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 5
Тема: Биосфера – глобальная экосистема.
План
1. Общие закономерности организации биосферы. Структура и границы.
2. Закон В.И. Вернадского о биогенной миграции атомов в биосфере.
3. Основные функции живого вещества.
4. Место человека в биосфере. Концепция и критерии ноосферы.
Впервые понятие «биосфера» введено в биологию французским натуралистом
Ж.-Б. Ламарком в Париже в начале XIX столетия, а затем в геологию австрийским ученым Эдуардом Зюссом в 1875 году. Зюсс использовал термин «биосфера» для обозначения оболочки Земли, населяемой живыми организмами. Заслуга в разработке стройного, целостного учения о биосфере как «области жизни» принадлежит академику В. И. Вернадскому, который в 20-х годах прошлого века разработал представление о биосфере как глобальной единой системе Земли, где весь основной ход геохимических и энергетических превращений определяется жизнью.
Биосферой Вернадский назвал ту область нашей планеты, в которой сущестувет или когда-либо существовала жизнь и которая постоянно подвергается или подвергалась воздействию живых организмов.
В настоящее время биосферой называют оболочку Земли, состав, структура и энергетика которой определяются совокупной деятельностью живых организмов. Это та область нашей планеты, в которой существует или когда-либо существовала жизнь и которая постоянно подвергается или подвергалась воздействию живых организмов.
Участие каждого отдельного организма в геологической истории Земли ничтожно мало. Однако живых существ на Земле бесконечно много, они обладают высоким потенциалом размножения, активно взаимодействуют со средой обитания и, в конечном счете, представляют в своей совокупности особый, глобальных масштабов фактор, преобразующий верхние оболочки Земли.
Для обозначения совокупности всего живого на Земле вместе с его непосредственным окружением и ресурсами введем термин "современная биосфера" или "экосфера". Экосфера непрерывной оболочкой одевает земной шар, а ее протяженность по вертикали меняется от долей метра - в областях чрезвычайно скудной жизни (арктические и антарктические пустыни) - до тысяч метров. Биосфера, являясь глобальной экосистемой (экосферой), как и любая экосистема, состоит из абиотической и биотической части.
Абиотическая часть представлена: 1) почвой и подстилающими ее породами до глубины, где в них еще есть живые организмы, вступающие в обмен с веществом этих пород и физической средой порового пространства; 2) атмосферным воздухом до высот, на которых возможны еще проявления жизни, 3) водной средой океанов, рек, озер и т. п.
Биотическая часть состоит из живых организмов всех таксонов, осуществляющих важнейшую функцию биосферы, без которой не может существовать сама жизнь: или биогенный ток атомов. Живые организмы осуществляют этот ток атомов благодаря своему дыханию, питанию и размножению, обеспечивая обмен веществом между всеми частями биосферы.
Итак, современная биосфера представляет собой сложную систему, состоящую из многих компонентов, которые включают всю живую и неживую (среда обитания) природу. Она охватывает часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы, взаимосвязанные биогеохимическими циклами миграции веществ и энергии. Нижняя граница биосферы опускается в среднем на 2—3 км на суше (ограничение – температура горных пород т подземных вод) и на 1—2 км ниже дна океана, верхняя – до высоты озонового экрана (20—25 км, где происходит нарастание с высотой ультрафиолетовой радиации). 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.
Живые организмы могут существовать в широком диапазоне химических условий среды. Первые живые существа Земли жили в бескислородной атмосфере. Анаэробный обмен свойствен и многим современным организмам, в том числе многоклеточным.
Вернадский, рассматривая биосферу как область жизни, включающую наряду с организмами и среду их обитания, выделил в Биосфере 7 разных, но геологически взаимосвязанных типов веществ:
Живое вещество в основном состоит из элементов, являющихся водными и воздушными мигрантами, т.е. образующих газообразные и растворимые соединения. Заслуживает внимания то обстоятельство, что 99,9% массы живых организмов приходится на те 14 элементов, которые преобладают и в земной коре, составляя в ней 96,9%, хотя и в других соотношениях. Таким образом, жизнь - это химическое производное литосферы. В организмах обнаружены почти все элементы таблицы Д.И. Менделеева, т.е. они характеризуются той же химией, что и неживая природа.
Все живое вещество по своей массе занимает ничтожную долю по сравнению с любой из верхних оболочек земного шара. По современным вероятностным оценкам общее количество массы живого вещества в современную эпоху составляет порядка 2420 млрд. т. (Это одна десятимиллионная часть массы литосферы). Однако в качественном отношении живое вещество представляет собой наиболее высокоорганизованную часть материи Земли и наиболее активную форму материи. Оно производит гигантскую геохимическую работу в биосфере, полностью преобразив верхние оболочки Земли за время своего существования.
2. биогенное вещество (горючие ископаемые, каменный уголь, битум, известняки и т. д., т. е. вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами);
3. косное вещество (образуется процессами, в которых живые организмы не участвуют, напр. изверженные горные породы),
4. биокосное вещество (создаётся одновременно живыми организмами и процессами неорганической природы, напр. Почва, природные воды). Биокосное вещество является особой категорией, так как представляет собой систему динамического равновесия взаимодействия живых организмов и косных процессов
5. радиоактивное вещество,
6. рассеянные атомы
7. вещество космического происхождения (метеориты, космическая пыль).
Живое вещество распределено в биосфере крайне неравномерно. Она слабо развита в пустынях, тундрах, глубинах океана. Максимум его приходится на приповерхностные участки суши и гидросферы, на границах раздела основных сред, где в массе развиваются зелёные растения и живущие за их счёт гетеротрофные организмы. Более 90% всего живого вещества биосферы, образованного главным образом углеродом, кислородом, азотом и водородом, приходится на наземную растительность (97— 98% биомассы суши). Общая масса живого вещества в биосфере оценивается в 1,8— 2,5 1018 г (в пересчете на сухое вещество) и составляет лишь незначительную часть массы биосферы (3-1024 г). Тем не менее Вернадский, опираясь на многочисленные данные, считал живое вещество наиболее мощным геохимическим и энергетическим фактором, ведущей силой планетарною развития. Места наибольшей концентрации организмов в биосфере В.И. Вернадский назвал «пленками жизни». Такми образом, В.И. Вернадский подчеркивал, что живое вещество – самая активная форма материи во Вселенной.
2.Закон В.И. Вернадского о биогенной миграции атомов в биосфере.
В основу учения Вернадского о биосфере положено представление о планетарной геохимической роли живого вещества. Биосфера – продукт длительного превращения веществ и энергии в ходе геологического развития Земли. «Жизнь захватывает значительную часть атомов, составляющих материю земной поверхности, — писал Вернадский. — Под ее влиянием эти атомы находятся в непрерывном интенсивном движении. Из них все время создаются миллионы разнообразнейших соединений. И этот процесс длится без перерыва десятки миллионов лет, от древнейших археозойских эр до нашего времени. На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом». По Вернадскому, живое вещество — эго совокупность существующих (или существовавших в определенный отрезок времени) живых организмов, являющихся мощным геологическим фактором. В отличие от живых существ изучаемых биологией на всех уровнях их организации, живое вещество как биогеохимический фактор в понимании Вернадского характеризуется элементарным химическим составом, массой и энергией. Оно трансформирует солнечную энергию и вовлекает неорганическую материю в непрерывный круговорот. Через живое вещество многократно прошли атомы почти всех химических элементов. В конечном итоге живое вещество определило состав атмосферы, гидросферы, почв и в значительной степени осадочных пород нашей планеты. «Прекращение жизни, — писал Вернадский, — было бы неизбежно связано с прекращением химических изменений если не всей земной коры, то во всяком случае ее поверхности — лика Земли, биосферы».
В биосфере Земли происходит практически полный рециклинг материи — вторичное использование атомов, постоянный процесс движения и перераспределения вещества, который определяет даже формирование литосферы за счет осадочных горных пород под влиянием живого вещества. Жизнедеятельность организмов и связанные с ней процессы создания, накопления и распада органического вещества обеспечивают постоянный круговорот вещества и энергии. С этим круговоротом связана миграция атомов химических элементов и их биогеохимические циклы. В ходе биогеохимических циклов атомы большинства химических элементов проходили бесчисленное число раз через живое вещество. Так, например весь кислород атмосферы оборачивается через живое вещество за 2000 лет, углекислый газ – за 200-300 лет, вся вода биосферы – за 2 млн. лет. Итак, закон В.И. Вернадского о биогенной миграции атомов в биосфере формулируется следующим образом: атомы большинства химических элементов проходят бесчисленное число раз через живое вещество.
3. Основные функции живого вещества на нашей планете
Вернадский указывал, что живое вещество аккумулирует энергию космоса, трансформирует ее в энергию земных процессов (химическую, механическую, тепловую, электрическую и пр.). В непрерывном обмене веществ с косной материей планеты происходит 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.
Можно считать, что гранитно-осадочная оболочка земного шара отражает процессы, происходящие в биосфере. Около 99% всего вещества в верхних слоях áèосферы трансформировано живыми организмами. Большая часть поверхности земного шара покрыта вторичными осадочными породами, которые являются результатами жизнедеятельности живых организмов.
Выделяют пять основных функций живого вещества на нашей планете.
1. Энергетическая функция заключается в осуществлении связи биосферно-планетарных явлений с космическим излучением, преимущественно с солнечной радиацией. В основе этой функции лежит фотосинтетическая деятельность зеленых растений, в процессе которой происходит аккумуляция солнечной энергии и ее перераспределение между отдельными компонентами биосферы. За счет накопленной солнечной энергии протекают все жизненные явления на Земле. Это основная планетарная функция живого.
2. 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.
3. 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.
4. 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 пре обладают биогенные процессы окисления и вос становления.
5. Деструкционная функция обусловливает процессы, связанные с разложением организмов после их смерти, вследствие которой происходит минерализация органического ве щества, т. е. превращение живого вещества в косное. В результате образуются также биогенное и биокосное вещества биосферы.
При деструкции органической массы протекают два параллельных процесса: процесс минерализации и процесс фотосинтеза. Разложение органических соединений в конечном счете до углекислого газа, аммиака и воды, а в анаэробных условиях еще и до водорода и углеводородов представляет процесс минерализации. Продукты минерализации вновь используются автотрофами. Кроме того, в почве часть освобождающихся веществ ароматической природы под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов вновь конденсируется с образованием сложного комплекса соединений - почвенного гумуса (различные гумусовые кислоты и их соли) со значительным запасом энергии. Этот процесс стимулируется деятельностью многих почвенных групп гетеротрофов. Гумус является основой почвенного плодородия. Его разложение протекает в дальнейшем очень медленно, под влиянием определенной, автохтонной микрофлоры почв, чем достигается постоянство в обеспечении растений элементами минерального питания. Природные воды, обогащенные этими продуктами минерализации, становятся химически высокоактивными и выветривают горные породы.
Процесс разложения органических веществ, при котором освобождается химическая энергия, характерен для всех частей биосферы, где есть живые организмы, тогда как фотосинтез протекает только на поверхности суши и в верхнем слое водоемов. Часть органического вещества, попадающего в условия, неблагоприятные для деятельности деструкторов, захоранивается и консервируется в составе осадочных пород, поэтому синтез органических веществ в масштабе всей биосферы не полностью уравновешивается их разложением.
Эта некоторая несбалансированность процессов синтеза и разложения органических веществ в биосфере определила кислородный режим современной воздушной оболочки Земли.
4. Место человека в биосфере. Концепция и критерии ноосферы.
Возникновение жизни на земле и биосферы представляет крупнейшую проблему современного естествознания, которая еще ждет своего решения. Возможно, по последним предположениям, Земля и жизнь на ней – почти ровесники. Ясно одно, что основной источник биогеохимической активности организмов — солнечная энергия, используемая в процессе фотосинтеза зелеными растениями. Благодаря деятельности фотосинтезирующих организмов около 2 млрд. лет назад началось накопление в атмосфере свободного кислорода, затем образовался озоновый экран, защищающий живые организмы от жёсткого космического излучения. Фотосинтез и дыхание зелёных растений поддерживают современный газовый состав атмосферы. Появление кислорода в первичной бескислородной атмосфере Земли рассматривается как важнейший этап эволюции биосферы. Появление же человека на планете стало новым этапом в эволюции биосферы. Качественно новый этап развития биосферы наступил в современную эпоху, когда деятельность человека по мощности воздействия на поверхностные оболочки планеты почти не уступает суммарному действию всех живых организмов. Человечество с его социальными законами развития и мощной техникой влияет на вековой ход биосферных процессов. Современное человечество использует не только огромные энергетические ресурсы биосферы, но и небиосферные источники энергии (например, атомной), ускоряя геохимические преобразования природы. Некоторые процессы, вызванные технической деятельностью человека, направлены противоположно по отношению к естественному ходу их в биосфере (рассеивание металлов руд, углерода и других биогенных элементов, торможение минерализации и гумификации, освобождение законсервированого углерода и его окисление, нарушение крупномасштабных процессов в атмосфере, влияющих на климат, и т. п.). В. И. Вернадский считал возможным говорить даже об автотрофной роли человечества, понимая под этим возрастающие масштабы искусственного синтеза органических материалов, различных полимеров и других веществ, часто даже не имеющих аналогов в живой природе. Как отмечал Вернадский, биогеохимическая роль человека за последнее столетие стала значительно превосходить роль других, даже наиболее активных в биогеохимическом отношении организмов. При этом использование природных ресурсов происходит без учёта закономерностей развития и механизмов функционирования биосферы. В результате хозяйственной деятельности из биотического круговорота изымаются или существенно преобразуются большие территории (сведение и насаждение лесов, осушение болот, строительство городов, дорог, плотин, распашка целинных земель, создание водохранилищ и т. д.). Сжигание огромных количеств топлива, создание новых, не существовавших ранее в биосфере веществ, изменяют круговорот веществ в биосфере. Антропогенные воздействия на биосферу приняли глобальный характер (на Земле не осталось ни одного участка суши или моря, где нельзя было бы обнаружить следов деятельности человека). Ставится под угрозу возможность поддержания гомеостаза в биосфере.
Возникновение и развитие ноосферы. Эволюция органического мира на нашей планете прошла несколько этапов. Первый характеризовался возникновением биологического круговорота веществ и биосферы. Второй сопровождался формированием многоклеточных организмов и вследствие этого усложнением циклической структуры жизни. 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). Эго новое состояние биосферы, когда разумная деятельность человека становится главным фактором, обусловливающим ее развитие. Понятие ноосферы было введено в употребление Э. Леруа и П. Тейяром де Шарденом в 1927 г. Они характеризовали ноосферу как особый, надбиосферный «мыслительный пласт», который «окутывает планету». В 30— 40-х гг. В. И. Вернадский дальше развил и углубил учение о ноосфере.
Последние годы жизни В. И. Вернадский посвятил анализу организованности биосферы. Итогом этих исследований должна была стать книга «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения». Но ученый не успел опубликовать ее. Книга вышла уже после его смерти в 1965 г. Вместо ненаписанной последней главы в нее включена небольшая работа Вернадского «Несколько слов о ноосфере», изданная в 1944 г. В ней в краткой форме излагаются основные мысли об эволюции биосферы и развивается представление о переходе биосферы в ноосферу, т. е. в такое её состояние, когда развитие биосферы будет управляться разумом человека. 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.
Таким образом, В. И. Вернадский указывал, что биосфера XX в. становится ноосферой, создаваемой прежде всего за счет развития науки и социального труда. Вернадский понимал под ноосферой новый этап в развитии биосферы и призывал к разумному регулированию отношений человека и природы. Он считал, что человек, как все живые организмы, как живое вещество, выполняет определенную функцию биосферы, что он во всех своих проявлениях составляет закономерную часть строения биосферы и что взрыв научной мысли в XX в. подготовлен всем прошлым биосферы и не может ни остановиться, ни пойти назад. Вернадский постоянно подчеркивал, что ноосфера — это биосфера, переработанная научной мыслью, что она «не есть кратковременное и преходящее геологическое явление».
В общих чертах превращение биосферы в ноосферу можно представить следующим образом. 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.
Критерии ноосферы по М. Будыко (1984):
1 — человечество стало единым целым, научно-техническая революция охватила весь земной шар;
2 — осуществилась коренная перестройка связи и обмена, ноосфера явилась единым организованным целым, все части которого на различных уровнях действуют согласованно друг с другом;
3 — открытие новых источников энергии, ноосфера предусматривает коренную перестройку 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.
PAGE \* MERGEFORMAT 7