Лекция 1. Понятие «биосфера» . Строение и состав современной биосферы. Живое вещество биосферы
Биосфера (от греч. bios - «жизнь» , sphaira - «шар» ) - уникальная оболочка (сфера) Земли, область системного взаимодействия живого и косного вещества на планете. В. И. Вернадский под биосферой понимал всю ту наружную область планеты Земля, в которой не только существует жизнь, но которая в той или иной степени видоизменена или сформирована жизнью.
Вся совокупность организмов на планете названа В. И. Вернадским живым веществом. В качестве его основных характеристик рассматривается суммарная масса, химический состав и энергия. Кроме живого вещества (растений, животных, микроорганизмов) в состав биосферы входят биогенное вещество – продукты жизнедеятельности живых организмов (каменный уголь, битумы, нефть), биокосное вещество – продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами (почвы, кора выветривания, все природные воды, свойства которых зависят от деятельности на Земле живого вещества) и, наконец, косное вещество – совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых, как считается, живые организмы не участвуют (горные породы магматического, неорганического происхождения, вода, космическая пыль, метеориты).
Структурно биосфера представляет собой совокупность функционально связанных и иерархически соподчиненных единиц - экосистем. Сама же она рассматривается как наиболее крупная, глобальная экосистема, поддерживающая планетарный круговорот веществ. Границы биосферы определяются факторами среды, лимитирующих существование живых организмов (температурный режим, уровень радиации, достаточное количество воды, минеральных веществ, кислорода, углекислого газа). Верхняя ее граница находится на высоте 20 -25 км, соответствующей уровню озонового слоя, защищающего все живое от губительного воздействия коротковолновой составляющей ультрафиолетового излучения Солнца.
Строение биосферы Земли
Граница распространения высших растений соответствует высоте примерно 6000 м, где парциальное давление углекислого газа вдвое ниже, чем на уровне моря. Граница распространения высших животных лимитирована высотой 6500 м. Человек обитает на высоте, не превышающей 5000 м. Что касается нижней границы биосферы, то она разными исследователями оценивается неоднозначно. Одни считают, что она располагается в среднем на глубине 3 км от поверхности суши и на 0, 5 -1 км ниже дна океана, хотя в буровых скважинах живые микроорганизмы обнаружены на глубине 4 км, а микробиологические остатки - до 7 км. На нефтяных месторождениях на глубине 2— 2, 5 км бактерии регистрируются в значительном количестве.
По мнению других ученых нижняя граница на суше связана с областями "былых биосфер". В. И. Вернадский определял «былые биосферы» как оболочку Земли, когдалибо подвергавшуюся воздействию жизни. Он писал, что земная кора захватывает в пределах нескольких десятков километров ряд геологических оболочек, которые когдато были на поверхности нашей планеты биосферами. "Былые биосферы" служат доказательством длительной эволюции биосферы Земли.
В океане жизнь распространена до более значительных глубин, чем на континентах и встречается даже на дне океанических впадин в 10— 11 км от поверхности. Под толщей антарктического льда мощностью более 400 м обитают бактерии, диатомовые и синезеленые водоросли, фораминиферы, ракообразные. Таким образом, биосфера охватывает всю гидросферу, верхнюю часть земной коры и нижние слои воздушной оболочки Земли (атмосферы).
Распределение жизни в биосфере носит резко неравномерный характер. Наибольшая плотность жизни наблюдается у поверхности Земли на границах сред обитания. Важно подчеркнуть, что более 99% живого вещества, или биомассы, сосредоточено в слое на несколько метров вглубь и на несколько десятков метров (высокие деревья) вверх от поверхности.
Следовательно, жизнь сосредоточена в тончайшей пленке планеты, где и протекают главные процессы взаимодействия живой и неживой (косной) природы. Эти сгущения жизни принято называть, пользуясь терминологией В. И. Вернадского, "пленками жизни". Вместе с тем, в пределах биосферы нет абсолютно безжизненных пространств. Даже в самых суровых условиях обитания можно найти бактерии и другие микроорганизмы. Поэтому В. И. Вернадский высказал идею о "всюдности жизни". По его мнению живое вещество способно "растекаться" по поверхности планеты; оно с огромной скоростью захватывает все незанятые участки биосферы, что обусловливает "давление жизни" на неживую природу.
Выносливость жизни в целом к отдельным факторам среды шире диапазонов тех условий, которые существуют в границах современной биосферы. Следовательно, жизнь обладает значительным «запасом прочности» , устойчивости к воздействию среды и потенциальной способностью к еще большему распространению.
В. И. Вернадский выдвинул следующие положения о роли живого вещества в истории Земли. 1. В течение всего геологического времени не наблюдались лишенные жизни геологические эпохи. 2. Современное живое вещество генетически связано с живым веществом всех прошлых геологических эпох. В течение этого времени условия земной коры были доступны для его существования. 3. В течение геологического времени не было резкого изменения влияния живого вещества на окружающую его среду, т. е. в общем наблюдался тот же средний химический состав живого вещества и земной коры, какой наблюдается и в современную эпоху.
4. Живое вещество захватывает значительную часть атомов, составляющих вещество земной поверхности. Под его влиянием эти атомы находятся в непрерывном и интенсивном движении. Из них все время создаются миллионы разнообразнейших соединений. Этот процесс длится без перерыва около двух миллиардов лет, начиная от археозоя до настоящего времени. 5. Живые организмы не второстепенные участники геологических процессов, а важный фактор поверхностной миграции элементов. Геологический эффект каждого отдельного живого организма бесконечно мал, но в сумме бесконечно большое количество организмов в земной коре, действующих в течение бесконечно большого времени, дает огромный геологический эффект.
Специфические особенности живого вещества. 1. Живое вещество биосферы характеризуется огромнейшей свободной энергией. 2. В живом веществе скорость протекания химических реакций в тысячи ( а иногда в миллионы) раз выше, чем в неживом. При этом незначительные начальные порции масс и энергии могут вызвать переработку гораздо больших масс и энергии. 3. Основные химические соединения, определяющие состав живого вещества (белки, ферменты и др. ), устойчивы в природных условиях только в живых организмах. 4. Для живых организмов характерны две формы движения: пассивная, определяемая их ростом и размножением, и активная, осуществляемая за счет направленного перемещения. Первая из них
характерна для всех организмов, вторая – в основном для животных. 5. Для организмов характерно гораздо большее морфологическое и химическое разнообразие, чем для неживой природы. 6. При огромном разнообразии химического состава организмов они построены в основном из белков, содержащих одни и те же аминокислоты. Передача наследственной информации идет у них по одному пути (ДНК – РНК – белок) с использованием одного генетического кода. 7. Нормальное развитие организмов в природе возможно только в их сообществе с другими организмами (биоценоз). 8. Живое вещество существует лишь в форме непрерывного чередования поколений. Поэтому оно генетически связано с организмами прошлых геологических эпох. Со сменой поколений идет и эволюция живого вещества. •
Живое вещество биосферы состоит из органических соединений, которые представлены углеводами, липидами, белками и нуклеиновыми кислотами. Углеводы – органические вещества, состоящие из С, Н и О. В химическом отношении их можно представить как состоящие из углерода и воды – Сn(H₂O)n. Подразделяются на простые – моносахариды и сложные - полисахариды. Углеводы – основной источник энергии всех форм клеточной деятельности. Они строят прочные ткани растений (целлюлоза) и играют роль запасных питательных веществ в организмах. Являются первоначальными продуктами фотосинтеза зеленых растений. Липиды – жироподобные вещества и жиры, плохо растворимые в воде, состоящие преимущественно и Н и С. Из них построены клеточные перегородки (мембраны). В связи с тем, что жиры плохо проводят тепло, они выполняют защитную функцию, а также играют роль запасных питательных веществ в организмах.
Белки – наиболее сложные химические соединения в организмах. Они состоят из сочетания 20 различных аминокислот. Молекулы белка сложные и имеют большие размеры, поэтому их иногда называют макромолекулами. Белки выполняют в живых организмах роль естественных катализаторов – ферментов, ускоряющих химические реакции в десятки и даже сотни раз. В настоящее время известно свыше тысячи ферментов. В их состав кроме основных биофильных элементов входят металлы – Мg, Fe, Mn и др. Нуклеиновые кислоты находятся в ядре клеток. Представлены двумя типами кислот – дезоксирибонуклеиновой (ДНК) и рибонуклеиновой (РНК). Их биологическая роль исключительно велика, поскольку они регулируют естественный синтез белка в организмах и осуществляют передачу наследственной информации из поколения в поколение.
Восемь уровней организации живой материи 1. Молекулярный – самый низкий уровень, на котором биологическая система проявляется в виде функционирования биологически активных крупных молекул – белков, нуклеиновых кислот, углеводов. Именно с этого уровня уже наблюдаются свойства, характерные исключительно для живой материи: обмен веществ, передача наследственных признаков с помощью кодированных структур (ДНК , РНК). 2. Клеточный – уровень, на котором биологически активные молекулы сочетаются в единой системе. В отношении клеточной организации все организмы подразделяются на одноклеточные и многоклеточные. 3. Тканевый – уровень, на котором сочетание однородных клеток образует ткань. Это совокупность клеток, объединенных общностью происхождения и функций. 4. Органный – уровень, на котором несколько типов тканей функционально взаимодействуют и образуют определенный орган.
5. Организменный – уровень, на котором взаимодействие ряда органов сводится в единую систему индивидуального организма. Представлен определенным организмом. 6. Популяционно-видовой – уровень, где существует совокупность определенных однородных организмов, связанных единством происхождения, образом жизни и местом обитания. 7. Биоценоз и биогеоценоз – более высокий уровень организации живой материи, объединяющий разные по видовому составу организмы. В биогеоценозе они взаимодействуют друг с другом на определенном участке биосферы и с однородными абиотическими факторами (биотоп). То есть биоценоз и биотоп связаны в биогеоценозе путем обмена веществом и энергией. 8. Биосферный – уровень, на котором сформировалась природная система наиболее высокого ранга, охватывающая все проявления жизни в пределах нашей планеты. На этом уровне происходят все круговороты вещества в общепланетарном масштабе, связанные с жизнедеятельностью организмов
Данные о видовом разнообразии Организмы Количество видов Животные Членистоногие в том числе насекомые Моллюски Позвоночные в том числе рыбы птицы рептилии и амфибии млекопитающие Черви и червеобразные Простейшие Кишечнополостные Губки Иглокожие Оболочечники и первичнохордовые Всего животных Растения Цветковые (покрытосеменные) Грибы Мхи и мохообразные Водоросли Папоротникообразные Голосеменные Всего растений Всего организмов 815 000 750 000 88 000 35 600 18 000 8 600 5 500 3 500 25 000 10 000 5 000 4 700 1 700 1 000 150 000 70 000 20 000 15 000 10 000 600 265 600 1 265 600
1. Численность видов животных (1 млн) почти в четыре раза превосходит численность видов растительных организмов (265, 5 тыс. ). Животное население планеты, следовательно, более разнообразно, чем растительное. 2. Среди животных ведущее положение занимают членистоногие, в частности, насекомые, на долю которых приходится 75% от общего числа видов. Однако, специалисты онтомологи утверждают, что помимо учтенных видов насекомых на нашей планете существует примерно столько же неучтенных и следовательно реальный удельный вес этой группы организмов значительно превосходит 75%. 3. Среди позвоночных животных более 50% от числа видов приходится на долю рыб. Получается, таким образом, что если у членистоногих наиболее интенсивное видообразование шло среди сухопутных видов (насекомые), то у позвоночных – возникновению большего видового разнообразия благоприятствовала водная среда.
4. Среди растений более 50% всех видов приходится на долю покрытосемянных, наиболее поздно сформировавшейся группы высших, преимущественно сухопутных растений. 5. Подсчет числа видов водных и сухопутных организмов дал весьма интересные результаты. Число видов сухопутных животных составляет 93% от общего числа видов, водных – только 7%. То же соотношение характерно и для растений – 92% сухопутных и 8% - водных. Эти данные показывают, что возможность для видообразования на суше больше, чем в водной среде. Таким образом, выход на сушу открыл широкие перспективы для прогрессивной эволюции.
Данные о современной биомассе Сухое вещество Континент Океан Всего Зеленые растения Животные и микроорга низмы Итого Зеленые растения Животные и микроорган измы Итого Тонны 2, 4 · 1012 0, 02 · 1012 2, 42 · 1012 0, 0002 · 1012 0, 0032 · 1012 % 99, 2 0, 8 100 6, 3 93, 7 100 2, 423 · 1012
1. На континентах преобладают растения, в океанах – животные. Поражает сравнительно низкая биомасса организмов океана – всего 0, 13% от суммарной биомассы живых организмов планеты, несмотря на то, что поверхность океана занимает 70, 2% всей поверхности Земли. 2. Живое вещество планеты сосредоточено в основном в зеленых растениях суши. В настоящее время они определяют характер живого вещества, хотя число видов растений составляет около 21%. Организмы не способные к фотосинтезу составляют менее 1% всей биомассы, но по видовому разнообразию значительно превосходят растения (около 79% всех видов). 3. Отсюда следует вывод, иллюстрирующий одну из фундаментальных закономерностей истории развития: более высокий уровень дифференциации сосредоточен в меньшем объеме, чем уровень менее дифференцированный.
Скачать презентацию Лекция 1 Понятие биосфера Строение и состав
Лекция 1 Современная биосфера.ppt