Биосфера как область жизни и наружная оболочка Земли

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

биосфера как область жизни и наружная оболочка Земли

Введение

биосфера экологический круговорот

Сегодня во весь рост поднимается перед людьми одна из сложнейших проблем, независимо от того, живут ли они в Африке или в Европе, в больших городах или в джунглях. Она касается каждого из нас, и избежать её никому не дано. Это - проблема сохранения жизни на планете, выживания человека, как одного из уникальных видов живых существ.

Решение этой проблемы зависит от того, насколько каждый из нас и все человечество вместе осознают «запретную черту», переступить через которую человечество не должно ни при каких обстоятельствах. Такой «запретной чертой» являются законы жизни на планете.

Человек - обитатель биосферы. Именно биосфера- та оболочка Земли, в пределах которой протекает жизнь человечества в целом и каждого из нас.

Биосфера (от греч. bios - жизнь, sphaira - шар) - область системного взаимодействия живого и костного вещества планеты. Она представляет собой глобальную экосистему - совокупность всех биогеоценозов (экосистем) нашей планеты.

Первые представления о биосфере как «области жизни» и наружной оболочке Земли были высказаны в начале 19 века Ж. Ламарком. В 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс впервые ввел в научную литературу современный термин «биосфера», понимая под ним область взаимодействия основных оболочек Земли.

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 (1744 - 1829). 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.

1. Биосфера

Биосфера - глобальная экологическая система планеты, включающая в себя все живые организмы вместе со средой их обитания.

Биосфера представляет собой совокупность частей земных оболочек (лито-, гидро- и атмосферы), которая заселена живыми организмами, находится под их влиянием и занята продуктами их жизнедеятельности. Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. [2, 45]

В 20-е годы XX - го столетия учение о биосфере было развито и преобразовано выдающимся естествоиспытателем академиком В.И. Вернадским. Он впервые подчеркнул исключительную роль живых организмов в образовании биосферы. По его определению, биосфера - структурная оболочка Земли, созданная самой жизнью, где не только живут, но которая преобразована живыми организмами и связана с их жизнедеятельностью. Таким образом, биосфера - это и среда жизни, и результат жизнедеятельности организмов.

Очень важным для понимания биосферы было установление немецким физиологом Пфефером (1845 - 1920) трех способов питания живых организмов:

ь автотрофное - построение организма за счет использования веществ неорганической природы;

ь гетеротрофное - строение организма за счет использования низкомолекулярных органических соединений;

ь микотрофное - 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.

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. [3, 15]

1.1 Структура биосферы

Биосфера имеет иерархическую структуру. Традиционно в структуре биосферы выделяют атмосферу, гидросферу и литосферу. Атмосфера делится на слои в зависимости от температуры воздуха: ниже 0°С -альтобиосфера, выше 0^оС - тропобиосфера. Гидросфера включает в себя океанобиосферу и аквабиосферу, т.е. солено- и пресноводную среду, и также делится на слои в зависимости от освещенности: фото-, дисфото- и афотосферы. Гео(био)сфера состоит из террабиосферы (твердо-водной среды) и литобиосферы (твердо-воздушной среды). Выделенные подсферы включают экосистемы различного иерархического уровня.

Рис.1. Структурные составляющие биосферы.

Состав биосферы включает 7 глубоко разнородных частей:

живое вещество;

биогенное вещество:

косное вещество:

биокосное вещество;

вещество в радиоактивном распаде:

вещество рассеянных атомов, не связанных химическими реакциями;

вещество космического происхождения.

Живое вещество совокупность организмов на планете (растительный и животный мир, микроорганизмы).

Биогенное вещество - совокупность веществ, возникших в результате жизнедеятельности организмов (торф, нефть, мел, природный газ и др.).

Косное вещество - совокупность веществ, в образовании которых живые организмы не участвуют, т.е. горные породы магматического, неорганического происхождения, вода,

Биокосное вещество - продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами (почва, природные воды).

Та часть литосферы, гидросферы и атмосферы Земли, в которой существуют и развиваются растительные и живые организмы, называется биосферой. Иначе, биосфера - это оболочка жизни. В ее состав входят не только растительный покров и животное население планеты, все реки и озера, водная масса океанов, но и почвенный слой, значительная часть тропосферы и самый верхний слой земной коры - зоны выветривания. На земной поверхности практически нет площадей, где отсутствует жизнь. Даже в жарких и безводных тропических пустынях или на поверхности высокогорных ледников и полярных льдов обнаружены микробы и другие микроорганизмы. [1, 67]

1.2 Учение о биосфере

Заслуга создания целостности учения о биосфере принадлежит В.И. Вернадскому. Используя этот термин, он создал науку «биосфера», ввел понятие «живое вещество» - совокупность всех живых организмов, а также отвел живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая деятельность организмов не только в настоящее время, но и в прошлом. Поэтому биосфера - это все пространство, где существует или когда-либо существовала жизнь, т.е. где встречаются живые организмы или продукты их жизнедеятельности. Ту часть биосферы, где живые организмы встречаются в настоящее время, обычно называют современной биосферой или необиосферой, а древние биосферы относят к былым биосферам, иначе палеобиосферам или мегабиосферам. Примеры последних - безжизненные ск4опления органических веществ (залежи угля, нефти, газа и др.) или запасы иных соединений, образовавшихся при непосредственном участии живых организмов (известняки, ракушечники, образования мела, ряда руд и многое другое). [7, 78]

1.3 Границы биосферы

Верхняя граница теоретически определяется озоновым слоем. Для необиосферы - это нижняя граница озонового слоя (около 20 км), ослабляющего до приемлемого уровня губительное космическое ультрафиолетовое излучение, а для палеобиосферы - это верхняя граница того же слоя (около 60 км), ибо кислород в атмосфере Земли есть результат преимущественно жизнедеятельности растительности.

В большинстве случаев в качестве верхней теоретической границы биосферы указывают озоновый слой без уточнения его границ.

Рис.2. Границы биосферы

Практически же максимальная высота над уровнем моря, на которой может существовать жизнь, ограничены уровнем, до которого сохраняются положительные температуры и могут жить растения. Выше, до «линии снегов», обитают лишь пауки и некоторые клещи. Еще выше живые организмы могут попадаться лишь случайно.

На высотах 7500-8000м критически низкого для абсолютного большинства организмов значения достигает другой абиотический фактор - абсолютное атмосферное давление. Наиболее зависимы от величины давления птицы и летающие насекомые, преимущественно занимающие нижнюю зону.

Вся толща Мирового океана по современным представлениям полностью занята жизнью.

Нижняя граница существования активной жизни традиционно определяется дном океана 11022м (максимальная глубина Марианской впадины) и глубиной литосферы, характеризующейся температурой 100 градусов С (около 6000 м, по данным сверхглубокого бурения на Кольском полуострове). В основном жизнь в литосфере распространена лишь на несколько метров вглубь, ограничиваясь почвенным слоем.

Осадочные породы, практически все претерпевшие переработку живыми организмами, определяют нижнюю границу былых биосфер, которая, тем не менее, не опускается на материках ниже самых больших глубин океана. [6, 89]

2. Основные функции биосферы

Благодаря способности трансформировать солнечную энергию в энергию химических связей, растения и другие организмы выполняют ряд фундаментальных биологических функций планетарного масштаба.

Газовая функция. Живые существа постоянно обмениваются кислородом и углекислым газом с окружающей средой в процессах фотосинтеза и дыхания. Растения сыграли решающую роль в формировании состава современной атмосферы. Они строго контролируют концентрации кислорода и углекислого газа, оптимальные для современной биоты.

Концентрационная функция. В процессе эволюции организмы научились извлекать из разбавленного водного раствора и других компонентов природной среды необходимые для них вещества, многократно увеличивая их концентрацию в своем теле.

Таким образом, пропуская через свое тело большие объемы воздуха и природных растворов, живые организмы осуществляют биогенную миграцию и концентрирование химических элементов и их соединений.

Окислительно-восстановительная функция. Многие вещества в природе крайне устойчивы и не подвергаются окислению при обычных условиях. Живые клетки обладают настолько эффективным катализатором - ферментами, что способны осуществлять многие окислительно-восстановительные реакции в миллионы раз быстрее, чем это может происходить в абиотической среде. Благодаря этому живые организмы существенно ускоряют процессы миграции химических элементов в биосфере.

Информационная функция. С появлением первых живых существ на планете появилась и активная ("живая") информация, отличающаяся от той "мертвой" информации, которая является простым отражением структуры. Организмы оказались способными к получению информации путем соединения потока энергии с активной молекулярной структурой, играющей роль программы. Способность воспринимать, хранить и передавать молекулярную информацию совершила опережающую эволюцию в природе и стала важнейшим экологическим системообразующим фактором.

Перечисленные функции живого вещества образуют мощную средообразующую функцию биосферы. Деятельность живых организмов обусловила современный состав атмосферы. Растительный покров существенно определяет водный баланс, распределение влаги и климатические особенности больших пространств. Живые организмы играют ведущую роль в самоочищении воздушной и водной сред. Благодаря растениям, животным и микроорганизмам создается почва и поддерживается ее плодородие. Таким образом, биота биосферы формирует и контролирует состояние окружающей среды. [4, 111-112]

Следует четко представлять, что окружающая нас среда - это не возникшая когда-то фиксированная и непреходящая физическая должность, а живое дыхание природы, каждое мгновение создаваемое работой множества живых существ.

3. Биогеохимические круговороты веществ в биосфере

Круговорот веществ - закономерный процесс многократного участия веществ в явлениях, протекающих в биосфере планеты. Вещество, вовлеченное в круговорот, не только перемещается, но и испытывает трансформацию и нередко меняет свое физическое и химическое состояния. Особенно активную роль в ускорении круговорота и трансформации играют живые организмы.

Солнечная энергия на Земле вызывает два вида круговоротов веществ:

большой (биогеохимический) - в пределах биосферы;

малый (биотический) - в пределах элементарных экологических систем.

Большой круговорот веществ - это безостановочный планетарный процесс закономерного циклического, неравномерного во времени и пространстве перераспределения вещества, энергии и информации, многократно входящих в непрерывно обновляющиеся экологические системы биосферы.

Малый круговорот веществ развивается на основе большого и заключается в круговой циркуляции веществ между почвой, растениями, микроорганизмами и животными.

Оба круговорота взаимосвязаны и представляют собой единый процесс, который обеспечивает воспроизводство живого вещества и оказывает активное влияние на облик биосферы.

На нашей планете всегда существовал геохимический круговорот веществ, но с появлением жизни на Земле геохимические связи стали биогеохимическими - более сложными и разнообразными. Поэтому говорят о биогеохимическом круговороте веществ или биогеохимическом цикле.

Различают три основных типа биогеохимических круговоротов:

круговорот воды;

Рис.3 Круговорот воды

круговорот элементов преимущественно в газовой фазе (кислорода, углерода, азота и др.);

круговорот элементов преимущественно в твердой и жидкой фазах (фосфора и др.).

Рис.4 Круговорот фосфора

Круговорот углерода на суше начинается с фиксации углекислого газа растениями в процессе фотосинтеза.

Из СО2 и Н2О образуются углеводы и высвобождается кислород, Фиксированный в растениях углерод в некоторой степени потребляется животными. Отжившие животные и растения разлагаются микроорганизмами, в результате чего углерод мертвого органического вещества окисляется до углекислого газа и снова попадает в атмосферу. Кроме того, углерод частично выделяется на всех стадиях круговорота в составе CO₂ во время дыхания растений и животных. Подобный круговорот углерода совершается и в океане.

Круговорот азота (рис.5). Азот, которого очень много в атмосфере, усваивается растениями лишь после соединения его с водородом или кислородом. Это, как правило, происходит в результате различных физических явлений, протекающих в атмосфере (атмосферная фиксация) и производстве (промышленная фиксация), а также в результате действия азотфиксирующих бактерий или водорослей (биофиксация). Соединения азота используются растениями и через них по пищевым цепям попадают к животным. Растительные и животные отходы, мертвые организмы разлагаются, и с помощью денитрифицирующих бактерий происходит восстановление азота и возвращение его в атмосферу.

Рис. 5 Круговорот азота

В настоящее время сельское хозяйство и промышленность дают почти на 60% больше фиксированного азота, чем естественные наземные экосистемы, что приводит к накоплению нитратов в почве и далее в трофических цепях.

Биогеохимические круговороты веществ и связанные с ними превращения энергии являются основой динамического равновесия и устойчивости биосферы. Нормальные, ненарушенные биогеохимические циклы имеют почти круговой, почти замкнутый характер. Этим поддерживается известное постоянство и равновесие состава, количества и концентрации компонентов в биосфере, например состава атмосферного воздуха, концентрации солей в воде океанов и т.п. В свою очередь, подобное постоянство обусловливает генетическую и физиологическую приспособленность живых организмов к существованию на Земле. [2, 55-57]

4. Причины и характер загрязнения биосферы

биосфера экологический круговорот

Загрязнение биосферы - одна из древнейших проблем человеческой цивилизации.

Опасность для биосферы состоит в следующем:

*использование человеком преимущественно внутренних по отношению к биосфере источников энергии (органическое топливо);

*использование нерациональных хозяйственных циклов, приводящих к появлению отходов;

*использование вредных для природы синтетических веществ;

*уничтожение человеком структурного многообразия биосферы, что разрушает экосистемы.

Схема 1

Появление новых болезней - реакция биосферы на вмешательство человека. По характеру возникновения загрязнения подразделяют на естественные и антропогенные. Естественные загрязнения возникают в результате природных, как правило, катастрофических процессов (например, мощное извержение вулкана, селевой поток и т.п.), вне всякого влияния человека на эти процессы, антропогенные - в результате хозяйственной деятельности человека. Интенсивность антропогенных загрязнений непосредственно связана с ростом численности населения земного шара и в первую очередь с развитием крупных промышленных центров.

Антропогенные загрязнения подразделяются на промышленные, сельскохозяйственные и военные. Промышленные загрязнения вызываются отдельно взятым предприятием или их совокупностью, а также транспортом. Сельскохозяйственные загрязнения обусловлены применением пестицидов, дефолиантов и других агентов, внесением удобрений в количествах, не усваиваемых культурными растениями, сбросом отходов животноводства и другими действиями, связанными с сельскохозяйственным производством. Военные загрязнения возникают в результате работы предприятий военной промышленности, транспортировки военных материалов и оборудования, испытания образцов оружия, функционирования военных объектов и всего комплекса военных средств в случае ведения военных действий. Последствия войны с применением атомного оружия могут привести к апокалипсису - «ядерной зиме».

Загрязнение атмосферы - привнесение в воздух или образование в нем химическими веществами или организмами физических агентов, неблагоприятно воздействующих на среду жизни или наносящих урон материальным ценностям, а также образование антропогенных физических полей.

Загрязнение гидросферы - поступление в воду загрязнителей в количествах и концентрациях, способных нарушить нормальные условия среды в значительных по размерам водных объектах.

Загрязнение почвы - привнесение и возникновение в почве новых, обычно не характерных для нее физических, химических или биологических агентов, которые меняют ход почвообразовательного процесса (тормозят его), резко снижают урожайность, вызывают накопление загрязнителей в растениях (например, тяжелых металлов), из которых эти загрязнения прямо или косвенно (через растительные или животные продукты питания) попадают в организм человека.

Загрязнение космического пространства - общее засорение околоземного и ближнего космического пространства космическими объектами. Наиболее опасно радиоактивное загрязнение из-за вывода на орбиты и разрушения ядерных реакторов, кроме того «космического мусора», который вносит помехи в нормальное функционирование наземных радиотехнических и астрономических приборов. По характеру воздействия загрязнения подразделяют на первичные и вторичные.

Первичное загрязнение - поступление в окружающую среду непосредственно загрязнителей, образуемых в ходе естественных природно-антропогенных и чисто антропогенных процессов.

Вторичное загрязнение - образование (синтез) опасных загрязнителей в ходе физико-химических процессов, идущих непосредственно в окружающей среде. Так, из нетоксичных составляющих в некоторых условиях образуются ядовитые газы - фосген; фреоны, химически инертные у поверхности Земли, вступают в стратосфере в фотохимические реакции, вырабатывая ионы хлора, служащие катализатором при разрушении озонового слоя (экрана) планеты. Отдельные реагенты такого взаимодействия могут быть неопасными.

По механизму воздействия загрязнения подразделяются на механические, физические (тепловые, световые, акустические, электромагнитные), химические, радиационные, биологические.

Механические загрязнения - засорение среды агентами, оказывающими главным образом неблагоприятное механическое воздействие на естественные и искусственные объекты.

Физические загрязнения связаны с изменением физических параметров среды: температурно-энергетические (тепловые), волновые (световые, акустические, электромагнитные), радиационные (радиационные, радиоактивные).

Тепловые (термальные) загрязнения обусловлены повышением температуры среды, главным образом в связи с промышленными выбросами нагретого воздуха, отходящих газов (продукты сгорания, выбрасываемые в дымовую трубу) и вод. Могут возникать и как вторичный результат изменения химического состава среды (например, парниковый эффект - постоянное потепление климата на планете в результате накопления в атмосфере углекислого и других газов (метана, фтор- и хлоруглеродов), которые аналогично покрытию теплицы, пропуская солнечные лучи, препятствуют длинноволновому тепловому излучению уходить с поверхности Земли).

Световые загрязнения вызваны нарушением естественной освещенности местности в результате действия искусственных источников света и могут приводить к аномалиям в жизни растений и животных.

Акустические загрязнения связаны с превышением естественного уровня шума и ненормальным изменением звуковых характеристик в населенных пунктах и других местах вследствие работы транспорта, промышленных установок, бытовых приборов, поведения людей или других причин.

Электромагнитные загрязнения возникают в результате изменения электромагнитных свойств среды (от линий электропередачи, радио и телевидения, работы некоторых промышленных установок и т.п.), приводят к изменениям в тонких клеточных и молекулярных биологических структурах.

Радиоактивные загрязнения обусловлены превышением естественного уровня содержания радиоактивных веществ в среде. Их последствием является радиационное загрязнение, вызванное действием ионизирующих излучений.

Биологические загрязнения вызваны проникновением (естественным или благодаря деятельности человека) в эксплуатируемые экосистемы и технологические установки видов организмов, чуждых данным сообществам и установкам и обычно там отсутствующих. Выделяют биотические и микробиологические загрязнения.

Микробиологические (микробные) загрязнения возникают из-за появления в среде необычно большого количества микроорганизмов, связанного с массовым их размножением в средах, измененных в ходе хозяйственной деятельности человека. [5, 46-49]

Заключение

Хозяйственная деятельность человека, приобретая все более глобальный характер, начинает оказывать весьма ощутимое влияние на процессы, происходящие в биосфере. Вы уже узнали о некоторых результатах деятельности человека и их влиянии на биосферу. К счастью, до определенного уровня биосфера способна к саморегуляции, что позволяет свести к минимуму негативные последствия деятельности человека. Но существует предел, когда биосфера уже не в состоянии поддерживать равновесие. Начинаются необратимые процессы, приводящие к экологическим катастрофам. С ними человечество уже столкнулось в ряде регионов планеты.

Человечество существенно изменило ход течения целого ряда процессов в биосфере, в том числе биохимического круговорота и миграции ряда элементов. В настоящее время, хотя и медленно, происходит качественная и количественная перестройка всей биосферы планеты. Уже возник ряд сложнейших экологических проблем биосферы, которые необходимо разрешить в ближайшее время.

В настоящее время ведутся разработки новых, более эффективных способов управления популяциями животных, делаются попытки оградить дикую природу от антропогенного воздействия, или хотя бы свести это воздействие к минимуму, при котором популяции животных перестали бы уменьшаться.

Список литературы

1. Акимова, Т.А. Экология[Текст]: учебник для вузов / Т.А. Акимова, ВЛЗ. Хаскин. - М: ЮНИТИ, 1998. - 445 с.

2.Кормилицин, В.И. Основы экологии[Текст]: учеб. пособие / В.Ц. Кормилидин. - М.: Интерстиль. 1997. - 368 с.

3.Маврищев, В.В. Основы общей экологии[Текст]: учеб. пособие / В.В. Маврищев. - Мн.: Выш. шк., 2000. - 317 с.

4. Николайкин, Н.Н. Экология[Текст]/Н.Н.Николайкин, Н.Е. Николайкина, О.П.Мелехова О.П.. - М.: Дрофа. 2004. - 345 с.

5. Охрана окружающей среды[Текст]: учеб. для техн. Спец. вузов / Под ред. С.З. Белова. - М.: Высшая школа, 1991. - 319 с.

6. Реймерс, Н.Ф. Охрана природы и окружающей человека среды[Текст]: Словарь-справочник / Н.Ф. Реймерс. - М: Просвещение, 1992. - 320 с.

7. Шимова, О.С. Основы экологии и экономика природопользования[Текст]: учебник / О.С. Шимова, Н.К. Соколовский. - Мн.: БГЭУ, 2001 -367 с.

Приложение 1

Кроссворд на тему «Биосфера»

Размещено на Allbest.ru