные структуры заселенные гидробионтами, исключая подземные воды).

Структура биосферы и ее состав

Живое вещество Вернадский описывал как общее число всех живых организмов населяющих планету в данный период времени.

Основные свойства:

  • В нем сосредоточено огромное количество энергии;
  • скорость течения реакций в живом организме быстрее, чем в искусственно созданных условиях;
  • составляющие живого вещества стабильны только в жизнеспособном организме;
  • возможность существовать в разных условиях, заполняя все пространство. Это явление Вернадский назвал «всюдностью жизни»;
  • отдельные особи всегда являются частью экосистемы;
  • живое вещество эволюционирует, приобретает новые свойства, адаптируется к изменчивости внешней среды.

Биогенное вещество – продукты жизнедеятельности живого. В процессе жизни организмы пропускают через себя многократно все составляющие биосферы, так образуются залежи нефти, газа, угля, торфа и др.

Косное вещество – формируется без участия живой материи (небиогенные горные породы, минералы).

Биокосное вещество – создается при взаимодействии живого и неживого (вода, приземная атмосфера, почва).

Структура и состав биосферы
Структура и состав биосферы

Живое вещество распределено не равномерно на просторах земли, ее концентрация увеличивается возле экваториальной плоскости, на полюсах планеты жизни мало.

Скопление живых организмов находятся на границах слоев биосферы: на дне океана – проходит граница между литосферой и гидросферой, в поверхностных водах Мирового океана – рубеж между гидросферой и атмосферой, на границе литосферы и атмосферы находится почва – место обитания микроорганизмов, насекомых, других животных. В этих местах создаются благоприятные условия для существования: высокая концентрация кислорода, доступ к солнечному свету, влага, питательные вещества.

Соотношение видов живых организмов показывает преобладание растительности, она занимает 99% от всего живого, животные – 1%, люди – 0,0002%.

Функции биосферы

Энергетическая – аккумуляция солнечного излучения в процессе фотосинтеза (переход энергии солнечного света с помощью пигментов растений в органические связи) и ее трансформация, с последующим распределением между всеми живыми организмами.

Газообразующая – поддержание стабильного газового состава атмосферы (выделение кислорода, поглощение диоксида углерода).

Концетрационная – сосредотачивают в теле химические вещества, образуя в дальнейшем полезные ископаемые.

Круговорот вещества в биосфере

Растения в процессе роста и развития используют минеральные вещества из почвы, адсорбируют воду с помощью корня, перерабатывают энергию Солнца, образуют органические вещества из неорганических, из атмосферного воздуха листьями поглощается диоксид углерода и выделяется кислород посредством фотосинтеза.

Животные и человек дышат кислородом, используют органические вещества образованные растениями. После смерти, скопление органических веществ растений и животных разлагается под действием микроорганизмов, и переходят в неорганическое состояние.

Процесс преобразования энергии и вещества начинается сначала – это и есть жизненный круговорот.

Источник: animals-world.ru


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.