Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Биосфера как глобальная экосистема. 2

Введение

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.

Термин « биосфера» ввел австралийский геолог Эдуард Зюсс (1881-1914). Современная концепция биосферы связана с именем академика

В.И. Вернадского.

Биосфера - область обитания живых организмов; оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяется совокупной деятельностью живых организмов. Верхняя граница простирается до высоты озонового экрана (20-25 км), нижняя опускается на 1-2км ниже дна океана и в среднем 2-3 км на суше. Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу, педосферу (почву), и верхнюю часть литосферы (горные породы).

Географическая оболочка Земли. Биосфера

Планета Земля существует около 4,5-5 млрд. лет. Признаки жизни на ней появились примерно 2,5—3 млрд. лет назад. Активное завоевание Земли живыми организмами продолжалось 500-600 млрд. лет. По мнению многих ученых, жизнь зародилась в Мировом океане. Развитие жизни в воде привело к увеличению в ней кислорода. Из воды кислород выделялся в атмосферу, что способствовало заселению суши живыми организмами.

Жизнедеятельность организмов всегда оказывала влияние на все оболочки Земли. Растения за миллиарды лет существования изменили состав атмосферы, обогатив ее кислородом, уменьшив содержание углекислого газа, способствовали отложению углерода в известняках, каменных углях, нефти. Так, в процессе эволюции на Земле образовалась особая земная оболочка — биосфера (от греческого bios — жизнь и sphaira — шар).

Биосфера — одна из оболочек Земли, состав и энергетика которой обусловлены главным образом деятельностью живых организмов. Этот термин ввел в научный оборот австрийский геолог Э. Зюсс в 1875 г.

Он имеет два значения:

1) В широком смысле биосфера — область активной жизни организмов, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы, которые взаимосвязаны сложными биохимическими процессами перераспределения вещества и энергии.

2) В узком смысле биосфера — совокупность всех организмов, населяющих нашу планету.

Учение о биосфере в 1920-х годах разработал русский ученый — академик В.И. Вернадский (1863—1945). Он установил выдающуюся роль живого вещества в преобразовании земной поверхности.

В учении о биосфере речь идет, о той части нашей планеты, которая пронизана солнечными лучами и жизнью. Верхний предел биосферы ограничен интенсивной концентрацией ультрафиолетовых лучей, нижний — высокой температурой земных недр (свыше 100 °С). Известно, например, что споры бактерий поднимаются на высоту 20 км. Их можно найти на глубине 3 км в водах нефтяных месторождений.

Развивая учение о биосфере, В.И. Вернадский пришел к выводу о том, что биогенная миграция химических элементов в биосфере стремится к максимальному своему проявлению. Вовлекая неорганическое вещество в биологический круговорот, жизнь способна со временем проникать в более недоступные ей области планеты и увеличивать свою геологическую активность.

Действительно, палеонтологи, восстанавливая историю живых существ, приводят доказательства увеличения разнообразия видов, появления новых более сложных форм, способствующих еще более полному освоению солнечной энергии, активизации биосферы.

Предки человека появились на Земле всего 2 млн. лет назад. Человеческая деятельность — использование огня, охота, скотоводство, земледелие, а затем развитие промышленности, транспорта — сильно изменили биосферу.

В.И. Вернадский связал учение о биосфере не только с геологической деятельностью человека, но и вообще с многообразными проявлениями человеческой личности и человеческого общества. Он писал, что, в сущности, человек, являясь частью биосферы, только по наблюдаемым в ней явлениям может судить о мироздании, что он висит в тонкой пленке биосферы и лишь мыслью проникает вверх и вниз.

Ноосфера, или сфера разума (от греч. слов разум и шар) — новое состояние биосферы, при котором разумная деятельность человека становится главным, определяющим фактором ее развития.

Разрабатывая учение о ноосфере, В.И. Вернадский рассматривал ее как новое эволюционное состояние биосферы, преобразуемой в интересах мыслящего человечества.

Познавая законы природы и совершенствуя технику, человек начинает оказывать все возрастающее влияние на ход природных процессов, глубоко изменяя их своей деятельностью.

Развитие человечества сопряжено с постоянным ростом потребностей в природных ресурсах, заменой истощающихся ресурсов на новые и еще более интенсивная их эксплуатация. Хозяйственная деятельность все чаще приводит к нарушению экологических условий, ухудшению качества окружающей среды, наносит непоправимый ущерб природным комплексам.

Природный комплекс (от лат. complexus — связь, сочетание) — территория, обладающая определенным сочетанием и единством географических компонентов природы, общностью происхождения и историей развития, своеобразием географического положения. В природном комплексе все компоненты связаны друг с другом. Формирование природных комплексов происходит в течение длительного времени.

Природные комплексы различны по размерам. Самый большой природный комплекс — географическая оболочка.

Географическая оболочка — в российской географической науке трактуется как целостная и непрерывная оболочка Земли, среда деятельности человека, где ее составные части — верхние толщи литосферы, нижние слои атмосферы, гидросфера и почти вся биосфера — проникают друг в друга и находятся в тесном взаимодействии. Между ними происходит непрерывный энергетический, минеральный и информационный обмен. Представление о географической оболочке как о «наружной сфере Земли» введено русским метеорологом и географом И. П. Броуновым (1910). Современная трактовка понятия введена в систему географических наук А. А. Григорьевым (1932). Основные закономерности географической оболочки:

— целостность (проявляется во взаимовлиянии и взаимодействии ее компонентов);
— ритмичность (основные ритмы живой и неживой природы обусловлены движением Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца, а также ритмами солнечной активности).

Материки и океаны, природные зоны, озеро или отдельный овраг являются природными комплексами разного масштаба.

Функционирование биосферы

Благодаря способности трансформировать солнечную энергию в энергию химических связей биота биосферы выполняет ряд фундаментальных биогеохимических функций планетарного масштаба.

Газовая функция. Кислород атмосферы накоплен за счет фотосинтеза, единственный абиогенный источник кислорода – диссоциация воды на больших высотах – незначителен. Накапливание кислорода в атмосфере происходит за счет захоронения углерода в виде органического вещества. Количество кислорода в атмосфере до сих пор неуклонно растет (несмотря на то, что только один современный воздушный лайнер за один час полета сжигает необходимый для образования озона кислород в количестве около 5 тонн). Создание озонового слоя из кислорода в верхних слоях тропосферы – результат деятельности живого вещества. Биохимическая переработка продуцирование и потребление углекислого газа, азота, сероводорода, метана, других летучих веществ (фитонцидов) формирует и поддерживает постоянство состава атмосферы.

Концентрационная функция. Живые организмы пропускают через свое тело большие объемы воздуха и природных растворов, осуществляют биогенную миграцию и концентрирование химических элементов их соединений: биосинтез органики; строительство раковин и скелетов, образование коралловых островов, толщ осадочных известняков; окисление и восстановление элементов с переменной валентностью микроорганизмами (азот, сера, железо, марганец и др.) Геологические результаты концентрационной функции биосферы – месторождения серы, сульфидов, скопления железомарганцевых конкреций на дне океана и т.п.

Окислительно-восстановительная функция тесно связана с биогенной миграцией элементов и концентрированием веществ. Многие вещества в природе крайне устойчивы и не подвергаются окислению при обычных условиях. Молекулярный азот – один из важнейших биогенных элементов. Живые клетки располагают эффективными катализаторами – ферментами и способны производить окислительно-восстановительные реакции в миллионы раз быстрее, чем это может происходить в абиогенной среде.

Информационная функция. С появлением живых существ на планете появилась генетическая информация – активная («живая») информация, отличающаяся от той «мертвой» информации, которая является простым отражением структуры. Живые организмы способны к получению информации путем соединения потока энергии с молекулярной структурой, играющей роль программы. Способность воспринимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию стала важным экологическим системообразующим фактором. Суммарный запас генетической информации биоты биосферы оценивается в 1015 бит, а общая мощность потока молекулярной информации, связанной с обменом веществ и энергии всех клеток глобальной биоты–1036 бит/с.

Перечисленные функции живого вещества биосферы обращены к внешним факторам существования образуют мощную средообразующую функцию биосферы, тесно связанную со средорегулирующей
функцией – биотической регуляцией окружающей среды. Биота в глобальном масштабе способна с большой точностью и длительное время поддерживать на постоянном уровне важные параметры окружающей среды.

Функционирование биосферы осуществляется в рамках бесконечного множества круговоротов вещества различного уровня под действием потока энергии от солнца:

Круговорот воды (в пределах ландшафтов – испарение – конденсирование – осадки; в пределах планеты – водообмен – океаны - материки).
Круговороты (биологические) отдельных ландшафтов (характеризуются скоростью – количеством живого, образующегося и разлагающегося в единицу времени и ёмкостью – количество химических элементов, находящихся одновременно в составе живого в данной экосистеме).
Круговороты отдельных химических элементов – углерода, кислорода, азота и др.

Биогеохимическая концепция биосферы

Наиболее всеобъемлющей является биогеохимическая концепция биосферы, сформулированная В.И. Вернадским. В этой концепции основу биосферы как геологической оболочки составляет живое вещество, понимаемое как совокупность химических элементов, сосредоточенных во всех живых организмах, вместе взятых.

Три основных биогеохимических принципа эволюции биосферы как целостного образования, сформулированные В.И. Вернадским, состоят в следующем.

Первый принцип вытекает из факта устойчивости геологических процессов в ходе исторического времени и состоит в том, что биогенная миграция химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному значению.

Вовлекая неорганическое вещество в биотический круговорот, живое способно со временем проникать в ранее недоступные области и увеличивать перерабатывающую активность. Освоение новых областей осуществляется за счет увеличения разнообразия форм живых организмов. Другим проявлением этого принципа можно считать постоянство среднего химического состава живого вещества с момента формирования по настоящее время, таким образом можно его назвать правилом постоянства химической основы эволюционных процессов органического мира.

Второй принцип связывает воедино эволюцию в целом биосферы и отдельных видов. Он состоит в том, что эволюция видов, приводящая в ходе геологического развития к созданию форм жизни, устойчивых в биосфере, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию составляющих биосферы. Этот принцип задает правило направленности эволюционных изменений органического мира. Появление человека есть закономерный процесс, так как выделение его из животного мира связано с резким ростом процесса переработки окружающей среды.

Третий биогеохимический принцип основывается на геометрической прогрессии размножения живых организмов. В соответствии с ним в течение всего геологического времени заселение планеты должно быть максимально возможным для всего живого вещества.

Процесс заселения планеты есть одно из следствий геометрической прогрессии размножения живых организмов и размеров планеты.

В.И. Вернадский предложил рассматривать скорость заселения земной поверхности тем или иным видом как характеристику его геохимической функции. Чем больше скорость заселения, тем сильнее вид перерабатывает окружающую среду. Учитывая исключительно высокие темпы размножения живых организмов, этот принцип можно интерпретировать, как правило, полной заселенности Земли в любое геологическое время.

Живые организмы характеризуются определенной массой. По оценкам, она близка к 5 × 1013 т. Существуют две противоположные точки зрения на вопрос о постоянстве этой массы.

Одна из них, базируясь на предположении о неизменности солнечной энергии, получаемой Землей, считает, что масса живого вещества постоянна (при возможных кратковременных, по геологическим масштабам, отклонениях). Другая утверждает, что масса живого вещества на Земле непрерывно возрастает. Этот процесс связывают с увеличением разнообразия жизни в ходе геологического времени.

По мнению В.И. Вернадского, для данного геологического периода количество живого вещества биосферы постоянно.

Живое вещество характеризуется огромной энергией, которая может быть использована для совершения работы. Это - солнечная энергия, превращенная в энергию химических связей в процессе фотосинтеза зеленых растений и распространяющаяся по поверхности Земли благодаря способности живого регулировать проявления собственных процессов. Живое вещество оказывает непрерывное, постоянное воздействие на окружающий мир. Оценки показывают, что скорость распространения (растекания) живого вещества по поверхности меняется в зависимости от размеров организма и достигает 300 м/с для бактерий (близко к скорости звука в воздухе, звуковая волна способна переносить живое вещество).

Живое вещество производит на Земле непрерывную, непрекращающуюся ни на мгновение работу по переработке своего окружения, по его изменению.

Эта функция живого вещества ставит биосферу в особое положение в структуре геологических оболочек. В механизме формирования земной коры она выступает активным началом, изменяющим газовый состав атмосферы, минеральный состав литосферы, почву, гидросферу. Глобальные геохимические функции живого вещества осуществляются через питание (концентрационная функция), дыхание (газовая функция) и размножение (транспортная функция) особей всех видов живых организмов на всех этапах развития жизни на Земле.

Человек, являясь частью живого вещества, также участвует в реализации геохимической функции живого вещества.

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.

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 ресурсо-воспроизводящими 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.

Эволюция биосферы

По современным представлениям, развитие безжизненной геосферы, т. е. оболочки, образованной веществом Земли, происходило на ранних стадиях существования нашей планеты. Изменения облика Земли были связаны с геологическими процессами, происходившими в земной коре, на поверхности и в глубинных слоях планеты, и находили проявление в извержениях вулканов, землетрясениях, подвижках земной коры, горообразовании.
С возникновением жизни сначала медленно и слабо, затем все быстрее и значительнее стало проявляться влияние живой материи на геологические процессы Земли. Деятельность живого вещества, проникающего во все уголки планеты, привела к возникновению качественно нового образования — биосферы, тесно взаимосвязанной единой системы геологических и биологических тел и процессов преобразования энергии и вещества.

Биосфера — не только сфера распространения жизни, но и результат ее деятельности. Начиная с момента зарождения, жизнь постоянно развивается и усложняется, оказывая воздействие на окружающую среду, изменяя ее. Таким образом, эволюция биосферы протекает параллельно с историческим развитием органической жизни.

Выдающийся русский ученый В. И. Вернадский, один из создателей современного учения о биосфере, определил ее как наружную оболочку Земли, населенную живыми организмами.

Биосфера включает в себя:

— живое вещество, т. е. совокупность всех живых организмов (растения, животные, грибы, микроорганизмы);

— биогенное вещество — органоминеральные или органические продукты, созданные живым веществом (торф, каменный уголь, нефть); — биокосное вещество, созданное живыми организмами вместе с неживой (косной) природой (водой, атмосферой, горными породами), — почвенный покров;

— косное (мертвое) вещество, образованное процессами, в которых живые организмы не участвуют (изверженные горные породы, космическая пыль и т. п.).

Биосфера находится в постоянном динамическом равновесии и развитии.
На начальном этапе развития биосферы живые организмы использовали органические соединения первичного океана. Углекислый газ, как побочный продукт обмена веществ, выделялся в атмосферу.

Живые организмы довольно быстро использовали запасы органических веществ первичного океана. Преимущества получили и широко размножились микроорганизмы, например метановые бактерии, способные синтезировать органические соединения из углекислого газа и присутствующего в атмосфере водорода. В результате образовывался метан, и высвобождалась энергия, использовавшаяся для процессов жизнедеятельности микроорганизмов. Метан поступал в атмосферу и под действием ультрафиолетового излучения превращался в водорастворимые органические соединения, которые вновь возвращались в воду.
В то время, по мнению ученых, в составе атмосферы концентрация метана, определявшаяся жизнедеятельностью организмов, оставалась примерно на одном уровне.

Такое состояние могло сохраняться до тех пор, пока в земной атмосфере было значительное количество водорода. Когда же запасы газообразного водорода истощились, метановые бактерии уже не могли перерабатывать углекислый газ в метан и таким образом лишились источника энергии для синтеза собственных питательных веществ.

Необходимо было найти источник получения энергии. Им стал фотосинтез. У первых фотосинтезирующих микроорганизмов, как и у современных цианобактерий, фотосинтез протекал без выделения кислорода.
На следующем этапе эволюции появились организмы с более совершенным механизмом фотосинтеза, в результате которого в качестве побочного продукта в атмосферу стал выделяться кислород. Это вело к изменению состава атмосферы Земли. Теперь в ней становилось все больше кислорода.

Кислород — сильный окислитель и губителен для анаэробных (живущих в бескислородной среде) организмов. Поэтому для живых организмов того времени он был сильным ядом. Практически кислород стал загрязнителем атмосферы, что привело к экологическому кризису. Живые организмы должны были погибнуть или приспособиться к новым условиям среды. У них стали появляться различные механизмы обезвреживания ядов. Некоторые из них выполняют у современных живых организмов совершенно иные функции. Например, ученые считают, что биохимический механизм, при помощи которого светлячок вырабатывает световую энергию, появился у древних организмов как средство обезвреживания губительного воздействия кислорода. Живые организмы уже не боролись против кислорода, а использовали его для получения энергии. Появился процесс дыхания.
Фотосинтез сыграл огромную роль в развитии органического мира и эволюции биосферы.

Первые живые организмы развивались в воде, которая защищала их от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей. Кислород, выделявшийся в процессе фотосинтеза, в верхних слоях атмосферы под действием ультрафиолетовых лучей превращался в озон (его молекула содержит три атома кислорода — 03). По мере накопления озона произошло образование озонового слоя, который, как экран, надежно защитил поверхность Земли от губительной для живых организмов ультрафиолетовой солнечной радиации. Это позволило живым организмам выйти на сушу и заселить ее.

Для поддержания жизнедеятельности одной клетке требуется сравнительно мало энергии. Но чем сложнее организм, тем больше энергии ему необходимо. С появлением дыхания эта проблема была решена. Процесс дыхания обеспечил организмы энергией, что дало толчок к возникновению многоклеточных организмов, их дальнейшему развитию и усложнению.

В процессе дыхания организмы потребляли кислород и выделяли соответствующее количество углекислого газа, который использовался для синтеза органических веществ в процессе фотосинтеза. Постепенно между фотосинтезирующими организмами и гетеротрофами установилось равновесие, которое привело к стабилизации нового состава атмосферы. Сформировались современные круговороты углерода и кислорода. Таким образом, благодаря жизнедеятельности организмов в биосфере непрерывно протекают процессы синтеза и распада органических веществ и происходят круговороты веществ, обеспечивающие стабильность функционирования биосферы. На разных этапах развития биосферы соотношение процессов синтеза и распада менялось. В начальный период развития биосферы процессы синтеза преобладали над разрушением. Это привело к тому, что из первичной атмосферы в большом количестве были изъяты метан, сероводород, углекислый газ, а концентрация свободного кислорода, отсутствовавшего в ней прежде, достигла современного уровня — 21%.

В конце мезозоя — начале кайнозоя между этими процессами в биосфере установилось относительное равновесие.

Около 2,5 млн. лет назад появились первые люди — далекие предки современного человека. Вначале люди были охотниками и собирателями. Однако в связи с усовершенствованием орудий охоты человечество весьма быстро, вероятно, всего за два-три тысячелетия, истребило крупных копытных, пещерных медведей и мамонтов — основу своего пищевого рациона того времени. Охота не могла уже обеспечить пропитание людей. Человек оказался на грани голодной смерти и был обречен на вымирание. Он мог бы и совсем исчезнуть с лица планеты, как исчезли многие биологические виды, например саблезубые тигры.
Однако судьба человека оказалась иной. Он перешел к земледелию, а несколько позднее и скотоводству, т. е. человек преодолел экологический кризис, создав искусственный круговорот веществ в природе.

Человечество стало создавать фактически искусственную среду своего обитания (поселения, жилища, одежду, продукты питания, машины и многое другое). С этих пор эволюция биосферы вступила в новую фазу, где человеческий фактор стал мощной движущей силой.

С появлением промышленности процессы разрушения в атмосфере стали преобладать над процессами созидания, причем эти тенденции становятся все более выраженными. Биосфера находится на грани нового экологического кризиса. Его последствия могут быть катастрофическими для человечества. Чтобы предотвратить беду, необходимо не только изменить промышленные технологии, но и — в первую очередь — перестроить собственное сознание.

Заключение

Человечество осознало, как мала наша Земля, поняло, что вмешиваться в процессы, протекающие в природе, нужно крайне осторожно.

Наша планета уникальна, потому что на ней есть жизнь. Жизнь пронизывает не только водную и воздушную стихии, но и земную твердь. Жизнь на Земле представлена живым веществом, которое образовано миллионами видов и миллиардами особей. Живое вещество, все биологическое разнообразие Земли защищено от космических лучей геомагнитным полем и озоновым экраном. Все формы и проявления жизни не существуют сами по себе, они связаны сложными взаимоотношениями в единый комплекс жизни - глобальную экосистему (биосферу). Эти взаимоотношения и связи в живой природе удивительны! Каждая группа родственных видов, образующих царство, выполняет определенную роль в круговороте веществ: создание, преобразование, разрушение органических веществ.

Основным источником энергии в биосфере является Солнце. Биогенный круговорот веществ не дает прерваться жизни на планете Земля. Живые существа биосферы преобразовали химический состав воздуха, воды, почвы, определили и их современный состав, повлияли на формирование минералов и горных пород, на рельеф Земли. Биосфера - среда жизни и результат жизнедеятельности.

Одна из главных задач ХХI века, в решение которой существенный вклад должна внести экология, - это достижение гармонии между человеком и природой.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Бродский А.К. Краткий курс общей экологии: Учеб. пособие. - СПб., 2001.
Владимиров В.А., Измалков В.И. Катастрофы и экология.- М.,2000.
Данилов - Данильян В.И., Лосев К.С. Экологический вызов и устойчивое развитие. – М., 2000.
Мамедов Н.М. Основы общей экологии: Учебник. - М.,1998.
Общая экология: Учебник для вузов/ автор-составитель А.С. Степановских /.- М., 2001.
Окружающая среда: энциклопедический словарь - справочник:-Т.1.-М.,1999.
Хван Т.А., Хван П.А. Безопасность жизнедеятельности.- Ростов н/Д., 2001

Биосфера как глобальная экосистема. 2 📙 Контрольная → 🆔 10566