§ 46. круговорот веществ и приток солнечной энергии

История возникновения понятия

В середине XVIII в. французский врач Ф. Вик-д’Азир выразил мысль о связи жизни со всей окружающей средой. Впервые концепцию существования единой оболочки, в пределах которой существуют живые организмы или продукты их жизнедеятельности, вывел французский естествоиспытатель Ж. Б. Ламарк в начале XVIII в. В середине второй половины XIX в (1875 г.) другой ученый, австрийский геолог Э. Зюсс, ввел в обращение термин «биосфера».

Согласно терминологии Э. Зюсса, биосфера – это «тонкая пленка жизни», окутывающая земную поверхность и определяющая ее облик.

Панспермия – теория космического переноса биомассы

Основоположником и создателем учения о преобразовании планеты живыми организмами был В. И. Вернадский. В начале ХХ в (1926 г.) советский ученый определил активное участие биологических видов в формировании геологических структур планеты. При разработке учения академик не исключал концептуальной связи совокупной экосистемы с теорией панспермии (космического переноса биомассы).

Тема 5.3. Биосфера – глобальная экосистема. — 10-11 класс, Пасечник (рабочая тетрадь).

Биосфера – глобальная экосистема. Учение В. И. Вернадского о биосфере.

1. Дайте определения понятий. Биосфера — оболочка Земли, заселенная живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; «пленка жизни»; глобальная экосистема Земли. Ноосфера — сфера разума; сфера взаимодействия общества и природы, в границах которой разумная человеческая деятельность становится определяющим фактором развития.

2. Составьте таблицу.

Компоненты биосферы (по В. И. Вернадскому)

3. Каковы основные признаки биосферы как глобальной экосистемы? Биосфера представляет собой гигантский биогеоценоз, который существует благодаря тесной взаимосвязи всех его структурных компонентов, представляет собой целостную и устойчивую систему, прошедшую длительный путь исторического развития. Биосфера – это оболочка Земли, где существует или когда-либо существовала жизнь, и которая подвергается или подвергалась воздействию живых организмов. Отдельные организмы на определенных территориях образуют популяции, популяции разных видов объединяются в биоценозы. Биоценозы и неживые факторы среды образуют биогеоценозы или экосистемы. Каждая экосистема граничит с другой экосистемой, происходит обмен веществом и энергией. Все экосистемы Земли объединены круговоротом веществ и потоком энергии и образуют единую глобальную экосистему, которую называют биосферой.

4. Охарактеризуйте основные жизненные свойства, проявляющиеся на биосферном уровне организации жизни на Земле. На этом уровне происходит: глобальный круговорот веществ и превращение энергии, а так же взаимодействие живого и неживого вещества планеты (обмен веществ).

Биологический круговорот. Эволюция биосферы

1. Дайте определение понятий. Биологический круговорот – это перемещения и превращения химических элементов через косную и органическую природу при активном участии живого вещества. Эволюция биосферы – процесс непрерывного, одновременного и взаимосвязанного изменения: а) характера живого вещества (возникновения, развития и вымирания видов, формирования и разрушения биотических сообществ); б) свойств биосферы как оболочки Земли, преобразуемой этим веществом, и в) экосферы планеты. 2. Составьте схему круговорота любого из перечисленных веществ: вода, углерод, азот, сера, фосфор.

Круговорот азота

3. Заполните таблицу.

Основные этапы развития биосферы

4. Какое влияние оказывает человек на биосферу? Человечество стало создавать фактически искусственную среду своего обитания. С этих пор эволюция биосферы вступила в новую фазу, где человеческая деятельность стала мощной природной движущей силой. С момента развития промышленности до настоящего времени, в связи с активным использованием природных ресурсов и нарушением сложившегося в природе равновесия, процессы разрушения в биосфере стали преобладать над процессами созидания. Биосфера находится на грани экологического кризиса. Его последствия могут быть катастрофическими для человечества. Мировое сообщество серьезно обеспокоено нарушениями в биосфере, к которым приводит непродуманная деятельность человека. Для их ликвидации принят целый ряд международных соглашений, которые должны уменьшить выброс в атмосферу вредных веществ, защитить от загрязнения почву и водоемы.

Границы биосферы

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.

Свойства биосферы необходимые для возникновения и продолжения жизни

• Наличие CO₂ и кислорода;
• вода – источник жизни на земле, присутствие, как пресных водоемов, так и соленых;
• регуляция температуры: отсутствие резких перепадов, сверхвысоких и низких показателей;
• обеспечение всего живого продуктами питания;

До сих пор нет единого определения. Существует три версии, что такое биосфера:

1. Общая масса всех живых существ, которые обитают в оболочках земли, является биосферой.
2. Организмы и места их жизнедеятельности вместе составляют биосферу.
3. Это следствие продолжительной жизни существ, обитавших задолго до наших дней.

Ученые-геологи считают правильной первую точку зрения, так как другие не имеют теоретического подкрепления.

Биосфера простилается по всей поверхности Земли (горы, поля, реки, моря, океаны) и создает условия для жизнедеятельности всех организмов. Человек также является составляющим звеном.

Основные функции и свойства

Функциями биомассы обусловлены все геологические и биохимические процессы в пределах глобальной экосистемы. Выделяют несколько основных функций биосферы:

• переработка энергии (впитывание или поглощение, трансформация, передача солнечного тепла и света по пищевой цепи);
• концентрация химических элементов;
• усвоение и выделение газов;
• окислительно-восстановительные реакции в пределах среды обитания;
• разложение;
• минерализация биокосного вещества.

В течение жизненного цикла и последующего распада органические формы обеспечивают перемещение химических веществ из одной структурной оболочки в другую.

Свойства, необходимые для происхождения и развития жизни

Все свойства биосферы удовлетворяют условиям, при которых возможно возникновение и эволюция живых организмов. К основным факторам, которые поддерживают баланс жизни, относятся:

• наличие солнечной энергии;
• присутствие воды;
• фотосинтез растений;
• разложение мертвой органики.

Эти свойства сохраняют видовое разнообразие и обеспечивают биотический круговорот.

Предварительный просмотр:

Проверочная работа по теме: «Основы учения о биосфере»

Задание А. Выпишите номера вопросов, напротив них запишите буквы правильных ответов.

Задание Б. Кратко ответьте на поставленные вопросы.

( Изменение газового состава атмосферы; накопление горных пород и минералов; вовлечение в круговорот отмерших органических остатков и др. )

Энергетическая состоит в способности зеленых растений ассимилировать и передавать по пищевой цепи энергию Солнца. )

( Атомы азота входят в состав многих органических молекул. В отсутствие этого вещества невозможны нормальный рост и накопление фитомассы стеблей и листьев растений. )

( Биомасса продуцентов в Мировом океане составляет примерно 2,6 млрд т, что составляет примерно 8,5% от общей биомассы.

Однако продуктивность продуцентов составляет 430 млрд т, что составляет всю продуктивность Мирового океана. )

( Например: хамса скумбрия дельфин. )

Задание А. Выпишите номера вопросов, напротив них запишите буквы правильных ответов.

Задание Б. Кратко ответьте на поставленные вопросы.

( Жесткий ультрафиолет, низкая температура воздуха, отсутствие кислорода и углекислого газа, высокий уровень радиации и др. )

( детрит двустворчатые моллюски морские звезды. )

( Биомасса редуцентов в Мировом океане составляет ничтожную часть от общей биомассы, а продуктивность и того меньше. )

Задание А. Выпишите номера вопросов, напротив них запишите буквы правильных ответов.

Задание Б. Кратко ответьте на поставленные вопросы.

( Высокое давление, отсутствие света, соленость водной среды выше 270 г/л. )

( С погружение в глубину окраска водорослей меняется от зеленой до бурой и красной. Это связано с уменьшением количества солнечного света, попадающего в более глубокие слои воды и, соответственно уменьшением количества хлорофилла и увеличением количества каротиноидов. )

Задание А. Выпишите номера вопросов, против них запишите буквы правильных ответов.

Здание Б. Кратко ответьте на поставленные вопросы.

( Живое вещество распространено почти по всей земной поверхности, там, где есть подходящие условия для жизни. Живое вещество оказывает мощное давление на все оболочки Земли. Например, изменяет газовый состав атмосферы, способствует образованию горных пород (нефть, каменный уголь, известняк) окисляет горные породы и тд. )

( Наличие воды в жидкой фазе, наличие свободного кислорода и углекислого газа, определенный температурный режим, наличие минимума минерального питания и др. )

( Совокупность всех живых организмов биосферы. )

( Атомы фосфора входят в состав многих органических молекул. Недостаток этого вещества у растений угнетает процессы цветения и плодоношения.)

( Например: фитопланктон зоопланктон медуза. )

( По биомассе консументы составляют более 90% общей биомассы Мирового океана, однако продуктивность их очень невелика по сравнению с продуктивностью продуцентов. )

1. «Биология» (Еженедельное приложение к газете «Первое сентября»

Источник

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.

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

Биосферные заповедники

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.

Характеристика биосферы как глобальной экологической системы

Вопрос 3. Чем определяются границы распространения живых организмов в биосфере?Границы распространения живых организмов в биосфере определяются абиотическими факторами: количеством осадков, температурой, давлением, содержанием кислорода, уровнем ультрафио-летового излучения и др. Там, где эти факторы сильно отклоняются от оптимальных значений, жизнь становится невозможной (высокогорье, полярные зоны, пустыни, вулканы, пещеры).Признаки жизни в атмосфере обнаруживаются вплоть до высоты 20 км (уровень озонового слоя), где можно встретить споры, бактерий, мельчайших членистоногих. Однако полноценные экоси-стемы располагаются вблизи поверхности планеты (в горах — до высоты 3-5 км). Водная оболочка Земли заселена практически полностью; живые организмы встречаются даже на дне Марианской впадины (глубина более 11 км). Вместе с тем основная часть биомассы сосредоточена в верхних слоях гидросферы, где возможно существование фотосинтетиков. Жизнь в литосфере почти полностью сосредоточена в почве, толщина которой может достигать нескольких метров. Однако бактерии в месторождениях полезных ископаемых (например, нефти) обнаружены на глубине до 3-4 км.

Вопрос 4. Как формируется биокосное вещество биосферы?Биокосное вещество образуется в результате взаимодействия живых организмов и неорганической природы. Примерами биокосного вещества являются ил и почва. Первый этап почвообразования — это почти исключительно физико-химические процессы: солнечные лучи вызывают неравномерное нагревание горных пород, происходит их выветривание, вымывание и т. д. Но параллельно с этим начинают действовать и постепенно выходят на первый план биологические факторы: накопление органических остатков и за счет активности редуцентов формирование перегноя и гумуса. Начальные шаги в этом направлении осуществляют «пионеры жизни» — лишайники и цианобактерии, способные существовать практически на голых камнях и ускорять их разрушение. Затем, по мере накопления доступных для высших растений запасов минеральных веществ, к почвообразованию подключаются мхи, травы, кустарники и т.д.

Источник

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.

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.

Промышленное загрязнение биосферы

Деятельность человека постоянно вызывает изменение облика Земли. Если говорить о масштабах воздействия, различают загрязнения биосферы по степени влияния на окружающий мир. Основные факторы:

Локального характера:

1. Горнорудные разработки, они меняют экосреду растений и животных, влияют на подводных обитателей;
2. Крупные предприятия промышленного и животноводческого направления;
3. Электростанции, преобразующие разные виды энергии.

• Региональные, охватывающие большие территории. В большой доле урбанизация влияет на загрязнение биосферы, вокруг городов разрастаются производственные площадки, развиваются сельскохозяйственные комплексы.
• Изменения планетарного уровня, например, тепловое загрязнение вызывает парниковый эффект, от вредных выбросов возникают климатические аномалии.

Деятельность человека приводит к накоплению в воде и почве чуждых для естественной природы компонентов. Возрастает ингредиентное загрязнение металлами, ядохимикатами, карьерными отработками, промышленными стоками.

Предприятиями, транспортом, сельским хозяйством и энергетикой вырабатывается основной объем загрязнителей мировой экосистемы.

Химические

По подсчетам Всемирной организации здравоохранения, влияние на здоровье человека оказывают до полумиллиона химических элементов. 40 тысяч из них относятся к категории вредных веществ, 12 тысяч – токсичных.

10 загрязнителей биосферы

Ежегодно увеличивается объем углекислого газа. Выбросы металлургических предприятий вызывают кислотные дожди. Появляются соединения синтетического происхождения, не свойственные природе (до 200 тысяч в год):

• активные ПАВ;
• нефтепродукты (топливо, масла и другое);
• удобрения и с/х химия;
• пищевые добавки и лекарственные средства;
• косметика, ароматизаторы;
• растворители, лаки, строительные материалы.

Токсичное поражение биосферы вызывают массовые загрязнители:

• сернистые компоненты;
• синтезируемые ароматизаторы канцерогенного характера;
• хлорсодержащие неорганические и органические соединения;
• пестициды;
• газообразные СО, NО2;
• радиоактивные вещества с разным периодом разложения;
• тяжелые металлы, в том числе свинец, кадмий, ртуть.

Для опасных загрязнителей устанавливают ПДК (уровень предельной концентрации), пределы токсичности, определяют длительность воздействия.

Физические

Факторы, влияющие на измеряемые параметры окружающей среды, называют физическим загрязнением биосферы:

• Радиоактивные факторы вызывают мутации, системные заболевания.
• Тепловые влияют на погоду.
• Выделяют волновые загрязнители, к ним относится шум, свет, всевозможные вибрации, электромагнитные излучения в диапазоне от долей Герца до МГц.

На человека, экосистему воздействуют постоянные вибрации, оценивается вибрационная нагрузка. Установлен предел, имеющий биологический эффект. Основные источники вибрации:

• автомобильный, ж/д транспорт;
• силовые установки, большегрузная строительная, землеройная спецтехника;
• технологическое оборудование ударного действия.

Акустическое загрязнение – шум различной интенсивности в диапазоне от ультра до инфразвуков, влияющих на психологическом уровне. Установлен критический предел акустического воздействия: в пределах городской среды инфразвук не должен превышать 90 дБ.

Биологические

Человек создает новые виды растений, делает эксперименты на клеточном уровне. Последствия генной инженерии пока трудно оценить с экологической точки зрения. Биоматериалы, используемые для разработки вакцин, лекарств, бактериологического оружия представляют угрозу загрязнения биосферы. Под влиянием загрязнителей продуцируются новые виды микроорганизмов.

Яды, тяжелые металлы вызывают мутагенные изменения в организме, проблемы со здоровьем. Токсические вещества оказывают канцерогенное действие. Среди загрязнителей есть вещества, изменяющие состояние тканей, биологических мембран.

История развития биосферы

Развитие наблюдается лишь в живом веществе и связанным с ним биокосном. В косном веществе нашей планеты эволюционный процесс не проявляется.

Зарождение жизни

Жизнь на Земле зародилась ещё в архее — примерно 3,5 млрд лет назад в гидросфере. Такой возраст имеют найденные палеонтологами древнейшие органические остатки. Возраст Земли как самостоятельной планеты Солнечной системы оценивается в 4,5 млрд лет. Таким образом, можно считать, что жизнь зародилась ещё в юношескую стадию жизни планеты. В архее появляются первые эукариоты — одноклеточные водоросли и простейшие организмы. Начался процесс на суше. В конце архея появился половой процесс и многоклеточность у животных организмов.

Будущее биосферы

С течением времени биосфера становится всё более неустойчивой. Существует несколько трагичных для человечества преждевременных изменений состояния биосферы, некоторые из них связаны с деятельностью человечества.

Некоторые философы, например, Дэвид Пирс, выступают за модификацию биосферы с целью избавления от страданий всех живых существ и создание в буквальном смысле рая на Земле (см. одно из значений слова аболиционизм).

Учение В.И. Вернадского о биосфере

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

• 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:

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:

• 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.