Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Кафедра физики

Реферат

Космос и биосфера Земли

Дисциплина: КСЕ

Работу выполнила: В.Н. Фролова

Проверил: В. М. Дронов

Санкт-Петербург 2014 год

ОГЛАВЛЕНИЕ

• Введение
• Общие принципы и законы
• Биосфера и его составляющие
• Связь жизни на Земле с физическими условиями. Происхождение жизни
• Влияние Солнца на экологические процессы Земли
• Заключение
• Список использованной литературы


ВВЕДЕНИЕ

Актуальность выбранной темы заключается в следующем: сегодня каждый ученый, вооруженный геохимическими и космохимическими знаниями, видит эволюцию Земли и Космоса, как исторический процесс развития, который охватывает во взаимосвязи все явления живой и неживой природы. При совместном их рассмотрении возникает особая позиция естествоиспытателя в отношении развития явлений жизни.

Появление научной мысли в биосфере в перспективе неизбежно полностью ее видоизменяет. В сочетании с трудовой деятельностью человека мысль становится неведомой до этого геологической силой, способной преобразовать вместе с биосферой весь поверхностный слой Земли. По убеждению В. И. Вернадского, преобразование биосферы грядет неизбежно и необратимо. Такая точка зрения была высказана в начале 30-х годов и со скептицизмом воспринята научным сообществом тех лет. В. И. Вернадский назвал трансформированную биосферу ноосферой.

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ И ЗАКОНЫ

Чтобы понять законы экологии и представить себе возможные последствия неудачного сосуществования человека с природой, необходимо понять, что такое жизнь, как она возникла, какова ее цель, есть ли общие принципы и законы Космоса, в частности, в отношении к жизни.

Несколько слов об общих принципах и законах мироздания. Физике известно большое число полей: акустические, аэродинамические, гравитационные, ионные, радиационные, температурные, электромагнитные и т.д. Современные данные свидетельствуют о том, что все физические поля имеют единую электродинамическую природу. С более общих, естественнонаучных, позиций учения В.И. Вернадского можно говорить о единстве живой и неживой природы, о едином поле, связывающем в общее целое исключительно мелкие объекты (микромир), чрезвычайно крупные (Вселенную) и наиболее сложные (жизнь).

В микромире в роли фундаментальных частиц Мироздания выступают: «нейтрино», электрон, протон, а также биологическая клетка. В природе сохраняются и квантуются следующие величины: энергия, импульс, угловой момент, электрический заряд, жизнь.

Для нас Вселенная в ранговой последовательности - это планеты Солнечной системы, звезды, рассеянные скопления, межгалактическое пространство, галактики. Процессы в микромире измеряются секундами, процессы во Вселенной (например, эволюция галактики) - десятками и сотнями миллиардов лет. Но физические процессы в этих системах одинаковы. Существуют три основополагающих принципа Вселенной Первый космологический принцип утверждает, что Вселенная пространственно однородна и изотропна.

Второй космологический принцип Джордано Бруно гласит: характеризующие Вселенную константы (например, радиус гравитационного взаимодействия, средняя плотность вещества) не зависят от времени.

Третий принцип актуализма Лайеля утверждает, что законы природы не меняются с ходом времени.

Как определенный постулат следует рассматривать утверждение: всякое взаимодействие имеет материальный носитель физических взаимодействий.

Другой фундаментальный принцип Мироздания - закон сохранения энергии (первое начало термодинамики).

Как следствие второго закона термодинамики еще один важный постулат: изолированных систем не существует.

Аналогию между взаимодействием в физическом мире и живой природе (это деление условно, но, как увидим далее, принципиально) можно проследить на примере знаменитых экологических законов Б. Коммонера:

* ничто не дается даром (принцип сохранения);

* все должно куда-то деваться (принцип сохранения);

* все связано со всем (отсутствие изолированных систем);

* природа знает лучше (первенство природы).

В биологии наблюдается способность живых систем реагировать на изменения внешних и внутренних условий и динамически возобновлять структуру, электрохимический состав, свойства (явления гомеостаза). В масштабах пространства и времени существует равновесие между процессами прироста и убыли жизненных сил.

Знаменитый немецкий биолог Вирхов обосновал фундаментальное положение биологии: каждая клетка - из клетки. Пространственная классификация в биологии - это деление живых существ на одноклеточные и многоклеточные организмы, каждая клетка появляется в результате деления материнской клетки на две. Для своей жизнедеятельности организмы используют вещество, энергию, информацию (как наследственную, так и получаемую в течение их жизни).

Жизнь в самом упрощенном виде можно рассматривать как процесс воспроизводства частиц-клеток. Господствующим принципом в биологии является принцип Пастера-Реди - живое от живого. Ни одна попытка «саморождения» биологической клетки не увенчалась успехом.

БИОСФЕРА И ЕГО СОСТАВЛЯЩИЕ

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. 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. 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 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;

стратосфера;

ноосфера - 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.

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.

СВЯЗЬ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ С ФИЗИЧЕСКИМИ УСЛОВИЯМИ ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ

Жизнь на Земле однотипна в том смысле, что генетический код любого организма, любого биологического вида состоит из сходных органических соединений. Несмотря на это сходство, жизнь на Земле удивительно разнообразна. Ученым известно сегодня около 2 млн биологических видов, из них 20% - растения, 80% - животные.

В живых системах осуществляется динамическое управление, связанное с процессами получения и использования информации об окружающей и внутренней среде, сохранения и передачи информации. В этом принципиальное отличие живых систем от кибернетических аналогов. Первые обладают генетической информацией, дошедшей из бесконечного прошлого и обращенной в бесконечное будущее, рассчитанной на вечную жизнь в вечной Вселенной. Вторые не обладают ни извечной целью, ни генетической информацией. Жизнь таким образом нельзя ни понять, ни описать в рамках чисто физических представлений.

Но при универсальности генетического кода разнообразие жизни на Земле связано с разнообразием физических условий, в которых жизнь существует (температура, давление и др.). На многие процессы в живой природе действуют такие физические условия, как вращение Земли вокруг своей оси, обращение Земли вокруг Солнца, циклы солнечной активности. Последнее открытие принадлежит нашему выдающемуся соотечественнику А.Л. Чижевскому: например, в XX в. максимумы солнечной активности наблюдались в 1905, 1917, 1928, 1937, 1989-1991 гг. Факторами изменчивости живых организмов являются мутации, вызванные радиацией, химическими и температурными воздействиями на клетки, несущие генетическую информацию. Подавляющее большинство мутаций губительно действует на организм. Принято считать, что жизнь на Земле возникла в результате благоприятного стечения обстоятельств. Сегодня преобладает точка зрения, что жизнь - явление не земное, а космическое. Эту мысль еще в XVII в. высказал известный голландский ученый Христиан Гюйгенс: «Жизнь есть космическое явление, в чем-то резко отличное от косной материи». Говоря о космическом явлении, не надо думать (как это очень часто представлялось), что жизнь в виде зародышей занесена из Космоса. Вопрос значительно глубже. Возможно, что зародыши жизни, ее потенциал, ее носители, возможности ее возникновения содержатся в некой субстанции, пронизывающей Вселенную. В той части Вселенной, где имеются необходимые физико-химические условия, жизнь вспыхивает, как костер из сухих веток. Но эта субстанция, содержащая программу жизни, едина для всей Вселенной. Мы привыкли считать, что жизнь как-то развивалась от простейшего к сложному. Но сценарий возникновения жизни был другой. Эта мысль содержится в блестящих работах В.И. Вернадского. Он писал: «Неизбежно допустить, что, может быть, и менее сложная в основных чертах, чем теперешняя, но все же очень сложная жизненная среда сразу создалась на нашей планете как нечто целое в догеологический ее период. Создался целый монолит жизни (жизненная среда), а не отдельный вид животных организмов, к какому нас ложно приводит экстраполяция, исходящая из эволюционного процесса». Он здесь же добавляет очень знаменательное: «...все живое представляет неразрывное целое, закономерно связанное не только между собой, но и с окружающей средой биосферы. Но наши современные знания недостаточны для получения яркой единой картины. Это дело будущего...». Мы не должны искать начало жизни во Вселенной, как не ищем начала энергии или материи. Вместе с принципом Пастера-Реди В.И. Вернадский добавил очень важный принцип неизменности жизни: «Жизнь остается в главных своих чертах в течение геологического времени постоянной, меняется только ее форма ...Само живое вещество не является случайным созданием... Мы начинаем видеть в биосфере не единичное планетное или земное явление, а проявление строения атомов и их положения в космосе, их изменения в космической истории». Таким образом, В.И. Вернадский, как и многие другие ученые, высказывает мысль, что Земля - не единственный очаг жизни во Вселенной. По мнению известного ученого В.И. Шкловского, который посвятил свои исследования поиску жизни во Вселенной, возможное число очагов жизни в нашей Галактике составляет: N₁ =10^5±5.

Пока обнаружить другие цивилизации, другую жизнь не удается. Но существование единственного очага жизни противоречит первому космологическому принципу. Существование жизни лишь на определенном временном отрезке, «этапе развития» Вселенной (на Земле) противоречит второму космологическому принципу. Имеются шансы встречи с высокоразвитой цивилизацией.

биосфера жизнь солнце экологический

ВЛИЯНИЕ СОЛНЦА НА ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЗЕМЛИ

Из всех элементов электромагнитного излучения для биосферы наиболее опасно ультрафиолетовое излучение, поскольку, воздействуя на живое на Земле, подвергает его опасности уничтожения. Биологическое действие ультрафиолетового излучения, обусловленное химическими изменениями поглощающих его молекул нуклеиновых кислот и белков, выражается в нарушениях деления, возникновении мутаций и гибели клеток. Задерживается ультрафиолетовое излучение слоем озона. В стратосфере озон (трехатомный кислород) образуется из кислорода. Распределение озона над поверхностью Земли неравномерно. Озон разрушается окислами азота, образующимися в камерах сгорания твердотопливных ракет (ТРД), а также фреонами, которые в стратосфере выделяют активный хлор, вступающий в реакцию с озоном. Выведение каждой тонны груза ракеты сопровождается потерями 8 млн т озона.

Кроме волнового излучения на Землю поступает корпускулярное (корпускула - частица) излучение Солнца. Если электромагнитное излучение стабильно, то корпускулярное излучение очень изменчиво, его энергия меньше электромагнитного. Но от корпускулярного излучения сильно зависят процессы в биосфере. Энергия этих частиц возрастает с увеличением площади пятен на Солнце. Количество солнечных пятен меняется циклически, длина цикла 11 лет. Хроники сообщают, что, когда на Солнце были видны огромные пятна, на Земле происходили колоссальные катастрофы: засухи, землетрясения, извержения вулканов и другие бедствия. Они сопровождались гигантскими эпидемиями и пандемиями, уносящими сотни тысяч жизней. Солнечные пятна являются феноменом, влияющим на биосферу Земли

Земля защищена от воздействия корпускулярной радиации своим электромагнитным полем. Если у планеты нет электромагнитного поля, то существование атмосферы и жизни там невозможно. Магнитное поле защищает биосферу Земли от потоков заряженных частиц, т.е. корпускулярной радиации. Если бы радиация достигла бы поверхности Земли, то она разложила бы все атомы и молекулы атмосферы на ионы и электроны, т.е. уничтожила бы ее. В экологическом плане для существования биосферы магнитное поле Земли довольно стабильно и неизменно.

Важнейшим физико-биологическим процессом на Земле, поддерживающим живое, является фотосинтез - превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими организмами лучистой энергии Солнца в энергию химических связей органических веществ. Световая энергия, поглощаемая зеленым пигментом (хлорофиллом) растений, поддерживает процесс их углеродного питания. В процессе фотосинтеза растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород, а также поглощают тепло. Реакции, в которых поглощается световая энергия, называются эндотермическими (эндо - внутрь). Энергия Солнечного света аккумулируется в форме энергии химических Связей. Благодаря процессу фотосинтеза на Земле ежегодно обра-1устся 150 млрд т органического вещества, усваивается 300 млрд т углекислого газа (СО₂) и выделяется около 200 млрд т свободного кислорода.

Слово «экология» образовано от греческого «оiкоs» - дом. Экология - наука о доме. Наш дом - Земля, и стенами его является, образно говоря, электромагнитное поле Земли, потолком атмосфера, крышей - озоновый слой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, биосфера - это живая оболочка Земли, совокупность экосистем. Пределы биосферы обусловлены полем возможного существования жизни, которая может проявляться только в определенных энергетических, физических и химических условиях. Следовательно, жизнь охватывает не все оболочки планеты.

Биосфера сочетает как сугубо земные, так и космические процессы, отражает их изменения в истории космоса. Биосферу нельзя понять, изучая явления, происходящие только в ней, без учета связей земных процессов со всем космическим пространством.

Возникновение жизни на Земле - вопрос дискуссионный. Теперь изучено достаточно много космической материи. Результаты доказывают, что земная жизнь не привнесена на Землю с ближайших планет.

В последние годы, однако, получают подтверждение идеи В. И. Вернадского о возможном космическом происхождении живого вещества.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

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

2. Кедров Б.М. « Предмет и взаимосвязь естественных наук». М.:Наука,1967.

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

Размещено на Allbest.ru