Общее представление о биосфере

Учение о биосфере

Термин «биосфера» был впервые введен в науку австрийским геологом Э. Зюссом в 1875 г. Э. Зюсс выделил биосферу в качестве самостоятельной оболочки Земли по аналогии с литосферой, гидросферой и атмосферой. основываясь на достижениях естествознания, в 30-х годах 20 века ученик В. В. Докучаева академик В. И. Вернадский (1863–1945 гг.) сформулировал подлинно синтетическую концепцию, положенную в основу целостного учения о биосфере, протекающих в ней процессах, ее строении и функциях. В. И. Вернадский признан создателем этого учения.

биосфера – это оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. В. И. Вернадский понимал под биосферой область существования живого вещества, которое включает нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы. Биосфера с позиций концепции В. И. Вернадского, кроме живого вещества, включает также следующие типы вещества: биогенное – вещество созданное и переработанное живыми организмами; косное (в его образовании живые организмы не участвуют – гранит, базальт) и биокосное, которое представляет собой равновесную, динамичную систему, созданную живым и косным веществом (например, почва, природная вода).

На суше плотно заселен только нижний слой – от десятков сантиметров до нескольких метров. В атмосфере сфера жизни охватывает тропосферу (нижний слой) и частично заходит в стратосферу. Ограничивающими факторами в распределении организмов в атмосфере служат интенсивное излучение, недостаток влаги, кислорода, низкое парциальное давление. Вероятно, на высоте более 6 км зеленые растения существовать не могут, но некоторые другие организмы встречаются на большей высоте. В покоящемся состоянии (в виде спор, цист грибов, бактерий) организмы могут встречаться на высоте 12–15 км и выше. В гидросфере ограничивающими факторами могут служить большое давление и отсутствие света, начиная с глубины примерно 200 м (в водах с высокой прозрачностью – несколько глубже). Распространение зеленых растений ограничено этими глубинами, но животные, бактерии обитают на разных глубинах. В общем, верхняя граница биосферы поднимается до 20–30 км, а нижняя опускается в океан и недра Земли до глубины 10–15 км и более.

Круговорот веществ и энергии в биосфере.

Академик В. Р. Вильямс писал, что единственный способ придать чему-то конечному свойства бесконечного – это заставить конечное вращаться по замкнутой кривой, т. е. вовлечь его в круговорот.

Все вещества на планете Земля находятся в процессе круговорота. Круговоротом веществ на Земле называются повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ в природе, имеющие более или менее выраженный циклический характер. Различают два типа круговорота веществ – большой (геологический, абиотический) и малый (биологический, биотический).

Большой круговорот носит глобальный, планетарный характер, охватывает всю биосферу и выходит за ее пределы. Он обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и представляет собой перераспределение вещества между биосферой и более глубокими слоями Земли.

Малый круговорот является частью большого, осуществляется внутри экосистем и не выходит за пределы биосферы.

Биогеохимический круговорот.

Биогеохимический круговорот – перемещение и превращение химических элементов через косную и органическую природу при активном участии живого вещества. Биогеохимический круговорот является важным показателем интенсивности биологического круговорота, отражая скорость обращения химических элементов.

Различают два типа биогеохимических циклов:

1. круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере.

2. осадочный цикл с резервным фондом в литосфере.

Круговорот кислорода.

Кислород является наиболее распространенным элементом на Земле (58 %). В атмосферном воздухе содержится около 21 весовой % кислорода, в литосфере – 47 %, а в гидросфере – 32%. Кислород и его соединения незаменимы для поддержания жизни. Вследствие количественного преобладания и большой окислительной активности кислород предопределяет форму существования химических элементов на Земле. Известно свыше 1400 минералов, содержащих кислород. Энергетические процессы в живом организме основываются на окислительно-восстановительных реакциях. При этом лишь некоторые группы микроорганизмов осуществляют эти процессы без участия кислорода путем гликолиза и брожения. Абсолютное большинство живых организмов получают энергию благодаря аэробному окислению органических веществ. Этот путь энергетически более выгоден. Он связан с закономерными процессами газообмена: постоянным притоком О₂ и выносом СО₂, образующегося в результате окисления органических субстратов. При такой системе энергетического обеспечения жизнедеятельности организмов кислород приобретает роль важнейшего экологического фактора.

Круговорот углерода.

Углерод по распространенности на Земле занимает шестнадцатое место среди всех элементов и составляет приблизительно 0,027% массы земной коры. В несвязанном состоянии он встречается в виде алмазов и графита. Каменный уголь содержит до 90% углерода. В связанном состоянии углерод входит также в разные горючие ископаемые, в карбонатные минералы (доломит, кальцит), а также в состав всех биологических веществ.

Углерод имеет исключительное значение для живого вещества. Тип жизни на Земле обычно называют углеродным, потому, что именно этот элемент составляет ее основу. Углерод в таблице Менделеева стоит под шестым номером и на внешней орбите имеет четыре электрона. Вступая в реакции с другими атомами, углерод заполняет полностью свой внешний электронный слой, образуя прочные ковалентные связи. Значение углерода, как основы жизни определяется тем, что его атомы, как атомы никакого другого элемента способны образовывать прочные связи друг с другом, образуя цепочки и кольца, которые являются скелетом органических молекул. Сочетание цепочек и колец с различным количеством звеньев, содержащих насыщенные и ненасыщенные связи, на которых как на скелете крепятся другие атомы и химические группы, имеющие различные химические свойства дает огромное разнообразие биологических молекул. Эти молекулы являются веществом, из которого строятся живые организмы. Из углерода в биосфере создаются миллионы органических соединений.

Во времена зарождения жизни на Земле и океан, и атмосфера, и климат значительно отличались от современных. Первичная атмосфера Земли характеризовалась почти полным отсутствием кислорода, значительным содержанием окиси и двуокиси углерода, аммиака и сероводорода. Активно шли вулканические и грозовые процессы, поставляющие эти газы в атмосферу. При растворении этих газов в соленой воде океана и взаимодействия между ними происходили процессы химического синтеза органических молекул. В ходе эволюции появились живые клетки, способные к фотосинтезу. В процессе фотосинтеза образуется кислород. Чем больше появлялось растений на планете, тем значительнее изменялся состав атмосферы. Со временем содержание кислорода существенно увеличилось до 21%, а углекислого газа – уменьшилось до 10%.

Круговорот азота.

Азот входит в состав атмосферы в несвязанном виде в форме двухатомных молекул N₂. Приблизительно 78% всего объема атмосферы приходится на долю азота. В количественном выражении это составляет 4•10¹⁵ т. Однако ни животные, ни человек, ни растения потреблять молекулярный азот не могут, поэтому он в крайне незначительной степени затрагивается биологическим круговоротом. Общее отношение связанного азота к его количеству в свободном виде составляет 1:1000 000, поэтому азот является наиболее лимитирующим биогенным элементом.

В круговороте азота ключевую роль играют микроорганизмы. Именно они осуществляют основные типы обмена между организмами и средой. Благодаря действию денитрифицирующих бактерий азот постоянно поступает в атмосферу, а под действием азотофиксирующих бактерий возвращается в круговорот.

Круговорот фосфора.

Фосфор принадлежит к числу довольно распространенных элементов. Содержание его в земной коре составляет около 0,1 масс.%. Вследствие легкой окисляемости фосфор в свободном состоянии не встречается. Источником фосфора биосферы являются главным образом фосфорит Ca₃(PO₄)₂ и апатит Ca₃(PO₄)₂• CaF₂(CaCl₂), встречающийся во всех магматических породах.

Фосфор, как и азот, необходим всем живым существам, так как входит в состав белков. В растениях фосфор содержится в белках семян, в животных организмах – в белках молока, крови, мозговой и нервной тканях. Кроме того, большое количество фосфора содержится в костях позвоночных животных в виде Ca₃(PO₄)₂• Ca(OH)₂и Ca₃(PO₄)₂• CaCO₃• H₂O. В виде кислотного остатка фосфорной кислоты фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, которые принимают непосредственное участие в процессах передачи наследственных свойств живой клетки.

Круговорот серы.

Круговорот серы имеет ряд характерных особенностей:

1. обширный резервный фонд в почвах и меньший – в атмосфере;

2. ключевая роль в быстро обменивающемся фонде микроорганизмов, выполняющих определенную работу в окислении или восстановлении;

3. микробная регенерация из глубоководных отложений, в результате которой вверх движется газовая фаза (Н₂S).

4. взаимодействие геохимических и метеорологических процессов с биологическими процессами;

5. взаимодействие воздуха, воды и почвы в регуляции круговорота в глобальном масштабе.

Экология атмосферы

Загрязнение атмосферы

Различают естественные и антропические источники загрязнения атмосферы. Естественное загрязнение происходит при извержении вулканов, пыльных бурях, лесных пожарах, других стихийных бедствиях. Антропогенное загрязнение является следствием работы, прежде всего, промышленных предприятий (рисунок 21.3), транспорта, сжигания топлива. Различают физическое и химическое загрязнения. К физическим видам загрязнения относят инфразвук, сильный звук, вибрацию, электромагнитное излучение. В зависимости от частоты звуковые колебания условно подразделяют на инфразвуковые (низкие по частоте), акустические (слышимые), ультразвуковые (высокие). К инфразвуковому диапазону относятся звуковые колебания с частотой ниже 20 Герц. Физиологически наиболее активным для человека является диапазон частот от 2 до 17 Гц из-за резонансных явлений со стороны внутренних органов. Этим объясняются нервно-психические явления, наблюдаемые у человека при действии инфразвуков. Многие нервные болезни, свойственные жителям промышленных городов, вызываются именно инфразвуками, проникающими сквозь самые толстые стены. Источниками инфразвука могут быть естественные факторы – землетрясения, ураганы, морские штормы. Человек подвергается воздействию инфразвука на производстве и транспорте.

Общее представление о биосфере - student2.ru