Реферат

по  теме :

ОСНОВЫ УЧЕНИЯ О БИОСФЕРЕ

ОСНОВЫ  УЧЕНИЯ О БИОСФЕРЕ

Строение  и эволюция биосферы

   Термин "биосфера" впервые введен в  науку австрийским  натуралистом Э. Зюссом в 1875 г. для обозначения общего облика поверхности Земли, ее лика, обусловленного  наличием на планете живых организмов. Целостное учение о биосфере и протекающих в ней процессах, ее строении и функциях развито в 30-е годы XX в. советским геохимиком В. И. Вернадским. Он рассматривал совокупность живых организмов Земли как единый всеобщий фактор, который вовлекает в круговорот косную материю планеты, аккумулируя энергию Космоса и преобразуя ее в энергию земных процессов.

   Под биосферой необходимо понимать специфическую оболочку небесного тела, в пределах которой существует жизнь, т. е. обитают и размножаются живые существа. Согласно данному определению, биосфера включает твердую оболочку Земли (литосфера), водную (гидросфера) и газовую (тропосфера) оболочки.

   Что же характерно для биосферы как особой оболочки земного шара? Во-первых, это область, в которой в значительном количестве имеется жидкая вода, во-вторых, на нее падает мощный поток энергии Солнца, в-третьих, в биосфере существуют поверхности раздела между веществами, находящимися в жидком, твердом и газообразном состоянии. И наконец, в биосфере жизнь защищена озоновым экраном от жесткого ультрафиолетового излучения.

   Литосфера — верхний каменный твердый слой Земли — составляет нижнюю сферу географической оболочки. На равнинах она имеет мощность 30—40 км, в горах— 50—60, а в пределах морей и океанов — 3—10 км. Литосфера состоит из слоя осадочных пород, ниже которых лежат гранитный и базальтовый слои. На суше плотно заселен только тонкий слой: от десятков сантиметров до нескольких метров, но по трещинам, кавернам, пустотам жизнь распространилась в толщу земной коры до глубины 5—7 км (предел глубин, где обнаруживаются жизнеспособные формы), где есть жидкая вода.

   Атмосфера — воздушная оболочка — достигает мощности до 20 тыс. км. Она состоит из пяти слоев. Сфера жизни охватывает первый слой атмосферы — тропосферу — и частично заходит в стратосферу.

В пределах тропосферы ограничивающими факторами  служат излучение, недостаток влаги, кислорода  и низкое парциальное давление.

Вероятно, на высоте выше 6200 м над уровнем моря хлорофиллоносные растения существовать не могут, хотя отдельные организмы встречаются и на большей высоте. По-видимому, они питаются ногохвостками и клещами (например, пауки), а те в свою очередь довольствуются зернами пыльцы и другими органическими частицами, заносимыми сюда ветрами. В покоящемся состоянии (в виде спор, цист, грибов и бактерий) организмы могут встречаться на высоте до 12—15 км. В жидкой среде (гидросфере) ограничивающими факторами могут служить большое давление и отсутствие света, начиная с глубины 200 м. Несмотря на это, жизнь обнаруживается на глубинах до 11 тыс. м.

Между земной корой, гидросферой и атмосферой происходит взаимообмен веществом  и энергией, который находит свое выражение, например, в тектонических  движениях (землетрясение, вулканизм). Общая мощность географических оболочек меняется от 80—90 км в горных системах до 25—30 км в океанах.

      Самой активной формой материи во Вселенной  является живое вещество. По сравнению  с массой Земли масса живого вещества незначительна. Если собрать все население биосферы и гомогенизировать (размельчить) его, то получим слой толщиной в лист бумаги. По расчетам специалистов в сырой массе это будет примерно 240 г/м". Если вещество высушить, то его масса будет еще меньше, так как 75—80 % приходится на долю воды. Несмотря на малую массу, живое вещество, выполняя наиболее существенные функции, является самой важной энергетической частью биосферы.

В целом  общая биомасса живого вещества на планете оценивается в 2423,2 млрд т сухой массы (табл. 1). Несмотря на то, что гидросфера составляет около 71 % всей поверхности земного шара, основная масса жи- 

Таблица 1. Биомасса организмов Земли (млрд. т сухой массы) 

вого  вещества биосферы сосредоточена на континентах (свыше 99,8 %). Вклад океаносферы составляет только 0,13 %.

На континентах преобладают растения (99,2 %), в океане—животные (93,7%). Живое вещество планеты сосредоточено преимущественно в зеленых растениях суши. Организмы, не способные к фотосинтезу, составляют менее 1 %.

Кроме того, биомасса наземных растений по абсолютной величине на четыре порядка больше, чем водных (см. табл. 1). Вместе с тем по своим функциональным особенностям наземные и водные растения вполне сопоставимы.

      Приблизительно  половина кислорода на Земле образуется в процессе фотосинтеза растениями суши (главным образом влажных тропических лесов), вторая половина — мельчайшими растениями гидросферы (фитопланктоном), хотя биомасса тех и других несопоставима между собой. Такое явление объясняется тем, что скорость продуцирова-ния микроскопических растений во много раз выше, чем крупных наземных форм. В этом проявляется одна из общих биологических закономерностей: интенсивность процессов жизнедеятельности (питания, роста, обмена) выше у более мелких организмов. Поэтому при сравнительно небольшой биомассе (0,2 млрд т) величина их продуктивности близка величине продуктивности высших растений (биомасса 2400 млрд т).

Под живым  веществом понимают совокупность массы  всех организмов, населявших в тот  или иной момент нашу планету.

      По  Вернадскому, живые организмы участвуют  в круговороте многих химических элементов. Проявление жиз-ни коренным образом изменяет течение всех химических реакций в земной коре, и чуть ли не каждый из элементов проходит в общей цепи превращений через биогеохимическое звено. Таким образом, жизнедеятельность организмов — это глубокий и мощный геологический процесс. Масштабы работы живого вещества таковы, что в течение короткого промежутка времени через живые организмы может пройти все вещество биосферы. Так, весь кислород атмосферы, являясь продуктом процесса фотосинтеза, обновляется благодаря жизнедеятельности зеленых хлоро-филлоносных растений каждые 2 тыс. лет, а все молекулы СОз, участвующие в процессе фотосинтеза,— каждые 300 лет.

        Мощь геологического и геохимического  воздействия живого вещества на поверхностные оболочки планеты целиком и полностью определяются его особыми специфическими функциями.

Живое вещество в биосфере выполняет следующие  основные функции: газовую, концентрационную и окислительно-восстановительную.

      Одной из важнейших функций живого вещества является газовая, заключающаяся в динамике и трансформации газов в биосфере. Известно, что в процессе фотосинтеза выделяется кислород, который обогащает нашу планету. В настоящее время весь кислород в свободном и связанном состоянии биогенного происхождения. В процессе дыхания и брожения происходит поглощение кислорода и выделение углекислого газа как конечного продукта окислительного процесса, присущего живой системе. В большом количестве выдыхаются азот и пары воды. В процессе газового метаболизма могут выделяться сероводород (при неполном окислении органических веществ), метан и др.

      Живые организмы способны накапливать  определенные химические элементы и  соединения таким образом, что если в окружающей среде концентрацию элемента принять за единицу, то на первом трофическом уровне у фотосинтезирующих организмов она возрастет в 10 раз, на следующем, например у фитофагов,— в 100—1000 раз. В результате концентрации элементов по трофическим уровням из безвредных в окружающей среде они могут стать токсичными (летальными). Данная функция свойственна разным таксономическим группам организмов в различных количественных отношениях. Этим объясняется тот факт, что хищники высокого ранга (орел, лососи), принадлежащие к высокому трофическому уровню, в пищевых цепях подвержены большим опасностям.

      Концентрационная  функция — это эволюционно выработавшееся приспособление, обеспечивающее выживание организмов в существующих условиях обитания, но ставшие вследствие деятельности человека опасным для живых организмов. Результат этой функции в масштабах биосферы — накопление залежей полезных ископаемых, например, известняка, мергеля, туфа, торфа, каменного угля и др.

      Окислительно-восстановительные  функции и реакции лежат в  основе всякого биологического метаболизма. Если в одних процессах преобладает  одна, то в других — другая функция, которые балансируются в масштабе биосферы.

Жизнь и прокариот и эукариот — это непрекращающийся синтез и распад органических веществ, объединяющие все живые организмы на Земле. На разных этапах развития биосферы соотношение этих процессов менялось. В частности, в момент возникновения биосферы, когда природа была молода, созидание преобладало над разрушением, что имело для нее определенные последствия. Из первичной атмосферы в большом количестве были изъяты метан, сероводород и углекислый газ, а концентрация свободного кислорода, отсутствовавшего в ней прежде, была доведена до нынешней — 21 %.

      При достижении расцвета теплокровных животных в биосфере это неравенство перешло  в относительное равновесие. В  этот период времени появился человек. С момента расцвета промышленности до настоящего времени процессы разрушения стали преобладать над созиданием, причем наблюдается тенденция к их увеличению.

Для того, чтобы биосфера существовала и на Земле не прекращалось развитие жизни, в природе должен происходить  непрерывный круговорот органического  вещества и химических элементов. Единственный способ придать ограниченному количеству вещества свойство бесконечного—это, как считал советский ученый В. В. Вильяме, заставить его вращаться по замкнутой кривой.

      В биотическом круговороте особенно велика роль микроорганизмов, которые, минерализуя органические вещества отмерших животных и растений, превращают их в минеральные соли и простейшие органические соединения. Вновь образованные биогенные элементы используются благодаря распаду и деструкции, осуществляемой в основном микроорганизмами,                        Единственный источник энергии на Земле, от которого зависит жизнь,— Солнце. Поверхность Земли ежегодно получает около 1,2 • 1020 кДж солнечной энергии. Примерно половина этого количества идет на испарение воды. На синтез органического вещества в процессе фотосинтеза тратится в среднем 0,1—0,2 % от приходящей энергии Солнца. Благодаря этому суммарная первичная продукция Земли за год составляет около 232,5 млрд. т сухого органического вещества. В целом растения ежегодно продуцируют массу органического вещества, равную 10 % от их биомассы, а деструкторы, составляющие примерно 1 % от суммарной биомассы организмов планеты, вынуждены перерабатывать массу органического вещества, в 10 раз превосходящую их собственную. Эти ориентировочные сравнения показывают исключительно тесную связь главных компонентов биотического круговорота.

      Запасание солнечной энергии на Земле, используемой на жизнедеятельность всех живых  организмов, происходит только на первом трофическом уровне, на уровне продуцентов. Во всех остальных звеньях пищевой цепи происходит только ее потребление и расходование с разной эффективностью, сопровождающиеся потерей энергии в виде тепла. Чем выше трофический уровень организма, тем больше эти потери. После отмирания организмов и их полной минерализации органические и минеральные вещества вступают в новый круговорот. Они вновь используются в процессе новообразования органического вещества и его расходования по цепям питания.