| Наименование параметра | Значение |
| Тема статьи: | Учение о биосфере |
| Рубрика (тематическая категория) | Экология |
Биосфера – оболочка Земли, состав, структура и энергия которой определяется совокупной деятельностью живых организмов.
Глобальная экология - учение о биосфере Земли.
Биосфера охватывает часть атмосферы до высоты озонового экрана (20-25 км) , часть литосферы и всю гидросферу. Нижняя граница опускается в среднем на 2-3 км на суше и на 1-2 км ниже дна океана.
В биогеохимическом аспекте - это оболочка Земли, в пределах которой распространена жизнь.
Термин ʼʼбиосфераʼʼ ввел Э. Зюсс (1875), понимавший ее как тонкую пленку жизни на земной поверхности, в значительной мере определяющая ʼʼлик Землиʼʼ.
Целостное учение о биосфере разработал В.И. Вернадский.
Основные свойства биосферы по В.И. Вернадскому:
1) целостность и организованность биосферы;
2) ʼʼвсюдностьʼʼ ее живого вещества;
3) наличие в ней четких дискретных образований.
Особо он выделял охваченный жизнью слой биосферы, где сосредоточена основная масса организмов: наземная, планктонная и донная пленка жизни . Биосфера как глобальная система жизни образована совокупностью биогеоценозов.
Вещество биосферы сложно и имеет несколько компонентов :
1) совокупность живых организмов - живое вещество ;
2) вещество, создаваемое и переработанное живыми организмами, - биогенное вещество (каменный уголь, битумы, известняки);
3) косное вещество , образуемое процессами, в которых живое вещество не участвует (твердое, жидкое, газообразное);
4) биокосное , ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ создается одновременно живыми организмами и косными процессами (почти вся вода биосферы, нефть, почва);
5) вещество, находящееся в процессе радиоактивного распада;
6) рассеянные атомы, которые непрерывно создаются из различных видов земного вещества под влиянием космических излучений;
7) вещество космического происхождения, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ включает отдельные атомы и молекулы, входящие в ионосферу из электромагнитного поля Солнца, проникающие из космических пространств.
Живое вещество в биосфере выполняет две основные функции :
1) Энергетическая функция : Чтобы биосфера могла существовать и развиваться, ей необходима энергия, собственных источников которой она не имеет. Она может потреблять энергию только от внешних источников. Таким главным источником для биосферы является Солнце.
2) Средообразующая функция . Выражается в соответствующих биогеохимических функциях, которые свидетельствуют об участии живых организмов в химических процессах изменения вещественного состава биосферы:
а) газовая – поглощение и выделение газов (к примеру, зеленые растения поглощают кислород; бактерии восстанавливают азот, сероводород; животные и растения выделяют углекислый газ).
б) концентрационная – организмы-концентраторы накапливают в своих телах и скелетах азот, фосфор, кремний, кальций, магний.
в) окислительно-восстановительная – живое вещество окисляет, к примеру, углеводы до углекислого газа и восстанавливает его до углеводов.
Г) биохимические функции связаны с жизнедеятельностью живых организмов – их питанием, дыханием, размножением, смертью и последующим разрушением тел. В результате происходит химическое превращение живого вещества сначала в биокосное, а затем, после умирания, в косное.
д) биогеохимические функции, связанные с деятельностью человека
Биосфера представляет собой грандиозную равновесную систему с непрерывным круговоротом вещества и энергии. Развитие биосферы определяется потоком энергии, доминирующим источником которой является Солнце. В биосфере энергия солнечного излучения расходуется, трансформируется, связывается. накопителями энергии являются органические вещества. Поток энергии в биосфере складывается из энергии Солнца и внутренней энергии Земли. При этом энергетический обмен охватывает все составные части биосферы, включая и живое вещество.
Все вещества на планете Земля находятся в процессе биохимического круговорота. Выделяют два базовых круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).
· Большой круговорот длится миллионы лет. Горные породы разрушаются, выветриваются и потоками вод сносятся в Мировой океан, где образуют мощные морские напластования.
· Малый круговорот, являясь частью большого, происходит на уровне биогеоценоза и состоит по сути в том, что питательные вещества почвы, воды, воздуха аккумулируются в растениях, расходуются на создание их массы и жизненные процессы в них.
Вмешательство человека отрицательно влияет на процессы круговорота. К примеру, осушение болот, вырубка лесов или нарушение процессов ассимиляции веществ растениями в результате загрязнения приводят к снижению интенсивности усвоения углерода. Избыток органических элементов в воде под воздействием промышленных стоков вызывает загнивание водоемов и перерасход растворенного в воде кислорода, что препятствует развитию аэробных (потребляющих кислород) бактерий. Сжигая ископаемое топливо, фиксируя атмосферный азот в продуктах производства, связывая фосфор в детергентах (синтетические моющие средства), человек нарушает круговорот элементов.
Скорость круговорота биогенных элементов достаточно высока. Время оборота атмосферного углерода составляет около 8 лет. Общее время круговорота азота оценивается более чем в 110 лет, кислорода - в 2500 лет.
Круговорот веществ в природе подразумевает общую согласованность места͵ времени и скорости процессов по уровням от популяции до биосферы. Такую согласованность явлений природы называют экологическим равновесием. Это равновесие динамичное и подвижное.
В целом принцип круговорота в природе сохраняется. Более простые экосистемы объединены в общую планетарную экосистему - ʼʼбиосферуʼʼ, в которой круговорот веществ проявляется в полной мере.
Продуктивность биосферы по одним оценкам достигает 164 млрд. тонн сухого органического вещества в год. По другим оценкам- 83 млрд. тонн в год: 30 - для океанов и 53 - для наземных биомов .
Хотя океан и покрывает 0,7 общей поверхности Земли, его вклад в производство чистой продукции составляет лишь 40 %. Леса, занимающие лишь 0,1 часть площади материков, фиксируют почти половину общей энергии его продуцентами.
Культивируемые земли обладают высокой первичной продуктивностью. Но она несоизмерима с общей первичной продуктивностью леса. Высокая чистая первичная продуктивность, полученная агрономами, не означает прогресса в использовании фотосинтеза.
Ни одна из составляющих биосферу оболочек не может развиваться изолированно от других. Любое качественное изменение одной из них адекватно сказывается на другой. Всеобщий закон сбалансированности биосферы является основным принципом существования всего органического и неорганического мира.
Количество биомассы живого вещества имеет тенденцию к определенному постоянству. Наблюдается примерное планетарное равновесие между продукцией живого вещества и его разложением. Дисбаланс в данный процесс вносят не только (и не столько) любые естественные катастрофические изменения, происходящие на земле, но и хозяйственная деятельность человека, которая может не только быть соизмерима с катастрофически развивающимися природными факторами, но даже превышать уровень их воздействия.
Потеря объёма биомассы при вторичной продуктивности связана с колоссальными затратами энергии на дыхание, мышечную энергию, передвижение и т. д. Чем больше длина пищевой цепи, тем меньше вторичная продуктивность. К примеру, на производство 1 кг говядины требуется 80 кг травы, а для производства 1 кг форели потребуется 5 кг мяса.
Человечество, люди являются частью биосферы. Благодаря постоянно увеличивающемуся производственному воздействию на окружающую среду человек и общество вносят существенные возмущения в биосферу. Биосфера постепенно эволюционирует в ноосферу.
Понятие ноосферы было введено французскими философами Эдуардом Леруа (1870-1954) и Тейаром де Шарденом (1881-1955).
Ближе всех к пониманию ноосферы пришли русские ученые В.И. Вернадский, К.Э. Циолковский (1857-1935) и А.Л. Чижевский (1897-1964).
Существуют узкое и широкое понятия ноосферы :
- В узком понимании единственным ноосферным объектом, определяющим фактором ее развития, выступает человек. При этом ноосфера принято понимать как высший этап развития биосферы, когда естественная и искусственная среда управляются под влиянием и воздействием со стороны разумных преобразований человека.
В случае если принять, что разумная жизнь во Вселенной отнюдь не ограничивается только ее проявлением на Земле, то мы приходим к широкому понятию ноосферы , когда разумная деятельность выходит за рамки только лишь человеческой деятельности. В этом подходе разумная и сознательная деятельность распространяется на всю Вселенную (Космический Разум), а ноосфера выступает как разумная сторона Вселенной.
В.И. Вернадский подчеркивал, что человечество становится мощной геологической силой, способной производить глобальные изменения на Земле. В связи с этим биосфера как область активной жизни превращается в ноосферу - сферу разума.
До появления человека равновесие биосферы определяли пять энергетических факторов :
· солнечная радиация,
· сила гравитации,
· тектонические силы,
· химическая энергия,
· биогенная энергия.
Эти пять факторов развивались по геологической шкале времени и за 3,5 млрд. лет сформировали природную среду.
· в настоящее время появился новый фактор - энергия мирового производства (развивается не по геологической, а по исторической шкале времени; от организации производства зависит сохранение или необратимое нарушение подвижного равновесия в биосфере).
В науке существует один из важнейших принципов – принцип совместной коэволюции общества и природы – параллельная, совместная эволюция или историческая адаптация природы и человечества, крайне важно сть гармоничного совместного развития человечества и биосферы (на базе теории ноосферы Вернадского).
Учение о биосфере - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Учение о биосфере" 2017, 2018.
Учение о биосфере было создано академиком В.И.Вернадским - гениальным русским ученым, натуралистом и философом ХХ века. В основе данного учения лежит анализ развития живого вещества, обусловленного эволюцией, а также преобразований физико-химического состава Земли, спровоцированного этими изменениями. Данные процессы подробно описал Вернадский в своей работе «Учение о биосфере». Он впервые представил целостную картину мира и обозначил роль в нем живого вещества.
Академик Вернадский объяснил, почему появление биосферы на нашей планете является объективным итогом развития общего космического процесса. По мнению ученого, важно то, что при этом биосферу, следует расценивать, как цельную геологическую оболочку Земли, которая состоит из живой и неживой материи. Характерными чертами биосферы являются физико-химическая и геометрическая неоднородность. Эта разнородность структуры – главенствующий фактор, благодаря которому биосфера кардинально отличается от остальных оболочек Земли. Живое вещество присутствует во всей биосфере, участвует в ее создании и одновременно непрерывно изменяет биосферу. Несмотря на то, что масса всего живого вещества планеты составляет всего одну сотую процента от веса биосферы, по геологическим критериям живые организмы рассматриваются как мощная сила, определяющая все процессы, происходящие в ней.
В учении Вернадского указано на то, что биосфера Земли – тонкая оболочка, включающая разнородные составляющие (живое и неживое вещество) – поддерживает все происходящие в ней процессы в состоянии динамического равновесия. Это обусловлено постоянными круговоротами атомов из неживой материи в живое вещество и обратно. Вернадский в своем труде акцентирует внимание на геологической роли живых существ в формировании вод Мирового океана, горных пород, в создании газового состава атмосферы такими, какие они есть на сегодняшний день.
Таким образом, учение о биосфере В.И.Вернадского представляет собой философское и естественнонаучное обобщение принципов развития Земли как целостного космического процесса и объяснение важнейшей роли, которую исполнило и выполняет живое вещество на планете.
Учение о биосфере было создано Вернадским еще в 20-30-е годы ХХ века. Это было одновременно и пророчество, и теории о происшедших событиях в прошлом. Только в настоящее время появились многие экспериментальные подтверждения идей этого ученого. Основываясь на тезисах учения Вернадского, можно сделать вывод, что биосфера – это активная оболочка Земли, в которой совместная деятельность всех живых существ выражается как геохимический фактор планетарного масштаба. Наша планета существует именно такой в современном виде, потому что на ней есть жизнь.
Похожие материалы:
Учение о биосфере.
этап развития биосферы Земли связан с эволюцией живого вещества и вызванного этим изменением физико-химического состава планеты. Этот процесс подробно описан В.И. Вернадским и составляет суть его учения о биосфере. Впервые единую картину мира и роль в нем живого вещества представил русский ученый, натуралист, философ, академик Владимир Иванович Вернадский. Он обосновал, что возникновение биосферы на Земле - это объективный результат развития общего космического процесса. При этом биосферу нужно рассматривать как целостную геологическую оболочку Земли, состоящую из живого и неживого. Вернадский подчеркивал, что для строения биосферы характерны физико-химическая и геометрическая разнородности. Разнородность строения является господствующим фактором, резко отличающим биосферу от всех других оболочек земного шара. Живое вещество охватывает всю биосферу, ее создает и изменяет. Живое вещество едва ли составляет одну - две сотых процента по весу. Но геологически оно является самой большой силой в биосфере, определяет все идущие в ней процессы. В.И. Вернадский показал, что тонкая оболочка Земли - биосфера, состоящая из разнородных структур - живого и неживого вещества, поддерживает в состоянии динамического равновесия все протекающие в ней процессы благодаря непрерывному перетоку (круговороту) атомов из косной материи через живое вещество снова в неживую природу. Он раскрыл геологическую роль живых организмов в создании современного газового состава атмосферы, в формировании горных пород, вод мирового океана. Учение В.И. Вернадского - это философское и естественнонаучное обобщение законов развития нашей планеты с позиций единого космического процесса и исключительной роли, которую выполнило и выполняет на ней живое вещество. В.И. Вернадский создал его в 20-30-е годы ХХ века. Отчасти это было "предвидение, предсказание прошлого". Многие экспериментальные и фактические данные, подтверждающие правильность его идей, появляются только сейчас. На основе учения Вернадского в настоящее время биосферу определяют как активную оболочку Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба. Такое определение биосферы отражает важный тезис: наша планета Земля такая, какая она есть сегодня, только потому, что на ней существует жизнь.
Биосфе́ра (от др.-греч. βιος - жизнь и σφαῖρα - сфера, шар) - оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; «пленка жизни»; глобальная экосистема Земли. Биосферой называется та часть земного шара, в пределах которой существует жизнь.
Границы биосферы. Верхняя граница в атмосфере: 15-20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое ультрафиолетовое 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.Граница между атмосферой и литосферой в гидросфере: 10-11 км. Определяется дном Мирового Океана, включая донные отложения.
Теория Большого взрыва как гипотеза зарождения Вселенной.В 1922 г. советский математик и геофизик Александр Александрович Фридман нашел решение уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Оказалось, что решение является нестационарным, то есть Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. В 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил разбегание галактик, что свидетельствовало о расширении Вселенной. Обращая мысленно вспять картину расширения Вселенной, ученые пришли к выводу что примерно 20 млрд лет назад Вселенная была сжатой в точку и имела сколько угодно большую плотность. В результате Большого взрыва она начала расширяться, иначе говоря существовать.
Большой биологический взрыв как гипотеза перехода от неживой к живой форме организации материи.Еще Луи Пастер в XIX в. первым обратил внимание на то, что в неживой природе молекулы либо зеркально симметричны (H2O, CO2), либо одинаково часто встречаются их правые и левые стереоизомеры. Молекулы, из которых построены живые организмы, зеркально асимметричны, то есть киральны, чаще всего они подобны винтам, а во многих случаях ими и являются (например, двойная спираль молекулы ДНК). Но самое главное, эти молекулы встречаются в природе лишь в каком-то одном варианте - либо только левом, либо только правом: это так называемые кирально чистые молекулы (так, спираль молекулы ДНК всегда только правая). Пастер, а затем Вернадский полагали, что именно здесь проходит граница между химией живой и неживой природы. Можно сказать, что в отличие от неорганических объектов живые организмы построены из винтов, причем винты одного типа только левые, другого - только правые. Специфика живой природы - киральная чистота молекул.
38. Фотосинтез и дыхание: кислород атмосферы как продукт фотосинтеза. Основные группы фотосинтезирующих организмов (планктонные цианобактерии, водоросли в морях, высшие растения на суше). Хемосинтез. Гомеостаз – сохранение постоянства внутренней среды организма.
Фотосинтез (от греч. φωτο- - свет и σύνθεσις - синтез, совмещение, помещение вместе) - процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция - совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндэргонических реакциях, в том числе превращения углекислого газа в органические вещества. Значение фотосинтеза. Фотосинтез является основным источником биологической энергии, фотосинтезирующие автотрофы используют её для синтеза органических веществ из неорганических, гетеротрофы существуют за счёт энергии, запасённой автотрофами в виде химических связей, высвобождая её в процессах дыхания и брожения. Энергия, получаемая человечеством при сжигании ископаемого топлива (уголь, нефть, природный газ, торф), также является запасённой в процессе фотосинтеза.Фотосинтез является главным входом неорганического углерода в биологический цикл. Весь свободный кислород атмосферы - биогенного происхождения и является побочным продуктом фотосинтеза. Формирование окислительной атмосферы (кислородная катастрофа) полностью изменило состояние земной поверхности, сделало возможным появление дыхания, а в дальнейшем, после образования озонового слоя, позволило жизни выйти на сушу.
Дыхание у растений. Большинство растений в светлое время суток вырабатывают кислород, но в их клетках идет и обратный процесс: кислород поглощается в процессе дыхания. Ночью в комнате, плотно уставленной растениями, можно наблюдать снижение концентрации кислорода и увеличение концентрации углекислого газа.На самом деле, в живых клетках растений процесс дыхания происходит круглосуточно. Просто на свету скорость образования кислорода в результате фотосинтеза обычно превышает скорость его поглощения. Так же как и у животных, клеточное дыхание растений протекает в специальных клеточных митохондриях.Общие принципы организации процесса дыхания на молекулярном уровне у растений и животных схожи. Однако в связи с тем, что растения ведут прикрепленный образ жизни, их метаболизм постоянно должен подстраиваться к изменяющимся внешним условиям, поэтому и их клеточное дыхание имеет некоторые особенности (дополнительные пути окисления, альтернативные ферменты).Газообмен с внешней средой осуществляется через устьица чечевичек, трещины в коре (у деревьев).
ФОТОСИНТЕЗИРУЮЩИЕ ОРГАНИЗМЫ.организмы, производящие сложные органические соединения из простых неорганических за счет энергии света (поглощаемой хлорофиллом и другими фотосинтетическими пигментами). К ним относятся зеленые растения, водоросли и некоторые бактерии.
Хемосинтез - способ автотрофного питания, при котором источником энергии для синтеза органических веществ из СО2 служат реакции окисления неорганических соединений. Подобный вариант получения энергии используется только бактериями или археями. Явление хемосинтеза было открыто в 1887 году русским учёным С. Н. Виноградским. Необходимо отметить, что выделяющаяся в реакциях окисления неорганических соединений энергия не может быть непосредственно использована в процессах ассимиляции. Сначала эта энергия переводится в энергию макроэнергетических связей АТФ и только затем тратится на синтез органических соединений.
Хемолитоавтотрофные организмы.
Железобактерии (Geobacter, Gallionella) окисляют двухвалентное железо до трёхвалентного.
Серобактерии (Desulfuromonas, Desulfobacter, Beggiatoa) окисляют сероводород до молекулярной серы или до солей серной кислоты.
Нитрифицирующие бактерии (Nitrobacteraceae, Nitrosomonas, Nitrosococcus) окисляют аммиак, образующийся в процессе гниения органических веществ, до азотистой и азотной кислот, которые, взаимодействуя с почвенными минералами, образуют нитриты и нитраты.
Тионовые бактерии (Thiobacillus, Acidithiobacillus) способны окислять тиосульфаты, сульфиты, сульфиды и молекулярную серу до серной кислоты (часто с существенным понижением pH раствора), процесс окисления отличается от такового у серобактерий (в частности тем, что тионовые бактерии не откладывают внутриклеточной серы). Некоторые представители тионовых бактерий являются экстремальными ацидофилами (способны выживать и размножаться при понижении pH раствора вплоть до 2), способны выдерживать высокие концентрации тяжёлых металлов и окислять металлическое и двухвалентное железо (Acidithiobacillus ferrooxidans) и выщелачивать тяжёлые металлы из руд.
Водородные бактерии (Hydrogenophilus) способны окислять молекулярный водород, являются умеренными термофилами (растут при температуре 50 °C).
Гомеоста́з (др.-греч. ὁμοιοστάσις от ὁμοιος - одинаковый, подобный и στάσις - стояние, неподвижность) - саморегуляция, способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание динамического равновесия. Стремление системы воспроизводить себя, восстанавливать утраченное равновесие, преодолевать сопротивление внешней среды. Гомеостаз выступает в роли фундаментальной характеристики живых организмов и понимается как поддержание внутренней среды в допустимых пределах.Внутренняя среда организма включает в себя организменные жидкости - плазму крови, лимфу, межклеточное вещество и цереброспинальную жидкость. Сохранение стабильности этих жидкостей жизненно важно для организмов, тогда как её отсутствие приводит к повреждению генетического материала.В отношении любого параметра организмы делятся на конформационные и регуляторные. Регуляторные организмы сохраняют параметр на постоянном уровне, независимо от того, что происходит в среде. Конформационные организмы позволяют окружающей среде определять параметр. Например, теплокровные животные сохраняют постоянную температуру тела, тогда как холоднокровные демонстрируют широкий диапазон температур.Речь не идёт о том, что конформационные организмы не обладают поведенческими приспособлениями, позволяющими им в некоторой степени регулировать взятый параметр. Рептилии, к примеру, часто сидят на нагретых камнях утром, чтобы повысить температуру тела.Преимущество гомеостатической регуляции состоит в том, что она позволяет организму функционировать более эффективно. Например, холоднокровные животные, как правило, становятся вялыми при низких температурах, тогда как теплокровные почти так же активны, как и всегда. С другой стороны, регуляция требует энергии. Причина, почему некоторые змеи могут есть только раз в неделю, состоит в том, что они тратят намного меньше энергии для поддержания гомеостаза, чем млекопитающие.
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. Вернадского 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
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.
Биосфера (от греч. bios - жизнь) - поверхностный слой земли, населенный живыми организмами и изменяемый их деятельностью. Биосфера представляет собой единую термодинамическую оболочку, в которой сосредоточена жизнь и происходит постоянное взаимодействие между живыми организмами и неорганическими ресурсами планеты. Биосфера включает в себя нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы вместе с живыми организмами. Биосфера является синонимом понятия природной среды. Термин «биосфера» ввел австрийский геолог Э. Зюсс в 1873 г.
Создателем учения о биосфере и ее эволюции является В. И. Вернадский (1863-1945) - основатель геохимии и биогеохимии. Он же выдвинул теорию о мощном воздействии на окружающую среду человека и о преобразовании современной биосферы в ноосферу (сферу разума). По выражению В. И. Вернадского, «живая природа является основной чертой проявления биосферы, она резко отличает ее тем самым от других земных оболочек. Строение биосферы прежде всего и больше всего характеризуется жизнью». Учение Вернадского знаменует собой принципиально новый подход к изучению планеты как развивающейся саморегулирующейся системы. Будучи основоположником геохимии, В. И. Вернадский провел первые исследования закономерностей строения и состава взаимодействующих элементов и структур земной коры, гидросферы и атмосферы, исследовал миграцию химических элементов в литосфере. В 1923 г. им сформулирована теория о ведущей роли живых организмов в геохимических процессах; в 1926 г. - концепция и определение биосферы и живого вещества. В. И. Вернадским создано учение, согласно которому живое вещество, трансформируя солнечное излучение, вовлекает неорганическую материю в непрерывный круговорот - это центральная концепция биогеохимии.
Сама планета Земля имеет неоднородное строение и состоит из концентрических оболочек (геосфер). К внешним оболочкам относится литосфера, гидросфера и атмосфера, к внутренним - земная мантия и ядро.
Геосферы имеют свои специфические особенности:
Агрегатная неоднородность - сферы отличаются агрегатным состоянием: твердое, жидкое, газообразное. Но в результате обменного процесса идет взаимодействие сфер. Каждый год около 519 10 3 м 3 воды испаряется с поверхности водоемов, а в результате дождей и туманов приблизительно то же количество выпадает на землю, изменяя влажность атмосферы и литосферы;
Пространственная неоднородность - неравномерность распределения органического и минерального вещества. Основная часть веществ содержится в литосфере и гидросфере, а малая - в атмосфере;
Энергетическая неоднородность - неравномерное распределение по земной поверхности солнечной энергии (тепла и света).
Связующим фактором между различными оболочками геосферы являются обменные процессы, в преобразовании геосфер большую роль играют обменные процессы, которые происходят за счет биоты - около 90 % всего вещества в верхних слоях литосферы преобразовано живыми организмами. Согласно В. И. Вернадскому вещество биосферы состоит из:
Живого вещества - биомассы современных живых организмов;
Биогенного вещества - всех форм детрита, а также торфа, угля, нефти и газа биогенного происхождения;
Биокосного вещества - смесей биогенных веществ с минеральными породами небиогенного происхождения (почва, илы, вода, газо- и нефтеносные сланцы, битуминозные пески, часть осадочных карбонатов);
Косного вещества - горных пород, минералов, осадков, не затронутых прямым биогеохимическим воздействием организмов.
Биокосное вещество - это вещество, имеющее минеральную основу, которое коренным образом преобразовано жизнедеятельностью живых организмов. Это прежде всего почвенный покров, плодородие которого зависит от содержания органического вещества, а также от содержания кислорода и воды. За миллионы лет своего существования биосфера прошла сложный путь эволюционного развития. Первым этапом эволюции явилось возникновение жизни из неживой материи, что стало возможным за счет появления простых органических соединений под воздействием внешних абиотических факторов - высокой температуры, ультрафиолетового излучения, вулканической деятельности. Вторым этапом эволюции жизни можно назвать синтез и распад органических соединений, когда продукты распада одних соединений служат материалом для построения других.
Совокупность всех живых организмов Земли В. И. Вернадский предложил называть «живым веществом», а количество живых организмов, выраженное в массе, отнесенной к единице площади или объема, - биомассой. Живое вещество В. И. Вернадский считал носителем энергии в биосфере и главнейшей преобразующей силой Земли. В настоящее время существует более 2 млн видов живых организмов.
Многообразны функции живого вещества в биосфере:
Газообмен, который привел к созданию атмосферы и связан с поглощением и выделением кислорода, углекислого газа, аммиака, водяного пара и др.;
Окислительный процесс, являющийся частью газообмена;
Восстановительный процесс, являющийся результатом деятельности низших организмов, преобразующих органику в неорганику;
Концентрационный процесс, заключающийся в извлечении рассеянных веществ из окружающей среды и накоплении их в небольшом объеме.
Современные исследования внесли поправку в представление о структуре биосферы. Показано, что в понятие «биосфера» следует включать только те элементы и характеристики, которые находятся под контролем биоты, и не следует включать компоненты природы, относящиеся к геологическому прошлому. Таким образом, к биосфере относятся вся совокупность живых организмов и все вещества, которые находятся под контролем потребления, трансформации и продуцирования живыми организмами.
Для понимания той роли, которую играет живое вещество в биосфере, очень важными являются три основных биогеохими-ческих принципа В. И. Вернадского:
Принцип I: биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению. Прогрессивная эволюция любой экосистемы ведет к увеличению суммарного потока энергии через нее. Эта закономерность проявляется в способности живого к распространению, развитию;
Принцип II: эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов. Согласно этому принципу преимущества в ходе эволюции получают те организмы, которые приобрели способность усваивать новые формы энергии или «научились» полнее использовать химическую энергию, запасенную в других организмах;
Принцип III: живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с космической средой, его окружающей, и создается и поддерживается на нашей планете космической энергией Солнца. Этот принцип очень важен для понимания тех процессов, которые обычно называют самоорганизацией биологических структур.
Основные идеи учения В. И. Вернадского об эволюции биосферы можно выразить следующим образом:
Сначала сформировалась литосфера, затем появились живые организмы и, как следствие их взаимодействия, образовалась биосфера;
В течение всей геологической истории Земли никогда не наблюдались геологические эпохи, лишенные проявлений жизни. Следовательно, современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых геологических эпох;
Живые организмы являются главным фактором миграции атомов химических элементов в литосфере;
Геологический эффект деятельности живых организмов обусловлен тем, что их количество бесконечно велико и действуют они в течение бесконечно большого промежутка времени;
Основным движущим фактором развития процессов в биосфере является биохимическая энергия живого вещества.
Для обеспечения биотической регуляции окружающей среды необходимо не превышать определенные пороговые нагрузки на биосферу. В то же время культурные растения, домашние животные, интенсивно эксплуатируемые человеком сельскохозяйственные угодья и леса утратили способность к биологической регуляции. На сегодня биомасса человека, культурных растений и домашних животных составляет приблизительно около 20 % биомассы всех естественных видов. Антропогенное возмущение биосферы может привести к полной потере естественной биотической регуляции, и тогда потребуется создание техногенной системы управления окружающей средой в глобальном масштабе. Выполнение такой задачи невозможно, так как человечество не в состоянии обеспечить переработку потоков информации такого объема, которой исходит от биоты, потому что, например, каждый квадратный сантиметр поверхности земли обусловлен деятельностью сотен живых организмов, в клетках которых также происходит трансформация вещества, энергии и информации. Основная проблема современности - не допустить, чтобы изменения, происходящие в биосфере, происходили во вред человечеству. По выражению академика В. И. Вернадского, «человек становится крупнейшей геологической силой, меняющей облик нашей планеты».
Устойчивость биосферы зависит от многих факторов, суть которых состоит в следующем:
Биосфера использует внешние источники энергии - солнечную энергию и энергию недр Земли для биогеохимиче-ских процессов. В результате эволюционного развития сложился тепловой баланс на планете;
Биосфера использует вещества через систему круговоротов. Биогеохимические циклы отработаны эволюционно и не приводят к накоплению вредных отходов;
В биосфере существует огромное разнообразие видов и биологических сообществ. Видовое разнообразие - это фактор, повышающий устойчивость экосистемы к воздействию внешних факторов;
Биосфера постоянно приспосабливается к непрерывно изменяющимся условиям;
В биосфере происходит саморегуляция численности популяции, которая зависит от факторов природной среды.
Атмосфера - газообразная оболочка планеты, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли. Земля, получая космическую пыль и метеоритный материал, теряет самые легкие газы: водород и гелий. Атмосфера Земли насквозь пронизывается мощной радиацией Солнца, определяющей тепловой режим поверхности планеты, вызывающей диссоциацию молекул атмосферных газов и ионизацию атомов.
Атмосферу делят на тропосферу (до 15 км), стратосферу (мезосферу) (15-80 км), термосферу (80-300 км), экзосферу (более 300 км). Обширная часть разреженной верхней атмосферы состоит преимущественно из ионов. Эта область обозначается как ионосфера (80-1200 км). Большая часть массы атмосферы имеет относительно однородный азотно-кислородный состав. В тропосфере во взвешенном состоянии присутствуют также твердые и жидкие частицы, которые, как правило, называют аэрозолями. Главными составными частями атмосферы являются азот, кислород, аргон и углекислый газ.
Гидросфера - совокупность всех вод Земли: материковых (глубинных, почвенных, поверхностных), океанических, атмосферных. Как особая водная оболочка Земли здесь рассматриваются лишь воды, находящиеся на поверхности планеты, - материковые и океанические.
Вследствие высокой подвижности воды проникают повсеместно в различные природные образования. Они находятся в виде паров и облаков в земной атмосфере, формируют океаны и моря, существуют в замороженном состоянии в высокогорных районах континентов, в виде мощных ледниковых панцирей покрывают полярные участки суши. Атмосферные осадки проникают в толщи осадочных пород, образуя подземные воды. Вода способна растворять в себе многие вещества, в связи с этим воды гидросферы можно рассматривать в качестве естественных растворов разной степени концентрации.
Рис. 1. Факторы устойчивости биосферы
Рис 2. Структура биосфера
Гидросфера находится в тесной связи с литосферой (подземные воды), атмосферой (парообразная влага) и живым веществом биосферы, в которое она входит в качестве обязательного компонента.
Большая часть массы природных вод (94 %) - это воды Мирового океана.
Литосфера - верхняя твердая оболочка Земли, постепенно переходящая с глубиной в сферы с меньшей прочностью вещества, включает земную кору и верхнюю мантию Земли. Мощность литосферы 50... 100 км, в том числе земной коры - до 75 км на континентах и 10 км подо дном океана.
Химический состав земной коры в основном представлен восемью элементами: кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий, калий.
Земная кора сложена горными породами различного типа и происхождения. На осадочные породы приходится 9, 2 %, на метаморфические - 20 %, на магматические - 70, 8 %.
Поверхность континентов на 80 % занята породами осадочными, а океаническое дно - почти полностью свежими осадками как продуктами сноса материала континентов и деятельности морских организмов.
Континентальная часть земной коры в течение длительной геологической истории находилась в ту или другую эпоху в области биосферы, что наложило свой отпечаток на облик, состав и распространенность осадочных горных пород и сосредоточенных в них месторождений полезных ископаемых в виде нефти, угля, горючих сланцев, кремнистых и карбонатных пород, связанных в прошлом с деятельностью организмов. Поэтому континентальная земная кора имела и имеет прямое и косвенное отношение к биосфере.
«С появлением на нашей планете одаренного разумом живого существа, - писал В. И. Вернадский, - планета переходит в новую стадию своей истории. Биосфера переходит в ноосферу».
Ноосфера - новое эволюционное состояние биосферы, при котором разумная деятельность человека становится решающим фактором ее развития. Ноосфера представляет собой целостную планетную оболочку Земли, населенную людьми и рационально преобразуемую ими в соответствии с законами сохранения и поддержания жизни для гармоничного сосуществования общества и окружающей природной среды. В. И. Вернадский считал, что с появлением человека и развитием производственной деятельности к человечеству начинает переходить роль основного геологического фактора и ответственность за все происходящие на планете изменения. По его мнению, развитие ноосферы предполагает гармоничное сочетание не только природных и социальных явлений, но, прежде всего, достижение гармоничных отношений между самими людьми на основе идеалов равенства, добра и справедливости. В результате производственной деятельности людей возникли сложные структуры взаимодействия технических и природных комплексов, называемых природно-техническими геосистемами. Это специфические образования, распространение которых ныне во многом определяет сущность географической оболочки Земли.
Для ноосферы характерна тесная взаимосвязь законов природы с социально-экономическими законами и законами развития человеческого сообщества. Гармония между техногенной деятельностью человека и природой возможна только при выполнении следующих условий:
Перспективное планирование и рациональное использование природных ресурсов на планете;
Высокий уровень развития техники и энергетики с учетом отдаленных результатов;
Разработка и использование только экологически дружественных материалов, продукции, технологий с учетом жизненного цикла;
Максимальное использование вторичных материальных и энергетических ресурсов;
Контролирование численности человечества;
Формирование обоснованных потребностей человека;
Воспитание человека и ограничение необоснованных потребностей;
Преодоление экономической, политической и национальной разобщенности людей;
Осуществление глобального мониторинга за состоянием природной среды и др.
Учение о ноосфере - это не только научная позиция, научная теория, это и предостережение человечеству. Поскольку в первую очередь человечество определяет дальнейший ход развития биосферы, само является ее частью и вне ее (во всяком случае, при нынешнем уровне техники и технологии) существовать не может, постольку общество с необходимостью должно принять на себя ответственность за последующую эволюцию биосферы.
Серьезным шагом в направлении перехода к ноосфере является принятие концепции устойчивого развития. Устранение возникших противоречий между обществом и природой без потери качества жизни людей возможно только в рамках стабильного социально-экономического развития, не разрушающего естественный биотический механизм саморегуляции. Такое развитие в докладе «Всемирная стратегия охраны природы», подготовленном Международным союзом охраны природы и природных ресурсов (1980 г.), получило название «sustainable development», переведенное на русский язык как «устойчивое развитие». В широком смысле устойчивое развитие понимается как процесс, соответствующий новому типу функционирования общества, с экономическими, социальными, экологическими, культурными параметрами, радикально отличными от сложившихся в рамках антропоцентрической экологии. Устойчивое развитие невозможно без оптимизации управления состоянием окружающей среды.
Используемая литература: Графкина М. В., Михайлов В. Л., Иванов К. С.
Экология и экологическая безопасность автомобиля: учебник / М. В. Графкина, В. А. Михайлов, К. С. Иванов. - М. :
ФОРУМ, 2009. - 320 с. - (Высшее образование).
Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера.