Определение структура и функции биосферы. Структурные компоненты веществ биосферы. Учение о биосфере

Учение о биосфере

Понятие о биосфере. Структура и границы биосферы

Биосфера (от греческого слова bios - жизнь, sphaira - шар) – область системного взаимодействия живого и косного вещества планеты. Она представляет собой глобальную экосистему, т.е. совокупность всех экосистем нашей планеты.

Впервые термин «биосфера» в научную литературу ввел в 1875 году австрийский геолог Э. Зюсс .

Заслуга создания учения о биосфере принадлежит В.И. Вернадскому. Основу данного учения составляет понятие биосферы как целостной оболочки Земли, населенной жизнью и качественно преобразованной живым веществом планеты. По утверждению В.И. Вернадского, живое вещество Земли есть самая мощная сила в биосфере, материально и энергетически определяющая ее функции.

Структура биосферы. Биосфера включает в себя:

- аэробиосферу – нижняя часть атмосферы;

- гидробиосферу – всю гидросферу;

- литобиосферу – верхние горизонты литосферы.

Атмосфера – воздушная оболочка Земли. В вертикальном направлении атмосферу разделяют на несколько основных слоев: тропосфера (до 9-17 км.); стратосфера (до 50-55 км); мезосфера (до 80-85 км); термосфера (до 100 км).

На высоте 15-20 км располагается озоновый слой , защищающий живые организмы от жесткого ультрафиолетового излучения.

Гидросфера – водная оболочка Земли, покрывает 2/3 поверхности планеты. Под гидросферой понимают основные воды на земной поверхности в жидком и твердом агрегатном состояниях. Объем воды гидросферы не исчерпывается тем ее количеством, которое сосредоточено в океанах и морях. Более 40 % воды заключено в недрах литосферы, небольшая часть находится в атмосфере.

Литосфера – твердая оболочка Земли, сложенная горными породами и их производными вулканического происхождения, осадочными соединениями, продуктами выветривания.

Границы биосферы. Современная жизнь распространена в верхней части земной коры (литосфере), в нижних слоях воздушной оболочки (атмосфере) и в водной оболочке Земли (гидросфере).

В глубь Земли живые организмы проникают на небольшое расстояние. В литосфере жизнь ограничивает прежде всего температура горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает с глубиной и на уровне 1,5 -15 км превышает 100 0 С. Наибольшая глубина, на которой в породах земной коры были обнаружены живые бактерии, составляет 4 км.

В океана жизнь распространена до более значительных глубин и встречается даже на дне океанических впадин в 10-11 км от поверхности.

Верхняя граница жизни в атмосфере определяется уровнем УФ-радиации. На высоте 25-30 км большая часть УФ-излучения Солнца поглощает находящийся здесь озоновый слой. Если живые организмы поднимаются выше этого слоя, они погибают. Споры грибов и бактерий обнаруживают до высоты 20-22 км, но основная часть аэропланктонка сосредоточена в слое 1-1,5 км. В горах граница распространения наземной жизни – около 6 км над уровнем моря.

Концентрация и активность жизни особенно велика у поверхности Земли. Водоемы заселены по всей толще, со сгущениями у поверхности и у дна. На суше более 99 % живого вещества сосредоточено в слое на несколько метров вглубь и на несколько десятков метров (высокие деревья) вверх от поверхности.

Следовательно, жизнь наблюдается в тончайшей пленке планеты, где и протекают главные процессы взаимодействия живой и неживой природы.

Крайние пределы температуры, которые выносят некоторые формы жизни – от малых долей атмосферы на небольшой высоте до тысячи и более атмосфер на больших глубинах.

Структурные компоненты биосферы. Функции живого вещества биосферы

В состав биосферы входят:

- живое вещество (растения, животные, микроорганизмы);

- биогенное вещество (продукты жизнедеятельности живых организмов – каменный уголь, битумы, нефть);

- биокосное вещество (продукты распада и переработки горных осадочных пород живыми организмами – почвы, кора выветривания, все природные воды, свойства которых зависят от деятельности на Земле живого вещества);

- косное вещество (совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых живые вещества не участвуют – горные породы магматического, неорганического происхождения, вода, космическая пыль, метеориты).

Различают следующие функции живого вещества:

1. Энергетическая функция состоит в осуществлении связи биосферно-планетарных явлений с излучением Космоса (солнечная радиация). Основой данной функции является фотосинтез, в процессе которого происходит аккумуляция энергии Солнца и ее последующее перераспределение между компонентами биосферы. Накопленная солнечная энергия обеспечивает протекание всех жизненных процессов.

2. Благодаря газовой функции происходит миграция газов, их превращение, формируется газовый состав биосферы;

3. Концентрационная функция проявляется в извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов из окружающей среды, которые используются для построения тела. Концентрация этих элементов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде.

4. Окислительно-восстановительная функция заключается в химическом превращении веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисления (железо).

5. При осуществлении деструктивной функции протекают процессы, связанные с разложением остатков мертвых организмов. При этом происходит минерализация органического вещества, т.е. превращение живого вещества в косное.

6. Биогеохимическая – размножение, рост и перемещение в пространстве живого вещества.

7. Информационная – способность накапливать определенную информацию, закреплять ее в наследственных структурах и затем передавать последующим поколениям.

8. Средообразующая функция является в значительной мере интегративной (результат совместного действия других функций). Деятельность живых организмов обусловила современный состав атмосферы, от котороого зависят радиационный и тепловой режимы на планете, спектральный состав достигающего поверхности Земли солнечного света. Растительный покров существенно определяет водный баланс, распределение влаги и климатические особенности больших пространств. Живые организмы играют ведущую роль в самоочищении воздуха, рек и озер, от них во многом зависит солевой состав природных вод и распределение многих химических веществ между сушей и океаном. Благодаря растениям, животным и микроорганизмам создается почва и поддерживается плодородие. Наконец, биота одарила человека пищей, одеждой, множеством других вещей, создав уникальное сообщество разнообразных организмов – главное богатство планеты и окружающей человека среды.

Основные этапы развития биосферы. Современное состояние биосферы

Жизнь возникла на основе круговорота органического вещества, обусловленного взаимодействием процессов его синтеза и разрушения (деструкция). Это произошло вследствие того, что из общего геологического круговорота веществ выделился биотический круговорот. Живое вещество, образовавшись на Земле, вовлекло в грандиозный круговорот все ее элементы. Так начался процесс формирования биосферы, продолжающийся до настоящего времени. Вначале биосфера функционировала как взаимодействие одноклеточных организмов. Затем появились многоклеточные организмы. Они развились до современных форм.

Биосфера с момента возникновения претерпевает постоянные изменения, проявляющиеся в увеличении разнообразия видов, в усложнении их организации, росте биомассы. В процессе жизнедеятельности организмов коренным образом преобразовалась и неживая часть биосферы. В атмосфере появился свободный кислород, а в ее верхних слоях – озоновый экран. Углекислота, извлеченная организмами из воды и воздуха, законсервировалась в отложениях угля и карбоната кальция, некоторые вещества надолго выключились из круговорота веществ (залежи полезных ископаемых). Вместе с этим происходило выветривание горных пород, в котором живые организмы также принимали активное участие. Выделяя углекислоту, органические и минеральные кислоты, они способствовали постоянной миграции химических элементов.

Таким образом, суммарная жизнедеятельность развивающихся организмов определяет особенности биосферы, которая в свою очередь обусловливает возможность выживания и направление эволюционных преобразований отдельных видов.

Основные этапы эволюции биосферы как глобальной среды жизни на Земле следует рассматривать с точки зрения формирования основных сред жизни.

Выделяют пять исторических этапов эволюции биосферы:

1 – возникновение и развитие жизни в воде;

3 – заселение организмами суши и формирование новых сред жизни: наземно-воздушной и почвенной;

4 – появление человека и превращение его из обычного биологического вида в биосоциальное существо;

5 – переход биосферы под влиянием разумной деятельности в новое качественное состояние – в ноосферу.

Ноосфера («мыслящая оболочка», сфера разума) – высшая стадия развития биосферы. Это «сфера взаимодействия природы и общества, в пределах корой разумная человеческая деятельность становится главным, определяющим фактором развития».

Ноосфера – это целостная планетная оболочка Земли, населенная людьми и рационально преобразованная ими в соответствии с законами сохранения и поддержания жизни для гармоничного сосуществования общества с окружающими природными условиями.



Впервые понятие “биосфера ” (греч. bios – жизнь, spaira – шар) введено в биологию французским натуралистом Ж.-Б. Ламарком в нач. 19 века, а затем в геологию австрийским ученым Э. Зюсссом. Заслуга в разработке стройного целостного учения о биосфере принадлежит В.И. Вернадскому (1863-1945).

По В.И. Вернадскому, биосфера – это целостная оболочка Земли, заселенная жизнью и качественно преобразованная ею .

Вернадский выделил в ней три главных компонента :

1 . живое вещество – совокупность всех живых организмов;

2 . биокосное вещество – минеральные вещества, включенные живым веществом в биогенный круговорот;

3. косное вещество – продукты жизнедеятельности живого вещества, не участвующие временно в биогеном круговороте;

4 . биогенное вещество .

Состав, структура и энергетика современной биосферы существенно обусловлены не только настоящей, но и прошлой деятельностью живых организмов. Биосфера – это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

Неорганическая среда биосферы подразделяется на атмосферу, гидросферу и литосферу. В них выделяют пределы жизни, т.е. границы биосферы : нижняя часть атмосферы (тропосфера и нижние слои стратосферы до 25 км в высоту), верхняя часть литосферы или педосфера (до 15 км в глубину) и вся толща гидросферы (до 10 км в глубину). Жизнь в литосфере концентрируется только в поверхностном слое земной коры - в почве. Вернадский характеризовал почву как биокосное тело, состоящее одновременно из живых и косных тел .

Живое вещество, его функции.

В пределах биосферы выделяется “пленка жизни” – особая оболочка Земли, где сконцентрировано живое вещество . Она располагается на границе поверхностного слоя земной коры (почвы) и атмосферы и в верхней части гидросферы.

Масса живого вещества невелика – около 0,01 % от массы всей биосферы, однако оно является ее основой и играет важнейшую геохимическую роль в планетарном масштабе.

Живое вещество (по Вернадскому) – это совокупность существующих или существовавших живых организмов, выраженная через массу, энергию и химический состав и являющаяся мощным геологическим фактором. Т.е. современная биосфера – это результат активной химической и геологической деятельности живого вещества.

Выделяют семь основных функций живого вещества:

1) энергетическая – связана с запасанием энергии в процессе фотосинтеза, передачей ее по цепям питания, рассеиванием;

2) газовая – обусловливает миграцию газов, их превращение и обеспечение газового состава атмосферы (О 2 , СО 2 , N 2 , H 2 S, CH 4 - биогенного происхождения);

3) концентрационная – способность организмов к накоплению в своем теле химических элементов, как результат – залежи полезных ископаемых;

4) окислительно-восстановительная – заключается в химическом превращении веществ, интенсификации окислительно-восстановительных реакций под влиянием живого вещества;

5) деструкционная – процессы, связанные с разложением организмов после смерти, их минерализация, т.е. превращение живого вещества в косное;

6) рассеивающая – проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов (рассеивание энергии, вещества в пространстве);

7) информационная – заключается в накоплении информации живыми организмами и их сообществами, закрепление ее в наследственных структурах и передача новым поколениям.

Основные свойства биосферы как целостной системы:

1. Биосфера – централизованная система , т.е. центральным ее звеном выступает живое вещество.

2. Биосфера – открытая система. Существование ее немыслимо без поступления энергии извне, в основном, это энергия Солнца + энергия внутреннего тепла Земли.

3. Важное свойство биосферы и необходимое условие ее существования – биогенный круговорот вещества и энергии. Именно за счет круговорота энергии и вещества обусловлено неограниченно длительное существование и постоянное развитие жизни на Земле.

4. Биосфера – система, характеризующаяся большим разнообразием . Это обуславливается за счет разных сред жизни, разнообразия природных зон, природных условий, видового многообразия. Т.е. разнообразие – основное условие устойчивости любой экосистемы и биосферы в целом (закон Эшби ).

5. Биосфера – саморегулирующаяся система, обладающая гомеостазом, т.е. способностью равновесие в системе, возвращаться в исходное состояние путем включения компенсаторных механизмов.

Вывод. Стабильноть и устойчивость биосферы и экосистем возможна при выполнении условий для сохранения видового разнообразия, многообразия трофических цепей, механизмов гомеостаза, которые решаются на самых различных уровнях - от глобального до локального.

Молекула – любая живая система проявляется на уровне функционирования
биополимеров (сложных органических соединений), построенных из
большого количества единиц – мономеров (просто устроенные соединения)
Клетка – клетка является единицей развития живых организмов. Она
представляет саморегулирующуюся, самовоспроизводящуюся живую
систему.
Ткань – совокупность сходных по строению клеток и межклеточного
вещества, объединенных выполнением общей функции
Орган – структурно-функциональное объединение нескольких типов тканей
Организм – представляет собой целостную систему органов,
специализированных для выполнения различных функций
Популяция – совокупность организмов одного и того же вида, объединенных
общим местом обитания
Биогеоценоз – совокупность организмов разных видов и факторов среды их
обитания, объединенных обменом веществ

Биосфера.

…Сейчас в ней происходит бурный
рассвет.
Мы знаем только малую частичку
этой непонятной,
неясной, всеобъемлющей загадки…
В. И. Вернадский

Биосфера (от греч.
bios - жизнь и
sphaira - шар) оболочка Земли,
состав,
структура и
свойства которой
в той или иной
степени
определяются
настоящей или
прошлой
деятельностью
живых организмов.

Понятие о
биосфере было
упомянуто в книге
“Гидрогеология”
(1802г) французским естествоиспытателем
Ж. Б. Ламарком.
В научном обиходе
слово “биосфера”
появилось в1875г.
на страницах
книги “Лик Земли”
австрийского
геолога Э. Зюсса.

Учение о биосфере
было создано русским
геохимиком В. И.
Вернадским в 20 – 30
годах XX в.
В его основу было
положено
представление о
планетарной
биогеохимической
функции живого
вещества и о сложной
организованности
биосферы.

Около 60 лет назад выдающийся
русский ученый академик
Владимир Иванович Вернадский
разработал учение о биосфере –
оболочке Земли, населенной
живыми организмами.
Он выявил геологическую роль
живых организмов и показал, что
их деятельность представляет
собой важнейший фактор
преобразования минеральных
оболочек планеты.

БИОСФЕРНЫЙ УРОВЕНЬ

10.

Человеческое
общество
Развитие
планеты
биосфера
Эволюция
Живых организмов

11.

живое
вещество
биокосное
косное
биогенное

12. В составе биосферы различают: - 1. живое вещество, образованное совокупностью организмов; - 2. биогенное вещество, которое

создается в процессе
жизнедеятельности организмов (газы атмосферы,
каменный уголь, известняки и другие);
- 3. косное вещество, образующееся без участия живых
организмов (основные породы, лава вулканов,
метеориты);
- 4. биокосное вещество, представляющее собой
совместный результат жизнедеятельности организмов и
абиогенных процессов (почвы).

13.

Огромным видовым
разнообразием
Самовоспроизводством
Саморегуляцией
Устойчивостью;
Биомассой и
биопродуктивностью
Неоднородным
распределением
живого вещества на
Земле
Иерархичностью

14.

ГРАНИЦЫ
БИОСФЕРЫ

15. Границы биосферы

Верхняя граница проходит примерно на высоте 20 км от
поверхности планеты и отграничена слоем озона,
который
задерживает
губительную
для
жизни
коротковолновую часть ультрафиолетового излучения
Солнца.
Ограничивающие факторы:
1. Мало света
2. Низкая температура воздуха
3. Располагается озоновый слой

16.

В гидросфере земной коры организмы проникают на всю
глубину Мирового океана - до 10-11 км.

17.

В литосфере жизнь
встречается на глубине
3,5-7,5
км,
что
обусловлено
температурой
земных
недр
и
уровнем
проникновения воды в
жидком состоянии.
Перед движением литосферы

18. Живые организмы (живое вещество)

Жизнь сосредоточена главным образом на
поверхности земли, в почве и в
приповерхностном слое океана.

19.

Биомасса
организмов,
обитающих на суше, на
99,2%
представлена
зелеными растениями и
0,8% - животными и
микроорганизмами.
Напротив, в океане на
долю растений приходится
6,3%, а на долю животных
и микроорганизмов 93,7%
всей биомассы.
Жизнь
сосредоточена
главным образом на суше.
Суммарная
биомасса
океана составляет всего
0,13%
биомассы
всех
существ, обитающих на
Земле.

20.

Это интересно
12
Общая масса живых организмов оценивают в 2,43 * 10 т
На суше: 99,2% растения и 0,8% - животные и
микроорганизмы
В океане: 6,3% - растения и 93,7 % –животные и
микроорганизмы
21% - видовое разнообразие растений, но их биомасса
составляет – 99%
96 видов – беспозвоночные и только 4% - позвоночные, но
их вклад в биомассу всего 1%

21.

22.

Жизнь на Земле появилась только
после того, как образовался
охранный озоновый слой планеты,
прикрывший ее от жестокого
ультрафиолетового излучения.

23.

24.

Основная часть (95%) находится в
Мировом океане, который
занимает около 70 % поверхности
Земного шара и содержит 1 300
млн. км.

Вернадскому. Учение о ноосфере
изучает проблему взаимоотношений
человеческого общества и природы.

31.

Современный человек сформировался
около 30-40 тыс. лет назад. С этого
времени в эволюции биосферы стал
действовать новый фактор –
антропогенный.

32.

Современный человек увеличил
объем привычных для природы
загрязнений настолько, что она не
успевает их перерабатывать.
Он стал вырабатывать такие
загрязнения, для переработки
которых в природе пока нет
соответствующих видов, а для
некоторых загрязнений, к примеру,
радиоактивных, их никогда и не
появится.

Биосфера – сложная по составу, строению и организованности оболочка. В.И. Вернадский выделил следующие компоненты биосферы:

Живые организмы (живое вещество);

Биогенные компоненты (геологические породы, созданные деятельностью живого вещества: уголь, нефть, известняки и др.);

Костное вещество (в его образовании живое не учавствует: геологические породы вулканического и сейсмического происхождения);

Биокостное вещество (создаётся с помощью живых организмов: океанические воды, почва) вещества;

Вещества космического происхождения (метеоритное вещество).

Вернадский считал, что земная кора представляет собой остатки былых биосфер, которые существовали столько же, сколько существует Земля. Фундаментальным отличием живого вещества от косного является эволюционный процесс, непрерывно создающий новые формы живых существ. Многообразие форм жизни и их многофункциональность создают основу устойчивого круговорота веществ и энергии. В этом специфика и залог устойчивости биосферы как уникальной оболочки земного шара.

Таким образом, биосфера , по В.И.Вернадскому, - это одна из геологических оболочек земного шара, глобальная экосистема Земли, в которой геохимические и энергетические превращения определяются суммарной активностью всех живых организмов - живого вещества.

Биосфера включает в себя все живые организмы, находящиеся во взаимодействии с физической средой Земли и обитающие в гидросфере (на глубине до 8-10 км), атмосфере (на высоте до 85 км, наибольшее скопление – до 10-15 км), и литосфере (от десятков метров до глубины, где температура не превышает 100 0 С – в молодых складчатых областях – 1,5-2 км, на кристаллических щитах – до 7-8 км, в среднем – до 3–3,5 км). Распределение организмов в биосфере приведено на рис. 3.1.

Верхняя граница биосферы, по Вернадскому, является лучистой (лимитируется прямым ультрафиолетовым излучением), а нижняя – термическая (лимитируется температурой). Таким образом, общая толщина оболочки биосферы составляет несколько десятков километров. Структура биосферы и её окружения приведена на рис. 3.2.

Приблизительная масса биосферы составляет 3*10 24 г, а объём – 10*10 24 см 3 , в том числе литосферы – 0,6*10 24 см 3 , гидросферы – 1,4*10 24 см 3 и тропосферы – 8*10 24 см 3 (приблизительная масса тропосферы – 0,004*10 24 г, гидросферы – 1,4*10 24 г, а литосферы толщиной 3 км на суше и под дном океана 0,5 км – масса 1,6*10 24 г). Приблизительная масса биосферы составляет 0,05% массы Земли, объём – 0,4 % объёма Земли. Масса живого вещества едва достигает (3…5)*10 -8 % массы Земли и близко (0,7-1,0)*10 -8 % массы биосферы.

Живое вещество, в том числе и человечество, изменяет историю всех химических элементов, выступает как глубокий и мощный геологический процесс. В течение сравнительно незначительного в историческом отношении времени через живые организмы может пройти всё вещество биосферы. Так весь кислород планеты – продукт фотосинтеза, обновляется каждые 2000 лет, а все молекулы углекислоты – через каждые 300-600 лет. В.И. Вернадский выделил 5 функций живого вещества: газовая (порождение газов), концентрационная (накопление химических элементов в своих телах), окислительно-восстановительная (регулирование кислотного режима), биохимическая (размножение и перемещение в пространстве); биогеохимическая деятельность человечества (использование человеком химических элементов для своих нужд).

В состав биосферы входят:

- живое вещество (растения, животные, микроорганизмы);

- биогенное вещество (продукты жизнедеятельности живых организмов – каменный уголь, битумы, нефть);

- биокосное вещество (продукты распада и переработки горных осадочных пород живыми организмами – почвы, кора выветривания, все природные воды, свойства которых зависят от деятельности на Земле живого вещества);

- косное вещество (совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых живые вещества не участвуют – горные породы магматического, неорганического происхождения, вода, космическая пыль, метеориты).

Различают следующие функции живого вещества:

1. Энергетическая функция состоит в осуществлении связи биосферно-планетарных явлений с излучением Космоса (солнечная радиация). Основой данной функции является фотосинтез, в процессе которого происходит аккумуляция энергии Солнца и ее последующее перераспределение между компонентами биосферы. Накопленная солнечная энергия обеспечивает протекание всех жизненных процессов.

2. Благодаря газовой функции происходит миграция газов, их превращение, формируется газовый состав биосферы;

3. Концентрационная функция проявляется в извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов из окружающей среды, которые используются для построения тела. Концентрация этих элементов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде.

4. Окислительно-восстановительная функция заключается в химическом превращении веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисления (железо).

5. При осуществлении деструктивной функции протекают процессы, связанные с разложением остатков мертвых организмов. При этом происходит минерализация органического вещества, т.е. превращение живого вещества в косное.

6. Биогеохимическая – размножение, рост и перемещение в пространстве живого вещества.

7. Информационная – способность накапливать определенную информацию, закреплять ее в наследственных структурах и затем передавать последующим поколениям.

8. Средообразующая функция является в значительной мере интегративной (результат совместного действия других функций). Деятельность живых организмов обусловила современный состав атмосферы, от котороого зависят радиационный и тепловой режимы на планете, спектральный состав достигающего поверхности Земли солнечного света. Растительный покров существенно определяет водный баланс, распределение влаги и климатические особенности больших пространств. Живые организмы играют ведущую роль в самоочищении воздуха, рек и озер, от них во многом зависит солевой состав природных вод и распределение многих химических веществ между сушей и океаном. Благодаря растениям, животным и микроорганизмам создается почва и поддерживается плодородие. Наконец, биота одарила человека пищей, одеждой, множеством других вещей, создав уникальное сообщество разнообразных организмов – главное богатство планеты и окружающей человека среды.