Основные свойства биосферы

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Основные свойства биосферы

биосфера солнечный экосистема шателье

Биосфере, как и составляющим ее другим экосистемам, присуща система свойств, которые обеспечивают ее функционирование, саморегулирование, устойчивость и другие параметры.

1. Биосфера - централизованная система. Центральным звеном выступают живые организмы. Это свойство всесторонне раскрыто В. И. Вернадским. В настоящее время в центр биосферы все чаще ставится только один вид - человек (антропоцентризм).

2. Биосфера - открытая система. Ее существование невозможно без поступления энергии извне. Биосфера испытывает воздействие космических сил и прежде всего солнечной активности. Все больше накапливается данных, свидетельствующих, о том, что в результате изменения солнечной активности возможно резкое увеличение численности отдельных видов или популяций. Высказываются мнения, что солнечная активность оказывает воздействие на многие геологические процессы (катаклизмы, катастрофы), а также на социальную активность человеческого общества или отдельных его этносов.

Первые представления о влиянии солнечной активности на живые организмы (гелиобиология) разработаны А. Л. Чижевским (1897-1964).

3. Биосфера - саморегулирующаяся система. Для нее характерна организованность и она способна возвращаться в исходное состояние благодаря гомеостатическим механизмам, которые связаны, в основном, с живым веществом, его свойствами и функциями. К механизмам саморегуляции относят: круговорот веществ и энергии, видовое разнообразие, эволюцию видов, стабильность численности популяций видов и др. Благодаря указанным механизмам биосфера способна выдерживать такие значительные возмущения как извержения вулканов, встречи с астероидами, землетрясения, горообразование и т. п. В настоящее время человеческая деятельность приводит к нарушению многих механизмов гомеостаза. И как следствие - региональные кризисы, например, расширяющиеся площади опустыненных земель на всех континентах.

4. Биосфера - глобальная экосистема, характеризующаяся большим видовым разнообразием. Многообразие видов обусловливается: разнообразием жизненных сред (водная, наземно-воздушная, почвенная, организменная) и природных зон (с разными климатическими, гидрологическими, почвенными, биотическими и другим свойствам); наличием регионов, различающихся по химическому составу (геохимические провинции); объединением в рамках биосферы большого количества элементарных экосистем.

В настоящее время описано около 2 млн. видов живых организмов (1,5 млн. животных и 0,5 млн. растений). Но при этом, как считают специалисты, еще не учтены многие насекомые и микроорганизмы, особенно в тропических лесах, глубинных частях океанов и в других малоосвоенных местообитаниях. Кроме этого, современный видовой состав - это лишь небольшая часть видового разнообразия, которое принимало участие в процессах биосферы за период ее существования. Считается, что к настоящему времени биосферу оставили более 95% видов.

Разнообразие биосферы за счет элементарных экосистем по вертикали обусловливается ярусностью растительного покрова и связанных с ними животных организмов, а в горизонтальном направлении неравномерностью распределения организмов и их группировок и связанных с ними факторов (увлажнение, микрорельеф, обеспеченность элементами питания и т. п.).

Биоразнообразие - основное условие устойчивости любой экосистемы и биосферы в целом. Оно дает возможность подстраховки и замены одних звеньев другими, что обеспечивает степень сложности и прочности пищевых и других связей.

В настоящее время благодаря деятельности человека происходит снижение видового разнообразия и упрощение экосистем любого ранга. Основными причинами этого стали - уничтожение отдельных видов или резкое уменьшение их численности и создание агроценозов на месте сложных природных систем. Простые экосистемы (например, сельскохозяйственные поля), с малым разнообразием удобны для эксплуатации, они позволяют в короткое время получить значительный объем нужной продукции.

Одним из результатов деятельности человека стало резкое уменьшение площади лесов. До появления человека они занимали примерно 70% суши, сейчас не более 20-23%.

Биологическое разнообразие отнесено Конференцией ООН по окружающей среде и развитию (1992 г.) к числу трех важнейших экологических проблем, по которым приняты специальные Заявления или Конвенции.

5. Биосфера обладает механизмами, которые обеспечивают круговорот веществ и связанную с ним неисчерпаемость отдельных химических элементов и их соединений. Только благодаря круговоротам и наличию неисчерпаемого источника солнечной энергии обеспечивается непрерывность процессов в биосфере и ее потенциальное бессмертие.

2. Живое вещество, его средообразующие свойства и функции в биосфере

Этот термин в литературу ввел В.И. Вернадский. Под ним он понимал совокупность всех живых организмов, выраженную через массу, энергию и химический состав. Живое вещество - основа биосферы, хотя и составляет незначительную ее часть.

В живых организмах на порядок или несколько порядков увеличиваются скорости химических реакций в процессе обмена веществ. В.И.Вернадский в связи с этим живое вещество назвал чрезвычайно активизированной материей.

Свойства живого вещества. Живое вещество способно быстро занимать (осваивать) все свободное пространство. В.И. Вернадский назвал это всюдностью жизни. Данное свойство дало основание В.И. Вернадскому сделать вывод, что для определенных геологических периодов количество живого вещества было примерно постоянным (константой). Способность быстрого освоения пространства связана как с интенсивным размножением, так и со способностью организмов интенсивно увеличивать поверхность своего тела.

И до В.И. Вернадского было известно, что живые организмы участвуют в круговороте многих химических элементов, в образовании так называемых органогенных горных пород и минералов. Но только Вернадский указал на участие живого вещества в круговороте всех химических элементов. В.И. Вернадский показал, что проявления жизни глубочайшим образом меняют течение всех химических реакций в земной коре, что живое вещество изменяет историю почти всех химических элементов, что чуть ли не каждый из них проходит в общей цепи превращений через биогеохимическое звено. Жизнедеятельность организмов - это глубокий и мощный геологический процесс. Химические реакции в биосфере протекают или при непосредственном участии живых организмов или в среде, физико-химические особенности которой во многом обусловлены деятельностью организмов на протяжении всей геологической истории. Масштабы геохимической работы живого вещества таковы, что в течение краткого момента времени через живые организмы может пройти все вещество биосферы. Так, весь кислород земной атмосферы, являясь продуктом процесса фотосинтеза, обновляется благодаря зеленым хлорофилловых растений каждые 2000 лет, а все молекулы углекислоты, участвующей в процессе фотосинтеза, - каждые 300 лет.

После смерти и разрушения живых организмов большая часть составляющих их атомов опять возвращается в живое вещество. Но некоторая, очень незначительная их часть на долгое время выходит из жизненного цикла за пределы биосферы. « Вся земная кора целиком, на всю доступную нашему наблюдению глубину, изменена этим путем»,- писал ученый. И даже неорганическая материя биосферы, отмечал он, «есть в значительной мере создание жизни».

Живое вещество, несмотря на огромное разнообразие слагающих его организмов, едино в своей вещественной, атомно-изотопической основе. Но процесс атомной миграции связывает между собой не только сами организмы. Ни на секунду не прекращается биогеохимическая миграция из организма в среду и обратно. Эта миграция была бы невозможна, если бы химический элементарный состав организмов не был близок к химическому составу земной коры. Но последний, отмечал ученый, определяется, в конечном счете, не чисто геологическими причинами, а факторами и закономерностями космического характера - строением атомов. Космические, ядерные процессы оставили свой след и на облике планеты, и на материальном субстрате планетного явления - жизни.

Поэтому изучение химического состава биосферы представляет большой интерес и имеет важное научное значение. В.И. Вернадский разработал широкую программу таких исследований. Ученый установил средний химический состав живого вещества. Оказалось, что в организмах явно преобладают легкие элементы: H, C, N, O, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca (из тяжелых распространенным является лишь один - из тяжелых распространенным является лишь один - Fe). Эти элементы дают в организмах также соединения, которые, как правило, вне живого вещества не наблюдаются. Особое значение в жизни организмов имеют радиоактивные элементы.

Средообразующие функции живого вещества. Всю деятельность живых организмов в биосфере можно, с определенной долей условности, свести к нескольким основополагающим функциям, которые позволяют значительно дополнить представление об их преобразующей, биосферно-геологической роли.

В.И. Вернадский выделял девять функций живого вещества. Основные из них - газовая, кислородная, окислительная, восстановительная, концентрационная.

Газовая - способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. В частности, включение углерода в процессы фотосинтеза, а затем в цепи питания обусловливало аккумуляцию его в биогенном веществе (органические остатки, известняки и т. п.). В результате этого шло постепенное уменьшение содержания углерода и его соединений, прежде всего двуокиси в атмосфере с десятков процентов до современных 0,03%.

Кислородная - близка к газовой функции, связана с накоплением в атмосфере кислорода и уменьшением его в результате горения и дыхания.

Окислительная - связана с интенсификацией под влиянием живого вещества процессов окисления, благодаря обогащению среды кислородом.

Восстановительная - связана с интенсификацией процессов восстановления прежде всего в тех случаях, когда идет разложение органических веществ при дефиците кислорода. Восстановительные процессы обычно сопровождаются образованием и накоплением сероводорода, а также метана. Это делает практически безжизненными глубинные слои болот, а также значительные придонные толщи воды (например, в Черном море). Данный процесс в связи с деятельностью человека прогрессирует.

Концентрационная - способность организмов концентрировать в своем теле рассеянные химические элементы, повышая их содержание по сравнению с окружающей организмы средой на несколько порядков (по марганцу, например, в теле отдельных организмов - в миллионы раз). Результат концентрационной деятельности - залежи горючих ископаемых, известняки, рудные месторождения и т.п.

Средообразующая функция является результатом совместного действия других функций. С ней, в конечном счете, связано преобразование физико-химических параметров среды. Эту функцию можно рассматривать в широком и более узком планах.

В широком понимании результатом данной функции является вся природная среда. Она создана живыми организмами, они же и поддерживают в относительно стабильном состоянии ее параметры практически во всех геосферах.

В более узком плане средообразующая функция живого вещества проявляется, например, в образовании почв. В.И.Вернадский, как отмечалось выше, почву называл биокосным телом, подчеркивая тем самым большую роль живых организмов в ее создании и существовании.

Таким образом, совокупная деятельность всех форм жизни активно преобразует свойства основных сред жизни, соответствующих газовой каменной и жидкой геологическим оболочкам земного шара. По меткому выражению В.И. Вернадского «живое вещество само создает себе область жизни».

В обобщающем виде роль живого вещества сформулирована в виде «Закона биогенной миграции атомов» (В.И. Вернадского): «Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества, или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом, существовавшим и существующим в биосфере со времени ее образования…». В соответствии с этим законом понимание процессов, протекающих в биосфере, невозможно без учета биотических и биогенных факторов. Воздействуя на живое население Земли, люди тем самым изменяют условия миграции атомов, а, следовательно, воздействуют на основополагающие геологические процессы.

Живое и неживое вещество. Биологическое время. Единство живого и неживого диалектично. Но оно в то же время включает в себя и глубокое качественное отличие живых тел от всей остальной природы. Явления жизни принципиально не сводимы к физико-химическим системам. Будучи особой формой взаимосвязи химических элементов, живое вещество характеризуется не только особым атомным, но и своеобразным изотопным составом, что было теоретически предсказано Вернадским и практически подтверждено уже после его смерти.

Но еще более значительной особенностью живого вещества является его отличие от «косной» среды по пространству - времени. Живому веществу как высшему, наиболее сложному и развитому уровню организации материи соответствует особое, только ему присущее пространство - время.

В окружающей нас природе, отмечал В.И. Вернадский, мы имеем дело не с идеальным (геометрическим), а с реальным - физико-химическим и биологическим пространством, особенности которого определяются сложными законами поведения атомов, изотопов и элементарных частиц. К соображениям о характере биологического пространства - времени Вернадский шел долгим путем, изучая проявления в живой и неживой природе законов симметрии. Своеобразие ее в организмах ученый связывал с «геометрическим строением физического пространства, занимаемого телами живого организма». Вернадский высказал научную гипотезу, согласно которой геометрический субстрат живого вещества отвечает одному из пространств геометрии Римана. Для этого пространства характерны кривые линии и кривые поверхности; полярные векторы (т.е. отсутствие центра симметрии и сложные симметрии); неравенство правизны и левизны. « Это пространство конечно, замкнутое, резко отделяющееся от окружающего».

В особых пространственных геометрических формах В.И. Вернадский долгое время видел наиболее существенное отличие живого от неживого. Но уже в 40-е гг., он пришел к выводу, что это отличие лежит еще более глубоко: в пространстве - времени.

Жизненное (биологическое) время проявляется, согласно Вернадскому, в трех процессах: 1) Во времени индивидуального бытия; 2) В смене поколений без изменения форм жизни (промежуток в смене поколений ученый принимал за единицу биологического времени данного вида); 3) В эволюционном процессе, скачками меняющем форму организмов одновременно со сменой поколений. Время индивидуального бытия живых организмов связано с неуклонно идущим процессом старения и смертью.

Особые свойства биологического времени связаны также с «организованностью» живой системы. В такой системе (будь это отдельный организм или вся биосфера в целом) «нет никогда тождественности состояния во времени, создается всегда новое, близкое к прошлому, но не тождественное состояние». Ни одна из точек такой системы не занимает в течение сколь угодно продолжительного времени то же самое место, т.к. «организованный процесс отличается постоянной новизной, необратимостью и направленностью».

3. Принцип, закон, правило Ле Шателье

Анри Ле Шателье сформулировал принцип, ныне носящий его имя.

Суть принципа: система, находящаяся в состоянии устойчивого химического равновесия, при внешнем воздействии (изменении температуры, давления, концентрации реагирующих веществ и т. п.) стремится вернуться в состояние равновесия, компенсируя оказанное воздействие.

Равновесие будет смещаться до тех пор, пока не наступит новое положение равновесия, которое соответствует новым условиям.

Неоднократно высказывались гипотезы, что принцип Ла Шателье:

- можно рассматривать как вид обратной связи (есть воздействие на систему, и есть её отклик);

- возможно применять не только в области химических реакций, но и в психологии, социологии, экологии и т.п.

«На существование отрицательных обратных связей в неживой Природе, вероятно, первым указал Анри Луи Ле-Шателье (1850-1936) - французский ученый в области физической химии и металлов. В 1884 году он сформулировал общий закон смещения химического равновесия в зависимости от внешних факторов, получивший наименование «принципа Ле-Шателье». «В физико-химических науках существует «закон равновесия», сформулированный А. Л. Ле-Шателье. Он говорит о том, что системы, находящиеся в определённом равновесии, обнаруживают тенденцию сохранять его, оказывают внутреннее противодействие силам, его изменяющим. Например, пусть в сосуде находятся в равновесии вода и лёд при О° С и нормальном давлении атмосферы. Если сосуд нагревать, то часть льда тает, поглощая теплоту и продолжая таким образом поддерживать прежнюю температуру смеси. Если увеличивать внешнее давление, то часть льда опять-таки превращается в воду, занимающую меньше объёма, что ослабляет повышающееся давление.

Другие жидкости в противоположность воде при замерзании не увеличиваются в объёме, а уменьшаются; они при тех же условиях смеси, при повышающем давлении проявляют обратное изменение: часть жидкости замерзает; давление, очевидно, так же ослабляется этим, как и в предыдущем случае. К растворам, химическим реакциям, движениям тел принцип Ле-Шателье применяется на каждом шагу, позволяя в самых различных случаях предвидеть системные изменения.

Но тот же закон, как показывают многие наблюдения, применим и к находящимся в равновесии системам биологическим, психическим, социальным. Например, человеческое тело на внешнее охлаждение отвечает тем, что усиливает внутренние окислительные и иные процессы, вырабатывающие его теплоту; на перегревание - тем, что повышает процессы испарения, отнимающие теплоту. Нормальная психика, когда в силу внешних условий для неё уменьшается количество ощущений, например когда человек попадает в тюрьму, как бы возмещает этот недостаток, усиливая работу фантазии, а также развивая внимание к мелочам; напротив, при перегрузке впечатлениями понижается внимание, направленное на частности, ослабевает деятельность фантазии и т. п.

Ясно, что вопрос о всеобщности закона Ле-Шателье не может быть поставлен и систематически исследован никакой из специальных наук: физикохимии нет дела до психических систем, биологии - до неорганических, психологии - до материальных. Но с общеорганизационной точки зрения вопрос, очевидно, не только вполне возможен, а совершенно неизбежен».

Размещено на Allbest.ru