Тема: общая характеристика биосферы. Влияние живых существ на состав атмосферы. Саморегуляция биосферы

Развитие Земли, как и других планет, имеет длительную геологическую историю. За это время сформировались ее наружные оболочки: твердая – литосфера, жидкая – гидросфера и газообразная – атмосфера.

Литосфера – наружная твердая оболочка толщиной 50-200 км. Она состоит из поверхностного слоя осадочных пород (мел, известняк, кремнезем и т.д.), сформированного при участии живых организмов, а также гранита и нижнего базальтового слоя.

Гидросфера – совокупность всех водоемов, образующих водную оболочку Земли; занимает почти 71% поверхности нашей планеты. Толщина этой оболочки различна и может достигать 11 км.

Атмосфера – газовая оболочка, расположенная над поверхностью литосферы и гидросферы. Ее нижняя часть высотой до 12-15 км и(в умеренных широтах – до 8-12 км) называют тропосферой, в ней содержатся взвешенные в воздухе водяные пары. В результате неравномерного нагревания поверхности Земли они формируют облака, способные перемещаться на значительные расстояния. Температура тропосферы, особенно ее нижних слоев, непостоянна.

Над тропосферой расположена стратосфера, достигающая высоты 80 км. У верхней границы этого слоя возникает северное сияние – свечение газов, вызванное потоками электрически заряженных частиц, излучаемых Солнцем. В атмосфере на высоте между 7-8 км (над полюсами), 17-18 км (над экватором) и 50 км сформировался озоновый слой. В его состав входит озон – О₃ – образовавшийся при действии ультрафиолетового излучения на кислород – О₂. Озоновый экран имеет исключительное значение для существования наземных биогеоценозов и биосферы в целом, т.к. отражает коротковолновое солнечное излучение, пагубно действующее на живую материю.

Понятие «биосфера» (от греческого БИОС – жизнь) предложил в 1875 году австрийский ученый Эдуард Зюсс. Учение о биосфере создал украинский ученый Владимир Иванович Вернадский. Он пришел к выводу, что биосфера не является отдельной единой оболочкой Земли, а только частью ее геологических оболочек, населенных живыми организмами. Живые организмы распространены в верхних слоях литосферы, нижних – атмосферы и по всей глубине гидросферы. В глубь литосферы живые организмы могут проникать на относительно небольшие глубины. Проникновение живых существ в глубь литосферы ограничено высокой температурой горных пород (свыше й00^оС) и подземных вод на глубине 1,5 – 15 КМ. Распространение организмов в атмосфере ограничено озоновым экраном, поскольку выше него практически все живое гибнет под действием космического излучения.

Наибольшая концентрация биомассы наблюдается там, где условия существования организмов наиболее благоприятны, то есть на границах отдельных геологических оболочек Земли: литосферы и атмосферы, атмосферы и гидросферы, литосферы и гидросферы.

Таким образам, биосфера – это совокупность всех биогеоценозов Земли, единая глобальная экосистема высшего порядка.

Еще в первой половине ХХ столетия В.И.Вернадский предвидел, что биосфера будет постепенно развиваться в ноосферу. Вначале он рассматривал ноосферу как особую оболочку Земли, развивающуюся вне биосферы. Однако потом он пришел к выводу, что ноосфера – это новое состояние биосферы, при котором определяющим фактором развития становится умственная деятельность человека. В частности, В.И.Вернадский указывал, что именно под влиянием научной мысли и человеческого труда биосфера переходит в свое новое состояние – ноосферу. Общество людей все больше отличается от других компонентов биосферы как новая сверхмощная геологическая сила. Благодаря научной мысли, воплощенной в технических достижениях, человек осваивает те части биосферы, куда раньше он не проникал.

Для ноосферы как качественно нового этапа в развитии биосферы характерна тесная связь законов природы и факторов, определяющих развитие человеческого общества. Эта связь базируется на научно обоснованном рациональном использовании природных ресурсов, предполагающем возобновляемость круговорота веществ и потоков энергии в отдельных биогеоценозах и биосфере в целом. Характерной особенностью развития ноосферы является экологизация всех сторон жизни человека. Поэтому к решению любых проблем человек должен подходить с позиции экологического мышления.

Таким образом, ноосфера – это качественно новая форма организации биосферы, формирующаяся в результате ее взаимодействия с обществом людей и предусматривающая гармоничное сосуществование природы и человека.

Совокупность организмов нашей планеты В.И.Вернадский назвал живым веществом. Основными его характеристикам и являются: суммарная биомасса, химический состав и энергия. Энергия живого вещества прежде всего проявляется в способности организмов к размножению и распространению. Жизнь на нашей планете характеризуется значительной устойчивостью к изменениям интенсивности действия различных экологических факторов. Так, в состоянии анабиоза организмы способны выдерживать значительные колебания температуры – от абсолютного 0 до 100^оС и выше, давления – от сотых долей атмосферы до 1000 атмосфер и более. Фактически живые организмы отсутствуют только в толще ледников и кратерах действующих вулканов.

Одним из свойств живого вещества является его постоянный обмен с окружающей средой, в ходе которого через организмы проходят различные химические элементы. Вы знаете, что для осуществления процессов жизнедеятельности живым организмам необходимы определенные вещества и энергия, которые они получают из окружающей среды, значительно ее изменяя. В результате постоянного обмена веществ с окружающей средой различные химические элементы поступают в живые существа, могут в них накапливаться, выходить из организма через некоторое время или только после его смерти.

Зеленые растения выполняют в биосфере космическую роль, улавливая энергию солнечного света и преобразуя ее в энергию химических связей синтезированных ими органических соединений. Суммарная первичная продукция автотрофных организмов в конечном итоге определяет и биомассу биосферы в целом. Благодаря фотосинтезу, продуценты создают около 160 млрд. тонн сухого органического вещества, из которых 1/3 синтезируют биогеоценозы Мирового океана, а 2/3 – суши.

Вместе с пищей, энергия от растений поступает к растительноядным организмам, а от них – к хищникам, а далее по цепям питания. Так постоянный круговорот веществ и потоки энергии обеспечивают функционирование биосферы как единой целостной экосистемы.

Живое вещество выполняет разнообразные функции, связанные с процессами обмена веществ в живых организмах: газовую, окислительно-восстановительную, концентрационную.

ü Газовая функция заключается в том, что организмы в процессе своей жизнедеятельности влияют на газовый состав атмосферы, Мирового океана и почвы. Аэробные организмы в процессе дыхания поглощают из окружающей среды кислород и выделяют туда углекислый газ. Растения и цианобактерии в процессе фотосинтеза поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Некоторые организмы, например, определенные группы бактерий, могут влиять на концентрацию в окружающей среде и других газов, например, метана, сероводорода, азота и т.д.

ü Окислительно-восстановительная функция состоит в том, что с помощью живых организмов в атмосфере, воде и почве окисляются или восстанавливаются определенные химические соединения. Например, железобактерии способны окислять соединения железа, денитрифицирующие бактерии – восстанавливать нитраты и нитриты до молекулярного азота и его оксидов.

ü Концентрационная функция заключается в поглощении живыми существами из окружающей среды и накоплении в своем теле определенных химических элементов. Так, моллюски, десятиногие раки, позвоночные животные накапливают в своих организмах соединения кальция, а радиолярии и диатомовые водоросли – кремния.

Как вы уже знаете, в биосфере постоянно происходит круговорот всех химических элементов, входящих в состав живых организмов. Миграцию химических элементов с участием живых организмов называют биогенной, а вне организмов – абиогенной. Круговорот веществ вы изучали на практической работе. В круговороте веществ принимают участие живые организмы. Они принимают участие в процессах отложения осадочных пород, почвообразования, формирования атмосферы, изменяют оболочки Земли.

Осадочные породы образуются на дне водоемов вследствие наслоения различных нерастворимых веществ, преимущественно биогенного происхождения. Живые организмы принимают участие в образовании осадочных пород, накапливая на протяжении всей своей жизни в своих скелетах, раковинах, панцирях соединения кальция, кремния, фосфора, и других веществ. Из остатков этих организмов (диатомовые водоросли, фораминиферы, радиолярии, моллюски, кораллы, и др.) возникают разнообразные осадочные породы (известняк, мел, кремнезем, диатомиты, трепел, радиоляриты) значительной толщины.

Отложения мела и известняков образовывались на протяжении всего исторического развития биосферы. В результате накопления на дне морей раковин и скелетов отмерших организмов образуется известняковый ил. В его толще происходят химические процессы, в результате которых в условиях высокого давления образуется мел или известняк. Геологические процессы, происходящие на нашей планете, приводили к тому, что те или иные части материков опускались, а участки морского дна поднимались. В результате этого происходило распределение площади суши и гидросферы, а также возникли целые хребты из известняка.

Радиоляриты (осадочные породы, образованные преимущественно за счет скелетов радиолярий) представлены кремнистыми глинами, месторождениями полудрагоценных камней (яшмы, опала, халцедона). Из радиоляритов образован остров Барбадос в Карибском море. Отложения фосфоритов и апатитов образованы остатками особых вымерших групп морских животных, имевших раковины из фосфата кальция.

Образование каменного, бурого угля и торфа связано с особыми условиями преобразования остатков отмерших растений. Отложения железной руды образовывались на протяжении всего существования биосферы в рез0ультате деятельности хемотрофных железобактерий. Выдвинуты гипотезы о биогенном происхождении нефти, природного газа, горючих сланцев и других полезных ископаемых.

Живые организмы принимают участие и в процессе разрушения горных пород. Например, лишайники, поселяясь на скалах, выделяют органические кислоты, разрушающие горные породы. Лишайники и другие организмы могут разрушать горные породы и путем механического влияния. Они могут проникать в трещины скал и разрушать их. Это, в свою очередь, способствует проникновению в эти трещины воды, что вызывает растворение горных пород, которые становятся хрупкими и разрушаются.

Без разнообразного мира живых существ, населяющих почву, ее формирование было бы невозможно. Влияние обитателей почвы, ветра, воды, воздуха, климатических факторов обеспечивают процессы почвообразования, в ходе которых происходят сложные преобразования и перемещение разнообразных веществ в верхнем слое литосферы. Эти процессы способствуют повышению плодородия почвы – способности обеспечивать потребности растений в элементах питания, воде, кислороде, необходимом для дыхания их подземных частей.

Обитатели почвы влияют на ее свойства. Так, корневые системы растений улучшают ее пористость, влияющую на поступление в почву кислорода и растворимых солей. Живые и отмершие части растений обогащают почву органикой, служат кормовой базой для почвенных животных, грибов, бактерий. Некоторые микроорганизмы, обитающие в почве в свободном состоянии и вступающие в симбиоз с высшими растениями, способны фиксировать атмосферный азот и обогащать им почву, повышая тем самым ее плодородие. На структуру и плодородие почвы влияет и деятельность некоторых групп животных. Животные обогащают почву органикой и вместе с грибами и бактериями обеспечивают процессы минерализации, то есть разлагают органику до неорганических соединений, которые могут усваиваться растениями.

Остатки организмов попадают на поверхность почвы, образуя слой подстилки. В подстилке с участием живых организмов одновременно происходят процессы минерализации и синтеза органических веществ, входящих в состав гумуса. В образовании гумуса принимают участие разнообразные организмы: беспозвоночные животные, грибы, бактерии. Таким образом, запасы гумуса в почве – это результат процессов синтеза, разложения и накопления органических веществ, преимущественно растительного происхождения.

Живые организмы влияют на газовый состав атмосферы. В начале становления биосферы газовый состав атмосферы значительно отличался от современного: в ней было много водяных паров, углекислого газа, аммиака, сероводорода, метана; но не было свободного кислорода и озонового экрана. Благодаря деятельности фотосинтезирующих цианобактерий, газовый состав атмосферы постепенно изменялся: снижалась концентрация аммиака, углекислого газа, метана, но не было свободного кислорода. Благодаря деятельности фотосинтезирующих цианобактерий газовый состав атмосферы постепенно менялся: снижалась концентрация аммиака, углекислого газа, метана, появился свободный кислород.

Растительность Земли ежегодно поглощает около 1,7*10⁸тонн углекислого газа и выделяет почти 1,2*10⁸ тонн кислорода, используемого в процессе дыхания аэробными организмами.

Влияют организмы и на концентрацию азота в атмосфере. Он связывается некоторыми микроорганизмами (азотфиксирующие бактерии, цианобактерии), а возвращается в атмосферу в результате процессов расщепления органических соединений или денитрификации преимущественно в виде аммиака. Деятельность организмов способствует также поступлению в атмосферу сероводорода, метана, некоторых других газов.