Понятие и строение биосферы

Реферат на тему: «Строение биосферы и влияние человека на неё»

 

Введение:

 

Человек один из миллионов видов обитателей планеты Земля – Homo sapiens – человек разумный. Мы обладаем уникальным чувством красоты и гармонии, уникальными способностями – совершенствования окружающего нас мира.

Человек является творцом науки и техники, но, к сожалению, од­новременно и разрушителем природы. Рост численности населения Земли на рубеже тысячелетий усугубил проблемы с обеспечением пищей, энергией и загрязнением окружающей среды.

В последние десятилетия люди начали осознавать, что в мире, где так много нужды и где окружающая среда ухудшается, невозможны здоровое общество и эффективная экономика. Социально-экономическое развитие должно пойти по иному пути и обязано учитывать возможности природной среды.

Однако мы еще не обладаем необходимыми знаниями для разум­ной организации нашей деятельности, для обеспечения гармоничного разви­тия общества. Накопленные человечеством научные данные в основном ори­ентированы на удовлетворение конкретных, сиюминутных потребностей лю­дей и не могут однозначно предсказать последствия деятельности общества.

В итоге наша цивилизация оказалась на перекрестке дорог. Какой же путь следует выбрать? Найдутся ли силы, способные остановить разру­шительные процессы и возродить надежду на будущее, или дальнейшее ухудшение состояния окружающей среды приведет мир к экологической и социальной катастрофе?

Целью данного реферата является исследование строения биосферы как сис­темы взаимодействия живого и неживого вещества определение влияния человека на неё.

В связи с поставленной целью можно формулировать следующие за­дачи исследования:

· рассмотрим ключевые положения учения о биосфере, используя ра­боты не только Вернадского, но и современных авторов, при этом определим понятие «биосфера», а также рассмотрим функции живого вещества и сфор­мулируем закон сохранения;

· определим особенности влияния человеческой деятельности на уже сложившиеся экосистемы, и перспективы развития человечества исходя из систематического разрушения им цензов, осуществляющих средообразую­щую деятельность.

 

Понятие и строение биосферы

 

Биосфера (от греч. bios — жизнь, sphaira — пленка) — живая оболочка Земли.

Понятие «биосфера», по мнению В.И. Вернадского, было сформули­ровано (без употребления самого термина) Ж.Б. Ламарком в начале XIX в. А. Гумбольдт выделял сферу жизни как неотъемлемую часть географической оболочки. Наконец, Э. Зюсс в 1875 г. при рассмотрении основных оболочек Земли: лито-, атмо- и гидросферы, – полагал, что в области взаимодействия верхних сфер и литосферы можно выделять самостоятельную оболочку – биосферу. Э. Зюсс впервые ввел этот термин в науку.

Около 60 лет назад выдающийся русский ученый академик В.И. Вернадский разработал учение о биосфере – оболочке Земли, населенной живыми организмами. В.И. Вернадский распространил понятие биосферы не только на организмы, но и на среду обитания. Он выявил геологическую роль живых организмов и показал, что их деятельность представляет собой важнейший фактор преобразования минеральных оболочек планеты. Он писал: «На земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а поэтому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом». Более правильно, поэтому определять биосферу как оболочку Земли, которая населена и преобразуется живыми существами.

В составе биосферы различают:

- живое вещество, образованное совокупностью организмов;

- биогенное вещество, которое создается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, известняки и др.);

- косное вещество, образующееся без участия живых организмов (основные породы, лава вулканов, метеориты);

- биокосное вещество, представляющее собой совместный результат жизнедеятельности организмов и абиогенных процессов (почвы).

Эволюция биосферы обусловлена тесно взаимосвязанными между собой тремя группами факторов: развитием нашей планеты как космического тела и протекающих в ее недрах химических преобразований, биологической эволюции живых организмов и развитием человеческого общества.

Границы биосферы определяются факторами земной среды, которые делают невозможным существование живых организмов. Верхняя граница проходит примерно на высоте 20 км от поверхности планеты и отграничена слоем озона, который задерживает губительную для жизни коротковолновую часть ультрафиолетового излучения Солнца. Таким образом, живые организмы могут существовать в тропосфере и нижних слоях стратосферы. В гидросфере земной коры организмы проникают на всю глубину Мирового океана – до 10-11км. В литосфере жизнь встречается на глубине 3,5-7,5 км, что обусловлено температурой земных недр и уровнем проникновения воды в жидком состоянии.

Атмосфера. Газовая оболочка состоит в основном из азота и кислорода. В небольших количествах в ней содержится диоксид углерода (0,003 %) и озон. Состояние атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и биологические процессы на поверхности Земли и в водной среде. Для биологических процессов наибольшее значение имеют: кислород, используемый для дыхания и минерализации мертвого органического вещества, диоксид углерода, участвующий в фотосинтезе, и озон экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения. Азот, диоксид углерода, пары воды образовались в значительной мере благодаря вулканической деятельности, а кислород – в результате фотосинтеза.

Гидросфера. Вода – важный компонент биосферы и один из необходимых факторов существования живых организмов. Основная ее часть (95%) находится в Мировом океане, который занимает около 70 % поверхности Земного шара и содержит 1 300 млн. км.

Большое значение имеют газы, растворенные в воде: кислород и диоксид углерода. Их содержание широко варьируется в зависимости от температуры и присутствия живых организмов. В воде содержится в 60 раз больше диоксида углерода, чем в атмосфере.

Гидросфера формировалась в связи с развитием литосферы, которая в течение геологической истории Земли выделяла большое количество водяного пара.

Литосфера. Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, находится в почвенном слое, глубина которого не превышает нескольких метров. Почва включает минеральные вещества, образующиеся при разрушении горных пород, и органические вещества – продукты жизнедеятельности организмов.

Живые организмы (живое вещество). Хотя границы биосферы довольно узки, живые организмы в их пределах распределены очень неравномерно. На большой высоте и глубинах гидросферы и литосферы организмы встречаются относительно редко. Жизнь сосредоточена главным образом на поверхности земли, в почве и приповерхностном слое океана.

В распределении живых организмов по видовому составу наблюдается важная закономерность. Из общего числа видов 21 % приходится на растения, но их вклад в общую биомассу составляет 99 %. Среди животных 96 % видов беспозвоночные и только 4% позвоночные, из которых только десятая часть – млекопитающие.

Таким образом, в количественном отношении преобладают формы, состоящие на относительно низком уровне эволюционного развития.

Масса живого вещества составляет всего 0,01-0,02% от косного вещества биосферы, одна она играет ведущую роль в геохимических процессах. Вещества и энергию, необходимую для обмена веществ, организмы черпают из окружающей среды. Огромные количества живой материи воссоздаются, преобразуются и разлагаются.

Ежегодно благодаря жизнедеятельности растений и животных воспроизводится около 10 % биомассы.

Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов, который выражается в циркуляции веществ между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами.

Определяя биосферу, Вернадский вводит понятие «живое вещество» – совокупность всех живых организмов. Область распространения живого ве­щества включает нижнюю часть воздушной оболочки (атмосферы), всю вод­ную оболочку (гидросферу) и верхнюю часть твердой оболочки (литосферы).

Вернадский четко обозначает верхний и нижний пределы распростра­нения жизни. Верхний – обусловливается лучистой энергией, приходящей из космоса, губительной для живых существ. Речь идет о жестком ультрафиоле­товом излучении; оно задерживается озоновым экраном, нижняя граница ко­торого проходит на высоте около 15 км: это верхняя граница биосферы. Нижний предел жизни связан с повышением температуры в земных недрах. На глубине 3-3,5 км температура достигает 100 °С. Наибольшую мощность биосфера имеет в океане: от поверхности до максимальных глубин в нем обитают живые существа.

Для биосферы характерно не только присутствие живого вещества. Она обладает также следующими тремя особенностями: во-первых, в ней в значительном количестве содержится жидкая вода; во-вторых, на нее падает мощный поток солнечной энергии; в-третьих, в биосфере проходят поверх­ности раздела между веществами, находящимися в трех фазах – твердой, жидкой и газообразной. Все это служит предпосылкой для активного обмена веществом и энергией, в котором большую роль играют организмы. Био­сфера – главная арена жизни и хозяйственной деятельности человека.

Чтобы наглядно представить биосферу как систему, в которой живые организмы выполняют роль системобразующего элемента, рассмотрим ос­новные функции живого вещества: энергетическую, деструктивную, концен­трационную и средообразующую.

Энергетическая функция выполняется прежде всего растениями, ко­торые в процессе фотосинтеза аккумулируют солнечную энергию в виде раз­нообразных органических соединений. По словам Вернадского, зеленые хло­рофилльные организмы, зеленые растения, являются главным механизмом биосферы, который улавливает солнечный луч и создает фотосинтезом хи­мические тела – своеобразные солнечные консервы, энергия которых в даль­нейшем является источником действенной химической энергии биосферы, а в значительной мере – всей земной коры.

По расчетам Вернадского, на Земле ежегодно аккумулируется расте­ниями около 1019 килокалорий энергии. Внутри экосистемы эта энергия в виде пищи распределяется между животными. Частично энергия рассеива­ется, а частично накапливается в отмершем органическом веществе и пере­ходит в ископаемое состояние. Так образовались залежи торфа, каменного угля, нефти и других горючих полезных ископаемых, служащие в настоящее время энергетической базой для жизни и работы людей. Растения – главный источник пищи для людей и сельскохозяйственных животных.

Деструктивная функция состоит в разложении, минерализации мерт­вого органического вещества, химическом разложении горных пород, вовле­чении образовавшихся минералов в биотический круговорот. Мертвое орга­ническое вещество разлагается до простых неорганических соединений (уг­лекислого газа, воды, сероводорода, метана, аммиака и т. д.), которые вновь используются в начальном звене круговорота. Этим занимается специальная группа организмов – редуценты (деструкторы).

Особо следует сказать о химическом разложении горных пород. Бла­годаря живому веществу биотический круговорот пополняется минералами, высвобождаемыми из литосферы. Например, по свидетельству А.В. Лапо, плесневый грибок в лабораторных условиях за неделю высвобождал из ба­зальта 3 % содержащегося в нем кремния, 11 % алюминия, 59 % магния, 64 % железа. Пионеры жизни на скалах – бактерии, сине-зеленые водоросли, грибы и лишайники – оказывают на горные породы сильнейшее химическое воздействие растворами целого комплекса кислот – угольной, азотной, сер­ной и разнообразных органических. Разлагая с их помощью те или иные ми­нералы, организмы избирательно извлекают и включают в биотический кру­говорот важнейшие питательные элементы – кальций, калий, натрий, фос­фор, кремний, микроэлементы.

Общая масса зольных элементов, вовлекаемая ежегодно в биотиче­ский круговорот только на суше, составляет около 8 млрд. т. Это в несколько раз превышает массу продуктов извержения всех вулканов мира на протяже­нии года. Благодаря жизнедеятельности организмов-деструкторов создается уникальное свойство почв – их плодородие.

Концентрационная функция заключается в избирательном накоплении при жизнедеятельности организмов атомов веществ, рассеянных в природе. Способность концентрировать элементы из разбавленных растворов – это ха­рактерная особенность живого вещества. Наиболее активными концентрато­рами многих элементов являются микроорганизмы. Например, в продуктах жизнедеятельности некоторых из них по сравнению с природной средой со­держание марганца увеличено в 1200000 раз, железа – в 65000, ванадия – в 420000, серебра – в 240000 раз и т.д.

Морские организмы активно концентрируют рассеянные минералы для построения своих скелетов или покровов. Существуют, например, каль­циевые организмы (моллюски, кораллы, мшанки, иглокожие, известковые водоросли и т. п.) и кремниевые (диатомовые водоросли, кремниевые губки, радиолярии). Особо следует обратить внимание на способность морских ор­ганизмов накапливать микроэлементы, тяжелые металлы, в том числе ядови­тые (ртуть, свинец, мышьяк), радиоактивные элементы. Их концентрация в теле беспозвоночных и рыб может в сотни тысяч раз превосходить содержа­ние в морской воде. Благодаря этому морские организмы полезны как источ­ник микроэлементов, но вместе с тем употребление их в пищу может грозить отравлением тяжелыми металлами или быть опасным в связи с повышенной радиоактивностью.

Средообразующая функция состоит в трансформации физико-химиче­ских параметров среды (литосферы, гидросферы, атмосферы) в условия, бла­гоприятные для существования организмов. Можно сказать, что она является совместным результатом всех рассмотренных выше функций живого веще­ства: энергетическая функция обеспечивает энергией все звенья биологиче­ского круговорота; деструктивная и концентрационная способствуют извле­чению из природной среды и накоплению рассеянных, но жизненно важных для организмов элементов.

Средообразующие функции живого вещества создали и поддержи­вают в равновесии баланс вещества и энергии в биосфере, обеспечивая ста­бильность условий существования организмов, в том числе человека. Вместе с тем живое вещество способно восстанавливать условия обитания, нару­шенные в результате природных катастроф или антропогенного воздействия. Эту способность живого вещества к регенерации экологических условий вы­ражает принцип Ле Шателье, заимствованный из области термодинамиче­ских равновесий. Он заключается в том, что изменение любых переменных в системе в ответ на внешние возмущения происходит в направлении компен­сации производимых возмущений. В теории управления аналогичное явление носит название отрицательных обратных связей. Благодаря этим связям сис­тема возвращается в первоначальное состояние, если производимые возму­щения не превышают пороговых значений. Таким образом, гомеостаз, устой­чивость экосистемы, оказывается явлением не статическим, а динамическим.

В результате средообразующей функции в географической оболочке произошли следующие важнейшие события: был преобразован газовый со­став первичной атмосферы; изменился химический состав вод первичного океана; образовалась толща осадочных пород в литосфере; на поверхности суши возник плодородный почвенный покров (также плодородны воды океана, рек и озер).

Вернадский объясняет парадокс: почему, несмотря на то, что общая масса живого вещества – пленка жизни, покрывающая Землю, – ничтожно мала, результаты жизнедеятельности организмов сказываются на составе и литосферы, и гидросферы, и атмосферы? Если живое вещество распределить на поверхности Земли ровным слоем, его толщина составит всего 2 см. При такой незначительной массе организмы осуществляют свою планетарную роль за счет весьма быстрого размножения, т. е. весьма энергичного кругово­рота веществ, связанного с этим размножением.

Масса живого вещества, соответствующая данному моменту времени, с трудом сопоставляется с тем грандиозным ее количеством, которое произ­водило свою работу в течение сотен миллионов лет существования организ­мов. Если рассчитать всю массу живого вещества, воспроизведенного за это время биосферой, она окажется равной 2,4×1020 т. Это в 12 раз превышает массу земной коры.

На земной поверхности нет химической силы, более постоянно дейст­вующей, а потому и более могущественной по своим конечным последст­виям, чем живые организмы, взятые в целом. Глины, известняки, доломиты, бурые железняки, бокситы – это все породы органогенного происхождения. Наконец, свойства природных вод, соленость Мирового океана и газовый со­став атмосферы определяются жизнедеятельностью населяющих планету существ.

Рассмотрим влияние средообразующей функции организмов на со­держание кислорода и углекислого газа в атмосфере. Напомним, что повы­шение концентрации СО2 в атмосфере вызывает «парниковый эффект» и способствует потеплению климата. Свободный кислород выделяется при фо­тосинтезе. Впервые на Земле массовое развитие фотосинтезирующих орга­низмов – сине-зеленых водорослей – имело место 2,5 млрд лет назад. Благо­даря этому в атмосфере появился кислород, что дало импульс быстрому раз­витию животных. Однако интенсивный фотосинтез сопровождался усилен­ным потреблением СО2 и уменьшением его содержания в атмосфере. Это привело к ослаблению «парникового эффекта», резкому похолоданию и пер­вому в истории планеты (гуронскому) оледенению.

В наши дни накопление в атмосфере углекислого газа от сжигания уг­леводородного топлива рассматривается как тревожная тенденция, ведущая к потеплению климата, таянию ледников и грозящая повышением уровня Ми­рового океана более чем на 100 м. В этой связи следует отметить функцию захвата и захоронения избыточной углекислоты морскими организмами пу­тем перевода ее в соединения углекислого кальция, а также путем образова­ния биомассы живого вещества на суше и в океане.

Чистота морских вод – во многом результат фильтрации, осуществ­ляемой разнообразными организмами, но особенно зоопланктоном. Боль­шинство из этих организмов добывает пищу, отцеживая из воды мелкие час­тицы. Работа их настолько интенсивна, что весь океан очищается от взвеси за 4 года. Байкал исключительной чистотой своих вод во многом обязан весло­ногому рачку эпишуре, который за год трижды процеживает его воду.

Основу функционирования живого вещества составляет биотический круговорот веществ. Биотический круговорот обеспечивается взаимодейст­вием трех основных групп организмов: 1) продуцентов – зеленых растений, осуществляющих фотосинтез, и бактерий, способных к хемосинтезу, – они создают первичное органическое вещество; 2) консументов, потребляющих органическое вещество, – это растительноядные и хищные животные; 3) ре­дуцентов (деструкторов), разлагающих мертвое органическое вещество до минерального, – это в основном бактерии, грибы и простейшие животные.

На восходящей ветви биотического круговорота, основанного на вы­полнении энергетической функции зелеными растениями, происходит акку­муляция солнечной энергии в виде органических веществ, синтезируемых растениями из неорганических соединений – углекислого газа, воды, азота, зольных элементов питания. Нисходящая ветвь биотического круговорота связана с потерями органического вещества. Важнейший процесс - дыхание растений, при котором до половины ассимилированного при фотосинтезе ор­ганического вещества окисляется до СО2 и возвращается в атмосферу. Вто­рой существенный процесс расходования органического вещества и накоп­ленной в нем энергии – это потребление растений консументами первого по­рядка – растительноядными животными. Запасаемая фитофагами с пищей энергия также в значительной мере расходуется на дыхание, жизнедеятель­ность, размножение, выделяется с экскрементами.

Растительноядные животные являются пищей для плотоядных живот­ных – консументов более высокого трофического уровня. Консументы вто­рого порядка расходуют накопленную с пищей энергию по тем же каналам, что и консументы первого порядка (растительноядные животные). Число трофических уровней, образуемых хищными животными, обычно не превы­шает трех-четырех, так как в связи с большими тратами энергии численность и биомасса животных на более высоких трофических уровнях становятся все меньше.

Каждое звено экосистемы поставляет в окружающую среду органиче­ские остатки (детрит), которые служат источником пищи и энергии для жи­вотных-сапрофагов, а главным образом для микроорганизмов – бактерий, грибов, актиномицетов и др. Завершающим этапом превращения органиче­ского вещества являются процессы гумификации и далее окисления гумуса до СО2 и минерализации зольных элементов, которые вновь возвращаются в почву и атмосферу, обеспечивая растение пищей.

Таким образом, биотический круговорот представляет собой непре­рывный процесс создания и деструкции органического вещества. Он реали­зуется при участии представителей всех трех групп организмов: без проду­центов невозможна жизнь, поскольку лишь они производят основу жизни – первичное органическое вещество; консументы разных порядков, потребляя первичную и вторичную продукцию и переводя органическое вещество из одной формы в другую, способствуют возрастанию многообразия форм жизни на Земле; наконец, редуценты, разлагая органическое вещество до ми­нерального, возвращают его к началу круговорота. Глобальные циклы ми­грации химических элементов не только связывают три наружные оболочки нашей планеты в единое целое, но и обусловливают непрерывную эволюцию ее состава.