2018-01-21
510
Структура.
Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. 1) Атмосфера – наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с космическим пространством; через атмосферу осуществляется обмен вещества и энергии с космосом.Атмосфера имеет несколько слоев: тропосфера – нижний слой, примыкающий к поверхности Земли (высота 9–17 км). В нем сосредоточено около 80% газового состава атмосферы и весь водяной пар; стратосфера; ноносфера – там “живое вещество” отсутствует. 2) Гидросфера – водная оболочка Земли. В следствие высокой подвижности вода проникает повсеместно в различные природные образования, даже наиболее чистые атмосферные воды содержат от 10 до 50 мгр/л растворимых веществ. 3) Литосфера – внешняя твердая оболочка Земли, состоящая из осадочных и магматических пород. В настоящее время земной корой принято считать верхний слой твердого тела планеты, расположенный выше сейсмической границы Мохоровичича. Поверхностный слой литосферы, в котором осуществляется взаимодействие живой материи с минеральной (неорганической), представляет собой почву. Остатки организмов после разложения переходят в гумус (плодородную часть почвы). Свойства.
Одной из наиглавнейших особенностей планеты Земля есть существование на ней жизни. Этим она отличается от всех своих соседок по Солнечной системе. Больше того, научные данные свидетельствуют, что такая форма жизни, как на Земле (единственная известная форма), а именно белково-нуклеиновая, существует благодаря объединению нескольких благоприятных астрономических факторов. К ним принадлежат такие: постоянство светимости нашей звезды – Солнца (3.9 Ч1020 МВт), что существенно не изменялась на протяжении 4.5 млрд. лет существования Земли; большая масса Земли (6Ч1023 т), достаточная для того чтобы удержать вокруг себя довольно плотную атмосферу, большое количество воды на Земле и т.п. Среди этих благоприятных факторов наверное самым удивительным является орбита Земли. Американский ученный М. Харт доказал, что если бы расстояние между Землей и Солнцем была на 5% меньшей или на 1% большей, жизнь на ней была бы невозможной – в первом случае на Земле было бы слишком жарко (как на Венере), во втором - слишком холодно, и Земля постоянно находилась бы в условиях глобального ледникового периода (как Марс).
Область существования живых организмов на Земле называют биосферой (сферой жизни). Впервые этот термин ввел австрийский геолог Э. Зюсс в 1875 г., но распространился он после издания в 1926 г. труда выдающегося ученного В. Вернадского, основателя и первого президента Академии наук Украины. Живые существа (растения, животные, микроорганизмы) существуют на поверхности Земли, в ее атмосфере, гидросфере и верхней части литосферы, в целом образуя пленку жизни (сферу) на нашей планете. Верхняя граница биосферы простирается на 85 км над поверхностью Земли. На таких высотах (в стратосфере) во время запусков геофизических ракет в пробах воздуха обнаружены споры микроорганизмов, правда в латентном (спящем) виде из за слишком неблагоприятных условий существования. Нижняя граница биосферы достигает глубин литосферы, где температура становит 1000С (в молодых складчатых областях – это приблизительно 1.5 – 2 км и на кристаллических щитах – 7-8 км). Однако В.И. Вернадский справедливо относил к биосфере и все горные породы, созданные за счет жизнедеятельности организмов (так называемые былые биосферы, или палеобиосферы), а поскольку почти все породы осадочного чехла Земли так или иначе есть продуктом жизнедеятельности животных и растений, нижняя граница должна находится на глубине 10-15 км ниже земной поверхности.
Приспосабливаемость живых организмов удивляет. Так, живые бактерии обнаружены в горячих гейзерных источниках с температурой до 980 С, активная и довольно разнообразная жизнь бурлит в трещинах антарктических ледников и на наибольших глубинах Мирового океана, даже в океанических водах пораженных сероводородом, также существуют специфические серные бактерии. Когда американские астронавты доставили на Землю для исследования некоторые детали своей автоматической станции «Сервейер», которая три года находилась на поверхности Луны, то в одной из трубок была найдена живая спора бактерии – она попала туда с Земли во время подготовки к запуску станции и сохранила жизнеспособность, несмотря на трехгодовое пребывание в условиях космического вакуума, резких колебаний температуры и высокого уровня радиации.
В. Вернадский доказал, что живые организмы играют очень важную роль в геологических процессах, которые формируют лицо Земли. Химический состав современных атмосферы и гидросферы обусловленный жизнедеятельностью организмов. Большое значение имеют организмы для формирования литосферы – большинство пород, и не только осадочных, а и таких как граниты, так или иначе связаны своим происхождением с биосферой. «Если бы на Земле не было жизни, - писал ученый, - лицо ее было бы таким же неизменным и химически инертным, как недвижимое лицо Луны, как инертные обломки небесных светил».
Минеральное инертное вещество перерабатывается жизнью, превращается в новое качество. Живые организмы не только приспосабливаются к условиям внешней среды, но и активно их меняют. Таким образом, живое и неживое вещество на Земле составляют гармоничное целое, что, собственно, и называется биосферой. Согласно с образным высказыванием российского геолога М. Вассоевича, «биосфера – это и жильцы, и дом, и мы в нем».
Одним из проявлений биологической активности организмов есть скорость их размножения. При идеальных условиях (теоретически) она может достигать скорости звука. Так, К. Линней подсчитал, что три мухи могут съесть антилопу с такой же скоростью, как это делает лев (учитывая скорость размножения мух). Одноклеточная водоросль диатомея теоретически способна за восемь дней создать массу живой материи которая равна земной, а на протяжении следующего дня удвоить ее.
Согласно последним оценкам, сухая масса живого вещества на Земле составляет 2-3 триллиона тонн. Это по сравнению с основными сферами земли очень малая величина. Она например, в 1000 раз меньшая за массу тропосферы (4Ч1015 т), в 10 млн раз – за массу земной коры (4.7Ч1019 т) и в миллиард – за массу Земли (6Ч1021 т). Однако живое вещество отличается от неживого очень высокой активностью, в частности, очень быстрым круговоротом веществ. Все живое вещество атмосферы обновляется в среднем за восемь лет. Биомасса мирового океана восстановляется за 33 дня, его фитомасса каждый день, фитомасса суши – приблизительно за 14 лет из за большей продолжительности жизни наземных растений. Следует учесть, что жизнедеятельность животных, растений и микроорганизмов сопровождается непрерывным обменом веществ между организмами и средой, в следствии чего все химические элементы земной коры, атмосферы и гидросферы многоразово входили в состав тех или иных организмов. Подсчитано, что вся вода планеты проходит цикл расщепления в растительных клетках и восстановления в растительных и животных организмах, то есть обновляется биосферой приблизительно за 2 млн. лет. Образно выражаясь, мы дышим воздухом, которым дышали динозавры, и пьем воду, которая входила в состав тканей юрских папоротников и кембрийских трилобитов.
Живые организмы играют огромную роль в аккумуляции солнечной энергии. Например, залежи каменного угля – это не что иное, как солнечная энергия, накопленная зелеными растениями минувших геологических эпох. Так же можно определить и природу многих минералов, в частности карбоната кальция, который образует огромные массы известняков и почти на 100% имеет биогенное происхождение. Важную роль живые организмы играют в накоплении многих металлов, таких как железо, медь, марганец. Большое значение для биосферы и хозяйственной деятельности человека имеет круговорот азота, серы, фосфора и других элементов. Установлено что любой растворимый, но не летучий элемент может совершать круговорот только через биосферу. Живые организмы накапливают некоторые элементы в своих тканях, а водные жители, кроме того, увеличивают их содержание и в своей среде жизни, то есть в воде (например такие элементы, как молибден, кобальт, никель находятся в водной среде в значительно большем количестве нежели на суше).
Одно из фундаментальных свойств биосферы - это изменчивость ее свойств во времени. В последние годы проводилось активное изучение временных вариаций состояния горных пород с точки зрения проблемы прогноза землетрясений и современной геодинамики. Одним из основных факторов, стимулирующих данные исследования, явился рост техногенной нагрузки на биосферу и увеличение глубины воздействия на нее человека. Это привело к возрастанию числа происходящих катастроф, включая районы, считавшиеся стабильными.
Анализ и сопоставление многочисленных экспериментальных данных позволили нам выделить ряд устойчивых особенностей динамики процессов, происходящих в литосфере и других геосферах. В процессе исследований мы установили, что они справедливы для очень широкого круга процессов, происходящих не только в литосфере, но и в атмосфере, гидросфере, космосе, социальных сферах. Данные закономерности можно трактовать, как общие и индивидуальные черты изменения состояния биосферы под воздействием внешних факторов.
1. Реакция биосферы на внешние воздействия часто носит нелинейный характер и изменяется во времени. Формально имеют место временные вариации нелинейных свойств биосферы и ее отдельных частей. Характер и сила наблюдаемой реакции могут не соответствовать параметрам внешних воздействий. Реакция биосферы может быть "нормальной" (какой она должна быть), сдвинутой во времени, слабой или очень резкой (последнее характерно для систем, находящихся в неустойчивом или критическом состоянии).
2. Биосфера не реагирует на все воздействия одновременно, ее реакция носит избирательный характер, при этом чувствительность к воздействиям изменяется во времени. При достижении некоего критического состояния воздействие даже слабого одиночного импульса может перевести такую систему к другому динамическому режиму или к неожиданному быстро протекающему событию.
3. Различные виды реакций справедливы для одного и того же объекта среды, но в разное время. Таким образом, один и тот же объект среды в разные интервалы времени реагирует на одинаковые воздействия по-разному. А разные подобные объекты в одно и то же время реагируют на одни и те же внешние воздействия по-разному. Отдельно взятый объект может проходить через один или несколько видов реакции, а также через их комбинации.
4. Причины изменения характера реакции биосферы обусловлены не только изменением характера воздействий, но и свойствами самой среды. Это значит, что характер реакции объектов на внешние воздействия регулируется самой средой. Способность конкретного объекта воспринимать внешнее воздействие и его реакция зависят от внутреннего напряженного состояния среды в конкретный момент, а также от ее готовности, именно в данное время, откликаться на внешнее воздействие.
5. Изменения состояния среды характеризуются различными типами временных вариаций - трендовыми (однонаправленными), ритмическими, импульсными и шумовыми. Структура наблюдаемых временных рядов, имеющая обычно сложную форму, обусловлена в основном суперпозицией доминирующих в этих рядах гармоник. Характер суперпозиции может быть как конструктивным, так и деструктивным.
6. Биосфера и ее объекты проявляют стремление к самоорганизации и хаотизации. Самоорганизация проявляется в установлении стабильных и продолжительных ритмических изменений состояния среды, хаотизация - в их исчезновении. Смены относительно упорядоченных и хаотических состояний также происходят то ритмично, то беспорядочно.
7. Ритмы - это одна из компонент упорядоченного состояния биосферы. Величины ритмов варьируют в очень широких пределах. Одновременно существует множество ритмов в определенных иерархических соотношениях, однако может доминировать только один или несколько ритмов, независимо от их положения в иерархии. Ритмы могут меняться по амплитуде, сползать на другие периоды, сменяться на другие, исчезать.
8. Каждый отдельно рассматриваемый объект в конкретном временном интервале имеет свои собственные режимы изменений. Индивидуальные черты протекающих в нем процессов заключаются в различной интенсивности, размахе, продолжительности и степени упорядоченности наблюдаемых вариаций, наличии собственных ритмов.
9. Эффект от внешнего воздействия на отдельно взятый объект характеризуется большей амплитудой, размахом и носит более упорядоченный характер, чем эффект воздействия на совокупность объектов. Объект обладает индивидуальными геодинамическими режимами, но при рассмотрении совокупности объектов индивидуальные эффекты смешиваются.
4й вопрос. Закон биогенной миграции атомов В.И.Вернадского.
Закон биогенной миграции атомов (или закон Вернадского): миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется под превосходящим влиянием живого вещества, организмов. Так происходило и в геологическом прошлом, миллионы лет назад, так происходит и в современных условиях. Живое вещество или принимает участие в биохимических процессах непосредственно, или создает соответствующую, обогащенную кислородом, углекислым газом, водородом, азотом, фосфором и другими веществами, среду. Этот закон имеет важное практическое и теоретическое значение. Понимание всех химических процессов, которые происходят в геосферах, невозможно без учета действия биогенных факторов, в частности — эволюционных. В наше время люди влияют на состояние биосферы, изменяя ее физический и химический состав, условия сбалансированной веками биогенной миграции атомов. В будущем это послужит причиной очень отрицательных изменений, которые приобретают способность саморозвиваться и становятся глобальными, неуправляемыми (опустынивание, деградация грунта, вымирание тысяч видов организмов). С помощью этого закона можно сознательно и активно предотвращать развитие таких отрицательных явлений, руководить биогеохимическими процессами, используя «мягкие» экологические методы.
