Экология биосфера
1. Понятие, состав и структура биосферы
Биосфера — глобальная экологическая система планеты, включающая в себя все живые организмы вместе со средой их обитания.
Биосфера представляет собой совокупность частей земных оболочек (лито-, гидро- и атмосферы), которая заселена живыми организмами, находится под их влиянием и занята продуктами их жизнедеятельности.
В 20-е годы XX — го столетия учение о биосфере было развито и преобразовано выдающимся естествоиспытателем академиком В.И. Вернадским. Он впервые подчеркнул исключительную роль живых организмов в образовании биосферы. По его определению, биосфера — структурная оболочка Земли, созданная самой жизнью, где не только живут, но которая преобразована живыми организмами и связана с их жизнедеятельностью. Таким образом, биосфера — это и среда жизни, и результат жизнедеятельности организмов.
Размеры биосферы. По учению В.И. Вернадского, биосфера — это область нашей планеты, в которой существует или когда-либо существовала жизнь и которая постоянно подвергается воздействию живых организмов.
этому биосфера представляет собой область существования не только современных экосистем, но и включает области, где находятся вещества, возникшие в результате жизнедеятельности живых организмов. Такие вещества называют биогенными. Почти весь кислород атмосферы имеет биогенное происхождение. Биогенными являются также многие полезные ископаемые (нефть, уголь, газ и др.).
Благодаря такому подходу В.И. Вернадский существенно расширил границы биосферы, включив в нее всю гидросферу (глубиной до 11 км), нижние слои атмосферы (до озонового слоя, высотой 25-35 км), где сосредоточен практически весь кислород, и часть литосферы до глубины залегания полезных ископаемых биогенного происхождения (8-10 м, реже 3 км).
Структура биосферы. Биосфера имеет иерархическую структуру. Традиционно в структуре биосферы выделяют атмосферу, гидросферу и литосферу. Атмосфера делится на слои в зависимости от температуры воздуха: ниже 0°С -альтобиосфера, выше 0 «С — тропобиосфера. Гидросфера включает в себя океанобиосферу и аквабиосферу, т.е. солено- и пресноводную среду, и также делится на слои в зависимости от освещенности: фото-, дисфото- и афотосферы. Гео(био)сфера состоит из террабиосферы (твердо-водной среды) и литобиосферы (твердо-воздушной среды). Выделенные подсферы включают экосистемы различного иерархического уровня.
Состав биосферы включает 7 глубоко разнородных частей:
1) живое вещество;
2) биогенное вещество:
3) косное вещество:
4) биокосное вещество;
5) вещество в радиоактивном распаде:
6) вещество рассеянных атомов, не связанных химическими реакциями;
7) вещество космического происхождения.
Живое вещество совокупность организмов на планете (растительный и животный мир, микроорганизмы).
Биогенное вещество — совокупность веществ, возникших в результате жизнедеятельности организмов (торф, нефть, мел, природный газ и др.).
Косное вещество — совокупность веществ, в образовании которых живые организмы не участвуют, т.е. горные породы магматического, неорганического происхождения, вода,
Биокосное вещество — продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами (почва, природные воды).
2. Основные функции биосферы
Благодаря способности трансформировать солнечную энергию в энергию химических связей, растения и другие организмы выполняют ряд фундаментальных биологических функций планетарного масштаба.
Газов ая функция. Живые существа постоянно обмениваются кислородом и углекислым газом с окружающей средой в процессах фотосинтеза и дыхания. Растения сыграли решающую роль в формировании состава современной атмосферы. Они строго контролируют концентрации кислорода и углекислого газа, оптимальные для современной биоты.
Концентрационная функция. В процессе эволюции организмы научились извлекать из разбавленного водного раствора и других компонентов природной среды необходимые для них вещества, многократно увеличивая их концентрацию в своем теле.
Таким образом, пропуская через свое тело большие объемы воздуха и природных растворов, живые организмы осуществляют биогенную миграцию и концентрирование химических элементов и их соединений.
Окислительно-восстановительная функция. Многие вещества в природе крайне устойчивы и не подвергаются окислению при обычных условиях. Живые клетки обладают настолько эффективным катализатором — ферментами, что способны осуществлять многие окислительно-восстановительные реакции в миллионы раз быстрее, чем это может происходить в абиотической среде. Благодаря этому живые организмы существенно ускоряют процессы миграции химических элементов в биосфере.
Информационная функция. С появлением первых живых существ на планете появилась и активная (»живая") информация, отличающаяся от той «мертвой» информации, которая является простым отражением структуры. Организмы оказались способными к получению информации путем соединения потока энергии с активной молекулярной структурой, играющей роль программы. Способность воспринимать, хранить и передавать молекулярную информацию совершила опережающую эволюцию в природе и стала важнейшим экологическим системообразующим фактором.
Перечисленные функции живого вещества образуют мощную средообразующую функцию биосферы. Деятельность живых организмов обусловила современный состав атмосферы. Растительный покров существенно определяет водный баланс, распределение влаги и климатические особенности больших пространств. Живые организмы играют ведущую роль в самоочищении воздушной и водной сред. Благодаря растениям, животным и микроорганизмам создается почва и поддерживается ее плодородие. Таким образом, биота биосферы формирует и контролирует состояние окружающей среды.
Следует четко представлять, что окружающая нас среда — это не возникшая когда-то фиксированная и непреходящая физическая должность, а живое дыхание природы, каждое мгновение создаваемое работой множества живых существ.
3. Биогеохимические круговороты веществ в биосфере
Круговорот ве ществ — закономерный процесс многократного участия веществ в явлениях, протекающих в биосфере планеты. Вещество, вовлеченное в круговорот, не только перемещается, но и испытывает трансформацию и нередко меняет свое физическое и химическое состояния. Особенно активную роль в ускорении круговорота и трансформации играют живые организмы.
Солнечная энергия на Земле вызывает два вида круговоротов веществ:
1) большой (биогеохимический) — в пределах биосферы;
2) малый (биотический) — в пределах элементарных экологических систем.
Большой круговорот веществ — это безостановочный планетарный процесс закономерного циклического, неравномерного во времени и пространстве перераспределения вещества, энергии и информации, многократно входящих в непрерывно обновляющиеся экологические системы биосферы.
Малый круговорот веществ развивается на основе большого и заключается в круговой циркуляции веществ между почвой, растениями, микроорганизмами и животными.
Оба круговорота взаимосвязаны и представляют собой единый процесс, который обеспечивает воспроизводство живого вещества и оказывает активное влияние на облик биосферы.
На нашей планете всегда существовал геохимический круговорот веществ, но с появлением жизни на Земле геохимические связи стали биогеохимическими — более сложными и разнообразными. Поэтому говорят о биогеохимическом круговороте веществ или биогеохимическом цикле.
Различают три основных типа биогеохимических круговоротов:
1) круговорот воды;
2) круговорот элементов преимущественно в газовой фазе (кислорода, углерода, азота и др.);
3) круговорот элементов преимущественно в твердой и жидкой фазах (фосфора и др.).
Круговорот углерода на суше начинается с фиксации углекислого газа растениями в процессе фотосинтеза.
Из СО2 и НзО образуются углеводы и высвобождается кислород, Фиксированный в растениях углерод в некоторой степени потребляется животными. Отжившие животные и растения разлагаются микроорганизмами, в результате чего углерод мертвого органического вещества окисляется до углекислого газа и снова попадает в атмосферу. Кроме того, углерод частично выделяется на всех стадиях круговорота в составе CO2 во время дыхания растений и животных. Подобный круговорот углерода совершается и в океане.
Круговорот азота (рис.5). Азот, которого очень много в атмосфере, усваивается растениями лишь после соединения его с водородом или кислородом. Это, как правило, происходит в результате различных физических явлений, протекающих в атмосфере (атмосферная фиксация) и производстве (промышленная фиксация), а также в результате действия азотфиксирующих бактерий или водорослей (биофиксация). Соединения азота используются растениями и через них по пищевым цепям попадают к животным. Растительные и животные отходы, мертвые организмы разлагаются, и с помощью денитрифицирующих бактерий происходит восстановление азота и возвращение его в атмосферу.
Рис. 5 — Круговорот азота
В настоящее время сельское хозяйство и промышленность дают почти на 60% больше фиксированного азота, чем естественные наземные экосистемы, что приводит к накоплению нитратов в почве и далее в трофических цепях.
Биогеохимические круговороты веществ и связанные с ними превращения энергии являются основой динамического равновесия и устойчивости биосферы. Нормальные, ненарушенные биогеохимические циклы имеют почти круговой, почти замкнутый характер. Этим поддерживается известное постоянство и равновесие состава, количества и концентрации компонентов в биосфере, например состава атмосферного воздуха, концентрации солей в воде океанов и т.п. В свою очередь, подобное постоянство обусловливает генетическую и физиологическую приспособленность живых организмов к существованию на Земле,
4. Эволюция биосферы. Понятие ноосферы. Понятие техносферы
Возникновение и существование всех экологических систем в биосфере обусловлено эволюцией. Самоподдерживающиеся динамические системы эволюционируют в сторону усложнения организации и возникновения системной иерархии, Первопричиной, источником движущей силы последовательных качественных изменений экологических систем служит поток энергии через систему и отбор наиболее эффективных преобразователей энергии, вещества и информации.
Эволюция биосферы состоит из добиотической фазы, в ходе которой химическая эволюция подготовила возникновение жизни и, собственно, биотической эволюции.
Добиотическая эволюция.
1. Образование планеты (около 4,5 млрд. лет назад). Первичная атмосфера имела высокую температуру и содержала водород, азот, пары воды, метан, аммиак, инертные газы и другие простые соединения.
2. Возникновение абиотического круговорота веществ в атмосфере за счет ее постепенного остывания и энергии солнечного излучения. Появляется жидкая вода, формируются гидросфера, круговорот воды, водная миграция элементов и многофазные химические реакции в растворах. Происходит отбор и рост молекул.
3. Образование органических соединений в процессах конденсации и полимеризации простых соединений С, Н, О, N за счет энергии ультрафиолетового излучения Солнца, радиоактивности, электрических разрядов и других энергетических импульсов. Аккумуляция лучистой энергии в органических веществах.
4. Возникновение круговорота органических соединений углерода. Далънейшее усложнение органических веществ и появление устойчивых комплексов макромолекул; возникновение молекулярных систем самовоспроизведения.
Биотическая эволюция.
Возникновение жизни (около 3,5 млрд. лет назад). Структуризация белков и нуклеиновых кислот с участием биомембран приводит к появлению вирусоподобных тел и первичных клеток, способных к делению. Возникает биотический круговорот, и формируются функции живого вещества.
5. Развитие фотосинтеза и обусловленное им изменение состава среды: увеличение количества кислорода. Ускоряется биогенная миграция элементов.
6. Появление многоклеточных организмов, наземных растений и животных приводит к дальнейшему усложнению биогеохимического круговорота. Возникают сложные экологические системы, содержащие все уровни трофической организации. Достигается высокая ступень замкнутости биогеохимического круговорота.
7.Увеличение биотического разнообразия и усложнение строения и функциональной организации живых существ и биосферы в целом. Организмами заняты все экологические ниши на планете.
8. Появление человека — лидера эволюции. Возникновение и развитие человеческого общества, вовлечение в техногенез непропорционально больших потоков вещества и энергии нарушают замкнутость биогеохимических круговоротов, вызывают антропогенные экологические кризисы и становятся негативным фактором эволюции биосферы.
Хозяйственная деятельность человека вызвала появление на Земле качественно новой среды обитания — техносферы. Техносфера — часть биосферы, преобразованной людьми с помощью прямого или косвенного действия технических средств и занятая продуктами его деятельности. Некоторые ученые считают техносферу синонимом ноосферы, другие — признают техносферу как переходное состояние от биосферы к ноосфере.
В переводе с греческого «ноосфера» — это сфера разума, С научной точки зрения, ноосфера — это коллективное сознание, которое станет контролировать направление будущей эволюции планеты. Развивая концепцию ноосферы, В.И, Вернадский определил ее как этап эволюции биосферы, который характеризуется ведущей ролью разумной и сознательной деятельности человеческого общества в развитии биосферы. Разумная деятельность человека должна стать главным фактором развития биосферы.
Ноосфера, но В.И. Вернадскому, — это биосфера, разумно управляемая человеком. "… Все человечество, вместе взятое, представляет ничтожную массу вещества планеты, Мощь его связана не с его материей, но с его мозгом, разумом и направленным этим разумом его трудом". Человек должен понять, «что он не есть случайное, независимое от окружающего свободно действующее природное явление. Он составляет неизбежное проявление большого природного процесса, закономерно длящегося в течение, по крайней мере, 2-х миллионов лет.
Согласно закону ноосферы B.И. Вернадского: биосфера неизбежно превратится в ноосферу, т.е. сферу, где разум человека будет играть доминирующую роль в развитии системы человек-природа. Иными словами, хаотичное саморазвитие, основанное на процессах естественной саморегуляции, будет заменено разумной стратегией, базирующейся на прогнозно-плановых началах, регулировании процессов естественного развития.
Если ноосфера — это будущее гармоничное единство человека и природы при главенствующем положении в этой системе человеческого разума, то техносфера — это то окружение, в котором мы сейчас живем.
Литертатура
1.Шимова, О.С. Основы экологии и экономика природопользования: Учебник / О.С. Шимова, Н.К. Соколовский. — Мн.: БГЭУ, 2001 -367 с.
2.Акимова, Т.А. Экология: Учебник для вузов / Т.А. Акимова, ВЛЗ. Хаскин. — М: ЮНИТИ, 1998, — 445 с.
З.Маврищев, В.В. Основы общей экологии: Учеб. пособие / В.В. Маврищев. — Мн.: Выш. шк., 2000, — 317 с.
4. Экология: Учебное пособие / Общая ред. С.А. Боголюбова. — М: Знание, 1997.-288 с.
4. Экология и безопасность жизнедеятельности: Учеб. пособие для вузов / Под ред. Л.А. Муравья. — М. ЮНИТИ-ДАНА, 2000. — 447 с.
5.Кормилицин, В.И. Основы экологии: Учеб, пособие / В.Ц. Кормилидин. — М.: Интерстиль. 1997. — 368 с.
6. Реймерс, Н.Ф. Охрана природы и окружающей человека среды: Словарь-справочник / Н.Ф. Реймерс. — М: Просвещение, 1992. — 320 с.
7. Охрана окружающей среды: Учеб, для техн. спец, вузов / Под ред. С.З.Белова. — М.: Высшая школа, 1991. — 319 с.
Источник: ronl.org
Цель занятия – изучить биосферу как среду жизни человека, её структуру, динамику. Развитие ноосферы – сферы разума.
Биосфера(греч. Bios – жизнь, sphaira – шар, сфера) – сложная наружная оболочка Земли, населенная организмами, составляющими в совокупности живое вещество планеты. Это одна из важнейших геосфер Земли, являющаяся основным компонентом природной среды, окружающей человека. В биосферу входят часть атмосферы до высоты 25-30 км (до озонового слоя), практически вся гидросфера и верхняя часть литосферы примерно до глубины 3 км.
Атмосфера(греч. «атмос» — пар) – газовая оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли. На высоте от 10 до 50 км, с максимумом концентрации на высоте 20-25 км, расположен слой озона, защищающий Землю от чрезмерного ультрафиолетового облучения, гибельного для организмов. Атмосфера физически, химически и механически воздействует на литосферу, регулируя распределение тепла и влаги. Погода и климат на Земле зависят от распределения тепла, давления и содержания водяного пара в атмосфере. Водяной пар поглощает солнечную радиацию, увеличивает плотность воздуха и является источником всех осадков. Атмосфера поддерживает различные формы жизни на Земле.
Гидросфера (греч. «гидор» — вода) – водная оболочка Земли.
Поверхностная гидросфера – водная оболочка поверхностной части Земли. В ее состав входят воды океанов, морей, озер, рек, водохранилищ, болот, ледников, снежных покровов и др. Поверхностная гидросфера не образует сплошного слоя и прерывисто покрывает земную поверхность на 70,8%.
Подземная гидросфера–включает воды, находящиеся в верхней части земной коры. Гидросфера играет огромную роль в формировании природной среды нашей планеты. Весьма активно она влияет и на атмосферные процессы (нагревание и охлаждение воздушных масс, насыщение их влагой, и т.д.).
Литосфера (греч. «литое» — камень) – каменная оболочка Земли, включающая земную кору мощностью (толщиной) от 6 (под океанами) до 80 км (горные системы). Земная кора – важнейший ресурс для человечества. Она содержит горючие полезные ископаемые (уголь, нефть, горючие сланцы), рудные (железо, алюминий, медь, олово и др.) и нерудные (фосфориты, апатиты и др.), полезные ископаемые, естественные строительные материалы (известняки, пески, гравий и др.).
Биосфера, являясь глобальной экосистемой (экосферой), как и любая экосистема, состоит из абиотической и биотической части.
Абиотическая частьпредставлена: 1) почвой и подстилающими ее породами до глубины, где в них есть еще живые организмы, вступающие в обмен с веществом этих пород и физической средой парового пространства; 2) атмосферным воздухом до высот, на которых возможны еще проявления жизни; 3) водной средой океанов, рек, озер и т.п.
Биотическая частьсостоит из живых организмов всех таксонов, осуществляющих важнейшую функцию биосферы, без которой не может существовать сама жизнь – биогенный ток атомов.Живые организмы осуществляют этот ток атомов благодаря своему дыханию, питанию и размножению, обеспечивая обмен веществом между всеми частями биосферы.
Учение В.И. Вернадского о биосфере – это целостное фундаментальное учение, органично связанное с важнейшими проблемами сохранения и развития жизни на Земле, знаменующее собой принципиально новый подход к изучению планеты как развивающейся саморегулирующейся системы в прошлом, настоящем и будущем.
По представлениям В.И. Вернадского, биосфера включает:
— живое вещество (т.е. все живые организмы);
— биогенное (уголь, известняки, нефть и др.);
— косное (в его образовании живое не участвует, например, магматические горные породы);
— биокосное (создается с помощью живых организмов);
— радиоактивное вещество,
— вещество космического происхождения (метеориты и др.);
— рассеянные атомы.
Все эти семь различных типов веществ геологически связаны между собой.
Сущность учения В.И. Вернадского заключена в признании исключительной роли «живого вещества», преобразующего облик планеты. Под живым веществомВ.И. Вернадский понимал все количество живых организмов планеты как единое целое. Его химический состав подтверждает единство природы – он состоит из тех же элементов, что неживая природа, только соотношение этих элементов различное и строение молекул иное.
Вторым главнейшим аспектом учения В.И. Вернадского является разработанное им представление об организованности биосферы,которая проявляется в согласованном взаимодействии живого и неживого, взаимной приспособляемости организма и среды.
В трудах В.И. Вернадского перечислен ряд конкретных условий, необходимых для становления и существования ноосферы:
1. Заселение человеком всей планеты.
2. Резкое преобразование средств связи и обмена между странами.
3. Усиление связей, в том числе политических, между всеми странами Земли.
4. Начало преобладания геологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в биосфере.
5. Расширение границ биосферы и выход в космос.
6. Открытие новых источников энергии.
7. Равенство людей всех рас и религий.
8. Увеличение роли народных масс в решении вопросов внешней и внутренней политики.
9. Свобода научной мысли и научного искания от давления религиозных, философских и политических построений и создание в государственном строе условий, благоприятных для свободной научной мысли.
10. Продуманная система народного образования и подъем благосостояния трудящихся. Создание реальной возможности не допустить недоедания и голода, нищеты и чрезвычайно ослабить болезни.
11. Разумное преобразование первичной природы Земли с целью сделать ее способной удовлетворить все материальные, эстетические и другие потребности человека.
Круговорот веществ и энергии в биосфере.В природе выделяют два круговорота веществ: большой (геологический) и малый (биохимический). Большой круговорот веществ (геологический) обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли. Символом круговорота является спираль, это означает, что новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то новое, что приводит к значительным изменениям. Большой круговорот – это круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу. Весь запас воды распадается и восстанавливается за 2 млн. лет.
Малый круговорот веществ (биогеохимический) совершается только в пределах биосферы. Сущность его в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация. В малом круговороте участвуют вещества атмосферы, гидросферы, литосферы и живые организмы (продуценты, консументы, редуценты). Если круговорот веществ осуществляется только посредством пищевых цепей его называют биологическим.
Практические задания
Задание 1.Составьте таблицу «Границы жизни в биосфере», укажите лимитирующие факторы.
Задание 2.Укажите роль живых организмов, их функции в биосфере и этапы развития жизни на Земле.
Задание 3. Изучите процессы круговорота веществ в биосфере. Отметьте особенности большого (геологического) и малого (биохимического) круговорота веществ.
Вопросы для самоконтроля
1. Понятие биосферы и ее структура.
2. Характеристика основных сфер и их взаимодействие между собой:
а) границы биосферы;
б) состав биосферы;
в) живое вещество в биосфере;
г) лимитирующие факторы в биосфере.
3. Биосфера как глобальная экосистема. Круговорот веществ и энергии в биосфере. Круговорот кислорода, углекислого газа, воды, азота, фосфора.
4. Учение В.И. Вернадского о биосфере и ноосфере.
5. Эволюция в биосфере.
6. Развитие ноосферы – сферы разума. Пути перехода в ноосферу.
Источник: studopedia.ru
Тема 3. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ БИОСФЕРЫ
Стабильность и устойчивость экосистем
Общие закономерности сукцессионного процесса.
1. На начальных стадиях видовое разнообразие, продуктивность и биомасса малы. По мере развития сукцессии эти показатели возрастают.
2. С развитием сукцессионного ряда увеличиваются взаимосвязи между организмами. Полнее осваивается среда обитания, усложняются цепи и сети питания.
3. Уменьшается количество свободных экологических ниш и в климаксном сообществе они либо отсутствуют, либо находятся в минимуме.
4. Интенсифицируются процессы круговорота веществ, потока энергии и дыхания экосистем.
5. Неизменяемость климаксных стадий сукцессий относительна. Динамические процессы при этом не приостанавливаются, а лишь замедляются.
6. В зрелой стадии климаксного сообщества биомасса обычно достигает максимальных или близких к максимальным значений.
Стабильность– способность экосистемы сохранять свою структуру и функциональные свойства при воздействии внешних факторов.
Устойчивость – способность экосистемы возвращаться в исходное или близкое к нему состояние после действия факторов, выводящих ее из равновесия.
Данные термины в экологии обычно рассматриваются как синонимы. Эти качества тем значительнее, чем разнообразнее экосистемы.
Для экосистем с низкой устойчивостью характерны вспышки отдельных видов. Низкоустойчивыми и нестабильными являются, например, тундровые экосистемы, которые легко разрушаются под действием перевыпаса, технических нагрузок. К таким уязвимым экосистемам относятся также агроэкосистемы, созданные человеком и представленные обычно одним преобладающим видом растений, интересующим человека. Агроценозы сельскохозяйственных культур, особенно однолетних, существуют только при условии постоянного вмешательства человека. После прекращения такого вмешательства вторичная сукцессия обычно начинается с той стадии, которую называют сорняками. Но эта стадия уже не имеет прямого отношения к агроценозу. Агроценозы, создаваемые из долгоживущих растений (искусственно созданные лесопосадки, сады), отличаются значительной устойчивостью. Здесь вмешательство человека требуется только на начальных этапах, когда молодые деревца настолько слабы, что не могут выдержать конкуренции с травами.
1. Экология биосферы.
2. Современные проблемы биосферы.
3. Экология атмосферы
4. Экология гидросферы
5. Экология почвы
Понятие «биосфера». В 1875 г. Австрийский ученый-геолог Э.Зюсс ввел в научную литературу термин «биосфера».ю понимая под ним все то пространство атмосферы, гидросферы и литосферы, где встречаются живые организмы.
Владимир Иванович Вернадский (1863-1945) использовал этот термин и создал науку с аналогичным названием. Если с понятием «биосфера» по Зюссу связывалось только наличие в трех сферах земной оболочки живых организмов, то по В.И.Вернадскому им отводится роль главнейшей преобразующей силы. В таком случае под биофсерой понимается все пространство, где существует или когда-либо существовала жизнь, то есть где встречаются живые организмы или продукты их жизнедеятельности. В.И.Вернадский всесторонне раскрыл роль живых организмов в процессах планетарного масштаба. Он показал, что в природе нет более мощной геологической силы, чем живые организмы и продукты их жизнедеятельности.
Ту часть биосферы, где встречаются живые организмы в настоящее время, обычно называют необиосферой, то есть современной биосферой, а древние биосферы относят к палеобиосферам. В качестве примеров последних можно назвать безжизненные скопления органических веществ (залежи полезных ископаемых).
Границы биосферы.Целесообразно различать границы нео- и палеобиосферы. Первая в атмосфере простирается примерно на высоту 25-30 км, фактически до озонового экрана, за пределами которого жизнь невозможна вследствие наличия губительных космических ультрафиолетовых лучей. По современным представлениям вся толща Мирового океана, в том числе и самая глубокая Марианская впадина (11022 м), занята жизнью. К необиосфере следует относить также и донные отложения, где возможно существование живых организмов. В литосферу жизнь проникает на несколько метров, ограничиваясь в основном почвенным слоем, однако, простейшие формы жизни можно встретить и на более значительных глубинах – до 4000 м. Границы палеобиосферы в атмосфере примерно совпадают с необиосферой, под водами к палеобиосфере следует отнести и осадочные породы, которые по В.И.Вернадскому практически все претерпели переработку живыми организмами. Это толща от сотен метров до десятков километров. Сказанное относительно осадочных пород применимо и к литосфере, пережившей водную стадию функционирования.
Источник: studopedia.su
Круговорот веществ
Биосфера охватывает часть литосферы, атмосферы и гидросферы. Ее роль не только в биохимическом поддержании жизни на планете, но и в энергетическом круговороте – поглощении и отражении энергии Солнца, выделении тепла недрами планеты, а также круговороте тепла, которое выделяется растениями в процессе фотосинтеза. Еще со школьной скамьи нам знаком круговорот воды в природе. Без круговорота веществ в биосфере Земля стала бы непригодной для жизни.
Границы
Существуют верхняя и нижняя границы биосферы. Верхняя – это озоновый слой, задерживающий вредное для живых организмов излучение ультрафиолета, нижняя находится в литосфере, при переходе воды в пар.
Структура
- Живое вещество.
- Биогенное вещество.
- Косное вещество.
- Биокосное вещество.
Этапы эволюции
Биосфера постоянно эволюционирует. Различают три этапа эволюции:
- Возникновение простейших проявлений жизни.
- Рождение одноклеточных, а затем и многоклеточных организмов.
- Появление человечества.
Новой формой эволюции считается ноосфера, подразумевающая взаимодействие общества людей с природой
Экологические проблемы биосферы
Источником загрязнения биосферы может быть как человек, так и сама природа. Очевидно, что со времен научно-технической революции лидирует среди них человек.
Загрязнение, которое приносит в биосферу человек, или антропогенное загрязнение, отличается разнообразием – от банальной вырубки лесов до выброса радиоактивных отходов в моря и озера.
В процессе своей деятельности люди разрушают экосистемы, уничтожают целые виды, меняют рельеф коры планеты, даже климат, что приводит к образованию трещин и пробелов в биосфере. Особенно пагубно влияет на природу отрасль энергетики, потребность в использовании которой у человечества с годами только растет, а многочисленный и банальный неразлагаемый бытовой мусор, благодаря которому стремительно разрастаются свалки, омертвляет планету.
Наконец, военные действия, которые со времен изобретения пороха приобрели огромные масштабы, наносят биосфере значительный вред: в пожарах сгорели гектары леса, тонны выбросов нефти блокировали газообмен между атмосферой и гидросферой, не говоря уже о гибели в сражениях самих людей.
Однако природа и сама способна себе навредить. Повышенная вулканическая активность приводит к увеличению в атмосфере концентрации углекислого газа, наводнения и засухи уничтожают популяции без надежды на восстановление большей их части, а землетрясения меняют рельеф верхних слоев земной коры. Однако стихию едва ли можно контролировать, чего нельзя сказать о деятельности человека.
Источник: greenologia.ru
9.1. Что входит в предмет изучения экологии? В чём состоит междисциплинарный характер экологической науки?
Термин «экология» (от греч. oikos – «дом», logos – «наука») широко употребляется как в повседневной жизни, так и в различных областях профессиональной деятельности. Чаще всего под экологией понимают область знаний об окружающей среде и о взаимодействии её компонентов. Объектом исследования в экологии являются экологические системы различных уровней. Предмет исследования экологии – многообразные вещественные, энергетические и информационные связи между живыми организмами и абиотической средой их обитания.
Экологическая наука имеет сложную структуру и состоит из множества разделов. Вот далеко не полный перечень:
1. общая экология;
2. биоэкология;
3. геоэкология;
4. факториальная экология;
5. учение о биосфере;
6. экология человека;
7. социальная экология;
8. инженерная (прикладная) экология.
Современная экология – междисциплинарная наука. Она привлекает, использует и объединяет знания и методы различных наук:
· естественных (биология, физика, химия, география, медицина);
· технических;
· математических;
· экономических
· социальных;
· информационных.
9.2. Что такое биосфера? Как она устроена?
Биосфера – «живая» оболочка Земли, представляющая сложную термодинамически открытую систему (п.п. 2.4, 7.2). Понятие биосферы ввёл в биологию Ж.Б. Ламарк, в геологию – Э. Зюсс. В окончательном виде целостное учение о биосфере было оформлено академиком В.И. Вернадским (1926 г.), обосновавшим геологическую преобразующую роль живых организмов.
Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы (тропосферу), всю гидросферу (пресные и морские воды) и верхнюю часть литосферы Земли. Верхняя граница биосферы расположена на высоте порядка 6 км над уровнем моря, нижняя – на глубине 15 км в толще земной коры (бактерии в нефтяных водах) и 11 км в океане. В сравнении с диаметром Земли (около 13000 км) биосфера – это тонкая пленка на поверхности планеты. Биосфера охватывает лишь порядка 0,1% массы Земли, но играет важнейшую роль в круговороте вещества и энергии. Наиболее типичными чертами биосферы являются:
· Биологическая продуктивность;
· Непрерывность развития;
· Устойчивость (состояние ДИНАМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ);
· Изменчивость;
· Саморегуляция.
Жизнь в биосфере поддерживается за счет постоянного потока неисчерпаемой солнечной энергии и круговоротов химических элементов. При умеренном вмешательстве человека биосфера в состоянии поддерживать эти круговороты, но при его усилении круговороты нарушаются.
К настоящему времени при участии человека оказались серьёзно нарушены круговороты углерода и воды, а также серы. Уже проявляется действие парникового эффекта, на обширных территориях выпадают кислотные дожди. Большую опасность для биосферы представляет разрушение озонового слоя. Опасные масштабы приняло техногенное нарушение литосферы (при добыче полезных ископаемых, строительстве городов, дорог, гидротехнических сооружений и т. д.).
9.3. Какие функции выполняет живое вещество биосферы?
Составными частями биосферы являются:
1. ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО – совокупность всех живых существ биосферы. Оно характеризуется массой, химическим составом, геохимической энергией, многообразием, численностью и динамикой видов (растений, животных, микроорганизмов). Благодаря нему сохраняется стабильность биосферы, продолжается эволюция, как отдельных организмов, так и биосферы в целом.
2. БИОСКОСНОЕ ВЕЩЕСТВО. Живые организмы и неорганическая материя на Земле тесно связаны и образуют в совокупности сложные природные тела – биокосные системы. Это явление характерно для всей биосферы.
3. КОСНОЕ ВЕЩЕСТВО – вещество неорганического (минерального) происхождения.
К основным функциям живого вещества относятся:
1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ФУНКЦИЯ – поглощение и усвоение солнечной (при фотосинтезе) и химической энергии (путем разложения веществ и передаче энергии по пищевым цепям).
2. КОНЦЕНТРАЦИОННАЯ ФУНКЦИЯ. Избирательное накопление в ходе жизнедеятельности определенных видов вещества. Выделяют два типа концентрирования химических элементов живым веществом: массовое повышение концентраций элементов в среде, насыщенной этим элементом (например, серы и железа много в живом веществе в районах вулканизма) и специфическое концентрирование того или иного элемента вне зависимости от среды.
3. ДЕСТРУКТИВНАЯ ФУНКЦИЯ заключается в минерализации необиогенного органического вещества (разложении до более простых соединений), разложении неживого неорганического вещества, вовлечении образовавшихся веществ в биологический круговорот.
4. СРЕДООБРАЗУЮЩАЯ ФУНКЦИЯ. Преобразование физико-химических параметров окружающей среды (главным образом за счет абиогенного вещества).
5. ТРАНСПОРТНАЯ ФУНКЦИЯ. Перенос вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении.
Эволюция биосферы Земли сопровождается:
· нарастанием биоразнообразия;
· увеличением биомассы в течение геологического периода;
· усложнением экосистем и возрастанием «суммы жизни».
В.И. Вернадский выдвинул три биогеохимических принципа:
1. Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению.
2. Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов.
3. Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с космической средой, его окружающей, и создается и поддерживается на нашей планете энергией Солнца.
9.4. Каким образом протекает биологическая трансформация среды в биосфере? Какова роль человека в этих процессах?
Биологическая трансформация среды – изменение абиотических условий под влиянием жизнедеятельности организмов. В.И. Вернадский рассматривал жизнь как геологический фактор, который создал биосферу. Благодаря живым организмам в атмосфере появился кислород (п.п. 7.3, 7.4), сформировались почвы, образовались толщи осадочных пород на дне океанов. В результате биологической трансформации среды создаются запасы детрита – отмерших органических остатков (в виде торфа и сапропеля).
Человек содействует тем формам биологической трансформации среды, которые уменьшают отрицательное влияние его хозяйственной деятельности на биосферу. Изучение процессов биологической трансформации среды и управление ими – необходимый элемент построения общества устойчивого развития. Наиболее важными вариантами биологической трансформации среды, которые может усиливать или ослаблять человек, являются:
1. Очистка воды от химических загрязнений растениями-фильтраторами. Например, эффективно очищают воду прибрежно-водные сообщества тростника, камыша, рогоза, топяного хвоща и других растений-амфибий.
2. Поддержание растениями газового состава атмосферы за счёт фотосинтеза (продукция кислорода и усвоение углекислого газа), очистка её от загрязнений. Благотворное влияние на атмосферу оказывают леса. «Лёгкими планеты» в северном полушарии являются леса России, в южном – тропические леса бассейна Амазонки.
3. Влияние растений на гидрологический режим и качество вод наземных экосистем. Главную роль в этом типе биологической трансформации среды также играют леса. В стабилизации водного режима также участвуют болота.
4. Восстановление организмами баланса гумуса (органических питательных компонентов) в почвах.
9.5. С чем связаны основные экологические проблемы гидросферы?
Вода играет исключительную роль в функционировании биосферы (п.п. 5.7, 9.4). Общий единовременный запас водных ресурсов составляет приблизительно 1,39 млрд. км3, из них около 1,34 млрд. км3 приходится на воды Мирового океана. Лишь менее 3% относится к пресным водам, а доступны для использования только 0,3%.
Наибольшую опасность представляет проблема ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГИДРОСФЕРЫ и НЕДОСТАТКА ПРЕСНОЙ ВОДЫ. Теоретически водные ресурсы неисчерпаемы, т.к. при рациональном использовании они непрерывно возобновляются в процессе влагооборота. Но потребление воды растет такими темпами, что во многих странах ощущается недостаток водных ресурсов.
Большую опасность вызывает загрязнение природных вод, вызванное сбросом в них сточных вод. Под загрязнением водных ресурсов понимают любые изменения физических, химических и биологических свойств воды в связи с антропогенным воздействием, что делает воду опасной для использования, наносит ущерб хозяйству, здоровью и безопасности населения.
Загрязнители, попадая в естественные водоёмы, при разбавлении выводят из оборота большие объёмы воды, наносят ущерб биоресурсам, подрывают способность водных экосистем к самовосстановлению.
9.6. Как соотносятся различные уровни организации материи в экологических системах?
Экологические системы имеют довольно сложную иерархическую структуру, включающую в себя компоненты как неживой, так и живой природы (Рис. 17). К ключевым понятиям относятся:
БИОТОП (греч. topos – «место») – однородное по абиотическим факторам местообитание, занятое одним и тем же сообществом (на суше – биогеоценозом). В биотопе абиотические факторы среды преобразованы влиянием организмов (из материнской породы сформирована почва, изменен режим освещения, температуры, потребление ресурсов ограничено конкуренцией с организмами со сходным типом питания и т. д.). Примерами биотопов могут служить: склон оврага, городской лесопарк, небольшое озеро.
БИОЦЕНОЗ (греч. koinos – «общий») – совокупность организмов (растений, животных и микроорганизмов), населяющих один биотоп т.е. участок земной поверхности с однотипными условиями среды.
БИОГЕОЦЕНОЗ – сложившаяся в процессе эволюции, пространственно относительно ограниченная, внутренне однородная природная система функционально связанных живых организмов и окружающей их абиотической среды, характеризующаяся определенным энергетическим состоянием, типом и скоростью обмена веществом и информацией.
| БИОГЕОЦЕНОЗ | { | Атмосфера å æ | ||
| Гидросфера | ß БИОТОП à | Почва | ||
| ↕ ↕ ↕ | ||||
| Растительность | ß БИОЦЕНОЗ à | Животные | ||
| æ | å | |||
| Микроорганизмы |
Рис. 17. Иерархия экологических систем
9.7. В чём состоит сущность закона экологической пирамиды?
Биологическая продукция – способность организмов производить органическое вещество в процессе своей жизнедеятельности. Закон экологической пирамиды можно рассматривать как частный случай второго закона термодинамики (п. 4.9). В пищевых цепях при переходе на каждый более высокий трофический уровень передается НЕ БОЛЕЕ 10% ЭНЕРГИИ.
В структуре любой пищевой цепи выделяют несколько уровней (Рис. 18).
ПРОДУЦЕНТЫ – организмы (в основном зеленые растения), использующие световую энергию для синтеза органических веществ из неорганических. Продуценты в трофической цепи занимают ПЕРВЫЙ ТРОФИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ. Все организмы, входящие в трофическую цепь, снабжаются веществом и энергией, которые запасены продуцентами.
Рис. 18. Пример структуры пищевой цепи [9]
КОНСУМЕНТЫ – организмы, получающие энергию и биогенные (органические) вещества, питаясь другими организмами или продуктами их жизнедеятельности. Их подразделяют на консументы 1-го порядка – растительноядные животные, консументы 2-го порядка – плотоядные животные (хищники), питающиеся консументами первого порядка, консументы 3-го порядка – хищники, питающиеся хищниками и т.д. Число порядков консументов в экосистеме ограничено правилом 10%, обычно оно не превышает трёх-четырёх.
Также широко используются понятия:
АВТОТРОФЫ – организмы, синтезирующие из неорганических веществ (главным образом воды, углекислого газа, неорганических соединений азота) все необходимые для жизни органические вещества, используя энергию фотосинтеза (зелёные растения) или хемосинтеза (некоторые бактерии). Автотрофы – основные продуценты органического вещества в биосфере, обеспечивают существование всех других организмов.
ГЕТЕРОТРОФЫ – организмы, питающиеся готовыми органическими веществами.
9.8. Какие существуют типы загрязнения окружающей среды?В чём состоит различие между ингредиентным, параметрическим, биоценотическим, социально-деструктивным и эстетическим загрязнением?
Всего выделяют пять типов загрязнения окружающей среды:
1. ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ загрязнение – различные виды неблагоприятных физических воздействий (электромагнитного, радиационного, шумового, вибрационного, теплового и т.д.). Параметрическое загрязнение может быть выражено в единицах соответствующих физических величин.
2. ИНГРЕДИЕНТНОЕ (главным образом, химическое) – загрязнение разнообразными веществами различной природы в избыточных концентрациях. Оно подразделяется на минеральное и органическое загрязнение. Сюда относятся выбросы предприятий и транспорта, аварийные сбросы, бытовые отходы, ядохимикаты, удобрения и т.д.
3. БИОЦЕНОТИЧЕСКОЕ загрязнение – нарушение баланса компонентов живой природы в экосистемах. Сюда относятся комплексный фактор беспокойства, нерегулируемый отстрел и отлов, браконьерство, случайная и направленная акклиматизация видов, нарушение популяционного баланса.
4. СОЦИАЛЬНО-ДЕСТРУКТИВНОЕ загрязнение связано с преобразованием среды обитания человека вследствие хозяйственной деятельности. Примерами такого воздействия являются вырубка зелёных насаждений, почвенная эрозия, осушение земель, вмешательство в циркуляцию водных потоков, карьерные разработки, дорожное строительство, урбанизация (процесс расширения и укрупнения городов).
5. ЭСТЕТИЧЕСКОЕ (визуальное) загрязнение – последствия архитектурной и строительной деятельности. Сюда относятся однообразная архитектура, возведение немасштабных и невыразительных объектов, не гармонирующих с окружающим ландшафтом, вызывающих визуальное напряжение и раздражение (бизнес-центры, высотные дома, транспортные и промышленные объекты и т.д.).
9.9. В последнее время часто говорят о том, что человечество переживает экологический кризис. Но сегодняшний кризис не является первым в истории. С какими экологическими кризисами успело столкнуться человечество?
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КРИЗИС – кризис взаимоотношений общества и природы, сохранения баланса окружающей среды. К нынешней непростой ситуации, когда многие природные процессы из-за антропогенного воздействия приобрели необратимый характер, привело недостаточное осознание последствий технического прогресса. Нынешнему экологическому кризису в истории человечества предшествовали другие.
ПЕРВЫЙ КРИЗИС соответствует середине послеледникового периода (около 50 тыс. лет назад). Это был кризис собирательства и примитивной охоты. Люди вышли из него, овладев огнем и технологией загонной охоты.
ВТОРОЙ КРИЗИС возник позже (около 10 тыс. лет назад), когда была истреблена мамонтовая фауна. В результате резко сократились пищевые ресурсы, а это в свою очередь привело к массовому вымиранию человеческой популяции. По различным оценкам, население сократилось тогда в 8-10 раз. Это был экологический кризис, переросший в социально-экологическую катастрофу. Выход из него был найден в переходе человека к оседлому образу жизни, к земледелию и животноводству.
ТРЕТИЙ КРИЗИС предшествовал зарождению поливного земледелия. Он не носил глобального характера и закончился распространением богарного земледелия.
ЧЕТВЕРТЫЙ КРИЗИС был вызван массовым уничтожением лесов на дрова и под сельскохозяйственные угодья. Этот кризис завершился промышленной революцией и переходом на ископаемое топливо (уголь, впоследствии – нефть и газ).
Нынешний, ПЯТЫЙ КРИЗИС – самый глубокий. Он начался в середине ХХ века и был обусловлен индустриализацией, экстенсивным развитием промышленности, энергетики, транспорта и сельского хозяйства – прежде всего, в развитых странах. В результате хозяйственной деятельности человечества урон, наносимый биосфере в 10 раз, превосходит ее возможности по самовосстановлению.
Источник: studopedia.org