Биосфера и её свойства

Биосфера и её свойства 

Содержание

Введение

Биосфера играет ключевую роль в существовании жизни на Земле. Животные и растения, грибы и бактерии существуют не сами по себе, независимо друг от друга, а в тесном взаимодействии - влияют на проявления жизнедеятельности одних и сами зависят от других организмов. Благодаря этому взаимодействию, образуется уникальная среда –  экосистема, в которой происходит круговорот вещества, обеспечивающий поддержание баланса биоценозов.

С момента своего появления, около 3,5 млрд. лет назад, живые организмы  стали оказывать значительное влияние  на эволюцию земной коры и атмосферы.

В буквальном переводе термин «биосфера» обозначает сферу жизни  и в таком смысле он впервые  был введен в науку в 1875 г. австрийским  геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831-1914). Однако задолго до этого  под другими названиями, в частности  «пространство жизни», «картина природы», «живая оболочка Земли» и т.п., его  содержание рассматривалось многими  другими естествоиспытателями.

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.

Целостное учение о биосфере  принадлежит выдающемуся русскому ученому, академику В.И. Вернадскому. Он разработал учение о биосфере, как  оболочке Земли, населенной живыми организмами. В.И. Вернадский выявил геологическую  роль живых организмов и показал, что их деятельность представляет собой  важнейший фактор преобразования минеральных  оболочек планеты.

Таким образом, биосфера  — оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности.

Цель реферата – биосфера и её свойства.

Для достижения поставленной цели необходимо выполнить ряд задач:

• рассмотреть историю изучения биосферы
• рассмотреть протяженность биосферы
• рассмотреть состав и свойства биосферы
• рассмотреть круговорот веществ
• рассмотреть эволюцию биосферы.

1. История изучения биосферы

«Биосфера» как понятие, отражающее область распространения  живых организмов, впервые ввел в  своих работах французский натуралист Ж.-Б. Ламарк (1802) [2]. 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. Однако в то время быстрое расслоение наук о природе привело к тому, что термин не прижился. Только спустя более 70 лет, в 1875 австрийский геолог Э.Зюсс вновь упомянул этот термин. Первоначально под «биосферой» 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 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».

А третье и окончательное  возрождение понятия стало возможным  благодаря советскому геологу В.И.Вернадскому, создавшему в 20-х годах XX века современное учение о биосфере (1926).

Согласно воззрениям Вернадского  весь облик Земли, все ее ландшафты, атмосфера, химический состав вод, толща  осадочных пород обязаны своим  происхождением живому веществу [10]. Жизнь  – это связующее звено между  Космосом и Землей, которое используя  энергию, приходящую из космоса, трансформирует косное вещество, создает новые формы  материального мира. Так, живые организмы  создали почву, наполнили атмосферу кислородом, оставили после себя километровые толщи осадочных пород и топливные богатства недр, многократно пропустили через себя весь объем Мирового океана. Вернадский не занимался проблемой возникновения жизни, он понимал ее как естественный этап самоорганизации материи в любой части космоса, приводящий к возникновению все новых форм ее существования.

2. Биосфера – живая оболочка планеты

Биосфера в современном  понимании – это оболочка Земли, содержащая живое вещество и ту часть  абиотической среды, в непрерывном  обмене с которым находится биовещество. Под живым веществом здесь  подразумевается совокупность всех организмов, населяющих Землю.

1. Протяженность биосферы

На земле существует три  геосферы, в пределах которой существует жизнь. Границы биосферы в пределах геосфер определяются наличием условий, необходимых для жизни различных организмов.

Атмосфера – воздушная  оболочка Земли, состоящая в основном из азота и кислорода. В небольших количествам в ней содержатся аргон и углекислый газ. Вещество в атмосфере распределено неравномерно, что обуславливается уменьшением плотности воздуха с удалением от поверхности. Обычно атмосферу делят на три крупных совокупности слоев: тропосферу (от поверхности до высоты 8-10 км), стратосферу (8-10 км до озонового слоя) и ионосферу (выше озонового слоя).

В биосферу входят лишь самые нижние слои атмосферы. Жизнь в них не может существовать без непосредственной связи с литосферой и гидросферой. Крупные древесные растения достигают  нескольких десятков метров в высоту, располагая вверх свои кроны. На сотни  метров поднимаются летающие животные — насекомые, птицы, летучие мыши. Некоторые виды хищных птиц поднимаются  на 3–5 км над поверхностью Земли, высматривая  свою добычу. Наконец, восходящими воздушными потоками пассивно заносятся на десятки  километров вверх бактерии, споры  растений, грибов, семена. Однако все  перечисленные летающие организмы  или занесенные бактерии лишь временно находятся в атмосфере. Нет организмов, постоянно живущих в воздухе.

Верхней границей биосферы принято  считать озоновый слой, располагающийся  на высоте от 30 до 50 км над поверхностью Земли. Он защищает все живое на нашей планете от мощного ультрафиолетового солнечного излучения, в значительной мере поглощая эти лучи. Выше озонового слоя существование жизни невозможно.

Гидросфера представляет собой совокупность вод океанов, морей, озер, рек, подземных, ледяных  покровов планеты. Вода - важный компонент биосферы и один из необходимых факторов существования живых организмов. Основная ее часть (95%) заключена в Мировом океане, который занимает примерно 70% поверхности Земного шара. Средняя глубина океана составляет 3,8 км, максимальная 11 км (Марианская впадина). Область биосферы в гидросфере представлена во всей её толще, однако наибольшая плотность живого вещества приходится на поверхностные прогреваемые и освещаемые лучами солнца слои, а также прибрежные зоны.

Литосфера – внешняя твердая оболочка Земли. Ее толщина колеблется в пределах 50–200 км.  Живое вещество в литосфере  в основном сосредоточено в её верхних нескольких десятков метров. Однако неактивные формы жизни (споры, цисты) и нефтебактерии зарегистрированы на глубине 3 – 4 км. Распространение жизни в более глубокие области литосферы ограниченно высокими температурами земных недр (свыше 100°С). Наибольшая же плотность живого вещества литосферы отмечается в поверхностном слое земной коры – в почве. Почвы представлены минеральными веществами, образующимися при разрушении горных пород, и органическими веществами – продуктами жизнедеятельности организмов.

2. Состав и свойства биосферы

Биосфера, являясь глобальной экосистемой (экосферой), как и любая  экосистема, состоит из абиотической и биотической части.

К абиотическим (неживым, косным) компонентам относится вещество, в создании которого не принимало участие живое вещество: земная кора (кроме самого верхнего слоя – почвы, а также продуктов фоссилизации, т.е. захоронения органического вещества), минералы и вещества, поступающие в биосферу из-за её пределов (космоса, глубин планеты). Достаточно сложно выделить абсолютно «чистое» косное вещество, так как воздействие живых организмов в биосфере испытывают все неживые вещества. Поэтому, косное вещество, образовавшееся и перерабатываемое живыми организмами, называется биокосным (например: почва, ил). 

Биогенное вещество – это  вещество, создаваемое и перерабатываемое живым веществом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, всю атмосферу, весь объём  мирового океана, огромную массу минеральных  веществ (например, так образовались уголь, нефть, минеральные породы, кислород).

Абиотическая часть представлена:

• Почвой и подстилающими ее породами до глубины, где еще есть живые организмы, вступающие в обмен с веществом этих пород и физической средой порового пространства.
• Атмосферным воздухом до высот, на которых возможны еще проявления жизни.
• Водной средой - океаны, реки, озера и т.п.

Биотическая часть состоит  из живых организмов. Живое вещество, или биомасса – совокупность всех живых организмов на Земле, способных к воспроизводству, распространению по планете, борьбе за пищу, воду, территорию и т.д. Живое вещество связано с косным веществом – атмосферой (до уровня озонового экрана), полностью с гидросферой и литосферой, главным образом в границах почвы, но не только.

Живое вещество биосферы неоднородно  и обладает тремя типами трофических  взаимодействий: автотрофностью, гетеротрофностью, миксотрофностью.

Трофические экологические  взаимодействия способствуют преобразованию неорганического (косного) вещества в  органическое и обратной перестройке  органических веществ в минеральные.

Живое вещество характеризуется  определенными свойствами: это огромная свободная энергия; химические реакции, протекающие в тысячи и даже миллионы раз быстрее, чем в других веществах  планеты; специфические химические соединения – белки, ферменты и другие соединения, устойчивые в составе живого; возможность произвольного движения – рост или активное перемещение; стремление заполнить все окружающее пространство; разнообразие форм, размеров, химических вариантов и т.п., значительно превышающее многие контрасты в неживом, косном веществе.  

Количество живого вещества биосферы в пределах отдельно рассматриваемого геологического периода является постоянным. Согласно закону биогенной миграции атомов, живое вещество оказывается энергетическим и химическим посредником между Солнцем и поверхностью Земли.

Биосфере, как и составляющим ее другим экосистемам более низкого  ранга, присуща система свойств, которые обеспечивают ее функционирование, саморегулирование, устойчивость и  другие параметры. Рассмотрим основные из них.

1. Биосфера - централизованная система. Центральным звеном ее выступают живые организмы (живое вещество).

2. Биосфера - открытая система.  Ее существование немыслимо без  поступления энергии из вне. Она испытывает воздействие космических сил, прежде всего солнечной активности.

3. Биосфера - саморегулирующаяся система,  для которой, как отмечал Вернадский, характерна организованность. В  настоящее время это свойство  называется гомеостазом, понимая  под ним способность возвращаться  в исходное состояние, гасить  возникающие возмущения включением  ряда механизмов.

4. Биосфера - система, характеризующаяся  большим разнообразием.

Разнообразие - важнейшее  свойство всех экосистем. Биосфера как  глобальная экосистема, характеризующаяся  максимальным среди других систем разнообразием. Это разные среды жизни, входящие в состав биосферы (водная, почвенная, наземно-воздушная и т.д.), разнообразие природных зон, наличие различных геохимических областей и самое главное – большое число элементарных экосистем со свойственным им видовым разнообразием.

5. Важнейшее свойство  биосферы - наличие в ней механизмов, обеспечивающих круговорот вещества  и связанного с ним неисчерпаемость  отдельных химических элементов  и их соединений. Только благодаря  круговоротам и наличию неисчерпаемого  источника солнечной энергии  обеспечивается  непрерывность процессов  в биосфере и её потенциальное  бессмертие.

3. Круговорот веществ – главная функция биосферы

Деятельность живых организмов служит основой круговорота веществ  в природе. Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота  химических элементов, который выражается в циркуляции веществ между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами.

Круговорот воды. Вода испаряется и воздушными течениями переносится на большие расстояния. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делает их доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с растворенными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими частицами в моря и океаны. Циркуляция воды между океаном и сушей представляет собой важнейшее звено в поддержании жизни на Земле. Благодаря этому процессу происходит постепенное разрушение литосферы, компоненты которой переносятся в моря и океаны.

Круговорот углерода. Углерод входит в состав разнообразных органических веществ, из которых состоит все живое. В процессе фотосинтеза зеленые растения используют углерод диоксида углерода и водород воды для синтеза органических соединений, а освободившийся кислород поступает в атмосферу. Им дышат различные животные и растения, а конечный продукт дыхания - СО₂ - выделяется в атмосферу.

Круговорот азота. Атмосферный азот включается в круговорот благодаря деятельности азотфиксирующих бактерий и водорослей, синтезирующих нитраты, пригодные для использования растениями. Часть азота фиксируется в результате образования оксидов во время электрических разрядов в атмосфере. Соединения азота из почвы поступают в растения и используются для построения белков. После отмирания живых организмов гнилостные бактерии разлагают органические остатки до аммиака. Хемосинтезирующие бактерии превращают аммиак в азотистую, затем в азотную кислоту. Некоторое количество азота, благодаря деятельности денитрифицирующих бактерий, поступает в воздух. Часть азота оседает в глубоководных отложениях и на длительный срок выключается из круговорота; эта потеря компенсируется поступлением азота в воздух с вулканическими газами.

Круговорот серы. Сера входит в состав ряда аминокислот и также представляет собой жизненно важный элемент. Находящиеся глубоко в почве и в морских осадочных породах соединения серы с металлами - сульфиды - переводятся микроорганизмами в доступную форму - сульфаты, которые и поглощаются растениями. С помощью бактерий осуществляются отдельные реакции окисления - восстановления. Глубоко залегающие сульфаты восстанавливаются до H₂S, который поднимается вверх и окисляется аэробными бактериями до сульфатов.

Круговорот фосфора. Фосфор сосредоточен в отложениях, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. Постепенно он вымывается из них и попадает в экосистемы. Растения используют только часть этого фосфора; много его уносится реками в моря и снова отлагается в осадках. Хотя запасы фосфорсодержащих пород велики, придется предпринимать меры для возвращения фосфора в круговорот веществ.

3. Эволюция биосферы

Биосфера не является статичным, неизменным объектом; с течением времени она  эволюционирует. Важным фактором этой эволюции являются сами живые организмы. С момента своего возникновения  они расширяли границы биосферы, изменяли её состав. В результате их деятельности за миллиарды лет появились  горные породы и полезные ископаемые органического происхождения, полностью  преобразована атмосфера Земли (в  то числе образован озоновый экран, защищающий всё живое на Земле  от губительных ультрафиолетовых лучей), постоянно менялся рельеф местности.

 Значительные изменения биосфера  претерпела с момента появления  человека. Бурное развитие промышленности, науки и техники за несколько  столетий – геологически ничтожный  отрезок времени – способствовало  значительному ускорению миграции  атомов. Человек создал тысячи  новых пород и сортов, истребил  многие виды диких животных  и растений, извлёк из земной  коры миллиарды тонн полезных  ископаемых; в результате его  деятельности образовались новые  озёра – водохранилища – и  искусственные реки – каналы, на огромных площадях природные  экосистемы сменились искусственными. Деятельность человечества, ничтожного  по своей биомассе, оказывает  влияние на состав земных океанов  и атмосферы. Сейчас уже можно  сказать, что человек, овладев  громадной энергией, сам является  мощнейшим фактором эволюции  биосферы. Владимир Вернадский предполагал,  что человечество должно создать  новую оболочку Земли – ноосферу (греч. noos - «разум»), рассматриваемую в качестве некого мыслящего пласта над биосферой.

Человечество не всегда разумно  использовало находящиеся в его  распоряжении ресурсы. Не зная многих закономерностей природы, человек  часто не представляет последствий  своей «победы» над природой. Некоторые  государства древнего мира исчезли  с лица земли в результате хищнического отношения к природе: истощения  почв и вырубки лесов. Вырубка  лесов вызывает иссушение и эрозию почвы, приводит к увеличению количества наводнений и селевых потоков в горах, сказываются на местном и глобальном климате.

Деятельность человека приводит к  сокращению запасов чистой воды. Промышленные предприятия сбрасывают сточные  воды зачастую без должной очистки, загрязняя окружающие водоёмы токсичными химическими соединениями. Гидроэлектростанции  и плотины мешают нормальной миграции речных рыб. Двигатели внутреннего  сгорания в автотранспорте, заводы, тепловые электростанции выделяют в  атмосферу вредные вещества. Появление  новых городов и накопление промышленных отвалов уменьшает площадь лесов  и лугов, поддерживающих концентрацию кислорода в атмосфере на необходимом  для жизни уровне. Безответственное использование атомной энергии  приводит к загрязнению окружающей среды радиоактивными веществами, вызывающими  раковые заболевания.

Увеличение численности населения  земного шара (в настоящее время  на Земле проживает уже более  шести миллиардов человек) может  в ближайшее время привести к  обострению продовольственной проблемы. В докладах Римского клуба – международной  организации, занимающейся исследованием  глобальных проблем, затрагивающих  сами основы существования человека, – прогнозируется кризис энергетических и пищевых ресурсов уже в середине XXI века. Одна из задач биологии –  обеспечить человечество питанием. В  настоящее время для этого  проводятся разнообразные исследования по увеличению продуктивности существующих агроценозов, выведению новых пород  животных и сортов растений, использованию  морских плантаций в сельском хозяйстве, применению последних достижений генной инженерии и микробиологии.

Полёты человека в космос привели  к созданию новой отрасли биологии – космической биологии. Помимо исследования возможной жизни на других планетах и в открытом космосе перед этой наукой ставится много проблем прикладного характера: обеспечение человека условиями, необходимыми для жизни в космосе, защита от радиации, проблема приспособления человеческого организма к невесомости и малой подвижности. Многие из этих проблем уже решены.

В настоящее время во всём мире возникла необходимость наладить разумное использование природных ресурсов. Нужна охрана атмосферы, водных ресурсов, почвы, живой природы. Во многих государствах уже приняты законы об охране природы; промышленные, строительные и сельскохозяйственные учреждения обязаны учитывать баланс природных ресурсов и возможные  последствия нарушения равновесия природных явлений. Созданы так  называемые «красные книги» – списки редких и исчезающих видов животных и растений. Во всём мире появилось  большое количество экологических  организаций, занимающихся охраной  окружающей среды; наиболее известной  среди них является «Greenpeace» («Гринпис»).

 Важную роль в охране природы  играют заповедники – территории (акватории), на которых в первозданном, естественном состоянии сохраняется весь их природный комплекс. На территории заповедников запрещена хозяйственная деятельность, доступ посторонних людей. В природных национальных парках, в отличие от заповедников, регулярно проводятся туристические экскурсии. Заповедники и национальные парки создаются, как правило, в местах с уникальными экологическими системами. В настоящее время в одной России больше 100 заповедников и национальных парков. Наиболее известные из них – Баргузинский, Ильменский, Астраханский, Лосиный остров, Кедровая Падь. Широко известны также Аскания-Нова на Украине, Беловежская Пуща в Беларуси. Количество национальных парков в мире превысило 1200; среди них Йеллоустонский, Гранд-Каньон, Маунт-Мак-Кинли (США), Олимп, Парнас (Греция), Комодо (Индонезия), Маунт-Кения (Кения), Серенгети, Килиманджаро (Танзания), Виктория-Фолс (Зимбабве), Крюгер (ЮАР), Тонгариро (Новая Зеландия) и многие другие.

Серьёзной проблемой являются глобальные климатические изменения в биосфере. Некоторые химические вещества (например, фреон), выбрасываемые в атмосферу, приводят к разрушению озонового  слоя. В настоящее время над  Антарктидой и некоторыми арктическими регионами постоянно существуют зоны, в которых озоновый слой либо значительно тоньше нормы, либо отсутствует  вообще.

 Какая-то доля солнечной радиации  достигает поверхности Земли;  часть её переизлучается обратно  в атмосферу уже в виде более  длинноволнового инфракрасного  излучения. Природный парниковый эффект обеспечивает поддержание температуры Земли примерно на 33° выше той, которая бы наблюдалась при его отсутствии. Выброс в атмосферу углекислоты и других газов, а также твёрдых частиц вызывает техногенный парниковый эффект, в результате чего повышается среднегодовая температура воздуха. Повышение температуры даже на несколько градусов может привести к таянию полярных льдов и затоплению океанических побережий, в том числе густонаселённых регионов Западной и Восточной Европы, Индостана, Южной Америки. Впрочем, 7 миллиардов тонн CO₂ в год, выбрасываемых в воздух при сжигании топлива, – небольшая величина по сравнению с 200 миллиардами тонн диоксида углерода, образующегося естественным путём в процессах дыхания и гниения, а повышение средней температуры на 0,5 °C за последние сто лет можно объяснить и другими причинами (например, изменяющейся солнечной активностью). Тем не менее, глобальные климатические изменения, вызванные деятельностью человека, – это проблема, к исследованию которой необходимо подходить со всей ответственностью.

Заключение

Таким образом, изучив соответствующую  литературу по теме, можно прийти к  следующему выводу. Под биосферой  понимается тонкая оболочка Земли, в  которой все процессы протекают  под прямым воздействием живых организмов.

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.             

Изучение биосферы становится все более важной и актуальной задачей. Это вызвано непрерывно возрастающим и усложняющимся воздействием человека на окружающую среду. Уже сейчас мы должны уметь ясно предвидеть все возможные последствия нашего влияния на природу. Возможность и правильность такого прогноза зависят от глубины наших познаний о строении и функционировании биосферы в целом и ее различных участков и компонентов. Особенно важно иметь представление о роли живых организмов – основной движущей силы в биосфере.

Судьба биосферы – проблема, касающаяся не только всех без исключения ученых, независимо от их специальности, но практически каждого из нас. Потому что биосфера – дом человека, и человек сохранится в том случае, если сохранит биосферу.

Список использованной литературы

1. Чернова М.Н., Былова А.М. Общая экология. – М.: Дрофа, 2004. - 416с.
2. Воронков Н.А. Общая экология, социальная. прикладная: Учебник для студентов высших учебных заведений. Пособие для учителей. – М.: Агар, 1999. – 424 с.
3. Экология: Учеб. для вузов / Н.И. Николайкин, Н.Е. Николайкина, О.П. Мелехова. – 3-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2004. – 624 с: ил.
4. Реймерс Н.Ф. – Азбука природы (микроэнциклопедия биосферы). – М.: Знание, 1980. – 208 с.
5. Коробкин В.И., Передельский Л.В. – Экология: учебник для вузов. Ростов-на-Дону: Феникс, 2007. – 602 с.
6. Казначеев В.П. Учение Вернадского о биосфере и ноосфере. Новосибирск: Наука, 1989. – 248 с.
7. Бузаева М.В., Кобзарь И.Г., Козлова В.В. Словарь экологических терминов. Ульяновск: УлГТУ, 2005. – 264 с.
8. Полищук Ю.М. Общая экология, учебное пособие. – Ханты-Мансийск: РИЦ ЮГУ, 2004. – 206 с.