Сущность биосферы

Сущность биосферы

Сущность биосферы

План

Введение. Понятие биосферы

1. Характеристика и структура биосферы

2. Основные биохимические циклы круговороты биогенных элементов)

3. Продукционная и регуляторная функции биосферы как основа жизнеобеспечения общества

Заключение

Список использованной литературы

Введение. Понятие биосферы

Существуют два основных определения понятия биосфера», одно из которых известно со времени появления в науке данного термина. Это понимание биосферы как совокупности всех живых и неживых организмов на Земле.

Биосфера (от греч. bios -- жизнь, sphaira -- пленка) -- живая оболочка Земли.

Термин «биосфера» впервые был использован известным австрийским ученым Э. Зюссом (1831-1914) в его книге «Лик Земли» (1875).

Позднее термин «биосфера» использовали и другие ученые, но учение о биосфере в современном понимании было сформулировано В. И. Вернадским (1863-1945) в его знаменитой книге «Биосфера» (1926). По В. И. Вернадскому, Биосфера «представляет собой определенную геологическую оболочку, резко отличную от всех других оболочек нашей планеты...» И далее: «живое вещество биосферы, единственной области планеты, закономерно связанной с космическим пространством, есть совокупность ее живых организмов, ее живого вещества как планетного явления. Живое вещество проникает всю биосферу и ее в значительной степени создает».

Как отмечал академик, геохимические процессы на Земле и формирование лика Земли связаны с живыми существами, поэтому биосфера включает в себя собственно живую оболочку Земли (живой материал в виде живых организмов, населяющих Землю в каждый момент) и былые живые оболочки (былой живой материал), границы которых определяются распределением биогенных осадочных пород.

Таким образом, биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы, от которой она, с одной стороны зависит, а с другой - сама воздействует на нее. Поэтому перед естествоиспытателями возникает задача - конкретно исследовать, каким образом и в какой мере живое вещество влияет на физико-химические и геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в земной коре. Только подобный подход может дать ясное и глубокое представление о концепции биосферы. Такую задачу как раз и поставил перед собой выдающийся российский ученый Владимир Иванович Вернадский (1863 - 1945). Ученый отмечал: «…Века и тысячелетия прошли, пока человеческая мысль могла отметить черты единого связного механизма в кажущейся хаотической картине природы».Развитые им положения стали одним из крупнейших естественнонаучных обобщений XX в.

1. Характеристика и структура биосферы

Факты и положения о биосфере накапливались постепенно в связи с развитием ботаники, почвоведения, географии растений и других преимущественно биологических наук, а также геологических дисциплин. Те элементы знания, которые стали необходимыми для понимания биосферы в целом, оказались связанными с возникновением экологии, науки, которая изучает взаимоотношения организмов и окружающей среды. Биосфера является определенной природной системой, а ее существование в первую очередь выражается в круговороте энергии и веществ при участии живых организмов.

Первым из биологов, который ясно указал на огромную роль живых организмов в образовании земной коры, был Ж.Б.Ламарк (1744 - 1829). Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.

Очень важным для понимания биосферы было установление немецким физиологом Пфефером (1845 - 1920) трех способов питания живых организмов:

автотрофное - построение организма за счет использования веществ неорганической природы;

гетеротрофное - строение организма за счет использования низкомолекулярных органических соединений;

миксотрофное - смешанный тип построения организма (автотрофно-гетеротрофный).

Биосфера (в современном понимании) - своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

Биосфера располагается на пересечении верхней части литосферы, нижней части атмосферы и занимает всю гидросферу.

Границы биосферы:

Верхняя граница в атмосфере: 15-20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое УФ-излучение, губительное для живых организмов.

Нижняя граница в литосфере: 3,5-7,5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами.

Нижняя граница в гидросфере: 10?11 км. Она определяется дном Мирового Океана, включая донные отложения.

Атмосфера - наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с космическим пространством; через атмосферу осуществляется обмен вещества и энергии с космосом.

Атмосфера имеет несколько слоев:

тропосфера - нижний слой, примыкающий к поверхности Земли (высота 9-17 км). В нем сосредоточено около 80% газового состава атмосферы и весь водяной пар;

стратосфера;

ноносфера - там “живое вещество” отсутствует.

Преобладающие элементы химического состава атмосферы: N2 (78%), O2 (21%), CO2 (0,03%).

Гидросфера - водная оболочка Земли. Вследствие высокой подвижности вода проникает повсеместно в различные природные образования, даже наиболее чистые атмосферные воды содержат от 10 до 50 мгр/л растворимых веществ.

Преобладающие элементы химического состава гидросферы: Na+, Mg2+, Ca2+, Cl-, S, C. Концентрация того или иного элемента в воде еще ничего не говорит о том, насколько он важен для растительных и животных организмов, обитающих в ней. В этом отношении ведущая роль принадлежит N, P, Si, которые усваиваются живыми организмами. Главной особенностью океанической воды является то, что основные ионы характеризуются постоянным соотношением во всем объеме мирового океана.

Литосфера - внешняя твердая оболочка Земли, состоящая из осадочных и магматических пород. В настоящее время земной корой принято считать верхний слой твердого тела планеты, расположенный выше сейсмической границы Мохоровичича. Поверхностный слой литосферы, в котором осуществляется взаимодействие живой материи с минеральной (неорганической), представляет собой почву. Остатки организмов после разложения переходят в гумус (плодородную часть почвы). Составными частями почвы служат минералы, органические вещества, живые организмы, вода, газы.

Преобладающие элементы химического состава литосферы: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K.

Ведущую роль выполняет кислород, на долю которого приходится половина массы земной коры и 92% ее объема, однако кислород прочно связан с другими элементами в главных породообразующих минералах. Т.о. в количественном отношении земная кора - это “царство” кислорода, химически связанного в ходе геологического развития земной коры.

Постепенно идея о тесной взаимосвязи между живой и неживой природой, об обратном воздействии живых организмов и их систем на окружающие их физические, химические и геологические факторы все настойчивее проникала в сознание ученых и находила реализацию в их конкретных исследованиях. Этому способствовали и перемены, произошедшие в общем подходе естествоиспытателей к изучению природы. Они все больше убеждались в том, что обособленное исследование явлений и процессов природы с позиций отдельных научных дисциплин оказывается неадекватным. Поэтому на рубеже ХIХ - ХХ вв. в науку все шире проникают идеи холистического, или целостного, подхода к изучению природы, которые в наше время сформировались в системный метод ее изучения.

Результаты такого подхода незамедлительно сказались при исследовании общих проблем воздействия биотических, или живых, факторов на абиотические, или физические, условия. Так, оказалось, например, что состав морской воды во многом определяется активностью морских организмов. Растения, живущие на песчаной почве, значительно изменяют ее структуру. Живые организмы контролируют даже состав нашей атмосферы. Число подобных примеров легко увеличить, и все они свидетельствуют о наличии обратной связи между живой и неживой природой, в результате которой живое вещество в значительной мере меняет лик нашей Земли.

Биосферу слагают следующие типы веществ:

Живое вещество -- вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, физико-химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности. Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4-3,6·1012 т (в сухом весе) и составляет менее 10-6 массы других оболочек Земли. Но это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты», поскольку живое вещество не просто населяет биосферу, а преобразует облик Земли. Живое вещество распределено в пределах биосферы очень неравномерно.

Биогенное вещество -- вещество, создаваемое и перерабатываемое живым веществом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь всю атмосферу, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти, карбонатных пород и т.д.

Косное вещество -- в образовании которого жизнь не участвует; твердое, жидкое и газообразное.

Биокосное вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, ил, кора выветривания и т. д. Организмы в них играют ведущую роль.

Вещество, находящееся в радиоактивном распаде.

Рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений.

Вещество космического происхождения.

2. Биохимические циклы в биосфере (круговороты биогенных элементов)

Земля - конечное физическое тело, и количество любых химических элементов на Земле конечно. Но уже миллионы лет, с тех пор, как появилась жизнь на планете, идет процесс фотосинтеза органического вещества из неорганических компонентов - и этот процесс бесконечен.

Академик В.Р.Вильямс писал: "Чтобы придать чему-то конечному свойства бесконечного, надо заставить это конечное совершать движение по замкнутой кривой, т. е. вовлечь его в круговорот".

Действительно, все вещества на Земле совершают такие круговороты, называемые биохимическими циклами. Выделяют два основных цикла:

большой - геологический и малый - биотический. Большой круговорот длится долго, сотни тысяч или миллионы лет: горные породы разрушаются, выветриваются и водные потоки сносят их в Мировой океан, где они оседают на дно, лишь часть их возвращается на сушу с осадками, с организмами, которые человек извлекает из моря. Крупные геотектонические изменения (поднятие дна морей, опускание материков) вновь возвращают вещества на сушу - и все повторяется.

Малый круговорот (биотический) является частью большого. Он идет на уровне живой природы. Питательные вещества почвы, вода, углерод идут напостроение органического вещества растений и животных и участвуют в жизненных процессах. После гибели организмов отходы их жизнедеятельности вновь разлагаются на неорганические компоненты (косное вещество) организмами - редуцентами (деструкторами). И все опять повторяется: минеральные вещества идут в пищу растениям и т. д. Малые круговороты с участием живых организмов получили название биохимических циклов.

Если взвесить все живое вещество на планете, оно составит около 2 триллионов тонн. Это огромная величина, но она ничтожно мала в сравнении с массой земной коры - всего одна стотысячная доля и даже меньше. Однако если масса земной коры остается в общем постоянной, то живое вещество обладает уникальным, только ему присущим свойством - самовоспроизводиться. Живые клетки размножаются, воспроизводят сами себя. У некоторых организмов способность размножаться исключительно велика. Если бы не было никаких препятствий, крохотная водоросль диатолия за 8 дней образовала бы биомассу, равную массе Земли. Всего за 8 дней! Так велика сила жизни в ее стремлении захватить максимальное пространство. Каждый год живое вещество биосферы воспроизводит около 250 млрд. тонн биологической продукции. За 3 млрд. лет своего существования общая биомасса живого вещества должна была бы в сотни раз превысить массу земной коры. Однако сила биосферы не в ее массе, а в огромном разнообразии.

В составные компоненты биосферы входят живое вещество и населенные жизнью части гидросферы, атмосферы и литосферы, они тесно связаны друг с другом все вместе составляют единую живую систему - биосистему.

Все живое и каждый живой организм связаны с окружающей средой биологическим круговоротом веществ и потоком энергии. Потребляя и выделяя вещества и энергию, организмы оказывают влияние на среду обитания уже тем, что они живут. Воздействие на окружающую среду, отдельной особи обычно невелико и малозаметно, но все вместе организмы (т.е. все живое вещество) оказываются мощной силой, преобразующей земную поверхность.

Например, только новой растительной массы ежегодно около 170 млрд. (по сухому весу). Из них 115 млрд.дает суша и 55 млрд. - Мировой океан. Так, примерно за миллиард лет фотосинтезирующие водоросли и наземные растения, преобразуя солнечную энергию, создали столько органического вещества, что оно могло бы покрыть всю Землю слоем 2000 км.

Все организмы по их роли, выполняемой в биосфере, разделяют на три группы.

Продуценты - (от лат. «создающий») - автотрофы, обладающие уникальной способностью из неорганических соединений с потреблением солнечной энергии образовывать сложные органические соединения.

Консументы - (от лат. «потребляю или потребители») - гетеротрофы, питающиеся органическими веществами, созданными автотрофами и образующие из них новые органические вещества которых нет в телах автотрофов.

Редуценты - (от лат. «возвращение или разлагатели») - гетеротрофы, способные перерабатывать органические вещества мертвых тел и различные отходы живых организмов, разрушая их до простых неорганических соединений.

Каждая из этих трех групп выполняет свою особую функцию в биосфере. При этом взаимодействуя между собой и с окружающей средой, живые организмы этих 3 групп в глобальной биосистеме создают круговорот веществ и поток энергии от одних компонентов системы к другим, обеспечивая целостность и устойчивое поддержание жизни биосферы.

Однако если бы на Земле существовали только зеленые растения, то спустя некоторое время все минеральные вещества планеты оказались бы связанными в самих растениях (притом в основном в мертвых телах), и в результате рост растений, а затем и их жизнь прекратились вовсе. Но этого не происходит, потому что другие организмы - редуценты, питаясь веществами, заключенными в мертвых телах растений, подвергают их минерализации (деструкции) до простых неорганических соединений, которые затем снова используются автотрофами - продуцентами.

Кроме того, огромные запасы веществ и энергии, заключенные в телах продуцентов, потребляются не только редуцентами, но и консументами, к которым относятся в основном животные: растительноядные, плотоядные, всеядные и паразиты. Продуценты, консументы и редуценты связаны друг с другом и с окружающей абиотической средой сложными пищевыми сетями. Между этими четырьмя компонентами биосферы происходит обмен веществами и энергией. В конечном счете химические элементы оболочек планеты и энергия, поступившая от солнца, через тела растений доходят по пищевым цепям до каждого гетеротрофного живого организма. Таким путём из многочисленных веществ, поддерживающих жизнь организмов разных видов, в биосфере создаётся круговорот веществ и поток энергии. Ввиду огромной роли живого вещества круговорот веществ в биосфере называют биологическим или биотическим.

Могучей движущей силой круговорота веществ и потока энергии на нашей планете является живое вещество.

Итак, биологический круговорот характеризуется наличием четырех обязательных взаимосвязанных компонентов:

1) запаса химических веществ и энергии;

2) продуцентов;

3) консументов;

4) редуцентов.

В итоге все живое биосферы и окружающая среда, откуда организмы черпают средства жизни и куда выделяют все свои продукты жизнедеятельности, создают целостное, тесно связанное, взаимодействующее единство - живую систему (биосистему), которую из-за этой непрерывной взаимосвязи живого вещества с неживой природой называют также экологической системой (экосистемой). Организованная в глобальную биосистему (экосистему), жизнь на планете Земля продолжается непрерывно уже миллионы лет.

Любая биосистема устойчива лишь в том случае, если входящие в ее состав взаимодействующие комплексы живых организмов достаточно полно поддерживают круговорот веществ. Изменения массы живого вещества его структуры, химизма влияют на характер биологического круговорота. Знание качественных и количественных характеристик биологического круговорота, его ритма, интенсивности и скорости движения веществ и энергии возможность прогнозировать степень устойчивости экосистемы.

Биологический круговорот вещества и поток энергии являются главным условием возникновения и существования глобальной экосистемы.

Круговорот веществ в природе - это относительно повторяющиеся (циклические) взаимосвязанные химические, физические и биологические процессы превращения и перемещения веществ в природе.

Движущими силами круговорота служат потоки энергии Солнца (и Космоса в целом) и деятельность живого вещества. Благодаря этим силам идёт перемещение, концентрация и перераспределение огромных масс химических элементов, вовлеченных зелёными растениями с помощью фотосинтеза в органические вещества живых существ.

Круговорот веществ поддерживается в экосистеме планеты постоянным притоком все новых порции энергии. Однако круговорота энергии не бывает. Энергия - согласно закону сохранения, не исчезает бесследно, а преобразуется в процессе жизнедеятельности организмов и, переходя в тепловую форму, рассеивается в окружающем пространстве. В то же время химические элементы, мигрируя с пищей от одного организма к другому, могут выходить в абиотическую среду и вновь вовлекаться автотрофами в круговорот жизни, т.е. многократно двигаются в круговороте.

Биологический круговорот веществ и поток энергии в биосфере напоминают вращение мельничного колеса в струе быстротекущей воды.

В биологическом круговороте веществ биосферы выделяют несколько циклов обращения химических элементов, т.е. путей циркуляции веществ из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. В циклах прослеживают движение жизненно важных - биогенных - элементов например: С, О, Н, N, P. Биогенные элементы разными путями попеременно переходят из живого вещества в неорганическую материю, а из нее вновь поступают в живое вещество и таким образом постоянно входят в состав организмов, участвуя в их жизнедеятельности.

Все биохимические циклы биосферы не замкнуты. При этом каждый новый цикл не является точным повторением предыдущего, так как природа не остается неизменной. Вещества и солнечная энергия вовлекаются в круговорот, но вместе с тем энергия в виде тепла уходит, рассеиваясь в пространстве, нередко и органические вещества выходят из круговорота в окружающую среду, накапливаясь в виде залежей. Поэтому и в отдельных биогеоценозах и во всей биосфере круговороты не замкнуты, а сама биосфера является открытой биосистемой

Круговорот углерода в биосфере.

Углерод - один из распространенных элементов на Земле (11-е место); определяющий все многообразие органических соединений. Источником углерода служит углекислый газ, находящийся в атмосфере и растворенный в воде. Захваченный фотосинтезом углерод превращается в сахара, а другими процессами биосинтеза преобразуется в белки и липиды. Но в процессе дыхания и при разложении мертвых тел с помощью редуцентов углерод вновь вступает в круговорот в форме углекислоты. Углерод входит в состав атмосферы в виде CO2, мела, известняков, мрамора CaCO3, магнезита MgCO3, доломита, малахита, ископаемых углей, нефти, природного газа и других полезных ископаемых надолго оставаясь вне круговорота. Но под воздействием корней растений, животных и деятельности человека (отопление, промышленность) углерод может быть освобожден и тогда вновь окажется в круговороте. Простое вещество углерода может существовать в форме алмаза, графита, карбина, аморфного углерода («древесный уголь», «активированный уголь») и фуллерена.

Парниковый эффект

Круговорот углерода совершается по двум циклам: по большому (геологическому) круговороту, происходящему в течение миллионов лет, и по малому, биологическому круговороту, связанному с жизнедеятельностью организмов. Углерод содержится в атмосфере около 23,5 . 1011 т и служит питанием для растений в процессе фотосинтеза; затем в составе органического вещества (биомассы) проходит по пищевым цепям. При дыхании растений, животных и других живых организмов выделяется CO2; таким образом углерод возвращается в атмосферу.

Часть углерода в мертвой органике переходит в ископаемое топливо (каменный уголь, торф); в процессе горения углерод в виде CO2 возвращается в атмосферу.

Проблема "парникового эффекта" CO2 улавливает тепло от нагретой поверхности Земли, препятствуя стоку тепла от Земли в Космос. Это явление получило название "парниковый эффект". Кроме CO2 существует множество других "парниковых газов, которые в зависимости от их вклада" можно расположить в следующий ряд: водяной пар, CO2, метан, фреоны, закись азота (гемиоксид) N2O. Это наиболее значимые.

Заметный рост концентрации CO2 в атмосфере начался в конце 18 века. Это было связано с вырубкой лесов и сжиганием ископаемого топлива. В настоящее время от сжигания различного топлива в атмосферу ежегодно поступает 0,7% общего количества атмосферного CO2. Среднегодовая температура за последние 100 лет возросла ~ на 0,5°С. Соответственно уровень Мирового океана за этот период поднялся на 10-15 см за счет теплового расширения вод Мирового океана и частично - таянием ледников. Все это свидетельствует о том, что человеческая деятельность (антропогенный фактор) оказывает все большее влияние на глобальные процессы, связанные с тепловым режимом нашей планеты.

Круговорот фосфора в биосфере.

Фосфор - «элемент - одиночка». Простое вещество при обычных условиях существует в виде целого ряда аллотропных модификаций, главные из них - белый, красный и черный фосфор. Фосфор в свободном состоянии в природе не встречается, а входит в состав минералов типа апатитов 3Ca3(PO4)2 CaF2 и фосфатов Ca3(PO4)2 . Фосфор - важная составная часть цитоплазмы и нуклеиновых кислот. Редуценты, минерализуют органические соединения фосфора в фосфаты, которые вновь потребляются корнями растений. Много фосфора накапливается в горных породах, в глубинных отложениях, откуда с помощью животных снова возвращается в круговорот.

Круговорот воды на поверхности земного шара известен: действием солнечной энергии в результате испарения создается атмосферная влага, она конденсируется в форме облаков, с их охлаждением вода выпадает виде осадков (дождь, снег, град), которые поглощаются почвой или стекают в реки, озера, моря и океаны. Количество воды, испаряемой растениями с помощью транспирации, всегда больше, чем испаряемой с поверхности водоемов. Круговорот воды в бассейне реки Конго - пример регионального круговорота воды. Вода, теряемая в процессе испарения тропическим лесом и саванной, впоследствии возвращается с осадками в почву. Притом осадки более обильны, чем сток воды в море.

Круговороты, происходящие в биосфере, очень сложны и тесно связаны между собой. Вливаясь в общий биологический круговорот, они составляют основу существования и развития глобальной экосистемы, обеспечивая ее динамическую устойчивость и поступательное развитие. Движущей силой биологического круговорота веществ на нашей планете является жизнедеятельность организмов.

Страницы: 1, 2