Характеристика структуры биосферы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Биосфера

1. Структура биосферы

Самой большой экосистемой является биосфера - оболочка планеты, заселенная живыми организмами. Толщина биосферы около больше 20 км: организмы обитают над поверхностью суши не выше 6 км над уровнем моря, опускаются не глубже 15 км в толщу суши и 11 км в глубь океана. Но основная масса живого вещества сконцентрирована в приповерхностном слое толщиной всего несколько десятков метров: это высота лесного полога и глубина проникновения основной массы корней, в этих же пределах сконцентрированы наземные, почвенные животные и микроорганизмы. В океане наиболее обжиты растениями и животными освещаемые солнцем и прогреваемые приповерхностные 10-20 м толщи воды. В этом тонком слое биосферы сконцентрировано свыше 90% биомассы растений и животных.

По сравнению с диаметром Земли (13 тыс. км) биосфера - тонкая пленка, подобная кожице на большом яблоке.

Истоки учения о биосфере лежат в работах А.Л. Лавуазье, Ж.Б. Ламарка, А. Гумбольдта. Термин «биосфера» предложил Э. Зюсс. Однако, учение о биосфере создал русский ученый В.И. Вернадский. Он доказал, что за 4 миллиарда лет существования на планете Земля живые организмы вызвали огромные преобразования: в атмосфере появился кислород, раковины моллюсков образовали осадочные горные породы, под влиянием жизнедеятельности организмов в биосфере постоянно происходит круговорот воды, кислорода, углерода, азота и других веществ.

Биосфера, по В.И. Вернадскому, - это общепланетарная оболочка, та область земли, где существует или существовала жизнь и которая подвергается или подвергалась её воздействию.

В биосфере различают три части.

Атмосфера - газообразная оболочка Земли, состоящая из смеси разных газов, простирающаяся примерно на 100 км. Верхние границы жизни определяются озоновым экраном - тонким слоем газа озона на высоте 16 - 20 км. Он задерживает губительные ультрафиолетовые лучи солнца и мягкое рентгеновское излучение. В атмосфере различаются следующие слои:

- тропосфера - нижний 12-километровый слой, влияющий на погоду; в ней содержатся взвешенные в воздухе водяные пары, перемещающиеся при неравномерном нагреве поверхности планеты;

- стратосфера - достигает высоты 50 км. Она включает озоновый слой с максимальной концентрацией озона на высоте 20-45 км. Содержание озона в этом слое примерно в 10 раз выше, чем в атмосфере у поверхности Земли. Если весь этот озон собрать и сжать до давления, равного давлению атмосферы на уровне моря, то его слой составит 3 мм. В процессе образования и разрушения озона происходит поглощение ультрафиолетового излучения. Таким образом озоновый слой защищает поверхность планеты от избытка ультрафиолетовых лучей, неблагоприятно влияющих на живые организмы;

- мезосфера - находится на высоте от 50 до 85 км;

- ионосфера - слой выше 85 км (простирается до 400 км).

С высотой меняется химический состав и физические свойства атмосферы. Главные составляющие атмосферы: азот (78%) и кислород (20,95%), аргон (0,93%), диоксид углерода (0,03%).

Гидросфера - водная оболочка Земли, включающая океаны, моря, реки, озера, подземные воды, ледники. На 94% она представлена солеными водами океанов и морей, а вклад рек в водный бюджет планеты в 10 раз меньше, чем количество водных паров в атмосфере. Три четверти пресной воды недоступны организмам, так как законсервированы в ледниках гор и полярных шапках Арктики и Антарктиды.

Распределение водных масс в гидросфере Земли (по М.И.Львовичу)

Литосфера - верхняя твердая оболочка Земли, мощность которой составляет 50-200 км. Верхний слой литосферы называется земной корой.

2. Классификация веществ биосферы

Вернадский предложил все, что входит в состав биосферы, объединить в группы в зависимости от характера происхождения вещества. Он выделял семь групп вещества:

1) живое вещество - это совокупность всех живых существ, населяющих нашу планету (от простейших вирусов до человека). Живое вещество чрезвычайно разнообразно по форме, постоянно появляются новые виды взамен отмирающих старых. Живое вещество распространено на планете неравномерно и в основном состоит из воды и легких элементов. Масса живого вещества по сравнению с массой всей биосферы ничтожно мала.

2) косное вещество - это неживое и не связанное с жизнью вещество, к которому относятся горные породы, выбрасываемые вулканами в процессе горообразования, газы и т. д. При контакте с живым оно постепенно превращается в биокосное вещество.

3) биогенное вещество - это чаще всего трупы, отмершие части растений, каменный уголь, нефть, торф, сланцы - в основном горючие вещества, слабо реагирующие с остальными веществами.

4) биокосное вещество - это вещество, имеющее минеральную основу, которая коренным образом преобразована жизнедеятельностью организмов. К нему относится почвенный покров, плодородие которого обусловлено наличием органических веществ, а также воздух и вода. По определению Вернадского: «Это вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами и является закономерной частью живого и косного вещества».

5) радиоактивное вещество - это вещество, имеющее «естественную» радиоактивность (радий, уран, торий и т.д.). Вернадский считал, что радиоактивность способствовала эволюции и являлась той энергетической силой, благодаря которой неживое вещество превратилось в живое.

6) вещество рассеянных атомов - это атомы веществ, преобразованные «жестким» космическим излучением.

7) космическое вещество - это вещество, поступающее из открытого космоса в виде космической пыли, реже в виде метеоритов, и еще реже в виде болидов. Космическое вещество легко усваивается биосферой.

Свойства и функции живого вещества.

Наибольшую роль на планете играет именно живое вещество. Его основные свойства:

1. Высокая химическая активность благодаря биологическим катализаторам (ферментам).

2. Высокая скорость протекания реакций. Она на несколько порядков значительнее, чем в неживом веществе.

3. Высокая скорость обновления живого вещества. Только небольшая часть живого вещества (доли процента) законсервирована в виде органических остатков, остальная же постоянно включается в процессы круговорота.

4. Способность быстро занимать все свободное пространство. Это свойство связано как с интенсивным размножением, так и со способностью организмов интенсивно увеличивать поверхность своего тела или образуемых ими сообществ.

5. Активность движения вопреки принципу роста энтропии. Движение не только пассивное, но и активное, то есть не только под действием силы тяжести, гравитационных сил и т.п., но и против течения воды, силы тяжести, движения воздушных потоков и т.п.

6. Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти. Благодаря саморегуляции живые организмы способны поддерживать постоянный химический состав и условия внутренней среды, несмотря на значительные изменения условий внешней среды. После смерти эта способность утрачивается, а органические остатки очень быстро разрушаются. Образовавшиеся органические и неорганические вещества включаются в круговороты.

7. Высокая приспособительная способность (адаптация) к различным условиям и в связи с этим освоение не только всех сред жизни (водной, наземно-воздушной, почвенной, организменной), но и крайне трудных по физико-химическим параметрам условий (микроорганизмы встречаются в термальных источниках с температурой до 140єС, в водах атомных реакторов, в бескислородной среде).

Все перечисленные свойства живого вещества обуславливаются концентрацией в нём больших запасов энергии.

Функции живого вещества в биосфере.

1. Энергетическая - аккумулирование энергии и ее перераспределение по пищевым цепям.

2. Окислительно-восстановительная - окисление вещества в процессе жизнедеятельности и восстановление в процессе разложения при дефиците кислорода.

3. Газовая - способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом.

4. Деструктивная - разрушение погибшей биоорганики и костных веществ.

5. Рассеивающая - рассеяние живого вещества на больших пространствах.

6. Концентрационная - способность организмов концентрировать в своем теле рассеянные элементы окружающей среды.

7. Транспортная - перенос и перераспределение вещества и энергии.

8. Средообразующая - преобразование физико-химических параметров окружающей среды.

9. Информационная - накопление информации и закрепление ее в наследственных структурах. биосфера экосистема живой вещество

3. Основные биосферные круговороты веществ

В биосфере постоянно протекают круговороты веществ. Рассмотрим основные круговороты, которые определяют жизнь экосистем.

Круговорот воды. Ткани живых организмов на 70% состоят из воды, и поэтому В.И. Вернадский определял жизнь как живую воду.

Основная масса воды сосредоточена в океанах. Испаряющаяся с его поверхности вода дает живительную влагу естественным и искусственным экосистемам суши. Чем ближе район к океану, тем больше там выпадает осадков. Суша постоянно возвращает воду океану: часть воды испаряется, особенно лесами, часть собирается реками, в которые поступают дождевые и снеговые воды. Обмен влагой между океаном и сушей требует очень большого количества энергии: на это затрачивается до 1/3 поступающей на Землю солнечной энергии.

Круговорот воды в биосфере до развития цивилизации был равновесным, океан получал от рек столько воды, сколько расходовал ее при испарении. Если не менялся климат, то не мелели реки и не снижался уровень воды в озерах. С развитием цивилизации этот круговорот стал нарушаться. В частности, уменьшается испарение воды лесами, ввиду сокращения их площади и, напротив, увеличивается испарение с поверхности почвы при орошении сельскохозяйственных угодий. Реки южных районов обмелели, испарение воды с поверхности океана уменьшается вследствие появления на значительной части его поверхности пленки нефти. Все это ухудшает водоснабжение биосферы. Более частыми становятся засухи, возникают очаги экологических бедствий, например, многолетняя катастрофическая засуха в Африке в зоне Сахеля.

Кроме того, и сама пресная вода, которая возвращается в океан и другие водоемы с суши, часто загрязнена. Практически непригодной для питья стала вода многих рек России.

Доля пресной воды, доступной живым организмам, довольно мала, поэтому ее нужно расходовать экономно и не загрязнять. Этот прежде неисчерпаемый ресурс становится исчерпаемым. Сегодня воды, пригодной для питья, промышленного производства и орошения, не хватает во многих районах мира.

Круговорот углерода. Углерод - основа органических соединений. В атмосфере постоянно происходит обмен диоксида углерода: растения поглощают его при фотосинтезе, и все организмы выделяют в атмосферу в результате дыхания. До 50% (по некоторым данным - до 90%) углерода в форме диоксида углерода возвращают в атмосферу микроорганизмы почвы. Кроме того, углерод поступает в атмосферу из детрита - гумуса, торфа, сапропеля. Это происходит в тех случаях, когда распахиваются почвы, осушаются болота и создаются условия для деятельности аэробных микроорганизмов, разрушающих органические вещества.

Человек включает в круговорот углерода органические вещества из подземных кладовых детрита - нефти, угля, сланцев, газа. При сжигании этого топлива повышается содержание диоксида углерода в атмосфере. Пока это повышение незначительно, так как дополнительный диоксид углерода успевают использовать леса и фитопланктон океана. Кроме того, этот газ поглощается и самой водой океана, и образующиеся соединения откладываются на его дне. Если площадь лесов будет и дальше сокращаться, океан - загрязняться, а количество антропогенных выбросов диоксида углерода - возрастать, то может произойти значительное увеличение его концентрации в атмосфере.

Участником круговорота углерода является и метан - органическое вещество, которое выделяется в атмосферу бактериями-редуцентами. До начала цивилизации круговорот метана был равновесным и его поступало в атмосферу столько же, сколько разрушалось. С развитием цивилизации количество поступающего в атмосферу метана стало больше, чем его отток. Основные источники метана - рисовые поля и скот. Метан выделяется также со свалок и из угольных шахт.

В круговороте углерода участвуют и геохимические процессы, при которых происходит обмен атмосферного углерода и углерода, содержащегося в горных породах (в известняках содержатся карбонаты, в сланцах - керогены и т.д.). Диоксид углерода расходуется на выветривание карбонатов и на сложные химические реакции преобразования силикатов в карбонаты и выделяется при отложении карбонатов в океане и разложении карбонатов в глубинных горизонтах земной коры. Однако данных о скорости этих процессов нет.

Круговорот кислорода. Кислород - самый распространенный элемент в биосфере. Он составляет 21% атмосферы, входит в состав воды, живых организмов и многих минералов. Важную роль играет озон.

Кислород выделяют зеленые растения в результате фотосинтеза, а поглощают его все живые организмы при дыхании, он расходуется при сжигании топлива в хозяйстве человека. Кроме того, некоторое количество кислорода образуется в верхних слоях атмосферы при диссоциации воды и разрушении озона под действием ультрафиолетового излучения, и часть кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре, при вулканических извержениях и др.

Круговорот кислорода очень сложный, так как кислород вступает в разнообразные реакции и входит в состав очень большого числа органических и неорганических соединений, и замедленный. Для полного обновления всего кислорода атмосферы требуется около 2 тыс. лет (для сравнения: ежегодно обновляется около 1/3 диоксида углерода атмосферы).

До появления цивилизации этот круговорот также был равновесным. Сегодня кислород используется при сжигании горючего в двигателях автомобилей, в топках тепловых электростанций, в двигателях самолетов и ракет и т.д. Это дополнительное расходование кислорода может нарушить равновесие его круговорота. Пока биосфера справляется с вмешательством человека в круговорот кислорода: его потери компенсируются зелеными растениями. При дальнейшем уменьшении площади лесов и сжигании все большего количества топлива содержание кислорода в атмосфере начнет уменьшаться.

Круговорот азота. Азот - один из самых важных для жизнедеятельности организмов элементов. Он необходим для синтеза белка. Атмосфера в основном состоит из азота (его доля составляет 78%), но это инертный газ и потому недоступен большинству организмов.

Связывание азота в доступные растениям формы происходит при грозовых разрядах. Этот процесс осуществляют и микроорганизмы-азотфиксаторы (в наземных экосистемах - бактерии и цианобактерии, в водных - цианобактерии). Кроме того, азот связывается в доступные растениям соединения при производстве азотных удобрений.

Однако пересыщения биосферы связанным азотом не происходит. Его соединения разрушаются до оксидов азота и восстанавливаются до молекулярного азота микроорганизмами-денитрификаторами, и азот возвращается в атмосферу. Азот почвы потребляют растения. В составе растительных белков его используют животные. Возврат азота осуществляется в результате вымывания его из почвы и выделения в атмосферу в форме чистого азота и его оксидов. Бактерии разлагают белки до минеральных форм азота. Попадающий в водоемы азот также проходит по пищевым цепям «растение - животное - микроорганизмы» и возвращается в атмосферу.

Человек нарушает равновесие круговорота азота. При распашке земель резко (примерно в 5 раз) снижается активность фиксации азота микроорганизмами и, напротив, активизируется деятельность разрушающих азотные соединения микроорганизмов-денитрификаторов. В итоге уменьшается содержание связанного азота в его основном хранилище - почве. Это ведет к снижению плодородия почв и продуктивности сельскохозяйственных экосистем.

Человек влияет на круговорот азота при производстве и внесении минеральных удобрений, кроме того, значительное количество азота в форме оксидов азота поступает в атмосферу в результате ее загрязнения промышленностью и транспортом и выпадает в виде кислотных дождей.

Восстановление естественного круговорота азота возможно за счет уменьшения производства азотных удобрений, резкого сокращения промышленных выбросов оксидов азота в атмосферу и расширения площади посевов бобовых, которые симбиотически связаны с бактериями-азотфиксаторами.

Круговорот фосфора. В отличие от круговоротов углерода и азота, которые являются закрытыми, круговорот фосфора - открытый, так как фосфор не образует летучих соединений, которые могли бы возвращаться в атмосферу.

Фосфор содержится лишь в горных породах, откуда попадает в экосистемы либо при естественном разрушении пород, либо при внесении на поля фосфорных удобрений, производимых из некоторых горных пород. Растения поглощают фосфор, а животные, питающиеся этими растениями, накапливают его в своих тканях. После разложения мертвых тел животных и растений редуцентами не весь фосфор вовлекается в круговорот, часть его вымывается из почвы в водоемы (реки, озера, моря). Там фосфор оседает на дно и либо совсем не возвращается на сушу, либо в небольших количествах возвращается с выловленной человеком рыбой или с экскрементами птиц, питающихся рыбой. Скопления экскрементов морских птиц служили в недалеком прошлом источником ценнейшего органического удобрения - гуано, однако в настоящее время ресурсы гуано практически исчерпаны.

Отток фосфора с суши в океан особенно усиливается под влиянием на экосистемы человека - в первую очередь вследствие возрастания поверхностного стока воды при уничтожении лесов, распашки почв и внесения фосфорных удобрений.

Поскольку запасы фосфора на суше ограничены, а его возврат из океана проблематичен, в будущем в земледелии возможен недостаток фосфора, что вызовет снижение урожаев (в первую очередь зерновых). Поэтому необходима экономия ресурсов фосфора.

4. Влияние человека на биосферу. Ноосфера

В.И. Вернадский, анализируя геологическую историю Земли, утверждал, что наблюдается переход биосферы в новое состояние - ноосферу под действием новой геологической силы, научной мысли человечества. Однако в трудах В.И. Вернадского нет законченного и непротиворечивого толкования сущности материальной ноосферы как преобразованной биосферы. В одних случаях он писал о ноосфере в будущем времени (она еще не наступила), в других в настоящем (мы входим в нее), а иногда связывал формирование ноосферы с появлением человека разумного или с возникновением промышленного производства. Надо заметить, что когда в качестве минеролога В.И. Вернадский писал о геологической деятельности человека, он еще не употреблял понятий «ноосфера» и даже «биосфера». О формировании на Земле ноосферы он наиболее подробно писал в незавершенной работе «Научная мысль как планетное явление», но преимущественно с точки зрения истории науки.

Итак, что же ноосфера: утопия или реальная стратегия выживания? Труды В.И. Вернадского позволяют более обоснованно ответить на поставленный вопрос, поскольку в них указан ряд конкретных условий, необходимых для становления и существования ноосферы. Перечислим эти условия.

1. Заселение человеком всей планеты.

2. Резкое преобразование средств связи и обмена между странами.

3. Усиление связей, в том числе политических, между всеми странами земли.

4. Начало преобладания геологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в биосфере.

5. Расширение границ биосферы и выход в космос.

6. Открытие новых источников энергии.

7. Равенство людей всех рас и религий.

8. Увеличение роли народных масс в решении вопросов внешней и внутренней политики.

9. Свобода научной мысли и научного искания от давления религиозных, философских, политических настроений и создание в государственном строе условий, благоприятных для свободной научной мысли.

10. Продуманная система народного образования и подъем благосостояния трудящихся. Создание реальной возможности не допустить недоедания и голода, нищеты и ослабить болезни.

11. Разумное преобразование первичной природы Земли с целью сделать ее способной удовлетворять все материальные, эстетические и духовные потребности численно возрастающего населения.

12. Исключение войн из жизни общества.

Размещено на Allbest.ru