«Биосфера» как понятие, отражающее область распространения живых организмов, впервые ввел в своих работах французский натуралист Ж.-Б. Ламарк (1802) [2]. 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. Однако в то время быстрое расслоение наук о природе привело к тому, что термин не прижился. Только спустя более 70 лет, в 1875 австрийский геолог Э. Зюсс вновь упомянул этот термин. Первоначально под «биосферой» 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 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».


А третье и окончательное возрождение понятия стало возможным благодаря советскому геологу В.И. Вернадскому, создавшему в 20-х годах XX века современное учение о биосфере (1926). Должного внимания научному труду Вернадского сначала оказано не было, но после Второй Мировой Войны последствия радиоактивного и химического загрязнения воздуха, воды и почв заставило ученых вернуться к исследованиям Вернадского.

 

Учение Вернадского

 

Согласно воззрениям Вернадского весь облик Земли, все ее ландшафты, атмосфера, химический состав вод, толща осадочных пород обязаны своим происхождением живому веществу [10]. Жизнь – это связующее звено между Космосом и Землей, которое используя энергию, приходящую из космоса, трансформирует косное вещество, создает новые формы материального мира. Так, живые организмы создали почву, наполнили атмосферу кислородом, оставили после себя километровые толщи осадочных пород и топливные богатства недр, многократно пропустили через себя весь объем Мирового океана. Вернадский не занимался проблемой возникновения жизни, он понимал ее как естественный этап самоорганизации материи в любой части космоса, приводящий к возникновению все новых форм ее существования.


В структуре биосферы Вернадский выделял семь видов вещества:

1. Живое.

2. Биогенное (возникшее из живого или подвергшееся переработке).

3. Косное (абиотическое, образованное вне жизни).

4. Биокосное (возникшее на стыке живого и неживого; к биокосному, по Вернадскому, относится почва).

5. Вещество в стадии радиоактивного распада.

6. Рассеянные атомы.

7. Вещество космического происхождения.

Вернадский был сторонником гипотезы панспермии [10] (занесения жизни на Землю из космоса). Методы и подходы кристаллографии Вернадский распространял на вещество живых организмов. Он считал, что живое вещество развивается в реальном пространстве, которое обладает определённой структурой, симметрией и дисимметрией. Строение вещества соответствует некоему пространству, а их разнообразие свидетельствует о разнообразии пространств. Таким образом, живое и косное не могут иметь общее происхождение, они происходят из разных пространств, извечно находящихся рядом в Космосе. Некоторое время Вернадский связывал особенности пространства живого вещества с его предполагаемым неевклидовым характером, но по неясным причинам отказался от этой трактовки и стал объяснять пространство живого как единство пространства-времени.

Важным этапом необратимой эволюции биосферы Вернадский считал её переход в стадию ноосферы[1].


 

3.Биосфера как глобальная экосистема

 


Понятие «экосистема»

 

Экосистема – система, состоящая из сообщества живых организмов (биоценоз), среды их обитания (биотоп), системы связей, осуществляющей обмен веществом и энергией между ними [2].

Отличительной чертой экосистемы является наличие относительно замкнутых, стабильных в пространстве и времени потоков вещества и энергии между биотической и абиотической частями экосистемы [6], поэтому не каждая система взаимоотношений, естественная или искусственная, может называться экосистемой.

 

Классификация экосистем

 

Так как экосистемы являются сложными системами, то их классифицируют по нескольким признакам.

По размеру выделяют:

Микроэкосистемы. Экосистемы самого нижнего ранга, по размеру сходные с небольшими компонентами среды: небольшой водоем, гниющий ствол упавшего дерева и т.п.

Мезоэкосистемы. Примерами могут служить лес, река и т.п.

Макроэкосистемы. Имеют очень большое распространение (в пределах морей, океанов, материков), например, горы Анды, материк Австралия.

Глобальную экосистему, которая является аналогом биосферы.

Стабильность экосистем увеличивается вместе с широтой охвата территории.

iv>

По степени антропогенного воздействия экосистемы подразделяют на три вида:

Природные (или естественные) – экосистемы не нарушенные влиянием человека. Например, отдаленные от человеческих поселений джунгли в Амазонии, заповедники, океанические впадины.

Социоприродные – естественные системы, измененные человеком (парк, водохранилище)

Антропогенные – системы, созданные человеком для извлечения выгоды. Делятся на техногенные и агроэкосистемы.

Также экосистемы можно классифицировать по многим другим признакам: структуре (наземные, пресноводные, морские, прибрежные и т.д.); источникам энергии (основной источник – Солнце, но присутствуют также другие субсидирующие источники) [14].

Так как биомы (макроэкосистемы) распределены согласно консорциям[2] [6], экосистемы принято классифицировать по типу преобладающего фитоценоза:

Наземные биомы

Вечнозеленый тропический дождевой лес.

Полувечнозеленый тропический лес.

Пустыня: травянистая и кустарниковая.

Чапараль – районы с дождливой зимой и засушливым летом.

Тропические степи и саванна.

Степь умеренной зоны.

Листопадный лес умеренной зоны.

Бореальные хвойные леса.

Тундра: арктическая и альпийская.

Водные экосистемы классифицируются по отличительным признакам: солености воды, особенностям водоема.

Источник: studopedia.ru

Учение В.И. Вернадского о биосфере


В.И. Вернадский – общепризнанный разработчик учение о биосфере. Он ввел понятие «живого вещества», как формирующего фактора биологической геосферы.

Учение В.И. Вернадского о биосфере

  • Ученый выдвинул теорию о том, что границы биосферы обусловлены пространством существования живых организмов. В трудах В.И. Вернадского говорится о взаимосвязи живых организмов с неживой средой. Одним их этапов эволюции биосферы Вернадский считал её преобразование в стадию ноосферы, он доказал, что организмы являются определяющими в жизненной силе Земли. 
  • Организмы и продукты их жизнедеятельности разрушали горные породы, способствовали вымыванию одних веществ и накоплению других.
  • Постоянное образование живого вещества с дальнейшей его трансформацией — функция биосферы.

Функции живого вещества по учению Вернадского:

В.И. Вернадский смог выделить несколько основных функций биосферы. А именно:

>
Функции Содержание
Газовая функция В результате фотосинтеза растения выделяют кислород. Данная функция осуществляется также благодаря животным, выделяющим углекислый газ в окружающую среду. 
Концентрационная функция Осуществляется в организмах различных животных, которые имеют способность накапливать в своих телах определенные химические элементы, такие как углерод и кальций. 
Окислительно-восстановительная функция Основывается на превращении веществ и энергии в процессе жизнедеятельности. В результате химических реакций получаются соли, окислы и разнообразные органические и неорганические соединения. Именно благодаря этой функции образовываются железные и марганцовые руды. 
Функция образования среды Подразумевает трансформацию  физических и химических характеристик среды обитания организмов, включая атмосферу, грунт, моря и океаны.
Функция накопления кальция Преобразование химического элемента в углекислые, щавелевокислые, фосфорнокислые кальциевые соли.

Особенностью живого вещества является то, что компоненты, входящие в его состав проявляют устойчивость исключительно в живых организмах.

Структура биосферы

Согласно учению Вернадского биосфера являет собой организованную сферу планеты, которая находится в контакте с живыми организмами. 

В.И. Вернадский в составе биосферы выделял такие элементы:

Компоненты биосферы


  • Живым веществом ученый считал всю совокупность организмов, живущих на Земле. В своих трудах ученый подчеркивал, что геохимическое состояние земной коры находится под влиянием живых организмов, определяется их деятельностью. Он выделял пять функций биологической сферы земли. По его учению, биосфера состоит из разнородных компонентов, важнейшим из которых есть живое вещество.
  • К косному веществу ученый причислял химические соединения, в образовании которых живые организмы не принимали участия.
  • Неживое биогенное вещество – это продукты жизнедеятельности организмов, которые разрушали горные породы, способствовали вымыванию одних веществ и накоплению других.
  • Биокосное вещество являет собой продукт совместной работы живой и неживой природы, например грунт, глинозем. 

В.И. Вернадский подчеркивал, что история возникновения и эволюция биосферы — это история возникновения жизни на Земле. Длительное время эта концепция биосферы В. И. Вернадского замалчивалась. 

Живое вещество, его функции

В основе концепции глобальной экосистемы заложено понимание термина «живое вещество». Большую часть живого вещества составляет земная растительность (около 90%). Данное вещество является самым мощным энергетическим, а также геохимическим фактором, его можно смело назвать основным фактором развития биосферы. 


Как известно, источником биохимической активности живых организмов является солнечная энергия, без которой не сможет произойти такой важный процесс как фотосинтез. 

С самого своего появления жизнь не стоит на месте, а постоянно развивается. Тем самым, влияя на окружающую среду и, в определенной мере, изменяя ее. 

Исходя из этого, можно с полной уверенностью сказать, что эволюционный процесс экосистемы и всей органической жизни проходит параллельно. 

Жизнь на нашей планете появилась около четырех миллиардов лет назад, с этого самого момента на Земле и сформировалась биосфера. Огромный вклад в образование биосферы внесли цианобактерии. Они первыми освоили кислородный фотосинтез. Других претендентов на производство атмосферы не существовало в мире прокариотов.

Живая оболочка Земли  — это не только сфера, в которой находится все живое, но и совместный результат деятельности организмов. Вещество и биосфера неразделимы. Биосферный уровень включает в себя все живое вещество планеты. 

Биосфера - живая оболочка земли

Геологический круговорот веществ происходит в течение многих тысяч и миллионов лет. В процессе круговорота образуется живое вещество из неорганических соединений, впоследствии органика распадается на неорганические компоненты.


Важнейшим результатом биогеохимических преобразований органического вещества можно считать кислородную революцию. Огромный вклад в это биогеохимическое изменение внесли древнейшие организмы — цианобактерии. Именно они явились родоначальниками фотосинтеза, в результате которого выделялся кислород, изменивший до неузнаваемости облик нашей планеты. 

Особенности распределения биомассы на Земле 

Состав и распределение биосферы – один из интереснейших вопросов в биологии. 

Биосфера включает в себя огромное количество растений, животных и других форм жизни нашей планеты. Термин «ноосфера», предложенный Вернадским в начале 20-го столетия, получил широкое распространение. 

Биогенные вещества — созданные в процессе жизнедеятельности организмов соединения, например, природный газ, нефть, известняк.

  • Изучение биомассы крайне важно для понимания климатических сдвигов, путей передачи и трансформации углерода и других элементов.
  • Разнообразие живых и неживых организмов, взаимодействующих между собой, обменивающихся веществами, называется экосистемой. Приспособленность видов к условиям существования происходит непрерывно.
  • Биосфера имеет четкую структурную организацию и является глобальной экосистемой планеты. В.И. Вернадский создал учение о роли живых организмов, о воздействии живого на преобразование земной коры. Состав биосферы и свойства зависят от взаимодействия её биотического и абиотического компонентов. 

  • Основной объем массы живой материи приходится на растительный мир, он составляет 80% от биомассы планеты. На втором месте, после растений, идут бактерии. Ученые, с использованием углеродного метода, определили, что все живые организмы содержат суммарно 550 миллиардов тонн углерода. 
  • Биомасса суши составляет почти 99,9%. Это объясняется большой массой продуцентов на поверхности Земли.
  • Наибольшая плотность жизни отмечается в тех зонах, где виды специфически приспособились к совместному существованию.
  • К структурообразующим факторам биосферы относят свет, как условия формирования и усовершенствования жизни. Под воздействием микроорганизмов, растений и животных сформировался почвенный слой. 
  • В почве обитает больше редуцентов. К ним относятся бактерии и грибы, которые разлагают останки живых существ до неорганических веществ. В почве происходит особый газообмен. Ночью, при охлаждении и сжатии газов, в неё проникает некоторое количество воздуха, его поглощают и перерабатывают почвенные организмы. 
  • Почвенные микроорганизмы играют важную роль в круговороте веществ, в почвообразовании и формировании плодородного слоя. Большая биомасса почвы, в сочетании с высоким видовым разнообразием, обеспечивает сложность экосистем.
  • Почвенные организмы включают в круговорот веществ биосферы важнейшие химические соединения.
  • В морской биомассе содержится больше консументов, чем продуцентов. В состав океанической и морской воды входят минеральные соли. Микроорганизмы, живущие в океанических термальных источниках, являются хемотрофами, основными продуцентами океанического дна.
  • Несмотря на многообразие водных обитателей, их можно поделить на 3 группы, с учетом мест обитания в воде. Между каждой группой организмов существуют тесные связи, они обмениваются веществом и энергией. В современном мире воздействие человека на биомассу океана огромно.
  • Бентосные организмы в океане живут на дне и в грунте. Фитобентос: зеленые, бурые, красные водоросли встречаются на глубине до 200 м. Зообентос представлен животными.
  • Воздушная среда характеризуется значительным количеством кислорода, солнечной энергии, но в ней, зачастую, не хватает влаги. Поэтому, обитатели засушливых мест имеют специальные приспособления для добычи, запасания и экономной траты драгоценной влаги. Разнообразие этой среды представлено разнообразием жизни в ней.
  • Каждому наземному биогеоценозу присущи свои черты. Так, в экваториальных биоценозах сильно развита конкуренция за обладание местом обитания, пищей, светом и кислородом.

В современном мире огромное влияние на биомассу оказывает человек. Сокращаются площади, производящие живую массу.

Источник: bingoschool.ru

История понятия

Впервые понятие биосферы предложил ученый Ж. Б. Ламарк еще в начале XIX в., хотя термин как таковой еще не был обозначен в его современном виде — он появился лишь в 1875 г. Предложил такое название австрийский палеонтолог и геолог Э. Зюсс. Более обширное учение о биосфере разработал уже в XX в. биогеохимик В. И. Вернадский. Согласно его концепции, живые организмы играют главнейшую роль в преобразовании планеты Земля.

Рис. 1. Биосфера

Распространение

  • Литосфера – это окружающий слой Земли, состоящий из твердых тел, таких как почва и камни. Его толщина составляет от 80 до 100 километров. Граница биосферы определяется в основном температурой распада белков — главной составляющей всех живых организмов. Это происходит на глубине от 3,5 до 7,5 м.
  • Атмосфера окружает планету тонким слоем газа. В этом слое выделяют верхнюю границу биосферы на высоте в 15-20 км, то есть там, где существует озоновый слой, нейтрализующий пагубное воздействие ультрафиолетовых лучей из космоса.
  • Гидросфера – это жидкие среды, такие как озера и океаны, которые находятся между литосферой и атмосферой. Граница в этом слое находится на уровне 10-11 км, что соответствует дну Мирового океана.

Важно! Всего на сегодняшний день в биосфере существует свыше 3 млн различных видов живых организмов, включая человека. И каждый год научные деятели обнаруживают еще несколько тысяч новых видов среди рыб, растений, животных и т.д.

Состав

Биосфера включает такие элементы, как:

  • живое существо — это все разновидности организмов;
  • биогенное вещество — это все то, что образуется в результате деятельности живых организмов (яркий пример — минеральные залежи полезных ископаемых);
  • косное вещество — его образование происходит без непосредственного воздействия живых организмов и их участия;
  • биокосное вещество — это то, что формируется при воздействии и живых организмов, и неживых сред, за счет чего происходит динамичное равновесие (например, ил, почва);
  • вещества, которые находятся в радиоактивном распаде.

Также сюда относятся рассеянные атомы, формированию которых способствует космическое излучение и какой-то элемент биосферы, а также вещества космического происхождения.

Требования к жизни

Для жизни организмов должны существовать определенные условия окружающей среды (например, правильная температура и влажность), а организмы должны снабжаться энергией и питательными веществами (пищей). Все животные и минеральные вещества, необходимые для жизни, содержатся в биосфере Земли. Питательные вещества, содержащиеся в мертвых организмах или продуктах жизнедеятельности клеток, превращаются обратно в соединения, которые другие организмы могут повторно использовать в качестве пищи. Термины, которые следует знать, рассматривая биосферу:

  • Разложение – распад сложных молекул, из которых состоят мертвые организмы, на простые питательные вещества, которые могут быть повторно использованы живыми организмами.
  • Энергия – энергия, которая может быть использована для выполнения работы и жизнедеятельности, например, солнечная энергия.
  • Глобальное потепление – потепление атмосферы в результате увеличения концентрации газов, которые накапливают тепло, например, таких как углекислый газ.
  • Питательное вещество – молекулы, которые организмы получают из окружающей среды. Они используются для роста, энергии и различных других клеточных процессов.
  • Цикл питания – цикл перехода биологически важных элементов из одной молекулярной формы в другую и обратно в исходную форму.
  • Фотосинтез – процесс, при котором растения собирают световую энергию солнца и используют ее для преобразования углекислого газа и воды в кислород и органические молекулы, необходимые для жизнедеятельности организмов в биосфере.
  • Дыхание – химическая реакция между органическими молекулами и кислородом, при которой производится углекислый газ, вода и энергия.

Важно! Энергия необходима для функций, которые выполняют организмы, таких как рост, движение, удаление отходов и размножение. Это единственное требование к жизни – энергия, полученная от Солнца. Растения и некоторые микроорганизмы являются единственными организмами, которые сами могут производить пищу. Другие организмы, в том числе люди, в своих энергетических потребностях полагаются на растения.

Основными элементами или химическими строительными блоками, составляющими все живые организмы, являются углерод, кислород, азот, фосфор и сера. Организмы способны усваивать эти элементы только в том случае, если они содержатся в полезных химических формах в качестве питательных веществ. В процессе, называемом круговоротом питательных веществ, элементы преобразуются из одной химической формы в другую, а затем обратно в первоначальную форму. Например, двуокись углерода извлекается растениями из воздуха и добавляется в органические соединения (такие как углеводы) путем фотосинтеза. Углекислый газ возвращается в атмосферу, когда растения и животные разрушают органические молекулы (процесс, известный как дыхание) и когда микроорганизмы разрушают отходы и ткани от мертвых организмов (процесс, известный как разложение).

Рис. 2. Геосфера Земли

Эволюция биосферы

За долгую историю Земли формы жизни резко изменили химический состав биосферы. В то же время химический состав биосферы повлиял на то, какие формы жизни населяют Землю. В прошлом скорость превращения питательных веществ из одной химической формы в другую не всегда равнялась их преобразованию обратно в первоначальную форму. Это привело к изменению относительных концентраций химических веществ в биосфере, таких как диоксид углерода и кислород. Снижение содержания углекислого газа и увеличение содержания кислорода в атмосфере обусловлено фотосинтезом, происходящим с большей скоростью, чем дыхание. Углерод, который присутствовал в атмосфере в виде диоксида углерода, теперь находится в залежах ископаемого топлива и известняковой скале.

Важно! Ученые считают, что увеличение концентрации кислорода в атмосфере повлияло на эволюцию жизни. Многоклеточные организмы, подобные человеку, смогли эволюционировать только тогда, когда кислород достиг высоких концентраций, таких как существующие на Земле сегодня. Чтобы приспособиться к высоким показателям дыхания, нам нужны высокие концентрации кислорода, и мы не смогли бы выжить, если бы биосфера не была изменена организмами, которые были до нас.

Текущие разработки в области биосферы

Большая часть исследований в области биосферы заключается в определении воздействия деятельности человека на окружающую среду, особенно на круговорот питательных веществ. Например:

  • Применение удобрений увеличивает количество азота, фосфора и других питательных веществ, которые организмы могут использовать для роста.
  • Избыток питательных веществ наносит вред водоемам, вызывая чрезмерный рост водорослей и гибель рыб.
  • Сжигание топлива и “очистка” земли повышают уровень углекислого газа в атмосфере и могут вызвать глобальное потепление (постепенное повышение температуры Земли), благодаря способности углекислого газа удерживать тепло.

Биосфера 2

Интерес к долгосрочному контролируемому исследованию космоса вызвал разработки в области искусственных биосфер. Долгосрочные полеты в космос требуют, чтобы питательные вещества циклически воспроизводились в объеме, не превышающем необходимый уровень. Эксперимент, которому в начале 1990-х годов уделялось огромное внимание, позволил понять, как трудно управлять такими маленькими искусственными биосферами. Идея проекта заключалась в том, чтобы создать планету в миниатюре, где ее обитатели могли бы не только выжить, но и научиться жить и развиваться вместе. Биосфера-2 – одно из самых впечатляющих сооружений современности. Построено в пустыне Сонора у подножия гор Санта-Каталина недалеко от Тусона, штат Аризона. Это самая большая в мире теплица, изготовленная из стали и стекла, площадью в 12 766 квадратных метров, высотой — 26 м над уровнем пустыни. Внутри нее создана среда обитания людей – ферма, где можно работать, чтобы обеспечить себя едой.

Рис. 3. Эволюция биосферы
Биосфера-2 полностью герметична, поэтому ни воздух, ни влага не могут попасть внутрь или наружу. Рядом находятся две похожие на воздушные шары постройки, своеобразные и легкие, поддерживающие давление внутри. 26 сентября 1991 года 4 человека из трех разных стран стали участниками программы Биосфера-2. Ее двери были закрыты для двухлетней программы выживания и экспериментов. В это время “жители” пытались управлять фермой и выращивать свою еду в компании с несколькими свиньями, козами и цыплятами. Ученые наблюдали за взаимодействиями растений, животных и людей, их реакциями на изменения и их уникальными методами жизни. Ученым также было поручено экспериментировать с новыми методами очистки воздуха и воды. 26 сентября 1993 года участники эксперимента вышли из Биосферы-2. Это был самый длинный зарегистрированный период, когда люди жили в “изолированной замкнутой среде”. К сожалению, эксперимент не оправдал ожиданий. Причины провала в следующем:

  • Необычно облачный год в пустыне Аризоны, который задерживал рост продовольственных культур.
  • Быстрый некотролируемый рост и размножение некоторых видов муравьев, тараканов, различных видов бактерий и других насекомых, микроорганизмов. А так как применение ядохимикатов не было предусмотрено, это стало серьезной проблемой для жизни и ведения хозяйства людьми.
  • Отсутствие ветра сказалось на состоянии растений — они вырастали ломкими и хрупкими, быстро ломались и не давали того количества плодов, на которое рассчитывали люди внутри колбы.
  • Обилие популяции насекомых привело к избыточному потреблению образуемого кислорода. Из-за этого уровень его упал до 15% при норме в 21%. Жители Биосферы-2 стали быстро терять вес, задыхаться. В итоге ученым пришлось осуществлять поставку продовольствия и воздуха. А так как это не было предусмотрено, и было скрыто в ходе эксперимента, но потом факты открылись, эксперимент ожидало полное фиаско.
  • Необычное поведение пчел, введенными в заблуждение стеклянными стенами сооружения.
  • Внутри колбы каждое утро шел искусственный дождь из накапливавшегося под крышкой  конденсата.

В 1996 году Колумбийский университет взял на себя управление объектом, открыв в том же году центр для посетителей. Биосфера-2 была сохранена для изучения, но без людей. Ее будущее остается неопределенным.

Гипотеза Геи

Гипотеза Геи, названная в честь греческой богини Земли Геи, рассматривает Землю как целостный, живой организм, а не просто как физический объект в космосе. Основоположником ее стал Джеймс Геттон, высказавший свое видение Земли как живого сверхорганизма на лекции еще в XVIII в. Чуть позже, в XX в., теория Геи была сформулирована химиком Джеймсом Лавлоком и американским биологом Линн Маргулис. Подтверждение концепции было основано на открытии в 2008 г. Брентом Крайстнером. Его смысл заключался в том, что бактерии, обеспечивающие жизнедеятельность организмов на Земле, перемещаются в облаках на очень далекие расстояния и могут быть причиной осадков на территориях даже с очень высокими температурами. Последователи этой концепции предполагают, что все организмы и их среды (составляющие биосферу) работают вместе, чтобы обеспечивать физические и химические условия на Земле, которые способствуют и поддерживают жизнь. Согласно гипотезе, организмы взаимодействуют с окружающей средой как гомеостатический (уравновешивающий) механизм регулирования таких условий, как концентрация кислорода и углекислого газа в атмосфере. Система помогает поддерживать условия в удовлетворительном для жизни диапазоне. В научном сообществе мало кто поддерживает идею о том, что Земля является интегрированной системой, способной регулировать условия для самостоятельного поддержания жизни. Однако гипотеза Геи является весьма полезной концепцией, поскольку она подчеркивает связь между организмами и окружающей средой, а также влияние, которое оказывает на них деятельность человека. Таким образом, биосфера — это огромный пласт планеты Земля, который распространяется на несколько слоев ее основной структуры. Те изменения, которые мы видим на сегодняшний день в результате жизнедеятельности человека, дают основание предполагать, что в дальнейшем могут быть еще более динамичные сдвиги как в развитии элементов биосферы, так и в вымирании некоторых ее видов. Еще больше интересных фактов о биосфере узнайте из предложенного ниже видео.

Источник: nauka.club

Биосфера

Вернадский и биосфера. Впервые термин «биосфера» встречается в работах величайшего французского натуралиста и мыслителя Жана Батиста Ламарка (1744 – 1829), изучавшего ботанику, зоологию и геологию. В его научных трудах термин «биосфера» обозначал область жизни и влияния живых организмов на процессы, происходящие на Земле. Однако дифференциация наук о природе, происходившая быстрыми темпами в ХVIII в., привела к тому, что на долгие годы было забыто об исследованиях важных для наук о природе процессов взаимодействия сообществ живых организмов и косных (неживых) оболочек Земли. И только в 1875 г. австрийский геолог и палеонтолог Эдуард Зюсс (1831 – 1914) обратил внимание на место живого в строении и развитии земной коры и вновь после Ламарка ввел в науку термин «биосфера», рассуждая об оболочке Земли в своей книге о происхождении Альп. Затем снова на несколько десятилетий этот термин был предан забвению.

Новую (уже третью) жизнь термину «биосфера» дал выдающийся русский (советский) ученый – геолог В.И. Вернадский(1863 – 1945), создавший в 20-х годах ХХ века современное учение о биосфере. Возможно поэтому введение термина «биосфера» в научный обиход часто приписывается именно Вернадскому.

Изучая историю минералов и миграцию химических элементов в земной коре, В.И. Вернадский выявляет огромную роль живого вещества в геохимических процессах на нашей планете. Для изучения роли живого вещества в эволюции биосферы ему потребовались знания биологии, геологии, химии, на основе которых сформировалась новая наука – биогеохимия. Об исключительной роли живого вещества в биосфере В.И. Вернадский пишет в «Очерках геохимии», опубликованных в 1924 г. в Париже и в 1927 г. в Ленинграде. В 1926 г. выходит его книга «Биосфера», в которой представление биосферы как «тонкой пленки жизни», «живой оболочки» Земли оказалось очень своевременным, хотя и несколько опередившим время. учению В.И. Вернадский о биосфере сначала не было оказано должного внимания. Однако изучение последствий радиоактивного и химического загрязнения атмосферы, гидросферы и почв после второй мировой войны заставило ученых и политиков обратиться к учению Вернадского о биосфере, которое получило широкое распространение в западных странах, а затем и во всем мире.

В последние годы жизни Владимир Иванович Вернадский писал в дневнике: «Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. Перед ним, перед его мыслью и трудом становится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть ноосфера».



Понятие ноосферы (от греч. ноос – разум) также имеет свою историю. Считается, что оно было введено в ХIХ в. французским ученым Ле Руа и развито далее Тейяр де Шарденом (1881 – 1955). Они понимали под этим термином особую оболочку Земли, рассматриваемую в качестве некоего «мыслящего слоя» над биосферой, в который включается индустриальное общество с атрибутами цивилизации (языком, религией и пр.). Однако Вернадский рассматривал ноосферу как новое геологическое явление на Земле и человек в ней впервые становится мощной геологической силой. Как и все живое на Земле, он может мыслить и действовать только в области распространения жизни, т.е. в биосфере, с которой он неразрывно связан и из которой уйти не может. Вернадский считал, что на данном этапе эволюции биосферы человек будет вынужден не только исправить возникшие в результате его деятельности нарушения в состоянии природы, но и предотвращать подобные нарушения в будущем.

В настоящее время весьма ощутимые последствия научно-технического прогресса, поставившие под угрозу существование человечества на Земле, привели к необходимости предвидения последствий человеческой деятельности во всех странах с целью сохранения биосферы, т.е. жизни на Земле. Поэтому охрана биосферы должна быть заботой всего человечества, живущего на Земле, и как руководителей государств, так и отдельных людей. Для этого каждому надо знать строение биосферы, взаимосвязи происходящих в ней процессов и влияние деятельности человеческого общества на возникающие в биосфере изменения. Выдающийся ученый и мыслитель В.И. Вернадский был уверен, что знание процессов, происходящих в биосфере, и разумная организация жизни и всей деятельности человечества приведут к созданию ноосферы на нашей планете. Однако необходимо отметить, что, кроме представлений о неизбежности перехода биосферы в ноосферу, изложенных в учении В.И. Вернадского о биосфере, в научном мире существуют и другие взгляды на перспективы развития биосферы.

Общая характеристика биосферы. Биосфера (по В.И. Вернадскому) – оболочка Земли, включающая как область распространения живого вещества, так и само это вещество. Здесь под живым веществом понимается совокупность всех организмов, населяющих Землю. Понятие биосферы несколько условно, так как кроме естественных мест существования органической жизни, создаются и искусственные (космические корабли, подводные лодки) «островки жизни». Органическая жизнь сосредоточена в трех косных (неживых) географических оболочках – геосферах Земли (литосфера, гидросфера и атмосфера). К биосфере относится и человеческое сообщество с его производством.

Еще со времени Ламарка было известно, что процессы, происходящие в геосферах Земли, оказывают значительное воздействие на структуру и свойства живого вещества биосферы. Но и само живое вещество, как показал В.И. Вернадский, производит существенное преобразование геосфер. Причем с появлением человечества на Земле это преобразующее воздействие многократно возросло и по некоторым оценкам в настоящее время достигло критического уровня.

Общая совокупность живых организмов, выраженная в массе на единицу площади (суши, акватории, дна водоема) или объема (воды, почвы, осадков), принято называть биомассой. Следовательно, понятие «живое вещество» биосферы эквивалентно биомассе всей Земли. По современным оценкам сухая масса живого вещества биосферы, составляющая всего 2–3 трлн. т, в тысячу раз меньше массы тропосферы, в десять миллионов раз – массы земной коры и в миллиард раз – массы Земли. Именно ее «ничтожные» размеры длительное время мешали геологам понять исключительную роль жизни на Земле в геологических процессах, на что и обратил внимание В.И. Вернадский.

Распределение массы живого вещества (биомассы) в биосфере крайне неравномерно. На океан приходится лишь 3% суммарной биомассы Земли. Однако вследствие значительно более высокой интенсивности жизненных процессов в океане по сравнению с сушей океан ежегодно производит живое вещество, масса которого составляет более четверти от суммарной продукции биосферы Земли, оцениваемой величиной 230 млрд. т. Несмотря на удивительно малую величину ежегодно производимой на Земле биомассы, накопленное за миллионы лет в осадочных толщах земной коры захороненное органическое вещество и привело к образованию таких полезных ископаемых, как каменные угли, нефть, газ, фосфориты и др.

Фотосинтез и круговорот веществ – основные факторы существования биосферы. Фотосинтез является единственным на Земле процессом, в котором зелеными растениями из бедных энергией неорганических веществ (углекислого газа, воды, минеральных солей) с помощью солнечной энергии в огромных масштабах образуются сложные, богатые энергией органические соединения. Эти соединения, способные к разнообразным химическим превращениям, – основа жизни всех других организмов биосферы. Все виды живых существ, обитающие на Земле, используют в конечном счете одну и ту же форму энергии химических связей. Любое проявление жизни на нашей планете связано с образованием и потреблением этой биохимической энергии.

Источник энергии для фотосинтеза (солнечная радиация) и главный инструмент фотосинтеза (живой организм) преобразуют углекислый газ, воду и минеральные соли в биохимическую энергию. Фотосинтезирующие организмы, использующие солнечную энергию для образования органических веществ из неорганических соединений и углекислого газа и называемые автотрофами (самопитающиеся), преобразуют энергию солнечного света в биохимическую энергию, запасая ее в виде энергии химических связей в сложных органических молекулах. Другие организмы биосферы (большинство бактерий, грибы, животные), нуждающиеся для своего роста и развития в готовых органических соединениях, – гетеротрофы, т.е. питающиеся другими организмами.

Кроме фотосинтеза, другим важнейшим для существования жизни процессом в биосфере является круговорот веществ, осуществляемый благодаря наличию в биосфере автотрофов, создающих органические вещества из неорганических, и гетеротрофов, которые используют эти органические вещества и снова превращают их в неорганические соединения, пополняя запас последних в биосфере. Следовательно, фотосинтез и круговорот веществ – это два основных фактора существования биосферы Земли.

 

Основные этапы развития биосферы. Можно условно выделить следующие последовательные этапы эволюции биосферы: синтез простых органических соединений, биогенез, антропогенез, техногенез и ноогенез.

1) Синтез простых органических соединений (химическая эволюция) в геосферах Земли совершался под действием ультрафиолетовой радиации: метана, аммиака, водорода, паров воды. Начало этапа – 3,5–4,5 млрд. лет.

2) Биогенез – преобразование косного вещества геосферы земли в живое вещество биосферы (образование высокомолекулярных органических соединений из простых соединений под действием геофизических факторов). Начало этапа – 2,5–3,5 млрд. лет назад (появление живого вещества биосферы).

3) Антропогенез – появление человека и превращение его в социальное существо, формирование общественной организации человеческих сообществ в процессе производственной трудовой деятельности. Начало этапа – 1,5–3 млн. лет назад (появление человека).

4) Техногенез – преобразование природных комплексов биосферы в процессе производственной деятельности человека и формирование техногенных и природно–технических комплексов, т.е. техносферы как составной части биосферы. Начало этапа – 10–15 тыс. лет назад (появление городских поселений).

5) Ноогенез – процесс превращения биосферы в состояние разумно управляемой социально–природной системы (ноосферы). Ее можно характеризовать как состояние биосферы, при котором осуществляются: а) рациональное использование природы, т.е. рациональное природопользование; б) устойчивое развитие мирового человеческого сообщества.

Заметим, что важное воздействие на эволюцию биосферы оказал дрейф континентов, в результате которого эволюция разных групп организмов пошла различными путями. Согласно теории дрейфа континентов, выдвинутой Альфредом Вегенером в двадцатых годах ХХ века, современные континенты возникли из единого массива суши, получившего название Пангея и существовавшего на нашей планете еще в палеозое, как остров в Мировом океане. Примерно 200–250 млн. лет назад в конце палеозоя – начале мезозоя Пангея «раскололась» на два крупных массива суши, которые стали расходиться, дав возможность сформироваться новым океанам. Индия и континенты, находящиеся сейчас в Южном полушарии (Южная Америка, Африка, Антарктида, Австралия), составляли вместе единый материк Гондвана. Нынешняя Северная Америка, Европа и Азия образовали материк Лавразия.

В юрский период Гондвана и Лавразия отделились друг от друга. К тому времени эволюция динозавров достигла довольно высокой степени, хвойные леса существовали уже на протяжении миллионов лет, появились первые птицы и млекопитающие. Еще до того как началось разделение Гондваны на ныне существующие южные континенты и Индию, динозавры и хвойные леса заняли господствующее положение среди живых организмов. После разделения Гондваны эволюция видов на разных континентах пошла различными путями. Так, сумчатые млекопитающие достигли большого разнообразия в Австралии и Южной Америке, тогда как плацентарные млекопитающие заняли доминирующее положение на других континентах.

Приблизительно в это же время происходило разделение Лавразии, где уже существовали хищные, копытные грызуны, приматы и многие другие млекопитающие. Поэтому неудивительно, что североамериканские, азиатские и европейские виды млекопитающих связаны между собой более близким родством, чем с млекопитающими Австралии и Южной Америки. Нынешние континенты сформировались в основном в конце мезозоя, около 110 млн. лет назад, хотя Индия, перемещаясь к северу, соединилась с Азией только 20 – 30 млн. лет назад.

Источник: studopedia.su

Происхождение термина «биосфера»

Термин «биосфера» первым придумал геолог Эдуард Зюсс в 1875 году для обозначения пространства на поверхности Земли, где существует жизнь. Более полное определение понятия «биосфера» было предложено В. И. Вернадским. Он стал первым, кто отвел жизни главенствующую роль трансформирующей силы нашей планеты, беря во внимание жизнедеятельность организмов как в настоящем, так и прошлом. Геохимики раскрывают термин «биосфера» как общая сумма живых организмов («биомасса» или «биота», как называют биологи и экологи).

Границы биосферы

biosphere-illustration

Каждую часть планеты, от полярных льдов до экватора, населяют живые организмы. Последние достижения в области микробиологии показали, что микроорганизмы обитают глубоко под земной поверхностью и возможно их общая биомасса превышает биомассу всего животного и растительного мира на поверхности Земли.

В настоящее время фактические границы биосферы измерить невозможно. Как правило, большинство видов птицы летают на высотах 650 — 1800 метров, а рыбы были обнаружены на глубине — до 8372 метров в океаническом Жёлобе Пуэрто-Рико. Но также есть более экстремальные примеры жизни на планете. Африканский сип, или гриф Рюппеля был замечен на высоте более 11000 метров, горные гуси обычно мигрируют на высоте не менее 8300 метров, дикие яки обитают в горных районах Тибета на высоте около 3200 — 5400 метров над уровнем моря, а горные козлы живут на высотах до 3000 метров.

Микроскопические организмы способны жить в более экстремальных условиях и если брать их во внимания, то толщина биосферы намного больше, чем мы себе представляли. Некоторые микроорганизмы были обнаружены в верхних слоях атмосферы Земли на высоте 41 км. Вряд ли микробы являются активными на таких высотах, где температура и давление воздуха являются чрезвычайно незначительными, а ультрафиолетовое излучение очень интенсивным. Скорее всего, они были доставлены в верхние слои атмосферы ветрами или извержением вулканов. Также одноклеточные формы жизни были найдены в самой глубокой части Марианской впадины на глубине 11034 метров.

Несмотря на все вышеперечисленные примеры крайностей существования жизни, в общем слой биосферы Земли настолько тонкий, что его можно сравнить с кожурой яблока.

Структура биосферы

экосистема

Биосфера организована в иерархическую структуру, в которой отдельные организмы образуют популяции. Несколько взаимодействующих популяции составляют биоценоз. Общины живых организмов (биоценоз), проживающие в определенных физических средах обитания (биотоп), образует экосистему. Экосистема — это группа животных, растений и микроорганизмов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей их средой таким образом, чтобы обеспечить свое существование. Поэтому экосистема функциональная единица устойчивости жизни на Земле.

Происхождение биосферы

первая-жизнь

Биосфера существует уже около 3,5-3,7 миллиарда лет. Первыми формами жизни были прокариоты – одноклеточные живые организмы, которые могли жить без кислорода. Некоторые прокариоты разработали уникальный химический процесс, который известен нам как фотосинтез. Они были в состоянии использовать солнечный свет, чтобы делать простой сахар и кислород из воды и углекислого газа. Эти фотосинтезирующие микроорганизмы были настолько многочисленны, что они кардинально преобразили биосферу. В течение длительного периода времени, сформировалась атмосфера из смеси кислорода и других газов, которая могла поддерживать новую жизнь.

Добавление кислорода в биосферу позволило стремительно развиваться более сложные формам жизни. Появились миллионы различных растений, животные, которые употребляли в пищу растения и других животных. Бактерии эволюционировали, для того, чтобы разлагать мертвых животных и растения.

Благодаря этой пищевой цепи – биосфера сделала огромный скачок в своем развитии. Разложенные останки отмерших растений и животных высвобождали в почву и океан питательные вещества, которые повторно поглощались растениями. Такой обмен энергией позволил биосфере стать самоподдерживающей и саморегулирующейся системой.

Роль фотосинтеза в развитии жизни

фотосинтез

Биосфера является уникальной в своем роде. До сих пор не было никаких научных фактов, подтверждающих существования жизни в других местах Вселенной. Жизнь на Земле существует благодаря Солнцу. При воздействии энергии солнечного света осуществляется процесс под названием фотосинтез. В результате фотосинтеза растения, некоторыми виды бактерий и простейших под воздействием света перерабатывают двуокись углерода в кислород и органические соединения, такие как сахар. Подавляющее большинство видов животных, грибов, растений и бактерий непосредственно или косвенно зависят от фотосинтеза.

Факторы влияющие на биосферу

obliquity_ecliptic

Существуют множество факторов, влияющих на биосферу и нашу жизнь на Земле. Есть глобальные факторы такие, как расстояние между Землей и Солнцем. Если бы наша планета находилась ближе или дальше по отношению к Солнцу, то на Земле было слишком жарко или холодно для зарождения жизни. Угол наклона земной оси также важный фактор, влияющий на климат планеты. Времена года и сезонные климатические изменения являются прямыми результатами наклона Земли.

Локальные факторы также оказывают важное воздействие на биосферу. Если посмотреть на определённый участок Земли, можно увидеть, влияние климата, ежедневной погоды, эрозии и самой жизни. Эти мелкие факторы постоянно меняют пространство и живые организмы должна реагировать соответствующим образом, адаптируясь к изменению среды обитания. Несмотря на то, что люди могут контролировать большую часть своего ближайшего окружения, они по-прежнему уязвимы природным катаклизмам.

Наименьший из факторов, влияющих на облик биосферы – это изменения, происходящие на молекулярном уровне. Реакции окисления и восстановления способны менять состав горных пород и органических веществ. Существует также биологическое разрушение. Крошечные организмы, такие как бактерии и грибки, способны перерабатывать, как органические, так и неорганические материалы.

Биосферные заповедники

rio-platano-biosphere-forestreserve

Люди играют важную роль в поддержании энергообмена биосферы. К сожалению, наше воздействие на биосферу часто оказывается негативным. Например, уровень кислорода в атмосфере уменьшается, а уровень углекислого газа растет из-за того, что люди чрезмерно сжигают ископаемое топливо, а разливы нефти выбросы промышленных отходов в океан наносят огромный ущерб гидросфере. Будущее биосферы зависит от того, как люди будут взаимодействовать с другими живыми существами.

В начале 1970-х годов, Организация Объединенных Наций учредила проект под названием «Человек и биосфера» (MAB), который способствует устойчивому развитию сбалансированных взаимоотношений между человеком и природой. В настоящее время существует сотни биосферных резерватов по всему миру. Первый биосферный заповедник был создан в Янгамби, Демократическая Республика Конго. Янгамби расположен, в плодородном бассейне реки Конго и насчитывает около 32000 видов деревьев и животных, среди которых присутствуют такие эндемичные виды, как лесной слон и кистеухая свинья. Биосферный резерват Янгамби поддерживает такие важные мероприятия, как развитие рационального сельского хозяйства, охоты и добычи.

Внеземные биосферы

вселеная

До сих пор, биосфера не была обнаружена за пределами Земли. Поэтому существование внеземных биосфер остается гипотетическим. С одной стороны, многие ученые считают, что жизнь на других планетах маловероятна, а если где-то она существует, то скорей всего в форме микроорганизмов. С другой стороны аналогов Земли может быть очень много, даже в нашей галактике — Млечный Путь. Учитывая ограниченные возможности наших технологий, в настоящее время неизвестно, какой процент из этих планет способен иметь биосферу. Также нельзя исключить вариант, что искусственные биосферы будут созданы человеком в будущем, например, на Марсе.

Биосфера – это очень хрупкая система, в которой каждый живой организм является важным звеном в огромной цепи жизни. Мы должны осознать, что человек, как самое разумное существо на планете несет ответственность за сохранение чуда жизни на нашей планете.

Источник: NatWorld.info