Структура и границы современной биосферы - 3.4. Понятие биосферы, ее компоненты,структура и границы.

Строение и функции биосферы. Познакомиться с особенностями функционирования биосферы как единой глобальной экосистемы. Выявить закономерности распределение биогеоценозов на Земле. Познакомиться с основными функциями живого вещества и основными биогеохимическими циклами.

Понятие биосферы, ее структура. Состав, строение и границы биосферы. Космические условия, обеспечивающие жизнь на планете.

Живое вещество биосферы, его функции. Распределение биогеоценозов на Земле. Круговороты веществ в биосфере. Структура и основные циклы биохимических круговоротов. Закон однонаправленности потока энергии в биосфере. Чем отличается живое вещество от неживого и какую роль играет живое вещество на Земле? Что такое биосфера, ее состав и границы?

В чем сущность учения Вернадского В. Как происходит круговорот веществ в природе? Проанализировать схемы большого геологического и малых биогеохимических круговоротов веществ в природе, сделать вывод об основных функциях живого вещества в биосфере.

От чего зависит продуктивность биосферы? Как происходит превращение энергии в биосфере? Что такое продуценты, редуценты, консументы и какова их роль в круговороте веществ? Назовите важнейшие функции живого вещества. Она проникает во всю гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы, то есть населяет экосферу.

Биосфера представляет собой совокупность всех живых организмов. В ней обитает более 3 миллионов видов растений, животных, грибов и бактерий. Человек тоже является частью биосферы, его деятельность превосходит многие природные процессы и, как сказал В.

Он впервые отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая их деятельность не только в настоящее время, но и в прошлом. Существует и другое, более широкое определение: Биосферу слагают следующие типы веществ: Живое вещество распределено в пределах биосферы очень неравномерно.

Выделяют пять основных функций живого вещества: Заключается в поглощении солнечной энергии при фотосинтезе, а химической энергии — путем разложения энергонасыщенных веществ и передаче энергии по пищевой цепи разнородного живого вещества. Избирательное накопление в ходе жизнедеятельности определенных видов вещества. Выделяют два типа концентраций химических элементов живым веществом: Заключается в минерализации необиогенного органического вещества, разложении неживого неорганического вещества, вовлечении образовавшихся веществ в биологический круговорот.

Преобразование физико-химических параметров среды главным образом за счет необиогенного вещества. Перенос вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь всю атмосферу, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Биокосное вещество , которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других.

Организмы в них играют ведущую роль. Вещество, находящееся в радиоактивном распаде. Рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений.

Эта геосфера представляет собой совокупность океанов, морей, озер, рек, подземных вод и ледников. Масса гидросферы распределена крайне неравномерно: Мировой океан, являющийся основной частью гидросферы, служит средой обитания огромного количества самых разнообразных представителей растительного и животного мира и мира микроорганизмов.

Все морские организмы делят на три большие группы: Планктон подразделяют на фито- и зоопланктон. Основная масса фитопланктона сосредоточена в поверхностном 50—метровом слое воды океанов, где достаточно для фотосинтеза солнечного света. Масса живого вещества в гидросфере распределена крайне неравномерно. Так как для большинства представителей нектона и зообентоса фитопланктон является основным или единственным источником пищи, распределение областей их концентрации приурочено к ареалам фитопланктона.

В современном понимании литосфера — верхняя твердая оболочка Земли, толщина которой колеблется в пределах 50— км. Земная кора, представляющая собой, в отличие от гидросферы, сплошную оболочку планеты, состоит из трех слоев: Мощность осадочного слоя крайне изменчива: Отчетливое распространение жизни отмечается здесь лишь до глубины в несколько десятков метров, однако с подземными водами микроорганизмы распространяются до глубин 2—3 км, хотя известны случаи обнаружения микроорганизмов в нефтяных водах и нефти, добытых при бурении скважин с глубин более 4 км.

С точки зрения концентрации живого вещества биосферы особый интерес представляет почвенный слой , толщина которого в различных ландшафтных и климатических зонах изменяется в широких пределах от нескольких сантиметров до 1—1,5 м. Практически вся растительность суши, а, следовательно, и весь ее животный мир связаны с почвой как необходимым источником пищи.

Важнейшим свойством почвы является ее плодородие, то есть способность обеспечить необходимые условия для жизни растений. Большое значение в плодородии почв играет гумус, состоящий преимущественно из продуктов биохимического разложения отмерших остатков организмов. Почва является местом обитания огромного количества микроорганизмов, водорослей, простейших, насекомых, червей и других беспозвоночных животных и большого количества позвоночных животных. С удалением от поверхности Земли плотность атмосферы постепенно уменьшается до высоты около 3 тыс.

Обычно атмосферу представляют в виде совокупности слоев — тропосферы, стратосферы и ионосферы. Концентрация озона на высотах расположения озонового слоя 15—26 км более чем в раз превышает его концентрацию у поверхности Земли.

Здесь будет нелишним заметить, что включение в биосферу нижней атмосферы является несколько условным, так как нахождение организмов в ней на значительных высотах над земной поверхностью в большинстве случаев может быть временным, а истинной средой обитания их служит гидросфера, верхняя часть земной коры и тонкий слой приземной атмосферы. Газовая оболочка складывается в основном с азота и кислорода.

Состояние атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и биологические процессы на поверхности Земли и в водной среде. Для биологических процессов наибольшая значимость имеют: Азот, диоксид углерода, пары воды образовались в значительной мере благодаря вулканической деятельности, а кислород - в результате фотосинтеза.

Земля - уникальная планета, она находится на единственно возможном расстоянии от Солнца, которое определяет такую температуру поверхности Земли, при которой вода может находиться в жидком состоянии. Земля получает от солнца огромное количество энергии и сохраняет при этом примерно постоянную температуру.

Значит, наша планета излучает в космос почти такое же количество энергии, какое получает из космоса: Земля либо нагреется, либо замерзнет и превратится в безжизненное тело. Биосфера тесно связана с космосом. Потоки энергии, поступающие к Земле, создают условия, обеспечивающие жизнь. Магнитное поле и озоновый экран защищают планету от излишних космических излучений и интенсивной солнечной радиации.

Космические излучения, достигающие биосферы, обеспечивают фотосинтез и влияют на активность живых существ. Обобщая с позиции натуралиста человеческую историю, Вернадский делает вывод о том, что человечество в ходе своего развития превращается в новую мощную геологическую силу, своей мыслью и трудом преобразующую лик планеты.

Соответственно, оно в целях своего сохранения должно будет взять на себя ответственность за развитие биосферы, превращающейся в ноосферу, а это потребует от него определённой социальной организации и новой, экологической и одновременно гуманистической этики. Сам Вернадский говорил о ней как о реальности будущего, как о действительности наших дней, что неудивительно, поскольку он мыслил масштабами геологического времени.

Биогеоценоз — структурная и функциональная элементарная единица биосферы. Представляет собой устойчивую саморегулирующуюся экологическую систему, в которой органические компоненты животные, растения неразрывно связаны с неорганическими вода, почва. Например, озеро, сосновый лес, горная долина. Учение о биогеоценозе разработано Владимиром Сукачёвым в году. Изучением закономерностей распределения биогеоценозов по поверхности Земли занимается биогеография.

Расположение биоценозов на Земле носит ярко выраженную зональную структуру, связанную с изменением тепловых условий на различных широтах. Природные зоны вытянуты в широтном направлении и сменяют друг друга при движении по меридиану. Собственная, высотная, зональность формируется в горных системах; в мировом же океане хорошо просматривается смена экологических сообществ с глубиной. Природные зоны тесно связаны с понятием ареала — области распространения данного вида организмов.

Земная суша разделена на 13 основных широтных поясов: Рассмотрим основные биогеографические зоны суши. Территорию вокруг полюсов охватывают холодные арктические в Южном полушарии — антарктические пустыни. Они отличаются крайне суровым климатом, обширными ледниковыми покровами и каменистыми пустынями, неразвитыми почвами, скудостью и однообразием живых организмов.

Южнее арктических пустынь расположена тундра; в Южном полушарии тундра представлена лишь на некоторых субантарктических островах. Холодный климат и почвы, подстилаемые вечной мерзлотой, определяют здесь преобладание мхов, лишайников, травянистых растений и кустарничков.

Вблизи морей и океанов тундра и лесотундра сменяются зоной океанических лугов. Южнее лесотундры начинаются леса умеренной зоны; сначала хвойные, затем — смешанные, и наконец, широколиственные. Умеренные леса занимают громадные территории в Евразии и Северной Америке. Климат здесь значительно теплее, и видовое разнообразие больше в несколько раз, чем в тундре. На подзолистых почвах доминируют крупные деревья — сосна, ель, кедр, лиственница, южнее — дуб, бук, берёза.

Среди животных распространены хищные волк, лиса, медведь, рысь , копытные олени, кабаны , певчие птицы, отдельные группы насекомых. Зону умеренных лесов сменяют лесостепь и затем степь.

Климат становится теплее и засушливее, среди почв наибольшее распространение получают чернозёмы и каштановые почвы. Преобладают злаки, среди животных — грызуны, хищные волк, лисица, ласка , хищные птицы, пресмыкающиеся, жуки.

Большой процент степей занят сельскохозяйственными угодьями. Следующей за степью зоной является зона умеренных полупустынь и пустынь. Пустынный климат характеризуется малым количеством осадков, большими суточными колебаниями температуры. Водоёмы в пустынях, как правило, отсутствуют; лишь изредка пустыни пересекают крупные реки. Фауна отличается достаточным разнообразием, большинство видов приспособлены к обитанию в засушливых условиях.

При приближении к экватору умеренный пояс сменяют субтропики. Животный мир субтропиков характеризуется смешением умеренных и тропических видов. Тропические влажные леса в значительной степени распаханы и используются под плантации. Крупные животные практически истреблены. Западный Индостан, Восточная Австралия, бассейн Параны в Южной Америке и Южная Африка — зоны распространения более засушливых тропических саванн и редколесий. Самая же обширная зона тропического пояса — пустыни.

Огромные пространства галечных, песчаных, каменистых и солончаковых поверхностей здесь лишены растительности.

Биосфера, ее структура и границы

Субэкваториальные влажные леса сосредоточены в долине Ганга, южной части Центральной Африки, на северном побережье Гвинейского залива, северной части Южной Америки, в Северной Австралии и на островах Океании. В более засушливых районах их сменяют саванны. Характерные представители животного мира субэкваториального пояса — жвачные парнокопытные, хищники, грызуны, термиты.

Ближе всего к экватору расположен экваториальный пояс. Обилие осадков и высокая температура обусловили здесь наличие вечнозелёных влажных лесов. Экваториальный пояс — рекордсмен по разнообразию видов животных и растений.

Похожие закономерности наблюдаются и в смене биогеографических зон в горах — высотной поясности. Она обусловлена изменением температуры, давления и влажности воздуха с увеличением высоты местности. Полного тождества между высотными, с одной стороны, и широтными, с другой стороны, поясами, однако, нет.

Так, присущей типичной тундре смены полярных дня и ночи лишены её высокогорные аналоги в более низких широтах, а также альпийские луга. Наиболее сложные спектры высотных поясов свойственны высокогорьям, находящимся близ экватора.

К полюсам уровни высотных поясов снижаются, а их разнообразие уменьшается. Изменяется спектр высотных поясов и при удалении от берега моря. Одни и те же природные зоны встречаются на разных материках, однако леса и горы, степи и пустыни имеют свои особенности на различных континентах. Различаются и растения и животные, приспособившиеся к существованию в этих природных зонах.

Живые организмы населяют не только сушу, но и Мировой океан. В океане обитает порядка десяти тысяч видов растений и сотни тысяч видов животных в том числе более 15 тысяч видов позвоночных.

Растения и животные заселяют в мировом океане две сильно отличающиеся друг от друга области — пелагиаль поверхностные слои воды и бенталь морское дно. И как было сказано, распределение биогеоценозов имеет именно зональную структуру со своими особенностями в каждой природной зоне. Структура и основные циклы биохимических круговоротов Действительно, все вещества на Земле совершают такие круговороты, называемые биохимическими циклами. Выделяют два основных цикла: Большой круговорот длится долго, сотни тысяч или миллионы лет: Крупные геотектонические изменения поднятие дна морей, опускание материков вновь возвращают вещества на сушу - и все повторяется.

Малый круговорот биотический является частью большого. Он идет на уровне живой природы. Питательные вещества почвы, вода, углерод идут на построение органического вещества растений и животных и участвуют в жизненных процессах. После гибели организмов отходы их жизнедеятельности вновь разлагаются на неорганические компоненты косное вещество организмами - редуцентами деструкторами.

И все опять повторяется: Малые круговороты с участием живых организмов получили название биохимических циклов. Круговорот веществ и превращение энергии как основа существования биосферы. Деятельность живых организмов в биосфере сопровождается извлечением из окружающей среды больших количеств минеральных веществ.

После смерти организмов составляющие их химические элементы возвращаются в окружающую среду. Так возникает биогенный с участием живых организмов круговорот веществ в природе, т. В круговороте веществ принимают участие все живые организмы, поглощающие из внешней среды одни вещества и выделяющие в нее другие. Животные вдыхают кислород, выделенный растениями, а поедая их, усваивают синтезированные из воды и углекислого газа органические вещества и выделяют углекислый газ, воду и вещества непереваренной части пищи.

При разложении бактериями и грибами отмерших растений и животных образуется дополнительное количество углекислого газа, а органические вещества превращаются в минеральные, которые попадают в почву и снова усваиваются растениями. Таким образом, атомы основных химических элементов постоянно совершают миграцию из одного организма в другой, из почвы, атмосферы и гидросферы — в живые организмы, а из них—в окружающую среду, пополняя, таким образом, неживое вещество биосферы. Эти процессы повторяются бесконечное число раз.

Учебные материалы

Так, например, весь атмосферный кислород проходит через живое вещество за 2 тыс. Необходимость такой циркуляции объясняется ограниченностью их запасов на планете. Чтобы обеспечить бесконечность жизни, химические элементы должны совершать движение по кругу.

Круговорот каждого химического элемента является частью общего грандиозного круговорота веществ на Земле, т. Круговорот веществ, как и все происходящие в природе процессы, требует постоянного притока энергии. Основой биогенного круговорота, обеспечивающего существование жизни, является солнечная энергия.

Связанная в органических веществах энергия по ступеням пищевой цепи уменьшается, потому что большая ее часть поступает в окружающую среду в виде тепла или же тратится на осуществление процессов, происходящих в организмах.

Поэтому в биосфере наблюдается поток энергии и ее преобразование. Таким образом, биосфера может быть устойчивой только при условии постоянного круговорота веществ и притока солнечной энергии. Вода — самое распространенное вещество в биосфере. Остальные воды — пресные. Воды ледников и вечных снегов т. Вода в виде водяного пара испаряется с поверхности морей и океанов и переносится воздушными потоками на различные расстояния.

Большая часть испарившейся воды возвращается в виде дождя в океан, а меньшая — на сушу. С суши вода в виде водяного пара теряется благодаря процессам испарения с ее поверхности и транспирации растениями.

Одновременно с континентов в моря и океаны поступает речной сток воды. Как видим, основу глобального круговорота воды в биосфере обеспечивают физические процессы, происходящие с участием мирового океана. Роль живого вещества в них, казалось бы, невелика. Однако на континентах масса воды, испаряемая растениями и поверхностью почвы, играет главную роль в круговороте воды.

Так, в различных лесных зонах основное количество осадков образуется из водяного пара, поступающего в атмосферу благодаря суммарному испарению, и в результате такие зоны живут как бы на собственном замкнутом водном балансе. Масса воды, транспирируемая растительным покровом, весьма существенна. Так, гектар леса испаряет 20—50 т воды в сутки.

Углерод — обязательный химический элемент органических веществ всех классов. Огромная роль в круговороте углерода принадлежит зеленым растениям. В процессе фотосинтеза углекислый газ атмосферы и гидросферы ассимилируется наземными и водными растениями, а также цианобактериями и превращается в углеводы. В процессе же дыхания всех живых организмов происходит обратный процесс: В результате ежегодно в круговорот вовлекаются многие десятки миллиардов тонн углерода.

Таким образом, два фундаментальных биологических процесса — фотосинтез и дыхание — обусловливают циркуляцию углерода в биосфере. Еще одним мощным потребителем углерода являются морские организмы. Они используют соединения углерода для построения раковин, скелетных образований. В дальнейшем остатки отмерших морских организмов образуют на дне морей и океанов мощные отложения известняков. Цикл круговорота углерода замкнут не полностью. Углерод может выходить из него на довольно длительный срок в виде залежей каменного угля, известняков, торфа, сапропелей, гумуса и др.

Человек нарушает отрегулированный круговорот углерода в ходе интенсивной хозяйственной деятельности. Последствием этого может стать усиление парникового эффекта. Азот — необходимый компонент важнейших органических соединений: Основные его запасы сосредоточены в атмосфере в форме молекулярного азота, недоступного для растений, так как они способны использовать его только в виде неорганических соединений. Пути поступления азота в почву и водную среду различны. Так, небольшое количество азотистых соединений образуется в атмосфере во время гроз.

Вместе с дождевыми водами они поступают в водную или почвенную среду. Небольшая часть азотистых соединений поступает при извержениях вулканов. К прямой фиксации атмосферного молекулярного азота способны лишь некоторые прокариотические организмы: Они переводят молекулярный азот в соединения, усваиваемые растениями. После отмирания растений и разложения клубеньков почва обогащается органическими и минеральными формами азота.

Значительную роль в обогащении водной среды азотистыми соединениями играют цианобактерии. Некоторая часть аммиака уходит в атмосферу и вместе с углекислым газом и другими газообразными веществами выполняет функцию удержания тепла планеты. Различные формы азотистых соединений почвы и водной среды могут восстанавливаться некоторыми видами бактерий до оксидов и молекулярного азота. Его результатом является обеднение почвы и воды соединениями азота и насыщение атмосферы молекулярным азотом.

Процессы нитрификации и денитрификации были полностью сбалансированы вплоть до периода интенсивного использования человеком азотных минеральных удобрений в целях получения больших урожаев сельскохозяйственных растений. Таким образом, роль живых организмов в круговороте азота является основной. Современная структура биосферы и границы обитания современных организмов формировались постепенно.

Они являются результатом долгой истории Земли, начиная с ее возникновения и до настоящего времени. Доказательства развития биосферы многочисленны и бесспорны. Это прежде всего ископаемые остатки древних организмов.

Изучая их, ученые установили главные этапы в истории развития органической жизни планеты. Предполагают, что за всю историю биосферы ее населяли, сменяя друг друга, примерно млн. Важнейший этап развития жизни на Земле тесно связан с изменением содержания кислорода в атмосфере и становлением озонового экрана. Древние фототрофные цианобактерии насытили кислородом первичный океан, благодаря которому водные организмы получили возможность осуществлять аэробное дыхание.

Поступление кислорода в атмосферу обусловило образование мощного озонового слоя, поглощающего коротковолновое ультрафиолетовое излучение. Формирование озонового слоя позволило организмам выйти на сушу и заселить ее разнообразные местообитания. К концу палеозоя, в пермском периоде, концентрация кислорода в атмосфере достигла современного уровня.

Каждый период развития биосферы характеризовался свойственным ему комплексом условий среды и живых организмов. В кайнозойскую эру произошло становление человека, который в начале своей эволюции хорошо вписывался в природу.

Перейдя к активной трудовой деятельности, человек вырвался из плена естественной природной зависимости. Человеческое общество с течением времени усиливало свое воздействие на природную среду. В настоящее время в эпоху НТР, совпавшей с бурным ростом численности населения планеты демографический взрыв , деятельность человека соизмерима по своим последствиям на природную среду с действием самых мощных природных явлений.

Устойчивость биосферы , то есть ее способность возвращаться в исходное состояние после любых возмущающих воздействий, очень велика.

Биосфера существует уже около 3,8 миллиарда лет Солнце и планеты — около 4,6 миллиарда , и за это время ее эволюция не прерывалась. Это следует из того, что все живые организмы, от вирусов до человека, имеют один и тот же генетический код, записанный в молекуле ДНК, а их белки построены из 20 аминокислот, одинаковых у всех организмов. И как бы ни были велики возмущающие воздействия, а некоторые из них можно отнести к разряду глобальных катастроф, приводивших к исчезновению многих видов, в биосфере всегда находились внутренние резервы для восстановления и дальнейшего развития.

Специфика живого вещества заключается в следующем: Живое вещество биосферы характеризуется огромной свободной энергией. В неорганическом мире по количеству свободной энергии с живым веществом могут быть сопоставлены только недолговечные незастывшие лавовые потоки. Резкое отличие между живым и неживым веществом биосферы наблюдается в скорости протекания химических реакций: Отличительной особенностью живого вещества является то, что слагающие его индивидуальные химические соединения — белки, ферменты и пр.

Произвольное движение живого вещества, в значительной степени саморегулируемое. Вернадский выделял две специфические формы движения живого вещества: Живому веществу также присуще стремление заполнить собой все возможное пространство.

Живое вещество обнаруживает значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. Кроме того, в отличие от неживого абиогенного вещества живое вещество не бывает представлено исключительно жидкой или газовой фазой. Тела организмов построены во всех трех фазовых состояниях. Живое вещество представлено в биосфере в виде дисперсных тел — индивидуальных организмов. Причем, будучи дисперсным, живое вещество никогда не находится на Земле в морфологически чистой форме — в виде популяций организмов одного вида: Живое вещество существует в форме непрерывного чередования поколений, благодаря чему современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых эпох.

При этом характерным для живого вещества является наличие эволюционного процесса, т. Вернадский — автор работ по философии естествознания и науковедению, создатель учения о биосфере и ее эволюции, о воздействии человека на окружающую среду и о преобразовании биосферы в ноосферу — сферу разума.

Биосфера, по Вернадскому, — это целостная биогеохимическая оболочка нашей планеты, развивающаяся по своим внутренним законам. Главным фактором, основной геологической силой, формирующей биосферу и ее системы, выступает живое вещество, осуществляющее многообразные геохимические и планетарно-космические функции. Сущность нового подхода к построению научной картины мира Вернадский сформулировал в двух фундаментальных обобщениях.

В физической картине мира живое практически не принимается во внимание или рассматривается как более сложное проявление физико-химических закономерностей.

В биосферной же картине мира живое вещество понимается как основополагающая планетарно-космическая сила, способствующая организованности природных процессов. Второе обобщение, сформулированное Вернадским в ходе разработки учения о ноосфере, указывает на существование трех раздельных пластов реальности: Эти 3 пласта резко отличны по свойствам пространства-времени. Они проникают друг в друга, но вместе с тем отграничиваются друг от друга в содержании и методике изучаемых в них явлений.

Вернадский показал, что развиваемые им понятия биосферы и ноосферы являются главным связующим звеном в построении многоплановой, многопластовой картины мира. В основном, зелёные растения синтезируют органические вещества из неорганических в процессе фотосинтеза , однако некоторые виды бактерий-хемотрофов способны на чисто химический синтез органики и без солнечного света.

Являются первым звеном пищевой цепи. Редуценты также деструкуторы, сапротрофы, сапрофиты — организмы, разрушающие остатки мёртвых растений и животных черви, мокрицы, раки, сомы, грифы и превращающие их в неорганические соединения бактерии, грибы. Консументы гетеротрофные организмы, гетеротрофы — организмы, неспособные синтезировать органические вещества из неорганических. Потребляют органические вещества в готовом виде 1-го порядка — растительноядные, 2-го и больших порядков — плотоядные и хищники; всеядные животные.

Являются вторым, третьим и далее звеньями пищевой цепи. Основные понятия Понятие биосферы, ее структура. Вопросы для беседы 1.