Біосфера

РЕФЕРАТ

на тему:

БІОСФЕРА

План

1. Загальна характеристика та структура біосфери.

2. Еволюція біосфери. Роль живої речовини.

3. Екосистеми. Процеси, що відбуваються в середині екосистем. Харчові ланцюги. Екологічні піраміди.

1. Загальна характеристика й структура біосфери.

Біосфера є найбільш великою (глобальною) екосистемою Землі.

Це складна за складом, будовою й органісті оболонка, що охоплює нижню частину атмосфери, всю гідросферу та верхню частину літосфери, що населені живими організмами, "область існування живої речовини" (В.І.Вернадський).

Термін біосфера введений в 1875 р. австрійським ученим геологом Е. Зюсом.

Учення про біосферу, як про активну оболонку Землі, в якій сукупна діяльність живих організмів (у тому числі й людини) проявляється як геохімічний фактор планетарного масштабу та значення, створено В.І.Вернадським (1926).

"Межі біосфери зумовлені, передусім, полем існування життя" (Вернадський В.І. "Біосфера"). Це "поле існування життя", особливо активного, за новітніми даними, обмежено в прямовисній межі, головним чином, висотою майже 6 км над рівнем моря, до якої зберігаються позитивні температури у атмосфері і можуть жити хлорофілоносні рослини-продуценти (6.2 км у Гімалаях).

Вище мешкають лише павуки, ногохвістки і деякі кліщі, які споживають зерна рослинної пилки, спори рослин, мікроорганізми та ін. органічні частки, що заносяться вітром. Ще вище живі організми потрапляють лише випадково.

Нижня межа існування активного життя традиційно обмежується дном океану та ізотермою 100° С в літосфері, розташованими відповідно на відмітках майже 11 км та, за даними надглибокого буріння на Кольському півострові, майже 6 км (фактично життя розповсюджено в літосфері до глибини 3-4 км). Таким чином, прямовисна потужність біосфери в океанічній області Землі досягає понад 17 км, а в суходольній - 12 км.

Біосфера включає в себе всі живі організми (живу речовину), біогенні, біокосні і косні речовини, таким чином є областю системної взаємодії живої і косної речовини на планеті. До біосфери відноситься і людське суспільство з його виробництвом.

Жива речовина - сукупність тіл живих організмів, що населяють Землю поза залежністю від їх систематичної належності. Загальна маса живої речовини оцінюється величиною 2,4*10 т (в сухій масі).

За різними оцінками, в наш час на Землі існує майже 2 млн. видів організмів, з них на частку рослин припадає майже 500 тис. видів, а на частку тварин - 1,5 млн. видів.

Маса рослин - фото синтетиків на Землі складає 2,4*10 т, а вторинних організмів (тваринних) - 0,023*10 т. Біомаса мікроорганізмів не оцінена належним чином, але припускається, що вона значно менше біомаси вищих організмів.

В.І.Вернадський неодноразово зазначав, що жива речовина невіддільна від біосфери, є її функцією і, одночасно, "однією з самих могутніх геохімічних сил нашої планети". Жива речовина являє собою нерозривну молекулярно-біохімічну єдність, системне ціле з характерними для кожної геологічної епохи рисами. Знищення багатьох видів живої речовини людиною може порушити цю єдність, що призведе до різкої зміни молекулярно-біохімічних властивостей живої речовини і можливості існування багатьох високоорганізованих видів, що процвітають, і в тому числі, надто певно, і самої людини. Звідси випливає важливість збереження видів і в цілому живої речовини сучасного геологічного періоду.

Біогенна речовина - речовина що утворювалася або перероблялася організмами (нафта, газ, руда та ін.).

Біокосна речовина - речовина, "що утворюється одночасно живими організмами і косними процесами" і є "закономірною структурою з живої і косної речовини" (наприклад, грунт).

Косна речовина - речовина, "що утворюється процесами, в яких жива речовина не бере участь". (Вернадський В.І. "Хімічна будова біосфери Землі і її оточення"). Наприклад, вивержені гірські породи.

2. Еволюція біосфери. Роль живої речовини.

Геохімічний розвиток нашої планети починає змінюватися з моменту появи на ній живої речовини (4 млрд. років тому). За цей період (а це шість сьомих історії земної кори) відбувається стрункий процес ускладнення живих систем.

Згідно із законом біогенної міграції атомів (закон Вернадського) міграція елементів на земній поверхні і в біосфері в цілому відбувається під переважним впливом живої речовини, організмів. Так було і в геологічному минулому, мільйоні років тому, таке і є в сучасних умовах. Жива істота або приймає участь в біохімічних процесах безпосередньо, або утворює відповідне, багате киснем, вуглекислими газом, воднєм, азотом, фосфором та іншими речовинами, середовище. 2 ,3 млрд. років тому з гідросфери в атмосферу починає проникати вільний кисень (дякуючи життєдіяльності рослин - фото синтетиків). Первісна атмосфера Землі, що складалася з водяної пари, аміаку, метану і водню - продуктів дегазації мантії Землі, змінюється: в ній з`являється кисень (О ), вуглекислий газ (СО), аміак (NH) перетворюється на азот (N). Атмосфера стає біогенною - забезпечує життєдіяльність на нашій планеті.

В протерозойську еру величезного масштабу набула діяльність феробактерій (утворення залежів залізних руд) і синє-зелених водоростей (утворення карбонатних порід). Відбувається утворення та накопичення біогенної та біокосної речовин.

Жива речовина, біомаса якої складає майже 0,0001% від маси біосфери, стає однією з найпотужніших сил нашої планети. Цей етап еволюції біосфери називають біогенезом (від грецької bio - життя і genesis - походження).

Поява людини, людського суспільства, перетворення його на потужну силу, що свідомо, цілеспрямовано, закономірно і неповоротно змінює все навколишнє середовище, знаменує поступовий перехід біосфери на новий етап еволюції: етап розвитку життя біогенез замінюється етапом розвитку розуму - ноогенезом (від грецької ноо - розум), тобто ноосфера закономірно приходить на зміну біосфері..

Сучасне розуміння ноосфери було розроблено у 1930-1940 р.р. В.І.Вернадським, який зазначав, що "ноосфера знаходиться не над біосферою, не поза нею, а є закономірним і неминучим етапом розвитку самої біосфери, етапом розумного регулювання взаємовідносин людини і природи".

"Ноосфера це нове геологічне явище на нашій планеті. В ній вперше людина стає найбільшою геологічною силою". Розумна людська діяльність стає головним фактором, який визначає розвиток на Землі. А так як людина може мислити і діяти тільки у поясі життя - біосфері, стає зрозумілим її відповідальність за екологічне благополуччя на Землі. Треба так керувати процесами взаємовідносин між людиною і біосферою, щоб вони були взаємовигідні, і щоб розвиток суспільства не призвів до деградації біосфери. В ноосфері розум людини - міра екологічного добробуту на планеті.

3. Екосистеми.

1. Процеси, що відбуваються у середині екосистем.

Біосфера - глобальна екосистема Землі, що складається з величезної кількості екосистем, серед яких виділяють:

мікроекосистеми (напр., стовбур гниючого дерева і т п.);

мезоекосистеми (ліс, ставок і т п );

макроекосистеми (океан, континент і т п ).

Для екосистеми необхідно здійснення процесів самовстановлення і саморегуляції сукупності середовищеутворювальних компонентів та елементів, що її складають. Під саморегуляцією розуміють спроможність природної екосистеми до відновлення внутрішніх властивостей й структур після якогось природного чи антропогенного впливу, що змінив ці властивості й структури.

Найнеобхідніші для людини функції екосистем:

виробництво харчу;

виробництво кисню;

виробництво незамінних ресурсів біологічного походження;

переробка і знешкодження різноманітних відходів;

рекреація і підтримання нормального стану нервової системи (душевного і психічного здоров`я) людини.

Виходячи з цього, найбільш важливими і для добробуту (існування) людини, і для біосфери в цілому, є наступні екосистеми:

Сільськогосподарські;

Лісні;

Прибережні та прісноводні.

Саме ці екосистеми залучені до найважливіших екологічних процесів, що необхідні як для виживання людини, так і для стійкого соціально-економічного розвитку суспільства.

Аналізуючи внутрішнє життя екосистем логічно виділити три групи процесів (потоків):

Потоки інформації;

Потоки речовини;

Потоки енергії.

Ці потоки взаємопов`язані і тісно переплітаються. Наприклад, носієм енергії та інформації часто служить поток речовини. Інформація може переноситися також з потоками енергії (світловою чи тепловою радіацією, звуковими сигналами) Тому виділення трьох груп процесів носить умовний характер і робиться лише для зручності аналізу дуже складного об`єкту - екосистеми, що функціонує. Завдяки такому виділенню стає зрозумілим, що для повноцінної охорони проживаючих, динамічних екосистем необхідно збереження всіх трьох потоків.

Потоки інформації. Інформація - енергетично слабка дія, яка сприймається організмом як закодоване повідомлення про змогу багаторазово більш міцної дії на нього з боку інших організмів або факторів середовища, та викликає у організму відповідну реакцію. Це найменш розроблена область у вивченні життя екосистем. Освоєння цієї області дозволить зрозуміти механізми регуляції та стійкості екосистем - святая святих екології та ключ до можливості достатньо тонко керувати ними. Один з аспектів вивчення інформації - це дослідження сигналізації та комунікації організмів. Встановлено, що практично всі можливі засоби сигналізації (світлова, хімічна, звукова) використовуються організмами.

Універсальну роль носія інформації у біосфері відіграють електромагнітні поля. Це обумовлено тим, що з усіх відомих нам типів зв`язку саме зв`язок на основі електромагнітних полів є найбільш інформативним та економічним.

Електромагнітні поля, як засіб зв'язку у біосфері, в порівнянні зі звуковою, світловою або хімічною інформацією мають такі переваги:

розповсюджуються в будь-якому середовищі життя - у повітрі, воді, грунті та тканинах організмів;

мають максимальну швидкість розповсюдження;

можуть розповсюджуватися при будь-якій погоді та незалежно від часу на добу;

можуть передаватися на будь-яку відстань;

можуть приходити на Землю із Космосу;

на них реагують усі біосистеми (на відміну від інших сигналів).

Раніш біологи враховували лише електромагнітне випромінювання Сонця в високоенергетичній частині його спектру - інфрачервоному, видимому та ультрафіолетовому частинах діапазону - як джерела енергії для усього живого. Лише в останні десятиріччя вони почали розуміти ту роль, яку відіграють у живій природі електромагнітні поля земного та космічного походження в діапазоні радіочастот, низьких та інфранизьких частот. З`ясувалося, що саме ці енергетично слабкі сигнали несуть інформацію, яка приймається, накопичується та використовується організмами. Це питання ще мало вивчено.

Небезпека, що повинна бути виключена при повноцінній охороні екосистеми - порушення інформаційних потоків між особинами одного виду внаслідок антропогенного впливу на середовище пробування.

І можливо, саме забрудненням інформаційного середовища, що викликане діяльністю людини, слід пояснити загадкові випадки масового "самогубства"китів, що викидаються на суходіл. Адже навколоземний простір у теперішній час перенасичений штучними антропогенними джерелами електромагнітного поля.

Потоки речовини. Ці потоки доцільно розглядати як потоки хімічних елементів (C, N, P). Вони бувають:

циклічними (коловороти речовин);

нециклічними (потоки речовини, що приносяться в дану екосистему зовні і уходять з неї в інші ділянки біосфери).

Коловорот речовин - це багаторазова участь речовин в процесах, що протікають в атмосфері, гідросфері, літосфері, в тому числі у тих їх шарах, які входять до біосфери планети. Проте в дійсності повний коловорот учиняють не речовини, а хімічні елементи. Тому точним буде термін "коловорот хімічних елементів".

Для того, щоб біосфера продовжувала існувати, щоб на Землі не припинявся розвиток, постійно повинні проходити беззупинні хімічні перетворення її живої речовини. Іншими словами, після використання одними організмами, речовини повинні переходити в засвою вальну для інших організмів форму. Така циклічна міграція речовин та хімічних елементів може мати місце тільки за певних витрат енергії, джерелом якої є Сонце.

Якщо не враховувати космічну речовину, що надходить до біосфери у вигляді метеоритів і пилу, то можна стверджувати, що кількість речовини, що утягується в біосферні процеси, залишається постійною протягом геологічних періодів.

Внаслідок геологічних змін лику Землі частина речовин біосфери може надовго виключатися з цього коловороту.

Такі біогенні опади, як вапно, кам`яне вугілля, нафта, на багато тисячоліть консервуються в товщі земної кори, але, в принципі, не виключено їх повторне включення в біосферний коловорот.

Виділяють два основних біохімічних коловорота:

великий (геологічний);

малий (біотичний).

Великий коловорот триває сотні тисяч чи мільйоні років. Він полягає в тому, що гірські породи зазнають руйнування, вивітрювання, а продукти вивітрювання, в тому числі розчинені у воді поживні речовини, зносяться потоками води в Світовий океан. Тут вони утворюють морські напластування і, лише частково повертаються до суходолу з опадами та з видобутими з води людиною організмами. Великі повільні геотектонічні зміни, процеси опускання і підіймання морського дна, переміщення морів та океанів за тривалий час призводять до того, що ці напластування повертаються до суходолу і процес починається знову.

Малий коловорот є частиною великого, відбувається на рівні біогеоценозу і полягає в тому, що поживні речовини грунту, вода, вуглець акумулюються в речовині рослин, витрачаються на побудову тіла і життєві процеси як їх самих, так і організмів-консументів. Продукти розпаду органічної речовини знов розкладаються ґрунтовою мікрофлорою і мезофауною (бактерії, гриби, молюски, комахи, простіші та ін.) до мінеральних компонентів, знов доступних рослинам, що знов утягують їх у поток речовини.

Коловорот хімічних речовин з неорганічного середовища через рослинні і тваринні організми назад в неорганічне середовище, що йде з використанням сонячної енергії хімічних реакцій, носить назву біогеохімічного циклу.

Коловороти основних речовин і хімічних елементів в біосфері: вуглецю, фосфору, кисню, води.

Енергетичні потоки. Одне з головних властивостей живої системи - її динамічний стан, що полягає в постійному синтезі і розпаді. Підтримання такого стану вимагає споживання вільної енергії, а також просторової і часової організації. В термінах термодинаміки екологічні системи будь-якого рангу є відкритими дисипативними ( розсіювальними ) системами, що знаходяться вдалині від термодинамічної рівноваги (теплового хаосу).

Термодинамічна нерівноважність - одна з найістотніших характеристик живої речовини, що відрізняє її від неживої.

Принцип "стійкої нерівновагі" (Е.С.Бауер, 1937) проголошує: "Усі і тільки живі системи ніколи не бувають у рівновазі і виконують за рахунок вільної енергії постійну роботу проти рівноваги, що вимагається законами фізики та хімії за відповідних зовнішніх умов".

Якщо температура того чи іншого тіла вище температури навколишнього повітря, тобто має деякий перепад температур, то загальна температура системи "тіло-середовище" прагне до рівноваги. В кінцевому підсумку енергія будь-якого живого тіла може бути розсіяна в тепловій формі, після чого наступає стан термодинамічної рівноваги і подальші енергетичні процеси виявляються неможливими.

Про таку систему кажуть, що вона знаходиться в стані максимальної ентропії. Ентропія, таким чином , відображає можливість перетворення енергії і розглядається як міра невпорядкованості системи (максимальної ентропії відповідає максимальна невпорядкованість - хаос). Для того, щоб ентропія системи не зростала, організм чи система повинна витягувати енергію ("упорядкованість організації") звідкілясь іззовні, безупинно підтримувати та накопичувати її проти градієнту ентропії. Цю необхідну енергетичну дотацію екосистема ( та організми) одержує від Сонця, по суті являючи собою відкриту систему.

Живий організм добуває негентропію (негативну ентропію) з їжі, використовуючи упорядкування її хімічних зв`язків.

Саме вивчення потоків енергії дало можливість побачити цілісність екосистем, чітко виділити такі структурні особливості та характеристики екосистем, як харчові рівні, ланцюги, сіті.

2. Харчові (трофічні) ланцюги.

Частина отриманої живими організмами енергії витрачається на підтримання життєвих процесів, частина передається організмам наступних харчових рівнів. На початку ж цього потоку знаходиться процес автотрофного (від грецького авто - сам і трофе - харчування) харчування рослин - фотосинтез, при якому підвищується упорядкованість енергії та органічних і мінеральних речовин, що деградували.

Продуценти за допомогою механізму фотосинтезу виробляють органічну речовину, споживаючи сонячну енергію, вуглекислий газ, воду і мінеральні солі. Хемопродуценти використовують енергію хімічних реакцій, наприклад, окислення з`єднань заліза чи сірки, і також виробляють органічну речовину. Можна сказати, що продуценти керують неживою частиною біосфери, її неживою речовиною.

Продуцентами керують консументи, діяльність яких визначають зворотні зв`язки, що йдуть від продуцентів. Консументи першого порядку (травоїдні тварини) харчуються органічною масою рослин. Консументи другого і третього порядків (хижаки, паразити, хижі рослини та гриби) харчуються іншими консументами.

Редуценти споживають частину поживних речовин, розкладаючи мертві тіла рослин і тварин до простих хімічних елементів ( води, вуглекислого газу і мінеральних солів),. замикаючи таким чином коловорот речовин в біосфері.

В природі, як правило, деякі кільця харчових ланцюгів є загальними для інших ланцюгів. Внаслідок картина взаємодій та взаємовідносин значно ускладнюється, що дає можливість казати про наявність просторових харчових сітей.

Отже, в харчових ланцюгах з одного трофічного рівня на інший передається речовина (біомаса) та енергія, яка еквівалентна цієї біомасі.

При передачі з одного харчового рівня на інший у простір розсіюється приблизно 90% енергії.

Оскільки у зворотний потік (від редуцентів до продуцентів) надходить незначна кількість первісно утягуваної енергії (не більш 0,25%), казати про "коловорот енергії" не можна.

3. Екологічні піраміди.

В основі існування харчових ланцюгів лежать розмірні закономірності організмів, що споживаються.

У трофічний оборот екосистеми включається в середньому 1% енергії, що надходить від Сонця. На кожному наступному трофічному рівні зберігається лише приблизно 10% енергії, що засвоюється організмами попереднього трофічного рівня, а 80-90% її розсіюється в екосистемі у вигляді тепла. Тому, чим вище рівень консумента, тим менше сумарна біомаса його особин.

Співвідношення між продуцентами, консументами та редуцентами в екосистемі може бути виражено через один з видів екологічних пірамід.

Розрізняють три види екологічних пірамід:

Піраміда чисел Елтона - відображає співвідношення кількості особин у харчовому ланцюгу.

Піраміда біомас - відображає співвідношення мас живої речовини кожного кільця трофічного ланцюга.

Піраміда енергій - відображає співвідношення енергетичних еквівалентів на одиницю часу кожного кільця трофічного ланцюга.

Піраміди чисел та біомас відображають статику системи (кількість організмів в даний момент). Піраміда енергій відображає швидкість проходження маси їжі крізь харчовий ланцюг (динаміку системи). Якщо враховані усі джерела енергії, піраміда завжди буде мати типовий вигляд, як це диктується другим законом термодинаміки.

Екологічні піраміди дозволяють ілюструвати кількісні стосунки в окремих, особливо цікавих випадках, наприклад, у зв`язках "жертва-хижак" чи "хазяїн-паразит".

Антропогенні впливи призводять до перерозподілу потоків енергії по харчових ланцюгах екосистем чи заміни одного харчового ланцюга іншим. Ці зміни широко розповсюджені та передують вимиранню видів.

Окрім цих впливів на тонку структуру енергетичних потоків в екосистемі чинять немаловажний вплив і інші, що не пов`язані з харчовими сітями. Такими є впливи, що порушують звичайний для екосистеми потік теплової енергії:

Антропогенні викиди (емісії) тепла, що пов`язані з енергетикою і промисловістю

Зміна балансу радіації, що надходить від Сонця, внаслідок зміни відбиваючої спроможності (альбедо) поверхні екосистеми (зведення лісів та заміна на інші екосистеми - зменшується частка поглинаючої екосистемою сонячної радіації. Або "почорніння" поверхні - розширення водної поверхні, чи випалювання рослинності).

Внаслідок розгляду викладених вище питань, можна зробити висновок, що головними завданнями охорони екосистем є:

Підтримання найважливіших екологічних процесів та життєзабезпечуючих систем.

Збереження генетичної різноманітності.

Надання використанню видів та екосистем постійного, невиснаженого характеру.