Кто ввел термин биосфера. Биосфера земли

Главная

Колодцы

1 Общие свойства биосферы

Биосфера – это четвертая оболочка Земли, содержащая все живые организмы и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Биосфера – это область существования живых организмов на Земле. Первые представления о биосфере как о зоне жизни принадлежат французскому натуралисту Ж.Б. Ламарку. Дословно биосфера – это сфера жизни, так как «bios» – жизнь, а “sphaira” – шар, сфера. Впервые этот трермин ввел австрийский геолог Эдуард Зюсс в 1875 году.

Современные представления о биосфере сформулированы украинским ученым В.И. Вернадским сначала в отдельных статьях, а затем в лекциях, прочитанных в Карловском университете (Прага) и в Сорбонне (Париж). Положения, которые развивал Вернадский, были обобщены в книге “Биосфера”, опубликованной в 1926 г.

Сущность учения Вернадского заключается в признании исключительной роли живого вещества, преобразующего облик планеты. Поверхность Земли Вернадский рассматривал как своеобразную оболочку, развитие которой в значительной степени определяется деятельностью живых организмов. Вернадский доказал, что живые организмы оказывают решающее влияние на все геологические процессы, формирующие облик Земли. Жизнедеятельность живых организмов обусловливает химический состав атмосферы, концентрацию солей в гидросфере, образование почв и другие процессы. Живые организмы не только сами приспосабливаются к условиям внешней среды, но и активно их изменяют. Именно живые организмы улавливают и преобразуют лучистую энергию Солнца и создают бесконечное разнообразие нашего мира.

Самой существенной особенностью биосферы является биогенная миграция атомов химических элементов, вызываемая лучистой энергией Солнца и проявляющаяся в процессе обмена веществ, росте и размножении организмов. (Иначе можно сказать, что живое вещество преобразует энергию солнечных лучей в потенциальную, а затем – в кинетическую энергию биохимических процессов.) В основе биогенной миграции атомов в биосфере лежат 2 биохимических принципа: стремление к максимальному проявлению (“всюдности”) жизни (способность живого вещесмтва быстро осваивать свободное пространство) и обеспечение выживания организмов, что обеспечивает саму биогенную миграцию.

Другой главнейший аспект учения Вернадского – разработанное им представление об организованности биосферы, которое проявляется в согласованном взаимодействии живого и неживого вещества, во взаимной приспосабляемости организмов и среды.

Биосфера включает нижнюю часть атмосферы (до озонового слоя – на высоте 20-25 км), всю *гидросферу и верхнюю часть литосферы, то есть ту область, где существует жизнь, живые организмы. В настоящее время принято считать, что верхняя граница биосферы располагается на высоте примерно 85 км над поверхностью Земли, поскольку именно на такой высоте (в стратосфере) обнаружены споры микроорганизмов в латентном (скрытом, спящем) состоянии. Нижняя граница биосферы располагается в глубинах литосферы, где температура достигает 100 0 С и находится на глубине 1,5-2 км и 7-8 км (в зависимости от типа пород). Последние данные свидетельствуют о том, что некоторые бактерии могут существовать при температурах от абсолютного нуля до +180 0 С, в вакууме, в ядерных реакторах.

Общая масса живого вещества биосферы составляет 2,42 триллиона тонн (2,42∙10 12 т; масса биосферы 10 19 т), что в 2 тыс. раз меньше массы самой легкой оболочки Земли – атмосферы (5,15*10 15 т) , в 10 млн. раз меньше массы земной коры, в миллиард – массы Земли (6*10 21 т). Биомасса растений (фитомасса) составляет 2,4*10 12 т, биомасса животных и микроорганизмов (зоомасса и бактериомасса) – 0,02*10 12 т (в пересчете на сухое вещество). При этом видовая дифференциация животных в 5 раз больше видовой дифференциации растений (1,5-1,7 млн. видов животных и 300 тыс. (по Белявскому)-500 тыс. (по Кучерявому) растений).

Характерной особенностью живого вещества по сравнению с неживым веществом является очень высокая активность, высокая скорость реакций (в сотни-тысячи раз больше, чем у неживого вещества), например, очень быстрый обмен веществ. Все живое вещество биосферы обновляется в среднем за 8 лет. Биомасса Мирового океана обновляется за 33 дня, а его фитомасса ежедневно, фитомасса суши – примерно за 14 лет из-за большей продолжительности жизни наземных растений. Гусеницы некоторых насекомых за сутки перерабатывают пищи в 100-200 раз больше собственного веса, дождевые черви за 200 лет пропускают через свой организм весь 1-метровый слой почвы на Земле.

Для живых организмов характерно не только пассивное движение (под действием гравитации), но и активное (против течения воды, движения воздушных масс).

Благодаря живым организмам биосфера осуществляет следующие функции:

энергетическую (накопление и преобразование энергии);

газовую (способность изменять и поддерживать газовый состав среды обитания);

окислительно-восстановительную (интенсификация этих процессов в пространстве под действием живого вещества);

концентрационную (способность собирать в своем теле рассеянные в пространстве атомы химических элементов);

деструктивную (разложение как органических остатков, так и косного вещества);

транспортную (перенесение вещества и энергии в результате активного движения организмов);

средообразующую (изменение физико-химических параметров среды);

информационную (накопление, закрепление в наследственных структурах, передача информации) и др.

Впервые оценку вещества биосферы дал В.И. Вернадский. Основными компонентами биосферы он считал следующие типы вещества (всего 7):

а) живое вещество (растения, животные, микроорганизмы);

б) биогенное вещество – органические и органоминеральные продукты, созданные живыми организмами в течение геологической истории (каменный уголь, горючие сланцы, торф, нефть, газы биосферы – кислород, углекислый газ, вода, аммиак, сероводород и другие), являющиеся источником чрезвычайно мощной потенциальной энергии;

в) косное вещество (тяготеющий к постоянному, неподвижный) – горные породы неорганического происхождения (то есть образовано процессами, в которых живое вещество участия не принимало) и вода; это вещество является субстратом или средой для проживания живых организмов;

г) биокосное вещество – результат взаимодействия живого и неживого веществ (осадочные породы, почвы, илы - подводные грунты, природные воды) причем они представляют значительную биогеохимическую энергию в биосфере; соотношение живого и неживого в биокосном веществе колеблется, например, почва состоит в среднем из 93 % минеральных и 7 % органических веществ.

Кроме перечисленных видов веществ, существуют также вещество в радиоактивном распаде (полоний, радий, радон, уран, нептун, плутоний и др.), вещество рассеянных атомов (рубидий, цезий, ниобий, тантал образуют соединения на большой глубине в земной коре, иод и бром вступают в реакцию только на поверхности Земли) и вещество космического происхождения.

2 Состав и функционирование биосферы

Главным компонентом биосферы является живое вещество, под которым понимают все живые организмы. Организм – это живое существо определенного уровня биологической организации (ген-клетка-орган-организм-популяция-сообщество). Организмы отличаются от неживой природы определенной совокупностью свойств: клеточной организацией (кроме вирусов и фагов, доклеточных организмов); обменом веществ (метаболизмом), с помощью которого поддерживается гомеостаз организма (самовозобновление, постоянство внутренней среды и др.); движение, раздражимость, рост, развитие, размножение, адаптация и др.

Живое вещество биосферы состоит из организмов 3-х основных типов:

продуценты или автотрофы – организмы, которые для своего существования используют неорганические источники, т.е. создают органическое вещество за счет утилизации солнечной энергии, воды, углекислого газа и минеральных солей; к этому типу относятся зеленые растения суши и водной среды, сине-зеленые водоросли, некоторые хемосинтезирующие бактерии;

редуценты или деструкторы (также являются гетеротрофами, поскольку не создают органического вещества, а потребляют готовое) – организмы, которые разлагают органическую продукцию отмерших организмов (и продуцентов, и консументов) до простых соединений – воды, диоксида углерода, диоксида азота, минеральных солей (т.е. преобразуют органическое вещество в неорганическое); это бактерии, низшие грибы; количество видов этой группы наименьшее - их насчитывается 75 тыс. видов общей массой 1,8*10 8 т.

Основным движущим фактором развития процессов в биосфере является биохимическая энергия живого вещества. Рассмотрим общую схему биологического круговорота вещества в биосфере.

Схема переноса вещества и энергии в природных экосистемах

СОЛНЦЕ вещество

энергия

ПРОДУЦЕНТЫ КОНСУМЕНТЫ КОНСУМЕНТЫ

1-го порядка 2-го порядка

РЕДУЦЕНТЫ

ХИМИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА

продуценты (растения) с помощью фотосинтеза производят органическое вещество, потребляя углекислый газ, воду и энергию

6СО 2 + 6Н 2 О  С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 ;

хемопродуценты используют энергию химических реакций (например, серные продуценты – пурпурные бактерии получают необходимые вещества не из воды, а из сероводорода, и вырабатывают органическое вещество; существуют также нитратные, нитритные бактерии);

консументы 1-го порядка (растительноядные животные) потребляют органическую массу растений; консументы 2-го порядка (плотоядные), 3-го (хищные растения, грибы) употребляют в пищу других консументов;

редуценты получают энергию, потребляя органическое вещество продуцентов и консументов, разлагая мертвые тела растений и животных до простых химических веществ (СО 2 , Н 2 О, минеральные вещества), замыкая круговорот веществ в биосфере.

В целом биосфера очень похожа на гигантский суперорганизм, в котором автоматически поддерживается динамическое постоянство физико-химических и биологических свойств внутренней среды и основных функций. Таким образом, биосфера представляет собой систему взаимодействующих между собой организмов и неживых компонентов природы, а не просто их совокупность.

В современном представлении биосфера – это глобальная экосистема, открытая система со своим “входом” и “выходом”. “Вход” – поток солнечной энергии, поступающий из космоса. “Выход” – созданные в процессе жизнедеятельности организмов вещества, которые по различным причинам “выпали” из биологического круговорота. Это так называемый “выход в геологию” – нефть, каменный уголь, осадочные породы и т.д.

При изучении взаимодействия организмов между собой и с окружающей средой используют понятие “экосистема”. Экосистема – это совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, находящихся в закономерной связи друг с другом. Термин предложен англ. ученым А. Тенсли (1935). Различают экосистемы 4-х уровней:

микроэкосистемы (ствол гниющего дерева; подушка лишайника: водоросли, грибы, мелкие членистоногие);

мезоэкосистемы (лес, пруд, степь, озеро и др.);

макроэкосистемы (континент, океан);

глобальная экосистема (биосфера Земли).

Синонимом понятию “экосистема” является термин “биогеоценоз”, предложенный советским экологом Сукачевым (Влад. Ник.). Согласно определению, биогеоценоз – это участок земной поверхности с относительно однородной растительностью, животным миром, климатическими и почвенными условиями, которые вместе взятые представляют собой компоненты единого организма, связанные между собой обменом веществ и энергии. Понятие биогеоценоз соответствует мезоэкосистеме.

Взаимосвязи живых существ друг с другом и с неживым веществом очень сложны. Количество возможных связей между членами экосистемы определяется формулой:

А= ------------- ,

где А – число связей, N – число видов в экосистеме. Например, N= 1 тыс., А= 1000*999/2  500 тыс. Среди этих многочисленных связей есть чрезвычайно важные, незаменимые. (Вмешательство людей в биосферные связи, о значении которых они имеют приблизительное представление, часто приводит к нежелательным последствиям. Например, в 30-х годах в Норвегии решили уничтожить хищных птиц (полярных сов, ястребов), которые уменьшали поголовье полярной куропатки; охотникам выдавали премии, льготы за уничтожение хищных птиц; среди куропаток вспыхнула эпидемия, которая почти полностью уничтожила этот вид; в данном случае совы и ястребы играли роль санитаров.)

Важнейшие связи – пищевые, энергетические .

Кроме энергетических, пищевых и химических связей, большую роль в биосфере играют информационные связи. Живые существа Земли освоили различные виды информации: зрительную, звуковую, химическую, электромагнитную.

К сожалению, система связей в биосфере пока расшифрована в общих чертах. С позиций кибернетики биосфера – это гигантская система, которая, как и ее составные части - биогеоценозы, описываются как “черный ящик”. Процессы, происходящие внутри его, закодированы природой. Можно с уверенностью сказать, что экосистема в ее основных чертах является саморегулирующейся, самоорганизованной (см. выше – организованность биосферы – одна из важнейших ее особенностей, по Вернадскому). Экологи объясняют самоорганизацию системы информацией, принизывыающей экосистему. Она содержится в живых организмах, в их генетическом коде и способности адаптироваться к смене условий среды.

Указанные выше особенности биосферы (способность к максимальному проявлению жизни, высокая активность живого вещества, способность к саморегуляции и др.) делают ее устойчивой системой. Обобщая результаты исследований в области геологии, палеонтологии, биологии и других естественных наук, Вернадский делает вывод, что “биосфера – стойкая динамическая система, равновесие в которой установилось в основных своих чертах с археозоя и неизменно действует в течение 1,5-2 млрд. лет”. Вернадский доказал, что устойчивость биосферы в течение этого времени проявилась в постоянстве ее общей массы (10 19 т), массы живого вещества, энергии, связанной с живым веществом (4,21*10 18 кДж), а также в постоянстве среднего химического состава живого вещества.

Устойчивость биосферы Вернадский связывает с ее разнообразием. Все функции живых организмов в биосфере (образование газов, окислительные и восстановительные процессы, концентрирование химических элементов и т.п.) не могут выполняться организмами какого-нибудь одного вида, а только их комплексом. Отсюда следует чрезвычайно важное положение, разработанное Вернадским: биосфера Земли сформировалась с самого начала как сложная система с большим количеством видов организмов, каждый из которых исполнял свою роль в общей системе. Без этого биосфера вообще не могла бы существовать, тот есть устойчивость ее существования была сразу заложена ее сложностью.

В соответствии с законом необходимого разнообразия Виннера-Шеннона-Эшби, который считают основным кибернетическим законом, система только тогда обладает стойкостью для блокирования внешних и внутренних воздействий, когда она имеет достаточное внутреннее разнообразие. Таким образом, разнообразие (видовое разнообразие живых организмов, разнообразие природных зон, климатических условий существования, разнообразие среды обитания и др.) – еще одна важная особенность биосферы. Исходя из экосистемных представлений, видовое разнообразие – это не просто арифметическая величина, ниже которой не должен опускаться живой мир. Это реальная потребность каждого существующего на планете вида в трофических цепях биогеоценозов и биосферы в целом. Видовое разнообразие необходимо сберечь для нормального функционирования биосферы.

3 Происхождение и эволюция биосферы

Первыми научными теориями относительно происхождения живых организмов на Земле стали теории А. Опарина и Дж. Холдейна. (Опарин – российский биохимик – в 1923 г. выдвинул гипотезу о возможности возникновения органических соединений без участия живого вещества.) Согласно этим теориям, на заре геологической истории произошел абиогенный синтез, то есть в первых земных океанах, насыщенных разными простыми химическими соединениями, под действием тепла вулканов, разрядов молний и других факторов окружающей среды начался синтез более сложных органических веществ и биополимеров. Сложные молекулы аминокислот случайно объединялись в полипептиды, которые, в свою очередь, дали первые живые существа микроскопических размеров.

У этой гипотезы есть один существенный недостаток. Нет ни одного факта, который подтвердил бы возможность абиогенного синтеза на Земле хотя бы какого-нибудь простейшего живого организма из неживых соединений. Во многих лабораториях мира проведено тысячи опытов по таким синтезам. Американец С. Миллер (1953), исходя из возможного состава первичной атмосферы Земли (азот, аммиак, водород, вода, метан), в специальном устройстве пропускал электрический разряд через смесь газов. Ему удалось получить молекулы некоторых аминокислот (основы белка). Эти опыты были многократно повторены, некоторым ученым удалось получить довольно длинные цепочки простых белков. И все! Ни одного самого простого живого организма никому получить не посчастливилось. Даже если применить сложное оборудование и определенные условия, чего на самом деле на Земле не было.

В последнее время математики подсчитали, что вероятность зарождения живого организма из неживых блоков равна практически нулю. Л. Блюменфельд доказал, что вероятность случайного образования за все время существования Земли хотя бы одной молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) составляет 10 -800 .

Противоречат теории абиогенного синтеза и геологические данные. Как бы мы далеко не проникли в глубь геологической истории, на Земле не найдено следов того периода, когда на ней не существовало жизни. Палеонтологи нашли ископаемые остатки довольно сложно организованных существ – бактерий, сине-зеленых водорослей, простых грибков в породах, возраст которых 3,8 млрд. лет (время образования Земли 4-4,5 млрд. лет назад).

Тем не менее, теории абиогенного синтеза широко распространены и популярны в настоящее время. В основе этих теорий лежат некоторые общие принципы: 1) накопление в океане органических веществ, синтезированных абиогенным путем; 2) в зонах концентрации органических веществ возникли молекулы, способные к самокопированию (к репликации); 3) на основе репликаторов сформировались механизмы матричного синтеза (в том числе биосинтез белков), генетический код, что и обеспечило возникновение клеток живого вещества.

Религия рассматривает возникновение жизни на Земле как акт создания ее богом.

Некоторые ученые, в том числе и Вернадский, считают, что живые организмы занесены на Землю из космоса с метеоритами или космическими цивилизациями.

Вернадский был уверен, что жизнь геологически вечна, то есть в геологической истории не было эпохи, когда наша планета была бы неживой. Он также считал, что жизнь – такая же вечная основа Космоса, какими являются материя и энергия. Исходя из представлений о биосфере как о земном, но одновременно и космическом механизме, Вернадский связывал ее образование и эволюцию с организованностью космоса. “Для нас становится понятным, что жизнь есть явление космическое, а не чисто земное”. “… Начала жизни в том Космосе, который мы наблюдаем, не было, поскольку не было начала этого Космоса. Жизнь вечна, как вечен Космос”. (Это подтверждается способностью организмов воспринимать информацию из космоса, чувствительностью организмов к действию электромагнитных полей и др.)

Все эволюционные теории, начиная с Ч. Дарвина, основываются на положении,что развитие идет от простого к сложному, что генетическую информацию контролирует окружающая среда путем естественного отбора наиболее приспособленных индивидов. Однако при этом совсем не учитывается, что лучше всего приспособлены к разнообразным земным условиям именно простейшие существа – прокариоты. Они существовали на Земле без заметных изменений своего строения 3 млрд. лет и за все время своего существования настолько существенно изменили окружающую среду и биосферу в целом, что с появлением новых, сложно организованных организмов вынуждены были отойти на задний план. В настоящее время они процветают там, где никто другой существовать не может: в концентрированных соленых водах некоторых озер, высокотемпературных гидротермальных источниках, даже в ядерных реакторах. Таким образом, наблюдается эволюционный тупик.

Сам создатель теории естественного отбора Дарвин не мог объяснить такого явления, когда в процессе эволюции часто имеют преимущества не наиболее прогрессивные формы. По Дарвину, какая-либо черта закрепляется в последующих поколениях, если благодаря ей организм лучше приспосабливается к условиям жизни. Природная среда сама осуществляет отбор – поэтому он называется естественным. Лучше приспособленная особь имеет больше шансов выжить и дать потомство. Жизнь демонстрирует много исключений из этого правила, даже на примере эволюции самого человека. К жизни должен лучше приспосабливаться более интеллектуально развитый человек, опытный, образованный, поскольку он лучше знает, как надо ориентироваться в тех или иных обстоятельствах, однако статистические данные свидетельствуют, что именно люди профессий, требующих более высокого интеллекта, имеют меньше потомков.

В «Происхождении видов» Дарвин писал, что любой сложный орган возник в результате многочисленных последовательных незначительных изменений. Однако в настоящее время обнаружены тысячи таких органов, которые не соответствуют данному правилу, то есть отсуствует аналог органа у других видов, например, железа, выделяющая яд у змеи, или «конденсатор» у угря, ударяющего электротоком.

Дарвин считал, что каждому виду должен предшествовать почти идентичный ему родительский вид. Однако находки геологов подтверждают, что все виды сменяли друг друга неожиданно резко, почти не изменяясь в процессе существования, и также неожиданно исчезали.

Если бы эволюция действительно происходила путем постепенного изменения тех или иных черт видов с последующим их закреплением, то среди ископаемых остатков организмов должно было быть большое количество промежуточных форм, однако в определенном слое горных пород мы находим остатки только одного вида, а в соседнем с ним слое – другого вида. Объяснить это неполной палеонтологической картиной нельзя – почему исчезли именно промежуточные формы организмов?

Рассмотрим основные этапы эволюции биосферы.

Первыми живыми организмами на Земле были прокаритоы (~ 3 млрд. лет назад) – простейшие организмы, в клетках которых отсутствует ядро: бактерии, сине-зеленые водоросли; они возникли в гидросфере). Прокариоты были анаэробами, т.е. существовали в бескислородной среде (жили глубоко в морях). Необходимые для жизни вещества и энергию они доставали, в основном, используя органические вещества «первичного бульона». Но одновременно с этим или немного позднее некоторые организмы могли получать необходимую энергию за счет химических реакций (в процессе хемосинтеза) или (уже позднее) в результате поглощения и преобразования солнечной энергии (впроцессе фотосинтеза). Первые хемосинтезирующие организмы окисляли серу в сероводороде до молекулярной серы или железо (+2) до железа (+3). Первые фотосинтезирующие бактерии – цианобактерии (синезеленые водоросли). Они из углекислого газа и воды с помощью солнечного света создавали молекулы простых сахаров, выделяя кислород. Кислород накапливался в атмосфере, замещая постепенно метан и аммиак. В океане появились аэробные организмы, которые использовали кислород для окисления глюкозы (для кислородного расщепления простых сахаров). Живое вещество заселило всю гидросеру, включая поверхностные слои океана и его мелководий. Прокариоты оказали огромное влияние на состав атмосферы, гидросферы, литосферы (на увеличение содержания кислорода в атмосфере, ускорение процессов разрушения горных пород, образования почвы и др.).

После прокариотов на Земле появились эукариоты – организмы, в клетках которых содержится ядро (~ 1,5-2 млрд. лет назад). Сначала они были одноклеточные, а потом появились многоклеточные организмы (~ 700 млн. лет назад). Считается, что около 600 млн. лет назад в биосфере начинается важнейший эволюционный процесс – заселение материков живыми организмами. Первыми из них были низшие автотрофные растения. Около 500 млн. лет назад появились сосудистые растения, насекомые. Голосеменные растения появились примерно 350 млн. лет назад, а цветочные (покрытосеменные) растения и млекопитающие животные – в конце юрского периода – около 100 млн. лет назад (в мезозойской эре). В кайнозойской эре: ~ 50 млн. лет назад появились злаковые, ~ 20 млн. лет назад происходит увеличение видового разнообразия млекопитающих, содержание кислорода в атмосфере становится близким к современному.

Таким образом, биосфера сформировалась на ранних этапах развития жизни на Земле, причем очень быстро и в достаточно сложном виде. К. Циолковский считал, что многочисленные виды простейших организмов зародились на Земле одновременно. Эту же мысль подчеркивал и Вернадский.

Чем же обусловлена изменчивость живых существ вообще? Что является движущей силой эволюции? Открытие генетического кода позволило приблизиться к разгадке этой тайны. Оказалось, что в двойной спирали ДНК зашифрованы все сведения об организме, и согласно этой программе происходит его индивидуальное развитие. (Строение генома* (*геном - совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данного организма) высокоорганизованных организмов очень сложное – в ДНК человека насчитывается 3 млн. пар нуклеотидов** (**нуклеотид – сложное соединение, составная часть нуклеиновых кислот, высокомолекулярных органических соединений, и других биологически активных соединений).) Следовательно, изменчивость организмов, появление новых видов в процессе эволюции, связаны со сменой записей в генетическом коде. Доказано, что генетическая информация нарушается под действием мутагенных факторов – радиации, активных химических веществ, таких как пестициды, температура и т.д. Окружающая среда все больше загрязняется этими факторами вследствие технологической деятельности людей. Возникает вопрос: не готовим ли мы себе «генетическую» катастрофу?

На основании достижений генетики можно предположить, что эволюция органического мира происходит за счет появления мутаций, то есть случайных отклонений в генетической записи под влиянием мутагенных факторов окружающей среды. В случае, если новые свойства выгодны для организма, они закрепляются естественным отбором.

Но: результаты исследований генетиков свидетельствуют, что большинство мутаций вредно для организма. Особи, которые появляются на свет после мутагенного влияния радиации или химикатов, являются бесплодными, нежизнеспособными. Известно также, что искусственно выведенные путем гибридизации новые виды имеют тенденцию со временем «расщепляться» на своих предшественников (гибрид волка и собаки через несколько поколений расщепляется на волка и собаку). Это свидетельствует о том, что организм сопротивляется накоплению ошибок (мутаций) в генетическом коде – включая и механизм ремонта кода. Следует вывод: возникновение нового вида организмов за счет мутаций является маловероятным.

Если сравнить строение какой-нибудь клетки организма человека и клетки простейшего животного (например, инфузории), то нельзя найти принципиальных различий. Однако каждая из клеток высокоорганизованных существ, кроме своих обычных функций (дыхание, обмен веществ), выполняет также определенные специальные функции, связанные с жизнедеятельностью организма. В изолированном состоянии клетка высокоорганизованного организма жить не может, она функционирует лишь в сотрудничестве и кооперации с другими клетками.

Программа функционирования клетки с самого начала записана в ее хромосомной структуре, содержится в генах.

Изучение эволюции биосферы позволяет сделать вывод, что каждое живое существо рождается, развивается, выполняет свою программу жизни как составная часть огромного сверхорганизма – биосферы. Она, в свою очередь, является порождением космического надорганизма – Галактики. А все галактики являются как-бы клеточками сверх-сверхорганизма - Космоса.

К. Циолковский так подытожил свои размышления о нас и нашем месте в Космосе: «Все порождено Вселенной. Она – начало всех вещей, все от нее зависит. Человек и его воля есть лишь проявление воли Вселенной… ни один атом Вселенной не избегает ощущения высшей разумной жизни. Возможно, что вопрос «Что породило Вселенную?» вообще нельзя ставить». Циолковский считал, что о причине Космоса можно только догадываться.

Как осуществляется программа эволюции биосферы, нам известно лишь в общих чертах. В частности, определено, что в целом, процесс эволюции можно рассматривать как увеличение объема генетической информации. Например, объем информации у млекопитающих в 100 тыс. раз больше, чем у бактерии. Причем большое значение имеют не только размеры генетической цепочки, но и ее структура. Еще эволюция биосферы свидетельствует, что при любом воздействии на биосферу (природном или антропогенном) ее гомеостаз обеспечивается за счет сохранения биологического разнообразия.

Можно констатировать еще одну черту эволюции биосферы – ее нарастающий темп. Так, если условно принять возраст Земли (4,5 млрд. лет) за одни сутки (24 часа), то в таких единицах жизнь на Земле существует примерно 20 часов, первые живые организмы вышли из моря на сушу 6 часов 35 минут назад, млекопитающие существуют 3 часа 46 минут, человек - последние 10 секунд. И наибольшие изменения в составе и характеристике биосферы произошли именно в эти 10 секунд.

4 Эволюция человека. Ноосфера

Появление на Земле Разума, носителем которого является человек, коренным образом изменила ход эволюции биосферы. Как считают некоторые ученые, и в том числе известный биолог и писатель-фантаст И. Ефремов, только человек в земных условиях мог стать носителем разума. (Писатели-фантасты: Саймак – разумные цветы, Стругацкие – собаки, Лем – мыслящий океан протоплазмы. Американский биолог Билински считает, что при определенных условиях на Земле могли появиться разумные рептилии, осьминоги.) Для этого у человека есть все необходимое: могучие органы чувств и, прежде всего, зрение, которое может охватить большое пространство, точно фиксировать предметы; развитые конечности, способные выполнять работу; форма человека, его черты как мыслящего животного не случайны, они больше всего соответствуют организму, который имеет огромный думающий мозг. Что значит «огромный мозг»? Большинство антропологов сегодня считает, что есть определеннный минимум мозга, ниже которого его хозяин не может стать разумным. Это 700-750 см 3 . Однако, с дщругой стороны, масса мозга не является единственным условием для животного стать разумным. Еще большее значение имеет его структура, в частности, внутренняя структура коры мозга.

У современных людей объем мозга колеблется в пределах 1200-2000 см 3 . Ученые установили, что потенциальные возможности человеческого мозга на много порядков превышают физиологические потребности. Развитие мозга первых гомоноидов происходило намного быстрее, чем этого требовали изменения окружающей среды. Современного уровня сложности мозг человека достиг задолго до того, как возникли культура и цивилизация. По некоторым подсчетам, мозг современного человека используется не более чем на 2-3% своих потенциальных возможностей. Похоже на то, что эволюция человека заблаговременно предвидела будущие потребности человека и наделила его таким «компьютером», основные узлы которого заблокированы и будут задействованы когда-либо потом.

С генетической точки зрения ближайшим родственником человека в животном мире являются обезьяны. По строению молекулы ДНК человека и шимпанзе отличаются только на 2%. По подсчетам генетиков человек отделился от человекообразных приматов около 5 млн. лет назад. Но предшественники людей –австралопитеки, а затем – неандертальцы и синантропы – не являются нашими предками. Сейчас ученые считают, что эволюция человека современного вида началась намного ближе к настоящему времени, чем считалось раньше. Около 200 тыс. лет назад, пока еще неизвестно, по какой причине, на юге Африки появилась небольшая группа людей современного типа (кроманьонцы), потомки которых через 100 тыс. лет заселили Африку, а затем расселились по всему миру (через Суэцкий перешеек попав в Евразию). Они отличались от неандертальцев высоким ростом, стройным телом, высоким лбом, но меньшей физической силой. Некоторое время рядом с Гомосапиенс жили неандертальцы, но они не выдержали конкуренции с разумными существами. С течением времени неандертальцы не развивались, а деградировали, так как более поздние неандертальцы стоят дальше от современного человека, чем ранние. Это тупиковая ветвь (так же, как и синантропы и др. формы древних гомоноидов).

Прародина человека установлена на основе изучения ДНК разных расовых групп. Большая часть ДНК сосредоточена в ядрах клеток. В каждом поколении ядерная ДНК меняется, когда перетасовываются наследственные линии отца и матери. Но в клетках есть ДНК метахондрий (специальных образований, которые обеспечивают клетку энергией). ДНК метахондрий наследуются только по материнской линии, т.е. эта ДНК может меняться только в результате случайных мутаций. Американские биологи на основе анализа ДНК метахондрий установили, что у всех современных людей различных регионов предок один, и, кроме этого, в руки специалистов попали также «генетические» часы - вследствие мутаций ДНК меняет структуру на 3% за 1 млн. лет. Таким образом, найдено, что самая старая ДНК у африканок (200 тыс. лет), более молодая – у азиаток (100 тыс. лет), самая молодая – у европеек (50 тыс. лет). Следовательно, миграция людей шла из Африки в Азию, а затем в Европу; расовые отличия людей возникли относительно недавно.

Эволюция человека необычна. В отличие от всех других организмов, человек использует огонь, орудия труда, жилища, одежду, другие средства и приемы, чтобы создавать собственную стабильную среду. Человеку не нужно изменять свою организацию под воздействием изменений в окружающей среде. Поэтому его физическая эволюция практически остановилась. Сохраняя свою внутреннюю среду, человек дальше все в больших масштабах изменяет окружающую среду. Учитывая потенциальные возможности человеческого мозга, можно представить возможности человека для самоусовершенствования и развития интеллекта.

Человек в биосфере Земли является новым фактором. Человек не просто влияет на окружающую среду, но изменяет и с большой скоростью структуру самих основ биосферы. В связи с этим возникает понятие ноосфера. Понятие «ноосфера» появилось в связи с оценкой роли человека в эволюции биосферы.

С появлением человека в биосфере и его эволюцией связано понятие «ноосфера».

Впервые термин ноосфера был предложен в 30-е годы французскими философами и естествоиспытателями (Тейяр де Шарден, Ле-Руа). В буквальном смысле термин означает «сфера разума» (ноос – разум).

Ноосфера – это высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и становлением в ней цивилизованного общества, с периодом, когда разумная деятельность человека становится главным, определяющим фактором развития. Научная мысль и деятельность человека изменили структуру биосферы, обусловили физические и химические изменения всех ее оболочек (атмосферы, литосферы, гидросферы).

Понятие «ноосфера» наполнил смыслом и развил Вернадский, в частности, в 1944 г. в статье «несколько слов о ноосфере», опубликованной перед его смертью, ученый приводит свои мысли о дальнейшем развитии биосферы и ее переходе в новое качество – ноосферу. Вернадский подчеркивал особую роль живого вещества в планетарных процессах, в создании и развитии биосферы. Среди всех живых существ он выделил человека как мощную гелогическую силу, способную оказывать влияние на ход различных процессов в охваченной ее воздействием среде Земли и околоземном пространстве. Человек способен перестраивать эту среду согласно своим представлениям и потребностям (благодаря человеческому труду, интеллекту).

Действительно, за последние 500 лет человечество освоило новые формы энергии – паровую, электрическую, атомную; научилось использовать почти все химические элементы. Человек проник в глубь земли и поднялся на десятки километров над ее поверхностью, вышел в открытый космос, построил космические станции.

Человечество освоило всю биосферу и получило значительно большую, чем другие организмы, независимость от окружающей среды. Согласно Вернадскому, ноосфера – окружающая человека среда, в которой природные процессы обмена веществ и энергии контролируются обществом. Человек, по мнению Вернадского, является частью биосферы, ее определенной функцией. Вместе с тем, воздействие человека на природу по своему характеру резко отличается от других форм живого вещества. Поскольку некоторые изменения в биосфере, произошедшие под влиянием деятельности человека, являются нежелательными для людей, Вернадский считает, что они должны приложить определенные усилия, чтобы, например, сберечь некоторые виды растений и животных. Причем, сохранить в биосфере следует только то, что является полезным и выгодным людям. В целом среда является чужой для человека и его культуры, оказывает на человека давление. Биосфера рассматривается как строительный материал для создания ноосферы. Разум человека в будущем будет основной руководящей силой развития ноосферы.

Подход Вернадского к этой проблеме является по сути рационалистическим. Ноосфера в представлении Вернадского является фактически синонимом той техносферы, которая сегодня создается на Земле. Сейчас в пределах ноосферы выделяют: техносферу – совокупность искусственных объектов, созданных антропогенной деятельностью, и природных объектов, измененных этой деятельностью; антропосферу – совокупность людей как организмов; социосферу – сферу общественной производственной деятельности, общественных отношений.

Вернадский полагал, что человек с помощью разума может управлять процессами в биосфере. «На определенном этапе своего развития человек вынужден взять на себя ответственность за дальнейшую эволюцию планеты, иначе у него не будет будущего». Действительно, человек достиг больших достижений: вышел в космос, овладел тайнами термоядерной энергии, научился клонировать животных. Однако 50 лет спустя после выхода работ Вернадского оказалось, что развитие техносферы способствует разрушению биосферы, в частности ее основных, жизненно важных для существования человека участков. И теперь очевидно, что эволюция человеческого общества должна быть направлена не на завоевание природной среды, а на ее гармонизацию. (Гирусов: ломка развития человеческой деятельности должна идти не вопреки, а в унисон с организованностью биосферы, ибо человечество, образуя ноосферу, всеми своими корнями связано с биосферой.)

По современным представлениям, ноосфера – сфера гармонического взаимодействия природы и общества. Это идеальный вариант будущего. Определяющим фактором функционирования ноосферы является не стихийное природное развитие, а высокий интеллект человека, разум, мудрость. Основой ноосферного процесса должен стать переход человечества к социальной автотрофности (обеспечение энергетическими ресурсами и сырьем на основе целостности общественного производства и биотехнологии – многократное повторное использование природных и синтезированных веществ и материалов). Для перехода к ноосфере необходимо преодолеть конфликт между циклическим и безотходным характером биогенных процессов обмена веществ и энергии. Необходимо преодолеть потребительский подход к природе, консерватизм мышления, создать более совершенные технологии производства, перейти к разумному, рациональному хозяйствованию.

Ноосфера подразумевает также жизнь людей в мире без войн и социальных катаклизмов, в мире материального достатка, экологически безопасных продуктов, незагрязненной окружающей среде.

Сегодня абсолютно нереальной выглядит идея Вернадского, в соответствии с которой разум человека может управлять всеми процессами в биосфере. Ю. Одум считает (1986), что несмотря на возможности и способности человеческого разума к управлению природными процессами, тем не менее, еще рано говорить о ноосфере, так как человек не может предугадать все последствия своих действий. Об этом свидетельствует множество возникших экологических проблем на нашей планете.

Ряд ученых (Куражковский, 1992) полагают, что правильно говорить в настоящее время о сущетсвовании начальных стадий развития ноосферы, имеющих принципиальные отличия от ее будущего состояния. Современный русский философ В. Кутирев считает, что ноосфера как гармония – это типичный пример утопии.

Дайте определение науке «экология».

Назовите основные разделы традиционной экологии.

Кто и когда ввел термин «экология» ?

Когда экология сформировалась как самостоятельная дисциплина?

На какие периоды можно разделить историю развития экологии?

Что изучает современная экология?

Что такое «глобальный экологический кризис» ?

Какими основными явлениями отмечен современный глобальный экологический кризис?

Что включает понятие «природная среда» ?

Из каких сфер состоит атмосфера?

Назовите характерные особенности тропосферы и стратосферы.

В какой сфере располагается озоновый слой?

Каков химический состав атмосферы?

Каковы основные экологические функции атмосферы?

Что такое «литосфера» ?

Как образуется почва?

Из каких компонентов состоит почва?

Каковы основные экологические функции литосферы в целом и почвы в частности?

Что включает «гидросфера» ?

Каковы запасы пресной воды на Земле?

Назовите основные экологические функции гидросферы.

Дайте понятие «биосферы».

Каковы основные особенности биосферы (по Вернадскому) ?

Назовите основные количественные характеристики биосферы.

Что является основным компонентом биосферы?

Каковы особенности живого вещества?

Назовите основные типы вещества биосферы, приведите примеры.

Каковы границы биосферы?

Дайте определение понятиям «продуценты», «консументы», «редуценты».

Что представляет собой общая схема переноса вещества и энергии в биосфере?

Приведите основные характеристики продуцентов, консументов, редуцентов.

Какие существуют гипотезы о происхождении жизни на Земле?

Дайте краткую характеристику основных этапов эволюции биосферы.

Чем эволюция человека отличается от эволюции других живых организмов?

Что такое «ноосфера» ?

Кто и когда ввел понятие «ноосфера» ?

В буквальном переводе термин “биосфера” обозначает сферу жизни и в таком смысле он впервые был введен в науку в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831 – 1914). Однако задолго до этого под другими названиями, в частности "пространство жизни", "картина природы", "живая оболочка Земли" и т.п., его содержание рассматривалось многими другими естествоиспытателями.

Первоначально под всеми этими терминами подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом скорее обращалось внимание на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической природы. Даже автор самого термина "биосфера" Э. Зюсс в своей книге "Лик Земли", опубликованной спустя почти тридцать лет после введения термина (1909 г.), не замечал обратного воздействия биосферы и определял ее как "совокупность организмов, ограниченную в пространстве и во времени и обитающую на поверхности Земли".

Первым из биологов, который ясно указал на огромную роль живых организмов в образовании земной коры, был Ж. Б. Ламарк (1744 – 1829). Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.

Факты и положения о биосфере накапливались постепенно в связи с развитием ботаники, почвоведения, географии растений и других преимущественно биологических наук, а также геологических дисциплин. Те элементы знания, которые стали необходимыми для понимания биосферы в целом, оказались связанными с возникновением экологии, науки, которая изучает взаимоотношения организмов и окружающей среды. Биосфера является определенной природной системой, а ее существование в первую очередь выражается в круговороте энергии и веществ при участии живых организмов.

Очень важным для понимания биосферы было установление немецким физиологом Пфефером (1845 – 1920) трех способов питания живых организмов:

— автотрофное – построение организма за счет использования веществ неорганической природы;

— гетеротрофное – строение организма за счет использования низкомолекулярных органических соединений;

— миксотрофное – смешанный тип построения организма (автотрофно-гетеротрофный).

Биосфера (в современном понимании) – своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.

· 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 состредоточено около 80% газового состава атмосферы и весь водяной пар;

— стратосфера;

— ноносфера – там “живое вещество” отсутствует. Преобладающие элементы химического состава атмосферы: N2 (78%), O2 (21%), CO2 (0,03%).

· 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. Преобладающие элементы химического состава гидросферы: Na+, Mg2+, Ca2+, Cl–, S, C. Концентрация того или иного элемента в воде еще ничего не говорит о том, насколько он важен для растительных и животных организмов, обитающих в ней. В этом отношении ведущая роль принадлежит N, P, Si, которые усваиваются живыми организмами. Главной особенностью океанической воды является то, что основные ионы характеризуются постоянным соотношением во всем объеме мирового океана.

· 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). Составными частями почвы служат минералы, органические вещества, живые организмы, вода, газы. Преобладающие элементы химического состава литосферы: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K.

Ведущую роль выполняет кислород, на долю которого приходится половина массы земной коры и 92% ее объема, однако кислород прочно связан с другими элементами в главных породообразующих минералах. Т.о. в количественном отношении земная кора – это “царство” кислорода, химически связанного в ходе геологического развития земной коры.

Постепенно идея о тесной взаимосвязи между живой и неживой природой, об обратном воздействии живых организмов и их систем на окружающие их физические, химические и геологические факторы все настойчивее проникала в сознание ученых и находила реализацию в их конкретных исследованиях. Этому способствовали и перемены, произошедшие в общем подходе естествоиспытателей к изучению природы. Они все больше убеждались в том, что обособленное исследование явлений и процессов природы с позиций отдельных научных дисциплин оказывается неадекватным. Поэтому на рубеже ХIХ – ХХ вв. в науку все шире проникают идеи холистического, или целостного, подхода к изучению природы, которые в наше время сформировались в системный метод ее изучения.

Результаты такого подхода незамедлительно сказались при исследовании общих проблем воздействия биотических, или живых, факторов на абиотические, или физические, условия. Так, оказалось, например, что состав морской воды во многом определяется активностью морских организмов. Растения, живущие на песчаной почве, значительно изменяют ее структуру. Живые организмы контролируют даже состав нашей атмосферы. Число подобных примеров легко увеличить, и все они свидетельствуют о наличии обратной связи между живой и неживой природой, в результате которой живое вещество в значительной мере меняет лик нашей Земли. Таким образом, биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы, от которой она, с одной стороны зависит, а с другой – сама воздействует на нее. Поэтому перед естествоиспытателями возникает задача – конкретно исследовать, каким образом и в какой мере живое вещество влияет на физико-химические и геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в земной коре. Только подобный подход может дать ясное и глубокое представление о концепции биосферы. Такую задачу как раз и поставил перед собой выдающийся российский ученый Владимир Иванович Вернадский (1863 – 1945).

v Живое вещество – совокупность всех живых организмов

v Косное вещество –совокупность всех неживых тел, образующихся в процессах без участия живого

v Биогенное вещество – совокупность неживых тел, образованных в результате жизнедеятельности живых организмов (каменный уголь, известняки, углеводороды, углеводы и т.п.)

v Биокосное вещество – совокупность биокосных тел, представляющих собой результат совместной деятельности живых организмов и геологических процессов (вода, почва, нефть)

v Радиоактивное вещество – атомы радиоактивных элементов (радиоактивные изотопы)

v Рассеянные атомы – атомы, относящиеся к диффузной материи (создаются из земных веществ под действием космических излучений)

v Вещество космического происхождения – (метеориты, космическая пыль)

Классификация вещества биосферы, предложенная Вернадским, с логической точки зрения не является безупречной, так как выделенные категории вещества частично перекрывают друг друга, а «биокосное вещество» – это фактически динамическая система, состоящая из двух веществ – живого и косного, что подчеркивал и сам Вернадский.

Существуют в связи с этим видоизмененные классификации веществ биосферы. Так, например, А. В.

Понятие биосферы

Лано в 1979 г. ввёл всего два типа веществ: живое и неживое, внутри данных типов веществ выделил две градации по исходному материалу: биогенное и абиогенное.

Живое вещество обеспечивает биогеохимический круговорот веществ и превращение энергии в биосфере. Выделяют следующие основные геохимические функции живого вещества, которые сгруппированы в схеме 66.

Дата публикования: 2014-11-18; Прочитано: 202 | Нарушение авторского права страницы

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2018 год.(0.001 с)…

Биосфера (состав, структура, части)

Определение и терминология бисферы

Биосфера (от греческого слова — Bios — жизнь и sphaira — шар) — сфера распространения жизни, живая оболочка Земли, в которую входят верхняя часть литосферы (суша, почва, подгрунтные горные породы), практически вся гидросфера и нижняя часть атмосферы (тропосфера). Биосфера является крупнейшей экологической системой нашей планеты, элементами которой являются системы низших уровней (природные комплексы, биогеоценозы, популяция, группировки, живые существа и т.д.). Термин биосфера является одним из главных понятий экологии.

Термин биосфера

Впервые термин биосфера употреблен геологом Е.Ф. Зюссом.

Состав биосферы

Основателем современного учения о биосферы является В.И. Вернадский. В состав биосферы, по Вернадскому, входят все живые существа (живое вещество) и компоненты неживой природы (косное вещество) — среда их существования.

Все компоненты биосферы находятся между собой в непрерывном взаимодействии. Влияние абиотических экологических факторов определяет условия жизни живых организмов. В свою очередь, живое вещество постепенно изменяет свойства неживой природы.

Так, развитие жизни (на первых этапах лишь в океанических водах, которые защищали живые существа от губительного действия коротковолнового — менее 280 нм — УФ-излучения Солнца) привел к кардинальным изменениям состава веществ, растворенных в водах Мирового океана, а впоследствии — и атмосферы (уменьшение содержания аммиака, сероводорода, метана, углекислого газа, увеличение кислорода, азота, водяного пара). Вследствие этого образовался защитный озоновый слой, который, поглощая большую долю энергии коротковолнового УФ-излучения, позволил живым организмом заселить сушу и, таким образом, расширить границы биосферы.

Части биосферы

Через биосферные процессы изменяется состав литосферы — часть ее вещества привлекается к структуре бисферы (например при почвообразовании), зато в литосфере из остатков живых организмов образовались некоторые горные породы (например, известняк) и залежи горючих ископаемых (торф, уголь, нефть, природный газ).

Структура биосферы

В структурном смысле биосфера является открытой системой, которая непрерывно обменивается энергией с космическим пространством и земными недрами. Главным источником энергии для биосферного процессов является солнечное излучение. Определенное значение имеет тепловая энергия, поступающая из земных недр. Вследствие этого возникают энергетические потоки и круговорот вещества не только в отдельных частях бисферы, но и в земных недрах и ближайшем космосе.

Круговорот веществ осуществляется по двум взаимосвязанным механизмами:

в результате относительно быстрых биологических процессов (ассимиляции из окружающей среды, передачи по пищевым цепям, дисимиляция в окружающую среду)
относительно медленные геохимические процессы, вызванные внутренними (теплота земных недр, горообразование, тектоническая, сейсмическая, вулканическая деятельность) и внешними (выветривание, выщелачивание) силами Земли

Значительная часть энергии солнечного излучения возвращается из биосферы в ближайший космос главным образом в виде ИК теплового излучения. Возникновение и развитие человеческой цивилизации существенно изменило характер биосферных процессов. Появился принципиально новый механизм этих процессов — социальный, который отличается наличием волевого организирующего начала, то есть дает возможность осуществлять процессы, которые произвольно в природе не происходят:

добыча полезных ископаемых
их переработка
использование других природных ресурсов
удаления отходов

Среди последних есть вещества, которые, попадая в биосферу, не участвуют в процессах обмена веществ или существенно нарушают их (ксенобиотики). Поэтому состав бисферы под влиянием человеческой деятельности постепенно меняется. Изменения эти оказываются в нарушении естественных биогеоценозов и образовании новых, антропогенных, характеризуемых обедненной видовой структурой и низкой устойчивостью. Образуется техносфера – часть биосферы, измененная человеческой деятельностью. Она подвержена деградации из-за несбалансированности процессов, которые происходят в ней.

Полезно знать

Пособие к разделам «Биосфера»

Основные черты структурно – функциональной организации биосферы.

Вопрос — Назовите важнейшие черты учения о биосфере?

Ответ – В настоящее время учение о биосфере приобрело не только большое научное, но и практическое значение. Вместе с тем многие положения В.И. Вернадского до сих пор продолжают оставаться сложными для интерпретации. В.И. Вернадский не только наполнил концепцию биосферы биогеохимическим смыслом, но и разработал основы ее структурно- функциональной организации. За прошедшие годы система взглядов на учение о биосфере претерпела концептуальную и структурную перестройку, включая периоды интегрирования и дифференцирования. Учение о биосфере послужило становлению биогеохимии в основе, которой по определению В.В. Ковальского(1985), лежит системная организованность биосферы. Одной из важнейших тенденций в изучении биосферы является исключительно повышенный интерес к составу и роли живых организмов в процессах аккумуляции, трансформации и перераспределения космической энергии. Наиболее актуальным в развитии концепции биосферы продолжает оставаться ее исследование как единой системы на планетарном уровне, а в будущем и определение ее роли и места в вещественном и энергетическом поле космического пространства. Несомненно, что проблема биосферы примыкает вообще к вопросам изучения земных оболочек. К настоящему времени кроме биосферы Существует много других терминов, обозначающих земную оболочку, населенную живыми организмами: фитогеосфера (Е.М.

Вопрос 1. Кто впервые ввел в научную литературу термин биосфера.

Лавренко), эпигенеза (Р.И. Аболин), экосфера (Cole), биогеосфера (И.М. Забелин), витасфера (А.Н. Тюрюканов и В.Д. Александрова); В.А. Ковда ввел понятие гумусферы.

Вопрос – Дайте определение биосферы.

Ответ — Фундаментальная концепция биосферы заключается, прежде всего, в том, что априори признается ее самостоятельность в системе земных оболочек, включая специфические законы ее формирования, при которых ведущее значение принадлежит живым организмам. Если Зюсс, профессор Венского университета, еще в1875 году понимал под биосферой область, пронизанную жизнью и, по словам В.И.Вернадского закончил медленно проникавшее в сознание людей представление о всюдности жизни, то уже Н.М. Сибирцев, почти за четверть века (до 1900 года), еще до основных работ В.И. Вернадского, определил биосферу как особую оболочку. Так, при определении выветривания он писал, что "оно совершается под влиянием внешних, периферических, сил и притом в обстановке, соответствующей сочетанию и напряженности этих сил у границы литосферы с атмосферой и биосферой" (Сибирцев, 1951, с.90). С.Н. Кравков (1937, с.17) отмечал, что "процессы превращения той или иной горной породы в почву подразумевают непременное участие в этой работе элементов биосферы", относя к ним не только живые организмы, но и продукты их разложения и минерализации. В рамках концепции биосферы это означает, что речь идет о биогенных и биокосных образованиях. Однако только работами В.И.Вернадского было заложено научное представление о структурно-функциональной организации биосферы, включая ее компонентный состав и специфику функционирования. В.И Вернадский сложился как исследователь под влиянием глубоких идей В.В.Докучаева. По его словам влияние В.В. Докучаева определила весь ход его мыслей и ход работы биогеохимической лаборатории. Кроме того, В.И.Верндаский подчеркивал влияние Бюффона, что вероятно, объясняется эволюционными идеями последнего. В центре пристального внимания В.И.Вернадского при изложении концепции биосферы всегда лежит учение о живом веществе. В.И.Вернадский обращал внимание на то, что при изучении биосферы важным представляется значение трех групп произведений – натуралистов мыслителей, летописцев, а также мастеров художественной литературы. В последнем случае он имел ввиду произведения, в которых дается описание тех или иных природных ландшафтов.

Многие исследователи вслед за В.И. Вернадским давали определение биосферы. Одно из удачных определений принадлежит В.А. Ковде (1972): биосфера – это сложная многокомпонентная общепланетарная термодинамически открытая саморегулирующаяся система живого вещества и неживой материи, аккумулирующая и перераспределяющая огромные ресурсы энергии и определяющая состав и динамику земной коры, атмосферы и гидросферы. В его определении важным является несколько аспектов. Основной аспект в определении – это системный подход и саморегулируемость биосферы, что определяет ее устойчивость. В зарубежных работах биосфера часто понимается в более упрощенном виде, например, только как область («Биосфера», 1972), на которую падает лучистая энергия и которая богата водой.

Вопрос: Назовите компоненты биосферы?

Ответ: В рамках концепции В.И.Вернадского в биосфере представлено три группы компонентов, генетически взаимно связанных между собой. Первая и важнейшая групп – это живое вещество – совокупность живых организмов. Вторая группа – это биогенное вещество (продукты, созданные живым веществом, например: угли, сапропели, гумус). Третья важнейшая группа включает в себя биокосные образования — продукты, образовавшиеся в результате взаимодействия живых организмов и неживой материи – почвы, или, осадочные породы, некоторые газы).

Studepedia.org — это Лекции, Методички, и много других полезных для учебы материалов

Появляются вещества-загрязнители, что приводит к нарушению сапрофитного (поддерживающего равновесие в экосистеме) взаимодействия в природной среде. Это часто сопровождается гибелью животных, растений, приводит к нарушению функций, гибели всего живого и опустыниванию земли. Преобладающими видами в микробиоте становятся патогенные микроорганизмы, которые можно отнести к биологическим загрязнителям. Негативно изменяется состав атмосферы, повышается агрессивность подземных и грунтовых вод. На планете наблюдаются потепление, нарушение озонового слоя, учащаются кислотные дожди.

Все перечисленные факторы оказывают влияние не только на живые организмы (в том числе и человека), но и на памятники, и неучет даже одного из них может сказаться на качестве реставрации и даже привести к гибели памятника.
2. Закон толерантности.

Закон толерантности (от лат. толерантиа - терпение) Шелфорда - принцип экологии, согласно которому лимитирующим фактором, определяющим процветание организма, может быть как минимум, так и максимум экологического влияния; диапазон между крайними значениями и определяет степень выносливости, толерантности организма к данному фактору. Этот закон в 1913 году сформулировал американский эколог Виктор Эрнест Шелфорд (1877-1968). Логика закона очевидна: любой организм, в том числе и человек, одинаково некомфортно чувствует себя, например, при крайне низких или крайне высоких температурных границах.

Для успешного применения этого закона следует учитывать ряд вспомогательных принципов.

Организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного фактора и узкий диапазон в отношении другого фактора.

Организмы с широкими пределами толерантности практически ко всем факторам обычно наиболее широко распространены и образуют экотипы, отличающиеся по положению зоны оптимума в пределах толерантности.

Если условия по одному экологическому фактору не оптимальны для организма, то может сузиться и диапазон толерантности к другим экологическим факторам. Например, при лимитирующем содержании азота в почве снижается засухоустойчивость у злаков.

В природе организмы очень часто оказываются в условиях, не соответствующих оптимальному диапазону того или иного фактора. Пользоваться оптимальными условиями среды организмам часто мешают межпопуляционные и внутрипопуляционные взаимоотношения, т.е. межвидовые и внутривидовые биотические факторы. Например, при большом количестве сорняков культурные растения не могут в полной мере использовать солнечную энергию, воду и элементы питания, аналогично как и при слишком густом посеве культурных растений.

Начальные этапы развития организмов обычно являются критическими, т.к. многие факторы среды в этот период часто становятся лимитирующими в силу того, что пределы толерантности для развивающихся особей обычно уже, чем для взрослых организмов. Например, взрослое растение кипариса может расти на сухом нагорье и «по колено в воде», тогда как прорастание семян и развитие проростков возможно только в умеренно увлажненной почве.

Ценность концепции лимитирующих факторов состоит в том, что она дает экологу отправную точку при исследовании сложных ситуаций в природе. Основное внимание следует уделять тем факторам, которые функционально важны для организма на каких-то этапах его жизненного цикла. Тогда удастся довольно точно предсказать результат изменений среды. Для этого нужно:

1) Путем наблюдений, анализа, эксперимента обнаружить функционально важные для организма факторы.

2) Определить, как эти факторы влияют на особей, популяции, сообщества.

Чтобы определить, сможет ли вид существовать в данном регионе, нужно выяснить, не выходят ли какие-либо лимитирующие факторы среды за пределы его экологической валентности, особенно в период размножения и развития.

Выявление лимитирующих факторов очень важно в практике сельского хозяйства, т.к., направив основные усилия на их устранение, можно быстро и эффективно повысить урожайность растений или продуктивность животных. Таким образом, знание законов о лимитирующих факторах является ключом к управлению жизнедеятельностью организмов в природе и хозяйстве.

Из закона толерантности следует, что факторы среды благоприятны при оптимальном для данного вида организмов уровне влияния, которое обычно близко к среднему действию фактора (рисунок 2). В этом случае организм как бы не замечает действия этого фактора. Причём, чем шире пределы действия фактора, при котором организм сохраняет жизнеспособность, тем выше его толерантность к действию этого фактора. Поэтому организмы, имеющие широкий диапазон толерантности ко многим экологическим факторам, обычно являются самыми распространёнными.

Рисунок 2 — Графическое представление закона толерантности Шелфорда.

12345Следующая ⇒

Поиск на сайте:

б) потенциальная эффективность Флейшмана;

в) иерархическая упорядоченность, характерная для систем управления;

г) отображение наиболее значимых элементов и их свойств;

д) выделение всех связей между элементами и целями системы в виде детерминированных или аналитических зависимостей.

34. Неаддитивность системы – это…

а) принципиальная несводимость свойств системы к сумме свойств составляющих ее компонентов;

б) активное подавление вредных качеств;

в) наличие системообразующих, системосохраняющих факторов;

г) процесс целенаправленного изменения во времени состояния системы

д) сложное свойство систем, заключающиеся в наличие структуры и функционирования.

Закончите предложение

35. Закономерность самоорганизации проявляется в …..

а) способности системы противостоять энтропийным тенденциям, адаптироваться к изменяющимся условиям, преобразуя при необходимости свою структуру;

б) стремлении системы к уменьшению самостоятельности элементов;

в) наличии управляющей системы большего информационного потенциала, чем у объекта управления;

г) наличии меньшего разнообразия системы управления по сравнению с разнообразием объекта управления;

д) наличии существенных связей между элементами и (или) их свойствами, превосходящих по мощности (силе) связи этих элементов с элементами, не входящими в данную систему.

36. Закон «необходимого разнообразия» У.Р. Эшби:

а) «Разнообразие управляющей системы (системы управления) должно быть больше разнообразия управляемого объекта»;

б) «Информационный потенциал системы управления должен быть меньше информационного потенциала объекта управления»;

в) «Способность системы независимо от начальных условий и времени достигать некоторого предельного состояния, зависящего от уровня развития системы»;

г) «Мощность внутренних связей элементов системы должна быть выше мощности связей между элементами системы и элементами среды»;

д) «Целое, созданное из частей и элементов целенаправленной деятельности должно обладать новыми свойствами, отсутствующими у элементов и частей, его образующих».

Выберите правильный вариант ответа

Эквифинальность характеризует…

а) наличие всевозможных связей между системами;

б) предельные возможности системы;

в) пространственную связность элементов систем;

г) образы проявления реальных систем;

д) иерархическую упорядоченность.

38. Коммуникативность – это….

а) совокупность элементов реальной системы;

б) временная согласованность, пространственная связность и эквифинальность системы;

в) наличие связей между системой и ее окружением;

г) наличие целевой функции;

д) причина, движущая сила какого-либо процесса или явления, определяющая его характер или одну из основных черт.

39. Интегративность характеризуется….

а) физической аддитивностью;

б) увеличением самостоятельности элементов системы;

в) тем, что свойство всей системы не является простой суммой свойств составляющих ее элементов;

г) тем, что свойства системы (целого) зависят от свойств составляющих ее элементов;

д) утратой элементами некоторых свойств, присущих им вне системы.

40. Прогрессирующая систематизация – это….

в) факторный анализ;

г) единство взаимосвязанных и взаимовлияющих элементов, расположенных в определенной закономерности в пространстве и во времени;

д) способность системы к сохранению своего равновесия.

41. Прогрессирующая факторизация – это…..

а) стремление системы к состоянию с независимыми элементами;

б) стремление системы к уменьшению самостоятельности элементов;

в) наличие системоформирующих факторов;

г) факторный анализ;

д) актуализация закономерностей для изучения систем, их поведения и связей с окружающей средой.

42. Целесообразность общества проявляется в….

а) наличии системы законов;

б) отсутствии идеологии;

в) существовании конституционных принципов построения государства;

г) наличии парламентаризма;

д) отсутствии централизма в управлении.

43. Подсистема ценностей включает в себя:

а) ценности; цели; ценностные принципы; законы эквивалентности;

б) элементы; связи; структуры; законы интерпретации;

в) структуры; процессы; ценности; цели;

г) информацию; цели; ценности; законы трансформации;

д) ценности; цели; сфероценоз; законы движения.

44. Подсистема процессов включает в себя:

а) факторы; процессы; знания; структуры;

б) процессы; факторы; законы изменения (движения); состояния;

в) процессы; знания; состояния; законы интерпретации;

г) факторы; знания; информацию; сфероценоз;

д) факторы, процессы, структуры, законы интерпретации.

Что такое биосфера

Подсистема информации (знаний) состоит из следующих компонентов:

а) информации; законов интерпретации; памяти; языка;

б) информации; законов информации; информационного анализа; языка;

в) процессов; информации; структур; ценностей;

г) структур; языка; процессов; информации;

д) знаний; информации; интеллекта; памяти.

46. Структура …

а) отражает определенные взаимосвязи, взаиморасположение составных частей системы, ее устройство;

б) это способность системы переходить из одного состояния в другое;

в) это способность системы независимо от начальных условий и времени достигать некоторого предельного состояния, определяющегося внутренними параметрами системы;

г) это множество элементов;

д) способность системы возвращаться в некоторое равновесное состояние после окончания действия внешних сил или внутренних возмущений.

47. Вход системы….

а) состоит из элементов, классифицируемых по их роли в процессах, протекающих в системе;

б) обеспечивает размещение и перемещение компонентов системы;

в) внешняя (окружающая) среда, под которой понимается совокупность факторов и явлений, воздействующих на процессы системы и не поддающихся прямому управлению со стороны ее руководителей;

г) обменивается материально-информационными ресурсами или энергией с окружающей средой регулярным и понятным образом;

д) действует с относительно небольшим обменом энергией или материалами с окружающей средой.

48. Связь преобразования – это…

а) связь, реализуемая через определенный объект, обеспечивающий это изменение системы;

б) необходимая связь между экономическими явлениями и объектами, при которой ясно, где причина и где следствие;

в) сложная обратная связь, при которой развитие науки двигает производство, а последнее создает основу для расширения научных исследований;

г) обеспечивает реальную жизнедеятельность объекта или его работу;

д) предназначена для заданной функциональной передачи вещества, энергии, информации или их комбинаций – от одного элемента к другому в направлении основного процесса.

49. Детерминированная (жесткая) связь – это…

а) неявная, косвенная зависимость между элементами системы

б) четко обусловленная формула взаимодействия элементов;

в) управляемая система, рассматриваемая как совокупность взаимосвязанных управляемых подсистем, объединенных общей целью функционирования;

г) обеспечивает размещение и перемещение компонентов системы;

д) однонаправленность (или целенаправленность) действий компонентов усиливает эффективность функционирования системы.

50. Мультипликативность – это…

а) качества элементов, дающие возможность количественного описания системы, выражения ее в определенных величинах;

б) свойство, которое обеспечивает соответствие между выходом системы и требованием к нему, как к входу в последующую систему;

в) операции, процессы или каналы, через которые проходят элементы входа;

г) свойство, при котором и позитивные, и негативные эффекты функционирования компонентов в системе обладают свойством умножения, а не сложения;

д) упорядоченность системы, определенный набор и расположение элементов со связями между ними.

Если вы заканчивали биофак, то наверняка знаете, что такое биосфера. Для остальных, кто не знает, что называют биосферой, поясним, что биосфера представляет собой оболочку Земли, заселенную растениями, животными, микроорганизмами, людьми и преобразованную ими. Это область существования живых организмов Земли. Такое определение правильным, если верить аксиоме, что монополией на жизнь обладает только наша планета.

Принимая же гипотезу, что живые формы существуют за ее пределами, можно утверждать, что биосфера может располагаться не только на Земле. Учитывая, что, по мнению исследователей, область существования и жизнедеятельности живых организмов присутствует даже в скрытых полостях наподобие подледных океанов, то такое предположение не покажется фантастическим. Например, велика вероятность присутствия живых существ на Европе, спутнике Юпитера.

Быстрая навигация по статье

История возникновения термина

Впервые в биологии термин «биосфера» ввел ученый из Австрии Эдуард Зюсс в 1875 году. Теперь вы знаете, в каком году появился термин. Но задолго до того, как термин «биосфера» был введен Зюссом, его принципы впервые применил и подробно сформулировал французский исследователь Жан Батист Ламарк. Правда, название термина у Ламарка было другим.

Биосфера, что в переводе с греческого языка означает «сфера жизни», рассматривалась как система живых организмов, существующая в тесном контакте с минеральными элементами и подверженная их влиянию. И только советский академик и философ Вернадский учел факторы, оказывающие влияние на формирование всего окружающего мира.

Благодаря этому считается, что этот ученый – автор и создатель функционального учения о сущности биосферы, которое признано сегодня во всем мире. Он впервые ввел в науку многие определения, которыми пользуются ученые всего мира, в том числе и представление об иерархической структуре биосферы. Вернадский писал, что живое вещество оказывает заметное влияние на процесс преобразования планеты и ее строение. Он подробно описал состав и функции биосферы.

Где расположена биосфера

Рассмотрим, что входит в биосферу. Пределы биосферы в глубину поверхности Земли простираются на многие километры. Вся толща вод морей и океанов наполнена живыми организмами вплоть до самых глубоких впадин. Верхняя граница существования живых организмов находится примерно на высоте 45 километров от поверхности и ограничена озоновым слоем. Он играет важную роль в существовании биосферы, защищая земную поверхность от губительного космического излучения, убивающего все живое.

Наука считает, что биосфера состоит из трех оболочек:

литосферы;
гидросферы;
атмосферы.

Литосфера как самая плотная составляющая оболочки биосферы начинается у поверхности Земли и простирается на несколько километров вниз. Это геологическая оболочка в составе биосферы. Зона обитания живых организмов под землей ограничена. С увеличением расстояния от поверхности температура увеличивается. На определенной глубине жизнь невозможна из-за слишком высокой температуры и давления.

Гидросфера как среда, занимающая большую часть земной поверхности, состоит из воды. Вся водная масса, входящая в биосферу, неравномерно насыщена живыми организмами. Больше всего их находится у поверхности, вблизи суши и на дне.

Когда говорят об атмосфере, в основном подразумевают слои от верхушек деревьев до нижнего края озонового слоя. Это оболочка, имеющая самую малую плотность. В состав биосферы не входят слои атмосферы, расположенные выше озонового слоя.

Биосфера и ее составляющие

Биология полагает, что биосфера включает в себя четыре вида вещества. Вот какие виды определяют состав и строение биосферы:

Эти вещества составляют биосферу. Кроме них, биосфера включает в свой состав:

вещества космического происхождения;
радиоактивные элементы;
рассеянные атомы, образующиеся при расщеплении веществ под действием космического излучения.

Под биосферой понимают общность всех живых организмов планеты. Землю населяет около 3 миллионов видов разнообразных живых существ. Попробуйте, охарактеризуйте их! Можно растеряться от такого разнообразия! О существовании многих из них мы даже не представляем. Они обитают в различных условиях, что делает их непохожими друг на друга. Организмы взаимодействуют между собой в границах отдельных биогеоценозов. А схема строения биосферы представляет собой структуру, организованную в виде множества биогеоценозов. Другими словами, в состав биосферы входят биогеоценозы. Их состояние является необходимым условием существования и развития биосферы. Поэтому биогеоценозы называют кирпичиками, из которых состоит биосфера планеты. Биосфера – это совокупность всех биогеоценозов планеты. Все составляющие биосферы важны. Если один из них будет поврежден, то и все здание станет менее устойчивым. На биосферу в целом влияет состояние каждого биогеоценоза.

Происхождение и развитие жизни на Земле

Существует множества версий, откуда появилась живая оболочка Земли. Так как достоверной информации нет, называется великое множество версий. Одни полностью уверены в божественном происхождении. Другие считают, что это, в общем, было редчайшим совпадением, создавшим из набора неживых элементов живой организм. Третьи полагают, что предки всего живого на нашей планете прибыли из космоса.

Есть даже полуфантастическая версия, что исследователи из другой галактики прибыли на Землю, выбирая место для основания новой колонии. Они решили, что планета малопригодна, и, улетая, оставили мусор. Биологические остатки, присутствующие в нем, послужили основой для зарождения жизни на Земле.

Если у вас есть свой вариант, того, как протекал этот процесс, опишите и поясните его. Он имеет такое же право на существование, как и предыдущие. Это вопрос философии.

Опишем кратко, как возникла и развивалась жизнь на Земле.

Глобальные процессы, вызвавшие появление и распространение живых организмов, начались в гидросфере. Затем жизнь из этой оболочки биосферы распространилась на сушу. Дальнейшее преобразование довершили процессы, протекающие в биосфере. Появившиеся наземные растения начали активно преобразовывать состав атмосферы и ее строение, делая планету все более пригодной для жизни сложных организмов. Менялся химический состав биосферы. Путем фотосинтеза происходила выработка кислорода, необходимого для дыхания животных. В верхних слоях атмосферы часть кислорода превращалась в озон, который послужил защитой от космической радиации.

В первичной атмосфере планеты, при мощных электрических разрядах, а также под действием утра фиолетового излучения и высокой радиации могли образовываться органические соединения, которые накапливались в океане

Биосфера включает в себя и человечество – венец природы. Роль биосферы для существования людей как биологического вида важна. Люди являются достаточно разумными, чтобы целенаправленно видоизменять окружающую среду, делая ее более пригодной для своего обитания.

Созданная природой система совершенна, но стоит задуматься, вечна ли она?

Активное воздействие на элементы биосферы оказывают антропогенные факторы, далеко не всегда положительно влияющие на окружающую среду. Мы уничтожаем других представителей биосферы на Земле, загрязняем атмосферу и Мировой океан, создаем электромагнитные излучения, меняем климат. Последствия техногенные катастроф, происходящих на планете со второй половины прошлого века, приходится преодолевать десятилетиями. Нарушена экология. Созданное людьми оружие массового поражения, если будет пущено в ход, способно уничтожить жизнь на Земле.

В данный момент человеческая деятельность несет угрозу существованию не только своего вида, но и всего живого. Если не принимать меры, то будущего у человечества нет. Какой же выход есть из этой ситуации?

Выход впервые предложил все тот же В. И. Вернадский. Он предположил, что будущее биосферы определяется человеком. Он создаст новую систему, комфортную для совместного проживания, развития и размножения живых организмов. Для этой новой среды он использовал определение «ноосфера». Для формирования ноосферы необходим ряд условий:

расселение человека разумного по всей территории планеты и его господствующее положение над другими биологическими видами;
революция в развитии средств связи и возможность быстрой коммуникации между любыми точками планеты;
возможность появления и активного использования атомной энергетики;
в мировом сообществе преобладают демократические установки, дающие широким народным массам реальные рычаги управления;
внушительная часть населения планеты вовлечена в научную деятельность.

Возможно, некоторые пункты звучат наивно, но не будем забывать, что данные постулаты были выдвинуты много десятилетий назад человеком, который исследовал глобальные процессы развития человечества и среды его обитания.

Другое направление, в котором движется человечество, это попытки самостоятельного создания биосферы. Известно, что биосфера является открытой системой в экологии, которая требует постоянного притока солнечной энергии, а сама выделяет тепло. И биосфера, что будет создана искусственно, предполагает автономное существование во враждебной для человека среде. И ее строение должно способствовать решению этой задачи.

Значение биосферы для человечества огромно. Мы не способны выжить без нее. К. Э. Циолковский ввел в научную литературу, посвященную освоению космоса, идею их создания. Такой системой является искусственная биосфера. Это понятие впервые употребил Циолковский. Если воссоздать ее на другой планете, толщина биосферы обеспечит условия, позволяющие человеку выжить. Пока получить независимую биосферу не удалось, но исследования в этом направлении продолжаются.

Искусственная биосфера

Каждый человек бережно относится к своему дому, автомобилю, заботится о детях. Биосфера, что нас окружает, – это тоже наш дом. Мы обитаем в нем и пользуемся его благами. Но если его разрушить, нам негде будет жить, из чего делаем вывод, что следует беречь этот дом, чтобы можно было передать его своим потомкам. И он будет чист и прекрасен.

Окружающее пространство человек привычно называет природой или средой обитания. Большинство из нас получило фундаментальные знания об этом понятии на школьных уроках: природоведение (3 класс), география и биология (4), анатомия и химия (6). Но немногие понимают, каким образом эти науки объединены, кроме того, что все они относятся к области естествознания. Для обобщения всех знаний человека об окружающем мире создано одно емкое название - биосфера. Несмотря на многолетние исследования и тщательное изучение, планета Земля еще дает повод ученым задуматься о процессах, происходящих на ней.

Определение

Что называют биосферой? Толкований данного термина можно найти в литературе достаточно много, и все они отличаются по содержанию, но практически идентичны по смыслу. Наиболее часто биосферой называют глобальную экосистему планеты, в которую человек входит в качестве одного из немногочисленных видов. Если переводить название «биосфера» дословно с древнегреческого языка, то оно имеет два корня. "Сфера" обозначает "область, сфера, шар", а корень "биос" переводится как "жизнь". Получается достаточно емкое и точное название, которое, по сути, и дает определение сложной и многогранной науке. В. И. Вернадский дает расширенный ответ на вопрос о том, что называют биосферой. Он определяет это понятие как комплекс научных знаний о Земле, в который входит география, геохимия, биология, геология. Биосфера - это совокупность которые объединяются по принципу наличия живых существ и среды их обитания. Все сферы различны по составу, функциям и свойствам, но каждая их них играет значительную роль в существовании и эволюции окружающего нас мира.

Учение о биосфере

Создал целостную систему знаний философ, ученый, геолог и биохимик В. И. Вернадский. До начала XX века существовала масса исследовательских работ по изучению Земли и процессов, происходящих на ней, но углубить и обобщить данный материал удалось великому русскому ученому. В начале XIX века французский естествоиспытатель Ламарк определил начальную концепцию будущей науки, но не дал ей название. Австрийский палеонтолог и геолог Эдуард Зюсс в 1875 году предложил термин «биосфера», который используется до сегодняшнего дня. Он определит эту науку как знания обо всем живом на нашей планете. Только через 50 лет Вернадский докажет взаимосвязь живых организмов и их круговорот. Что называют биосферой на современном этапе? Это одна из оболочек планеты, в которой взаимодействуют природные элементы различного происхождения, именно их совокупность создает уникальную, сбалансированную систему.

Атмосфера

Наружная воздушная оболочка планеты Земля. Большая часть ее массы сосредоточена у самой поверхности, а в высоту она простирается на три тысячи километров. Атмосфера является наиболее легкой из всех оболочек, она не покидает поверхность только благодаря силе притяжения планеты, но с увеличением высоты ее слои постепенно разряжаются. обеспечивает защиту от радиоактивного солнечного воздействия, снижая уровень ультрафиолета, который попадает на землю. В состав атмосферы входят газы: углекислый, азот, кислород, аргон, которые обеспечивают существование живых организмов.

Гидросфера

Биосфера Земли включает в себя часть водной оболочки планеты. Ее состав разнится по агрегатному состоянию вещества. Гидросфера объединяет все водные ресурсы на планете, которые могут находиться в жидком, газообразном и твердом виде. Поверхностные слои Мирового океана служат для перераспределения тепла, поступающего от Солнца через атмосферу. Особое значение вода имеет в процессе круговорота веществ в природе, так как является наиболее мобильной фракцией. Организмы биосферы полностью освоили водную стихию, их можно обнаружить в самых глубоких придонных впадинах Мирового океана и в арктических ледниках. В химический состав гидросферы входят следующие основные элементы: магний, натрий, хлор, сера, углерод, кальций и т. д.

Литосфера

В нашей Солнечной системе не у всех планет есть твердая оболочка, Земля в этом случае является исключением. Литосфера - это огромная масса горных (твердых) пород, которые составляют часть суши и служат в качестве ложа Мирового океана. Толщина этой оболочки Земли составляет от 70 до 250 километров, ее состав наиболее разнообразен по количеству алюминий, железо, кислород, магний, калий, натрий и т. д.), которые необходимы для существования всех живых организмов. Данная геосфера характеризуется наименьшим по ширине слоем распространения жизни. Наиболее освоенным является верхний слой литосферы, который составляет несколько метров. По мере углубления возрастает температура и плотность твердой оболочки, которые наряду с отсутствием света не дают возможности существования живым организмам.

Биосфера

Данная геосфера объединяет все оболочки Земли (гидросферу, атмосферу и литосферу) наличием в них живого вещества. Для всего человечества роль биосферы переоценить сложно, она является окружающей средой и источником возникновения. Это комплексная система взаимосвязей, которые обуславливают возможность существования любого организма за счет обмена веществом и энергией. Более 40 химических элементов участвуют в процессе круговорота, который постоянно происходит между органическими и неорганическими соединениями. Основным источником энергии является Солнце. Земля расположена на оптимальном расстоянии от звезды и снабжена защитным барьером в виде атмосферы. Поэтому наряду с живым веществом солнечная энергия является важнейшим биохимическим фактором существования биосферы. За счет воздействия ряда факторов происходящие процессы имеют законченный циклический вид, они обеспечивают круговорот вещества между атмосферой, литосферой, гидросферой и живыми организмами.

Границы биосферы

При анализе протяженности оболочки биосферы можно увидеть ее неравномерное распространение. Нижняя граница расположена в слоях литосферы, она не опускается ниже значения 4 км. Верхний слой земной коры - почва - является наиболее насыщенным по плотности содержания живого вещества слоем биосферы. Гидросфера, включающая в себя просторы Мирового океана, реки, озера, болота, ледники полностью входит в состав «живой оболочки». Самые высокие концентрации организмов наблюдаются в поверхностных и прибрежных слоях водоемов, но жизнь существует и в глубоководных впадинах, на максимальной глубине более 11 км, и в придонных отложениях. Верхняя граница биосферы находится на расстоянии 20 км от поверхности. Атмосфера ограничивает «живой слой» озоновым щитом, выше которого организмы будут уничтожены коротковолновым ультрафиолетовым излучением. Таким образом, максимальная концентрация живого вещества находится на границах литосферы и атмосферы.

Состав

Учение о биосфере создал В. И. Вернадский, он же определил ключевую роль организмов при формировании и функционировании «живой оболочки» Земли. Ранее к аналогичным выводам приходили и другие ученые, но русский естествоиспытатель смог доказать необходимость присутствия в структуре неорганических соединений, которые также участвуют в общем круговороте. По его мнению, биосфера имеет следующий состав:

Живые организмы (биологическая масса, совокупность всех видов).
Биогенное вещество (создается в процессе жизнедеятельности живых организмов, является продуктом их переработки).
(неорганические соединения, которые создаются без участия живых организмов).
Биокосное вещество (образуется совместно живыми организмами и косным веществом).
Вещество, имеющее космическое происхождение.
Рассеянные атомы.

История возникновения

Миллиарды лет назад образовалась твердая оболочка Земли - литосфера. Дальнейший этап формирования того, что называют биосферой, происходил за счет геологических процессов, которые двигали тектонические плиты, вызывали извержения вулканов, землетрясения и т. д. После образования стабильных геологических форм наступил черед возникновения живых организмов. Они получили возможность развития за счет активных выбросов различных биохимических элементов, которые происходили при формировании литосферы. Живое вещество несколько миллионов лет создавало приемлемые для жизнедеятельности условия. За счет его поэтапной эволюции образовался газовый состав атмосферы. Постоянное взаимодействие органических и неорганических соединений под воздействием энергии Солнца дало возможность живому веществу распространиться на всей территории планеты и значительно изменить ее облик.

Эволюция

Первые живые организмы на Земле появились в гидросфере, их постепенный выход на сушу длился достаточно длительный период. Освоение еще одной оболочки биосферы - литосферы, стало причиной образования озонового слоя. За счет процесса фотосинтеза огромная биологическая масса поглощала из атмосферы углекислый газ и освобождала кислород. В этом случае живое вещество использует практически энергии - Солнце. Аэробные организмы, которым не хватало органических веществ в толще гидросферы, вышли на поверхность суши и значительно ускорили процесс эволюции за счет энергетического кругооборота. В настоящее время «живая оболочка» Земли находится в состоянии стабильного равновесия, но человечество оказывает на нее все большее негативное влияние. Создается новая сфера земли - ноосфера, она подразумевает более гармоничное содействие человека и природы, но это отдельная и очень интересная для изучения тема. Биосфера продолжает функционировать, несмотря на значительное уменьшение биомассы, «живая оболочка» стремится компенсировать вред, нанесенный деятельностью человека. Как показывает история, этот процесс может занять значительный промежуток времени.

Биохимические функции

Основной компонент в структуре биосферы - биомасса. Она выполняет все биохимические функции «живой оболочки», поддерживает ее состав в состоянии равновесия, обеспечивает процесс круговорота веществ и энергии. Газовая функция поддерживает оптимальный состав атмосферы. Она осуществляется за счет фотосинтеза растений, которые выделяют кислород и поглощают углекислый газ. Живые организмы при выдыхании и в процессе разложения выделяют СО 2 . Газообмен происходит постоянно, неорганические соединения принимают в нем участие при прохождении химических реакций. Энергетическая функция заключается в усвоении и преобразовании биомассой (растения) внешнего источника - солнечного света. Концентрационная функция обеспечивает накопление Все организмы в процессе жизнедеятельности накапливают необходимый уровень содержания биохимических элементов, который после их смерти возвращается в биосферу в виде органических и неорганических соединений. Окислительно-восстановительная функция заключается в биохимической реакции. Она происходит в процессе жизнедеятельности живого организма и является необходимым звеном круговорота веществ.

Биомасса

Все живые организмы распределены по земным сферам неравномерно. Наибольшая концентрация биомассы наблюдается на стыках геосфер планеты. Это происходит за счет образования оптимальных условий жизнедеятельности (температура, влажность, давление, наличие биохимических соединений). Состав биомассы также не является однотипным. На суше преимущество имеют растения, в гидросфере основу живого вещества составляют животные. Плотность биомассы зависит от географического положения, глубины обитания в литосфере и высоты - в атмосфере. Количество видов растений и животных очень велико, но ареалом обитания всех организмов является биосфера. Биология, как отдельная наука, в значительной мере объясняет все происходящие в ней процессы. Это происхождение, размножение, миграции всех видов биомассы.

Особенности биосферы

Значительность и масштаб «живой оболочки» Земли обеспечит ее постоянное изучение новыми поколениями естествоиспытателей. Система является уникальной по своей целостности, динамичности развития, сбалансированности. В качестве ее основной и наиболее удивительной особенности можно выделить устойчивость и способность к восстановлению. Количество катастроф за время существования биосферы в качестве живой пленки планеты огромно. Они приводили к вымиранию большей части биомассы, значительно изменяли внешний облик планеты, корректировали процессы, происходящие на ее поверхности и в ядре. Но после каждого удара биосфера восстанавливалась в измененной форме, приспосабливаясь к негативному влиянию или подавляя его. Именно поэтому биосфера земли является живым организмом, который может самостоятельно регулировать все происходящие в природе процессы.

Перспективы развития

Каждый современный ребенок в начальной школе изучает такой предмет, как природоведение (3 класс). На этих уроках маленькому человеку объясняют, и по каким правилам он существует. Возможно, стоит немного изменить программу и научить детей уважать и любить природу, тогда человечество сможет создать новую геосферу. Все накопленные веками знания о биосфере необходимо применить для ее дальнейшего развития, которое будет подразумевать союз природы и человека. Пока не поздно исправить нанесенный окружающей среде вред, люди должны задуматься о том, что «живая оболочка» Земли может самостоятельно восстановиться, но при этом она может ликвидировать объект, который наносит постоянный урон ее целостности и гармонии.

Биосфера — оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; «пленка жизни»; глобальная экосистема Земли.

Биосфера - оболочка Земли, заселённая живыми организмами и преобразованная ими. Биосфера начала формироваться не позднее, чем 3,8 млрд лет назад, когда на нашей планете стали зарождаться первые организмы. Она проникает во всю гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы, то есть населяет экосферу. Биосфера представляет собой совокупность всех живых организмов. В ней обитает более 3 000 000 видов растений, животных, грибов и бактерий. Человек тоже является частью биосферы, его деятельность превосходит многие природные процессы и, как сказал В. И. Вернадский: «Человек становится могучей геологической силой».

Французский учёный-естествоиспытатель Жан Батист Ламарк в начале XIX в. впервые предложил по сути дела концепцию биосферы, ещё не введя даже самого термина. Термин «биосфера» был предложен австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом в 1875 году.

Целостное учение о биосфере создал биогеохимик и философ В. И. Вернадский. Он впервые отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая их деятельность не только в настоящее время, но и в прошлом.

Существует и другое, более широкое определение: Биосфера - область распространения жизни на космическом теле. При том, что существование жизни на других космических объектах, помимо Земли пока неизвестно, считается, что биосфера может распространяться на них в более скрытых областях, например, в литосферных полостях или в подлёдных океанах. Так, например, рассматривается возможность существования жизни в океане спутника Юпитера Европы.

Местоположение биосферы

Биосфера включает в себя верхние слои литосферы, в которых ещё живут организмы, гидросферу и нижние слои атмосферы.

Границы биосферы

Верхняя граница в атмосфере: 15-20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое ультрафиолетовое излучение, губительное для живых организмов.
Нижняя граница в литосфере: 3,5-7,5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами.
Граница между атмосферой и литосферой в гидросфере: 10-11 км. Определяется дном Мирового Океана, включая донные отложения.

Состав биосферы

Структура биосферы:

Живое вещество - вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, физико-химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности. Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4…3,6·1012 т (в сухом весе) и составляет менее одной миллионной части всей биосферы (ок. 3·1018 т), которая, в свою очередь, представляет собой менее одной тысячной массы Земли. Но это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты», поскольку живые организмы не просто населяют земную кору, а преобразуют облик Земли. Живые организмы населяют земную поверхность очень неравномерно. Их распространение зависит от географической широты.
Биогенное вещество - вещество, создаваемое и перерабатываемое живым организмом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь большую часть атмосферы, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти, карбонатных пород и т. д.
Косное вещество - продукты, образующиеся без участия живых организмов.
Биокосное вещество - вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, ил, кора выветривания и т. д. Организмы в них играют ведущую роль.
Вещество, находящееся в радиоактивном распаде.
Рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений.
Вещество космического происхождения.

Слои биосферы

Весь слой воздействия жизни на неживую природу называется мегабиосферой, а вместе с артебиосферой - пространством человекообразной экспансии в околоземном пространстве - панбиосферой.

Аэробиосфера

Субстратом для жизни в атмосфере микроорганизмов (аэробионтов) служат водные капельки - атмосферная влага, источником энергии - солнечная энергия и аэрозоли. Примерно от верхушек деревьев до высоты наиболее частого расположения кучевых облаков простирается тропобиосфера (с тропобионтами; это пространство - более тонкий слой, чем тропосфера). Выше простирается слой крайне разреженной микробиоты - альтобиосфера (с альтобионтами). Выше простирается пространство, куда организмы проникают случайно и не часто и не размножаются - парабиосфера. Выше расположена апобиосфера.

Геобиосфера

Геобиосферу населяют геобионты, субстратом, а отчасти и средой жизни для которых служит земная твердь. Геобиосфера состоит из области жизни на поверхности суши - террабиосфера (с террабионтами), разделяемую на фитосферу (от поверхности земли до верхушек деревьев) и педосферу (почвы и подпочвы; иногда сюда включают всю кору выветривания) и жизнь в глубинах Земли - литобиосфера (с литобионтами, живущими в порах горных пород, главным образом в подземных водах). На больших высотах в горах, где уже невозможна жизнь высших растений, расположена высотная часть террабиосферы - эоловая зона (с эолобионтами). Литобиосфера распадается на слой, где возможна жизнь аэробов - гипотеррабиосфера и слой, где возможно лишь обитание анаэробов - теллуробиосфера. Жизнь в неактивной форме может проникать глубже - в гипобиосферу. Метабиосфера - все биогенные и биокосные породы. Глубже расположена абиосфера.

В глубинах литосферы есть 2 теоретических уровня распространения жизни - изотерма 100 °C, ниже которой вода при нормальном атмосферном давлении кипит, и изотерма 460 °C, где при любом давлении вода превращается в пар, то есть в жидком состоянии быть не может.

Гидробиосфера

Гидробиосфера - весь глобальный слой воды (без подземных вод), населённый гидробионтами - распадается на слой континентальных вод - аквабиосфера (с аквабионтами) и область морей и океанов - маринобиосфера (с маринобионтами). Выделяют 3 слоя - относительно ярко освещённую фотосферу, всегда очень сумеречную дисфотосферу (до 1 % солнечной инсоляции) и слой абсолютной темноты - афотосфера.

Между верхней границей гипобиосферы и нижней парабиосферы лежит собственно биосфера - эубиосфера.

История развития биосферы

Развитие наблюдается лишь в живом веществе и связанным с ним биокосном. В косном веществе нашей планеты эволюционный процесс не проявляется.

Зарождение жизни

Жизнь на Земле зародилась ещё в архее - примерно 3,5 млрд лет назад в гидросфере. Такой возраст имеют найденные палеонтологами древнейшие органические остатки. Возраст Земли как самостоятельной планеты Солнечной системы оценивается в 4,5 млрд лет. Таким образом, можно считать, что жизнь зародилась ещё в юношескую стадию жизни планеты. В архее появляются первые эукариоты - одноклеточные водоросли и простейшие организмы. Начался процесс почвообразования на суше. В конце архея появился половой процесс и многоклеточность у животных организмов.

Будущее биосферы

С течением времени биосфера становится всё более неустойчивой. Существует несколько трагичных для человечества преждевременных изменений состояния биосферы, некоторые из них связаны с деятельностью человечества.

Некоторые философы, например, Дэвид Пирс, выступают за модификацию биосферы с целью избавления от страданий всех живых существ и создание в буквальном смысле рая на земле (см. одно из значений слова аболиционизм).

Искусственная биосфера

Человек не может существовать вне биосферы, однако стремится исследовать космическое пространство. Ещё К. Э. Циолковский связывал освоение космоса с созданием искусственной биосферы.

В настоящее время идея её создания вновь становится актуальной в связи с планами освоения Луны и Марса. Однако на данный момент попытка создания полностью автономной искусственной биосферы не увенчалась успехом.

Рассматривается возможность создания (пока в далёком будущем) внеземной биосферы на других планетах при помощи терраформирования.

(Visited 114 times, 1 visits today)

Разделы