Биосфера. Экологические функции биосферы

 
 
 
 
 
 

      «Биосфера. Экологические функции» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Челябинск, 2010г.

      Содержание

      ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………3

1. БИОСФЕРА……………………………………………………………4-5
2. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ БИОСФЕРЫ……………………..6-7
3. ФУНКЦИИ БИОСФЕРЫ СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД………………8-13
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………14
5. ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………….15

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ.

       Жизнь — высшая форма организации материи. В то же время, по мнению академика  В.А. Энгельгардта, у живой материи  практически нет таких свойств, каких не существовало бы у неживой материи. Живое отличается от неживого только совокупностью особенностей. 

       Цель  работы: изучить экологические функции биосферы 

       Задачи:

1. Познакомиться со свойствами и функциями биосферы;
2. Отобрать наиболее подходящий материал;
3. Оформить материал в виде реферата, презентации.

 

       Методика:

1. Поиск нужной информации на учебных сайтах;
2. Работа с научным материалом в библиотеке ЧелГУ.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.БИОСФЕРА

       Биосфе́ра— оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; «пленка жизни»; глобальная экосистема Земли.

       Термин  «биосфера» был введён в биологии Жаном-Батистом Ламарком в начале XIX в., а в геологии предложен австрийским геологом Эдуардом Зюссом в 1875 году.

       Целостное учение о биосфере создал русский биогеохимик и философ В. И. Вернадский. Он впервые отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая их деятельность не только в настоящее время, но и в прошлом.

       1.1.Характеристика биосферы

       Местоположение  биосферы

       Биосфера  располагается на пересечении верхней части литосферы, нижней части атмосферы и занимает всю гидросферу.

       Границы биосферы

• Верхняя граница в атмосфере: 15—20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое УФ-излучение, губительное для живых организмов.
• Нижняя граница в литосфере: 3,5—7,5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами.
• Нижняя граница в гидросфере: 10—11 км. Она определяется дном Мирового Океана, включая донные отложения.

       Состав биосферы

       Биосферу  слагают следующие типы веществ:

1. Живое вещество — вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, физико-химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности. Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4-3,6×10¹² т (в сухом весе) и составляет менее 10⁻⁶ массы других оболочек Земли. Но это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты», поскольку живое вещество не просто населяет биосферу, а преобразует облик Земли. Живое вещество распределено в пределах биосферы очень неравномерно.
2. Биогенное вещество — вещество, создаваемое и перерабатываемое живым веществом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь всю атмосферу, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти, карбонатных пород и т. д.
3. Косное вещество —Продукты, образующиеся без участия живых организмов.
4. Биокосное вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, ил, кора выветривания и т. д. Организмы в них играют ведущую роль.
5. Вещество, находящееся в радиоактивном распаде.
6. Рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений.
7. Вещество космического происхождения.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ БИОСФЕРЫ

       (по  Вернадскому и  основные биосферные  законы по Реймерсу)

       Функции (от лат. Functio - исполнение, совершение)

       "Живые  организмы являются функцией  биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей".

       Приведем  пять постулатов В.И.Вернадского, относящихся  к функции биосферы.

       Постулат  первый: "С самого начала биосферы жизнь, в нее входящая, должна была быть уже сложным телом, а не однородным веществом, поскольку связанные с жизнью ее биогеохимические функции по разнообразию и сложности не могут быть уделом какой-нибудь одной формы жизни". Смысл сказанного однозначен: первобытная биосфера изначально была представлена богатым функциональным разнообразием.

       Постулат  второй: "Организмы проявляются  не единично, а в массовом эффекте... ". И далее: "Первое появление  жизни... должно было произойти не в  виде появления одного какого-нибудь вида организмов, а их совокупности, отвечающей геохимической функции жизни. Должны были сразу появиться биоценозы".

       Третий  постулат: "В общем монолите жизни, как бы не менялись его составные  части, их химические функции не могли  быть затронуты морфологическим  изменением". Смысл приведенных постулатов таков: первичная биосфера была представлена "совокупностями" организмов типа биоценозов, которые и были главной "действующей силой" геохимических преобразований, а морфологические изменения компонентов этих "совокупностей" не отражались на их "химических функциях".

       Постулат  четвертый: "Живые организмы... своим  дыханием, своим питанием, своим  метаболизмом... непрерывной сменой поколений... порождают одно из грандиознейших планетных явлений... миграцию химических элементов в биосфере", поэтому "на всем протяжении протекших миллионов лет мы видим образование тех же минералов, во все времена шли те же циклы химических элементов, какие мы видим и сейчас".

       И пятый постулат: "Все без исключения функции живого вещества в биосфере могут быть исполнены простейшими одноклеточными организмами".

       Какие же именно "геохимические функции" имел в виду Вернадский? Он определил  их такими терминами: газовая, кислородная, окислительная, кальциевая, восстановительная, концентрационная, разрушение органических соединений, восстановительное разложение, метаболизм и дыхание. Функций этих было достаточно, чтобы "былая биосфера" сыграла свою определяющую роль в становлении оболочек Земли - атмосферы, гидросферы, литосферы и геосферы. Современная наука о биосфере те же функции классифицирует по пяти категориям:

1. энергетическая

       -накопление  свободной энергии - связывание  и запасание солнечной энергии;

2. концентрационная

       - накапливание химических элементов  в телах живых организмов в  масштабах биосферы, формирование  атмосферы, залежей органических и неорганических веществ;

3. транспортная

       - закон биоигенной миграции атомов, биогеохимические круговороты;

4. деструктивная

       -разложение  органики и замыкание круговоротов, выветривание √ разрушение земной  коры, формирование почвы;

5. средообразующая

       Естественно возникает вопрос, какой же механизм функционировал и продолжает обеспечивать способность биосферы выполнять деятельность живого вещества, живых организмов. 
 
 

       3.ФУНКЦИИ БИОСФЕРЫ СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД

       Функция биологических систем - свойство направлять свою деятельность к достижению определенных полезных для них результатов  приспособительного значения.

       Функция биосферы выражается как специфика направления развития жизни на Земле.

       Если  направление превращений вещества и энергии в неживой природе характеризуется общим снижением уровня организации и качества энергии, приближением к устойчивому равновесию, возрастанием термодинамической и структурной энтропии, то в живой природе направление этих превращений оказывается прямо противоположным. Этим и определилась ведущая роль биосферы на земле.

       Общее направление превращений биосферы в целом или ее ФУНКЦИЮ можно  определить как повышение уровня структурной организации, накопление свободной энергии устойчивого  неравновесия, появление и возрастание НЕГЭНТРОПИИ, которые достигаются за счет энергетических и материальных ресурсов неживой природы и реализуются в синтезе первичной биомассы и эволюции ее форм. При этом разные подсистемы биосферы играют разную роль.

       1.Общее направление превращений в РАСТИТЕЛЬНОЙ ПОДСИСТЕМЕ биосферы или ее функцию можно определить как первичный синтез биомассы из неорганических источников, создание исходного негэнтропийного материала.

       2.Общее  направление превращений в ЖИВОТНОЙ  ПОДСИСТЕМЕ биосферы или ее функцию можно определить как прогрессивные преобразования биомассы, повышающие ее структурную организацию и уровень негэнтропии.

       3.Функцию  ЧЕЛОВЕЧЕСКОЙ ПОДСИСТЕМЫ биосферы  можно определить как производство  все новых орудий труда, позволяющих  создавать небиологическим техническим путем свободную энергию негэнтропии в искусственных высокоорганизованных системах, воспроизводящих прямо или косвенно некоторые процессы, осуществлявшиеся до того только живой материей.

       "Постоянство  внутренней среды есть условие свободного поведения", - так определил Клод Бернар основной принцип взаимодействия живого организма с внешней средой, названный в последствии ГОМЕОСТАЗОМ.

       Гомеостазис (греч. подобное состояние) - способность  системы сохранять относительное  постоянство, относительную замкнутость, устойчивость с помощью приспособительных механизмов, устраняющих или ограничивающих воздействие на систему факторов внешней и внутренней среды.

       Продуктивность  как показатель функционирования биосферы.

       Продуктивность  биологическая - биомасса, производимая популяцией или сообществом на единице площади за единицу времени.

       Продуктивность  первичная чистая - наблюдаемый фотосинтез или чистая ассимиляция.

       Продуктивность  энергетическая абсолютная - количество энергии, заключенной в продуктах питания, получаемых с единицы площади возделываемых земель при культивировании определенного растения, за вычетом произведенных энергозатрат.

       Биологическая продуктивность биосферы, всего живого вещества Земли составляет 1,7*1015 МДж/год. По абсолютному своему значению она сопоставима, в пределах одного порядка величин, с такими глобальными геологическими процессами, как энергия приливно-отливных течений 2,3*1015 MДж/год, энергия движения воздушных масс атмосферы - 1,3*1015 МДж/год и величина теплового потока из недр Земли, равная 1,3*1015 МДж/год; на порядок выше энергии землетрясений Земли и на два порядка выше энергии речного стока и вулканических извержений.

       Сопоставляя приведенные цифры, необходимо иметь  в виду, что значение биологической  продуктивности отвечает энергии, накопленной в массе сухого вещества. Однако хорошо известно, что накопление какой то массы органического вещества, требует поглощения солнечной энергии на два порядка выше. Следовательно, реальное поглощение солнечной энергии биосферой Земли по своим масштабам превышает не меньше чем на порядок любой из глобальных геологических процессов, формирующих Лик Земли.

       Вернадский  попpобовал более понятно выpазить  вес одной тучи саpанчи, наблюдавшейся  доктоpом Кpаутеpом над Кpасным моpем в 1889 г. до оpганизации междунаpодной боpьбы с саpанчей. Вес этой тучи отвечал 4,4*107 т. Он был почти pавен весу меди, цинка и свинца вместе взятых, выpаботанных человечеством в течение (XIX в. прим. авт.) столетия. Туча саpанчи - как бы ╚гоpная поpода в движении╩. Добавим к этому, масса, обладающая колоссальным потенциалом биологического обмена!

       Часть солнечной энергии поглощенная  биосферой и вторично освобождающаяся  при дыхании, испарении и обмене веществ всех живых организмов, фактически расходуется на ход :

       -процессов стабилизации состава атмосферы и водных масс,

       -биогеохимической миграции атомов,

       -биогеохимической переработки горных пород приповерхностной части Земной коры,

       -почвообразовательных процессов,

       -формирования термовлажностного режима приземного слоя тропосферы.

       Однако  энергия развития живого вещества, биогенная энергия, не есть нечто  постоянное. Любая биологическая  или биокосная система, находясь в состоянии "устойчивой неравновесности", т.е. подвижного динамического равновесия с окружающей ее средой, и эволюционно развиваясь, увеличивает свое воздействие на среду. Эти позиции закреплены в биогеохимических принципах В.И.Вернадского:

       Геохимическая биогенная энергия стремиться в  биосфере к максимальному проявлению (первый биогеохимический принцип) и

       При эволюции видов выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают  биогенную геохимическую энергию (второй биогеохимический принцип).

       Живое вещество находится в непрерывном  химическом обмене с космической  средой, его окружающей и поддерживается на нашей планете космической энергией Солнца (третий биогеохимический принцип)

       Сравнение масс оболочек Земли.

       Оболочки  Земли Масса, т Отношение к  массе живого вещества

       Живое вещество 2,4 . 1012 1

       Атмосфера 5,15 .1015 2 146

       Гидросфера 1,5 х 1018 602 500

       Земная  кора 2,8 х 1019 1 670 000

       Биосфера  не находится и никогда не находилась в состоянии равновесия. Она получает энергию Солнца и, в свою очередь, излучает определенное количество энергии  в космос. Эти энергии разного  свойства (качества). Получает Земля коротковолновое излучение - свет, который, трансформируясь, нагревает Землю. А в космос от Земли уходит длинноволновое тепловое излучение. И баланс этих энергий не соблюдается: Земля излучает в космос несколько меньше энергии, чем получает от Солнца. Эту разность - небольшие доли процента - и усваивает Земля, точнее, ее биосфера, которая все время накапливает энергию. Этого небольшого количества накапливаемой энергии оказывается достаточно для того, чтобы поддерживать все грандиозные процессы развития планеты. Этой энергии оказалось достаточно для того, чтобы однажды на поверхности нашей планеты вспыхнула жизнь и возникла биосфера, чтобы в процессе развития биосферы появился человек и возник Разум.

       Всего растительный покров земного шара ежегодно фиксирует 687 х 1018 кал. солнечной энергии, в том числе растительность континентов √ 426 х 1018 кал.(52,8млрд.т углерода в год), а растения океана √ 26 х 1018 кал.(24,8 млрд.т углерода в год).

       На  поверхность Земли поступает  за год 510 х 1018 ккал. солнечной энергии. Из этой энергии растениями связывается - только 0,13%. Растительность суши использует солнечную энергию 0,3%, а растения океана на 0,07%.

       Живые организмы и биосфера в целом  состоят из тех же химических элементов, которые встречаются в окружающей среде. Во всех живых организмах преобладают в основном 14 элементов, их называют биогенными: Н2 ;С ;02. Они составляют 99,9% веса живых организмов, образуют 99% веса всей земной коры нашей планеты и тем самым обеспечивают устойчивость жизни на Земле. Все остальные химические элементы находятся в рассеянном состоянии. Большую часть веса живых организмов дают 02 и С. Они составляют от 50 до 90% их сухого абсолютного веса. "Совокупность живых организмов √ писал В.И.Вернадский, образует лишь малую долю всей массы вещества биосферы, вес этого вещества представляет много триллионов метрических тонн (1012 ), вес биосферы несколько квинтиллионов тонн(1018).

       Человечество  производит по крайней мере в 2000 раз  больше отбросов органического происхождения, чем вся остальная биосфера. Отходами или отбросами условимся называть вещества, которые надолго исключаются из биогеохимических циклов биосферы, то есть из кругооборота веществ в Природе. Другими словами, человечество кардинальным образом меняет характер функционирования основных механизмов биосферы.

       Первичная продукция, доступная гетеротрофам (человеку) составляет максимум 4% от общей  лучистой энергии Солнца, в оптимальном  среднем - 0,5% и в общем для биосферы - 0,1%. Это чистая первичная продукция. Если же говорить об урожае полезных для человека растений (зерна пшеницы), то это не более трети чистой первичной продукции, т.е. 1% поступающей солнечной энергии (максимально -0,15% для биосферы - 0,03%. Это абсолютные лимиты естественной урожайности.) Более высокого урожая можно достигнуть вложив дополнительную энергию мин. удобрений, сельхозмашин, топлива и т.п. Но превысить природный максимум невозможно. Большее вложение энергии ведет к разрушению экосистем.

       Собирательство  давало от 0,4 до 20 кг/га сухого вещества в год; сельское хозяйство без минерального горючего - 50-200 кг/га сухого вещества в год; увеличение вложения энергии привело к 2 000- 20 000 кг/га сухого вещества. Теоретический предел при максимальном использовании энергии - 80 000 кг/га в год. 
 
 

         
 

       ЗАКЛЮЧЕНИЕ

       Согласно  Н.Ф. Реймерсу, жизнь — это «...особая форма физико-химического состояния  и движения материи, характеризуемая  зеркальной асимметрией аминокислот и сахаров, обменом веществ, гомеостазом, раздражимостью, самовоспроизведением, системным самоуправлением, саморазвитием, приспособляемостью к среде (адаптацией), обычно подвижностью, физической и функциональной дискретностью отдельных индивидов или их общественных конгломератов (пчелы, муравьи, термиты и др.), исключительным разнообразием форм при общем физико-химическом единстве живого вещества биосферы».

       Можно предполагать, что дальнейшее углубленное изучение развитых форм проявления разума, свойств разумной Материи с учетом последствий (позитивных и негативных) возрастающего ее воздействия на окружающую природную среду, которые неизбежно затронут и самого носителя разума — человека, может внести в указанное определение жизни существенные коррективы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      ЛИТЕРАТУРА

      1. Лебедева Н. В. Биологическое  разнообразие: учеб. пособие для  студентов высш. учеб. заведений/ Лебедева Н. В., Дроздов Н. Н.. М.: Владос, 2004. 432 с.

      2. http://revolution.allbest.ru/ecology/00036813_0.html

      3. http://ru.wikipedia.org/wiki/Живое_вещество