Современное учение о биосфере разработано




Введение.
Тема 1. Учение о биосфере и ее эволюции.

  • Воздушная оболочка Земли, состав и ее функции.
  • Водная оболочка Земли.
  • Литосфера.

Тема 2. Основные законы и принципы экологии.
Тема 3. Экосистемы и их особенности.
Тема 4. Круговороты веществ.
Тема 5. Воздействия на окружающую среду.
Заключение.                                                 
Список использованной литературы.


   Термин «биосфера» предложен в 1875 году австрийским геологом Э. Зюссом, с греческого «bios» — жизнь и «sphaira» — шар. В начале XX в. академик В.И. Вернадский разработал учение о биосфере.

гласно учению Вернадского В.И. биосфера представляет собой оболочку Земли, включающую все живое вещество и область ее распространения.
   Биосфера — область существования и функционирования ныне живущих организмов, охватывающая нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу, поверхность суши и верхние слои литосферы. Биосфера включают в себя живые организмы и среду их обитания, самая крупная экосистема земного шара, которая делится на экосистемы более низкого иерархического уровня. Биосфера характеризуется большим кругом биотического обмена веществ
Биосфера, возникшая 3-4 млрд. лет назад является не только сочетанием живого вещества с областью его распространения, но и тесным их взаимодействием. Как живое вещество является составляющей частью биосферы, так и биосфера есть результат развития живого вещества как планетарного явления, служащего могучей геологической силой, связанной с другим веществом биосферы. Живое вещество — по В.И.Вернадскому — совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, открытая система, для которой характерны рост, размножение, распространение, обмен веществ и энергии с внешней средой. Живое органическое вещество рассматривается в качестве носителя свободной энергии в биосфере.
   Каждый живой организм в биосфере – природный объект, живое природное тело. Живое вещество биосферы есть совокупность живых организмов в ней живущих. В биосфере существует «пленка жизни», в которой концентрация живого вещества максимальна, это поверхность суши, почвы и верхние слои вод Мирового океана.

r />В.И. Вернадский считал, что земная кора представляет собой в основном остатки былых биосфер, и даже ее гранитно-гнейсовый слой образовался в результате метаморфизма и переплавления пород, некогда возникших под влиянием живого вещества. Лишь базальты и другие основные магматические породы он считал глубинными, не связанными по своему генезису с биосферой.
   Органическая жизнь сосредоточена в литосфере (верхняя часть твердой поверхности земной коры), в гидросфере (моря, реки, озера и Мировой океан), а также в атмосфере.
Верхней границей биосферы является защитный озоновый экран на высоте 20-25 км, выше которого жизнь невозможна из-за действия жесткого УФ-излучения. (рис.1)
   Нижняя граница биосферы — литосфера до глубины 4-5 км на суше и 1-2 км ниже дна океана и гидросфера до глубины 12 км, эта граница лимитируется температурой, при которой организм может существовать и развиваться. Около 99% всего вещества в верхних слоях литосферы трансформировано живыми организмами. Для осуществления подобной работы организмы должны обладать значительной массой. Суммарная биомасса сухого вещества живых организмов Земли, включающего около 500 тыс. видов животных, велика и оценивается примерно в 2,4.1012 тонн. Под биомассой понимают общую массу особей одного вида, группы видов или сообщества в целом, приходящейся на единицу поверхности или объёма местообитания. Через живые организмы прошло большое количество элементов верхней части литосферы, атмосферы и гидросферы. При этом биомасса организмов океана ничтожно мала по сравнению с биомассой наземных животных, растений и микроорганизмов.


   За миллиарды лет своего существования биосфера прошла сложный путь развития, называемый эволюцией. Первым этапом эволюции было возникновение самой жизни из неживой материи. Сначала было образование простых органических соединений из метана (СН4), аммиака (NH3), водорода (H) и водяных паров под действием УФ-излучения Солнца, в условиях высоких температур и повышенной вулканической  деятельности. Этими органическими соединениями были молекулы сахаров, аминокислот и других азотистых соединений, т.е. те самые молекулы, из которых состоят белки, нуклеиновые кислоты, вещества-энергоносители типа АТФ (адезинтрифосфата). На этом этапе эволюции важным является то, что органические молекулы стали подвергаться процессам синтеза и разрушения, причем продукты распада одних молекул служили материалом для построения других, таким образом, возник первичный круговорот органического вещества.
Неравномерное распределение органических молекул в толще воды привело к образованию более или менее устойчивых полужидких сгущений или коацерватов (от лат. «коацерватус» — собранный). Особенностью этих сгущений была некоторая граница их раздела с окружающим раствором, эти коацерваты и рассматриваются в качестве первых предбиологических систем, они могли разрушаться, образовываться вновь, а при достижении определенного размера распадаться на дочерние, т.е.


литься. В конце концов, произошел неизбежный качественный скачок: сохранялись только те капли, которые при делении в дочерних каплях сохраняли свои признаки, химический состав и структуру, т.е. приобретали способность к самовоспроизведению.
Кроме того, коацервативные капли обладали способностью избирательно поглощать вещества из окружающего раствора и избавляться от ненужных соединений в процессе обмена веществ и информацией и переноса энергии. Некоторые ученые считают, что с возникновением самовоспроизведения окончилась предыстория развития жизни и коацерватная капля превратилась в простейший живой организм.
   Следующий этап эволюции связан с развитием многоклеточности. Многоклеточность развивалась в результате не законченного бесполого размножения: клетка разделилась, а дочерние части не разошлись. Причем сначала обе клетки были одинаковыми, но затем между ними возникали различия в химическом составе. А это в свою очередь приводило к функциональной специализации: одни клетки были ответственны за ассимиляцию, другие обеспечивали подвижность, третьи приняли на себя функцию выделения, воспроизводства и т.д.
   Многоклеточные организмы совершенствовались и приобретали отличия друг от друга в течение многих миллионов лет. Круговорот органического вещества сменился круговоротом биологическим, заключающемся в непре.

70 млн. лет до 2 млрд. лет), каждый из которых получил свое название:
   Архейская — древнейшая эра в истории развития Земли, когда еще не существовало жизни.
   Протерозойская — эра возникновения первичной жизни (простейших организмов).
Палеозойская — эра древней жизни в геологической истории Земли, характеризующаяся формированием всех типов растений и животных.
   Мезозойская — эра средней жизни в геологической истории Земли, характеризующаяся развитием пресмыкающихся, птиц и первых млекопитающих.
   Кайнозойская — эра новой жизни в геологической истории Земли, эра формирования всех современных форм растений и животных. Она продолжается и в настоящее время.
   Современный этап развития жизни на Земле — антропогенный, который характеризуется высокими темпами эволюции человека, т.е. человеческое общество со всеми его особенностями есть один из последовательных этапов развития жизни на Земле — биогенеза.

то же время оно превратилось в мощную природную силу, которая сознательно, целенаправленно, закономерно и необратимо меняет всю окружающую среду, включая околоземное космическое пространство. Биогенез – (от греческого bios — жизнь и genesis – происхождение) процесс возникновения живого из неживого в эволюции Земли.
   В настоящее время в отличие от первичной биосферы выделяется некоторое новое состояние природы — биотехносфера. Эту новую природно-техническую среду сформировал человек, и поэтому его деятельность следует рассматривать, как интегральную часть биосферы. Таким образом, техника  является не чуждой биосфере, а качественно новым этапом ее развития.
   Предотвратить изменение окружающей среды невозможно, как нельзя остановить социальный и научно-технический  прогресс человеческого общества. Поэтому следует так управлять взаимодействием между человеком и биосферой, чтобы оно было взаимовыгодным, и чтобы развитие общества не привело к деградации биосферы. Значит, с экологических позиций можно говорить о сбалансированности процессов положительной и отрицательной обратной связи между обществом и средой. В отличие от биогенеза, данный этап эволюции жизни рассматривается как этап развития разума, т.е. ноогенез, когда происходит постепенное превращение технобиосферы в ноосферу, сферу разума, высшую стадию развития биосферы. Ноосфера — высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и становлением в ней цивилизованного человечества, когда его разумная деятельность становится главным определяющим фактором.

r />   Основателем учения о ноосфере в ее современном понимании был В.И. Вернадский, который показал, что она является закономерным этапом развития самой биосферы, этапом разумного регулирования взаимоотношений человека и природы. С позиций В.И. Вернадского, на данном этапе эволюции жизни развитие должно пойти по пути ноогенеза. С ноогенезом связано возникновение науки о взаимоуправлении человеческого общества и природы, которую называют ноогеникой. Одна из главных ее задач заключается в исправлении нарушений, отклонений от разумных и целесообразных отношений между человеком и природой и предотвращение подобных отклонений в будущем.
   Воздействие человеческого общества, как единого целого на природу, по своему характеру резко отличается от воздействий других форм живого вещества. Вернадский отмечал, что раньше организмы влияли на историю тех атомов, которые были нужны им для роста, размножения, питания, дыхания. Человек расширил этот круг, влияя на элементы, нужные для техники и создания цивилизованных современных форм жизни, что повлечет глобальные изменения облика и строения биосферы.
   Для совокупности населяющих Землю организмов был введен термин «живое вещество», а биосферой стали называть всю ту среду, в которой это живое вещество находится: водную оболочку Земли, поскольку живые организмы существуют и на самых больших глубинах Мирового океана; нижнюю часть атмосферы, в которой летают насекомые, птицы, обитают животные и люди; также верхнюю часть твердой оболочки Земли – литосферы, в которой живые бактерии в подземных водах встречаются до глубины порядка двух километров, а человек своими шахтами проник до еще больших глубин.
По представлениям В. И. Вернадского, биосфера включает в себя:


  • живое вещество, образованное совокупностью организмов;
  • биогенное вещество, которое создается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, торф, известняки и др.);
  • косное вещество, которое формируется без участия живых организмов (магматические горные породы);
  • биокосное вещество, представляющее собой совместный результат взаимодействия живого вещества и косного (например, почвы);
  • вещество, находящееся в радиоактивном распаде;
  • вещество космического происхождения (метеориты и др.)
  • рассеянные элементы, непрерывно создающиеся из различных веществ под влиянием излучения.

Все эти семь типов веществ геологическисвязаны между собой. Отличия живого вещества от косного заключаются в следующем:

  • изменения и процессы в живом веществе происходят быстрее, чем в косных телах, поэтому для характеристики изменений в живом веществе используется понятие исторического времени, а в неживых телах геологического времени. 1 секунда геологического времени = 100 тысяч лет исторического;
  • в живых организмах существует непрерывный ток атомов: из живых в неживое, и наоборот;
  • только в живых организмах происходят качественные изменения в ходе геологического времени, т.е. эволюция;
  • живые организмы изменяются в зависимости от окружающей среды.

Согласно теории В.И. Вернадского биосфера выполняет несколько функций:

  • кислородная;
  • почвообразующая;
  • хемосинтезирующая – синтез органических веществ из неорганических, возможный только в бактериях (например, только бактерии способны аккумулировать азот из воздуха);
  • круговорот веществ (атомов) в природе, в котором участвует вся атмосфера в целом;
  • структурная – некоторые живые организмы способны изменять облик Земли и т.д.

Источник: allformgsu.ru

Учение о биосфере Земли — одно из крупнейших и наиболее интересных обобщений современного естествознания. Оно является научной основой для исследования природных объектов и комплексного подхода при организации современного производства.
Жизнь на планете протекает и развивается лишь в тонком слое атмосферы, гидросферы и литосферы. Вот эту тонкую земную оболочку, населенную организмами, принято называть биосферой.
Биосфера — область «жизни», пространство на поверхности земного шара, в котором обитают живые существа.
Величие В.И.


рнадского в том, что он впервые понял и научно обосновал единство человека и биосферы.
Владимир Иванович Вернадский (1863-1945) — крупный отечественный ученый, минералог и кристаллограф, один из основоположников геохимии и биогеохимии.
Суть этого учения: биосфера — это качественно своеобразная оболочка Земли, развитие которой в значительной мере определяется деятельностью живых организмов.

Основные положения учения В.И. Вернадского о биосфере.
Прежде всего, В.И. Вернадский определил пространство, охватываемое биосферой Земли. Биосфера (греч. «биос» — жизнь; «сфера» — шар) — оболочка Земли, в которой развивается жизнь разнообразных организмов, населяющих поверхность суши, почву, нижние слои атмосферы, гидросферу.
Планета Земля характеризуется наличием трех поверхностных геосфер — гидросферы, литосферы, атмосферы.
Гидросфера, или водная оболочка Земли, представлена океанами, морями, озерами, реками и искусственными водоемами. Водная оболочка покрывает около 71% поверхности земного шара, наибольшая глубина в западной части Тихого океана достигает 11,5 км (Марианская впадина).
Литосфера, или земная кора, представляет собой внешнюю твердую оболочку земного шара мощностью в несколько десятков километров. В контексте биосферы под литосферой обычно понимают только поверхностную ее часть — почву.
Атмосфера, или воздушная оболочка, состоит из нескольких слоев: тропосферы до 15 км высоты над поверхностью Земли; стратосферы, с озоновым экраном, простирающейся до 100 км высоты; ионосферы, представляющей слой разреженного газа, высотой до 500 км.
Биосфера включает в себя:
1) Живые организмы (растения, животные, микроорганизмы).
2) Тропосфера (нижний слой атмосферы).
3) Гидросфера (океаны, моря, реки и т.д.).
4) Литосфера (верхняя часть земной коры).

Возраст биосферы приблизительно 4 млрд. лет.

Схема строения биосферы
Вернадский различал следующие категории веществ:
1) живое вещество — совокупность живых организмов, населяющих биосферу, (от простейших вирусов до человека), характеризуется химическим составом, массой, энергией, информацией; трансформирует солнечную энергию и вовлекает неорганическую материю в непрерывный круговорот). Живое вещество — «функция биосферы», а биосфера — результат развития живого веществ.
2) биогенное вещество — продукты жизнедеятельности живых организмов (каменный уголь, нефть, торф, мел);
3) биокосное вещество — продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами (почвы, ил, природные воды). Имеет минеральную основу, которая коренным образом преобразована жизнедеятельностью организмов (почвенный покров, воздух, вода).
4) косное вещество — все, что не имело связи с живым (застывшая лава, вулканический пепел).
5) Радиоактивные вещества, получающиеся в результате распада радиоактивных элементов (радий, уран, торий и т.д.).
6) Рассеянные атомы (химические элементы), находящиеся в земной коре в рассеянном состоянии.
7) Вещество космического происхождения — метеориты, протоны, нейтроны, электроны.
В пределах биосферы существуют 4 среды жизни: две мертвые (вода, воздух), одна биокосная (почва) и одна живая (организм).
Процессы, протекающие в экосистеме (число живых организмов, скорость их развития и т.п.), зависят от количества энергии, поступающей в экосистему, и от циркуляции веществ в экосистеме. Биосфера является энергетически незамкнутой системой, в которой идет поглощение энергии из внешней среды.
Живое вещество нашей планеты существует в виде огромного множества организмов разнообразных форм и размеров. В настоящее время на Земле существует более 2 млн. организмов , из них 0,5 — растения, 1,5 — растения и микроорганизмы (из них 1 млн. насекомых).
Основной особенностью живого существа является, кроме клеточной деятельности и передачи информации, способ использования энергии. Живые существа улавливают энергию космоса в виде солнечного света, удерживают ее в виде энергии сложных органических соединений (биомасса), передают ее друг другу и трансформируют в другие виды энергии (механическую, электрическую, тепловую). Неживые вещества преимущественно рассеивают энергию.
Живое вещество, биосфера, преобразует энергию Солнца в свободную энергию, способную совершать работу. Работа, производимая жизнью, состоит в переносе и перераспределении химических элементов в биосфере.
Все почвы и минералы поверхности (чернозем, глина, известняк, руда, месторождение углей и нефти) образовались под воздействием жизни.
Преобразование энергии в организмах основано на разнице температуры и других принципах. Живые существа следует рассматривать как химические машины, где химическая энергия преобразуется в другие виды энергии.
Особенности функционирования живых существ:
• способность к самовоспроизведению;
• способность образования полимерных оболочек, ограждающих живое вещество от косной среды;
• способность аккумулировать и передавать химическую
энергию, а также осуществлять химические реакции в нормальных условиях температуры и давления без образования побочных продуктов. Жизнь на Земле идеально экологична.
Основой динамического равновесия и устойчивости биосферы являются кругооборот веществ и превращение энергии.

Круговорот веществ в биосфере

Основной принцип функционирования экосистем — получение ресурсов и избавление от отходов происходит в рамках круговорота всех элементов.
Рассмотрим такой круговорот для основных компонентов, входящих в состав биосферы.

Круговорот углерода

Для примера рассмотрим круговорот углерода. В атмосфере запасы углерода в виде СО2 невелики, в земной коре они присутствуют в виде ископаемого топлива. Когда около 2 млрд лет назад на Земле появилась жизнь, атмосфера в основном состояла из СО2. Первые организмы были анаэробными, т.е. жили в отсутствие кислорода. Накопление кислорода обусловлено существованием зеленых растений. Сейчас его запасы на Земле оцениваются в 1,6-105т. Эту массу зеленые растения могут создать за 10 тыс. лет. Поступивший в атмосферу по разным причинам углерод усваивается зелеными растениями, выделяющими в процессе своей жизнедеятельности кислород. А в результате потребления животными органических соединений происходит окисление органических веществ до углекислого газа, который поступает в атмосферу. Иными словами, углерод — главный участник биотического круговорота. Человек активно вмешивается в этот круговорот, что может в ближайшие 100 лет привести к изменениям климата, подъему океана, уменьшению количества кислорода в составе атмосферы и пр.

Круговорот серы

Сера преобразуется в различные соединения и циркулирует в биосфере. Из природных источников она попадает в атмосферу в следующем виде:
сероводород (H2S) — бесцветный, дурно пахнущий ядовитый газ — при извержении вулканов, при разложении органических веществ в болотах и затапливаемых приливами низинах;
диоксид серы (SO;) — бесцветный, удушливый газ при извержении вулканов;
частицы сульфатных солей (например, сульфат аммония) — из мельчайших брызг океанической воды.
Около трети всех соединений серы и 99 % диоксида серы, попадающих в атмосферу, имеют антропогенное происхождение. Сжигание серосодержащих углей и нефти для производства электроэнергии дает примерно две трети всех антропогенных выбросов двуокиси серы в атмосферу. Остальная треть приходится на такие технологические процессы, как переработка нефти, выплавка металлов из серосодержащих медных, свинцовых и цинковых руд.
В атмосфере двуокись серы окисляется кислородом до газообразного триоксида серы, который при реакции с водяным паром образует мельчайшие капельки серной кислоты (H2SO4). Взаимодействуя с другими атмосферными компонентами, триоксид серы может образовывать мельчайшие частицы сульфатных солей. Серная кислота и сульфатные соли вносят свой вклад в образование кислотных осадков, нарушающих жизнедеятельность лесных и водных экосистем.

Круговорот воды

Гидрологический цикл, в процессе которого происходит накопление, очистка и перераспределение планетарного запаса воды, состоит в следующем. Солнечная энергия и земное притяжение непрерывно перемещают воду между океанами, атмосферой, сушей и живыми организмами. Важнейшими процессами этого круговорота являются испарение, конденсация, осадки и сток воды назад в море для возобновления цикла.
Под воздействием поступающей солнечной энергии вода испаряется с поверхности океанов, рек, озер, почв и растений и поступает в атмосферу. Ветры и воздушные массы переносят водяной пар в различные районы Земли. Понижение температуры в отдельных частях атмосферы приводит к конденсации водяного пара, образованию облаков и туманов и выпадению атмосферных осадков.
Часть пресной воды возвращается на поверхность земли в виде осадков, замерзает в ледниках. Однако в основном она заполняет понижения и ложбины и стекает в ближайшие озера, ручьи и реки, которые несут ее назад в океан, тем самым, замыкая кольцо круговорота. Такой сток пресных вод с поверхности суши вызывает также эрозию почв, которая приводит к перемещению различных химических веществ в рамках других биогеохимических циклов.
Значительная часть возвращаемой на сушу воды просачивается глубоко в фунт. Там происходит накопление фунтовых вод в водоносных горизонтах — подземных резервуарах. Подземные источники и водотоки в итоге возвращают воду на поверхность суши и в реки, озера, ручьи, откуда она вновь испаряется или стекает в океан. Однако циркуляция подземных вод происходит несравнимо медленнее, чем циркуляция поверхностных и атмосферных вод.

Эволюция биосферы

Первый этап — возникновение и формирование биосферы, характеризуется развитием в гидросфере простейших водных организмов. Это были одноклеточные прокариоты (организмы, не имеющие оформленного ядра), которые в ходе эволюции разделились — на одноклеточных и многоклеточных, растения и животных, особей мужского и женского пола, продуцентов, консументов и редуцентов.
Постепенное увеличение в воде количества кислорода за счет жизнедеятельности организмов и его диффузия в атмосферу сделали возможным быстрое распространение жизни и развитие, обладающих оформленным ядром, клеток, что привело к эволюции более сложных живых систем.
Когда содержание кислорода около 700 млн. лет назад достигло примерно 8%, появились первые многоклеточные организмы.
Примерно 600 млн. лет назад произошел эволюционный взрыв новых форм жизни таких, как губки, кораллы, черви, моллюски, морские водоросли и др.
Таким образом, длительный период (3500 — 400 млн. лет назад) вода была главной средой жизни, а эволюция в ней дошла до высших растений и позвоночных животных.
Вторым этапом эволюции биосферы можно считать появление у гидробионтов паразитов (временных вредных сожителей) и симбионтов (постоянных полезных сожителей). Это привело к формированию второй среды жизни — организма. Явление симбиоза (и паразитизма) продолжало развиваться и с появлением новых сред жизни (воздух, почва).
Третий этап эволюции биосферы — выход организмов из водной среды на сушу, где под их непосредственным влиянием сформировались новые среды жизни — воздух и почва. Выход растений на сушу представлял собой настоящую революцию в истории биосферы, так как развитие окислительной атмосферы в результате фотосинтеза способствовало возникновению многоклеточности. обеспечило выход жизни на сушу. Образование почвы изменило структуру поверхностного слоя планеты, создав условия для мощного развития растительности. Это создало предпосылки для выхода на сушу различных животных. Началось формирование наземных позвоночных. Некоторые амфибии приобрели способность размножаться вне воды. Появились первые пресмыкающиеся. Насекомые начали завоевывать воздушную среду. 190 — 230 млн. лет назад на суше имело место взрывное развитие пресмыкающихся. Это было время динозавров. Около 190 млн. лет назад появились первые млекопитающие, птицы.
Таким образом, около 400 — 350 млн. лет тому назад в биосфере сформировались четыре среды жизни, существующие и поныне: вода, почва, воздух и организм. На протяжении последующей истории Земли шло развитие этих сред жизни, обогащался их химический состав, возникали новые обитатели.
Четвертым этапом эволюции биосферы следует считать появление живорождения у животных: до рождения развивающихся в специальных органах тела матери, а после рождения ведущих свободный образ жизни в воде, воздухе или почве.
Пятым этапом эволюции биосферы следует считать социальный, когда человек из обычного биологического вида стал биосоциальным существом. На данном этапе эволюции биосферы развивающийся человек все более активно входит в различные биоценозы и экосистемы. Он истребляет одни виды, приручает и окультуривает другие, создает новые сорта растений и породы животных.
Шестой этап эволюции биосферы связан с ее переходом под влиянием разумной деятельности человека в состояние ноосферы (сферы Разума). Развитие жизни (биогенез), по представлениям В.И.Вернадского, пойдет по пути развития разума (ноогенеза).
В связи с развитием общества и усилением его отрицательных воздействий на биосферу, особенно с наступлением эпохи научно-технической революции, приведшей биосферу в состояние глобального экологического кризиса, переход биосферы в ноосферу отодвинулся на неопределенное время. Техносферу не следует считать особым этапом развития биосферы, а лишь результатом воздействия человека на окружающую среду в условиях развития современного общества, одерживающего переход к ноосфере. Следует отметить, что предотвратить изменение среды невозможно, как невозможно остановить прогресс человеческого общества. Очевидно, необходимо так управлять процессами взаимоотношений между человеком и биосферой, чтобы они были взаимно выгодны и чтобы развитие общества не привело к деградации биосферы.

Итак, в процессе развития биосферы выделяют 3 уровня :
1) Биосфера
(где человек воздействовал на природу незначительно).
2) Биотехносфера
Техносфера
представляет собой совокупность искусственных объектов, созданных целенаправленной деятельностью человека, и природных объектов, измененных этой деятельностью. Современная биосфера — это результат длительной эволюции органического мира и неживой природы. Человеческое общество — это один из этапов развития жизни на Земле. Деятельность человека следует рассматривать как составную часть биосферы. Техника — это качественно новый этап ее развития. Возникает вопрос — каким путем пойдет развитие человека и биосферы в будущем, какими средствами избежать необратимых последствий в природе. Предотвратить изменения невозможно. Очевидно, что следует научиться управлять процессами между человеком и природой так, чтобы они были взаимовыгодны.
3) Ноосфера — сфера разума.
Это понятие ввел французский математик и философ Ле-Руа в 1927 году, а обосновал Вернадский в 1944 г. Это высшая стадия развития биосферы, когда разумная деятельность человека становится главным, определяющим фактором развития. В ноосфере человек становится крупной геологической силой, он перестраивает своим трудом и мыслью область своей жизни. Человек неразрывно связан с биосферой, уйти из нее не может. Его существование — есть функция биосферы, которую он неизбежно изменяет.

Источник: testent.ru

Биосфера (греч. bios — жизнь + sphaira — шар) — наружная оболочка Земли, населенная живыми организмами, составляющими в совокупности живое вещество планеты. Термин «биосфера» предложен австрийским геологом Э. Зюссом, учение о биосфере было создано и развито российским и советским ученым Вернадским Владимиром Ивановичем.

Биосфера — совокупность всех биогеоценозов, это открытая система, структура и свойства которой определяются деятельностью организмов в прошлом и настоящем. Биосферу можно рассматривать как часть лито-, гидро- и атмосферы, заселенную живыми существами.

Запомните, что наибольшая концентрация живого вещества сосредоточена на границе сред (к примеру, на границе литосферы и атмосферы).

Границы биосферы

Общая толщина биосферы приблизительно 17 км. Живые организмы проникают вглубь литосферы на расстояние до 6-7 км, заселяют всю толщу гидросферы (до самого дна мирового океана). В атмосфере живые организмы встречаются в нижней части — тропосфере, которую сверху ограничивает озоновый слой (часть стратосферы).

Выше «озонового экрана» существование жизни в привычном для нас виде невозможно, так как губительное УФ (ультрафиолетовое) излучение уничтожает все живое. Возникновению жизни в недрах Земли препятствует высокая температура, оказывающая разрушительное воздействие.

Вещество биосферы

Многокомпонентная сложная система биосферы включает несколько отдельных элементов. Вернадский В.И. создал учение, в соответствии с которым вещество биосферы состоит из:

  • Живое вещество
  • Совокупность всех живых организмов на нашей планете. Именно Вернадский показал, что деятельность живых существ — важнейший фактор геологических изменений планеты.

  • Косное вещество
  • Формируется без участия живых организмов. Базальт, гранит, песок, золотоносные руды. К косному веществу можно отнести горные породы магматического происхождения, образовавшиеся в результате извержения вулканов.

  • Биогенное вещество
  • Это вещество образуется живыми организмами в процессе их жизнедеятельности. Примерами биогенного вещества могут послужить залежи известняка, природный газ, кислород, нефть, каменный уголь, торф.

  • Биокосное вещество
  • Биокосное вещество создается одновременно деятельностью живых организмов и косными процессами. Таким образом, биокосное вещество объединяет в себе живое и косное вещества.

    К биокосному веществу относятся пресная и соленая вода, почва, воздух. Почва является верхним наиболее плодородным слоем литосферы Земли. Почва — уникальный продукт совместной деятельности живых организмов, то есть биологических и геологических процессов, протекающих в живой природе.

Функции живого вещества

Важнейший компонент биосферы — живое вещество, то есть — живые организмы. Их деятельность приводит к наиболее значительным геологическим изменениям в биосфере, они обеспечивают круговорот веществ — главное условие зарождения новой жизни.

Перечислим важнейшие функции живого вещества:

  • Энергетическая
  • Живые организмы постоянно получают и преобразуют энергию. Растения преобразуют энергию солнечного света в энергию химических связей, а животные передают ее по цепочке. После смерти растений и животных энергия возвращается в круговорот благодаря бактериям и грибам — сапротрофам (греч. sapros – гнилой), разлагающим мертвое органическое вещество.

  • Газовая
  • Деятельность живых организмов обеспечивает постоянный газовый состав атмосферы. В ходе дыхания животные поглощают кислород и выделяют углекислый газ, а растения в ходе фотосинтеза поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Бактерии хемотрофы также выделяют в атмосферу некоторые газы, полученные окислением сероводорода, азота.

  • Концентрационная
  • Я никогда не перестану восхищаться этой функцией живого вещества. Вы только вдумайтесь: на одной и той же почве, рядом друг с другом, растут совершенно разные растения по форме, размеру и окраске плодов, цветков! Каждый раз задумываешься: как это возможно?

    Это связано с тем, что каждое живое существо избирательно накапливает определенные химические элементы. К примеру, многие моллюски накапливают кальций, образуют известковый скелет — раковину. После их смерти раковины опускаются на дно, в результате чего создаются залежи полезных ископаемых — известняка (мела).

    В результате жизнедеятельности мха сфагнума образуется полезное ископаемое — торф, а папоротниковидные образуют каменный уголь. Это концентрат углеродистых и кальциевых соединений в погибших растениях, которые тысячелетиями отмирали и образовали залежи ископаемых.

  • Окислительно-восстановительная
  • Живые организмы способны окислять и восстанавливать различные химические вещества. На реакциях окисления и восстановления основан метаболизм (обмен веществ) любого живого существа, подобные реакции протекают постоянно в ходе фотосинтеза, энергетического обмена.

  • Деструктивная
  • Без разрушения «старой» жизни, невозможно возникновение «новой». После смерти живых существ их останки подвергаются разрушению, из них высвобождается энергия, накопленная в связях химических веществ. Непрерывный круговорот должен продолжаться всегда — это главное условие жизни.

Теория биогенной миграции атомов Вернадского В.И.

При непосредственном участии живого вещества в биосфере непрерывно осуществляется биогенная миграция атомов. Даже сейчас, с каждым вашим вдохом, атомы кислорода соединяются с гемоглобином эритроцитов, доставляются по крови к клеткам тканей организма и становятся частью ваших клеток.

Откуда взялся кислород, которым мы дышим? Его в процессе фотосинтеза выделили растения. Для процесса фотосинтеза необходим углекислый газ, который в процессе дыхания выделяют животные, углекислый газ, который образуется при разложении останков растений и животных. Получается круговорот атомов.

Все атомы, которыми мы обладаем, которые стали частью наших рук, глаз, носа, языка — все эти атомы кому-то принадлежали до нас! За миллиарды лет существования Земли они успели побывать в мириадах растений, грибов и животных. То, что наши атомы сейчас с нами — великое чудо и немыслимая случайность.

Я искренне восхищаюсь этой теорией, она показывает непрерывность жизни, бесконечность нашего существования и единство всего живого.

Ноосфера

Ноосфера (греч. noos — разум и sphaira — шар) — термин введенный русским ученым В.И. Вернадским. Ноосфера подразумевает взаимодействие природы и общества, при котором человек является главным определяющим фактором эволюции. Человек становится крупнейшей геологической силой.

Споры о том, можно ли считать современный этап развития цивилизации ноосферой остаются открытыми. Основная идея ноосферы — разумное, рациональное поведение человека, при котором он сосуществует в гармонии со всеми другими формами жизни.

К сожалению, нынешняя ситуация напоминает старую поговорку: «Пока не потеряешь, не осознаешь ценность». Неужели растения должны исчезнуть с лица Земли, чтобы мы вспомнили о том, что благодаря фотосинтезу в их листьях мы дышим кислородом? В этом случае чувство нашего ложного величия может сильно пострадать.

Круговорот веществ

Углерод находится в природе в основном в составе углекислого газа, угольной кислоты и ее нерастворимых солей — карбоната кальция (из которого состоят раковины моллюсков). Отмирая, живые организмы образуют залежи полезных ископаемых: торф, древесину, каменный уголь, нефть. Известняк может надолго исключить углерод из круговорота веществ.

Подобно этому, долгое время нефть и уголь были почти полностью исключены из круговорота веществ, однако в настоящее время человек «вернул их в строй» вместе с выхлопными газами.

Азот находится в воздухе, которым мы дышим, и составляет 78% от его объема. Большая часть азота поступает в почву и воду благодаря деятельности микроорганизмов, бактерий и водорослей.

Широко известны клубеньковые бактерии на корнях бобовых растений, находящиеся с ними в симбиозе. Клубеньковые бактерии переводят атмосферный азот в нитраты, которые необходимы для роста и развития растения и могут быть усвоены им, в отличие от атмосферного азота (газа).

В листьях в процессе биосинтеза азот преобразуется в белки. Травоядные животные поедают растения, таким образом, белок включается в их состав. После смерти животных белки разлагаются сапротрофами, которые выделяют аммиак, нитраты. Часть нитратов усваивается растениями, а часть восстанавливается бактериями до атмосферного азота — цикл замыкается.

Источник: studarium.ru

Эволюция биосферы

Крупномасштабные изменения, представленные вековыми сериями сменяющих друг друга на протяжении столетий экосистем, вследствие изменений климата, рельефа местности и других характеристик поверхности Земли охватывали целые геологические периоды.

Первые экосистемы, существовавшие 3 млрд лет назад, были населены анаэробными гетеротрофными микроорганизмами — цианобактерия-ми, существовавшими за счет органического вещества, которое синтезировалось в абиотических процессах. Затем возникли автотрофные водоросли, которые, по-видимому, сыграли одну из главных ролей в превращении восстановительной атмосферы в кислородную. С этого момента на протяжении длительного геологического времени эволюция организмов шла по пути создания все более сложных и разнообразных систем. Принято считать, что естественный отбор, который действовал на видовом или даже более низком уровне организации, сыграл главную роль в эволюции организмов. Однако возможно, что естественный отбор на более высокие уровнях также оказался важным в двух аспектах:

· в аспекте коэволюции, т. е. взаимном отборе зависящих друг от друга автотрофов и гетеротрофов (коэволюция — это тип эволюции сообщества, т. е. эволюционных взаимодействий между организмами, при| которых обмен генетической информацией между группами минимален| или отсутствует);

· в аспекте группового отбора или отбора на уровне сообществ, который ведет к сохранению признаков, благоприятных для группы в целом, причем даже в тех случаях, когда это отрицательно сказывается на одной особи.

Смены флоры и фауны в геологическом масштабе времени отличаются от экологических сукцессии тем, что они начинаются не с заселения новых незанятых мест, а с перестройки внутренних связей в уже сложившихся и функционирующих экосистемах. В этих случаях ряд видов теряет устойчивость к условиям обитания, они замещаются другими видами, более адаптированными к условиям среды. Так, по мере отступления ледников после крупных оледенений отступающие льды полностью нарушали почвенный покров, и в ряде случаев сукцессии шли по типу первичных. Описаны сукцессии от широколиственных мезофильных лесов к пустыням в северной части Средней Азии, которая связана с вековым ходом аридизации климата. Исследования показали, что на территорию Туранской низменности в палеогене и миоцене вслед за отступающим морем Тетис проникли гигрофильные и мезофильные виды флоры и фауны. Позднее сюда внедрились более ксерофильные, галофильные и псаммофильные формы, которые впоследствии сформировали устойчивые экосистемы, адаптированные по отношению к условиям ксерофизации климата, повышению засоленности почв. Параллельно возникли эфемерные виды, приспособленные к резкой сезонной смене условий обитания.

Аналогичные процессы идут в наше время в связи с усыханием Аральского моря — с той разницей, что исходной причиной изменений является деятельность человека. В целом в регионе Арала идет процесс опустынивания, ведущими факторами которого являются поверхностное засоление почвы и ветровая деятельность, определяющая перенос солевых частиц. Падение уровня грунтовых вод влечет за собой расширение зоны сыпучих песков; возрастает степень аридизации. Все это сказывается на состоянии -жосистем на прилежащих территориях Кызылкумов, Приаральских Каракумов, плато Устюрт.

Современные представления о биосфере

Структура и фунциональное строение биосферы. Биосфера — "область жизни", пространство на поверхности земного шара, в котором распространены живые существа. Термин в таком виде был введен австрийским геологом Эдуардом Зюссом (1875). Обсуждая особенности Земли как планеты, он писал: "Одно кажется чужеродным на этом большом, состоящем из сфер небесном теле, а именно органическая жизнь: На поверхности материков можно выделить самостоятельную биосферу". Т.е. термин "биосфера" был употреблен в топологическом смысле и вошел в обиход, не имея четкого определения.

Развернутое учение о биосфере было разработано акад. В.И.Вернадским (1926, "Биосфера"). Он рассматривал биосферу как оболочку Земли, населенную живыми организмами и продукты их жизнедеятельности, подчеркивая также, что состав биосферы определяется деятельностью живых организмов, является результатом их совокупной химической активности в настоящем и прошлом.

Всю совокупность живых организмов как фактор эволюции планеты он обозначал термином живое вещество, противопоставляя его косному веществу, к которому относил все геологические образования, не входящие в состав живых организмов и не созданные ими. Третья категория — биокосное вещество — комплекс взаимодействующих живого и косного веществ (океанические воды, нефть, почва). Биогенное вещество — геологические породы, созданные деятельностью живого вещества (известняки, каменный уголь). Вернадский считал, что земная кора представляет собой остатки былых биосфер.

Фундаментальным отличием живого вещества от косного является эволюционный процесс, непрерывно создающий новые формы живых существ. Многообразие форм жизни и их многофункциональность создают основу устойчивого круговорота веществ и энергии. В этом специфика и залог устойчивости биосферы как уникальной оболочки земного шара.

Таким образом, биосфера, по В.И.Вернадскому, представляет собой одну из геологических оболочек земного шара, глобальную экосистему Земли, в которой геохимические и энергетические превращения определяются суммарной активностью всех живых организмов — живого вещества.

Человечество входит в эту систему как ее составная часть: "Человечество как живое вещество непрерывно связано с материально-энергетическими процессами определенной геологической оболочки Земли — с ее биосферой. Оно не может физически быть от нее независимым ни на одну минуту" (В.И.Вернадский, 1944).

Каждая из геологических оболочек планеты имеет свои специфические свойства, определяющие не только набор форм живых организмов, обитающих в данной части биосферы, но и их основные морфофизиологические особенности, формируя своим влиянием принципиальные пути эволюции и становление фундаментальных черт жизненных форм наземных, водных и почвенных организмов. Таким образом, воздушная, водная и почвенная оболочки земного шара представляют собой не просто пространство, заполненное жизнью, но выступают как основные среды жизни, активно формирующие ее состав и биологические свойства.

На границах трех сред: гидросферы, атмосферы и литосферы — происходит интенсивный обмен веществ, причем здесь часто обитает больше видов, чем в близлежащих участках отдельных сред.

Динамика биосферы

Биогеохимические циклы. В рамках концепции биосферы деятельность живых организмов, населяющих разные среды, интегрируется на уровне биосферы как целостной функциональной системы. Основной ее функцией является поддержание жизни благодаря непрерывному потоку вещества и энергии. Тесная связь биотической и абиотической составляющей экосистемы является главным принципом ее организации и выделения как целостного образования.

Из более 90 известных химических элементов живые организмы используют 30 — 40. В этом отношении человек по своей природе уникален, так как, используя для поддержания жизни примерно 40 элементов, в своей деятельности он пользуется почти всеми имеющимися в природе элементами.

Основные элементы: углерод, водород, кислород, азот — необходимы организмам в больших количествах; их называют макроэлементами. Другие используются в относительно незначительных количествах, почему их часто относят к микроэлементам. Тем не менее все химические элементы циркулируют в биосфере по определенным путям: из внешней среды в организмы и из них опять во внешнюю среду. Эти пути, в большей или меньшей степени замкнутые, называются биогеохимическими циклами.

Термин "биогеохимия" впервые предложен В. И. Вернадским и поддержан в дальнейшем Дж. Хатчинсоном и другими экологами. Биогеохимия изучает обмен веществ между живыми и неживыми компонентами биосферы. Роль экосистем определенного уровня — ландшафтов — в синтезе и распаде различных веществ природного происхождения изучает ландшафтная геохимия.

Осадочный цикл, в котором принимают участие такие химические элементы, как фосфор и железо, в меньшей степени способен к саморегуляции и поэтому легче нарушается. Это связано с тем, что основная часть химических веществ сосредоточена в относительно малоподвижном и малоактивном резервном фонде земной коры. Если изъятие химических элементов в этих циклах происходит быстрее чем возврат, какая-то их часть может на длительное время выбывать из круговорота. Механизмы возвращения химических элементов в круговорот основаны главным образом на биологических процессах.

Схему биогеохимического цикла можно представить в сочетании с упрощенной схемой потока энергии, который приводит в движение круговорот веществ (рис. 4). В природе практически не наблюдается случаев, когда элементы равномерно распределены по всей экосистеме, к тому же они не всегда, находятся в одной и той же форме. При изучении биогеохимических циклов изучают так называемый резервный фонд, то есть ту часть круговорота, которую, условно можно считать отделенной физически или химически от организмов. Однако следует иметь в виду, что между доступными и недоступными фондами существует динамическое равновесие.

Движение химических элементов и неорганических соединений, используемых для жизни и циркулирующих в биосфере, называют круговоротом элементов питания или круговоротом биогенных элементов.

Само понятие оборота следует определить как отношение пропускания к содержанию. Количественно его представляют в виде скорости или времени оборота, т. е. величины, обратной скорости. Скорость оборота — это та часть общего количества данного вещества в данном компоненте экосистемы, которая освобождается или поглощается за определенное время. Время оборота — это время, необходимое для полной смены всего количества этого вещества в данном компоненте экосистемы. Например, если в компоненте содержится 1000 ед. вещества и в час поступает или убывает 10 ед., то скорость оборота равна 10/1000, или 0,01, т. с. 1 % в час. Время оборота будет равно 1000/10, т. е. 100 ч. В геохимии часто используется понятие "время пребывания", которое означает время, в течение которого вещество остается в данном компоненте экосистемы. Оно близко к понятию "время оборота".

Наряду с круговоротами вещества и энергии изучаются "обороты" популяций — время восстановления их численности.

Современное учение о биосфере разработано

Рис. 4. Биогеохимический круговорот (кольцо) на фоне упрощенной схемы потока энергии (по Ю. Одуму, 1986): РG — валовая продукция; РN — чистая первичная продукция, которая может быть потреблена гетеротрофами в самой системе или же экспортирована; Р — вторичная продукция; R — дыхание.

В каждом круговороте веществ различают две части: резервный фонд и подвижный (обменный) фонд. В резервный фонд входят медленно движущиеся вещества, в основном небиологический компонент. Для обменного фонда характерен быстрый обмен между организмами и окружающей средой. Для оценки антропогенной деятельности важны сравнительные объемы резервных фондов; изменениям, как правило, наиболее подвержены малообъемные фонды.

С точки зрения существования биосферы биогеохимические циклы делят на:

· круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере;

· осадочный цикл с резервным фондом в земной коре. Такое разделение имеет смысл, потому что некоторые круговороты, в частности углерода, азота или кислорода, благодаря наличию крупных атмосферных или океанических фондов довольно быстро компенсируют различные нарушения.

Круговороты газообразных веществ с их большими атмосферными фондами в глобальном масштабе хорошо "забуферены" (буферной называют систему, обладающую механизмами поддержания своих параметров (например, концентрации веществ, рН) на постоянном уровне) и в этом отношении являются саморегулирующимися системами. С другой стороны, в осадочных циклах, в которых участвуют такие элементы, как фосфор и железо, механизмы саморегуляции "работают" гораздо хуже и легко нарушаются. Основная масса вещества в осадочных циклах находится в малоподвижном резервном фонде в земной коре.

Большинство элементов и соединений входит в общий осадочный цикл, циркуляция в котором осуществляется за счет эрозионных процессов, осадкообразования, горообразования, вулканической деятельности и биологического переноса.

Твердые частицы, переносимые по воздуху в виде пыли, могут выпадать на землю в виде сухих осадков или вместе с дождем. Они могут состоять из природных веществ (образующихся при вулканических извержениях, ветровой эрозии, лесных пожарах), а также из соединений антропогенного происхождения (например, ядовитые вещества, радиоактивные осадки), которые даже в небольших количествах могут оказывать мощное негативное влияние на живые организмы.

В осадочном цикле большое значение имеет перенос почвенных частиц и химических элементов под воздействием эрозионных процессов. В периоды с малой геологической активностью происходит перенос химических элементов с возвышенностей в понижения, моря и океаны (рис. 12).

Интенсивность осадочного цикла в разных регионах мира неодинакова и зависит от природно-климатических условий, освоенности территории, хозяйственной деятельности человека (табл. 8).

Современное учение о биосфере разработано

Рис. 11. Глобальные круговороты: А — круговорот диоксида углерода. Числа обозначают содержание CO2 в миллиардах тонн; Б — круговорот воды. Содержание Н2 О указано в геограммах (1020 г) (по Ю.Одуму, 1975)

Таблица 8. Годовой вынос осадочного материала в океаны (по Ю. Одуму, 1986).

Территория Площадь водосбора, 1×106 км2 Вынос общий
т/км2 1×109 т
Северная Америка 20,7 634,0 1,96
Южная Америка 19,4 414,3 1,20
Африка 19,9 181,3 0,54
Австралия 5,2 297,5 0,23
Европа 9,3 233,0 0,32
Азия 26,9 346,2 15,91
Всего 101,4 S 20,16

Современное учение о биосфере разработано

Рис. 12. Схема осадочного цикла (по Ю. Одуму, 1975)

Из данных таблицы видно, что особенно велики потери плодородной почвы в Азии. Известно немало случаев, когда из-за разрушения пахотных земель вследствие развития эрозионных процессов люди покидали насиженные места или даже погибали от голода.

Особенность осадочного цикла состоит в том, что химические элементы могут на длительный срок выключаться из круговорота, и это приводит к обеднению экосистемы, если их потери не компенсируются извне. Поэтому необходимо найти способы возвращения в круговорот лимитирующих веществ. В противном случае произойдет резкое снижение продуктивности экосистем.

Говоря о круговороте вещества в экосистеме, обычно имеют в виду не столько само вещество, сколько химические элементы: углерод, кислород, азот и фосфор. Их относят к так называемым биогенным элементам, т. е. элементам, порождающим жизнь. Рассмотрим каждый из них более подробно. Азот и фосфор часто являются лимитирующими элементами и могут контролировать численность организмов, а сера — это химический элемент, который может служить примером связи между воздухом, водой и земной корой, то есть ее круговороту присущи особенности круговоротов азота и фосфора.

Источник: helpiks.org


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.