1. Биосфера как глобальная экосистема
Биосфера – это совокупность частей земных оболочек (лито-, гидро- и атмосферы), которая заселена живыми организмами, находится под их воздействием и занята продуктами их жизнедеятельности. Биосфера – глобальная экосистема, которая охватывает всю гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы. Биосфера располагается на стыке литосферы, гидросферы и атмосферы. Она ограничена в атмосфере озоновым слоем (16-20 км), в гидросфере дном океанических впадин (10-11 км). В литосфере живое вещество проникает до 3 км в нефтяных месторождениях.
Термин в науку ввёл Эдуард Зюсс (1873г.). Учение о биосфере разработал Владимир Иванович Вернадский. По В.И. Вернадскому, вещество биосферы состоит из нескольких компонентов:
Живое вещество – совокупность всех живых организмов, населяющих нашу планету;
Косное вещество – совокупность всех неживых тел, образующихся в результате процессов, не связанных с деятельностью живых организмов (породы магматического, метаморфического происхождения, некоторые осадочные породы);
Биогенное вещество – совокупность неживых тел, образованных в результате жизнедеятельности живых организмов (некоторые осадочные породы: мел, известняк, а также нефть, каменный уголь, кислород атмосферы и др.);
Биокосное вещество – совокупность биокосных тел, представляющих собой результат совместной деятельности живых организмов и геологических процессов (почва, ил, кора выветривания, воды океана);
5) Радиоактивное вещество – атомы радиоактивных элементов (уран, торий, радий)
6) Рассеянные атомы – отдельные атомы элементов встречающиеся в природе в рассеянном состоянии
7) Вещество космического происхождения – вещество поступающее на поверхность Земли из космоса.
По мнению В.И.Вернадского каждый организм может существовать только при условии постоянной тесной связи с другими организмами и неживой природой. Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с окружающей его средой, создающейся и поддерживающейся энергией Солнца.
Жизнь произвела глубокие изменения на планете Земля. По словам В.И. Вернадского на планете нет химической силы более постоянно действующей, чем живые организмы вместе взятые. Все минералы земной коры создаются только под влиянием жизни. Жизнь постепенно приспосабливаясь захватила биосферу и этот захват не закончен.
Распределение жизни в биосфере
Масса живого вещества составляет лишь 0,01% от массы всей биосферы. Но тем не менее это ее главнейший компонент. Важнейшим свойством живого вещества является способность к воспроизводству и распространению по планете. Живое вещество распространенно не равномерно. Наибольшая концентрация в биосфере наблюдается на границах соприкосновения земных оболочек. Это, так называемые, пленки жизни: граница атмосферы и литосферы (поверхность суши); атмосферы и гидросферы (поверхность океана); гидросферы и литосферы (дно океана) и особенно на границе трех оболочек – атмосферы, гидросферы и литосферы (прибрежные зоны).
В настоящее время по видовому составу на Земле преобладают животные (более 2 млн видов) над растениями (0,5 млн). в тоже время запасы фитомассы составляют 99% запасов живой массы Земли. Биомасса суши в 1 тыс. раз превышает биомассу океана. На суше биомасса и количество видов организмов в целом увеличивается от полюсов к экватору.
Экология / 25.Биосфера как глобальная экосистема. Свойства, структура биосферы
Биосфера как глобальная экосистема. Свойства, структура биосферы.
Биосфера (от греч. bios — жизнь, sphaira — шар) — область системного взаимодействия живого и косного вещества планеты. Она представляет собой глобальную экосистему — совокупность всех биогеоценозов (экосистем) нашей планеты.
Заслуга создания целостности учения о биосфере принадлежит В. И. Вернадскому. Используя этот термины, он создал науку «биосфера», ввел понятие «живое вещество» — совокупность всех живых организмов, а также отвел живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая деятельность организмов не только в настоящее время, но и в прошлом. Поэтому биосфера — это все пространство, где существует или когда-либо существовала жизнь, т. е. где встречаются живые организмы или продукты их жизнедеятельности.
Жизнь в биосфере зависит от потока энергии и круговорота веществ между биотическим и абиотическим компонентами. Круговороты веществ называются биогеохимическими циклами. Существование этих циклов обеспечивается энергией Солнца. Наглядное представление о путях прохождения энергии дают пищевые цепи. Каждое их звено – это определенный трофический уровень. Первый трофический уровень занимают автотрофы, или продуценты. Организмы второго трофического уровня называются первичными консументами, третьего – вторичными консументами и т.д. Продуценты – это растения, цианобактерии (сине-зеленые «водоросли») и некоторые другие типы бактерий. Консументы зависят прямо (травоядные) или косвенно (хищники) от величины чистой первичной продукции как источника энергии и веществ. Прохождение энергии через живое вещество представляет собой путь от света к продуцентам, далее к консументам, а от тех и других – к теплу. Этот путь – поток, а не круговорот, поскольку в виде тепла энергия рассеивается в окружающей среде и не может снова использоваться для фотосинтеза. Таким образом, энергетический поток через живое вещество – это процесс потери накопленной организмами энергии. Поддержание динамического равновесия между биотическим и абиотическим компонентами биосферы является необходимым условием существования всех форм жизни. Воздействие человека на биосферу, сопровождающееся ухудшением качества воды, сведением лесов или выбросом в атмосферу загрязняющих веществ, может создать угрозу жизни на Земле Свойства биосферы.
Биосфере, как и составляющим ее другим экосистемам, более низкого ранга, присуща система свойств, которые обеспечивают ее функционирование, саморегулирование, устойчивость и другие параметры. Свойства:
1.Биосфера — централизованная система. Центральным звеном ее выступают живые организмы (живое вещество).
2.Биосфера — открытая система. Ее существование немыслимо без поступления энергии извне. Она испытывает воздействие космических сил, прежде всего солнечной активности.
3. Биосфера — саморегулирующаяся система, для которой, характерна организованность. В настоящее время это свойство называют гомеостазом, понимая под ним способность возвращаться в исходное состояние, гасить возникающие возмущения включением ряда механизмов.
4. Биосфера — система, характеризующаяся большим разнообразием. Это и разные среды жизни (водная, наземно-воздушная, почвенная, организменная); и разнообразие природных зон, различающихся по климатическим, гидрологическим, почвенным, биотическим и другим свойствам; и наличие регионов, различающихся по химическому составу; и, самое главное, объединение в рамках биосферы большого количества элементарных экосистем со свойственным им видовым разнообразием.
5. Важное свойство биосферы — наличие в ней механизмов, обеспечивающих круговорот веществ и связанную с ним неисчерпаемость отдельных химических элементов и их соединений. Только благодаря круговоротам и наличию неисчерпаемого источника солнечной энергии обеспечивается непрерывность процессов в биосфере и ее потенциальное бессмертие.
Биосфера включает в себя:
аэробиосферу — нижнюю часть атмосферы;
гидробиосферу — всю гидросферу;
литобиосферу — верхние горизонты литосферы (твердой земной оболочки).
Биосфера как глобальная экосистема Земли
Биосфера как глобальная экосистема Земли.
1.Впервые единую картину мира и роль в нем живого вещества представил русский ученый, натуралист, философ, академик В.И. Вернадский в 1926 году. Он обосновал, что возникновение биосферы на Земле — это объективный результат развития общего космического процесса. При этом биосферу нужно рассматривать как целостную геологическую оболочку Земли, состоящую из живого и неживого. Заслуга академика Вернадского — в обобщении огромного количества научных данных, указывающих на тесную взаимосвязь жизни и неживого вещества планеты. Ученый показал, что Земля не только населена, но и активно преобразуется живыми организмами. Вернадский подчеркивал, что для строения биосферы характерны физико-химическая и геометрическая разнородности. Разнородность строения является господствующим фактором, резко отличающим биосферу от всех других оболочек земного шара.
Биосфера включает в себя все части планеты, освоенные жизнью. Это и атмосфера, и океан, и все части земной поверхности, где утвердилась жизнь в любых её формах. Главный компонент биосферы- это её живое вещество (все живые организмы, взятые в целом). 99% веса живого вещества составляют зеленые растения, остальная часть 1% — приходит на биомассу живых гетеротрофных организмов.
Живое вещество в биосфере представлено в виде отдельных тел — индивидуальных организмов.
Живое вещество охватывает всю биосферу, создает её и изменяет, однако, распределено в биосфере неравномерно, оно образует сгущения на границах раздела литосфера- гидросфера — атмосфера: в водоемах близ поверхности, на дне морей и океанов, на поверхности суши. На материках наблюдаются береговые, пойменные, озерные, тропические, субтропические сгущения жизни. На суше преобладают растения, а в океане — животные.
Геологически живое вещество является самой большой силой в биосфере, определяет все идущие в ней процессы. В.И. Вернадский показал, что тонкая оболочка Земли — биосфера, состоящая из разнородных структур — живого и неживого вещества, поддерживает в состоянии динамического равновесия все протекающие в ней процессы благодаря непрерывному перетоку (круговороту) атомов из косной материи через живое вещество снова в неживую природу. Он раскрыл геологическую роль живых организмов в создании современного газового состава атмосферы, в формировании горных пород, вод мирового океана. Живое вещество – трансформирует солнечную энергию и вовлекает неорганическую материю в непрерывный кругооборот. Оно аккумулирует солнечную энергию, трансформирует ее в химическую, механическую и тепловую энергию.
Различают следующие функции живого вещества биосферы:
2. Биосфера располагается на пересечении верхней части литосферы, нижней части атмосферы и занимает почти всю гидросферу.
Верхняя граница в атмосфере: 15-20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое УФ-излучение, губительное для живых организмов.
Нижняя граница в литосфере: 3,5—7,5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами.
Граница между атмосферой и литосферой в гидросфере: 10—11 км.определяется дном Мирового Океана, включая донные отложения.
Наша планета имеет неоднородное строение и состоит из концентрических оболочек (геосфер) – внутренних и внешних. К внутренним относятся ядро, мантия, а к внешним – литосфера (земная кора), гидросфера, атмосфера и сложная оболочка Земли – биосфера.
Литосфера ( греч. «литос» — камень) – каменная оболочка Земли, включающая земную кору мощностью (толщиной) от 6 (под океанами) до 80 км (горные системы). Земная кора сложена горными породами. Доля различных горных пород в земной коре неодинакова – более 70% приходится на базальты, граниты и другие магматические породы, около 17% — на преобразованные давлением и высокой температурой породы и лишь чуть больше 12% — на осадочные.
Земная кора – важнейший ресурс для человечества. Она содержит горючие ползныеикопемые (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.).
Гидросфера (греч. «гидор» — вода) – водная оболочка Земли. Ее подразделяют на поверхностную и подземную.
Поверхностная гидросфера – водная оболочка поверхностной части Земли. В ее состав входят воды океанов, морей, озер, водохранилищ, болот, ледников, снежных покровов и др. Все эти воды постоянно или временно располагаются на земной поверхности и носят название поверхностных.
Поверхностная гидросфера не образует сплошного слоя и прерывисто покрывает земную поверхность на 70,8%.
Подземная гидросфера – включает воды, находящиеся в верхней части земной коры. Их называют подземными. Сверху подземная гидросфера ограничена поверхностью Земли, нижнюю ее границу проследить невозможно, так как гидросфера очень глубоко проникает в толщу земной коры.
По отношению к объему земного шара общий обьем гидросферы превышает 0,13%. Основную часть гидросферы (96,53%) составляет Мировой океан. На долю подземных вод приходится 23,4 млн км3, или 1,69% от общего объема гидросферы, остальное – воды рек, озер и ледников.
Более 98% всех водных ресурсов Земли составляют соленые воды океанов, морей и др. Общий обьем пресных вод на Земле равен 28,25 млн км3, или около 2% общего обьема гидросферы. Основная часть пресных вод сосредоточена в ледниках, воды которых пока используются очень мало. На долю остальной части пресных вод, пригодных для водоснабжения, приходится 4,2 млн км3 воды, или всего лишь 0,3% обьема гидросферы.
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.).
В формировании природной среды Земли велика роль тропосферы (нижний слой атмосферы до высоты 8-10 км в полярных, 10-12 км в умеренных 16-18 км в тропических широтах) и в меньшей степени стратосферы, области холодного разреженного сухого воздуха толщиной примерно 20 км. Сквозь стратосферу непрерывно падает метеоритная пыль, в нее выбрасывается вулканическая пыль, а в прошлом и продукт ядерных взрывов в атмосфере.
В тропосфере происходят глобальные вертикальные и горизонтальные перемещения воздушных масс, во многом определяющие круговорот воды, теплообмен, трансграничный перенос пылевых частиц и загрязнений.
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.
Атмосферные процессы тесно связаны с процессами, происходящими в литосфере и водной оболочке.
К атмосферным явлениям относят: осадки, облака, туман, грозу, гололед, пыльную (песчаную) бурю, шквал, метель, изморозь, росу, иней, обледенение, полярное сияние и др. Атмосфера физически, химически и механически воздействует на литосферу, регулируя распределения 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.
Атмосфера, гидросфера и литосфера тесно взаимодействуют между собой. Практически все поверхностные, экзогенные, геологические процессы обусловлены этим взаимодействием и проходят, как правило, в биосфере.
3. Понятие биосферы впервые было введено австрийским ученым геологом Эдуардом Зюссом в 1875 году. Понятие биосферы имеет два аспекта: с одной стороны как специфическая оболочка земного пространства, с другой — как глобальная экосистема. С точки зрения составляющих компонентов биосфера — это нижняя часть атмосферы, гидросфера и верхняя часть литосферы, населенные живыми организмами, или по выражению Владимира Ивановича Вернадского — «область распространения живого вещества».
Атмосфера. Атмосфера есть внешней газовой оболочкой Земли, которая достигает от ее поверхности в космическое пространство приблизительно на 3000 км. История возникновения и развития атмосферы довольно сложная и продолжительная, она насчитывает близко 3 млрд лет. За этот период состав и свойства атмосферы неоднократно изменялись, но на протяжении последних 50 млн лет, как считают ученые, они стабилизировались.
Масса современной атмосферы составляет приблизительно одну миллионную часть массы Земли. С высотой резко уменьшаются плотность и давление атмосферы, а температура изменяется неравномерно и сложно. Изменение температуры в границах атмосферы на разных высотах поясняется неодинаковым поглощением солнечной энергии газами. Наинтенсивнее тепловые процессы происходят в тропосфере, причем атмосфера нагревается снизу, от поверхности океана и суши.
Следует отметить, что атмосфера имеет очень большое экологическое значение. Она защищает все живые организмы Земли от губительного влияния космических излучений и ударов метеоритов, регулирует сезонные температурные колебания, уравновешивает и выравнивает суточные. Если бы атмосферы не существовало, то колебание суточной температуры на Земле достигло бы ±200 °С. Атмосфера есть не только животворным “буфером” между космосом и поверхностью нашей планеты, носителем тепла и влаги, через нее происходят также фотосинтез и обмен энергии — главные процессы биосферы. Атмосфера влияет на характер и динамику всех экзогенных процессов, которые происходят в литосфере (физическое и химическое выветривания, деятельность ветра, природных вод, мерзлоты, ледников).
Развитие гидросферы также в значительной мере зависел от атмосферы из-за того, что водный баланс и режим поверхностных и подземных бассейнов и акваторий формировались под влиянием режима осадков и испарений. Процессы гидросферы и атмосферы тесно связанные между собою.
Одной из главнейших составных атмосферы есть водный пар, который имеет большую пространственно-временную изменяемость и сосредоточенный преимущественно в тропосфере. Важной изменчивой составной атмосферы есть также углекислый газ, изменчивость содержания которого связана с жизнедеятельностью растений, его растворимостью в морской воде и деятельностью человека (промышленные и транспортные выбросы). В последнее время все более большую роль в атмосфере сыграют аэрозольные пылеватые частицы — продукты человеческой деятельности, которые можно обнаружить не только в тропосфере, но и на больших высотах (щоправда, в мизерных концентрациях). Физические процессы, которые происходят в тропосфере, оказывают большое влияние на климатические условия разных районов Земли.
Гидросфера — водная оболочка Земли. Вследствие широкой подвижности воды проникают повсеместно в различные природные образования. Они находятся в виде паров и облаков в земной атмосфере, формируют океаны и моря, существуют в замороженном состоянии в высокогорных районах континентов и в виде мощных ледяных панцирей покрывают полярные участки суши. Атмосферные осадки проникают в толщи осадочных пород, образуя подземные воды. Вода способна растворять в себе многие вещества, поэтому любые воды гидросферы можно рассматривать в качестве естественных растворов различной степени концентрации. Даже наиболее чистые атмосферные воды содержат 10 -50 мг/л растворенных веществ. Гидросфера находится в тесной взаимосвязи с литосферой (подземные воды), атмосферой (парообразная влага) и живым веществом биосферы, в которое она входит в качестве обязательного компонента.
Подавляющая часть массы вод (94 %) слагает Мировой океан, который представляет собой уникальную природную систему. В ней происходит грандиозный процесс обмена и трансформации энергии и вещества нашей планеты. При этом различные физические, химические и биологические процессы объединяются, образуя единую природу океана — древнейшую область биосферы Земли. Со времени образования океана протекало изменение его природы под воздействием различных природных процессов: солнечного излучения, геологических и геохимических факторов и, что особенно важно, под влиянием биологических процессов. Биологические процессы проявлялись и проявляются в развитии живых организмов, в биологической продуктивности и осадкообразовании на всей площади дна Мирового океана, в формировании различного рода органогенных илов. Средний химический состав морской воды, которая в гидросфере преобладает, представлен в табл. 7. В настоящее время можно считать, что в морской воде присутствуют все химические элементы таблицы Менделеева. Однако преобладающая часть растворенных веществ сложена немногими химическими элементами: O, H, Na, Mg, Ca, Cl, S.
Некоторые из элементов, несмотря на относительно низкую концентрацию, играют важную роль в химических процессах моря и в морских организмах. В этом отношении ведущая роль принадлежит азоту, фосфору и кремнию, которые усваиваются живыми организмами, и их концентрация в морской воде контролируется ростом и размножением морских животных и растений.
В состав биосферы, кроме живого вещества (растения, животные и микроорганизмы), входят биогенное вещество (продукты жизнедеятельности живых организмов — каменный уголь, битумы, нефть), биокосное вещество (продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами — почвы, кора выветривания, все природные воды, свойства которых зависят от деятельности на Земле живого вещества) и, наконец, косное вещество, в образовании которого живые организмы не участвуют (горные породы магматического, неорганического происхождения, вода, космическая пыль, метеориты). Следовательно, биосфера — это та область Земли, которая охвачена или была охвачена влиянием живого вещества. Ее рассматривают как наиболее крупную, глобальную экосистему, поддерживающую планетарный круговорот веществ.
Круговорот веществ в биосфере — повторяющийся циклический процесс превращения и перемещения отдельных химических элементов и их соединений.
Процессы фотосинтеза органического вещества из неорганических компонентов продолжается миллионы лет, и за такое время химические элементы должны были перейти из одной формы в другую. Однако этого не происходит благодаря их круговороту в биосфере. Ежегодно фотосинтезирующие организмы усваивают около 350 млрд т углекислого газа, выделяют в атмосферу около 250 млрд т кислорода и расщепляют 140 млрд т воды, образуя более 230 млрд т органического вещества (в пересчёте на сухой вес).
Громадные количества воды проходят через растения и водоросли в процессе обеспечения транспортной функции и испарения. Это приводит к тому, что вода поверхностного слоя океана фильтруется планктоном за 40 дней, а вся остальная вода океана – приблизительно за год. Весь углекислый газ атмосферы обновляется за несколько сотен лет, а кислород за несколько тысяч лет. Ежегодно фотосинтезом в круговорот включается 6 млрд т азота, 210 млрд т фосфора и большое количество других элементов (калий, натрий, кальций, магний, сера, железо и др.). существование этих круговоротов придаёт экосистеме определённую устойчивость.
Различают два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).
Большой круговорот, продолжающийся миллионы лет, заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, а продукты выветривания (в том числе растворимые в воде питательные вещества) сносятся потоками воды в Мировой океан, где они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками. Геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещения морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.
Малый круговорот (часть большого) происходит на уровне экосистемы и состоит в том, что питательные вещества, вода и углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и на жизненные процессы как самих этих растений, так и других организмов (как правило животных), которые поедают эти растения (консументы). Продукты распада органического вещества под действием деструкторов и микроорганизмов (бактерии, грибы, черви) вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вовлекаемых ими в потоки вещества.
Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и энергии химических реакций называется биогеохимическим циклом. В такие циклы вовлечены практически все химические элементы и прежде всего те, которые участвуют в построении живой клетки. Так, тело человека состоит из кислорода (62,8%), углерода (19,37%), водорода (9,31%), азота (5,14%), кальция (1,38%), фосфора (0,64%) и ещё примерно из 30 элементов.