Причины устойчивости биосферы кратко

Обновлено: 02.07.2024

Современная биосфера
Современное состояние биосферы называется ноосферой.
Ноосфера — современная (по меркам геологического времени) стадия развития биосферы, связанная с появлением в ней человека. Понятие было введено французским математиком и философом Эдуардом Леруа в 1927 году. Сам он подчёркивал, что пришёл к этой идее совместно со своим другом — крупнейшим геологом и палеонтологом-эволюционистом и католическим философом Пьером Тейяром де Шарденом. При этом Леруа и Шарден основывались на лекциях по геохимии, которые в 1922/1923 годах читал в Сорбонне Владимир Иванович Вернадский (1863—1945). С именем Вернадского и связано в первую очередь появление ноосферного учения.

Будущее биосферы
Существует несколько трагичных для человечества преждевременных изменений состояния биосферы, некоторые из них связаны с деятельностью человечества

Система- любая вещественно-энергетическая или концептуальная совокупность взаимосвязанных составляющих элементов, объединенных прямыми и обратными связями в единое целое. Системой можно назвать также совокупность элементов, определенным образом связанных и взаимодействующих между собой; это любой объект, реальный или мыслимый, целостные свойства которого могут быть представлены как результат взаимодействия образующих его частей.

Части системыназывают элементами системы.Элементы системы могут быть физическими, химическими, биологическими или смешанными.

Структуру системыопределяет способ взаимодействия элементов, и это взаимодействие приводит к возникновению новых свойств системы и ее характеристик.

Отличительной чертойлюбой системы является наличие у нее входа и выхода, причем определенное изменение входной величины влечет за собой некоторое изменение величины выходной.

Зависимость выходной величины от входной определяется законом поведения системы.В идеальном случае этот закон может быть выражен математическим уравнением, имеющим аналитическое решение. Одно из этих свойств - иерархическая соподчиненность элементов.

Любая природная или техногенная система является открытой, т.е. она обменивается с окружающей ее средой веществом и энергией. Пределы изменений на входе и выходе зависят от следующих переменных:

1.От размеров системы: чем она больше, тем меньше зависимость от внешних частей;

2.От интенсивности обмена: чем он интенсивнее, тем больше приток вещества и энергии и их отток;

3.От сбалансированности автотрофных и гетеротрофных процессов: чем больше нарушено равновесие, тем больше должен быть приток извне для его восстановления;

4.От стадии и степени развития системы: молодые системы отличаются от более зрелых систем и развитых.

Отличительной чертой любой живой системы (от организма до биосферы в целом) является ее способность к самовосстановлению.

2.Озоновый слой биосферы.Автотрофные организмы привели к появлению кислорода в атмосфере. Наполнение атмосферы кислородом способствовало появлению в ней озона. Основное его количество сосредоточено в стратосфере на высоте 15-25 км (верхняя граница – до 45 км). Озон образует озоновый слой. Основная масса озона образуется в экваториальной зоне и распространяется атмосферными течениями к полюсам. В различных широтах озоновый слой располагается на разных высотах: в полярных районах на высоте 20 км; в тропиках: 25-26 км; в умеренных широтах: 23 км. Общее количество озона составляет примерно 3,3 млрд. т; 85-90% его находиться в стратосфере, остальные – в тропосфере. Если гипотетически сжать слой озона при давлении 1,0 атм. и равномерно распределить над поверхностью Земли, то получится слой толщиной около 3 мм.

Озон практически полностью поглощает поток УФ излучения Солнца с длиной волны 200-280 нм и 90% излучения с длиной волны 280-320 нм.

Озоновый слой является защитой всего живого от жесткого излучения Солнца, а так же является регулятором температуры атмосферы. Максимальный нагрев приходится на слой, находящийся на высоте 40-45 км в высоких широтах весной и летом.

3.Высокое разнообразие организмов в биосфере (биологическое разнообразие)- это все виды животных, растений и микроорганизмов, а также экологические системы и процессы, частью которых они являются.

Стабильность биосферы в значительной степени основывается на большом разнообразии всех живущих в ней существ. Отдельные их группы выполняют различные функции в поддержании общего потока вещества и энергии, а также связывают биогенные и абиогенные процессы, согласовывают циклы отдельных элементов. Биосфера рассматривается как сложная экосистема, работающая в стационарном режиме. Каждый вид организмов занимает в ней исторически сложившееся место, выполняет свои устоявшиеся функции, связан с другими видами и со средой обитания.

4.Редуцентное звено биосферы.Ткани и органы отмерших растений и животных под действием редуцентов подвергаются деструкции (разложению). Вещества и элементы, которые входили в состав живых существ, вновь становятся доступными для повторного усвоения.

Существуют три основных пути возвращения питательных веществ в новые циклы поглощения.

Первый путь соответствует пищевой цепи пастбищного типа.

Второй путь характерен для степей, лесов умеренной зоны и других сообществ, в которых основной поток энергии идет через детритную пищевую цепь.

Третий путь – прямая передача питательных веществ от растения к растению симбиотическими организмами.

Важным свойством биосферы является участие её живых компонентов в разложении остатков растительной биомассы (минерализация). В результате освобождаются химические элементы, которые были связаны в растительной органике. Благодаря этому химические элементы вновь вовлекаются в круговорот веществ, предотвращая истощение ресурсов питания растений.

Деструкция – это процесс, в котором участвует вся биота (живые системы) совместно с абиотическими факторами среды. В процессе разложения участвуют беспозвоночные, грибы, бактерии. Все они и составляют редуцентное звено биосферы.

В природной среде существует динамическое равновесие, которое описывается принципом Ле Шателье – Брауна: при внешнем воздействии, выводящем экосистему (биосферу) из состояния устойчивого равновесия, оно (равновесие) смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется.

Стабильность (устойчивость) биосферы имеет переделы. На это указывает правило одного процента: изменение природной системы в среднем на 1% выводит ее из состояния динамического равновесия. Равновесие потом может наступить, но на более низком (худшем для системы) уровне. Все значительные явления на поверхности Земли (извержения вулканов, циклоны и др.) имеют суммарную энергию, не превышающую 1% энергии солнечного излучения, попадающего на неё. Переход энергетики процесса за это значение (1 %) обычно приводит к серьезным аномалиям: климатическим отклонениям, переменам в характере растительности, крупным лесным и степным пожарам.

Понятие системы

Окружающая среда как система

1.От размеров системы: чем она больше, тем меньше зависимость от внешних частей;

2.От интенсивности обмена: чем он интенсивнее, тем больше приток вещества и энергии и их отток;

4.От стадии и степени развития системы: молодые системы отличаются от более зрелых систем и развитых.

Существуют три основных пути возвращения питательных веществ в новые циклы поглощения.

Первый путь соответствует пищевой цепи пастбищного типа.

Третий путь – прямая передача питательных веществ от растения к растению симбиотическими организмами.

Устойчивость — это способность экосистемы непрерывно поддерживать определенный круговорот веществ и сохранять в основных чертах свою структуру, характер связей между элементами и их функционирование в пределах естественного колебания параметров. Устойчивость проявляется важными для экосистемы признаками — самоподдержанием и саморегулированием. Самоподдержание — это процесс, в ходе которого экосистема достаточно долго сохраняет свою устойчивость. Оно проявляется в системах, обладающих высоким уровнем сложности, с большим количеством элементов, связи между которыми устойчиво поддерживают круговорот веществ. Саморегуляция — это свойство экосистемы в процессе функционирования сохранять на определенном уровне свое типичное состояние, режим, характеристики связей между компонентами.

Способность экосистемы к самоподдержанию и саморегулированию, в результате чего сохраняется ее устойчивость и стабильность, называется гомеостазом или динамическим равновесием системы.

Любая естественная экосистема, сложившаяся исторически, сохраняется в относительно постоянном виде достаточно длительное время. В этом проявляется ее устойчивость. При этом устойчивость обладает некоторой степенью толерантности (выносливости), позволяющей экосистеме самосохраняться при небольших изменениях, происходящих в окружающей среде и самой экосистеме. По устойчивости экосистемы делятся на два типа: резистентные, то есть способные сохраняться в устойчивом состоянии под нагрузкой, и упругие, способные быстро восстанавливаться, если по каким-то причинам были нарушены.

Механизмы устойчивости биосферы

Устойчивость — это способность биосферы сохранять в основных чертах свою структуру и характер связей между элементами системы, несмотря на внешние воздействия. Условия, обеспечивающие такое состояние системы, называют механизмом устойчивости. Назовем основные механизмы устойчивости биосферы.

1. Одним из механизмов устойчивости биосферы является неизменное положение Земли в космосе в течение длительного промежутка времени (не менее 4 млрд лет), определяющее постоянство поступления солнечной энергии (солнечная постоянная). Солнечная постоянная определяет, в свою очередь, земные константы живого вещества: массу (около 1013 т), запасенную в химических связях энергию (около 1018 ккал), средний химический состав биогенных элементов (кислорода, водорода, углерода, азота).

3. Устойчивость биосферы обусловлена также проявлением геохимической функции живого вещества, реализуемой через питание, дыхание, размножение и смерть организмов. Участие живого вещества в биологическом круговороте, сбалансированное равновесие количества получения ресурсов (органических веществ, минерального питания и солнечной энергии) и их расходования — одно из важных условий поддержания устойчивости экосистемы.
Если представить, что растения образуют значительное количество растительной биомассы, а фитофагов нет или их так мало, что они не успевают потреблять все то, что производят зеленые продуценты, то экосистема не будет устойчивой и вскоре деградирует, так как в ней, с одной стороны, будет накапливаться неизрасходованная растительная биомасса (такое событие произошло в биосфере 345 млн лет назад, в каменноугольный период), а с другой — начнется истощение минеральных ресурсов, доступных растению для его питания, поскольку не будет возврата веществ в неживую (абиотическую) среду. Того и другого сейчас не происходит, так как на Земле существуют разнообразные биогеоценозы с различным видовым составом.

Наряду с образованием органических веществ и аккумуляцией энергии в круговороте, то есть постоянным притоком веществ и необходимой энергии, устойчивость экосистемы обеспечивает постоянно идущий отток (выход) из экосистемы преобразованной энергии и избыточных продуктов обмена, разрушение сложных органических соединений и их превращение в простые минеральные вещества (воду, углекислый газ, аммиак, различные соли и пр.). Чтобы биосфера могла существовать, процессы создания и разрушения органических веществ в ней должны постоянно поддерживаться в равновесном состоянии.

Например, известно, что в результате жизнедеятельности организмов большие количества углерода поглощаются из атмосферы и накапливаются в биосфере в форме залежей карбонатных пород (известняков, доломитов), углей и других горючих ископаемых. В то же время большие количества углекислого газа и частично углеводороды снова возвращаются в атмосферу в ходе вулканических и магматических процессов. Поэтому нарушения баланса углерода в биосфере не наблюдается.

4. Многочисленные исследования по выявлению закономерностей существования экосистемы показали, что в поддержании устойчивости системы особенно большое значение имеют избыточность информации и обратная связь (петля управления). Избыточность информации в биосфере как глобальной экосистеме свидетельствует о некотором сдвиге в сторону или созидания, или разрушения ее показателей. То и другое нарушает устойчивость экосистемы. С помощью обратной связи система осуществляет управление многими процессами, происходящими в ней.

5. В биологическом круговороте между живой и неживой частями экосистемы осуществляется направленный поток энергии и химических веществ (миграция атомов). Этот процесс совершается не в самой биосфере, а в ее конкретных компонентах — биогеоценозах. Все биогеоценозы, имеющиеся в биосфере, связаны постоянным обменом веществ между собой и с окружающей средой. Взаимодействие между биогеоценозами как структурными компонентами биосферы способствует поддержанию ее устойчивости. Оно осуществляется за счет перемещения и многообразного функционирования живого, а также слияния геохимических круговоротов отдельных биогеоценозов, в результате чего сохраняется один общий биологический круговорот веществ и поток энергии.

Функциональное разнообразие компонентов экосистемы, то есть ее сложность, обеспечивает ее устойчивость и стабильность.

Для устойчивого существования биосферы необходимы сбалансированные отношения между различными биогеоценозами, обеспечивающими разнообразное потребление и возврат минеральных ресурсов в абиотическую среду. В случае выпадения из системы каких-либо природных сообществ или замены их качественно иными (например, в наше время — агроценозами), динамическое равновесие в биосфере может нарушиться.

7. Антропогенное воздействие также влияет на устойчивость биосферы. По вине человека многие биогеоценозы и водные экосистемы сейчас теряют устойчивость, так как его длительность приобрела разрушающий, деградирующий природу характер. Следует надеяться, что, опираясь на свой разум, знание законов природы, человек сможет поддержать устойчивость биосферы как глобальной экосистемы.

Общая сухая биомасса биосферы оценивается в 2,5 x тонн. Большая часть этой биомассы приходится на наземные экосистемы, биомасса океана составляет лишь около 0,003 x тонн. Основную часть биомассы суши составляют наземные растения, их биомасса примерно в 500–1000 раз больше, чем биомасса животных. Из всех видов диких животных, по-видимому, наибольшей биомассой обладает морской рачок Euphausia suberba (150 млн. тонн), но общая биомасса одомашненного человеком крупного рогатого скота (Bos taurus) еще больше — 520 млн. тонн, как и самих людей — 350 млн тонн. Большой биомассой обладают муравьи (3 млрд тонн) и морские рыбы (800 — 2000 млн. тонн), но это группы животных, включающие множество видов. Общая биомасса наземных растений — 560 млрд. тонн, морского фитопланктона и растений — 5 — 10 млрд. тонн, наземных животных — 5 млрд. тонн.

Наибольшая концентрация биомассы на границах сред:

граница литосферы и атмосферы;
граница гидросферы и атмосферы (планктонные организмы);
граница литосферы и гидросферы (бентосные организмы).
Первичная биомасса образуется автотрофами (обычно растениями) в процессе фотосинтеза с использованием солнечной энергии. Поэтому минимальная биомасса наблюдается в пустынях и во льдах, что связано в первую очередь с минимальным количеством растений в качестве источника прироста биомассы.

Структура биосферы

1.Живое вещество — вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю. Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4 — 3,6 x тонн (в сухом весе) и составляет менее одной миллионной части всей биосферы (около 3 x тонн), которая, в свою очередь, представляет собой менее одной тысячной массы Земли. Однако именно эта часть биосферы является наиболее важной, т. к. активно участвует в биогеохимических циклах и преобразует неживое вещество Земли.

2. Биогенное вещество — осадочные породы, состоящие из продуктов жизнедеятельности живых организмов или представляющие собой их разложившиеся остатки (известняки, ракушечные породы, горючие сланцы, ископаемые угли, нефть и др.).

3. Косное вещество — вещество, образующееся без участия живых организмов.

4. Биокосное вещество — вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами. Таковы почва, ил, кора выветривания и т. д.

5. Радиоактивные вещества и продукты их распада, а также атомы, непрерывно образующиеся из земного вещества под влиянием космических излучений.

6. Вещество космического происхождения (метеориты).

Основные черты биосферы:

живые организмы;
биотический круговорот веществ.
Биотический круговорот обеспечивается взаимодействием трех основных групп организмов:

продуцентов (зеленых растений, осуществляющих фотосинтез, и бактерий, способных к хемосинтезу) — они создают первичное органическое вещество;
консументов (растительноядные и хищные животные) — они потребляют органическое вещество;
редуцентов (бактерии, грибы и простейшие животные) — они разлагают мертвое органическое вещество до минерального.

механизмы устойчивости биосферы

Биосфера представляет собой открытую биосистему, которая обменивается веществом и энергией с окружающей средой.

Живые организмы биосферы делятся на автотрофов и гетеротрофов:

автотрофы — производители органического вещества;
гетеротрофы — потребители и разрушители органического вещества.
Между процессами создания органического вещества и его преобразованием и разрушением устанавливается относительное равновесие.

Это равновесие является основой для устойчивости биосферы.
Устойчивость — это свойство экосистемы, которое проявляется в поддержании своего состава, структуры и функций, а также в способности восстанавливаться, в случае если они будут нарушены.

Факторы, определяющие устойчивость биосферы:

биоразнообразие — видовое разнообразие;
взаимозаменяемость компонентов биосферы в круговоротах веществ и энергии;
дублирование звеньев в круговороте веществ и энергии (в биогеохимических циклах);
жизненная активность живого вещества (скорость размножения и распространения).
От полюсов к экватору биомасса и видовое разнообразие увеличиваются, т. е. увеличивается устойчивость экосистем.

Читайте также: