Вертикальная структура биосферы реферат

Обновлено: 02.07.2024

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

Такое толкование определило взгляд Вернадского на проблему происхождения жизни на Земле. Рассматривались следующие варианты: 1) жизнь возникла до образования Земли и была занесена на неё; 2) жизнь зародилась после образования Земли; 3) жизнь зародилась вместе с образованием Земли. Вернадский придерживался последней из этих точек зрения и считал, что нет убедительных научных данных о том, что живое когда-либо не существовало на нашей планете. Иными словами, биосфера была на Земле всегда.

Под биосферой, таким образом, Вернадский понимал тонкую оболочку Земли, в которой все процессы протекают под прямым воздействием живых организмов. В дальнейшем Вернадский развил данное понимание биосферы и определил её структуру.

1. Характеристика и структура биосферы

В буквальном переводе термин “биосфера” обозначает сферу жизни и в таком смысле он впервые был введен в науку в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831 – 1914). Однако задолго до этого под другими названиями, в частности "пространство жизни", "картина природы", "живая оболочка Земли" и т.п., его содержание рассматривалось многими другими естествоиспытателями.

Первоначально под всеми этими терминами подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом скорее обращалось внимание на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической природы. Даже автор самого термина "биосфера" Э.Зюсс в своей книге "Лик Земли", опубликованной спустя почти тридцать лет после введения термина (1909 г.), не замечал обратного воздействия биосферы и определял ее как "совокупность организмов, ограниченную в пространстве и во времени и обитающую на поверхности Земли".

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.

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.

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 охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.

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;

ноносфера – там “живое вещество” отсутствует.

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

Гидросфера – водная оболочка Земли. В следствие 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 + , Mg 2+ , Ca 2+ , 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. 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).

2. В.И.Вернадский о биосфере.

Центральным в этой концепции является понятие о живом веществе, которое В.И.Вернадский определяет как совокупность живых организмов. Кроме растений и животных, В.И.Вернадский включает сюда и человечество, влияние которого на геохимические процессы отличается от воздействия остальных живых существ, во-первых, своей интенсивностью, увеличивающейся с ходом геологического времени; во-вторых, тем воздействием, какое деятельность людей оказывает на остальное живое вещество.

Это воздействие сказывается прежде всего в создании многочисленных новых видов культурных растений и домашних животных. Такие виды не существовали раньше и без помощи человека либо погибают, либо превращаются в дикие породы. Поэтому Вернадский рассматривает геохимическую работу живого вещества в неразрывной связи животного, растительного царства и культурного человечества как работу единого целого.

По мнению В.И.Вернадского, в прошлом не придавали значения двум важным факторам, которые характеризуют живые тела и продукты их жизнедеятельности:

открытию Пастера о преобладании оптически активных соединений, связанных с дисимметричностью пространственной структуры молекул, как отличительной особенности живых тел;

явно недооценивался вклад живых организмов в энергетику биосферы и их влияние на неживые тела. Ведь в состав биосферы входит не только живое вещество, но и разнообразные неживые тела, которые В.И.Вернадский называет косными (атмосфера, горные породы, минералы и т. д.), а также и биокосные тела, образованные из разнородных живых и косных тел (почвы, поверхностные воды и т. п.). Хотя живое вещество по объему и весу составляет незначительную часть биосферы, но оно играет основную роль в геологических процессах, связанных с изменением облика нашей планеты.

Поскольку живое вещество является определяющим компонентом биосферы, постольку можно утверждать, что оно может существовать и развиваться только в рамках целостной системы биосферы. Не случайно поэтому В.И.Вернадский считает, что живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей. 1

Исходной основой существования биосферы и происходящих в ней биогеохимических процессов является астрономическое положение нашей планеты и в первую очередь ее расстояние от Солнца и наклон земной оси к эклиптике, или к плоскости земной орбиты. Это пространственное расположение Земли определяет в основном климат на планете, а последний в свою очередь – жизненные циклы всех существующих на ней организмов. Солнце является основным источником энергии биосферы и регулятором всех геологических, химических и биологических процессов на нашей планете. Эту ее роль образно выразил один из авторов закона сохранения и превращения энергии Юлиус Майер (1814 – 1878), отметивший, что жизнь есть создание солнечного луча.

Решающее отличие живого вещества от косного заключается в следующем:

изменения и процессы в живом веществе происходят значительно быстрее, чем в косных телах. Поэтому для характеристики изменений в живом веществе используется понятие исторического, а в косных телах – геологического времени. Для сравнения отмету, что секунда геологического времени соответствует примерно ста тысячам лет исторического;

в ходе геологического времени возрастают мощь живого вещества и его воздействие на косное вещество биосферы. Это воздействие, указывает В.И. Вернадский, проявляется прежде всего "в непрерывном биогенном токе атомов из живого вещества в косное вещество биосферы и обратно";

только в живом веществе происходят качественные изменения организмов в ходе геологического времени. Процесс и механизмы этих изменений впервые нашли объяснение в теории происхождения видов путем естественного отбора Ч.Дарвина (1859 г.);

живые организмы изменяются в зависимости от изменения окружающей среды, адаптируются к ней и, согласно теории Дарвина, именно постепенное накопление таких изменений служит источником эволюции.

В.И.Вернадский высказывает предположение, что живое вещество, возможно, имеет и свой процесс эволюции, проявляющийся в изменении с ходом геологического времени, вне зависимости от изменения среды. 2

Для подтверждения своей мысли он ссылается на непрерывный рост центральной нервной системы животных и ее значение в биосфере, а также на особую организованность самой биосферы. По его мнению, в упрощенной модели эту организованность можно выразить так, что ни одна из точек биосферы "не попадает в то же место, в ту же точку биосферы, в какой когда-нибудь была раньше” 3 . В современных терминах это явление можно описать как необратимость изменений, которые присущи любому процессу эволюции и развития.

Непрерывный процесс эволюции, сопровождающийся появлением новых видов организмов, оказывает воздействие на всю биосферу в целом, в том числе и на природные биокосные тела, например, почвы, наземные и подземные воды и т. д. Это подтверждается тем, что почвы и реки девона совсем другие, чем третичной и тем более нашей эпохи. Таким образом, эволюция видов постепенно распространяется и переходит на всю биосферу.

Поскольку эволюция и возникновение новых видов предполагают существование своего начала, постольку закономерно возникает вопрос: а есть ли такое начало у жизни? Если есть, то где его искать – на Земле или в Космосе? Может ли возникнуть живое из неживого?

Над этими вопросами на протяжении столетий задумывались многие религиозные деятели, представители искусства, философы и ученые. В.И.Вернадский подробно рассматривает наиболее интересные точки зрения, которые выдвигались выдающимися мыслителями разных эпох, и приходит к выводу, что никакого убедительного ответа на эти вопросы пока не существует. Сам он как ученый вначале придерживался эмпирического подхода к решению указанных вопросов, когда утверждал, что многочисленные попытки обнаружить в древних геологических слоях Земли следы присутствия каких-либо переходных форм жизни не увенчались успехом. Во всяком случае некоторые останки жизни были обнаружены даже в докембрийских слоях, насчитывающих 600 миллионов лет. Эти отрицательные результаты, по мнению В.И.Вернадского, дают возможность высказать предположение, что жизнь как материя и энергия существует во Вселенной вечно и поэтому не имеет своего начала. Но такое предположение есть не больше, чем эмпирическое обобщение, основанное на том, что следы живого вещества до сих пор не обнаружены в земных слоях. Чтобы стать научной гипотезой, оно должно быть согласовано с другими результатами научного познания, в том числе и с более широкими концепциями естествознания и философии. Во всяком случае нельзя не считаться со взглядами тех натуралистов и философов, которые защищали тезис о возникновении живой материи из неживой, а в настоящее время даже выдвигают достаточно обоснованные гипотезы и модели происхождения жизни.

Предположения относительно абиогенного, или неорганического, происхождении жизни делались неоднократно еще в античную эпоху, например, Аристотелем, который допускал возможность возникновения мелких организмов из неорганического вещества. С возникновением экспериментального естествознания и появлением таких наук, как геология, палеонтология и биология, такая точка зрения подверглась критике как не обоснованная эмпирическими фактами. Еще во второй половине XVII в. широкое распространение получил принцип, провозглашенный известным флорентийским врачом и натуралистом Ф.Реди, что все живое возникает из живого. Утверждению этого принципа содействовали исследования знаменитого английского физиолога Уильяма Гарвея (1578 – 1657), который считал, что всякое животное происходит из яйца, хотя он и допускал возможность возникновения жизни абиогенным путем.

В дальнейшем, по мере проникновения физико-химических методов в биологические исследования снова и все настойчивее стали выдвигаться гипотезы об абиогенном происхождении жизни. Выше мы уже говорили о химической эволюции как предпосылке возникновения предбиотической, или предбиологической, стадии возникновения жизни. С указанными результатами не мог не считаться В.И. Вернадский, и поэтому его взгляды по этим вопросам не оставались неизменными, но, опираясь на почву точно установленных фактов, он не допускал ни божественного вмешательства, ни земного происхождения жизни. Он перенес возникновение жизни за пределы Земли, а также допускал возможность ее появлении в биосфере при определенных условиях. Он писал: “Принцип Реди. не указывает на невозможность абиогенеза вне биосферы или при установлении наличия в биосфере (теперь или раньше) физико-химических явлений, не принятых при научном определении этой формы организованности земной оболочки.” 4

Несмотря на некоторые противоречия, учение Вернадского о биосфере представляет собой новый крупный шаг в понимании не только живой природы, но и ее неразрывной связи с исторической деятельностью человечества.

Общеизвестно, что жизнь сосредоточена в трех традиционно выделяемых геосферах: в атмосфере, в гидросфере, а также на и в литосфере (ее верхних слоях). Соответственно подразделение биосферы – аэробиосфера (населенная аэробионтами), гидробиосфера (с гидробионтами) и геобиосфера (ее населяют геобионты). Жизнь сосредоточена на земной поверхности, в подземных водах. Биоценозы над водой и на ней в пленке поверхностного натяжения практически не существуют. Они либо внутриводные, плейстонные, либо сухопутно-водные, но не строго воздушно-водные как у границы сред на суше, где формируется обширная фитосфера, образованная толщей наземной растительности (рисунок 5.1). На воде и над нею живут лишь отдельные организмы, например, насекомые типа водомерок, птицы, отчасти киты и морские змеи, некоторые растения. Однако птицы для гнездования нуждаются хотя бы в небольших участках суши или в растительности мелководий, растущей на твердом субстрате и поднимающейся сквозь воду в воздушную среду. Киты, змеи и другие аналогичные организмы появляются на водной поверхности только на относительно короткое время для пополнения запасов атмосферного воздуха. Поверхностноводные насекомые и растения очень малочисленны.

Рисунок 5.1 – Структура биосферы (по Н.Реймерсу)

Фитосфера – наиболее продуктивный слой на суше вместе с освещенными слоями гидросферы (ее фотосферой). На поверхности суши образовалась террабиосфера. Но жизнь проявляется, хотя и не столь явно, как на поверхности, в глубинах литосферы и особенно в подземных водах. Эту часть биосферы предлагается назвать литобиосферой (с литобионтами). Жизнь в глубинных слоях литосферы (глубже 1 км, ниже кислородной границы), особенно в ее водах, можно обозначить термином теллуробиосфера (лат. tellus, telluris – земля). Ниже подземные воды не содержат свободного кислорода, поэтому не населены организмами-аэробами. Эта граница расположена на глубине нескольких сотен, максимум до тысячи метров от поверхности Земли.

Существует немало видов, особенно животных, обитающих только в подземных водах — стигобионтов, или троглобионтов. Они населяют пещерные водоемы и пластовые воды. Часть этих организмов проникли в пещеры и там приспособились к новым условиям существования или живут как под землей, так и в поверхностных водах. В жизни подземных существ нет никаких ритмов. Они растут, размножаются, бывают активны круглогодично. Литобиосфера действительно особый мир жизни.

Вверх от поверхности Земли простирается разреженная жизнь аэробиосферы, в нижнем слое тропобиосферы она представлена не только микроорганизмами и вирусами, главным образом живущими в капельках атмосферной влаги, но и многочисленными представителями животного и растительного миров, поднимающимися с поверхности земли и растительного покрова. Тут обычны биогенные вещества – биолины, фитонциды и др. Дальше вне слоя положительных температур лежит относительно тонкий слой альтобиосферы (лат. altus – высокий). Здесь жизнь возможна лишь благодаря прямой солнечной инсоляции, температура среды не поднимается выше 0° С.

Над альтобиосферой расположен слой случайного заноса организмов и их спор, не способных к активному метаболизму из-за низкой температуры, малого атмосферного давления и воздействия космического излучения и коротковолновой части солнечного спектра. Выше слои атмосферы лишены жизни, но могут содержать биогены. Функциональное сложение аэробиосферы недостаточно ясно. Медики указали на практически важные миграции в аэробиосфере вирусов и микробов.

Гидробиосфера намного лучше изучена. С точки зрения учения о биосфере и существующих потоков энергии в гидробиосфере можно выделить освещенную часть – фотосферу, слой слабого освещения – дисфотосферу и афотосферу, лишенную света.

Видимо, под дном океана, в его базальтах жизнь отсутствует. Следовательно, можно предположить, что максимальные глубины проявления жизни на суше ограничены, по В. И. Вернадскому, изотермой 100° С (по современным данным, возможно, более высокой температурой). По глубине, согласно сведениям, полученным при бурении Кольской сверхглубокой скважины, это приблизительно 5–6 км. Фактически живые микроорганизмы обнаружены в буровых скважинах на глубинах до 4 км, а микробиологические останки – до 7 км. В пределах океана распространение жизни наблюдается до его наибольших глубин – около 11 км.

Вверх от поверхности Земли жизнь с активным обменом веществ идет от изотермы 0° С или чуть более низкой температуры преимущественно до 6 км по вертикали. Таким образом, собственно биосфера, или эубиосфера – слой активной жизни, занимает на суше толщину максимум в 12 км, а в пределах океана 17 км по вертикали. Эти числа значительно меньше, чем предполагалось раньше (20–22 км и даже более).

1. Характеристика и структура биосферы

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 охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.

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.

2. В.И. Вернадский о биосфере

Это воздействие сказывается, прежде всего, в создании многочисленных новых видов культурных растений и домашних животных. Такие виды не существовали раньше и без помощи человека либо погибают, либо превращаются в дикие породы. Поэтому Вернадский рассматривает геохимическую работу живого вещества в неразрывной связи животного, растительного царства и культурного человечества как работу единого целого.

открытию Пастера о преобладании оптически активных соединений, связанных с дисимметричностью пространственной структуры молекул, как отличительной особенности живых тел;
явно недооценивался вклад живых организмов в энергетику биосферы и их влияние на неживые тела. Ведь в состав биосферы входит не только живое вещество, но и разнообразные неживые тела, которые В.И.Вернадский называет косными (атмосфера, горные породы, минералы и т. д.), а также и биокосные тела, образованные из разнородных живых и косных тел (почвы, поверхностные воды и т. п.). Хотя живое вещество по объему и весу составляет незначительную часть биосферы, но оно играет основную роль в геологических процессах, связанных с изменением облика нашей планеты.

Поскольку живое вещество является определяющим компонентом биосферы, постольку можно утверждать, что оно может существовать и развиваться только в рамках целостной системы биосферы. Не случайно, поэтому В.И.Вернадский считает, что живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей.

Решающее отличие живого вещества от косного заключается в следующем:

Для подтверждения своей мысли он ссылается на непрерывный рост центральной нервной системы животных и ее значение в биосфере, а также на особую организованность самой биосферы. По его мнению, в упрощенной модели эту организованность можно выразить так, что ни одна из точек биосферы «не попадает в то же место, в ту же точку биосферы, в какой когда-нибудь была раньше”. В современных терминах это явление можно описать как необратимость изменений, которые присущи любому процессу эволюции и развития.

Предположения относительно абиогенного, или неорганического происхождения жизни делались неоднократно еще в античную эпоху, например, Аристотелем, который допускал возможность возникновения мелких организмов из неорганического вещества. С возникновением экспериментального естествознания и появлением таких наук, как геология, палеонтология и биология, такая точка зрения подверглась критике как не обоснованная эмпирическими фактами. Еще во второй половине XVII в. широкое распространение получил принцип, провозглашенный известным флорентийским врачом и натуралистом Ф. Реди, что все живое возникает из живого. Утверждению этого принципа содействовали исследования знаменитого английского физиолога Уильяма Гарвея (1578 – 1657), который считал, что всякое животное происходит из яйца, хотя он и допускал возможность возникновения жизни абиогенным путем.

В дальнейшем, по мере проникновения физико-химических методов в биологические исследования снова и все настойчивее стали выдвигаться гипотезы об абиогенном происхождении жизни. Выше мы уже говорили о химической эволюции как предпосылке возникновения предбиотической, или предбиологической, стадии возникновения жизни. С указанными результатами не мог не считаться В.И. Вернадский, и поэтому его взгляды по этим вопросам не оставались неизменными, но, опираясь на почву точно установленных фактов, он не допускал ни божественного вмешательства, ни земного происхождения жизни. Он перенес возникновение жизни за пределы Земли, а также допускал возможность ее появлении в биосфере при определенных условиях. Он писал: “Принцип Реди не указывает на невозможность абиогенеза вне биосферы или при установлении наличия в биосфере (теперь или раньше) физико-химических явлений, не принятых при научном определении этой формы организованности земной оболочки”.

Человек связан с природой неразрывными узами. Начиная с первобытного периода своего существования, он пытался ее познать в целях использования. Природа давала ему пищу – растительную и животную; одежду, жилище; орудия и оружие – каменные, металлические; энергию огня, воды, ветра.

Постепенно из наблюдений и опыта использования различных природных объектов возникли науки.

Содержание

Краткая история образования Земли и её строение. 3

Учение В.И.Вернадского о биосфере………………. 5

Функциональные связи в биосфере…. 11

Биосфера как арена жизни……………………………………….…. 15

Прикрепленные файлы: 1 файл

Биология-Биосфера.docx

Функциональные связи в биосфере

Три составные части биосферы - гидросфера, атмосфера и литосфера – тесно взаимосвязаны друг с другом, составляя вместе единую генеральную саморегулирующуюся экосистему, обеспечивающую устойчивый глобальный круговорот веществ.

Почва – особое органо-минеральное (биокосное) естественно-историческое природное образование, возникшее в результате воздействия живых организмов на минеральный субстрат и разложения мёртвых организмов, влияния природных вод и атмосферного воздуха на поверхностные горизонты горных пород (рис.1.1).

Растения могут извлекать из почвы минеральные вещества только в виде ионов растворимых солей. Эти ионы быстро вымывались бы из почвы, если бы не были прочно связаны со стабильными почвенными частицами. Глина и гумус вступают в тесное взаимодействие, образуя глинисто-гумусовый комплекс, составленный частицами - мицеллами.

Поверхность каждой такой сложной частицы имеет многочисленные отрицательно заряженные участки, притягивающие положительно заряженные ионы - кальций, магний и калий, - и таким образом удерживающие их в почве (рис. 1.1). Подвижность ионов в почве и дифференцировка горизонтов почвенного профиля обусловлены притоком водородных ионов угольной кислоты, которые в составе угольной кислоты непрерывно поступают с дождевой водой в верхние слои почвы. Ионы водорода вытесняют из мицеллы ионы кальция и других элементов, которые затем вымываются из почвы в грунтовые воды.

Схематическое изображение глинисто- гумусового комплекса (мицеллы), на поверхности которого имеются отрицательные заряды, притягивающие ионы водорода и минеральные ионы (поР.Риклефсу,1979)

Поглощая и отражая солнечную энергию, почва выступает как мощный фактор энергетического баланса биосферы и связывается с атмосферными процессами (регулирование влагооборота и газового режима атмосферы).

С литосферой почва связана наиболее прямым путём: она возникла из верхних слоев литосферы и своей жизнедеятельностью способствует дальнейшему геохимическому преобразованию этих слоев. В то же время почва служит источником вещества для образования минералов, горных пород, полезных ископаемых и способствует переносу аккумулированной солнечной энергии в глубокие части литосферы. Все эти процессы можно рассматривать как глобальные функции почвы, имеющие общебиосферное значение.

Таким образом, значение почвы в биосфере можно определить как связующее звено биологического и геологического круговоротов.

Вода и воздух

Во-первых, связь гидросферы с атмосферой осуществляется в форме круговорота (осадки - испарение).

Во-вторых, это энергетические связи как прямые - через тепловое излучение, так и опосредованные - через процессы фотосинтеза.

В-третьих, существуют химические связи: растворение в водах О₂ и CО₂. Этот процесс поддерживает систему динамического равновесия в водной среде по принципу:

Эта система имеет решающее значение в формировании условий жизни гидробионтов.

Особое положение в качестве планетарной функции имеют многочисленные и разнообразные живые организмы (живое вещество).

Масса живого вещества в биосфере по некоторым подсчётам (по И.А.Шилову, 1997) составляет около 2400 млрд. т, что соответствует всего лишь 1/2100 массы атмосферы Земли. Общая толщина биосферы – порядка 1/320 радиуса Земли (1/325 с учётом атмосферы) - характеризует её как тонкую плёнку на поверхности планеты. Тем не менее, именно биосфера превращает её в уникальное по своим свойствам небесное тело.

Это объясняется высокой химической активностью живого вещества.

Химические (биохимические) реакции, протекающие в живых организмах, осуществляются с участием мощных биологических катализаторов - ферментов - и по скорости в тысячи раз превосходят реакции в неорганическом мире. Кроме того, участие ферментов сдвигает температурные и иные условия реакций. Жиры и углеводы, например, окисляются в организмах при температуре до 37°С, тогда как в абиотических условиях те же реакции требуют высокой температуры (порядка 400-500°С). Промышленный синтез аммиака из молекулярного азота происходит при температуре 500°С и давлении 300-500 атм; микроорганизмы реализуют эту реакцию при нормальных температуре и давлении. На ферментативных реакциях в живых организмах базируется глобальный биологический круговорот, о масштабах которого можно судить по темпам оборота кислорода и углекислого газа в процессе фотосинтеза .

Высокая химическая активность живого вещества способствует также постоянному вовлечению в круговорот элементов, активно извлекаемых из горных пород.

На высокой активности живого вещества основываются и регуляторные процессы в биосфере (поддержание озонового экрана за счёт продукции кислорода, обеспечение постоянства минерального состава океанических вод в результате деятельности организмов и др.).

Общие закономерности организации экосферы и биосферы

Биосфера - высший уровень иерархии экосистем нашей планеты, и естественно, её законы функционирования аналогово справедливы и для ниже расположенных уровней в этой иерархии, хотя имеется и специфика (биосфера более закрытая система, чем её подразделения).

Биосферу, как и любую другую систему, формируют не только и не столько внешние факторы, сколько внутренние закономерности.

Эти закономерности представлены ниже в соответствии с аксиомой иерархической организации, или принципа интегративных уровней – подсистем различного функционального значения.

Аксиома иерархической организации
Закон преломления космических воздействий
Закон биогенной миграции атомов В.И. Вернадского
Правило незамкнутости биотических (биогеохимических) круговоротов
Закон константности количества живого вещества В.И. Вернадского
Закон физико-химического единства живого вещества)
Закон сохранения структуры биосферы, или первый закон экодинамики Ю.Голдсмита
Закон стремления к климаксу, или второй закон экодинамики Ю.Голдсмита
Принцип системной дополнительности
Правило автоматического поддержания глобальной среды обитания

Закономерности эволюции биосферы

Эволюцию биогеоценозов, или экосистем, называют также экогенезом – совокупностью процессов и закономерностей необратимого направленного развития и смены биогеоценозов и биосферы в целом. Сущность экогенеза проявляется в способности сообществ организмов преобразовывать среду своего обитания и впоследствии изменять свой состав, структуру и продуктивность в направлении большего соответствия изменившимся условиям среды.

Принцип Реди./Живое происходит только от живого, между живым и неживым веществом существует непроходимая граница, хотя и имеется постоянное взаимодействие/.
Экоисторический (геоисторический) принцип
Закон глобального замыкания биогеохимического круговорота
Теорема порога возрастания энтропии в биосфере К.С. Тринчера
Принцип (правило) катастрофического толчка
Принцип прерывности и непрерывности развития биосферы
Правило одного процента
Правило десяти процентов
Правило константности числа видов в ходе стационарной эволюции биосферы
Правило множественности экосистем. Множественность конкурентно взаимодействующих экосистем обязательна для поддержания надёжности биосферы

Биосфера как арена жизни

Биосфера — глобальная экологическая система, особая оболочка Земли, сфера распространения жизни, состав, структура и энергетика которой обусловлены прошлой и современной деятельностью живых организмов, границы которой определяются наличием пригодных для организмов абиотических условий: температуры, жидкой воды, состава газов, солёности вод, элементов минерального питания (Рис.1.2).

Суммарная биомасса всех организмов биосферы в пересчете на сухое вещество оценивается величиной в 2 трлн. т., причём 98% её представлено биомассой наземных растений. Если мысленно всё живое вещество равномерно распределить по поверхности планеты, то получится слой толщиной около 2 см.

Рис. 1.2.Структура биосферы (вертикальный срез)

К собственно биосфере (эубиосфере) относят те участки, где есть условия не только для выживания, но и для размножения живых существ, - это поле существования жизни. К нему прилегают области, в которых живые существа находятся в угнетённом состоянии и не могут размножаться (поле устойчивости жизни).

Поле существования жизни определяют, как минимум пять условий:

1)Достаточное количество кислорода и углекислого газа. Живые существа адаптированы к современному составу и давлению воздуха.

Весовая концентрация кислорода на уровне моря составляет 299 г/м3, на высоте 20 км это уже 15 г/м3, соответственно парциальное давление 160 мм и 8,7 мм. Поэтому на высоте 20 км при таком низком парциальном давлении жизнь невозможна, хотя количество кислорода по объёму осталось тем же, что и на уровне моря - 20,95%. Парциальное давление углекислого газа на больших высотах (выше 6 км) меньше, чем необходимо.

Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.

Атмосфера – наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с космическим пространством; через атмосферу осуществляется обмен вещества и энергии с космосом. Верхняя граница биосферы проходит на высоте 25 -30 км., где находится озоновый слой Земли.

Гидросфера – водная оболочка Земли. Нижней границей биосферы в гидросфере является Мариинская впадина, глубина которой равна 11 022 метра.

Литосфера – внешняя твердая оболочка Земли, состоящая из осадочных и магматических пород. 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). Нижней границей биосферы в литосфере принято считать изотерму более 100 градусов

Все экосистемы Земли являются структурными элементами единой системы – биосферы, которую в свою очередь можно рассматривать как глобальную экосистему. Биосфера обладает уникальным свойством: представленная разнообразными взаимосвязанными экосистемами, она саморегулируется, оставаясь постоянной, практически не изменяя своих параметров. В ней осуществляется глобальный круговорот веществ, который включает биологические круговороты веществ, протекающие в различных экосистемах. Биосферу как экосистему относят к биосферному уровню организации живого.

Географический пояс — крупнейшее зональное подразделение географической оболочки, опоясывающей земной шар в широтном направлении. Географические пояса соответствуют климатическим поясам. Каждый географический пояс отличается целостностью климатических условий.

Земной шар подразделяется на следующие географические зоны и пояса:

Северная полярная зона — к северу от Северного Полярного Круга (арктический пояс);

Северная Умеренная зона — между Северным Полярным Кругом и Тропиком Рака (южный умеренный пояс);

Жаркая зона — между Тропиками Рака и Козерога (южный тропический пояс, экваториальный пояс, северный тропический пояс);

Южная Умеренная зона — между Тропиком Козерога и Южным полярным кругом (северный умеренный пояс)

Южная Полярная зона — к югу от Южного полярного круга (антарктический пояс).

На границах также выделяют следующие пояса:

два субэкваториальных (северный и южный)

два субтропических (северный и южный)

№45. Основные функции живого вещества и его значение в формировании биосфере.

Чтобы биосфера могла существовать и развиваться, ей необходима энергия. Главным источником для биосферы является Солнце. Энергетическая функция выполняется, прежде всего, растениями, которые в процессе фотосинтеза аккумулируют солнечную энергию в виде разнообразных органических соединений. Без этого процесса накопления и передачи энергии живым веществом невозможно было бы развитие жизни на Земле и образование современной биосферы.

Минерализация органических веществ, разложение отмершей органики до простых неорганических соединений, химическое разложение горных пород, вовлечение образовавшихся минералов в биотический круговорот определяет деструктивную (разрушительную) функцию живого вещества. Данную функцию в основном выполняют грибы, бактерии. Мертвое органическое вещество разлагается до простых неорганических соединений, которые вновь используются в начальном звене круговорота. Этим занимается специальная группа организмов - редуценты (деструкторы).

Способность концентрировать элементы из разбавленных растворов - это характерная особенность живого вещества. Концентрационная (накопительная) функция - избирательное накопление определенных веществ, рассеянных в природе - водорода, углерода, азота, кислорода, кальция, магния, натрия, калия, фосфора и многих других, включая тяжелые металлы, в живых существах. Раковины моллюсков, панцири диатомовых водорослей, скелеты животных — все это примеры проявления концентрационной функции живого вещества.

Газовые функции заключаются в участии живых организмов в миграции газов и их превращениях. Вследствие выполнения живым веществом газовых биогеохимических функций в течение геологического развития Земли сложились современный химический состав атмосферы.

Транспортная функция - перенос вещества и энергии в результате активного движения живых организмов

Живое вещество преобразует физико-химические параметры среды в условия, благоприятные для существования организмов. В этом проявляется еще одна главная функция живого вещества — средообразующая. Например, леса регулируют поверхностный сток, увеличивают влажность воздуха, обогащают атмосферу кислородом.

Читайте также: