Биосфера - глобальная экосистема Земли

Размещено на http://www.allbest.ru

Лекция

Тема: " Биосфера - глобальная экосистема Земли"

План

1. Биосфера как одна из оболочек Земли. Состав, границы биосферы

2. Учение В.И. Вернадского о биосфере

3. Ноосфера

1. Биосфера как одна из оболочек Земли. Состав, границы биосферы

Понятие биосферы вошло в науку случайно. Более 100 лет назад, в 1875 г., австрийский геолог Э.Зюсс, говоря о различных оболочках земного шара, впервые употребил этот термин в своей книге о происхождении Альп. Он понимал под биосферой тонкую пленку жизни на земной поверхности. Однако это упоминание не сыграло сколько-нибудь заметной роли в развитии научной мысли. В 1926 г. были опубликованы две лекции русского минералога В.И.Вернадского, в которых он, спустя 50 лет после работ Зюсса сформулировал основные положения концепции биосферы, которую мы принимаем и сейчас. Под биосферой Вернадский понимал те слои земной коры, которые подвергались в течение всей геологической истории влиянию живых организмов.

Биосфера -- сложная наружная оболочка Земли, населенная организмами, составляющими в совокупности живое вещество планеты. Это одна из важнейших геосфер Земли, являющаяся основным компонентом природной среды, окружающей человека.

Земля и окружающая ее среда сформировались в результате закономерного развития всей Солнечной системы. Около 4,7 млрд лет назад из рассеянного в протосолнечной системе газопылеватого вещества образовалась планета Земля. Как и другие планеты, Земля получает энергию от Солнца, достигающую земной поверхности в виде электромагнитного излучения. Солнечное тепло -- одно из главных слагаемых климата Земли, основа для развития многих геологических процессов. Огромный тепловой поток исходит из глубин Земли.

По новейшим данным, масса Земли составляет 6*10²¹ т, объем - 1,083 * 10¹² км³, площадь поверхности -- 510,2 млн км². Размеры, а следовательно, и все природные ресурсы нашей планеты ограничены.

Наша планета имеет неоднородное строение и состоит из концентрических оболочек (геосфер) -- внутренних и внешних. К внутренним относятся ядро, мантия, а к внешним -- литосфера (земная кора), гидросфера, атмосфера и сложная оболочка Земли -- биосфера.

Литосфера -- каменная оболочка Земли, включающая земную кору мощностью (толщиной) от 6 (под океанами) до 80 км (горные системы). Земная кора сложена горными породами. Доля различных горных пород в земной коре неодинакова -- более 70% приходится на базальты, граниты и другие магматические породы, около 17% -- на преобразованные давлением и высокой температурой породы и лишь чуть больше 12% -- на осадочные.

Земная кора -- важнейший ресурс для человечества. Она содержит горючие полезные ископаемые (уголь, нефть, горючие сланцы), рудные (железо, алюминий, медь, олово и др.) и нерудные (фосфориты, апатиты и др.) полезные ископаемые естественные строительные материалы (известняки, пески, гравий и др.).

Современная жизнь распространена:

в верхней части земной коры (литосфере),

в нижних слоях воздушной оболочки Земли (атмосфере) и

в водной оболочке Земли (гидросфере).

В глубь Земли живые организмы проникают на небольшое расстояние. В литосфере жизнь ограничивает прежде всего температура горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает с глубиной и на уровне 1,5-15 км превышает 100 ⁰С. Наибольшая глубина, на которой в породах земной коры были обнаружены живые бактерии, составляет 4 км. В нефтяных месторождениях на глубине 2--2,5 км бактерии регистрируются в значительном количестве.

Гидросфера -- водная оболочка Земли. Ее подразделяют на поверхностную и подземную.

Поверхностная гидросфера. В ее состав входят воды океанов, морей, озер, рек, водохранилищ, болот, ледников, снежных покровов и др. Все эти воды постоянно или временно располагаются на земной поверхности и носят название поверхностных. Поверхностная гидросфера не образует сплошного слоя и прерывисто покрывает земную поверхность на 70,8%.

Подземная гидросфера -- включает воды, находящиеся в верхней части земной коры. Их называют подземными. Сверху подземная гидросфера ограничена поверхностью земли, нижнюю ее границу проследить невозможно, так как гидросфера очень глубоко проникает в толщу земной коры.

По отношению к объему земного шара общий объем гидросферы не превышает 0,13%. Основную часть гидросферы (96,53%) составляет Мировой океан. На долю подземных вод приходится 1,69% от общего объема гидросферы, остальное -- воды рек, озер и ледников.

Более 98% всех водных ресурсов Земли составляют соленые воды океанов, морей и др. Общий объем пресных вод на Земле около 2% общего объема гидросферы. Основная часть пресных вод сосредоточена в ледниках, воды которых пока используются очень мало. На долю остальной части пресных вод, пригодных для водоснабжения, приходится 0,3% объема гидросферы.

Гидросфера играет огромную роль в формировании природной среды нашей планеты. Весьма активно она влияет и на атмосферные процессы (нагревание и охлаждение воздушных масс, насыщение их влагой, и т. д.).

В океане жизнь распространена до более значительных глубин и встречается даже на дне океанических впадин в 10--11 км от поверхности.

Атмосфера -- газовая оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли. Общая масса атмосферы -- 5,15-10¹⁵т. На высоте от 10 до 50 км, с максимумом концентрации на высоте 20--25 км, расположен слой озона, защищающий Землю от чрезмерного ультрафиолетового облучения, гибельного для организмов. Если живые организмы поднимаются выше защитного слоя озона, они погибают.

Атмосфера физически, химически и механически воздействует на литосферу, регулируя распределение тепла и влаги. Погода и климат на Земле зависят от распределения тепла, давления и содержания водяного пара в атмосфере. Водяной пар поглощает солнечную радиацию, увеличивает плотность воздуха и является источником всех осадков. Атмосфера поддерживает различные формы жизни на Земле.

В формировании природной среды Земли велика роль тропосферы (нижний слой атмосферы до высоты 8--10 км в полярных, 10--12 км в умеренных и 16--18 км в тропических широтах) и в меньшей степени стратосферы, области холодного разреженного сухого воздуха толщиной примерно 20 км. Сквозь стратосферу непрерывно падает метеоритная пыль, в нее выбрасывается вулканическая пыль, а в прошлом -- и продукты ядерных взрывов в атмосфере.

В тропосфере происходят глобальные вертикальные и горизонтальные перемещения воздушных масс, во многом определяющие круговорот воды, теплообмен, трансграничный перенос пылевых частиц и загрязнений.

Атмосфера над поверхностью Земли насыщена многообразными живыми организмами, которые передвигаются в воздухе активным или пассивным способом. Споры бактерий и грибов обнаруживают до высоты 20--22 км, но основная часть аэропланктона сосредоточена в слое до 1 -- 1,5 км. В горах граница распространения наземной жизни около 6 км над уровнем моря.

Атмосферные процессы тесно связаны с процессами, происходящими в литосфере и водной оболочке. К атмосферным явлениям относят: осадки, облака, туман, грозу, гололед, пыльную (песчаную) бурю, шквал, метель, изморозь, росу, иней, обледенение, полярное сияние и др.

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

Биосфера -- внешняя оболочка Земли, в которую входят часть атмосферы до высоты 25--30 км (до озонового слоя), практически вся гидросфера и верхняя часть литосферы примерно до глубины 3 км. Особенностью этих частей является то, что они населены живыми организмами, составляющими живое вещество планеты. Взаимодействие абиотической части биосферы -- воздуха, воды и горных пород и органического вещества -- биоты обусловило формирование почв и осадочных пород - это по В. И. Вернадскому, следствие деятельности древних биосфер, существовавших в прошлые геологические эпохи.

Состав, границы биосферы.

Современная биосфера включает живые организмы (около 3 млн видов), их остатки, зоны атмосферы, гидросферы и литосферы, населенные и видоизмененные этими организмами.

Всю совокупность организмов на планете В.И. Вернадский назвал живым веществом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию. В состав биосферы, кроме живого вещества (растительного, животного и микроорганизмов), входят:

биогенное вещество (продукты жизнедеятельности живых организмов -- каменный уголь, битумы, нефть),

биокосное вещество (продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами -- почвы, кора выветривания, все природные воды, свойства которых зависят от деятельности на Земле живого вещества),

косное вещество -- совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых, как считается, живые организмы не участвуют (горные породы магматического, неорганического происхождения, вода, космическая пыль, метеориты).

Следовательно, биосфера -- это та область Земли, которая охвачена влиянием живого вещества. С современных позиций биосферу рассматривают как наиболее крупную, глобальную экосистему, поддерживающую планетарный круговорот веществ.

Концентрация и активность жизни особенно велика у поверхности нашей Земли. Водоемы заселены по всей толще со сгущениями у поверхности и у дна. Выделяются своим богатством прибрежные и мелководные участки. На суше более 99% живого вещества, или биомассы, сосредоточено в слое на несколько метров вглубь и на несколько десятков метров (высокие деревья) вверх от поверхности. Следовательно, жизнь сосредоточена в тончайшей пленке планеты, где и протекают главные процессы взаимодействия живой и неживой (косной) природы. Этот тонкий деятельный слой нередко называют биогеосферой, биогеоценотическим покровом, ландшафтной оболочкой. Места наибольшей концентрации организмов в биосфере В.И. Вернадский назвал "пленками жизни".

Крайние пределы температур, которые выносят некоторые формы жизни (в латентном состоянии), -- от практически абсолютного нуля до + 180 °С. Давление, при котором существует жизнь, -- от малых долей атмосферы на большой высоте до тысячи и более атмосфер на больших глубинах. Для ряда бактерий верхние критические точки давления лежат в области 12 тыс. атм. Споры бактерий, конидий и мицелий некоторых грибов не теряют жизнеспособности в условиях высокого вакуума. Бактерии обнаружены в водах атомных реакторов, некоторые из них выдерживают облучение порядка 2--3 млн рад. При температурах жидкого воздуха (--192 °С), гелия (--268,9 °С), водорода (--259,1 °С) ряд бактерий остаются живыми.

Выносливость жизни в целом к отдельным факторам среды шире диапазонов тех условий, которые существуют в границах современной биосферы. Жизнь обладает значительным "запасом прочности", устойчивости к воздействию среды и потенциальной способностью к еще большему распространению.

2. Учение В.И. Вернадского о биосфере

В.И. Вернадский еще в молодости заинтересовался вопросом о влиянии организмов живой природы на ее мертвую, или, как он называл позднее, "косную" материю. Свою статью по почвоведению, написанную им в 1884 году в бытность студентом и участником почвенных экспедиций В.В. Докучаева, он посвятил описанию влияния сурков, сусликов и других землероющих животных на мощность, строение и состав почвенного покрова.

До середины 30-х годов В.И. Вернадский считал все компоненты биосферы, в частности количество живого вещества в ней, постоянными на протяжении всей геологической истории Земли. Деятельность человека он рассматривал как чуждую биосфере, наложенную на нее извне. Однако с середины 30-х годов В.И. Вернадский пересмотрел эту точку зрения, признал качественную и количественную эволюцию биосферы и стал намечать основные этапы такой эволюции. С этого времени он, и вмешательство человека в дела природы стал рассматривать как исторически обусловленный, качественно новый этап развития биосферы. При этом он был уверен, что расхищение природных ресурсов, характерное для ранних стадий развития капиталистического общества, явление временное, связанное с недостатком знаний и низким культурным уровнем населения. В.И. Вернадский считал, что при разумном отношении к антропогенному преобразованию природной среды суммарные ресурсы биосферы могут возрастать быстрее, чем возрастает численность человечества, и что такая разумно преобразованная биосфера сможет удовлетворить материальные и духовные потребности человечества.

Функции живого вещества:

Газовая -- поглощает и выделяет газы в процессе дыхания и фотосинтеза.

Окислительно-восстановительная -- выражается в химических превращениях веществ в процессе жизнедеятельности организмов. В процессе синтеза органических веществ преобладают восстановительные реакции и происходят затраты энергии. В процессе расщепления преобладают окислительные реакции и выделяется энергия.

Концентрационная -- это биогенная миграция атомов, которые сначала концентрируются в живых организмах, а затем, после их отмирания, переходят вновь в неживую природу. Следствием является накопление полезных ископаемых в определенных местах земной коры (известняк, торф, каменный уголь, нефть).

Геохимическая -- создает и поддерживает компоненты биосферы.

В.И. Вернадский доказал, что за 4 млрд. лет существования на планете Земля живые организмы вызвали огромные преобразования, полностью изменив облик нашей планеты: сделали ее зеленой, создали огромные запасы топлива - нефти, каменного угля, торфа; в морях образовали коралловые рифы и целые острова; создали голубую пелену нашей планеты, т. е. слой воздуха, в котором велика доля кислорода.

Под влиянием и при участии жизнедеятельности организмов в биосфере происходит круговорот воды, кислорода, углерода, азота и других веществ. Такой обмен элементами различных слоев биосферы обеспечивает возможность жизни в ней живых существ.

Учение В. И. Вернадского о биосфере -- это целостное фундаментальное учение, органично связанное с важнейшими проблемами сохранения и развития жизни на Земле, знаменующее собой принципиально новый подход к изучению планеты как развивающейся саморегулирующейся системы в прошлом, настоящем и будущем.

В сжатом виде идеи В. И. Вернадского об эволюции биосферы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Вначале сформировалась литосфера -- предвестник окружающей среды, а затем после появления жизни на суше -- биосфера.

2. В течение всей геологической истории Земли никогда не наблюдались азойные геологические эпохи (т. е. лишенные жизни). Следовательно, современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых геологических эпох.

3. Живые организмы -- главный фактор миграции химических элементов в земной коре, "по крайней мере, 90% по весу массы ее вещества в своих существенных чертах обусловлено жизнью".

4. Грандиозный геологический эффект деятельности организмов обусловлен тем, что их количество бесконечно велико и действуют они практически в течение бесконечно большого промежутка времени.

5. Основным движущим фактором развития процессов в биосфере является биохимическая энергия живого вещества.

В целом, учение о биосфере В. И. Вернадского заложило основы современных представлений о взаимосвязи и взаимодействии живой и неживой природы. Практическое значение учения о биосфере огромно. В наши дни оно служит естественнонаучной основой рационального природопользования и охраны окружающей среды

Венцом творчества В. И. Вернадского стало учение о ноосфере.

ноосфера биосфера вернадский

3. Ноосфера

Термин "ноосфера" не принадлежит В.И. Вернадскому (его предложил французский математик и философ Э. Леруа в 1927 году, после того как им был прослушан курс лекций В.И. Вернадского по геохимии в Сорбонне). Ноос - - древнегреческое название человеческого разума. Следовательно, ноосфера -- это сфера человеческого разума. В дальнейшем употребление термина "ноосфера" связано с именем В.И. Вернадского.

Ноосфера ("мыслящая оболочка", сфера разума) -- высшая стадия развития биосферы. Это "сфера взаимодействия природы и общества, в пределах которой разумная человеческая деятельность становится главным, определяющим фактором развития".

Почему возникло понятие "ноосфера"? Оно появилось в связи с оценкой роли человека в эволюции биосферы. Непреходящая ценность учения В. И. Вернадского о ноосфере именно в том, что он выявил геологическую роль жизни, живого вещества в планетарных процессах, в создании и развитии биосферы и всего разнообразия живых существ в ней. Среди этих существ он выделил человека как мощную геологическую силу. Эта сила способна оказывать влияние на ход биогеохимических и других процессов в охваченной ее воздействием среде Земли и околоземном пространстве. Вся эта среда весьма существенно изменяется человеком благодаря его труду. Он способен перестроить ее согласно своим представлениям и потребностям, изменить фактически ту биосферу, которая складывалась в течение всей геологической истории Земли.

Современное потребление продукции биосферы достигло 7 % чистой первичной продукции суши, и это уже привело к нарушению биогеохимического круговорота в биосфере. Для возвращения биосферы в стационарное состояние человечеству придется затрачивать энергию и труд, так как необходимо будет взять на себя те функции, которые раньше выполняла биосфера. При этом следует помнить, что КПД природных экосистем низок и не превышает 10 %. Отсюда становится понятным, что необходимое для возвращения биосферы в устойчивое состояние количество энергии должно быть огромным.

Не меньшие усилия должны быть затрачены на сдерживание быстрого роста населения. По мере перехода биосферы к стабилизированному состоянию все в большей степени должно ощущаться сопротивление среды, однако этого, как мы видим, не происходит. Следовательно, человеку пока не удается заменить собой те силы, которые в ненарушенной экосистеме стабилизируют численность популяции.

Многие виды животных, особенно птицы и млекопитающие, исчезли с лица Земли за последние 150 лет. Многие виды считаются "экологически исчезнувшими", поскольку из-за резкого сокращения численности больше не играют роли в организации сообщества.

Должен произойти перелом во взаимодействии природы и общества. Воздействие человека на экосистемы вызвало стремительно развивающиеся изменения, негативные последствия которых проявляются неожиданно для человека в силу продолжительного скрытого развития процессов и их нелинейного характера.

Устойчивое развитие человеческого общества возможно только во взаимодействии с многообразным миром живого и с учетом тех сил, под действием которых биосфера, с человеком или без него, развивается. Не в противоборстве, а в причастности к природе должен воспитываться человек. Высокая духовность позволит понять язык природы и действовать, не нарушая ее гармонии.

В. И. Вернадский писал, что становление ноосферы "есть не случайное явление на нашей планете", "создание свободного разума", "человеческого гения", а "природное явление, резко материально проявляющееся в своих следствиях в окружающей человека среде". Иными словами, ноосфера -- окружающая человека среда, в которой природные процессы обмена веществ и энергии контролируются обществом.

Воздействие человеческого общества как единого целого на природу по своему характеру резко отличается от воздействий других форм живого вещества. В. И. Вернадский писал: "Раньше организмы влияли на историю тех атомов, которые были нужны им для роста, размножения, питания, дыхания. Человек расширил этот круг, влияя на элементы, нужные для техники и создания цивилизованных форм жизни", что и изменило "вечный бег геохимических циклов" (Размышления натуралиста. Кн. 2, 1977).

Эти гениальные мысли В. И. Вернадского позволили ряду ученых допустить в дальнейшем и такой ход событий в эволюции биосферы, как коэволюцию между человеческим обществом и природной средой, в результате чего и возникнет ноосфера, но это будет происходить благодаря "новым формам действия живого вещества на обмен атомов живого вещества с косной материей". Он считал, что "геологически мы переживаем сейчас выделение в биосфере царства разума, меняющего коренным образом и ее облик, и ее строение, -- ноосферы".

Становление ноосферы, по В. И. Вернадскому, -- процесс длительный, но ряд ученых полагают, что человечество уже вступило в период ноосферы, хотя многие считают, что пока об этом говорить рано, так как то, что сейчас происходит во взаимодействии человека и природы, трудно увязать с наступлением эпохи разума. Тем не менее прогресс человеческого разума и научной мысли ноосферы налицо: они вышли уже за пределы биосферы Земли, в Космос и глубины литосферы (сверхглубокая Кольская скважина). По мнению многих ученых -- ноосфера в будущем станет особой областью Солнечной системы. "Биосфера перейдет так или иначе, рано или поздно в ноосферу... На определенном этапе развития человек вынужден взять на себя ответственность за дальнейшую эволюцию планеты, иначе у него не будет будущего", -- утверждал В. И. Вернадский.

Размещено на Allbest.ru