УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ
• Биосфера (от греческих слов bios - жизнь и spharia – шар) – это оболочка Земли, в которой развивается жизнь разнообразных организмов, населяющих поверхность суши, почву, нижние слои атмосферы, гидросферу.
• Понятие «биосфера» впервые предложил австрийский геолог Эдвард Зюсс в 1875 году. Содержание этого термина было дано им весьма схематично. В буквальном смысле оно означало учение о жизни живых существ на Земле.
• Основоположником современных представлений о биосфере как «сфере жизни» является Владимир Иванович Вернадский. • Он написал книгу «Биосфера» , которая была опубликована в 1926 году. • Сущность этого учения состоит в том, что жизнь как высшая форма развития материи опосредует все другие планетарные процессы, воздействует и на неживые объекты.
• Нижняя граница биосферы опускается на 2 -3 км на суше и на 1 -2 км ниже дна океана. • Верхней границей биосферы служит защитный озоновый слой – экран на высоте 20 -25 км, выше которого ультрафиолетовая часть солнечного спектра исключает существование жизни.
• Биосферу Вернадский определяет как наружную область Земного шара, граничащую с Космосом, сосредоточившую в себе жизнь в различных формах ее проявления (латентном и активном), пронизывающую всю гидросферу, верхние слои литосферы и нижние слои атмосферы, в которой происходит аккумуляция, трансформация световой энергии и совершается геохимическая работа.
• В самой биосфере можно выделить своеобразный энергетический сгусток (пласт) или тело ее, которое принято называть биостромой. Именно она и осуществляет всю гигантскую работу по преобразованию лика нашей планеты. Это совокупность всех живых организмов планеты, названная Вернадским живым веществом.
Элементный состав звездного и солнечного вещества при сопоставлении с составом растений и животных Химический элемент Содержание, % Звездное вещество Водород Азот Углерод Магний Кислород Кремний Сера Железо Другие элементы Солнечное вещество Живое вещество Растения Животные 81, 8 87, 0 10, 0 0, 33 0, 3 3, 0 0, 08 3, 0 18, 0 0, 05 0, 03 0, 25 79, 0 65, 0 0, 01 0, 004 0, 15 0, 254
• На Землю ежегодно опускается: • около 2, 5 млн тонн космической пыли (т. е. на 1 кв. км. выпадает 0, 5 -1, 0 кг/год) • около 0, 5 млн тонн метеоритов (а значит, железа, углеродистых веществ и т. д. ) • Земля, в свою очередь, ежегодно выбрасывает: • около 1 млн тонн газов, 10 млрд тонн пепла, лавы
Формы жизни • Латентная цисты (у простейших), икринки, яйцо, а у растений – споры, семена, покоящиеся почки • Активная
Пространственнофункциональная организация биосферы
Рассмотрим 2 аспекта: • Первый аспект: Жизнь стала возможной благодаря биологическому круговороту. А кто его осуществлял и осуществляет? Здесь нужно вспомнить типы питания, то есть способы добычи органического вещества.
ТИПЫ ПИТАНИЯ Автотрофный: организмы создают органические вещества из неорганических самостоятельно Хемоавтотрофный: с использов а-нием энергии химических связей Симбиотрофный: два или несколько организмов доставляют другу соответствующие продукты питания (в лишайнике гриб доставляет водоросли воду и минеральные вещества, а водоросль грибу – органические вещества) Фотоавтотрофный: с использов анием кванта света Голозойный: организмы питаются живыми организмами, целиком поедая их или только их части. Гетеротрофный: организмы используют готовые органические вещества Осмотрофный: Выброшенные в окружающую среду ферменты еще вне организма начинают разлагать органическое вещество. А оно уже в доступной форме проникает через мембрану клетки
На основании типов питания каждая группа выполняет вполне определенную функцию: • продуценты - организмы с автотрофным типом питания стали в результате хемо- и фотосинтеза создавать органическое вещество • консументы - те организмы, которые поглощают готовое органическое вещество (животные и человек) • редуценты -(бактерии, грибы) - доводят весь органический опад до конечных продуктов минерализации (и питаются, в основном, осмотрофно)
Эти три функциональные группы и обеспечивают биологический круговорот, а следовательно, существование биосферы
• Второй аспект. В биосфере В. И. Вернадский выделяет живое, биогенное, биокосное, косное вещество, радиактивную энергию Земли, солнечную энергию и др.
• Все, что создается на планете, проходит под контролем живого вещества и при его непосредственном участии
• Так, биогенное вещество (каменный уголь, нефть, известняк и др. ) образуются при отмирании организмов и последующем его частичном разложении и консервировании. • Биокосное вещество – тоже результат преобразующего действия живого вещества. По Вернадскому «это закономерные структуры, состоящие из косных и живых тел одновременно» . Это не только почвы, ландшафты, но и воды мирового океана, ил, кора выветривания, да и вся биосфера в целом.
Свойства живого вещества
• Живое вещество является аккумулятором (через фотосинтез) и трансформатором световой энергии • Живое вещество обладает свойством размножения • Живое вещество обладает огромной скоростью проведения биохимических реакций
Функции живого вещества в биосфере
• Энергетическая функция В результате поглощения всего лишь 0, 1 -3 % энергии солнца зеленые растения нашей планеты производят примерно 232 млрд. тонн органического вещества и около 248 млрд. тонн кислорода ежегодно. Никто больше на Земле этого делать не может.
• Газовая функция Зеленые растения создают и поддерживают газовый состав атмосферы.
• Окислительно-восстановительная функция Окислительная функция связана с окислением более бедных кислородом соединений: солей железа и марганца, нитратов, сероводорода, азота. Эти процессы протекают в почве, коре выветривания и гидросфере. Осуществляют эту функцию бактерии и некоторые грибы. Восстановительная функция осуществляется тоже некоторыми видами бактерий и грибов. Особенно хорошо она выражена для сульфатов созданием сероводорода, сульфита и сульфида железа.
• Концентрационная функция Существуют организмы, специализирующиеся на концентрации отдельных элементов из окружающей среды
Проявление концентрационной функции живого вещества Элемент Концентрация Организмы Водород (Н) Водородистокислородные организмы. До 99 % воды при ее обычном содержании в теле 80 -90%. Углеродистые организмы. Углерод до 48% при обычном Водные бесскелетные организмы. В медузах химически чистой воды 99, 9%. Водородистые бактерии. Лишайники, семена, многие организмы в латентном Углерод (С)
Проявление концентрационной функции живого вещества Натрий (Na) Магний (Mg) Натриевые организмы. Концентрируют до 5% при обычном содержании в среде Na 0, 02 -0, 5% Магниевые организмы. Концентрируют до 10% Mg при фоновом содержании n*10 -1 n*10 -2 Флора солончаков, солянки, солеросы, полыни, большинство морских водорослей. Некоторые водоросли
Проявление концентрационной функции живого вещества Кремний Кремниевые (Si) организмы. Концентрируют до 10% Si при фоновом содержании n*10 -1 n*10 -3 Сера (S) Серные организмы. Концентрируют до 10% при фоновом содержании S n*10 -1 - n*10 -2 Диатомовые водоросли, радиолярии, кремниевые губки, хвощи. Серные бактерии, выделяющие самородную серу.
Проявление концентрационной функции живого вещества Железо (Fе) Кальций (Ca) Железные организмы. Концентрируют до 20% Fe при фоновом содержании n*10 -1 n*10 -3 Кальциевые организмы. Конценитрируют до 40% при фоновом содержании Са n*10 Железобактерии, десмидиевые водоросли, некоторые лишайники, многие водные растения. Лишайники, многие цветковые растения, лишенные раковины
• Значение концентрационной функции состоит в том, что она позволяет вовлекать в биологический круговорот химические элементы и таким образом осуществлять миграцию химических элементов
• Деструктивная функция Заключается в разложении живыми организмами органического и неорганического неживого вещества.
Деструкция состоит из следующих процессов : 1. Диссимиляция, происходящая в организмах при их жизни с выделением углекислого газа и воды в окружающую среду.
2. Частичное разложение органических веществ в процессах пищеварения, происходящее в пищеварительных системах с участием микроорганизмов. Продукты неполного разложения – экскременты – выделяются в окружающую среду.
3. Измельчение растительных и животных остатков. В этих процессах огромную роль играют почвенные беспозвоночные животные - детритофаги. В результате еще больше увеличивается поверхность материала, доступная для микроорганизмов.
4. Разложение и минерализация. Основными организмами, осуществляющими минерализацию органических веществ в почве, являются бактерии, низшие грибы, дрожжи и актиномицеты.
• Средообразующая функция Заключается в том, что организмы способны своей жизнедеятельностью изменять физико-химические параметры условий среды.
Биогенное вещество
• Биогенное вещество, по определению Вернадского, – это органо-минеральный комплекс, образовавшийся в результате отмирания организмов, их сложных превращений, в результате взаимодействия с различными абиотическими факторами среды. Это каменный уголь, нефть, кальциты, доломиты, известняки и т. д.
БИОГЕННОЕ ВЕЩЕСТВО палеобиогенное необиогенное Образовано некогда живым веществом прошедших геологических эпох. Образовано живым веществом современной геологической эпохи как результат непосредственной жизнедеятельности. Нефть, каменный уголь, горючие сланцы, доломиты и т. д. Остатки отмерших организмов, продукты их линьки, экскременты, другие продукты выделения и т. д.
Биокосное вещество • Для этих систем характерно глубокое взаимное проникновение между живой и неживой (косной) материей. К биокосным системам Вернадский относил почвы, воды Мирового океана, илы, ландшафты, водоносные горизонты, кору выветривания.
ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ЭВОЛЮЦИИ БИОСФЕРЫ
• Первый этап – в большом биологическом круговороте вещества возникла биосфера. Первый этап был самым продолжительным и занял около 1, 5 млрд. лет всего времени существования биосферы. В эволюции органического мира в это время прошло три эры: катархейская, архейская и протерозойская. Этим завершился эон скрытой жизни – криптозой.
Планета сильно преобразилась. • Прошла серия горнообразовательных процессов, первые мощные оледенения. • Стал меняться газовый состав проатмосферы. • Главным рубежом стал конец криптозоя (точка Пастера), когда распространились аэробные организмы. Все было подготовлено к выходу организмов на сушу, к освоению новой наземно -воздушной кислородной среды. Появились первые наземные растения – псилофиты. Среди животных появились первые земноводные.
• Второй этап – этап расширения жизни. Он захватил всю мезозойскую и палеозойскую эры, а также кайнозойскую эру до четвертичного периода. По времени он оказался в два раза короче, чем предыдущий этап. Это свидетельствует об ускорении темпов эволюции, расширении и углублении биологического круговорота веществ. Усложнились биотические отношения между организмами, усложнилась общая структурная организация биосферы.
• Третий этап – возникновение вида Homo Sapiens – человек разумный. Это случилось в четвертичном периоде кайнозоя, около 2 млн. лет назад. На первых порах возникновения человека никакой дисгармонии с природой у него не было. Он удачно встроился в биологический круговорот как типичный гетеротрофный вид.
• Однако переход от собирательства к земледелию, от охоты к скотоводству повлек за собой огромное воздействие человека на биосферу. Началась «победная» поступь человека по планете.
• Человеку понадобилось не много времени, чтобы на сегодняшний день он оставил 27% лесов от всей площади суши. Вместе со сведением лесов изменяется климат, возрастает ветровая и водная эрозии. Ежегодно площадь пустынь увеличивается на 11 млн. га. По сравнению с XV веком в 20 раз возросло число пыльных бурь в год.
• Четвертый этап – этап перехода в ноосферу. Леруа понимал под ноосферой «мыслящий пласт» , который, зародившись вместе с человеком, развивается вне биосферы, над миром растений и животных. Вернадский, приняв термин «ноосфера» , трактовал его совершенно подругому. В ноосфере он видел не надстройку над биосферой, а качественно новый этап в ее эволюции, этап разумного регулирования взаимоотношений человека и природы.
• Пятый этап – эпоха освоения космоса. На этом этапе взаимоотношения общества и биосферы становятся еще более сложными.
