БИОСФЕРА КАК МОДЕЛЬ ЖИВОЙ И НЕЖИВОЙ ПРИРОДЫ Лектор

БИОСФЕРА КАК МОДЕЛЬ ЖИВОЙ И НЕЖИВОЙ ПРИРОДЫ Лектор: Тарасова Ольга Сергеевна, к. г. н.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Биосфера – «область жизни» , пространство на поверхности земного шара, в котором распространены живые существа

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Термин был введен в 1875 г. австрийским геологом Эдуардом Зюссом. Однако, Э. Зюсс рассматривал биосферу в чисто топологическом смысле – как пространство, заполненное жизнью. Термин вошел в обиход, не имея четкого определения.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Еще раньше, в 1802 г. , знаменитый французский ученый Ж. Б. Ламарк, не употребляя термина «биосфера» , отметил планетарную роль жизнь в формировании земной коры как в настоящее время, так и в прошлые этапы истории планеты, предвосхитив таким образом современный взгляд на это понятие.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ На рубеже XIX-XX вв. идея о глобальном влиянии жизни на природные явления была обоснована в трудах крупнейшего ученогопочвоведа В. В. Докучаева

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Развернутое учение о биосфере создано и разработано академиком В. И. Вернадским, опубликовавшим в 1926 г. свой классический труд «Биосфера» . Принципиальные положения учения В. И. Вернадского о биосфере органически сочетают подходы его предшественников.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Биосфера, по В. И. Вернадскому, представляет собой одну из геологических оболочек земного шара, глобальную систему Земли, в которой геохимические и энергетические превращения определяются суммарной активностью всех живых организмов – живого вещества.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ В процессе эволюции определились следующие черты биосферы: - наличие особой формы организации материи – живого вещества; - устойчивое динамичное равновесие и упорядоченность (организованность) структуры; - активное однонаправленное использование внешнего источника энергии – солнечного излучения; - активное использование воды как основного субстрата и основного компонента живых организмов;

- негомогенное и недисперстное состояние веществ, находящихся в твердом, жидком и газообразном состоянии с наличием поверхности раздела между ними; - биогенная миграция (круговорот) основных химических элементов; - повсеместное распространение и задействование углерода; - узкий диапазон колебаний основных физических параметров, обеспечивающий жизнедеятельность и сохранность белковых форм.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Биосферу в соответствии с законом незаменимости (биосферы) нельзя заменить ничем иным, т. к. она для всех существующих ныне видов на Земле единственная среда обитания

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Особое внимание В. И. Вернадский уделял разработке представлений о живом веществе. Он предлагал «выразить живые организмы как нечто целое и единое, имеющее определенный химический состав (массу), энергию, тесно связанное с окружающей средой биогенным потоком атомов и являющееся в связи с этим мощной геологической силой, преобразующей планету. Живое вещество – совокупность всех живых организмов, существующих в настоящее время в биосфере. Оно - продукт биосферы и ее главный компонент.

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА НА ЗЕМЛЕ - основной элементарных химический состав живого вещества представлен группой биогенных атомов ( N, Р, Са, К и др). Кроме того, в ее состав входят практически все элементы экотопа; - молекулярный состав живого вещества характеризуется наличием воды и соединений, устойчивых только в составе живой материи – белков, жиров, углеводов, ферментов и т. п. ); - скорость химических реакций по сравнению с аналогичными в неживой природе огромна; - чрезвычайно высокая степень насыщенности энергетическими и информационными субстанциями;

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА НА ЗЕМЛЕ стремление наиболее полно использовать окружающую среду и захватывать участки, не задействованные прежде; - разнообразие химических, физиологических и морфологических вариантов; - живое вещество способно самоорганизовываться и размножаться; - любой живой организм и его основной компонент – клетка – обладает совокупностью свойств живого вещества в целом;

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА НА ЗЕМЛЕ - взаимодействие живого, биогенного, косного, биокосного и иных веществ Земли и Вселенной осуществляется за счет прямых контактов и полевых взаимодействий. Вещество имеет массу покоя, а поле, порожденное им, - массу движения

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА НА ЗЕМЛЕ Живое вещество биосферы коренным образом отличается от неживого. Но провести четкую границу между ними непосредственно в естественных условиях не всегда возможно, настолько глубоко жизнь проникла в геологические оболочки Земли и преобразовала их.

СОСТАВ БИОСФЕРЫ вещество живое – совокупность тел живых организмов; общий вес = 2, 2– 3, 612 т в сухой массе; вещество косное – образуемое процессами, в которых живое вещество не участвует (изверженные горные породы);

СОСТАВ БИОСФЕРЫ вещество биогенное – а) химические элементы и соединения, необходимые для поддержания жизни (02, СО 2, вода, белок, углеводы, микроэлементы); б) вещество, создаваемое и перерабатываемое организмами (растительность, илы, уголь, нефть, известняк); в) химические соединения, возникшие в результате жизнедеятельности организмов (но не обязательно входящие в состав этих тел);

СОСТАВ БИОСФЕРЫ вещество биокосное – создаваемое одновременно живыми организмами и косными процессами (почвы, коры выветривания, природные воды). Кроме этих веществ, В. И. Вернадский выделил радиоактивное вещество, рассеянные атомы и вещество космического происхождения.

ТАКИМ ОБРАЗОМ, биосфера – это оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются совокупной деятельностью живых организмов. Биосферу следует рассматривать не как пространство, занятое жизнью, а как целостную функциональную систему, на уровне которой реализуется неразрывная связь геологических и биологических процессов.

ГРАНИЦЫ БИОСФЕРЫ Верхняя граница в атмосфере: 15 -20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое УФ-излучение, губительное для живых организмов. Нижняя граница в литосфере: 3, 5— 7, 5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами. Граница между атмосферой и литосферой в гидросфере: 10— 11 км. Она определяется дном Мирового Океана, включая донные отложения.

ГРАНИЦЫ БИОСФЕРЫ Жизнь в основном сосредоточена в верхней части литосферы – в почве и на ее поверхности – и в верхней части гидросферы. Средняя толщина биосферы составляет 12– 17 км, а максимальная – не превышает 36– 40 км

УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ В учении о биосфере выделяют следующие основные подходы: - энергетический (связь биосферных явлений с космическим излучением (прежде всего, излучением Солнца) и радиоактивными процессами в недрах Земли); - биогеохимический (роль живого в распределении атомов в биосфере); - информационный (принципы организации и управления в живой природе); - пространственно-временной (формирование и эволюция различных структур биосферы); - ноосферный (глобальные аспекты воздействия человека на окружающую среду).

УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ Система связей в биосфере чрезвычайно сложна и пока что расшифрована лишь в общих чертах. В целом биосфера очень похожа на единый гигантский суперорганизм, в котором автоматически поддерживается гомеостаз динамическое постоянство физико-химических и биологических свойств внутренней среды и стойкость основных функций.

УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ Кроме энергетических, пищевых и химических связей, огромную роль в биосфере играют информационные связи. Живые существа Земли освоили все виды информации зрительную, звуковую, химическую, электромагнитную. Информационные сигналы содержат важные сведения в закодированной форме. Они расшифровываются и учитываются живыми организмами. Эти процессы в них осуществляются путем общего энергоинформационного обмена. Живые системы могут также обрабатывать, накапливать и использовать информацию в отдельности от энергии.

Поэтому, биосферу можно назвать системой, в которой вещественно-энергетические взаимодействия подчинены взаимодействиям информационным.

ОСОБЕННОСТИ БИОСФЕРЫ Гармоничность и организованность биосферы. В биосфере «все учитывается и все приспосабливается. . . к гармонии, какую мы видим в стройных движениях небесных светил и начинаем видеть в системах атомов вещества и атомов энергии» (В. И. Вернадский)

ОСОБЕННОСТИ БИОСФЕРЫ Роль живого в эволюции Земли. «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом. Все минералы верхних частей земной коры – свободные алюмокремниевые кислоты (глины), гидроокислы Fe и Al (бурые железняки и бокситы), карбонаты (известняки и доломиты) и сотни других – непрерывно создаются в ней только под влиянием жизни» (В. И. Вернадский)

ОСОБЕННОСТИ БИОСФЕРЫ Космическая роль биосферы в трансформации энергии. В. И. Вернадский подчеркивал большое значение энергии и называл живые организмы механизмами превращения энергии. «Можно рассматривать всю эту часть живой природы как дальнейшее развитие одного и того же процесса: превращения солнечной световой энергии в действенную энергию Земли » (В. И. Вернадский)

ОСОБЕННОСТИ БИОСФЕРЫ Постоянство количества живого вещества в биосфере. Количество свободного кислорода в атмосфере того же порядка, что и количество живого вещества (1, 5 х1021 г и 1020– 1021 г), следовательно, живое вещество является посредником между Солнцем и Землёй и, стало быть, либо его количество должно быть постоянным, либо должны меняться его энергетические характеристики.

ОСОБЕННОСТИ БИОСФЕРЫ Развитие биосферы происходит за счет ее неоднородностей: агрегатное, пространственное, энергетическое, геохимическое, зональное и др. состояния. Неоднородность частей и элементов биосферы обуславливает их неразрывное взаимодействие в рамках целого. Эта зависимость обеспечивается обменными процессами, связывающими все состояния в единое целое.

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ БИОСФЕРЫ Газовая – постоянный обмен газами с окружающей средой в процессах фотосинтеза (у растений) и дыхания (у растений и животных); поддержание постоянства состава атмосферы.

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ БИОСФЕРЫ Концентрационная – биогенная миграция и избирательное накопление атомов, которые сначала концентрируются в живых организмах, а затем после их отмирания и минерализации переходят в окружающую среду для нового цикла. термитник

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ БИОСФЕРЫ Окислительно-восстановительная – интенсивное (намного порядков быстрее, чем в неживой природе) окисление и восстановление химических соединений в процессах ассимиляции и диссипации.

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ БИОСФЕРЫ Информационная – накопление, сохранение и передача молекулярной (генетический код, вещества-регуляторы) и сигнальной (нервной и интеллектуальной) информации, необходимой для существования видов и поддержания равновесия в экосистемах.

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ БИОСФЕРЫ Средообразующая – живые системы формируют, трансформируют рельеф и ландшафты поверхности Земли, почвенный и растительный покров, состояние атмосферы, очищают водные системы.

ПОДСИСТЕМЫ БИОСФЕРЫ Каждая из оболочек планеты представляет собой не просто пространство, заполненное жизнью, но выступает как основные среды жизни, активно формирующие их состав, биологические свойства и специфические обменные процессы. Особое значение имеет расположенный на границе между атмосферой и литосферой почвенно-растительный слой или почва

АТМОСФЕРА Атмосфера по химическому составу относится к азотно-кислородному типу и этим качественно отличается от газовых оболочек всех известных небесных тел. Атмосфера – это гигантский химический реактор, где главными биогенными компонентами являются кислород и вода

АТМОСФЕРА Приземный слой (до высоты около 100 км) характеризуется однородным и устойчивым составом. Выше этой границы характерен нарастающий уровень ионизации газов за счет фотодиссоциации. Этот процесс является основой возникновения озона из молекулярного кислорода. Озоновый слой располагается на высоте 10– 100 км; максимальная концентрация озона регистрируется на высоте 20 км

АТМОСФЕРА Озоновый экран имеет громадное значение для сохранения жизни на Земле: в слое озона поглощается большая часть идущего от Солнца ультрафиолетового излучения, причем его коротковолновой части, наиболее губительной для живых организмов. До поверхности Земли доходит лишь мягкая часть потока ультрафиолетовых лучей с длиной волны около 300– 400 нм, относительно безвредных, а по ряду параметров необходимых для нормального развития и функционирования живых организмов. Живое вещество Земли защищено от космических лучей геомагнитным полем (магнитосферой) и озоновым слоем.

АТМОСФЕРА Воздух, как среда обитания, обладает определенными особенностями, направляющими общие пути эволюции обитателей этой среды. Так, высокое содержание кислорода (20, 95%) предопределило развитие животных с высоким уровнем энергетики организма, с большой автономностью от внешних воздействий и высокой биологической активностью в экосистемах

АТМОСФЕРА Низкая плотность воздуха не позволяет организмам функционировать в отрыве от поверхности Земли и осуществлять свои функции вне связи с субстратом. Благодаря этому основная масса живых организмов сосредоточена вблизи поверхности земли, проникая в толщу атмосферы не более 50– 70 м (кроны деревьев тропических лесов)

АТМОСФЕРА Наряду с этим, организмы могут оказываться и на больших высотах (до 5– 6 км над уровнем моря), но это не означает «отрыва» их от субстрата. Временное пребывание живых организмов регулярно регистрируется на высотах до 10– 11 км (белоголовый сип столкнулся с самолётом на высоте 12, 5 км, бактерии в жизнеспособном состоянии обнаружены на высоте 77 км).

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ АТМОСФЕРЫ: защита Земли от метеоритного воздействия и космических излучений; атмосфера сохраняет тепло Земли, регулирует климат путем переноса и отложения воды и взвешенных веществ; атмосфера – это среда обитания и передвижения многих живых организмов и людей; атмосфера серьезно влияет на плодородие почв. обеспечение человека, животного и растительного мира жизненно необходимыми газовыми элементами (кислород, углекислый газ и др. );

ГИДРОСФЕРА Гидросфера включает в себя все типы водоемов – Мировой океан, поверхностные и подземные воды, ледники

ГИДРОСФЕРА Основными особенностями гидросфера обязана физико-химическим свойствам воды – это: химический состав, плотность и вязкость, влияние водной среды на гравитационное поле, содержание растворенного в воде кислорода, прозрачность воды, температура воды, скорость звука в водной среде, электропроводимость и т. п.

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ГИДРОСФЕРЫ – регуляция и стабилизация теплового состояния биосферы; – регуляция газообразных элементов – активное состояние Мирового океана (течения, приливы и отливы и т. п. ); – место обитания своеобразных популяций организмов; – естественное место скопления всей водной массы планеты; – жизнь возникла в водной среде.

ЛИТОСФЕРА Литосфера – каменная оболочка Земли, верхняя часть земной коры

ЛИТОСФЕРА Следуя концепции В. И. Вернадского о биосфере, в ее состав мы должны включить биокосное и биогенное вещество, т. е. все горные породы и минералы, которые образовались в результате взаимодействия косного вещества с живым. Это, прежде всего, залежи нефти и газа, бурого и каменного угля, пласты известняков, песчаников и сланцев, а также почва.

ЛИТОСФЕРА Особое значение имеет поверхностная часть земной коры, измельченная в процессе физического, химического и биологического выветривания, и содержащая не только минеральное, но и биологическое вещество. Это – почва, сложная трехфазная система, включающая твердую (минеральные частицы), жидкую (почвенная влага) и газообразную фазы

ЛИТОСФЕРА Соотношение этих трех составляющих определяет основные физические свойства почвы как среды обитания живых организмов. Химические же свойства, помимо минеральных компонентов, сильно зависят от органического вещества, также являющегося неотъемлемой составной частью почвы

ЛИТОСФЕРА Продукты разложения органического вещества под воздействием поверхностных вод аккумулируются в нижележащих слоях, где специфическая почвенная микрофлора производит дальнейшую переработку органического материала с образованием органоминерального вещества – гумуса. Гумус – перегной, темно окрашенное органоминеральное вещество почвы, образующееся в результате биохимического разложения остатков и накапливающееся в верхнем почвенном горизонте. От его количества зависит плодородие почвы

ЛИТОСФЕРА Гумус состоит из двух групп органических соединений: 1 группа – соединения, содержащиеся в растительных и животных остатках (10– 15% от всей массы органики почвы): белки, углеводы, жиры, смолы, лигнин и т. п. ; 2 группа – основа фонда гумуса (85– 90%), она представлена собственно гумусовыми веществами, возникшими при синтезе органических остатков (гумин, фульвокислоты, гуминовые кислоты и др. ). Количество гумуса в зональных типах почв тесно связано с физико-географическими условиями

ЛИТОСФЕРА Почва занимает промежуточное положение между атмосферой и литосферой, в ней возможно обитание организмов, дышащих как по водному, так и по воздушному типу, именно здесь происходят процессы сложнейшего перехода минерального вещества в органический мир и обратно. В почве функционирует около 80% видового состава живых организмов планеты

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ЛИТОСФЕРЫ литосфера - источник микро и макрокомпонентов для растений и животных почва - основа растительного мира и всего живого на Земле месторождения металлических руд электропроводники между ионосферой и недрами земли.

БИОСФЕРА КАК СИСТЕМА Биосфера – глобальная, планетарного масштаба система, возникшая в результате появления и развития живых организмов. Структурообразующими компонентами этой системы являются: поток солнечной энергии, энергия недр Земли, литосфера с элементами рельефа, гидросфера, атмосфера, климатические условия. Связь между структурными компонентами прочная, закономерная, сложившаяся в результате длительного сосуществования косного и живого вещества

БИОСФЕРА КАК СИСТЕМА Функциональными компонентами биосферы, заполняющие эту структурную постройку, является всё многообразие живых систем (от микроорганизмов до крупных млекопитающих и древесных растений). Их размещение и физиологические особенности обусловлены свойствами мест обитания (воздушные, водные, почвенные подсистемы), а также географо-климатическими условиями (биомы, экосистемы и популяции различного масштаба).

БИОСФЕРА КАК СИСТЕМА Биосфера – система неограниченного разнообразия. Это важнейшее свойство всех экосистем. С ним связано дублирование, подстраховка, замена одних компонентов и звеньев другими. Степень сложности и прочности пищевых и других связей есть прямое следствие разнообразия биосистем. Тип связей – разнообразный, но в основном обратные отрицательные, т. к. воздействия между особями, между биотой и косным веществом в целом характеризуются ответными реакциями. В результате этих взаимодействий формируются динамически устойчивые системы и подсистемы

БИОСФЕРА КАК СИСТЕМА Основными процессами биосферы являются: аккумуляция солнечной энергии растениями; продуцирование подобных себе (размножение); поиск и потребление пищи; многоступенчатые процессы переноса и обмена веществом, энергией и информацией; разложение мёртвой органики.

БИОСФЕРА КАК СИСТЕМА Эволюционное развитие биосферы происходило в следующих направлениях: непрерывное совершенствование физиологических особенностей живых организмов (от одноклеточных до высших растений и животных) через многократные преодоления неблагоприятных условий жизни, через адаптацию особей к постоянно изменяющейся внешней среде. постоянное приобретение новых механизмов выживаемости особей регуляция состояния мест обитания биоценозов (стабилизация состава атмосферного воздуха, очистка водных объектов, обустройство мест своего обитания и т. д. ) постоянное увеличение мощности почвенного слоя и его плодородия

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ!!!