Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция 3
УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ И
ВЗАИМОСВЯЗАННОСТИ ПРОЦЕССОВ В НЕЙ
Понятие о биосфере, экосистеме, биогеоценозе и агроценозе
Возникновение жизни на Земле стало возможным в ходе длительной химической эволюции. Формирование биосферы сопровождалось рядом крупных экологических катастроф, вызванных дисбалансом тепла и влаги. Роль тепла и влаги в становлении биосферы чрезвычайно велика: жизнь существует там, где есть вода в жидком состоянии и, куда проникает солнечная радиация.
Биосфера – слово греческое и означает в переводе на наш язык : БИО - жизнь, СФЕРА – шар, т.е. биосфера – это есть сфера жизни. Впервые термин биосфера был введен в науку геологом из Австрии Э. Зюссом в 1875 г. Он понимал под биосферой тонкую пленку жизни на земной поверхности или тот слой около земного пространства, где обитают живые существа, взаимодействующие с воздухом, водой и земной корой.
Биосфера – часть оболочки Земли или это многокомпонентная, сложная, саморегулирующаяся система, структура и энергетика которой обусловлены прошлой и современной деятельностью живых организмов.
Подобно тому, как любой организм состоит из многочисленных функциональных единиц – клеток, так и биосфера слагается из функциональных единиц, клеток биосферы – экологических систем.
Экосистема – это сочетание живых организмов и окружающей среды в качестве взаимодействующей системы, которая является следствием взаимодействия растений с растением, животного с животным, растений и животных друг с другом и всех живых организмов с окружающей средой и физической среды с ними.
Экологические системы могут быть весьма многочисленными и разнообразными. Даже на сравнительно небольшой территории могут существовать экосистема леса и экосистема луга, экосистема озера и экосистема болота, переходные экосистемы почвы и грунтовых вод. И у каждой из этих систем свой набор растений, животных, микроорганизмов.
Однако существуют и очень крупные экологические системы, объединяющие большое число отдельных экосистем. Их называют биомы.
Биомами являются: леса, степи, тундра, пустыни, тропические дождевые леса. Существует также экосистема человека, которая наряду с человеком включает культурные растения и домашних животных.
Экосистемы являются совокупностью сообществ определенного видового состава, объединенных единым местом обитания. Переходы между крупными экосистемами (биомами) постепенны (например, между лесом и степью имеется переходная зона лесостепь).
Важнейшим свойством экосистемы является саморегуляция, которая обеспечивается высокой адаптацией отдельных организмов, популяций и биоценозов, наличием замкнутого круговорота веществ в пределах каждой экосистемы. Если подобный круговорот остается ненарушенным, несмотря на внешние воздействия, экосистема остается стабильной длительное время.
Для каждой экосистемы существует свой пороговый уровень внешних воздействий, при котором экосистема переходит в качественно новый уровень или гибнет. Снятие воздействия не приводит к восстановлению исходного состояния экосистемы. Она может самостоятельно восстановится эволюционным путем, либо заменится другой экосистемой. Например, погибший хвойный лес вначале замещается лиственным лесом, а затем в ходе длительной эволюции доминантными вновь становится хвойные породы. Такое свойство экосистем называется необратимостью.
Биогеоценоз (термин предложен академиком В.Н. Сукачевым в 1940г.) био – жизнь, гео –земля, ценоз – общий. Под биогеоценозом следует понимать сообщество растений (фитоценоз) и животных (зооценоз), которые обитают на соответствующем участке земной поверхности, имеющем свой микроклимат, структуру, почву и водный режим. Проще говоря – это единое сообщество растений, животных и окружающей среды, которые находятся в тесной взаимосвязи друг с другом. Биогеоценозы разнообразны и формировались они в зависимости от климата и истории участка земли. Поэтому они в различной степени насыщены жизнью. Чем разнообразнее и сложнее биогеоценоз, тем выше его устойчивость, способность противостоять различным внешним и внутренним воздействиям. Процесс формирования связей в биогеоценозах происходил последовательно и поэтапно. В результате сложились определенные закономерности изменения биогеоценозов во времени – сукцессии. Например, восстановление лесов после пожара происходит поэтапно: вначале территории занимают светолюбивые породы, а затем последовательно породы сменяются на более теневыносливые. При этом лес принимает все большую биологическую устойчивость.
Устойчивость биогеоценозов определяется тем, что виды организмов, образующие их в процессе развития приспособились друг к другу настолько, что они как бы заботятся о целостности, устойчивости, оптимальной структуре своего биогеоценоза. Например, на пастбищах максимальная продуктивность травостоя бывает не в заповедных условиях, а когда ее потребление, т.е. выпас, соответствует определенной норме.
Устойчивость биогеоценозов определяется так же тем, что составляющие биогеоценоз организмы – не простой конгломерат особей различных видов, а совокупность популяций видов, т.е. качественно определенных группировок особей, способных при изменяющихся условиях среды поддерживать свою численность в оптимальных размерах.
Агроценоз (агрозооценоз) – созданное человеком сообщество растений или животных с целью получения сельскохозяйственной продукции. Как правило, агроценоз состоит из небольшого числа растений и животных видов. Во всем мире агроценозы составляют огромные посевные площади и многочисленные стада домашних животных.
Состав и границы биосферы
Биосфера сейчас рассматривается как глобальная экологическая система. Земля и окружающая ее среда сформировалась в результате закономерного развития всей Солнечной системы. Как и другие планеты, Земля получает энергию от Солнца, достигающую земной поверхности в виде электромагнитного излучения. Солнечное тепло – одно из главных слагаемых климата Земли, основа для развития многих геологических процессов. Огромный тепловой поток исходит из глубины Земли.
По новейшим данным, масса Земли составляет 6*1021 т, объем – 1,083*1012 км3, площадь поверхности – 510,2 млн км2. Размеры, а, следовательно, и её природные ресурсы нашей планеты ограничены.
Наша планета имеет неоднородное строение и состоит из концентрических оболочек (геосфер) – внутренних и внешних. К внутренним - относятся ядро, мантия, а к внешним – литосфера, тропосфера и гидросфера – как субглобальные экосистемы и отсюда:
Распространенность биосферы определяется по наличию живых организмов, а также по продуктам их жизнедеятельности.
Важнейшие компоненты биосферы:
За верхнюю границу биосферы в зависимости от географической широты ориентировочно принимают высоту 10-15 км, однако в последнее время учеными обнаружена жизнь бактерий и на высоте до 80-85 км.
Нижней границей биосферы являются самые глубокие океанические впадины (более 11 км ниже уровня моря). То есть, протяженность биосферы по вертикали достигает 25-30 км. Однако, человека в практической жизни интересует пока только верхний слой океана не более 100 м и поверхность земли до границ возможного обитания человека (5 км).
Учение В.И. Вернадского о биосфере
Заслуга в разработке стройного, целостного учения о биосфере как «области жизни» принадлежит академику В. И. Вернадскому. Он назвал биосферой оболочку Земли, в формировании которой живые организмы играли и играют основную роль, и выделил в ней три главных компонента:
Вернадский понимал под биосферой все части, земной коры, которые подвергались в течение геологической истории влиянию организмов. Многие же исследователи, особенно за рубежом, вкладывали в это понятие несколько
иной смысл, сужая представление о биосфере и рассматривая ее лишь как ту часть поверхности Земли, которая находится под влиянием деятельности живых организмов в настоящее время. Однако это неверная точка зрения, поскольку состав, структура и энергетика современной биосферы в существенных чертах обусловлены не только настоящей, но и прошлой деятельностью живых организмов.
В основу учения Вернадского о биосфере положено представление о планетарной геохимической роли живого вещества в образовании биосферы, как продукта длительного превращения веществ и энергии в ходе геологического развития Земли. В пределах биосферы везде встречается либо само живое вещество, либо следы его деятельности: газы атмосферы; природная вода; запасы нефти, угля, известняка; глины; сланцы; граниты и др.
Современная биосфера представляет собой сложную систему, состоящую из многих компонентов, которые включают всю живую и неживую природу. Она охватывает часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы, взаимосвязанные биогеохимическими циклами миграции веществ и энергии.
По Вернадскому, живое вещество — это совокупность существующих (или существовавших в определенный отрезок времени) живых организмов, являющихся мощным геологическим фактором.
Вернадский указывал, что живое вещество аккумулирует энергию космоса, трансформирует ее в энергию земных процессов (химическую, механическую, тепловую, электрическую и пр.) и в непрерывном обмене веществ с косной материей планеты обеспечивает образование нового живого вещества, которое не только замещает отмирающие его массы, но и привносит новые качества, определяя процесс эволюции органического мира.
Таким образом, живое вещество биосферы химически и геологически является чрезвычайно активным. При его участии образуются органические осадочные породы - биогенные вещества биосферы, а также биокосные вещества - почти вся вода биосферы, почва, кора выветривания и т. д. Вместе с тем живое вещество контролирует все основные химические превращения в биосфере.
Различают шесть основных функций живого вещества на нашей планете.
Энергетическая функция заключается в осуществлении связи биосферно-планетарных явлений с космическими факторами, преимущественно с солнечной радиацией. В основе: этой функции лежит фотосинтезирующая деятельность зеленых растений, в процессе которой происходит аккумуляция
солнечной энергии и её перераспределение между отдельными компонентами биосферы. За счет накопленной солнечной энергии протекают все жизненные процессы на Земле.
Газовая функция обусловливает миграцию газов и их превращение, обеспечивает газовый состав биосферы. Преобладающая масса газов на Земле имеет биогенное происхождение. В процессе функционирования живого вещества появляются основные газы: кислород, азот, углекислый газ, сероводород, метан и др.
Концентрационная функция проявляется в извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов окружающей среды. Состав живого вещества существенно отличается от состава косного вещества планеты. В нем преобладают легкие атомы водорода, углерода, азота, кислорода, натрия, магния, алюминия, кремния, серы, хлора, калия, кальция. Концентрация этих элементов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде. Этим объясняется неоднородность химического состава биосферы.
Окислительно-восстановительная функция заключается в химическом превращении в основном веществ, содержащих атомы с переменной степенью окисления (соединения железа, марганца и др.). В результате происходит превращение большинства химических соединений. При этом на поверхности Земли преобладают биогенные процессы окисления и восстановления.
Деструкционная функция обусловливает процессы, связанные с разложением организмов после их смерти, вследствие которой происходит минерализация органического вещества, т. е. превращение живого вещества в косное. В результате образуются также биогенное и биокосное вещества биосферы.
Информационная функция заключается в накоплении, сохранении и передаче молекулярно генетической информации, накопленной в ходе эволюции и обеспечивающей их дальнейшее существование.
Возникновение и развитие биосферы
Жизнь возникла на основе круговорота органического вещества, обусловленного взаимодействием процессов его синтеза и разрушения (деструкция). Это произошло вследствие того, что из общего геологического круговорота веществ выделился биотический круговорот. Живое вещество, образовавшись на Земле, вовлекло в грандиозный круговорот все ее элементы. Так начался процесс формирования биосферы, продолжающийся до настоящего времени. Вначале биосфера функционировала как взаимодействие одноклеточных организмов. Затем появились многоклеточные организмы. Они развились до современных форм.
Биосфера с момента возникновения претерпевает постоянные изменения, проявляющиеся в увеличении разнообразия видов, в усложнении их организации, росте биомассы. В процессе жизнедеятельности организмов коренным образом преобразовалась и неживая часть биосферы. В атмосфере появился свободный кислород, а в ее верхних слоях - озоновый экран. углекислота, извлеченная организмами из воды и воздуха, законсервировалась в отложениях угля и карбоната кальция, некоторые вещества надолго выключились из круговорота веществ (залежи полезных ископаемых). Вместе с этим происходило выветривание горных пород, в котором живые организмы также принимали активное участие. Выделяя углекислоту, органические и минеральные кислоты, они способствовали постоянной миграции химических элементов.
Таким образом, суммарная жизнедеятельность развивающихся организмов определяет особенности биосферы, которая в свою очередь обусловливает возможность выживания и направление эволюционных преобразований отдельных видов.
Основные этапы эволюции биосферы как глобальной среды жизни на Земле следует рассматривать с точки зрения формирования основных сред жизни. Отсюда можно выделить пять исторических этапов эволюции биосферы:
I - возникновение и развитие жизни в воде;
II - появление у гидробионтов симбионтов (паразиты, мутуалисты и др.),
т. е. формирование новой среды жизни - организмов-хозяев;
III - заселение организмами суши и формирование новых сред жизни: наземно-воздушной и почвой;
IV - появление человека и превращение его из обычного биологического вида в биосоциальное существо;
V - переход биосферы под влиянием разумной деятельности человека в новое качественное состояние - в ноосферу.
Возникновение и развитие ноосферы
Эволюция органического мира на нашей планете прошла несколько этапов. Первый – характеризовался возникновением биологического круговорота веществ в биосфере. Второй – сопровождался формированием многоклеточных организмов и, вследствие этого, усложнением циклической структуры жизни. Эти два этапа часто называют биогенезом (от греч. bios - жизнь и qenesis - происхождение, возникновение). Третий этап связан с появлением человеческого общества, под влиянием которого в современных условиях происходит дальнейшая эволюция биосферы и превращение ее в сферу разума - в ноосферу (от греч. noos - разум и sphaira - шар). Это новое состояние биосферы, когда разумная деятельность человека становится главным фактором, обусловливающим ее развитие.
Понятие «ноосфера» было введено в употребление Э. Леруа и Де Шарденом в 1927 г. Они характеризовали ноосферу как особый, надбиосферный «мыслительный пласт», который окутывает планету». В 1930-1940-х гг. В. И. Вернадский дальше развил и углубил учение о ноосфере. Он понимал под ноосферой качественно новую форму организованности, которая возникла в результате взаимодействия биосферы и общества как новое эволюционное состояние биосферы. По Вернадскому, ноосфера - высший тип целостности, управляемый за счет тесной взаимосвязи законов природы, мышления и социально-экономических законов общества. Отдельные структурно-функциональные элементы ноосферы формируются уже на современном этапе общественного развития. Процесс перерастания биосферы в ноосферу будет усиливаться по мере объединения общества для разрешения общечеловеческих, глобальных проблем развития.
В общих чертах превращение биосферы в ноосферу можно представить следующим образом (рис. 1.4). Вначале человек брал у биосферы средства к существованию и отдавал ей то, что в биосфере могли использовать другие организмы. Поэтому деятельность людей на этом этапе незначительно отличалась от деятельности других организмов. По мере развития человеческое общество начинало оказывать все более разрушительное воздействие на биосферу. В современных условиях человек уже осознает, что он должен считаться с ее законами развития и возможностями. При переходе биосферы в ноосферу перед человечеством возникает огромная по масштабами и значению задача - научиться сознательно регулировать взаимоотношения общества и природы.
Ноосфера - это период, когда человечество с помощью науки сможет осмысленно управлять природными и социальными процессами. Поэтому нельзя ноосферу считать особой оболочкой Земли. Ноосфера не может быть охвачена ни одной естественной наукой, здесь имеет место взаимодействие и взаимопроникновение естественных и общественных наук. При этом в проблеме ноосферы доминирующей является социальная сторона, а не наука и техника. Кризисные экологические ситуации, приближение глобального экологического кризиса, энергетический, продовольственный, экономический и другие кризисы - это результат социальных условий.
Глубокий анализ процесса перехода биосферы в ноосферу дает М.И. Будыко (1984). Формирование биосферы он связывает с пятью процессами: 1 - человечество стало единым целым, научно-техническая революция охватила весь земной шар; 2 - осуществилась коренная перестройка связи и обмена; ноосфера явилась иным организованным целым, все части которого на различных уровнях действуют согласованно друг с другом; 3 - открытие новых источников энергии; ноосфера предусматривает коренную перестройку
Рис. 1. Эволюция биосферы (по М. М. Камшилов, 1974):
1 - в большом абиотическом круговороте веществ (А) возникла биосфера (Б); 2 - по мере развития жизни она расширяется; 3 - в ней появляется человеческое общество (4); 4 - человеческое общество начинает поглощать вещество и энергию не только через биосферу, но и непосредственно из абиотической среды (Т); 5 - биосфера, превратившаяся в ноосферу (Н), стала развиваться под контролем разумной деятельности человека (ноогенез).
человеком окружающей природы, поэтому ему не обойтись без колоссальных источников энергии; 4 - ноосфера предусматривает социальное равенство всех людей и подъем их благосостояния; 5 - по мере развития ноосферы появится возможность регулировать состояние биосферы в соответствии с потребностями человеческого общества.
Свойства биосферы
Особенностью биосферы является биологический круговорот веществ. Имеется большой круговорот - геологический, связанный с выветриванием. В процессе эволюции в биосфере «отработана» совершенно замкнутая система – биотический круговорот веществ, который упрощенно выглядит так: растения (продуценты) улавливают солнечный свет, поглощают углекислый газ, минеральные вещества и выделяют кислород; живые организмы (консументы) потребляют кислород, поедают растения и выделяют углекислоту; отмершие растения и мертвых животных организмы разрушают микроорганизмы, грибы (редуценты), которые превращают их в
минеральные или простые органические соединения, доступные для потребления их растениями. Этот процесс непрерывный, происходящий одновременно с геологическим круговоротом веществ.
Выделяют шесть основных свойств биосферы:
1. Множественность. Существует громадное количество экосистем микро-, мезо- и макроуровня, которые образуют современную биосферу. А различное сочетание живого вещества, мертвой органики, растительности и т.д. проявляется в современном облике земли.
2. Гомеостаз. Способность биосферы сохранять равновесие за счет саморегуляции и самовозобновления свои свойства при внешних и внутренних воздействиях.
3. Постоянство притока космической энергии из космоса. Это свойство дает возможность существовать экосистемам и соответственно биосфере в стабильном состоянии. Живое вещество является хранилищем, трансформатором, аккумулятором поступающей энергии. Благодаря этим свойствам биосферы происходят процессы самоочищения. Главным источником этого процесса является космическая энергия.
4. Постоянное воспроизводство планетарной биомассы. Оно обеспечивается за счет постоянного и стабильного притока энергии солнца на поверхность Земли и глобального процесса – фотосинтеза, осуществляемого растениями и сине-зелеными водорослями. Сейчас в биосфере из-за негативного антропогенного воздействия происходит дисбаланс между природой и человеком.
5. Биогеохимический круговорот веществ и их миграция. В результате этого свойства происходит обмен веществ. По В.Р. Вильямсу существует два основных типа биохимического круговорота веществ в природе – геологический (большой) и биотический (малый). Эти два круговорота обеспечивают использование солнечной энергии, воды, углерода, питательных веществ (NPK) в природе и их миграцию в биосфере: от живого к неживому и обратно. Они действуют постоянно и одновременно.
6. Гетерогенность, мозаичность, изменчивость. На земле, как на суше, так и на водных пространствах имеются существенные различия: в количестве накапливаемой биомассы, видовом составе (по жизненным формам) биомов, рельефу земной поверхности и др., которые постоянно эволюционируют и изменяют облик Земли.