ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО (ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ). БИОМАССА

Живое вещество - совокупность и биомасса живых организмов в биосфере.

Понятие «живое вещество» введено в науку В.И. Вернадским. Оно характеризуется суммарной массой, химическим составом, энергетикой.

Живые организмы - это мощный геологический фактор, преобразующий лик Земли. В.И. Вернадский подчеркивал, что на земной поверхности нет силы более могущественной по своим конечным результатам, чем живые организмы в целом. И атмосфера (воздушная оболочка), и гидросфера (водная оболочка), и литосфера (твердая оболочка) своим современным состоянием и присущим им свойствам обязаны тому влиянию, которое оказали на них организмы за миллиарды лет своего существования благодаря непрерывному потоку элементов в биогенном обмене веществ. Влияя на окружающий мир и изменяя его, живое вещество выступает в качестве активного фактора, определяющего и свое собственное существование.

Представление о планетарной геохимической роли живого вещества - одно из основных положений в учении о биосфере В.И. Вернадского. Другое важное положение в его теории - это представление о биосфере как об организованном образовании, продукте сложных превращений живым веществом материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды.

Биосферу с современных позиций рассматривают как наиболее крупную экосистему планеты, участвующую в глобальном круговороте веществ. Под системами биосферы являются экосистемы более низкого уровня. Биогеоценоз - структурная единица активной части современной биосферы.

Биосфера - продукт длительной эволюции живого и экосистем разной сложности, находящихся во взаимодействии и динамическом равновесии друг с другом и с косной средой.

Количество живого вещества организмов, приходящееся на единицу площади или объема, выраженное в единицах массы, называют биомассой. Организмы, составляющие биомассу, обладают способностью воспроизводства - размножения и распространения по планете.

Особенность любого живого организма и биомассы в целом заключается в постоянном обмене веществами и энергией с окружающей средой.

В настоящее время на Земле существует более двух миллионов видов организмов. Из них на долю растений приходится около 500 тыс. видов, а на долю животных - более 1,5 млн видов. Самая многочисленная по числу видов группа - это насекомые (около 1 млн видов).

БИОГЕННЫЙ КРУГОВОРОТ

Биохимический круговорот - это перемещение и превращение химических элементов через косную и органическую природу при активнoм участии живого вещества. Химические элементы циркулируют в биосфере по различным путям биологического круговорота: поглощаются живым веществом и заряжаются энергией, затем покидают живое вещество, отдавая накопленную энергию во внешнюю среду. Такие циклы Вернадский назвал биохимическими. Их можно подразделить на два основных типа:

1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере;

2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

Во всех биохимических циклах активную роль играет живое вещество. К главным циклам можно отнести круговорот углерода, кислорода, азота, фосфора.

ФУНКЦИИ БИОСФЕРЫ

Благодаря биотическому круговороту биосфера выполняет определенные функции.

1. Газовая функция - осуществляется зелеными растениями в процессе фотосинтеза и всеми животными и растениями, микроорганизмами в результате биологического круговорота веществ. Большинство газов порождено жизнью. Подземные горючие газы - продукты разложения органических веществ растительного происхождения, захороненных в осадочных породах.

2. Концентрационная функция - связана с накоплением в живом веществе различных химических элементов.

3. Окислительно-восстановительная функция (окисление веществ в процессе жизнедеятельности). В почве образуются окиси, соли. Бактерии создают известняки, руды и т.д.

4. Биохимическая функция - осуществляются обмен веществ в живых организмах (питание, дыхание, выделение) и разрушение, разложение отмерших организмов.

5. Биохимическая деятельность человечества. Она охватывает все возрастающее количество вещества земной коры для нужд промышленности, транспорта, сельского хозяйства.

ОРГАНИЗОВАННОСТЬ И СТАБИЛЬНОСТЬ БИОСФЕРЫ

Биосфера - сложная организованная система, функционирующая как единое образование, способное к саморегуляции. Ее структурной единицей является биогеоценоз - одна из наиболее сложных природных систем, представляющих комплекс из живых организмов и косной среды, находящихся друг с другом в постоянном взаимодействии и связанных между собой обменом веществ и энергии. Стабильность биосферы определяется стабильностью биогеоценоза - продуктов длительного естественноисторического развития органического мира.

Важным свойством биогеоценоза является его способность к саморегуляции, которая проявляется в его устойчивом динамическом равновесии. Последнее достигается скоординированностью и сложностью тех взаимодействий, которые складываются между его составляющими - живой и неживой частями. Потребление созданного органического вещества происходит параллельно с его производством и не должно по масштабам превышать последнее. Чем многообразнее физико-химические качества среды, условия жизни в рамках биотопа, тем многообразнее видовой состав ценоза, тем более он устойчив. Отклонения условий существования от оптимума приводят к видовому его обеднению. Стабильное состояние ценоза определяется и выходом валовой продукции, обеспечивающей поток энергии через трофические уровни и сохранение всех живых компонентов, связанных друг с другом в цепи питания и участвующих в общем круговороте веществ. Сбалансированные отношения между организмами разных трофических уровней - одно из условий стабильности биогеоценоза.

В условиях непостоянства физико-химической среды надежность биогеоценоза обеспечивается суммарным перераспределением живого вещества между входящими в его состав видами, способными заменить друг друга (или дублировать) в рамках одного уровня экологической пирамиды. В определенных условиях более комфортно чувствуют себя одни виды (в связи с чем увеличивается численность их популяций) и хуже - другие, близкие им, но занимающие в биогеоценозе подчиненное положение. Смена условий может отрицательно отразиться на первых и, напротив, способствовать процветанию вторых. В зависимости от силы и продолжительности действия нового природного фактора внутри биогеоценоза происходят более или менее существенные изменения в его организации. Один из механизмов, обеспечивающих сохранность биоценозов, проявляется в способности формировать под давлением внешних факторов иную структуру с усилением «элементов дублирования».

Отдельные биогеоценозы не изолированы друг от друга; они взаимозависимы и находятся в постоянном взаимодействии. Ярким доказательством этого могут служить примеры глобального круговорота биогенных элементов, в котором принимают участие не только отдельные подсистемы, но вся биосфера и другие геосферы Земли. Сбалансированность круговоротов элементов и веществ на планете, особенно круговоротов биогенных элементов, без которых невозможна жизнь, обеспечивается постоянством всей массы живого вещества. Через живые организмы проходит большое число элементов. Фотоавтотрофами определяются скорость фиксации солнечной энергии и обеспечение ею других обитателей планеты. Зеленые растения поставляют молекулярный кислород, необходимый для существования почти всех живущих на Земле организмов; исключение составляют лишь анаэробные формы. Для обеспечения стабильности круговорота, помимо постоянства массы живого вещества, необходимо постоянство между продуцентами, консументами и редуцентами. Все вместе они создают и стабилизируют условия существования биосферы как целостного и гармоничного образования.

Экологическое дублирование на уровне видов в биогеоценозе дополняется в природе экологическим дублированием на уровне ценоза, что проявляется в смене одного биоценоза другим при изменяющихся условиях в пределах целостной биосферы.

Суммарное количество живого вещества в биосфере заметно изменяется в рамках достаточно продолжительного геологического времени (закон константности количества живого вещества В.И. Вернадского). Его количественная стабильность поддерживается постоянством числа видов, определяющим общее видовое разнообразие в биосфере.

Таким образом, биогеоценозы - среда, в которой протекают разнообразные жизненные процессы на нашей планете, круговороты веществ и энергии, вызванные жизнедеятельностью организмов и в сумме составляющие большой биосферный круговорот.

Биогеоценоз - это относительно стабильная и открытая система, имеющая вещественно-энергетические «входы» и «выходы», связывающие смежные биоценозы.

НООСФЕРА

Ноосфера (греч. noos - разум + сфера) - это высшая стадия развития биосферы, сфера влияния человеческого разума, взаимодействия природы и общества. Появившись на Земле, человек постепенно стал мощной геологической силой, воздействующей на окружающий его мир.

Понятие ноосферы как идеально мыслящей оболочки Земли ввели в науку в начале ХХ в. французские ученые и философы П. Тейяр де Шарден и Э. Леруа. П. Тейяр де Шарден рассматривал человека как вершину эволюции и преобразователя материи через включение в творчество эволюции. Основное значение в эволюционных построениях ученый придавал коллективу и духовному фактору, не умаляя роли технического прогресса и развития экономики.

В.И. Вернадский, говоря о ноосфере (1944), подчеркивал необходимость разумной организации взаимодействия общества и природы, отвечающей интересам каждого человека, всего человечества и окружающего его мира. Ученый писал: «Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. И перед ним, перед его мыслью и трудом, поставлен вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящeгo человечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть ноосфера».

Природа несет на себе следы деятельности человека в условиях разных общественно-экономических формаций, сменявших друг друга. Формы воздействия многообразны. Результаты его за последние 100- 150 (200) лет, особенно на территориях Европы и Северной Америки, превосходят таковые за всю предшествующую историю человечества. С ростом численности населения и повышением его благосостояния давление на природу становилось все большим. Считают, что в начале нашей эры на Земле насчитывалось около 200 млн человек. К тысячелетию эта цифра возросла до 275 млн; к середине ХX в. население планеты увеличилось почти в 2 раза (500 млн). За 200 лет цифра возросла до 1,3 млрд, за полвека прибавилось еще 300 млн (1900 г. - 1,6 млрд). В 1950 г. на Земле насчитывалось уже 2,5 млрд человек, в 1970 г. - 3,6 млрд, к 2025 г. ожидается цифра 8,5 млрд. Из этого числа 83% населения планеты будет проживать в развивающихся странах - в Азии, Африке, Южной Америке, где и сейчас ощутим прирост населения. Необходимо иметь представление о возможностях по жизнеобеспечению населения, чтобы избежать катастрофических последствий демографического взрыва.

Быстрый рост населения планеты делает острым вопрос о границах биологической производительности биосферы Земли. В результате активной деятельности человека в период научно-технического прогресса, направленной на повышение материального и духовного уровня всего человечества, в значительной мере истощились запасы невозобновляемых природных ресурсов. Глобальному нарушению на огромных площадях подверглись самовозобновляющиеся ресурсы, некоторые из них утратили способность к самовозобновлению. Стали мертвыми или находятся на грани между жизнью и смертью многие внутриматериковые водоемы. Мировой океан загрязнен отходами производства, разливами нефти, радиоактивными веществами, нарушен естественный круговорот - глобальный и особенно локальный - ряда жизненно важных биогенных элементов. Часто на стол потребителю попадают экологически «грязные» продукты питания и недоброкачественная питьевая вода.

Загрязнение среды и нарушение естественных местообитаний многих видов растений и животных привело к сокращению численности популяций или их вымиранию, а следовательно, к потере генофонда, создаваемого в течение миллионов лет. Под воздействием мутагенов, загрязняющих среду, появились не только новые формы вредителей агроценозов и естественных биоценозов, но и болезнетворные организмы, против которых не выработаны защитные свойства ни у человека, ни у других обитателей планеты.

Беспощадная эксплуатация природы, подчиненная удовлетворению сиюминутных запросов, не решает насущных проблем даже сегодняшнего дня, создавая неблагоприятные перспективы на будущее. Часть населения Земли недоедает и, умирает от голода (25% от всего урожая ежегодно теряется из-за сельскохозяйственных вредителей). Множество людей, среди которых преобладают дети, ежегодно умирают от заболеваний, вызванных употреблением недоброкачественной воды. Здоровье человека страдает от повышенной загрязненности окружающей среды, особенно в больших промышленных городах. Отрицательное воздействие на многих людей оказывает не только деградация экологических систем, но и нищета, возрастающее неравенство между богатыми и бедными.

Во избежание отрицательных последствий, вызванных хозяйственной деятельностью человека и стихийными бедствиями, необходимо учитывать законы, действующие в окружающей нас природе и поддерживающие ее самовозобновление. Задача охраны природы и рационального ее использования стала не только государственной, но и международной, и ее решение должно основываться на знании законов жизни и развития окружающего нас мира.

От степени осознания обществом кризисной ситуации в биосфере и от скорости его реакции зависит не только благосостояние людей, но и их жизнь.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра региональной экономики и природопользования

По учебной дисциплине «Учение о биосфере»

Контрольная точка №2

Реферат на тему:

«Космические предпосылки формирования Земли и биосферы»

Выполнили:

Луковникова Татьяна Сергеевна

Сахнова Анна Алексеевна

студентки 1 курса

группы ЭП-1301

Специальность: Экология и природопользование

Преподаватель:

Иванов Николай Семенович

Санкт-Петербург, 2014 г.

Введение

Формирование Земли

Формирование биосферы Земли

Организованность биосферы

Ноосфера. Новая эволюционная стадия биосферы

Заключение

Список литературы

космический объект биосфера ноосфера земля

Введение

Возникновение жизни и биосферы представляет собой крупнейшую проблему современного естествознания, которая еще ждет своего решения. Как отметил видный российский палеонтолог академик Б.С. Соколов, даже на "сумасшедший" вопрос "что древнее: Земля или жизнь на ней?", строго говоря, мы не можем дать определенного ответа. Большинство авторов гипотез о происхождении жизни на Земле допускали, что в течение огромного промежутка времени планета наша после возникновения 4,55 млрд лет назад была безжизненной, и на ее поверхности, в атмосфере и океане происходил медленный абиогенный синтез органических соединений, который привел к образованию первых примитивных организмов. Установилось почти традиционное представление о том, что на Земле происходила длительная химическая эволюция, предшествующая биологической и охватившая интервал времени не менее 1 млрд лет. Появились и другие, противоположные, представления о необычайной длительности существования жизни на Земле. Они были высказаны В. И. Вернадским и рядом других крупных ученых и подтверждаются современными исследованиями в области палеонтологии и палегеохимии. Возможно, Земля и жизнь на ней - почти ровесники, и поэтому предпочтительнее говорить о появлении жизни на Земле, а не об ее происхождении. Наиболее древним участком земной коры является комплекс Исуа в Западной Гренландии, возраст которого 3,8 млрд лет. Осадкообразование этого комплекса началось еще ранее, не менее 4 млрд лет назад. В горных породах Исуа обнаружены явные следы геохимического характера, указывающие на существование жизни в то далекое время. Они выражаются в изотопном составе углерода, в наличии окисленного железа, осадившегося под воздействием свободного кислорода от фотосинтеза тех времен.

Формирование Земли

Околосолнечный космос в результате взрывов - вспышек был заполнен пылью, мелкими и крупными обломками Тела, атомами и соединениями водорода, углерода, азота, кислорода. Мантия Тела, раздробленная внутренними силами, возникшими при торможении Тела крайними слоями Солнца, на фрагменты, прошла сквозь крайние слои Солнца, уменьшила скорость и потеряла более 99,9% массы. Рой более крупных фрагментов, преодолевая притяжение Солнца, по инерции удалился от него на расстояние ~ 180 млн. км, и стал обращаться вокруг Светила со средней скоростью ~ 27±1 км/с.

Более крупные фрагменты мантии стали многочисленными центрами притяжения прапланетного вещества, вращающегося вокруг общего центра масс и образовавшего прапланету (в последующем планету) Земля. Весь полёт вещества на предельное удаление занял 100 - 200 суток.

За это время вещество сплотилось в большое число больших и малых спутников (метеорных конгломератов), которые вращались вокруг общего центра масс. Возвращаясь к Солнцу под действием силы его гравитационного притяжения (падая), прапланета отклонилась от него на 50 - 100 миллионов километров и закрутилась вокруг Солнца по вытянутой эллипсовидной орбите.

При этом, хотя полная энергия Планеты (кинетическая + потенциальная) относительно Солнца соответствует потенциальной энергии предельного удаления (~300 млн. км), праЗемля первоначально, т. е. 4,5 млрд. лет назад, «вырвавшись» из «объятий» Звезды, уже имела значительную орбитальную скорость (~ 27±1км/с), и средний радиус орбиты (~180±10 млн. км).

Однако следует заметить, что на расстоянии ~200 млн. км от Солнца проходит граница его эффективного притяжения, т. е. объекты с меньшим радиусом кругового обращения приближаются к Солнцу, а с большим радиусом - удаляются от него.

Это обстоятельство позволяет составить суждение о максимальном первичном радиусе орбиты Земли. Более тщательные расчёты уточнят эти параметры.

Небесные тела (луны и метеоры), составлявшие праЗемлю, сближались, сталкивались, дробились и окончательно формировали планету - Землю. Укрупнение Планеты продолжалось около трёх - четырёх миллиардов лет…

При формировании Планеты формировался и вращательный момент, направление которого хотя было случайным при падении - столкновении с каждым телом, но суммарно совпадало с направлением отклоняющей скорости, общим для планет. В результате этого Планета стала вращаться вокруг собственной оси. Величина момента вращения была такой, что скорость вращения Планеты при завершении формирования была много больше, чем в Настоящее Время (далее Н. В.).

Как следствие вращения, на Земле стала происходить смена дня и ночи, т. е. сформировались сутки. Продолжительность суток Планеты сперва была значительно короче (4 -6 часов), чем в Н. В. С укрупнением Планеты вращение замедлялось, и сутки становились длиннее (в Н. В. ~ 24 часа).

Вследствие того, что все планеты произошли от одного Тела, направление вращения Земли и других планет Солнечной системы вокруг Солнца (обращение планет) направлено в одну сторону. Время обращения Земли вокруг Солнца назвали ГОД.

Угол наклона оси вращения Земли к плоскости орбиты определил деление погоды в Северном и Южном полушариях на зиму и лето, а переходные периоды - на весну и осень.

Примечание:

1)Причины особенности вращения некоторых планет вокруг собственных осей рассмотрены в тетради «Образование Солнечной системы».

2)Замедление вращения Земли (увеличение суточного периода вращения) люди уже заметили. Ускорение обращения Земли вокруг Солнца пока не нашло отражения в популярной литературе; сокращение звездного года в Н. В. ожидается в пределах ~0,0001 с/год. Определить такое сокращение периода при современном уровне развития науки и техники возможно.

3)Среднее расстояние планеты Земля от Солнца от образования до Нашего Времени уменьшилось на 25±5 млн. км (соответственно уменьшилась длина орбиты и период орбитального обращения).

Температура фракций, формирующих Землю, в начале формирования была высокой, а в результате соударений сближающихся тел и сжатия поднялась до нескольких тысяч градусов. При достаточном разогреве вещества плавились, разлагались на составляющие химические элементы. Тяжёлые (с большей удельной плотностью) элементы опускались к центру Планеты и формировали ядро. Более лёгкие элементы образовывали соединения с меньшей удельной плотностью и дрейфовали (и дрейфуют) к поверхности Планеты, образуя магму, мантию и кору. Газы образовали атмосферу, глинозёмы образовали земную кору. Основанием коры послужили базальты и граниты, которые, будучи менее плотными, сперва образовали острова в море раскалённой магмы, верхний слой которой становился мантией и покрывался корой.

В начальный период формирования Земля была окутана более плотной атмосферой, чем в Н. В., основу которой составлял водяной пар, осуществлявший конвективный теплоперенос между горячей поверхностью планеты и космосом. Нижнюю часть атмосферы составляли азот, двуокись углерода и всевозможные газообразные окислы, перемешиваемые осадками. Значительную роль в геоморфологии сыграло наличие воды и растворённой в ней углекислоты. Растворимость солей с понижением глобальной и местной температуры снижалась, что привело к отложениям солей и образованию месторождений.

В начальный период образования Земли свободного кислорода не было. Свободный кислород появился в связи с образованием углеводородов, связавших большую часть водорода, и в связи с разложением пара солнечным излучением и планетной утратой протонов (т. е. потерей водорода).

Постепенно земная кора стала толще, однако она нарушалась при падении на Землю вращающихся вокруг неё космических тел. В зависимости от плотности составляющих пород метеориты оставляли в земной коре воронки разной глубины. Тела редко падали отвесно, а в большинстве - под углом и даже под острым углом к горизонту, образуя ложа морей и озёр и сгребая земную кору складками (гармошкой), сооружая прилегающие по направлению полёта горные кряжи. Сила земного притяжения вначале была значительно меньше (была меньше масса Земли), поэтому горы образовывались более крутыми.

При падении на Землю крупных тел («лун») их фракции с высокой плотностью пробивали кору и погружались в мантию, образуя крупные воронки, окружённые гребнями и складками гор. Под поднятиями земной коры (куполами), окружающими места падения лун, собирались вещества с низкой плотностью. Трещины в куполах послужили основой образования вулканов, «клапанов», выпускающих лёгкие вещества из недр Земли и играющую заметную роль в геоморфологии. В начальный период формирования вулканическая деятельность была много выше, чем в Н. В.

С охлаждением твёрдой Планеты (коры) до температуры конденсации воды образовалась гидросфера. Почти вся поверхность была покрыта тёплой водой…Образовался Первичный (Древний) океан. В начальный период уровень мирового океана был на 5-8 км выше твёрдой поверхности. С укрупнением Планеты увеличивалась площадь поверхности, и, соответственно, уменьшалась глубина океана.

Примечание:

Наличие значительной толщи воды над твёрдой поверхностью имело большое значение при формировании Планеты:

1)Падающие тела, как правило, дробились при ударе о водную поверхность, и оседали на дне океана. Это приводило к рассеянию выпавших продуктов (чем меньше плотность породы, тем больше площадь рассеяния) и укрупнению планеты снаружи. Следствием этого является осадочная слоистость пород.

При падении крупных тел менее плотные породы рассеивались, а более плотные пробивали кору и погружались в магму, укрупняя Планету изнутри. Увеличение внутреннего объёма является причиной роста напряжения в земной коре и её разломов.

2)Метеориты сперва контактировали с водной поверхностью и затрачивали большое количество энергии на испарение воды. Данное обстоятельство позволяет предположить, что температура магмы ограничена несколькими тысячами градусов (т. е. ниже, чем предполагалось прежде).

Формирование биосферы Земли

Существование всех живых организмов неразрывно связано с окружающим миром. В процессе своей жизнедеятельности живые организмы не только потребляют продукты окружающей среды, но и коренным образом преображают природу. В естествознании изучение жизни как целостного феномена в его тесной связи с окружающей природой получило название учения о биосфере.

Термин «биосфера» был введен в научный оборот австрийским геологом Эдуардом Зюссом, который подразумевал под ним совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете. В этом его значении понятие «биосфера» не принимало во внимание обратного воздействия биосферы на окружающую среду.

Постепенно, на основе наблюдений, экспериментов и опытов, ученые приходят к убеждению, что живые организмы также оказывают воздействие на физические, химические и геологические факторы окружающего мира. Результаты их исследований незамедлительно сказались при изучении общих проблем воздействия биотических (живых) факторов на абиотические (физические) условия. Так оказалось, например, что состав морской воды во многом определяется активностью морских организмов. Растения, живущие на песчаной почве, значительно меняют ее структуру. Живые организмы контролируют даже состав нашей атмосферы. Все эти примеры свидетельствуют о наличии обратной связи между живой и неживой природой, в результате которой живое вещество в значительной мере меняет лик нашей планеты. Таким образом, биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы, от которой она, с одной стороны, зависит, а с другой - сама воздействует на нее. Поэтому в современной науке под биосферой понимается совокупность всех живых организмов вместе со средой обитания, в которую входят: вода, нижняя часть атмосферы и верхняя часть земной коры, населенная микроорганизмами. Два главных компонента биосферы - живые организмы и Среда их обитания - непрерывно взаимодействуют между собой и находятся в тесном, органическом единстве, образуя целостную динамическую систему.

Развитие биосферы Земли можно рассматривать как последовательную смену трех этапов (рис. 13).

Первый этап - восстановительный - начался еще в космических условиях и завершился на Земле появлением гетеротрофной биосферы. Для первого этапа характерно появление малых сферических анаэробов (рис. 13, а). Присутствуют только следы свободного кислорода. Ранний способ фотосинтеза был, по существу, анаэробным. Развилась фиксация азота, поскольку часть ультрафиолетовой радиации проникала через атмосферу и быстро разлагала присутствующий аммиак.

Второй этап - слабоокислительный - отмечен появлением фотосинтеза. Он продолжался до завершения осадконакопления полосчатых железистых формаций докембрия. Аэробный фотосинтез начался предками цианобактерий. Кислород производился организмами, строящими строматолиты (рис. 13, б). Но кислород мало накапливался в атмосфере, так как реагировал с железом, растворенным в воде. При этом окислы железа осаждались, образуя полосчатые железистые формации докембрия. Только когда океан освободился от железа и других поливалентных металлов, концентрация кислорода начала возрастать по направлению к современному уровню.

Третий этап характеризуется развитием окислительной фотоавтотрофной биосферы. Он начался с завершения отложений полосчатых железистых кварцитов около 1800 млн лет назад, в эпоху Карельско-Свекофенского орогенеза. Для этого этапа развития биосферы характерно наличие такого количества свободного кислорода, которого достаточно для появления и развития животных, потребляющих его при дыхании.

Последние два этапа в развитии биосферы фиксированы в каменной летописи геологической истории. Первый этап - наиболее далекий и загадочный, и расшифровка его истории связана с решением основных проблем органической космохимии.

Некоторые организмы раннего докембрия, относящиеся к синезеленым водорослям и пианобактериям, мало изменились в ходе геологической истории. Можно полагать, что простейшие организмы обладали наиболее устойчивой персистентностью (от латинского persiste - упорствую). По существу, в течение всей истории Земли не было причин для того, чтобы некоторые морские микроорганизмы, в частности синезеленые водоросли и бактерии, сильно изменились.

В процессе формирования биосферы, примерно 1 млрд. лет назад произошло разделение живых существ на два царства -растений и животных. Как считает большинство биологов, различие между ними нужно делать по трем основаниям: 1) по структуре клеток и их способности к росту; 2) по способу питания; 3) по способности к движению.

При этом отнесение живого существа к одной из этих частей следует проводить не по каждому отдельному основанию, а по совокупности всех трех. Это связано с тем, что между растениями и животными существуют переходные типы, которые обладают свойствами той и другой группы. Так, например, кораллы, моллюски, речная губка всю жизнь остаются неподвижными, как растения, но по другим признакам их относят к животным. Существуют насекомоядные растения, которые по способу питания относятся к животным. В биологии известны также переходные типы живых организмов, которые питаются как растения, а двигаются как животные. В настоящее время на Земле существует 500 тыс. видов растений и 1,5 млн. видов животных, в том числе позвоночных - 70 тыс., птиц - 16 тыс., млекопитающих - 12540 видов.

Формирование и развитие биосферы предстает как чередование этапов эволюции, прерываемых скачкообразными переходами в качественно новые состояния. В результате при этом образовывались все более сложные и упорядоченные формы живого вещества. В истории биосферы бывали временные остановки прогрессивного развития, но они никогда не переходили в стадию деградации, поворота развития вспять. Чтобы убедиться в этом, достаточно посмотреть на основные вехи в истории развития биосферы:

Появление простейших клеток-прокариотов (клетки без ядра);

Появление значительно более организованных клеток-эукариотов (клетки с ядром);

Объединение клеток-эукариотов с образованием многоклеточных организмов, функциональная дифференциация клеток в организмах;

Появление организмов с твердыми скелетами и формирование высших животных;

Возникновение у высших животных развитой нервной системы и формирование мозга как органа сбора, систематизации, хранения информации и управления на ее основе поведением организмов;

Формирование разума как высшей формы деятельности мозга;

Образование социальной общности людей - носителей разума. Вершиной направленного развития биосферы стало появление в ней человека. В ходе эволюции Земли на смену периоду геологической эволюции пришел период геолого-биологический, который с появлением человека уступил свое место периоду социальной эволюции. Самые крупные изменения в биосфере Земли наступили именно в этот период. Появление и развитие человека ознаменовало переход биосферы в ноосферу - новую оболочку Земли, область сознательной деятельности человечества.

Организованность биосферы

Концепция В.И. Вернадского о биосфере как планетарной организации, являющейся закономерной частью космической организованности. Кибернетические принципы организации биосферы; иерархический порядок организации субординации живой природы Л.Берталанфи и общая теория систем; работы по биокибернетике И.И. Шмальгаузена и А.Н. Колмогорова. Пространственная и временная организации биосферы, явления 11симметрии в жизненных процессах. Экоинформатика и алгоритмический подход к информации в биологических системах. Механизмы самовоспроизводства живых систем на разных уровнях системной организованности (молекулярном, клеточном, организменном, популяционном, экосистемном, биосферном). Организация биосферы и космос, планетно-космические основы организации жизни, космические истоки возникновения и эволюции биологической организации, а также первичной биогеосферы.

Пространственная организация биосферы, временная организация и синхронизация процессов в биосистемах, структурно-функциональная организация биосферы.

Распространение живого вещества в биосфере и его влияние на свойства основных компонентов географической оболочки. Границы биосферы. Поле устойчивости и поле существования жизни. Вес и объем биосферы. Структура биосферы на термодинамическом уровне. Структура биосферы на физическом, химическом и биологическом уровнях организованности. Парагенетический уровень организованности биосферы. Представление о биогеоценотическом покрове Земли. Коэволюция атмосферы, литосферы, гидросферы и биосферы. Естественные факторы глобальных воздействий на биосферу.

Ноосфера. Новая эволюционная стадия биосферы

Биогеохимическая деятельность человека и ее геологическая роль. Масштабы воздействия человека на биосферу. Локальное и глобальное изменения природной организованности биосферы. Автотрофность человечества.

Становление переходной биосферно-ноосферной общности: нарушение газового и теплового баланса биосферы, эрозия земель, экологическое загрязнение среды. Крупные города как ноосферные центры.Формирование элементов новой ноосферной организованности (человечество становится единым целым).

Преобразование средств связи и обмена. Открытие новых источников энергии. Равенство всех людей. Исключение войн из жизни общества. Научная мысль - главная предпосылка перехода биосферы в ноосферу. Нравственная сила разума.

Концепции ноосферы Э.Леруа, Пьера Тейяра, Де Шардена и В.И. Вернадского. Черты сходства и различия. Материальность процесса перехода биосферы в ноосферу. Историческая неизбежность трансформации биосферы в ноосферу.

Понятие о складывающейся биосферно-ноосферной целостности. Управляющий природно-народнохозяйственный (ноосферный) комплекс и его составляющие. Природная среда (биосфера). Хозяйственная (технологическая) сфера. Социально-культурная сфера. Структурная модель ноосферного комплекса. Роль информационной составляющей. Ноосферные знания и базы данных. Ноосферная концепция как основа научного управления. Биосферно-ноосферное учение В.И. Вернадского - научный фундамент глобальной и социальной экологии. Глобальные экологические проблемы как результат нарушения сложившейся организованности биосферы.

Коэволюционный характер развития общества и природы на современном этапе развития биосферы. Вопросы экологического прогнозирования. Экологическая оценка природной среды и возможных антропогенных последствий в целях оптимизации биосферы.

Заключение

Итак, биосфера играет важную роль в распределении энергетических потоков на Земле. В год до Земли доходит около 1024 Дж солнечной энергии; 42 % из неё отражается обратно в космос, а остальное поглощается. Другим источником энергии является тепло земных недр. 20 % энергии переизлучается в мировое пространство в виде тепла, 10 % расходуется на испарение воды с поверхности Мирового океана. Зелёные растения преобразуют в процессе фотосинтеза около 1022 Дж в год, поглощают 1,7 108 т CO2, выделяют около 11,5 107 т кислорода и испаряют 1,6 1013 т воды. Исчезновение растений привело бы к катастрофическому накоплению углекислоты в атмосфере, и через сотню лет жизнь на Земле в её нынешних проявлениях погибла бы. Наряду с фотосинтезом в биосфере происходит почти такое же по масштабам окисление органических веществ в процессах дыхания и разложения. В организмах содержатся все известные сегодня химические элементы. Если некоторые из них (водород, кислород, углерод, азот, фосфор и другие) являются основой жизни, то другие (рубидий, платина, уран) имеются в организмах в очень малых количествах. Организмы участвуют в миграции химических элементов как прямо (выделение кислорода в атмосферу, окисление и восстановление различных веществ в почвах и гидросфере), так и косвенно (восстановление сульфатов, окисление соединений железа, марганца и других элементов). Биогенная миграция атомов вызвана тремя основными процессами: обменом веществ, ростом и размножением организмов. Огромную роль в биогеохимической активности играет человек, извлекая ежедневно в ходе добычи полезных ископаемых миллиарды тонн горной породы. Влияние человека на глобальные геохимические процессы с каждым годом только растёт. Поэтому необходимо знать откуда появилась биосфера, когда это произошло, и каким образом происходило ее развитие.

Список литературы

1.Войткевич Г. В. Космохимические основы зарождения жизни // 3емля и Вселенная. 1986. № 5. С. 84-90.

2.Клауд П. Биосфера // В мире науки. 1983. № 11. С. 102-113

3.Статья Неручаева Н.Г. http://www.biosphere21century.ru/articles/208

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Понятие биосферы как оболочки Земли, ее состав и структура. Особенности учения о биосфере В.И. Вернадского. Взаимосвязь эволюции биосферы с эволюцией форм живого вещества. Ресурсы биосферы - особый компонент природной среды. Пределы устойчивости биосферы.

реферат , добавлен 13.04.2014


Понятие и эволюция биосферы. Ресурсы биосферы. Пределы устойчивости биосферы. Современная деятельность человека во многом нанесла непредвиденный ущерб окружающей среде, что в конечном итоге угрожает дальнейшему развитию самого человечества.

реферат , добавлен 17.10.2005


Образование экосистем живыми существами. Образование планетарной экосистемы. Совокупность живых организмов планеты. Состав и строение биосферы. Вмешательство человека в природные процессы. Свойство саморегуляции биосферы. Основная масса живого вещества.

презентация , добавлен 21.05.2012


Общая характеристика концепции современного естествознания. Земли отличий от других планет Солнечной системы. Анализ работы В.И. Вернадского по соотношению форм движения материи. Понятие и сущность ноосферы и биосферы, их работа и взаимодействие.

контрольная работа , добавлен 20.12.2008


Учение В.И. Вернадского о биосфере. Ноосфера как новая стадия эволюции биосферы. Статические и динамические показатели популяции. Продолжительность жизни, рост численности популяции. Изучение процесса урбанизации. Экологические обязанности граждан.

контрольная работа , добавлен 24.02.2010


Определение биосферы как общепланетной оболочки. Масса биосферы. Географическая оболочка. Образование живых веществ и их распад. Кругооборот кислорода, углерода, азота, фосфора и воды. Замкнутый круг взаимозависимых и взаимоприспособленных организмов.

реферат , добавлен 09.03.2009


Разработка российским ученым, академиком В.И. Вернадским учения о биосфере. Определение границ биосферы. Обеспечение жизни на Земле. Важнейшие компоненты биосферы. Элементарная структурная единица биосферы. Основные положения теории В.И. Вернадского.

презентация , добавлен 12.10.2014


Сущность понятия "ноосфера". Становление научных знаний. Условия перехода биосферы в ноосферу, их выполнение в современном мире. Экологизация западного сознания. Положения ноосферного мировоззрения по А.К. Адамову. Основные ценности ноосферизма.

реферат , добавлен 20.11.2010


Целостное учение о биосфере, созданное русским биогеохимиком и философом Владимиром Ивановичем Вернадским. Способность биосферы возвращаться в исходное состояние после любых возмущающих воздействий. Концепция биотической регуляции и равновесия биосферы.

реферат , добавлен 15.06.2017


Учение В.Н. Вернадского о биосфере, как об активной оболочке земли. Связь геологических процессов в биосфере с деятельностью живого вещества. Зависимость существования биосферы от условий, созданных геологическими процессами. Проблемы биосферы сегодня.

Учение о биосфере

Согласно воззрениям основоположника современного учения о биосфере академика В.И. Вернадского, с момента возникновения жизни на Земле происходил процесс длительного формирования единства живой и косной материи, т. е. биосферы (от гр. bios - жизнь, sphaira - шар). Термин «биосфера» был введен в 1875 г. австрийским ученым, иностранным почетным членом Петербургской академии наук Э.Зюссом (1831 - 1914). Биосфера - область активной жизни Земли (ее оболочка), состав, структура и энергетика которой обусловлены в основном деятельностью живых организмов (живого вещества). Живое вещество, по Вернадскому, - это носитель свободной энергии в биосфере, где все главные организмы связаны со средой обитания самоуправляемыми биологическими и геохимическими процессами. Ученый четко обозначил верхний и нижний пределы распространения жизни. Верхний предел обусловливается лучистой энергией, приходящей из космоса, губительной для живых организмов. Здесь имеется в виду жесткое ультрафиолетовое излучение, которое задерживается озоновым слоем (экраном). Его нижняя граница проходит на высоте около 15 км, верхняя - на рекордной высоте полета птиц. Нижний предел жизни связан с повышением температуры в земных недрах. На глубине 3... 3,5 км температура достигает 100 "С. Нижний предел жизни в океане колеблется от 5 см до 114 м ниже поверхности морского дна. Общая структура биосферы, в состав которой входят нижняя часть атмосферы (до озонового пояса - на высоте 20...25 км); вся гидросфера - океаны, моря, поверхностные воды суши (до максимальных глубин - 11022 м); поверхность суши; литосфера - верхние горизонты твердой земной оболочки, приведена на рис. 1.1. Например озоновый «экран», или озоновый слой, - это слой атмосферы в пределах стратосферы, расположен на разной высоте от поверхности земли и имеет наибольшую плотность озона. Высота озонового слоя у полюсов равна 1... 8 км, у экватора 17... 18 км, а максимальная высота присутствия озона 45... 50 км. Выше озонового слоя существование жизни невозможно (из-за жесткого ультрафиолетового излучения Солнца). Важнейшие характеристики состояния биосферы - это атом биомассы, количество углерода и связанной в биомассе (на поверхности и в почве) энергии, годичный прирост и количество минеральных веществ, заключенных в биомассе. Живое вещество суши составляет 1012...1013 т, биомасса лесов - 1011...12 т, минеральные вещества и азот - 1010 т. Около 90% биомассы биосферы сосредоточено в лесах. Годичный прирост биомассы в тайге равен 4...7%, в лиственных лесах 10... 15%, прирост травы 30...50%.
Рис. 1.1. Строение биосферы (по Г.В.Стадницкому, 1997) На рис. 1.2 показаны границы биосферы и распределение в ней живых организмов. Организмы связаны с окружающей средой биогенным током атомов: своим дыханием и размножением. Миграция химических элементов с помощью живых организмов и создает необходимые для них условия существования. Живые организмы аккумулируют солнечную энергию, превращают ее в химическую и создают все многообразие жизни. Миграция химических элементов в биосфере связана с жизнедеятельностью живых организмов, их дыханием, питанием, размножением, смертью и разложением. Живые организмы принимают участие в перераспределении химических элементов, образовании горных пород и минералов, выполняют особые геохимические функции: газообмен, концентрационную, окислительно-восстановительную, созидания и разрушения. Живые организмы в биосфере можно изучать на уровне популяций (группа особей одного вида, совместно населяющих общую территорию), сообществ (организмов, связанных с неорганической средой) и экосистем (совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может осуществляться круговорот веществ). Экосистема относительно устойчива во времени и термодинамически открыта в отношении притока и оттока живого вещества и энергии. Рис. 1.2. Распределение живых организмов в биосфере: 1 - озоновый слой; 2 - граница снегов; 3 - почва; 4 - животные, обитающие в пещерах; 5 - бактерии в нефтяных водах В некоторых типах экосистем вынос живого вещества за их пределы настолько велик, что их стабильность поддерживается в основном за счет притока такого же количества вещества извне, тогда как внутренний круговорот малоэффективен. Таковыми являются проточные реки, ручьи, участки на крутых склонах гор. Другие экосистемы, например леса, луга, озера и др., имеют более полный круговорот веществ и относительно автономны. Количество живого вещества тех или иных организмов или всего сообщества, приходящееся на единицу площади или объема, называется биомассой. Биомасса, производимая популяцией или сообществом (на единицу площади) в единицу времени, называется биологической продуктивностью. Участок земной поверхности с определенным составом живых и косных (приземный слой атмосферы, почва и др.) компонентов, объединенных обменом веществ и энергии, называется биогеоценозом, т. е. элементарной однородной единицей биосферы. Основную долю биомассы суши составляют зеленые растения - 99,2%, а в океане только 6,3%, в то время как масса животных и микроорганизмов суши равна 0,8%, а в океане - 93,7%. Масса живого вещества на поверхности материков в 800 раз превышает биомассу океана. Биосфера в видовом и морфологическом отношении чрезвычайно многообразна. Сейчас на Земле существует более 2 млн видов организмов, из которых на долю животных приходится более 1,5 млн, растений - всего лишь около 500 тыс. видов. Необходимо отметить, что в своих взглядах В.И.Вернадский подошел к биосфере как к планетарной среде, в которой распространено живое вещество. В отличие от ряда ученых, которые рассматривали биосферу только как совокупность живых организмов и продуктов их жизнедеятельности, Вернадский считал, что живое вещество (в биохимическом понимании) не может быть оторвано от биосферы, функцией которой оно является. Кроме того, биосфера есть область превращения космической энергии, ибо космические излучения, идущие от небесных тел, проникают сквозь всю толщину биосферы. Поэтому, по Вернадскому, биосфера есть «планетарное явление космического характера» , в котором преобладает живое вещество как основа биосферы. В живых организмах на порядок увеличивается скорость химических реакций в процессе обмена веществ. К уникальным особенностям живого вещества можно отнести следующие признаки: - способность быстро занимать или осваивать все свободное пространство. Данное свойство дало основание Вернадскому сделать вывод, что для определенных геологических периодов количество живого вещества было примерно постоянным; - способность к адаптации в различных условиях и в связи с этим освоение не только всех средств жизни (водной, почвенной), но и крайне трудных по физико-химическим параметрам условий; - высокая скорость протекания реакций. Она на несколько порядков выше, чем в неживом веществе. Например, гусеницы некоторых насекомых потребляют за день количество пищи, которое в 100...200 раз больше веса их тела; - высокая скорость обновления живого вещества. Подсчитано, что для биосферы она составляет в среднем 8 лет, при этом для суши - 14 лет, а для океана, где преобладают организмы с коротким периодом жизни (например, планктон), - 33 дня; устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти, с сохранением высокой физико-химической активности. Так, в атмосфере смена кислорода происходит за 2000 лет, углекислого газа - за 6,3 года. Процесс полной смены вод на Земле (в гидросфере) осуществляется за 2800 лет, а время, необходимое для фотосинтетического разложения всей массы воды, насчитывает 5...6 млн лет. В работах российских ученых доказано, что главными составными элементами живого вещества являются кислород (65... 70%) и водород (10%). Остальные элементы представлены углеродом, азотом, кальцием (от 1 до 10%), серой, фосфором, калием, кремнием (от 0,1 до 1%), железом, натрием, хлором, алюминием и магнием. Таким образом, живое вещество - это совокупность и биомасса живых организмов в биосфере. В.И.Вернадский писал: «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, вместе взятые». Учение В.И.Вернадского о биосфере произвело переворот в геологии, во взглядах на причины ее эволюции. До Вернадского в эволюции верхних слоев литосферы, прежде всего земной коры, первенство отводилось физико-химическим процессам, в основном выветриванию. И только он показал преобразующую роль живых организмов, механизмов разрушения горных пород, изменения водной и атмосферной оболочек Земли. По Вернадскому, биосферу разделяют на необиосферу и палеобиосферу, более древнюю биосферу. В качестве примера последнего определения можно назвать скопления органических веществ (залежи каменных углей, нефти, горючих сланцев и др.) или запасы других соединений, образовавшихся при участии живых организмов (известь, мел, рудные образования, соединения кремния). Важнейшими особенностями биосферы являются ее организованность и устойчивое равновесие. Например, можно говорить о термодинамическом уровне организованности биосферы - наличии двух взаимосвязанных «слоев» верхнего, освещенного (фотобиосфере), и нижнего, почвенного (афотобиосфере). Термодинамический уровень организованности биосферы проявляется в специфике градиентов температуры в гидросфере, атмосфере и литосфере. Выделяют и другие уровни организованности и устойчивости биосферы. Современные философские концепции сводятся к тому, что процесс взаимодействия общества и биосферы должен быть управляемым во взаимных интересах. В отличие от биогенеза данный этап эволюции биосферы рассматривают в качестве этапа разумного развития, т.е. ноогенеза (от гр. noos - разум). Соответственно происходит постепенное превращение биосферы в ноосферу. Понятие «ноосфера» введено в XIX в. французским ученым и философом Э.Леруа (1870 - 1954) и развито французским философом Тейяр де Шарденом (1881 - 1955), а концепцию о ноосфере обосновал В. И. Вернадский. Под этим термином подразумевалось образование особой оболочки Земли со всеми ее атрибутами: обществом людей, строениями, языком и т.д. Ноосфера рассматривалась в качестве некоего «мыслящего пласта над биосферой». В.И.Вернадский считал, что ноосфера - это новое геологическое явление на Земле. В ней впервые человек становится мощной геологической силой. Но мыслить и действовать человек, как и все живое, может только в биосфере, с которой он связан и из которой не может выйти. На данном этапе эволюции жизни развитие пойдет по пути ноогенеза, являющегося этапом разумного регулирования взаимоотношений человека и природы, т.е. исправление уже имеющихся нарушений в природе и предотвращение нарушений и отклонений в будущем. По Вернадскому, биосфера неизбежно превратится в ноосферу, т.е. в сферу, где разум человека будет играть доминирующую роль в развитии системы человек-природа. Некоторые ученые рассматривают этот закон как социальную утопию. Но совершенно очевидно, что если человечество не начнет регулировать собственные воздействия на природу, опираясь на ее законы, то оно обречено на гибель. Условием создания ноосферы академик Вернадский считал научное и культурное объединение всего человечества, усовершенствование средств связи и обмена, открытие новых источников энергии, подъем благосостояния, равенство всех людей и исключение войн из жизни общества. К ключевым положениям учения о биосфере относятся функции живого вещества. К ним относится энергетическая функция - растения в процессе фотосинтеза аккумулируют солнечную энергию в виде органических соединений, энергия которых в дальнейшем является источником химической энергии биосферы. Внутри экосистемы эта энергия в виде «пищи» распределяется между животными. Например, коровы, овцы, козы и другие животные употребляют в качестве пищи траву и листву деревьев. Частично энергия рассеивается, а частично накапливается в отмершем органическом веществе. Это вещество переходит в ископаемое состояние. Так образовались залежи торфа, каменного угля, нефти и других полезных ископаемых. Другая функция - деструктивная, которая состоит в разложении, минерализации мертвого органического вещества и вовлечении образовавшихся минералов в биотический круговорот, а затем в разложении его (вещества) до простых органических соединений (углекислый газ, вода, метан, аммиак), которые вновь используются в начальном звене круговорота. Например, бактерии, водоросли, грибы, лишайники оказывают на горные породы сильнейшее химическое воздействие растворами целого комплекса кислот: угольной, азотной, серной. Разлагая с их помощью те или иные минералы, организмы извлекают и включают в биотический круговорот важнейшие питательные элементы: кальций, калий, натрий, фосфор, кремний. Третья функция - концентрационная. Эта функция заключается в избирательном накоплении в организмах атомов веществ, рассеянных в природе. Например, в морских организмах по сравнению с природной средой накапливаются в большом количестве микроэлементы, тяжелые металлы, в том числе ядовитые (ртуть, свинец, мышьяк и другие химические элементы). Их концентрация в рыбах может в сотни раз превосходить содержание в морской воде. Благодаря этому морские организмы полезны как источник микроэлементов. Четвертая функция живого вещества - средообразующая, состоит в трансформации параметров среды обитания (литосферы, гидросферы, атмосферы) в условиях, благоприятных для жизни организмов, в том числе человека, т. е. эта функция поддерживает в равновесии баланс вещества и энергии в биосфере. Вместе с тем живое вещество способно восстанавливать условия обитания среды, нарушенные в результате природных катастроф или антропогенного воздействия, если производимые возмущения не превышают пороговых значений. Несмотря на то, что общая масса живого вещества, покрывающая Землю, ничтожно мала, результаты жизнедеятельности организмов сказываются на составе литосферы, гидросферы и атмосферы. В.И.Вернадский объясняет такое состояние экосистемы тем обстоятельством, что масса организмов осуществляет свою планетарную роль за счет быстрого размножения, т. е. весьма энергичного круговорота веществ, связанного с этим размножением. Единственным источником энергии для всех природных процессов, развивающихся в биосфере, является солнечная радиация. Поток солнечной радиации на Землю приблизительно равен 4190 103 Дж/(м2- год). На единицу поверхности в среднем поступает 1/5 части общей величины потока. Сумма потоков солнечной энергии, приходящих к поверхности Земли и уходящих от нее, называется «радиационным балансом земной поверхности». Энергия радиационного баланса расходуется на нагревание атмосферы, испарение, теплообмен со слоями гидро- или литосферы и ряд других процессов. Некоторые из этих процессов влияют на фотосинтез, переходящий в форму химической энергии, и на создание органического вещества. Организмы, синтезирующие из неорганических соединений органические вещества с использованием энергии Солнца, называются автотрофами, а за счет энергии, освобождающейся при химических реакциях, - хемотрофа-ми. Организмы, питающиеся готовыми органическими веществами, называются гетеротрофами. Автотрофы и хемотрофы, производящие органическое вещество из неорганических соединений, называются продуцентами. Организмы, питающиеся органическими веществами и преобразующие их в новые формы, называются консументами. Организмы, превращающие в ходе жизнедеятельности органические остатки в неорганические вещества, называются редуцентами. Солнечная энергия на Земле вызывает два круговорота веществ: большой, или геологический, наиболее ярко проявляющийся в круговороте воды и циркуляции атмосферы, и малый, или биологический. Оба круговорота взаимосвязаны и представляют единый процесс. Геологический круговорот происходит в течение сотен тысяч или миллионов лет. Он заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе растворимые в воде, сносятся потоками воды в мировой океан. Здесь они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками. Биологический круговорот является частью геологического и заключается в том, что питательные вещества почвы - вода, углерод - аккумулируются в живом веществе растений, расходуются на построение тела и осуществление жизненных процессов как их самих, так и организмов-консументов. Продукты распада органического вещества попадают в почву из мезофауны (например, из бактерий, грибков, червей, моллюсков и др.) и вновь разлагаются до минеральных компонентов, опять-таки доступных растениям и вновь вовлекаемых ими в поток живых веществ. Малый круговорот веществ, втягивая в свои многочисленные орбиты косную среду, обеспечивает воспроизводство живого вещества и оказывает активное влияние на облик биосферы. Одним из положений учения о биосфере является установление закона сохранения (бережливости) биосферы. Смысл закона заключается в том, что атомы, вошедшие в какую-нибудь форму живого вещества, или с трудом возвращаются, или не возвращаются назад, т. е. можно говорить об атомах, остающихся в живой материи в течение геологических периодов.

Для биосферы характерно не только присутствие живого вещества. Она обладает также следующими тремя особенностями: в ней в значительном количестве содержится жидкая вода; на нее устремляется мощный поток энергии солнечных лучей; в ней находятся поверхности раздела между веществами, находящимися в трех фазах - твердой, жидкой и газообразной. В связи с этим в пределах биосферы осуществляется непрерывный круговорот вещества и энергии, в котором активнейшую роль играют живые организмы.

Биосфера аккумулирует и перераспределяет огромные потоки вещества и энергии. Этот процесс возможен только благодаря химическим свойствам циклических, или "органогенных", элементов, названных так В. И. Вернадским в геохимической классификации элементов за их способность к многочисленным химически обратимым процессам.

Циклический характер химических реакций сначала для газов атмосферы, особенно для кислорода, был предугадан учеными XVIII в. В четкой форме идеи химических циклов были высказаны шотландским ученым Дж. Принглем в 1773 г., когда он рассуждал о равновесии растительной и животной жизни по отношению к свободному кислороду и углекислоте, а затем А.Лавуазье. Французские ученые Ж. Б.Дюма и Ж. Буссенго в 1842 г. дали яркую картину химических циклов, а несколько позже К. Бишоф и Ю.Либих перенесли эти представления на зольные элементы земной коры. Именно такой биотический круговорот был назван В. И. Вернадским"организованностью биосферы". Важнейшим моментом здесь представляется геохимическая деятельность живого вещества.

В 1919 г. Вернадский писал: "Под именем живого вещества я буду подразумевать всю совокупность всех организмов, растительных

и животных, в том числе и человека. С геохимической точки зрения эта совокупность организмов имеет значение только той массой вещества, которая ее составляет, ее химическим составом и связанной с ней энергией". Тогда же ученый впервые высказал мысль об органогенном парагенезисе как факторе геохимических преобразований - совместном нахождении химических элементов в живом веществе, которое определяется биологическими свойствами организмов, а не химическими свойствами элементов.

К основным элементам органогенного парагенезиса В. И. Вернадский относил С, О, Н, N, S, Р, С1, К, Mg, Ca, Na, Fe, к которым обычно присоединяют еще Si, Mn, F, I, Со, В, Sr, Pb, Zn, Ag, Br, V. В живых организмах всегда содержится не менее 20 - 25 химических элементов.

Химические элементы, потребляемые организмами, способствуют протеканию в них биохимических процессов: дыхания, фотосинтеза, синтеза белков, белкового, углеводного и жирового обмена, поддержания гомеостаза внутренней среды, ее водно-солевого равновесия. Эти физиологические процессы определяют потребности живых организмов в тех или иных элементах в биологически доступной форме и протекание биогеохимических процессов в окружающей среде.

Из 105 химических элементов для построения живых организмов обязательны шесть: С, N, Н, О, Р, S. Для этих элементов характерны малая атомная масса, легкость отдачи и присоединения электронов. Главный элемент среди них - углерод. В силу электронейтральности атома, способности атомов соединяться в цепи углерод может образовывать бесконечное множество соединений. Остальные пять элементов также чрезвычайно легко образуют общие электронные пары с атомами других элементов, в том числе и друг с другом.

Что касается количества накапливаемых элементов, то 99,9 % живой массы организмов составляют элементы "исходной дюжины": Н, С, N, О, Na, Mg, Р, S, C1, К, Ca, Fe. Все они относятся к первым 26 самым легким элементам Периодической системы, на что обратил внимание еще Д.И.Менделеев. 99 % живой массы образовано всего четырьмя элементами: Н, С, N, О, которые отличаются высокой реакционной способностью, имеют хорошо растворимые соединения и активно взаимодействуют с углеродом.

Надо помнить, что никакие биохимические реакции на Земле не идут без воды, а наличие свободной воды является такой же важнейшей особенностью биосферы, как и деятельность "живого вещества". Даже пределы активной жизни в биосфере обусловлены возможностью нахождения здесь воды в жидком состоянии. Большое количество воды характерно для любых живых организмов настолько, что, как писал известный немецкий физиолог Э.Дюбуа-Реймон,

организм является одушевленной водой. Для живого организма связанная вода, не теряющая основных свойств, - непременный составной компонент. Количество ее в живых организмах, за исключением спор и инертных семян, колеблется от 60 до 99,7 %.

В биосфере круговорот элемента будет быстрым и устойчивым только в том случае, если вещества не только растворимы, но и летучи, т.е. если одно из соединений элемента может, подобно воде, возвращаться на сушу через атмосферу. Таких элементов в биосфере не менее трех: С, N и S. Среди их "воздушных" соединений - диоксид углерода (СО 2), метан (СН 4), свободный азот (N 2), аммиак (NH 3), сероводород (H 2 S) и диоксид серы (SO 2). Интересно, что в процессе круговорота углерод, азот и сера меняют свои валентности. Явно неслучайно, что все они находятся в биосфере в более восстановленной форме, чем в окружающей среде.

Современная биохимия полагает, что три основные химические реакции обеспечивают образование биомассы и биогенный круговорот:

фиксация углерода в процессе фотосинтеза или хемосинтеза, иначе говоря, карбоксилирование;

восстановление серы микробами - облигатными анаэробами;

восстановление азота путем присоединения водорода, т.е. гидрогенирование.

Из этих реакций только фиксация углерода непременно происходит в зеленом растении под действием солнечного света. Две другие реакции проводятся микробами в анаэробных условиях. Вода в принципе способна обращаться самостоятельно, без помощи биосферы. Но, будучи источником водорода, дающего биосфере энергию, вода не может не оказаться вовлеченной в реакции, идущие в живом веществе.

В обмене веществ между живой и неживой природой наиболее важно перераспределение газов. Растения, синтезируя органическое вещество, поглощают из атмосферы углекислый газ и выделяют кислород. Связывание в органическом веществе 1 г углерода сопровождается выделением 2,7 г кислорода. С каждого гектара луга за год в атмосферу выделяется 10-12 тыс. м 3 этого газа. Ежегодно запас кислорода пополняется на (7- 10) · 10 10 т за счет фотосинтеза зеленых растений.

Важнейшая стадия этого круговорота - фотосинтетическое восстановление диоксида углерода. По существу это реакция гидрогенирования, дающая в результате формальдегид. Источником водорода служит дегидрогенирование воды (отнятие у нее водорода); при этом попутно освобождается кислород. Такой способ накопления энергии химических связей свойствен только зеленым растениям, но аккумулированная энергия становится пригодной для использования и внутри организма для других жизненных

реакций, и в экосистеме для функционирования трофических (пищевых) цепей. Углерод, фиксированный растениями и использованный затем не только ими, но и животными, возвращается вновь окисленным до диоксида во внешнюю среду, где может включиться в любой геохимический круговорот.

Химическое восстановление азота - одна из важнейших реакций гидрогенирования - не может проводиться зелеными растениями, хотя его результат отнюдь не безразличен для них: круговороты углерода и азота тесно зависят один от другого. Без микроорганизмов, поглощающих азот из воздуха и гидрогенирующих азот (источником углерода для них служит его диоксид), весь азот биосферы вскоре перешел бы в атмосферу и остался там в устойчивой окисленной форме.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВЛАДИВОСТОКСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭКОНОМИКИ И

СЕРВИСА

ИНСТИТУТ ИНФОРМАТИКИ ИННОВАЦИЙ И БИЗНЕС-СИСТЕМ

КАФЕДРА ЭКОЛОГИИ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ

020801.65 «Экология»

Владивосток

Издательство ВГУЭС

Рабочая программа учебной дисциплины «Учение о биосфере» составлена в соответствии с требованиями ГОС ВПО.

Составитель: , доцент кафедры экологии

Утверждена на заседании кафедры ЭПП от 01.01.2001 г., протокол № 6, редакция 2014 г.

© Издательство Владивостокский

государственный университет

экономики и сервиса, 2014

ВВЕДЕНИЕ

Учение о биосфере – естественнонаучная дисциплина, направленная на формирование у студентов экологов биоцентрического мировоззрения и способностей оценить профессиональную деятельность с позиций рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды . Природная среда биосферы обеспечивает человека сырьевыми ресурсами, энергией, различными материалами. Учение о биосфере помогает понять взаимосвязь организмов, популяций со средами обитания, взаимоотношения природных и антропогенных экосистем, условия устойчивого состояния экосистем, причины возникновения экологического кризиса, экологические принципы рационального природопользования , которые обеспечивают устойчивое развитие человечества. Изучая дисциплину «Учение о биосфере» студенты экологи рассматривают биосферу как глобальную экосистему, еѐ состав, структуру, внутренние связи, обеспечивающие еѐ функционирование и устойчивость. Дают оценку основным источникам загрязнения, анализируют экологические проблемы урбанизированных территорий. Изучают пути защиты биосферы от техногенного воздействия, рассматривают проблемы и пути сохранения биоразнообразия. Особое внимание уделяют проблемам влияния человека на глобальные процессы и климат биосферы. Изучение разных процессов биосферы позволяет воспитывать экологически ориентированное сознание студентов и формировать у них «экологизированный» стереотип поведения. Дисциплина «Учение о биосфере» направлена на изучение основных закономерностей функционирования природных систем различного уровня биосферы, факторов определяющей еѐ устойчивость, продуктивность, энергетику. Выявляется роль живого вещества в биогеохимических циклах, показывается логическая связь между традиционными исследованиями проблем взаимодействия природы – общества – хозяйства и концепцией устойчивого развития человечества, стремящейся к конструктивным решениям экологических проблем. Оценивается состояние глобальной экосистемы и пути стабилизации, улучшения современной биосферы. Изучение данного курса тесно связано с такими дисциплинами как «Биология», «Химия», «География», «Геология», «Почвоведение».

Особенностью изучения дисциплины «Учение о биосфере» является комплексный подход к экологическим проблемам, что дает возможность приобрести студентам экологам необходимую эрудицию, понять взаимосвязь биогеохимических процессов в биосфере. Для усвоения дисциплины необходимы базовые знания по географии, биологии, хи-мии, геологии, экологии, почвоведению.

1. ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

1.1. Цели и задачи дисциплины

Целью дисциплины является ознакомление студентов с основными понятиями, проблемами и методами науки «Учение о биосфере». Дисциплина предназначена для студентов по специальности 020801.65 – Экология. Основные задачи дисциплины – формирование навыков и умения по следующим направлениям деятельности:

· изучение основ «Учения о биосфере», еѐ границ и эволюции;

· характеристика биогенной миграции, биогеохимических круговоротов веществ, пространственно-временной цикличности химических элементов;

· ознакомление с планетарно-космической организованностью биосферы;

· рассмотрение термодинамической направленности развития биосферы, трансформации энергии живым веществом;

· изучение ноосферной концепции, как основы научного управления;

· формирование профессиональных компетенций .

1.2. Перечень компетенций, приобретаемых при изучении дисциплины

Дисциплина формирует профессиональный взгляд на геохимические , биогеохимические и биологические аспекты биосферы. Концепция биосферы направлена на формирование целостного представления о процессах и явлениях в глобальной экосистеме, о механизмах и законо-мерностях устойчивого существования биологических систем разного уровня в условиях сложной и динамической среды. Знания, полученные в процессе изучения дисциплины, формируют экологическое, ноосферное мировоззрение студента и развивают логическое мышление на всех уровнях организации живой материи (организменном, популяционном, экосистемном, биосферном).

1.3. Основные виды занятий и особенности их проведения

Общий объем дисциплины для специальности 020801.65 Экология 200 часов, из них 68 часов аудиторной нагрузки (34 часа лекции, 34 часа практические занятия) и 132 часов самостоятельной работы. Дисциплина «Учение о биосфере» изучается в 5 семестре, 4 часа в неделю, из них 2 часа лекции, 2 часа практических занятий. Дисциплина завершается сдачей экзамена. Основные виды занятий : - лекции, на которых дается основной систематизированный материал о структуре, организованности, свойствах и функциях биосферы; - практические занятия способствуют формированию у студентов экологов представления о взаимоотношениях организмов со средой обитания, структуре биосферы, еѐ эволюции, глобальных проблемах окружающей среды. Семинарские и практические занятия развивают умения прогнозировать результаты профессиональной деятельности с учетом прямых и косвенных последствий для биосферы; - консультации включают помощь при самостоятельном освоении материала; - самостоятельная работа включает в себя: работу с учебной и наеучной литературой при подготовке к практическим семинарским занятиям , контрольным работам и написании курсовой работы . В ходе изучения данной дисциплины студенты экологи слушают лекции, получают практические навыки на практических занятиях, занимаются, самостоятельно используя научную литературу , библиотечные электронные базы данных и Интернет при подготовке к экзамену и при защите курсовой работы.

1.4. Виды контроля и отчетности по дисциплине

Изучение дисциплины завершается экзаменом в 5 семестре. Студент должен на экзамене показать фактическую базу знаний планетарно-космической организованности биосферы, умение устанавливать причинно-следственные связи, формулировать выводы. Используются следующие виды контроля: - текущая аттестация, включающая выполнение студентом контрольных письменных заданий, устного опроса, докладов на семинарских занятиях, посещение лекций, тестирования.

1.5 Виды контроля и отчетности по дисциплине

Контроль успеваемости студентов осуществляется в соответствии с рейтинговой системой оценки знаний.

Текущий контроль успеваемости содержит задания, которые способствуют развитию компетенций профессиональной деятельности, к которой готовится студент и включает:

Проверку уровня самостоятельной подготовки бакалавра при выполнении индивидуального задания, при подготовке к лекциям и практическим работам ;

Участие бакалавра в дискуссиях по основным моментам изучаемой темы;

Microsoft Office (Excel, Word, Power Point, Acrobat Reader), Internet explorer, или другое аналогичное.

б) техническое и лабораторное обеспечение

Лекции и практические занятия проводятся в аудиториях с использованием мультимедийного оборудования

7. СЛОВАРЬ ОСНОВНЫХ ТЕРМИНОВ

Антропогенез - процесс историко-эволюционного формирования физического типа человека, первоначального развития его трудовой деятельности, речи, а также общества.

Биосфера - своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами

Биоцентризм - научный подход в природоохранном деле, ставящий превыше всего интересы живой природы (какими они представляются человеку).

Устойчивое развитие - гармоничное (правильное, равномерное, сбалансированное) развитие - это процесс изменений, в котором эксплуатация природных ресурсов, направление инвестиций, ориентация научно-технического развития, развитие личности и институциональные изменения согласованы друг с другом и укрепляют нынешний и будущий потенциал для удовлетворения человеческих потребностей и устремлений.

Экологическая катастрофа – это внезапное событие, быстротекущий процесс, влекущий тяжелые последствия для экосистем, их разрушение, жертвы. Причиной таких изменений могут служить как внешнее воздействие на систему, так и разрядка ее внутренних напряжений, превысивших прочность структуры.

Экологический кризис – значительное региональное или локальное нарушение условий среды, которое приводит к полному или частичному нарушению местных экологических систем.