Понятие биосферы. Учение Вернадского о биосфере. Основные структуры биосферы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция: Понятие биосферы. Учение Вернадского о биосфере. Основные структуры биосферы

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.

Землю нередко сравнивают с космическим кораблем, а человека - с пассажиром. В бескрайних просторах космоса, в известной части Вселенной, только одна Земля - планета жизни. И только на ней могут жить люди. Системой жизнеобеспечения для них является биосфера.

Биосфера (греч. «биос» - жизнь, «сфера» - шар) - это оболочка Земли, в которой развивается жизнь разнообразных организмов, населяющих поверхность суши, почву, нижние слои атмосферы, гидросферу (слайд).

Биосфера - область «жизни», пространство на поверхности Земного шара, в котором обитают живые существа. Под биосферой понимают совокупность всех живых организмов, включая человека, и окружающей их среды (слайд). биосфера гидросфера гидробионты литосфера

Колыбель Homo sapiens, основа его физического и духовного развития, источник всех природных ресурсов - все это биосфера. И в познании законов ее эволюции и организованности лежит ключ к разумному преобразованию трудом и социальной мыслью человека.

Владимир Иванович Вернадский (1863-1945) впервые понял и научно обосновал единство человека и биосферы. В.И. Вернадский - крупный отечественный ученый, минералог и кристаллограф, один из основоположников геохимии и биогеохимии.

Рассмотрим некоторые основные положения учения В.И. Вернадского о биосфере. Прежде всего, Вернадский определил пространство, охватываемое биосферой Земли.

Будучи человеком щепетильным в вопросах научной этики, В.И. Вернадский неоднократно повторял, что термин «биосфера» принадлежит не ему, что впервые его в начале прошлого века употребил французский биолог Жан Батист Ламарк. Определенный геологический смысл в 1875 году вложил в термин «биосфера» австрийский ученый Эдуард Зюсс (1831-1914), который рассматривал биосферу главным образом как топологическое образование, т.е. пространство, заполненное жизнью (слайд).

Концепция биосферы, которую мы принимаем сейчас, в основном опирается на идеи В.И.Вернадского. Классический труд В.И.Вернадского «Биосфера» опубликован в 1926 году.

В.И.Вернадский дал несколько определений биосферы, везде подчеркивая две ее отличительные особенности. Первая: «Биосфера представляет оболочку жизни - область существования живого вещества». Вторая: «Биосфера может быть рассматриваема как область земной коры, занятая трансформаторами, переводящими космическое излучение в действенную земную энергию - электрическую, химическую, механическую, тепловую и т.д.»

По В.И.Вернадскому, биосфера представляет собой уникальную геологическую оболочку земного шара, глобальную систему Земли, в которой геохимические и энергетические превращения определяются суммарной активностью живых организмов. Тесная связь биотической (живой) и абиотической (неживой) составляющих экосистемы является главным принципом выделения ее как целостного образования. Ключевыми разделами науки о биосфере являются представления о круговоротах вещества и потоках энергии.

Биосфера включает в себя:

Живое вещество - это вся совокупность живых организмов на планете (растения, животные, микроорганизмы);

Живое вещество по своей массе занимает ничтожную долю по сравнению с любой из верхних оболочек земного шара. По современным оценкам, общее количество массы живого вещества в наше время равно 2420 млрд. тонн.

Косное вещество - это совокупность тех веществ, в образовании которых живые организмы не участвуют, например, изверженные горные породы.

Биогенное вещество - это органо-минеральные или органические продукты, созданные и переработанные живыми организмами (торф, каменный уголь, нефть, известняки). Это источник чрезвычайно мощной потенциальной энергии. После образования биогенного вещества живые организмы в нем малодеятельны.

Особой категорией является биокосное вещество. Оно создается в биосфере живыми организмами вместе с косными (неживыми) процессами (водой, атмосферой, горными породами). Организмы в биокосном веществе играют ведущую роль.

Биокосное вещество планеты - это почва.

Следовательно, биосфера - это та область Земли, которая охвачена влиянием живого вещества. Жизнь на Земле - самый выдающийся процесс на ее поверхности, получающий живительную энергию Солнца и вводящий в движение едва ли не все химические элементы таблицы Менделеева.

Все компоненты биосферы тесно взаимодействуют между собой, составляя целостную, сложно организованную систему, развивающуюся по своим внутренним законам и под действием внешних сил, в том числе космических (солнечного излучения, гравитационных и магнитных полей Солнца, Луны и других небесных тел).

Развитие безжизненной геосферы, т.е. оболочки, образованной веществом Земли, происходило на ранних стадиях существования нашей планеты, миллиарды лет назад. Изменения облика Земли были связаны с геологическими процессами, происходящими в земной коре, на поверхности и в глубинных слоях планеты, и находили проявление в извержениях вулканов, землетрясениях, подвижках земной коры, горообразовании. Такие процессы происходят и сейчас на безжизненных планетах Солнечной системы и их спутниках - Марсе, Венере, Луне.

С возникновением жизни сначала медленно и слабо, затем все быстрее и значительнее стало проявляться влияние живой материи на геологические процессы Земли.

Деятельность живого вещества, проникшего во все уголки планеты, привела к возникновению нового образования - биосферы - единой системы геологических и биологических тел и процессов преобразования энергии и вещества. Эти преобразования изменили облик и эволюцию Земли.

В результате процесса фотосинтеза, деятельности зеленых растений образовался современный состав атмосферы, в ней появился кислород. На активность фотосинтеза существенно влияет концентрация углекислого газа в атмосфере, наличие влаги и тепла.

Установившиеся за миллионы лет круговороты энергии и веществ в биосфере само поддерживаются в глобальных масштабах, хотя локальные (местные) изменения структуры и особенностей отдельных экосистем, составляющих биосферу, могут быть значительными.

Еще на ранних этапах эволюции живое вещество распространилось по безжизненным пространствам планеты, занимаемая доступные для жизни места. А в древние времена различные жизненные формы и виды растений, животных и микроорганизмы, грибы заняли всю планету. Живое органическое вещество можно найти и в глубинах океана, и на вершинах высоких гор, и во льдах, и горячих источниках.

Такую способность к распространению живого вещества В.И. Вернадский назвал «всюдностью» жизни.

Вершиной эволюции живого на Земле явился человек, который как биологический вид приобрел не только сознание, но и способность изготавливать и использовать в своей жизни орудия труда.

По средством орудий человечество стало создавать искусственную среду своего обитания (поселения, жилища, одежду, продукты питания, машины и многое другое). С этих пор эволюция биосферы вступила в новую фазу, где человеческий фактор стал мощной природной движущей силой.

Устойчивость биосферы обеспечивается многообразием форм жизни и многофункциональностью живых существ, которые поддерживают круговорот веществ и энергии. Человечество является неотъемлемой частью биосферы и не может не зависеть от нее «ни на одну минуту».

Биосфера Земли представляет собой глобальную открытую систему со своим «входом» и «выходом». Ее «вход» - это поток солнечной энергии, поступающий из космоса, «выход» - выход в «геологию».

Планета Земля характеризуется наличием трех поверхностных геосфер - гидросферы, литосферы, атмосферы.

Рисунок 1 - Строение биосферы

Нижняя граница биосферы опускается на 2-3 км от поверхности на суше и на 1-2 км ниже дна океана.

Верхней границей биосферы служит защитный озоновый слой, выше которого УФ излучение исключает существование жизни. Общая протяженность биосферы по вертикали составляет 33-35 км.

В пределах биосферы выделяется биогеосфера - «пленка жизни», своеобразная оболочка земного шара, где сконцентрировано практически все живое вещество. Она располагается на границе поверхностного слоя земной коры с атмосферой и в верхней части водной оболочки Земли Толщина биогеосферы колеблется от нескольких метров в степях и пустынях и до сотен метров в горах и морях.

Гидросфера - водная оболочка Земли, она включает в себя совокупность поверхностных вод, а также воду, находящуюся в пределах литосферы и атмосферы.

Гидросфера представлена океанами, морями, озерами, реками и искусственными водоемами. Наибольшая глубина в западной части Тихого океана достигает 11.5 км (Филиппинская впадина).

Основная часть поверхностных вод заключена в Мировом океане, который занимает 71% поверхности земного шара и включает примерно 96% общего запаса свободной воды. Океанические воды содержат значительное количество солей. Средняя соленость океанической воды 3,5% или 35 г/л.

Доля пресных вод составляет 2,5%, однако 70% этой воды сосредоточено в ледниковых покровах.

В верхней части земной коры находятся обширные запасы подземных вод. Пресные воды залегают до глубины 150-200 м, ниже они переходят в солоноватые. Подземные воды включают в себя также лед в толще многолетней мерзлоты.

Вода в атмосфере - это главным образом водяной пар и его конденсат (капельки воды и ледяные кристаллы).

Поверхностные воды по вертикали делятся на три зоны. Верхняя зона - эфотическая, определяется глубиной проникновения солнечного света, достаточного для фотосинтеза (в океане до 100 м). В этой зоне живут фотосинтезирующие организмы. Нижняя зона - афотическая. В эту зону свет не проникает, здесь живут живые организмы, использующие готовые органические вещества, синтезированные организмами эфотической зоны. Между ними располагается дисфотическая зона. Здесь обитают некоторые формы красных водорослей и цианобактерии.

В глубоких впадинах, заполненных сероводородом, обитают особые бактерии, использующие сероводород - хемосинтезирующие организмы. Общая роль хемосинтетиков велика. Ими синтезируется до 1-2 % первичной продукции.

Из газов, растворенных в воде, наибольшее значение имеют кислород и углекислый газ. Количество кислорода в гидросфере зависит от температуры и количества живых организмов. Концентрация углекислого газа в 60 раз больше, чем в атмосфере.

Обитателями водной среды являются гидробионты:

нейстон (от греч. нейстон - способный плавать) - совокупность морских и пресноводных организмов, которые обитают у поверхности воды (личинки комаров, многие простейшие, клопы-водомерки, ряска):

планктон (от греч. планктос - парящий) - плавающие организмы, способные совершать вертикальные и горизонтальные перемещения преимущественно в соответствии с движением водных масс. Фитопланктон - фотосинтезирующие свободно плавающие водоросли и зоопланктон - мелкие ракообразные, личинки, моллюски, медузы, мелкие рыбы:

нектон (от греч. нектос - плавающий) - свободно плавающие организмы, способные к самостоятельному вертикальному и горизонтальному перемещению (рыбы, амфибии, крупные водные насекомые, ракообразные, пресмыкающиеся (морские змеи и черепахи) и млекопитающие: китообразные (дельфины и киты) и ластоногие (тюлени)):

перифитон (от греч. пери - вокруг, около, фитон - растение) - животные и растения, прикрепленные к стеблям высших растений и поднимающиеся над дном (моллюски, коловратки, мшанки, гидры и др.):

бентос (от греч. бентос - глубина, дно) - донные организмы, ведущие прикрепленный или свободный образ жизни, в том числе: обитающие в толще донного осадка (моллюски, некоторые низшие растения, ползающие личинки насекомых, черви). В придонном слое обитают организмы, питающиеся в основном разлагающимися остатками.

Литосфера - «каменная оболочка» Земли представляет собой верхнюю часть земной коры. В контексте биосферы под литосферой обычно понимают только поверхностную ее часть - почву. Поэтому иногда употребляют термин педосфера - почвенная оболочка земной коры.

Общий химический состав земной коры определяют немногие химические элементы. Всего лишь 8 элементов находятся в земной коре в весовом количестве (более 1%) - кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий, калий. Наиболее распространенным элементом является кислород, который составляет почти половину массы земной коры (47,3%).

Поверхность Земли обладает значительной неоднородностью по высоте: от 8848 м над уровнем моря (Эверест, г. Джомолунгма) до 11034 м (Филиппинская впадина).

Литосфера имеет биогенное происхождение. Она состоит из органических, неорганических соединений и живых организмов. Границы биосферы определяются областью распространения живых организмов. В литосфере живые организмы обнаруживаются на глубине примерно 7,5 км.

Жизнь в литосфере концентрируется только в поверхностном слое земной коры, в основном в почве.

Почва - это верхние наружные уровни горных пород, измененные под влиянием воды, воздуха и деятельности живых организмов.

В.И. Вернадский характеризовал почву как смесь остатков живых организмов и косных (неорганических) веществ.

Продукты жизнедеятельности и разрушения организмов, главным образом растений, частично накапливаются на поверхности почвы (сухие листья, ветки), частично на некоторых глубинах (например, отмершие корни). Процесс разложения органических веществ происходит с помощью различных микроорганизмов, грибов и разнообразных почвенных животных - редуцентов.

Соотношение трех фаз в почве - твердых минеральных веществ, жидкости и воды - определяет основные физические свойства почвы как среды обитания живых организмов. Химические свойства почвы сильно зависят от наличия органических веществ.

Атмосфера - газовая оболочка Земли существенно отличается от всех известных науке газовых оболочек других небесных тел. Она относится к азотно-кислородному типу и отличается малым содержание инертных газов (за исключением аргона) и молекулярного водорода. В течение геологической истории Земли произошли события, изменившие первоначальный состав ее газовой оболочки, что связывают с деятельностью живых организмов, прежде всего растений

Ее масса около 5.9•1015 т. Она состоит из нескольких сфер - тропосферы, стратосферы, мезосферы, ионосферы (термосфера), экзосфера.

Тропосфера - это область, где наиболее интенсивно протекают тепловые процессы. Тепловая энергия в основном подводится снизу от поверхности земли и океана. Физические процессы, протекающие в тропосфере, оказывают глубокое влияние на климат планеты, на процессы поглощения солнечной радиации, на круговорот воды, связанный с образованием облаков и выпадением осадков. Толщина тропосферы составляет от 7 до 18 км, на ее долю приходится ѕ всей земной атмосферы.

Стратосфера находится выше тропосферы. Ее протяженность составляет 40 км. В пределах стратосферы расположен озоновый слой. Высота озонового слоя у полюсов оценивается в 7-8 км, у экватора - 17-18 км, а максимальная высота присутствия озона составляет 45-50 км. Озоновый слой интенсивно поглощает УФ лучи, что обусловливает повышение температуры в этой зоне атмосферы. Мощность озонового слоя ничтожно мала. Если собрать все его молекулы и опустить их к поверхности планеты, то толщина озонового слоя или экрана составит 3 мм.

Мезосфера. Количество озона в ней уменьшается, средняя температура там значительно ниже. На высоте 80 км она равна - 70 ^оС.

Ионосфера или термосфера. Слой атмосферы над мезосферой от высот 80-90 км, температура в котором растет до высот 200-300 км, где достигает значений порядка 1500 К, после чего остается почти постоянной до больших высот.

Экзосфера наиболее удалена от Земли, в ней еще обнаруживаются газы атмосферы, находящиеся в атомарном состоянии. Силы притяжения Земли здесь уже недостаточны для удержания материальных частиц, которые рассеиваются в космическом пространстве.

Верхняя граница биосферы проходит примерно на высоте 20 км, т. е. живые организмы расселены в тропосфере и нижних слоях стратосферы.

Химический состав воздуха до высоты 100 км остается практически постоянным: азот -78.09 %, кислород - 20,94 %, аргон - 0,93 %, диоксид углерода - 0,03 %, остальные газы - в микроколичествах.

Состояние атмосферы оказывает важное влияние на физические, химические и биологические процессы на поверхности Земли. Наибольшее значение для биологических процессов имеют кислород атмосферы, необходимый для дыхания организмов и минерализации омертвевшего органического вещества. Углекислый газ расходуется на фотосинтез. Вне атмосферы существование живых организмов невозможно. Примером может служить Луна, лишенная атмосферы. Историческое развитие атмосферы связано с геохимическими процессами и жизнедеятельностью организмов. Азот, углекислый газ, пары воды образовались в результате вулканической деятельности, а кислород - в результате фотосинтеза.

Атмосфера, гидросфера и литосфера тесно взаимодействуют между собой. Практически все поверхностные экзогенные геологические процессы обусловлены этим взаимодействием и проходят, как правило, в биосфере.

• Ноосфера (греч. разум и сфера - шар) - сфера взаимодействия общества и природы, в границах которой разумная человеческая деятельность становится определяющим фактором развития.

Ноосфера - высшая стадия эволюции биосферы, становление которой связано с развитием человеческого общества, оказывающего глубокое воздействие на природные процессы.

Размещено на Allbest.ru