Организованность биосферы и ее усложнения с эволюцией жизни

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Владимирский государственный университет

имени А.Г и Н.Г Столетовых»

 

 

 

Реферат дисциплине экология

«Организованность биосферы и ее усложнения с эволюцией жизни».

 

 

 

Выполнил:

ст. гр. ЗС-111

Осипов Д.А

 

 

 

 

 

 

 

 

Владимир 2014г.

 

Введение.

1. Биосфера.

 

1. Сущность биосферы.

 

2. Строение биосферы.

 

 

2. Эволюция биосферы.

 

1. Устойчивость биосферы.

 

2. Эволюция биосферы.

 

3. Экологические проблемы биосферы.

 

Заключение.

 

Список литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Биосфера включает в себя:

-живое вещество, образованное совокупностью организмов;

- биогенное вещество, которое создается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, торф, известняки и др.);

-косное вещество, которое формируется без участия живых организмов;

- биокосное вещество, представляющее собой совместный результат жизнедеятельности организмов и небиологических процессов (например, почвы).

Косное вещество биосферы. Границы биосферы определяются факторами земной среды, которые делают невозможным существование живых организмов. Верхняя граница проходит примерно на высоте 20 км от поверхности планеты и ограничена слоем озона, который задерживает губительные для жизни коротковолновую часть ультрафиолетового излучения Солнца. Таким образом, живые организмы могут существовать в тропосфере и нижних слоях стратосферы. В гидросфере земной коры организмы проникают на всю глубину Мирового океана - до 10-11 км. В литосфере жизнь встречается на глубине 3,5-7,5 км, что обусловлено температурой земных недр и условием проникновения воды в жидком состоянии.

Атмосфера. Преобладающие элементы химического состава атмосферы: N2 (78%), O2 (21%), CO2 (0,03%). Состояние атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и биологические процессы на поверхности Земли и в водной среде. Для биологических процессов наибольшее значение имеют: кислород, используемый для дыхания и минерализации мертвого органического вещества, диоксид углерода, участвующий в фотосинтезе, и озон, экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения. Азот, диоксид углерода, пары воды образовались в значительной мере благодаря вулканической деятельности, а кислород - в результате фотосинтеза.

Гидросфера. Преобладающие элементы химического состава гидросферы: Na+, Mg2+, Ca2+, Cl-, S, С. Вода - важнейший компонент биосферы и один из необходимых факторов существования живых организмов. Основная ее часть (95%) находится в Мировом океане, который занимает около 70% поверхности земного шара и содержит 1300 млн. км3. Поверхностные воды (озера, реки) включают всего 0,182 млн. км3, а количество воды в живых организмах составляет всего 0,001 млн. км3. Значительные запасы воды (24 млн. км3) содержат ледники. Большое значение имеют газы, растворенные в воде: кислород и диоксид углерода. Их количество широко варьирует от температуры и присутствия живых организмов. Диоксида углерода, содержащегося в воде, в 60 раз больше, чем в атмосфере. Гидросфера формировалась в связи с развитием литосферы, которая в течение геологической истории Земли выделяла большое количество водяного пара.

Литосфера. Преобладающие элементы химического состава гидросферы: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K. Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, находится в почвенном слое, глубина которого не превышает нескольких метров. Почва включает минеральные вещества, образующиеся при разрушении горных пород, и органические вещества - продукты жизнедеятельности организмов.

Живые организмы (живое вещество). Хотя границы биосферы довольно узки, живые организмы в их пределах распределены очень неравномерно. На большой высоте и в глубинах гидросферы и литосферы организмы встречаются относительно редко. Жизнь сосредоточена главным образом на поверхности Земли, в почве и в приповерхностном слое океана. Общую массу живых организмов оценивают в 2,43х1012т. Биомасса организмов, обитающих на суше, на 99,2% представлена зелеными растениями и 0,8% - животными и микроорганизмами. Напротив, в океане на долю растений приходится 6,3%, а на долю животных и микроорганизмов - 93,7% всей биомассы. Жизнь сосредоточена главным образом на суше. Суммарная биомасса океана составляет всего 0,03х10 12 т, или 0,13% биомассы всех существ, обитающих на Земле.

В распределении живых организмов по видовому составу наблюдается важная закономерность. Из общего числа видов 21% приходится на растения, но их вклад в общую биомассу составляет 99%. Среди животных 96% видов - беспозвоночные и только 4% - позвоночные, из которых десятая часть - млекопитающие. Масса живого вещества составляет всего 0,01-0,02% от косного вещества биосферы, однако она играет ведущую роль в геохимических процессах. Вещества и энергию, необходимую для обмена веществ, организмы черпают из окружающей среды. Ограниченные количества живой материи воссоздаются, преобразуются и разлагаются. Ежегодно, благодаря жизнедеятельности растений и животных, воспроизводится около 10% биомассы.

 

 

 

 

 

 

 

1. Биосфера.

1.1 Сущность биосферы

Существует два основных определения понятия «биосфера», одно из которых и дало начало применению данного термина. Это понимание биосферы как совокупности всех живых организмов на Земле. В.И. Вернадский, изучавший взаимодействие живых и неживых систем, переосмыслил понятие биосферы. Он понимал биосферу как сферу единства живого и неживого.

Такое толкование определило взгляд В.И. Вернадского на проблему происхождения жизни. Из нескольких вариантов: жизнь возникла до образования Земли и была занесена на нее; жизнь зародилась после образования Земли; жизнь возникла вместе с формированием Земли — В.И. Вернадский придерживался последнего и считал, что нет убедительных научных данных, что живое когда-либо не существовало на нашей планете. Жизнь оставалась в течение геологического времени постоянной, менялась только ее форма. Иными словами, биосфера была на Земле всегда.

Живые организмы, включающие в себя все известные химические элементы, в процессе жизнедеятельности осуществляют превращение энергии. Основные выводы учения Вернадского о биосфере сводятся к следующему:

1) принцип целостности  утверждает, что биосфера, жизнь  существуют как единое целое. Жизнь является необходимой и  закономерной частью стройного  космического механизма;

2) принцип гармонии биосферы  заключается в ее организованности, стройности, неразрывной связи в  ней живых и неживых компонентов;

3) принцип значительности  роли живого в эволюции Земли  утверждает, что на земной поверхности  нет химической силы, более постоянно  действующей и более могущественной  по своим конечным последствиям, чем организмы, взятые в целом. Облик Земли как небесного  тела фактически сформирован  жизнью;

4) основная роль биосферы  состоит в трансформации солнечной  энергии в действенную энергию  Земли. Космическая энергия вызывает  развитие жизни, которое достигается  размножением;

5) правило инерции заключается  в распространении жизни по  земной поверхности из-за проявления  ее геохимической энергии. Мелкие  организмы размножаются гораздо  быстрее, чем крупные;

6) закон бережливости  в использовании живым веществом  простых химических тел утверждает, что раз вошедший в организм  элемент проходит длинный ряд  состояний и при этом организм  вводит в себя только необходимое  количество элементов;

7) пределы жизни определяются  физико-химическими свойствами соединений, строящих организм, их неразрушимостью  в определенных условиях среды. Максимальное поле жизни определяется  крайними пределами выживания  организмов. Верхний предел жизни  обуславливается лучистой энергией, присутствие которой исключает  жизнь и от которой предохраняет  озоновый щит. Нижний предел связан  с достижением высокой температуры. Например, интервал температуры  жизни в 433° (от -252°С до +180°С) является  предельным тепловым полем;

8) жизнь постепенно, медленно  приспосабливаясь, захватила биосферу, и захват этот не закончился. Поле устойчивости жизни есть  результат приспособленности в  ходе времени.

По В. И. Вернадскому, вещество биосферы разнородно по своему физико-химическому составу, а именно: 1) живое вещество — совокупность живых организмов; 2) биогенное вещество — непрерывный биогенный поток атомов из живого вещества в косвенное вещество биосферы и обратно; 3) косное вещество (атмосфера, газы, горные породы и пр.); 4) биокосное вещество, например, почвы, илы, поверхностные воды, сама биосфера, т. е. сложные закономерные косно-живые структуры; 5) радиоактивное вещество; 6) рассеянные атомы; 7) вещество космического происхождения.

 

1.2 Строение биосферы

Современная наука считает, что примерно 1 млрд. лет назад произошло разделений живых существ на два царства — растений и животных. Различия между ними можно разделить на три группы: 1) по структуре клеток и их способности к росту; 2) по способу питания; 3) по способности к движению.

У животных клеток есть центриоли, но нет хлорофилла и клеточной стенки, мешающей изменению формы. Большинство растений необходимые для жизни вещества получают в результате поглощения минеральных соединений. Животные питаются готовыми органическими соединениями, которые создают растения в процессе фотосинтеза.

Классификация растений и животных построена в соответствии с их отличительными признаками. Основной структурной единицей был признан вид, а более высокие уровни составили последовательно род, отряд, класс.

Итак, численность видов по отделам (у дробянок, растений и грибов) и типам (у животных) распределяется следующим образом:

-Царство дробянки: Бактерии  — 3000; Сине-зеленые водоросли, или  цианобактерии — 2000.

-Царство растения: Явгленовые  водоросли — 900—1000; Динофитовые  водоросли — 300; Криптовитовые водоросли  — 100; Золотистые водоросли — 400; Диатомовые водоросли — 20000; Желто-зеленые  водоросли — 400; Красные водоросли  — 4000; Бурые водоросли — 1500; Зеленые  водоросли — 5700; Хоровые водоросли  — 200—300; Минастники — 26 000; Моховидные  — 25 000-35 000; Пауковидные — 970; Псилотовидные  — 12; Папоротниковидные — не более 10 000; Хвощевидные — 30—35; Голосеменные — 600; Покрытосеменные, или цветковые — 250 000.

-Царство грибы: Слецевики  — 400—500; Настоящие грибы — не  более 100 000.

-Царство животные: Простейшие  — 25 000—30 000; Губки — 5000; Кишечнополостные  — 9000; Плоские черви — 15 000; Круглые  черви, или нематоды — 500 000; Немертины  — 2000; Кольчатые черви — 9400—9500; Мшанки  — 4500; Плеченогие (иногда объединяемые  с мшанками в тип червеобразных)-200; Моллюски — 107 000; Членистоногие — 1 500 000; в том числе насекомые  — 1 000 000; Погонофоры — 100; Щетинкочелюстные  — 50; Иглокожие — 6000; Хордовые — 41 000-46 000.

На Земле существует 500 тыс. видов растений и 1,5 млн. видов животных, в том числе позвоночных — 70 тыс., птиц — 16 тыс., млекопитающих — 12 540 видов. Подобная систематизация различных форм жизни создала предпосылки для изучения живого вещества как целого, что впервые осуществил выдающийся русский ученый В. И. Вернадский в своем учении о биосфере.

 

 

 

 

 

 

 

2. Эволюция биосферы.

2.1.  Устойчивость  биосферы.

Какова устойчивость биосферы, то есть ее способность возвращаться в исходное состояние после любых возмущающих воздействий? Она очень велика. Биосфера существует уже около 3,8 миллиардов лет, Солнце и планеты – около 4,6 миллиарда, и за это время ее эволюция не прерывалась: это следует из того, что все живые организмы, от вирусов до человека, имеют один и тот же генетический код, записанный в молекуле ДНК, а их белки построены из 20 аминокислот, одинаковых у всех организмов. И как бы не были велики возмущающие воздействия, а некоторые из них можно отнести к разряду глобальных катастроф, приводивших к исчезновению многих видов, в биосфере всегда находились внутренние резервы для восстановления и развития.

Только за последние 570 миллионов лет отмечено шесть крупных катастроф. В результате одной из них число семейств морских животных уменьшилось более чем на 40%. Крупнейшая катастрофа на границе пермского и триасового периодов (240 миллионов лет назад) привела к вымиранию около 70% видов, а катастрофа на границе мелового и третичного периодов (67 миллионов лет назад) - вымиранию почти половины видов (тогда-то вымерли и динозавры).

Причины таких катаклизмов могли быть различны: похолодание климата, большие вулканические извержения с обширными излияниями лавы, отступления океана, удары крупных метеоритов – биота все равно развивалась, приспосабливаясь к окружающей среде и одновременно оказывая на последнюю мощное преобразующее влияние. Образование атмосферного кислорода и увеличение его концентрации, кстати, тоже оказалось катастрофичным для некоторых видов – они вымерли, в то же время развитие других ускорилось. Содержание углекислого газа в атмосфере соответственно уменьшилось. Углерод начал накапливаться в биоте и детрите (запас мертвого органического вещества: опад листьев, засохшие деревья, торф, каменный уголь, нефть) и преобразовываться в уголь, нефть и газ. В океанах из раковин и скелетов морских организмов образовались мощные морские отложения карбонатов (известняк, мел, мрамор) и силикатов. Полосчатые железняки, составляющие главные промышленные запасы железа, в том числе и запасы Курской магнитной аномалии, образовались около 2 миллиардов лет назад под воздействием кислорода, выделенного фотосинтезирующими бактериями (только после этого кислород стал накапливаться в атмосфере). Ряд организмов, накапливающих определенные элементы, участвовал в создании месторождений других полезных ископаемых.

Биота прошла огромный путь эволюции от простейших организмов до животных и растений и достигла видового разнообразия, которое исследователи оценивают 2-10 миллионами видов животных, растений и микроорганизмов, каждый из которых занял свою экологическую нишу.

Состояние биоты определяется в основном физико-химическими характеристиками окружающей среды. Совокупность среднемноголетних характеристик атмосферы, гидросферы и суши мы называем климатом. Основная климатическая характеристика – температура у поверхности Земли – изменялась за время эволюции биоты относительно мало (при современном значении средней глобальной температуры 288 0 К (шкала Кельвина отсчитывает градусы от абсолютного нуля, 288 0 = 15 0 ) изменения, с учетом ледниковых периодов, не превышали 10-20 0 .

Хотя на состояние экосистем и биосферы в целом физико-химические процессы в окружающей среде оказывают определенное влияние, сильно и обратное влияние биоты на окружающую среду. Причем воздействует она как на положительные, так и на отрицательные обратные связи, поэтому ее развитие иногда ускоряется, а иногда замедляется.

 

Но этот цикл не замкнут, не стационарен, как показали геологические данные и теоретические модели, содержащие в атмосфере СО2 (и связанное с ним содержание О2) за последние 570 миллионов лет неоднократно колебалось, причем количество СО2 каждый раз уменьшалось или увеличивалось в несколько раз. В одних случаях это способствовало развитию биоты, а в других – мешало.

Не является замкнутым и медленный геохимический цикл: СО2 поступает в атмосферу через вулканы, а расходуется на выветривание горных пород и на образование биоты. Часть атмосферного углерода откладывается, сохраняется надолго, создавая запасы ископаемого топлива, а освободившийся кислород поступает в атмосферу. В результате за 4 миллиарда лет концентрация СО2 в атмосфере уменьшилась в 100 – 1000 раз (из-за ослабления вулканизма, в результате расхода радиоактивных элементов в недрах Земли), что отрицательно повлияло на питание растений. В то же время накопление кислорода в атмосфере резко ускорило развитие биоты, но не было на пользу самым анаэробным (без кислородным) организмам, в результате жизнедеятельности которых появился кислород. Они были почти полностью вытеснены вновь возникшими аэробными организмами.

Большое влияние биоты на окружающую среду привело некоторых исследователей к выводу, что биота могла поддерживать в окружающей среде условия, благоприятные для ее жизнедеятельности. Но эта гипотеза противоречит ряду факторов (массовые вымирания, исчезновение миллиардов видов), а так же дарвиновской теории эволюции. Биота не поддерживала условия окружающей среды, оптимальные для живущих организмов, поэтому многие организмы и виды не могли пережить изменения географических и климатических условий. Есть оценки, что за время существования биосферы исчезло несколько миллиардов видов, тогда как сейчас существуют несколько миллионов. Но зато организмы, которые сумели пережить изменение условий, давали начало новым видам. Именно приспособление к изменяющимся условиям окружающей среды создало многочисленные и приспособленные виды, то есть двигало эволюцию, как это впервые показал Дарвин. Если бы было верным допущение о том, что существующая в определенный момент биота может поддерживать параметры окружающей среды в оптимальных для себя пределах, то сейчас могли бы существовать климат и богатейшая растительность каменноугольного периода, но эволюция биоты прекратилась бы.

Имеются данные о том, что становлению человека как вида способствовали тяжелые условия окружающей среды, в которых жили наши предки. Когда он научился поддерживать благоприятные условия своего существования, его эволюция как биологического вида прекратилась, сменившись эволюцией общества.

2.2 Эволюция биосферы

Эволюцию биосферы изучает раздел экологии, который называется эволюционной экологией. Следует отличать эволюционную экологию от экодинамики. Последняя имеет дело с короткими интервалами развития биосферы и экосистем, в то время как первая рассматривает развитие биосферы на более длительном отрезке времени. Так, изучение биогеохимических круговоротов и сукцессии — задача экодинамики, а принципиальные изменения в механизмах круговорота веществ и в ходе сукцессии — задача эволюционной экологии.

Одно из важнейших направлений в изучении эволюции — изучение развития форм жизни. Здесь можно отметить несколько этапов.

1. Клетки без ядра, но  имеющие нити ДНК. Возраст таких  самых древних организмов более 3 млрд. лет. Их свойства: подвижность; питание и способность запасать  пищу и энергию; защита от нежелательных  воздействий; размножение; раздражимость; приспособление к изменяющимся внешним условиям; способность к росту.

2. На следующем этапе (приблизительно 2 млрд. лет тому назад) в клетке  появляется ядро. Одноклеточные  организмы с ядром называются  простейшими. Их 25- 30 тыс. видов. Самые  простые их них - амебы. Инфузории  имеют еще и реснички. Ядро  простейших окружено двухмембранной  оболочкой с порами и содержит  хромосомы и нуклеоли. Ископаемые  простейшие — радиолярии и  фораминиферы - основные части осадочных  горных пород. Многие простейшие  обладают сложным двигательным  аппаратом.

3. Примерно 1 млрд. лет тому  назад появились многоклеточные  организмы. В результате растительной  деятельности — фотосинтеза —  из углекислоты и воды при  использовании солнечной энергии, улавливаемой хлорофиллом, Создавалось  органическое вещество. Возникновение  и распространение растительности  привело к коренному изменению  состава атмосферы, первоначально  имевшей очень мало свободного  кислорода. Растения, ассимилирующие  углерод из углекислого газа, создали атмосферу, содержащую свободный  кислород — не только активный  химический агент, но и источник  озона, преградившего путь коротким  ультрафиолетовым лучам к поверхности  Земли.

Л. Пастером выделены следующие две важные точки в эволюции биосферы: 1. момент, когда уровень содержания кислорода в атмосфере Земли достиг примерно 1% от современного - С этого времени стала возможной аэробная жизнь. Геохронологически это архей. Предполагается, что накопление кислорода шло скачкообразно и заняло не более 20 тыс. лет; 2. достижение содержания кислорода в атмосфере около 10% от современного. Это привело к возникновению предпосылок формирования озоносферы. В результате жизнь стала возможной на мелководье, а затем и на суше.

Палеонтология, которая занимается изучением ископаемых остатков, подтверждает факт возрастания сложности организмов. В самых древних породах встречаются организмы немногих типов, имеющих простое строение. Постепенно разнообразие и сложность растут. Многие виды, появляющиеся на каком-либо стратиграфическом уровне, затем исчезают. Это истолковывают как возникновение и вымирание видов.

Веками накапливавшиеся остатки растений образовали в земной коре грандиозные энергетические запасы органических соединений (уголь, торф), а развитие жизни в Мировом океане привело к созданию осадочных горных пород, состоящих из скелетов и других остатков морских организмов.

 

2.3.  Экологические  проблемы биосферы.

Экологические проблемы биосферы - это парниковый эффект, истощение озонового слоя, массовое сведение лесов, которое нарушает процесс круговорота кислорода и углерода в биосфере, отходы производства, сельского хозяйства, производство энергии (ГЭС наносят урон природе и людям - затопление огромных территорий под водохранилища, непреодолимые препятствия на путях миграций проходных и полупроходных рыб, поднимающихся на нерест в верховья рек, застой вод, замедление проточности, что сказывается на жизни всех живых существ, обитающих в реке и у реки; местное повышение воды влияет на грунт водохранилища, приводит к подтоплению, заболачиванию, эрозии берегов и оползням; существует опасность от плотин в районах с высокой сейсмичностью). Все это ведет к глобальному экологическому кризису и требует незамедлительного перехода к рациональному природопользованию.

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Таким образом, мы видим, что налицо все те конкретные признаки, все или почти все условия, которые указывал В.И.Вернадский для того, чтобы отличить ноосферу от существовавших ранее состояний биосферы. Процесс её образования постепенный, и, вероятно, никогда нельзя будет точно указать год или даже десятилетие, с которого переход биосферы в ноосферу можно будет считать завершённым. Конечно, мнения по этому вопросу могут быть разные. Ф.Т.Яншина пишет: "Учение академика В.И.Вернадского о переходе биосферы в ноосферу является не утопией, а действительной стратегией выживания и достижения разумного будущего для всего человечества". Мнение Р.К.Баландина несколько иное: "Биосфера не переходит на более высокий уровень сложности, совершенства, а упрощается, загрязняется, деградирует (небывалая скорость вымирания видов, разрушение лесных зон, страшная эрозия земель...). Она переходит на более низкий уровень, т.е. в ней наиболее активной преобразующей и регулирующей силой становится техновещество, совокупность технических систем, посредством которых человек - преимущественно невольно - переиначивает всю область жизни". Сам Вернадский, замечая нежелательные, разрушительные последствия хозяйствования человека на Земле, считал их некоторыми издержками. Он верил в человеческий разум, гуманизм научной деятельности, торжество добра и красоты. Что-то он гениально предвидел, в чём-то, возможно, он ошибался. Ноосферу следует принимать как символ веры, как идеал разумного человеческого вмешательства в биосферные процессы под влиянием научных достижений. Надо в неё верить, надеяться на её пришествие, предпринимать соответствующие меры.

 

 

Список использованной литературы.

 

1. Вернадский В.И. Биосфера. Избранные сочинения. М.: Наука, 1990.
2. Вернадский В.И. Живое вещество. М., 1978.
3. Вернадский В.И. Размышления натуралиста: В 2 кн. Кн. 2. Научная мысль как планетарное явление. М., 1999.
4. Моисеев Н.Н. Вернадский и современность // Вопросы философии. – 1994. – №4.
5. Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. – М.: Высшее образование., 2005. – 335 с.
6. Голубец М.А. Актуальные вопросы экологии. – К., 1982.
7. Канке В.А. Концепции современного естествознания: Учебник. – М.: Логос, 2001. – 368 с.
8. Общая биология. Справочные материалы, Составитель В.В.Захаров, М., Издательский дом «Дрофа», 1995.
9. Криксунов Е.А., Пасечник В.В., Сидорин А.П., Экология, М., Издательский дом "Дрофа", 1995;
10. Интернет источники.