Тема 3. Биосфера. Учение В.И. Вернадского о биосфере. Экосистемы и популяции
Рекомендуемая литература
Контрольные (экзаменационные, зачетные) вопросы по теме
10. Загрязнение, формы загрязнений.
11. Виды загрязнений окружающей среды.
12. Источники загрязнений окружающей среды и их классификация.
13. Последствия загрязнений окружающей среды (общие виды).
14. Контроль за загрязнением окружающей среды.
15. Показатели качества природной среды и нормируемые параметры контроля за загрязнениями.
5. Бiлявський Г. О., Падун М. М., Фудуй Р. С. Основи загальної екології. — Київ: «Либiдь». – 1995. –370 с.
6. Джигирей В.С., Сторожук В.М., Яцюк Р.А. Основи екології та охорона навколишнього природного середовища. – Львів: Афіша, 2000. – 272 с.
7. Экология: Уч. Пособие / Под ред. С.А. Боголюбова. – М.: Знание, 1997. – 286 с.
8. Хотунцев Ю.Л. Экология и экологическая безопасность. – М: АКАДЕМА, 2002. – 479 с.
9. Стадницкий Г. В., Родионов А. И. Экология — М.: Высшая школа. — 1988 г. – 437 с.
Министерство образования и науки Украины
Приазовский государственный технический университет
Тема 3: «Биосфера. Учение В.И. Вернадского о биосфере. Экосистемы и популяции»
3.1. Определение биосферы.Биосфера – оболочка земли, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы, населённая живыми организмами, — это “область существования живого вещества”, по В.И. Вернадскому.
К понятию “биосфера” (от греческого bios – жизнь + sphairo – сфера, шар) в своих суждениях достаточно близко подошёл французский биолог Жан-Батист Ламарк (1802 г.). Сам термин в таком виде был впервые введен австрийским геологом Эдуардом Зюссом (1875 г.).
Обсуждая особенности Земли как планеты, он писал: «Одно кажется чужеродным на этом большом, состоящем из сфер небесном теле, а именно органическая жизнь: На поверхности материков можно выделить самостоятельную биосферу». Т.е. термин «биосфера» был употреблен в топологическом смысле и вошел в обиход, не имея четкого определения.
Развернутое учение о биосфере было разработано акад. В.И.Вернадским (1926, «Биосфера»). Он рассматривал биосферу как оболочку Земли, населенную живыми организмами и продуктами их жизнедеятельности, подчеркивая также, что состав биосферы определяется деятельностью живых организмов, является результатом их совокупной химической активности в настоящем и прошлом.
3.2. Структура, компоненты, состав биосферы.Биосфера – сложная по составу, строению и организованности оболочка. В.И. Вернадский выделил следующие компоненты биосферы:
· живые организмы (живое вещество);
· биогенные компоненты (геологические породы, созданные деятельностью живого вещества: уголь, нефть, известняки и др.);
· костное вещество (в его образовании живое не учавствует: геологические породы вулканического и сейсмического происхождения);
· биокостное вещество (создаётся с помощью живых организмов: океанические воды, почва) вещества;
· вещества космического происхождения (метеоритное вещество).
Вернадский считал, что земная кора представляет собой остатки былых биосфер, которые существовали столько же, сколько существует Земля. Фундаментальным отличием живого вещества от косного является эволюционный процесс, непрерывно создающий новые формы живых существ. Многообразие форм жизни и их многофункциональность создают основу устойчивого круговорота веществ и энергии. В этом специфика и залог устойчивости биосферы как уникальной оболочки земного шара.
Таким образом, биосфера, по В.И.Вернадскому, — это одна из геологических оболочек земного шара, глобальная экосистема Земли, в которой геохимические и энергетические превращения определяются суммарной активностью всех живых организмов — живого вещества.
 |
Биосфера включает в себя все живые организмы, находящиеся во взаимодействии с физической средой Земли и обитающие в гидросфере (на глубине до 8-10 км), атмосфере (на высоте до 85 км, наибольшее скопление – до 10-15 км), и литосфере (от десятков метров до глубины, где температура не превышает 100 0 С – в молодых складчатых областях – 1,5-2 км, на кристаллических щитах – до 7-8 км, в среднем – до 3–3,5 км). Распределение организмов в биосфере приведено на рис. 3.1.
Верхняя граница биосферы, по Вернадскому, является лучистой (лимитируется прямым ультрафиолетовым излучением), а нижняя – термическая (лимитируется температурой). Таким образом, общая толщина оболочки биосферы составляет несколько десятков километров. Структура биосферы и её окружения приведена на рис. 3.2.
 |
Приблизительная масса биосферы составляет 3*10 24 г, а объём – 10*10 24 см 3 , в том числе литосферы – 0,6*10 24 см 3 , гидросферы – 1,4*10 24 см 3 и тропосферы – 8*10 24 см 3 (приблизительная масса тропосферы – 0,004*10 24 г, гидросферы – 1,4*10 24 г, а литосферы толщиной 3 км на суше и под дном океана 0,5 км – масса 1,6*10 24 г). Приблизительная масса биосферы составляет 0,05% массы Земли, объём – 0,4 % объёма Земли. Масса живого вещества едва достигает (3…5)*10 -8 % массы Земли и близко (0,7-1,0)*10 -8 % массы биосферы.
Живое вещество, в том числе и человечество, изменяет историю всех химических элементов, выступает как глубокий и мощный геологический процесс. В течение сравнительно незначительного в историческом отношении времени через живые организмы может пройти всё вещество биосферы. Так весь кислород планеты – продукт фотосинтеза, обновляется каждые 2000 лет, а все молекулы углекислоты – через каждые 300-600 лет. В.И. Вернадский выделил 5 функций живого вещества: газовая (порождение газов), концентрационная (накопление химических элементов в своих телах), окислительно-восстановительная (регулирование кислотного режима), биохимическая (размножение и перемещение в пространстве); биогеохимическая деятельность человечества (использование человеком химических элементов для своих нужд).
3.3. Возникновение биосферы.Крупномасштабные изменения, представленные вековыми сериями сменяющих друг друга на протяжении столетий экосистем, вследствие изменений климата, рельефа местности и других характеристик поверхности Земли охватывали целые геологические периоды.
3,5млрд. лет назад в первоначальном океане Земли под влиянием ультрафиолетового и проникающего излучений, а также электрических газовых разрядов началось образование первых органических соединений — «органического бульона» (по акад. А. И. Опарину). С возрастанием концентрации этого раствора некоторые органические молекулы, объединяясь, стали образовывать коацерватные капли (органические сгустки), изолированные от окружающего их среды и которые использовали вещества, которые входили в её состав, для увеличения своего размера. Так возникли молекулы, способные самовоссоздаваться, что означало рождение Жизни.
Следует отметить, что представления В.И. Вернадского о зарождении жизни на Земле (они будут изложены позже, при рассмотрении учения В.И. Вернадского о биосфере) отличаются от представлений А.И. Опарина.
Первые организмы питались окружающим их органическим раствором, однако настало время, когда его запасы начали исчерпываться, а свободного кислорода — наилучшего окислителя, — практически не было, и первые организмы вынуждены были получать энергию благодаря процессу брожения. Однако этот процесс малоэффективный и требовал большого количества пищи. Поэтому жизни была обречена на голодную смерть. Единственная возможность преобразования конечного вещества в бесконечное — включение его в круговорот. Поэтому вследствие естественного отбора образовались фотосинтезирующие организмы, которые не питались готовым органическим веществом, а создавали его сами, используя солнечный свет для преобразования углекислого газа, минеральных солей и воды. Отходом этого способа питания стал кислород, который, во-первых, сделал возможным появление многоклеточных представителей животного царства, которые потребляют энергию из готовых органических веществ путем их окисления, и, во-вторых, создал защиту от губительного для белковых соединений влияния ультрафиолетового излучения, поскольку некоторая часть свободного кислорода превратилась в озон, который является мощным его поглотителем. Таким образом живые существа получили возможность выйти из воды (которая защищала их от влияния излучения) на сушу и постепенно распространились на всей планете.
Так образовался замкнутый круг взаимозависимых и взаимоприспособленных организмов и процессов, среди которых нет ни одного лишнего, поскольку каждый выполняет свою функцию. Животные не могли бы питаться и дышать без помощи растений. Однако и растения без животных очень быстро погибли бы, поскольку некому было бы перерабатывать и разлагать образованную органику на воду, углекислый газ и минеральные соли, предотвращая засорение планеты отмершими остатками и воссоздавая запасы питательных веществ для новых поколений растений. Живые организмы берут также участие в общем круговороте веществ в природе и формировании планеты.
Итак, животные и растительные организмы своей деятельностью впродолжение жизни и биомассой после смерти миллиарды лет создавали и совершенствовали условия, благоприятные для жизни, то есть биосферу, прежде чем появился человек, который втечение нескольких сотен тысяч лет постоянно разрушал её своей неразумной деятельностью.
3.4. Учение В.И. Вернадского о биосфере.Владимир Иванович Вернадский (1863-1945) – великий русский ученый – минералог, кристаллограф, геохимик, радиогеолог, создатель биогеохимии и учения о биосфере.
Родился в Санкт-Петербурге. В 1885 году окончил Петербургский университет. В 1886-1888 г.г. работал в минералогическом музее Петербургского университета, в 1889-1890 г.г. стажировался за границей. С 1890 г. приват-доцент, в 1898 — 1911 г.г. – профессор Московского университета. В 1912 г. избран действительным членом Российской академии наук. Один из организаторов и председатель (1915-1930) Комиссии по изучению естественных производительных сил России (КЕПС) при Академии наук. В 1917-1921 г.г. работал на Украине, главный организатор, первый президент и академик (1919) Академии наук Украины. В 1922-1939 г.г. – директор организованного им Государственного радиевого института. В 1922-1925 г.г. работал за границей. В 1928-1945 г.г. – директор Лаборатории геохимических проблем АН СССР, преобразованной в 1947 г. в Институт геохимии и аналитической химии его имени. В 1927 г. организовал и возглавил в АН СССР Отдел живого вещества, преобразованный в 1929 г. в Биогехимическую лабораторию АН. Научные интересы В.И. Вернадского чрезвычайно широки. Будучи основоположником геохимии, он провел первые исследования закономерностей строения и состава взаимодействующих элементов и структур земной коры, гидросферы и атмосферы. Исследовал миграцию химических элементов в литосфере и роль радиоактивных элементов в ее эволюции. В 1923 г. им сформулирована теория о ведущей роли живых организмов в геохимических процессах; в 1926 г. – концепция и определение биосферы и живого вещества; создано учение, согласно которому живое вещество, трансформируя солнечное излучение, вовлекает неорганическую материю в непрерывный круговорот – центральная концепция биогеохимии. Ряд трудов В. И. Вернадского посвящен философским проблемам естествознания и истории науки. Он по праву может быть причислен к выдающимся представителям «русского космизма» наряду с И.М. Сеченовым, Д. И. Менделеевым, К. Э. Циолковским, А. Л. Чижевским в естествознании, И. В. Киреевским, В. С. Соловьевым, Н. Ф. Федоровым, П. А. Флоренским в философии, Л. Н. Толстым и Ф. М. Достоевским в литературе.
Основные положения учения о биосфере были сформулированы в работе «Биосфера», которая вышла в 1926 г. Она начинается с шести эмпирических обобщений (т. е. основанных на опыте, на многократно доказанных фактах, не подлежащих сомнению):
1.Никогда не наблюдалось в условиях Земли зарождение живого от неживого. (Данный тезис ярко демонстрирует отличие эмпирического обобщения не только от гипотезы, но и от любой теории. В нем не утверждается. что зарождение живого от неживого невозможно, а только лишь, что в пределах наших наблюдений таких фактов нет).
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
§ 51. Компоненты биосферы
| Сайт: | Профильное обучение |
| Курс: | Биология. 10 класс |
| Книга: | § 51. Компоненты биосферы |
| Напечатано:: | Гость |
| Дата: | Четверг, 16 Февраль 2023, 16:46 |
Оглавление
Преамбула
Согласно учению В. И. Вернадского, биосфера состоит из нескольких основных компонентов: живое, биогенное, косное и биокосное вещества.
Главное место в учении В. И. Вернадского о биосфере занимает представление о живом веществе.
Живое вещество
Живое вещество — совокупность живых организмов, населяющих планету Земля. Масса живого вещества сравнительно мала и составляет менее одной миллионной части всей биосферы. Несмотря на столь незначительную массу, живое вещество является «самой мощной геохимической силой нашей планеты», поскольку живые организмы не просто населяют Землю, но и преобразуют ее.
*При общем рассмотрении биосферы как планетарной экосистемы особое значение приобретает представление о ее живом веществе как о некой общей живой массе планеты. Под живым веществом В. И. Вернадский понимал все количество живых организмов планеты как единое целое. Его химический состав подтверждает единство природы — он состоит из тех же элементов, что и неживая природа, только соотношение этих элементов отличается и строение молекул иное.
Биомасса — это общая масса всех живых организмов, присутствующих в биосфере. Вы уже знаете, что живые организмы населяют земную поверхность неравномерно. Как вы думаете, почему процентное содержание растений, животных и микроорганизмов на суше и в океане отличается?
Таблица. Масса живого вещества на планете Земля
Животные и микроорганизмы
Животные и микроорганизмы
от 0,015 до 0,023
Исходя из данных таблицы, видно, что основная роль на планете Земля принадлежит автотрофным растениям суши.
Биомасса суши зависит от количества тепла, влаги и увеличивается от полюсов к экватору. Ежегодно в биосфере в процессе фотосинтеза образуется около 170 млрд т сухого органического вещества. Биомасса растений на суше значительно больше биомассы животных, однако видовое разнообразие животных в 5 раз больше видового разнообразия растений (1,5—1,7 млн видов животных и примерно 300 тыс. видов растений). Наибольшая биомасса живого вещества суши сконцентрирована в тропических и субтропических лесах. Они являются наиболее продуктивными сообществами материковой части биосферы.
Биомасса океанической части биосферы распределена неравномерно и представлена преимущественно в верхней части фитопланктоном. Несмотря на то что биомасса океанических живых организмов в 1000 раз меньше биомассы наземных растений, 80 % первичной продукции образуется именно в океане. Это связано с высокой скоростью роста и размножения, короткой продолжительностью жизни представителей фито- и зоопланктона.
Биомасса почвы представлена совокупностью живых организмов, плотно заселяющих и играющих важную роль в ее формировании. В поверхностных слоях обитают зеленые водоросли и цианобактерии, которые снабжают почву кислородом, образующимся в процессе фотосинтеза. Среди животных почвы многочисленны черви, муравьи, клещи, встречаются кроты. Биомасса только дождевых червей в суглинистых почвах достигает 1,2 т на 1 га. В почве также обитает большое количество бактерий, которое исчисляется сотнями миллионов в 1 г. Все живые организмы, обитающие в почве, ведут большую почвообразовательную работу. Особая роль отводится бактериям, которые разлагают отмершие остатки живых организмов до минеральных веществ, обеспечивая плодородие почвы.
Биогенное вещество
Биогенное вещество образуется в процессе жизнедеятельности организмов или в результате их отмирания. Оно представлено осадочными породами, образовавшимися при разложении остатков живых организмов или из продуктов их жизнедеятельности (известняки, ракушечные породы, горючие сланцы, доломиты, каменный уголь, мел, сапропель, торф, нефть). Биогенное вещество является запасом потенциальной энергии.
Косное вещество
Косное вещество — это неорганические ресурсы биосферы, которые формируются без участия живых организмов. Они образуются в результате выветривания горных пород, извержения вулканов. По массе косное вещество биосферы значительно превосходит массу живого вещества и представлено минералами (изумруд, алмаз, кварц) и горными породами (гранит, мрамор). Между живым и косным веществом существует неразрывная связь благодаря процессам дыхания, питания и размножения живых организмов. Происходит миграция атомов из косных тел биосферы в живые и обратно. Взаимодействие живого и косного вещества характеризуется прежде всего тем, что часть косного вещества усваивается и ассимилируется живым веществом.
Биокосное вещество
Биокосное вещество — результат взаимодействия живых и косных компонентов. К нему относят почву, современную атмосферу, природные воды. Их свойства зависят от деятельности живого вещества. Так, древняя атмосфера Земли образовалась в результате мощной вулканической и горообразовательной деятельности. Значительно позднее в ее составе появился кислород как продукт фотосинтеза и сформировалась современная атмосфера. Ее газовый состав определяется соотношением биологических (фотосинтез, дыхание) и геохимических процессов. В разных видах биокосного вещества соотношение живого и неживого компонентов различается. Например, почва содержит в среднем 93 % минеральных и 7 % органических веществ, образованных в процессе жизнедеятельности живых организмов.
Повторим главное. Основными компонентами биосферы являются: живое, биогенное, косное и биокосное вещества. Живое вещество представлено живыми организмами, населяющими Землю и участвующими в ее преобразовании. Наибольшая масса живого вещества сосредоточена на материках. Однако по продуктивности первичного органического вещества океаническая часть не уступает суше. Биогенное вещество создается в процессе жизнедеятельности живых организмов или в результате их отмирания. Косное вещество — это неорганические ресурсы биосферы, образующиеся без участия живых организмов. Биокосное вещество — результат взаимодействия живых и косных компонентов биосферы.
Проверим знания
1. Из каких основных компонентов состоит биосфера?
2. В какой части биосферы самая большая биомасса живых организмов? С чем это связано?
3. Какие типы вещества образовались на Земле при участии живого вещества? Приведите примеры.
*4. К какому веществу биосферы относятся нефть, газ, уголь?
1. Почему биомасса биосферы увеличивается от полюсов к экватору? С чем это связано?
2. Исходя из данных параграфа, рассчитайте, сколько тонн сухого органического вещества за год образуется в ходе фотосинтеза в Мировом океане. Какое значение это имеет для биосферы в целом?
*3. Установите соответствие между компонентами биосферы: 1) живое вещество; 2) биогенное вещество; 3) косное вещество; 4) биокосное вещество — и их примерами: а) вулканический пепел; б) споры бактерий; в) семена растений; г) почва; д) газы атмосферы; е) каменный уголь; ж) животные; з) мрамор; и) нефть.
*4. Какие из перечисленных компонентов литосферы (гранит, каменный уголь, почва, песчаник, мрамор, железная руда) относятся к биогенному веществу? Ответ обоснуйте.
*5. Является ли нефть возобновляемым ресурсом? Ответ обоснуйте.