БИОСФЕРА
Термин биосфера был предложен в 1875 г. австрийским геологом Э. Зюссом. А в 1926 г. В. И. Вернадский создал учение о биосфере, как активной оболочке Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов (в том числе и человека) проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба и значения. И сейчас, вслед за Вернадским, биосферой называют область активной жизни, оболочку Земли, населенную живыми организмами, охватывающую нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.
Жизнь на Земле существует в неклеточной и клеточной формах. Неклеточная форма живого вещества представлена вирусами, которые лишены раздражимости и собственного синтеза белка. Простейшие вирусы состоят лишь из белковой оболочки и молекулы ДНК или РНК, составляющей сердцевину вируса. Иногда вирусы выделяют в особое царство живой природы – Vira. Они могут размножаться только внутри определенных живых клеток. Клеточные формы жизни представлены прокариотами и эукариотами. К прокариотам – доядерным организмам, относятся различные бактерии. Эукариоты – это организмы, в клетках которых имеется обособленное ядро. К ним относятся все высшие животные и растения, а также одноклеточные и многоклеточные водоросли, грибы и простейшие.
Биосфера, как особая оболочка Земли сформировалась в процессе эволюции. Миллиарды лет геологической истории увеличивалось разнообразие живых организмов, усложнялась их организация, возрастала их общая масса и влияние на все оболочки. Растения изменили состав атмосферы: обогатили её кислородом и уменьшили содержание углекислого газа. Химический состав океанских вод сформирован и в значительной степени при фильтрации воды живыми организмами. Большое влияние оказали живые организмы на литосферу. Они принимают активное участие в процессах выветривания, в создании органогенных горных пород (известняков, каменного угля, торфа, по одной из теорий, нефти и др.), а также некоторых форм рельефа, например коралловых островов (атоллов), термитников. Велика роль живых организмов в создании особого природного образования – почвы.
|
|
Развитие жизни шло неравномерно. Некоторые виды (например, сине-зеленые водоросли) сохранились с архея до наших дней; другие дали начало возникновению сложных форм живого, вплоть до человека; многие вымерли, не сумев приспособится к изменяющимся условиям среды. За всю историю биосферы существовало примерно 500 млн. видов, в настоящее время их осталось только около 2 млн.
Удивительно высока потенциальная возможность размножения живых организмов, и приспособляемость их к условиям среды. Микроорганизмы были обнаружены в исландских гейзерах, имеющих температуру 93°С. Споры некоторых бактерий сохраняют жизнеспособность при температуре – 253°С. Чтобы захватить всю поверхность планеты, холерной бактерии при благоприятных условиях хватило бы 1,2 суток, комару – 203 дня, а крысе – 8 лет; потомство одного одуванчика через 10 – 12 лет покрыло бы всю сушу.
Живое вещество биосферы – это совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, вне зависимости от их систематической принадлежности. Живое вещество характеризуется определенным биологическим и химическим составом; на 98% оно представлено биомассой растений, грибов и микроорганизмов суши. Животные составляют только 1,4% общей массы живого вещества, при этом в биомассе океана на долю животных приходится 93,7%, в биомассе суши – 0,8%. Максимальная плотность живого вещества (свыше 90 % общей биомассы) отмечается на поверхности суши, главным образом в тропических лесах (до 500 т/га); минимальная – в высокогорьях, пустынях и полярных областях; в пределах гидросферы биомасса концентрируется в поверхностном (планктонном) слое зоны морского мелководья. Число видов животных (1,5 млн.) много больше, чем растений (около 500 тыс.), но по массе вещества растения в тысячу раз превышают массу животных. На суше биомасса растений значительно больше биомассы животных, в океане, наоборот, по массе преобладают животные.
|
|
По условиям обитания в органическом мире океана выделяют планктон – пассивно плавающие в воде и не имеющие двигательного аппарата растения (фитопланктон – 70 % биомассы) и животные (зоопланктон); нектон – активно плавающие животные (рыбы, плавающие моллюски, китообразные и др.) и бентос – растения и животные, живущие на дне. Общие закономерности географического распределения живого вещества в Мировом океане таковы: в тропиках мала биомасса (менее 0,01 кг/т2), поскольку в теплой воде содержится недостаточное количество кислорода, но велико видовое разнообразие. Повышенная биопродуктивность и биомасса (до 0,5 кг/м2) свойственны районам подъема холодных глубинных вод (зоны апвеллинга) у западных побережий материков; районам расходимости поверхностных течений (зоны дивергенции) в восточных частях Атлантического, Индийского и Тихого океана в умеренных и субтропических широтах. В холодных водах на севере Тихого океана, на стыке Атлантического и Северного Ледовитого биомасса достигает 2 кг/м2, но видовое разнообразие невелико. \
|
|
Распределение биомассы на суше, в целом, обратно океаническому и важнейшими определяющими факторами здесь являются – количество приходящей солнечной энергии и соотношение тепла и влаги.
Живые организмы не повторяют состава среды своего обитания, они избирательно поглощают элементы, необходимые для построения своих тканей
Воздействие человека на биосферу возрастает и существенно затрагивает все ее составляющие. Человек создал десятки тысяч новых сортов растений и пород животных, ускоряет эволюцию видов в природе, обогащает природные сообщества путем акклиматизации живых организмов, повышает плодородие почв. В 30-40 годы XX века В. И. Вернадским выдвинуто понятие о ноосфере как о новом состоянии биосферы, при котором главным определяющим фактором ее развития становится разумная деятельность человека. Однако последствия этой деятельности неоднозначны, часто приводят к интенсивному уничтожению естественной растительности, животных, ухудшению условий обитания живых организмов, разрушению почв в результате эрозии и т. д.
Задание № 1. Круговорот веществ в биосфере. Круговорот углерода.
Вся жизнь на Земле основана на углероде (С). Каждая молекула живого организма построена на основе углеродного скелета. Атомы углерода постоянно мигрируют из одной части биосферы (узкой оболочки Земли, где существует жизнь) в другую. На примере круговорота углерода в природе можно проследить в динамике картину жизни на нашей планете.
Из данных компонентов составьте схему круговорота углерода в природе: углекислый газ атмосферы, травоядные животные, зеленые растения, сжигания топлива человеком, грибы и бактерии, осадочные карбонатные породы, хищники, вулканическая деятельность.
Задание № 2.
Тестовые задания
Задание № 1. Выберите правильный ответ.
Почему биосфера – открытая система? 1) состоит из экосистем, 2) способна изменяться во времени, 3) связана с Космосом обменом веществ и энергии, 4) способна к саморегуляции
Задание № 2. Выберите правильный ответ:
Почему биосферу считают динамичной системой? 1) способна изменяться во времени, 2) обладает устойчивостью, 3) связана с Космосом обменом веществ, 4) не способна к саморегуляции
Задание № 3. Выберите правильный ответ:
Как изменяется биомасса растений суши от полюсов к экватору? 1) уменьшается или увеличивается по сезонам года, 2) увеличивается, 3) уменьшается, 4) практически не изменяется
Задание № 4. Выберите правильный ответ:
Какой процесс жизнедеятельности у млекопитающих животных обеспечивает выполнение ими окислительно-восстановительной функции в биосфере? 1) биоритмы, 2) клеточный метаболизм, 3) фотопериодизм, 4) размножение
Задание № 5. Выберите правильный ответ:
Какой процесс жизнедеятельности у одноклеточных животных обеспечивает выполнение ими концентрационной функции в биосфере? 1) размножение, 2) движение, 3) питание, 4) рост
Задание № 6. Выберите правильный ответ:
Биосфера представляет собой: 1) комплекс видов, обитающих на определенной территории, 2) оболочку Земли, заселенную живыми организмами, 3) гидросферу, заселенную живыми организмами, 4) совокупность наземных биогеоценозов
Задание № 7. Выберите правильный ответ:
Границы биосферы определяются: 1) условиями, непригодными для жизни, 2) колебаниями положительных температур, 3) количество выпадающих осадков, 4) облачность атмосферы
Задание № 8. Выберите правильный ответ:
Живое вещество биосферы – это совокупность всех 1) растений и животных планеты, 2) многоклеточных организмов планеты, 3) микроорганизмов планеты 4) живых организмов планеты
Задание № 9. Выберите правильный ответ:
В масштабе геологического времени большая роль в преобразовании вещества и энергии принадлежит 1) атмосфере, 2) живому веществу, 3) воде, 4) почве
Задание № 10. Выберите правильный ответ:
Благодаря какой функции живого вещества образовались скопления известняка в земной коре? 1) окислительно-восстановительной, 2) репродуктивной, 3) концентрационной, 4) энергетической
Задание № 11. Выберите правильный ответ:
Клубеньковые бактерии на корнях бобовых растений обладают способностью усваивать молекулярный азот атмосферы, выполняя в биосфере функцию: 1) газовую, 2)концентрационную, 3) окислительно-восстановительную, 4) биогеохимическую
Задание № 12. Выберите правильный ответ:
В скверах вблизи крупных магистралей городов листовой опад осенью сгребают и вывозят, так как опавшие листья: 1) накапливают свинец, 2) не подвергаются гниению, 3) ухудшают освещенность почвы, 4) препятствуют доступу воздуха к корням
Задание № 13. Выберите правильный ответ:
Космическая роль растений на Земле состоит в том, что они 1) аккумулируют солнечную энергию, 2) поглощают из окружающей среды минеральные вещества, 3) поглощают из окружающей среды углекислый газ 4) выделяют кислород
Задание № 14. Выберите правильный ответ:
Каковы последствия расширения озоновых дыр?
1) частые извержения вулканов, 2) усиление ультрафиолетового излучения, 3) понижение температуры воздуха, 4) повышение интенсивности инфракрасного излучения
Задание № 15. Выберите правильный ответ:
Ведущую роль в сокращении рыбных запасов Мирового океана сыграли факторы:
1) антропогенные, 2) абиотические, 3) биотические, 4) климатические
Задание № 16. Выберите правильный ответ:
Некоторые виды растений стали редкими, так как 1) сократилась их численность в связи с возрастом, 2) их уничтожили животные, 3) они погибли от болезней, 4) человек сильно изменил их среду обитания
Задание № 17. Выберите правильный ответ:
Необходимое условие устойчивого развития биосферы – 1) сокращение численности хищных животных, 2) уничтожение насекомых-вредителей сельскохозяйственных культур, 3) создание искусственных агроценозов, 4) создание разнообразия видов растений и животных в экосистеме
Задание № 18. Выберите правильный ответ:
Сохранению равновесия в биосфере способствует 1) создание новых сортов растений и пород животных, 2) вселение новых видов в экосистему, 3) уничтожение паразитов и хищников, 4) внедрение в производство малоотходных технологий
Задание № 19. Выберите правильный ответ:
Основу стабильного существования биосферы обеспечивает 1) наличие в ней хищников, 2) применение на полях высокой агротехники, 3) создание заповедных территорий, 4) биологический круговорот веществ
Задание № 20. Выберите правильный ответ:
В целях устойчивого развития и сохранения биосферы человек 1) полностью уничтожает хищников в экосистемах, 2) регулирует численность популяций отдельных видов, 3) увеличивает численность травоядных животных, 4) увеличивает численность насекомых-вредителей
Вопросы для коллоквиума и семинарских занятий по теме «Биосфера»
В чем суть закона биогенной миграции вещества?
Ответ - Мигpация химических элементов на земной повеpхности и в биосфеpе осуществляется, согласно представлениям В.И.Вернадского, или пpи непосpедственном участии живого вещества (биогенная мигpация), или же она пpотекает в сpеде, геохимические особенности котоpой обусловлены живым веществом, как тем, котоpое в настоящее вpемя населяет биосфеpу, так и тем, котоpое действовало на Земле в течение всей геологической истоpии.
Что такое биосфера? Каковы ее сущность и положение в системе земных оболочек.
Ответ - Биосфера, согласно определения В.И.Вернадского, это среда нашей жизни, это та "природа" которая нас окружает, та "природа" о которой мы говорим в разговорном языке? Определение биосферы и ее синонима - Лика Земли были, введены австpийским геологом Э.Зюссом. В.И.Вернадский показал ходом дальнейшего исследования, что его представления были коренным образом изменены, что Лик Земли не является результатом "случайных явлений", а отвечает определенной резко ограниченной геологической земной оболочке - биосфере - одной из многих других, имеющих определенную структуру, характерную для земных планет. Он подчеркивал организованность идущих в ней геологических процессов" Пределы биосферы обусловлены "полем существования жизни", в котором по условиям температуры, химической активности и физического состояния вещества явления жизни могут иметь место.
Каковы функции биосферы в жизни планеты Земля?
Функцией биосферы в жизни планеты Земля являются характерные для нее и теснейшим образом материально и энергетически с ней связанные живые организмы, представляющие собой огромную геологическую силу.
Как следует понимать живое вещество биосферы, участвующее в геологических процессах Земной коры?
Ответ - Живое вещество биосферы, участвующее в геологических процессах Земной коры - есть совокупность всех живых организмов в данный момент существующих, численно выраженная в элементарном химическом составе, весе и энергии. Новым в науке являлась оценка роли живого вещества в геологических процессах. В частности, В.И.Вернадский отмечал, что: современное живое вещество генетически родственно всем прошлым организмам; в современную эпоху живое вещество так же влияет на химический состав земной коры, как и в прошлые эпохи.
Назовите два биогеохимических принципа В.И.Вернадского и поясните причины их действия.
Ответ - Два биогеохимических принципа В.И.Вернадского заключены в следующем:
1. Геохимическая биогенная энергия стремиться в биосфере к максимальному проявлению.
2. При эволюции видов выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают биогенную геохимическую энергию. Действительно, продуценты - зеленые растения и микроорганизмы, использующие солнечную энергию для построения своих тканей не могут не стремиться использовать ее максимально. Потому и создаваемая ими потенциальная энергия стремиться к максимально возможному значению и именно те организмы, которые это обеспечивают оказываются самыми конкурентоспособными.
Перечислите состав вещества биосферы по представлениям В.И.Вернадского.
Ответ - Вещество биосферы по представлениям В.И.Вернадского состоит из семи глубоко разнородных частей: 1) из совокупности живых организмов, живого вещества; 2) вещества, создаваемого и перерабатываемого жизнью, т.е. живыми организмами источником чрезвычайно мощной потенциальной энергии (каменный уголь, битумы, известняки, нефть и т.д,); 3) косного вещества; 4) биокосного вещества, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами; 5) вещества, находящегося в радиоактивном распаде; 6) рассеянными атомами, которые непрерывно создаются из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений; 7) вещества космического происхождения.
Чем определяется постоянство количества живого вещества биосферы?
Ответ - Постоянство количества живого вещества биосферы определяется, по В.И.Вернадскому: 1) предельно максимальной величиной биогеохимической энергии размножения; 2) постоянством площади, доступной заселению организмами, включая как территории континентов, так и океанические пространства. 4) постоянством, в многолетнем режиме, величины солнечной радиации - энергетической основы развития жизни и биогеохимической миграции на Земле.
Что входит в состав биосферной компоненты города?
Ответ - Биосферная компонента города включает в себя, помимо человека, все виды зеленых насаждений, городские популяции животных - голубей, воробьев, ворон, галок, водоплавающих птиц, зимующих на проталинах водных объектов, крыс и мышей, "одомашненных" насекомых, таких как комары, блохи и тараканы, клопы, наконец микробного и вирусного населения многоэтажных зданий и городских квартир.
Круговорот углерода
циркуляция углерода в биосфере. Представляет собою сложную цепь событий. Наиболее важными звеньями ее являются усвоение углекислого газа из воздуха зелеными растениями в процессе ФОТОСИНТЕЗА и возвращение углекислого газа в атмосферу при дыхании, а также при разложении тел животных, питающихся растениями.
Элементарный углерод нахо дится в постоянном движении. Газообразный диоксид углерода (С02) сперва превращается в простые сахара путем фотосинтеза в зеленых растениях. Они расщепляются (при дыхании) и поставляют организму энергию, причем С02 снова возвращается в атмосферу Животные, питающиеся растениями, при метаболизме также преобразуют сахара и выделяют С02. Геологические процессы оказывают влияние на баланс углерода в масштабах земного шара: углерод исключается из кругооборота, когда накапливается в таких ископаемых, как уголь, нефть и газ. И наоборот, большие количества диоксида углерода выделяются в атмосферу при сжигании этих горючих материалов.
Далее возможно несколько вариантов:
углерод может оставаться в растениях, пока растения не погибнут. Тогда их молекулы пойдут в пищу редуцентам (организмам, которые питаются мертвым органическим веществом и при этом разрушают его до простых неорганических соединений), таким как грибы и термиты. В конце концов углерод вернется в атмосферу в качестве CO2; растения могут быть съедены травоядными животными. В этом случае углерод либо вернется в атмосферу (в процессе дыхания животных и при их разложении после смерти), либо травоядные животные будут съедены плотоядными (и тогда углерод опять же вернется в атмосферу теми же путями); растения могут погибнуть и оказаться под землей. Тогда в конечном итоге они превратятся в ископаемое топливо — например, в уголь. В случае же растворения исходной молекулы CO2 в морской воде также возможно несколько вариантов: углекислый газ может просто вернуться в атмосферу (этот вид взаимного газообмена между Мировым океаном и атмосферой происходит постоянно); углерод может войти в ткани морских растений или животных. Тогда он будет постепенно накапливаться в виде отложений на дне Мирового океана и в конце концов превратится в известняк (см. Цикл преобразования горной породы) или из отложений вновь перейдет в морскую воду.
Если углерод вошел в состав осадочных отложений или ископаемого топлива, он изымается из атмосферы. На протяжении существования Земли изъятый таким образом углерод замещался углекислым газом, попадавшим в атмосферу при вулканических извержениях и других геотермальных процессах. В современных условиях к этим природным факторам добавляются также выбросы при сжигании человеком ископаемого топлива. В связи с влиянием CO2 на парниковый эффект исследование круговорота углерода стало важной задачей для ученых, занимающихся изучением атмосферы.
Составной частью этих поисков является установление количества CO2, находящегося в тканях растений (например, в только что посаженном лесу) — ученые называют это стоком углерода. Поскольку правительства разных стран пытаются достичь международного соглашения по ограничению выбросов CO2, вопрос сбалансированного соотношения стоков и выбросов углерода в отдельных государствах стал главным яблоком раздора для промышленных стран. Однако ученые сомневаются, что накопление углекислого газа в атмосфере можно остановить одними лесопосадками.