Биосфера – глобальная экосистема

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Живое вещество - компонент биосферы

2. Абиотические (неживые) компоненты биосферы

3. Почва - уникальный компонент биосферы. Самоочищение почвы

4. Биосфера и космос

5. Биогенная миграция атомов - экосистемное свойство биосферы

6. Как развивалась биосфера: пять экологических катастроф

7. Устойчивость биосферы

Список использованных источников

Введение

Термин «биосфера» в научную литературу введен в 1875 г. австрийским ученым-геологом Эдуардом Зюссом. К биосфере он отнес все то пространство атмосферы, гидросферы и литосферы (твердой оболочки Земли), где встречаются живые организмы.

Согласно Вернадскому В.И., под био-сферой понимается все пространство (оболочка Земли), где существует или когда-либо существовала жизнь, то есть где встречаются живые организмы или продукты их жизнедеятельности. При этом в понятие биосферы включается преобразующая деятельность организмов не только в границах распространения жизни в настоящее время, но и в прошлом.

По мнению ученого, земная кора представляет собой в основном остатки былых биосфер. Даже гранитно-гнейсовый ее слой образовался в результате метаморфизма и переплавления пород, возникших когда-то под воздействием живого вещества. Только базальты и другие основные магматические породы он считал глубинными и по своему генезису не связанными с биосферой.

В учении о биосфере понятие «живое вещество» является основополагающим. Живые организмы превращают космическую лучистую энергию в земную, химическую и создают бесконечное разнообразие нашего мира. Своим дыханием, питанием, метаболизмом, смертью и разложением, длящимся сотни миллионов лет, непрерывной сменой поколений они порождают существующий только в биосфере грандиознейший планетарный процесс - миграцию химических элементов.

Эпохи развития жизни: протерозой, палеозой, мезозой, кайнозой отражают не только формы жизни на Земле, но и ее геологическую летопись, ее планетарную судьбу.

В биосфере, как и в каждой экосистеме, постоянно осуществляется кругооборот химических элементов. Таким образом, живое вещество биосферы, выполняя геохимические функции, создает и поддерживает равновесие биосферы.

Биосферу слагают следующие типы веществ:

· Живое вещество -- вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, физико-химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности. Это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты», поскольку живое вещество не просто населяет биосферу, а преобразует облик Земли. Живое вещество распределено в пределах биосферы очень неравномерно.

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

· Косное вещество -- продукты, образующиеся без участия живых организмов.

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

· Вещество, находящееся в радиоактивном распаде.

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

· Вещество космического происхождения.

Всего в нашей солнечной системе 8 планет, 4 из которых относятся к планетам земной группы и 4 к газовой группе. Планета Земля является самой крупной планетой земной группы и имеет наибольшую массу, плотность, магнитное поле и гравитацию. Структура Земли не однородна, и условно ее можно разделить на слои (уровни): земная кора; мантия; ядро.

Рисунок 1 Строение Земли

1. Живое вещество - компонент биосферы

Живое вещество или биомасса -- совокупность всех живых организмов на Земле, способность живого вещества к воспроизводству и распространению на планете, борьбу организмов за пищу, воду, территорию, воздух. Представлено организмами различных размеров. Самые крупные из них - киты. Длина тела современных китов от 1,1 до 33 м, масса от 30 кг до 150 т. К высочайшим деревьям относится секвойя вечнозеленая, которая достигает высоты 110-112 м и имеет диаметр 6-10 м.

По приблизительной оценке, за время существования жизни на Земле в биосфере существовало более миллиарда видов.

Среди живых существ преобладают насекомые (их около миллиона видов). Позвоночные составляют всего 2%. . Известный нам мир жизни более чем на 70% состоит из животных, 225 - это растения и грибы, 5%- одноклеточные организмы.

Живое вещество связано с косным веществом - атмосферой (до уровня озонового экрана), полностью с гидросферой и литосферой, главным образом в границах почвы, но не только.

Живое вещество биосферы неоднородно и обладает тремя типами трофических взаимодействий: автотрофностью, гетеротрофностью, миксотрофностью.

Трофические экологические взаимодействия способствуют преобразованию неорганического (косного) вещества в органическое и обратной перестройке органиче6ских веществ в минеральные. Представители каждого царства, типа и класса выполняют свои функции в экологических взаимодействиях на уровне биосферы.

Живое вещество характеризуется определенными свойствами: это огромная свободная энергия; химические реакции, протекающие в тысячи и даже миллионы раз быстрее, чем в других веществах планеты; специфические химические соединения - белки, ферменты и другие соединения, устойчивые в составе живого; возможность произвольного движения - рост или активное перемещение; стремление заполнить все окружающее пространство; удивительное разнообразие форм, размеров, химических вариантов и т.п., значительно превышающее многие контрасты в неживом, косном веществе. Поскольку живое вещество является определяющим компонентом биосферы, постольку можно утверждать, что оно может существовать. Для изучения живого вещества в экологии применяются определенные методы и подходы. Одним из основных является экосистемный подход. Мириады живых существ населяют биосферу, составляют живое вещество биосферы. Химический состав живого вещества сходен с составом звезд и Солнца, что подтверждает единство природы. У живого вещества современными методами могут быть измерены масса, количество заключенной в нем энергии, характер отвечающего его пространства. Современному живому веществу присуще большое химическое разнообразие.

2. Абиотические (неживые) компоненты биосферы

К биосфере относят прежде всего те участки планеты, где есть условия не только для выживания, но и для размножения живых существ- это поле существования жизни. К нему прилегают территории, в которых живые существа страдают и лишь выживают, но не могут размножаться- поле устойчивости жизни.

Земные абиотические условия, которые определяют поле существования жизни:

· достаточное количество кислорода и углекислого газа,

· достаточное количество жидкой воды, а не льда или пара,

· благоприятные температуры: не слишком высокие, чтобы не свертывался белок, и не слишком низкие, чтобы нормально работали ферменты-ускорители биохимических реакций,

· живому существу необходим прожиточный минимум минеральных веществ.

К абиотическим факторам (факторам неживой природы) относятся:

- совокупность физических и химических свойств почвы и неорганические вещества (Н₂0, СО₂, О₂), которые участвуют в круговороте;

- органические соединения, которые связывают биотическую и абиотическую часть, воздушную и водную среду;

- климатические факторы (минимальная и максимальная температуры, при которой могут существовать организмы, свет, географическая широта континентов, макроклимат, микроклимат, относительная влажность, атмосферное давление).

Каждый из этих факторов незаменим и связан друг с другом. Так, недостаток тепла нельзя заменить обилием света, а минеральные элементы, необходимые для питания растений, - водой.

Для жизни наземных организмов имеют наибольшее значение имеют свет, температура и влажность.

Свет служит основным источником энергии для всех жизненных процессов, происходящих на Земле. Биологическое значение света обусловлено его спектральным составом, интенсивностью, суточной и сезонной периодичностью.

Температура - важный фактор, влияющий на рост, развитие, размножение, дыхание, синтез органических веществ и другие жизненно важные для организмов процессы.

Вода - играет исключительную роль в поддержании жизни на Земле. Для водных организмов она является основной природной средой. Другими словами вода является источником жизни на Земле. Для большинства наземных организмов недостаток воды является ограничивающим фактором. У обитателей засушливых степей и пустынь в процессе эволюции сформировались различные приспособления к экономному расходованию и добыванию влаги. У растений это наличие воскового налёта и густое опушение на листьях, уменьшение листовой пластинки и превращение листьев в колючки, развитие глубоко проникающей, хорошо развитой корневой системы.

Гидросфера вместе с ее населением играет большую роль в жизни человека, которая с прогрессом цивилизации непрерывно возрастает. Водоемы все интенсивнее используют для питьевого и технического водоснабжения как рыбохозяйственные угодья и зоны рекреации, для целей энергетики и навигации и во многих других отношениях. Поэтому по мере освоения гидросферы все большее значение приобретает ее биологическое изучение в интересах оптимизации природопользования и охраны среды.

По сравнению с почвой и воздухом вода отличается гораздо большей термостабильностью, что благоприятно для существования жизни. Когда вода начинает нагреваться, возрастает испарение, вследствие чего повышение температуры замедляется.

При охлаждении воды ниже 0'С и образовании льда, выделяющееся тепло тормозит дальнейшее понижение температуры.

3. Почва - уникальный компонент биосферы. Самоочищение почвы

Глины и суглинки хорошо удерживают минеральные вещества и влагу, песчаные - быстро дренируются и теряют питательные вещества. Минеральная основа почвы составляет 50-60% общего состава, органическое вещество до 10%, воздух 15-25%, вода 25-35%. Оптимальным по механическому составу является суглинок, содержащий равные количества песка и глины. От механического состава во многом зависят свойства почвы: структура и сложение, пористость - способность аэрации, способность удерживать влагу и питательные вещества.

С климатом, как фактором почвообразования, связана энергетика почвы, тепловой и водный режимы, их сочетание (вспомните гидротермический коэффициент), запасы влаги и глубина промерзания, развевание почв (пыльные бури). Рельеф активно участвует в перераспределении тепла и влаги, формировании материнской породы (высотная поясность, ориентация склонов, перенос продуктов выветривания).

Влага дождей и талых вод просачивается в почву, увлекая за собой продукты разложения живого вещества, минеральные соли. Часть влаги, обогащенная питательными веществами, всасывается корнями и в результате развития растений возвращается на поверхность почвы в составе опада. Почва - активный участник биологического круговорота веществ.

На почве живут растения, корни которых пронзают ее густой сетью. Только в верхнем 10-сантиметровом слое 1 гектара луговой почвы содержится 200 и более центнеров корней. Как велика эта цифра, видно хотя бы из того, что урожай самих трав на такой почве достигает лишь 25-30 ц/та. Иными словами, масса собранной травы в 10 раз меньше массы корней только в этом слое почвы. Лес трав стоит на таком лугу, но еще более густой лес корней пронизывает под ним почву. Корни так густо переплетают почву, что в ней не остается ни одного комочка, к которому не подходил бы корешок или корневой волосок.

Не только воздух и вода проникают через сложную сеть ходов. Уже на глубине 2 м корни растений не могут сами пробить себе дорогу в твердой, слежавшейся почве и следуют вдоль нор червей. Ходы, прорытые червями, не разрушаются очень долго, потому что их стенки покрыты слоем слизи, склеивающей накрепко частицы почвы. Дождевые черви заглатывают почву, пропуская ее через себя, как сквозь мясорубку. Вы видели, конечно, такие выбросы, состоящие из гладких склеенных комочков земли. Почва, которую черви заглотнули на большой глубине, переносится наверх, и наоборот. В выбросах червей есть вещества, повышающие всхожесть и скорость прорастания семян растений.

Почвы являются невозобновимым природным ресурсом, так как образовались в результате сложных природных процессов взаимодействия биологического мира с верхним бесплодным слоем пород. Искусственное создание почв невозможно, как и воссоздание многотысячелетних процессов их природного образования.

В нормальных естественных условиях все процессы, происходящие в почве, находятся в равновесии. В почве постоянно идут процессы самоочищения, когда населяющие почву организмы стремятся переработать попадающие в нее загрязнители. В 1 куб. см здоровой почвы содержатся миллионы микроорганизмов, но способность ее к самоочищению не безгранична и при интенсивном загрязнении может быть утрачена

Однако почва не принадлежит к тем средам, которые непосредственно воздействуют на здоровье человека, тогда как воздух и вода вместе с загрязнителями потребляются живыми организмами. Неблагоприятное влияние загрязнителей почвы проявляется через трофическую цепь.

Самоочищение почвы в основном может произойти только при загрязнении органическими отходами, которые подвергаются биохимическому окислению микроорганизмами. В то же время тяжелые металлы и их соли постепенно накапливаются в почве и могут лишь опустить в более глубокие слои. Однако при глубокой вспашке почвы они снова могут оказаться на поверхности и попасть в трофическую цепь.

4. Биосфера и космос

Земля - уникальная планета, она находится на единственно возможном расстоянии от Солнца, которое определяет такую температуру поверхности Земли, при которой вода может находиться в жидком состоянии.

Земля получает от солнца огромное количество энергии и сохраняет при этом примерно постоянную температуру. Значит наша планета излучает в космос почти такое же количество энергии, какое получает из космос: приход и расход должны быть сбалансированы, иначе система однажды потеряет устойчивость. Земля либо нагреется, либо замерзнет и превратится в безжизненное тело.

По существу, биосфера может быть рассматриваема как область земной коры, занятая трансформаторами, переводящими космические излучения в действенную земную энергию - электрическую, химическую, механическую, тепловую и т.д. Космические излучения, идущие от всех небесных тел, охватывают биосферу, проникают всю ее и все в ней. Мы улавливаем и сознаем только ничтожную часть этих излучений, и среди них мы изучали почти исключительно излучения Солнца. Но мы знаем, что существуют и падают на биосферу волны иных путей, идущие от отдаленнейших частей космоса. Так, звезды и туманности непрерывно шлют на нашу планету световые излучения.

Ультрафиолетовые и инфракрасные лучи Солнца влияют на химические процессы биосферы только косвенным путем. Не они являются главным источником их энергии. Химическая энергия биосферы - в ее действенной форме - выявляется из лучистой энергии Солнца совокупностью живых организмов Земли - ее живым веществом. Создавая фотосинтезом - солнечным лучом - бесконечное число новых в биосфере химических соединений - многие миллионы различных комбинаций атомов, оно непрерывно с уму непостижимой быстротой покрывает ее мощной толщей молекулярных систем, чрезвычайно легко дающих новые соединения, богатые свободной энергией в термодинамическом поле биосферы, в нем неустойчивые и неуклонно переходящие в новые формы устойчивого равновесия.

Биосфера тесно связана с космосом. Потоки энергии, поступающие к Земле, создают условия, обеспечивающие жизнь. Магнитное поле и озоновый экран защищают планету от излишних космических излучений и интенсивной солнечной радиации. Космические излучения, достигающие биосферы, обеспечивают фотосинтез и влияют на активность живых существ.

5. Биогенная миграция атомов - экосистемное свойство биосферы

Конечное количество вещества, которое есть в биосфере, приобрело свойство бесконечности через круговорот веществ.

Образ круговорота вещества в биосфере создает колесо водяной мельницы. Однако чтобы колесо вертелось, нужен постоянный приток воды. Подобно этому, поток солнечной энергии, поступающей из космоса, крутит « колесо жизни» на нашей планете. Насколько быстро вертится колесо? В ходе биогеохимических циклов атомы большинства химических элементов проходили бесчисленное количество раз через живое существо. Например, весь кислород атмосферы «оборачивается» через живое вещество за 2000 лет, углекислый газ- за 200-300лет, а вся вода биосферы- за 2 млн лет.

Живое вещество является совершенным приемником солнечной энергии.

Энергия, поглощенная и использованная в реакции фотосинтеза, а затем запасенная в виде химической энергии углеводов, очень велика, есть сведения, что она сопоставима с энергией, которую потребляют 100 тысяч больших городов в течение 100 лет. Гетеротрофы используют органическое вещество растений, как пищу: органика окисляется кислородом, который доставляют в организм органы дыхания, с образованием углекислого газа- реакция идет в обратном направлении. Таким образом, «вечной» делает жизнь одновременное существование автотрофов и гетеротрофов.

Факты и рассуждения о «колесе жизни» в биосфере дают право говорить о законе биогенной миграции атомов, который сформулировал В.И. Вернадский: миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом, как тем, которое сейчас населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории.

Живое вещество разных царств и разного рода обеспечивает непрерывный круговорот веществ и преобразование энергии. Тем самым обнаруживается закон биогенной миграции атомов В.И. Вернадского: в биосфере миграция химических элементов происходит при обязательном непосредственном участии живых организмов. Биогенная миграция атомов обеспечивает непрерывность жизни в биосфере при конечном количестве вещества и постоянном притоке энергии.

С тех пор, как основатели современной палеонтологии открыли, что окаменелые осадки позволяют прочесть путь развития жизни, мы узнали, что органический мир на Земле не один раз переживал трагические события, приводившие почти к полному уничтожению жизни на планете. За последние 500 млн лет Земля несколько раз неожиданно оказывалась тяжело больной, а однажды- это было 250 млн лет назад- жизнь на Земле почти прекратилась.

6. Как развивалась биосфера: пять экологических катастроф

Специалисты выделяют пять крупнейших катастроф, которые пережила биосфера: каменно- угольный период, пермский период, триас, юрский период, меловой период. Каждая из катастроф приводила к развитию живого вещества: более полному приспособлению к окружающей среде; появлению большего числа видов; проникновению их в новые условия обитания.

При каждой катастрофе, происходившей в биосфере, наряду с массой поверженных видов мы видим и победителей. Вначале их очень мало, но они умели «пожинать» плоды своей победы, заполняя себе подобными освободившееся пространство. Однако ни один новый вид нельзя упрекнуть в том, что он причастен к самой катастрофе ради процветания своего вида или семейства. Катаклизмы происходили по космическим или чисто земным причинам вследствие особенностей развития живой материи, когда одни её части угнетали или вовсе стирали с лица планеты другие, не сумевшие приспособиться к изменившимся природным условиям.

Развитие живого вещества биосферы - повышение уровня его организации и степени приспособленности к окружающей среде происходило через катастрофы - резкие изменения абиотической среды. Противоречия между сложившимися абиотическими и биотическими компонентами биосферы при резких для геологического времени изменениях среды разрешалось всякий раз за счет разнообразия и изменчивости живого вещества биосферы. Живое вещество всякий раз сохраняло жизнь в биосфере за счет выживания более приспособленных видов.

7. Устойчивость биосферы

Биосфера представляет собой открытую систему, которая обменивается веществом и энергией с окружающей средой. Это возможно потому, что в экосистеме присутствуют не только автотрофы - производители органического вещества, но и гетеротрофы - потребители и разрушители органического вещества. Между процессами создания органического вещества и его преобразованием и разрушением устанавливается относительное равновесие, и экосистема остается устойчивой. Устойчивость - это свойство экосистемы, которое проявляется в поддержании своего состава, структуры и функций, а также в способности восстанавливаться в случае, если они будут нарушены. биосфера экологический трофический

Устойчивость биосферы определяется:

· исключительным разнообразием живого вещества;

· взаимозаменяемостью составляющих ее экосистем;

· дублированием звеньев биогеохимических циклов;

· жизненной активностью живого вещества.

Биологическое разнообразие обеспечивает богатство информационных, вещественных и энергетических связей живого и косного вещества, а также взаимосвязи биосферы с космосом, геосферами, процессы глобального биогеохимического круговорота.

Существование каждого вида зависит от множества других видов, уничтожение одного из видов может привести к исчезновению связанных с ним иных видов. Особи одного вида и продукты их жизнедеятельности, а также их отмершие тела являются пищей для других видов, что обеспечивает самоочищение экосистем.

Социально-экономическое развитие общества пришло и явное противоречие с ограниченными ресурсовоспроизводящими и жизнеобеспечивающими возможностями биосферы. Происходит истощение естественных ресурсов суши и океана, безвозвратная потеря видов растений и животных, загрязнение окружающей среды, упрощение и деградация экосистем. Поэтому человечество ищет пути устойчивого развития общества и природы.

В биосфере на протяжении долгой геологической истории процессы синтеза и разложения органического вещества уравновешивали друг друга. Вместе с тем развитие биосферы иногда прерывалось экологическими кризисами и катастрофами, которые сопровождались массовым вымиранием биологических видов.

Развитие человеческого общества также не происходило гладко, о чем свидетельствуют кризисы древних цивилизаций. Сегодня человек, развивая производство, нарушил исходное доантропогенное равновесное состояние биосферы. Он потребляет не менее 10% общей продукции живого вещества.

В результате произошел экологический кризис: сокращение численности составляющих биосистем, уменьшение биоразнообразия и площади лесов, истощение почв и многое другое. Однако принцип устойчивости ЛеШателье в биосфере еще продолжает выполняться: поглощение углекислого газа усиливается по мере роста его содержания в атмосфере за счет сжигания ископаемого топлива и деградации почв при распашке земель. Если бы биота (исторически сложившаяся совокупность растений и животных на Земле) частично не поглощала антропогенный углекислый газ, то его рост в атмосфере был бы вдвое большим, чем наблюдаемый. Таким образом, внешнее антропогенное воздействие биотой частично компенсируется, а биосфера пока сохраняет устойчивость.

Преодолеть экологический кризис - значит остановить дальнейшую деградацию биосферы, что возможно на научной основе и с помощью государственных и межгосударственных усилий, реализуемых на основе экохозяйствования (развитие лесоводства, рыбоводства, возобновляемых промыслов, заповедного дела и т.п.). До последнего времени биосферная функция осуществлялась человеком стихийно.

Биологическое разнообразие - генетическое, видовое, экосистемное - является первопричиной устойчивости как биосферы в целом, так и каждой отдельной экосистемы. Жизнь как устойчивое планетарное явление возможна лишь в том случае, когда она представлена разнообразными видами и экосистемами.

Но в современных условиях настолько возросли масштабы хозяйственной деятельности человека, что возникает опасность потери биологического разнообразия. Разные виды деятельности человека приводят к прямому или косвенному уничтожению разнообразных видов и экосистем биосферы.

Можно выделить несколько основных типов деградации окружающей среды, которые в настоящее время являются наиболее опасными для биологического разнообразия. Например, затопление или заиление продуктивных земель, их бетонирование, асфальтирование или застройка лишают диких животных мест обитания. Возделывание земель нерациональными методами снижает урожаи из-за эрозии и истощения плодородия почв. Обильное орошение полей может привести к засолению, т. е. к повышению концентрации солей в почве до уровня, не переносимого растениями. Вследствие чего исчезают типичные растения этих мест. Вырубка леса на больших территориях при отсутствии восстановительных посадок приводит к уничтожению местообитаний диких животных, смене растительности, сокращению ее разнообразия. Многие виды исчезают по причине их истребления, а также вследствие загрязнения окружающей среды. Большинство видов исчезает по причине уничтожения естественных мест обитания, разрушения природных экосистем. Это и является одной из главных причин обеднения биологического разнообразия.

Список использованных источников

1. Инженерная экология и экологический менеджмент: Учебник./под ред. Н.И. Иванова и И.М. Фадина. М.: «Логос», 2002.

2. Кедров Б.М. « Предмет и взаимосвязь естественных наук». М.: Наука,1967.436 с..

3. Мизун Ю. Г. Экология известная и неизвестная. М.: Науч.-практ. центр 1994. 240с

4. Экология: Учебник для вузов/Л.И. Цветкова, М.И. Алексеев, Б.П. Усанов и др.; Под ред. СИ. Цветковой. СПб.: Химиздат, 1999. 488 с

5. В. И. Вернадский, "Химическое строение Биосферы Земли и ее окружения" (М.: Наука, 2001 г., 376 стр.)

6. В.И. Вернадский, "Живое вещество" (М.: Наука, 1978 г., 358 стр.).

Размещено на Allbest.ru