Определение и структура биосферы

Карагандинская государственная медицинская академия

Специальность: 051101 «Лечебное дело», 051102 «Педиатрия»

051106 «Восточная медицина»

Кафедра гигиены № 1 (Общая гигиена с курсом гигиены питания)

Методические указания для студентов

Тема: УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ.

Курс: II, III

Составитель: _______________С.И. Рогова

преподаватель

Караганда - 2005

Обсуждены на заседании кафедры

Протокол № ______ от «____» _______________2005 г.

Утверждены зав. кафедрой

к.м.н., М.Г. Калишевым ___________________

Тема: Учение о биосфере.

2. Количество учебных часов:90 минут

3. Актуальность темы (мотивация изучения):Необходимость знания законов экологии неизмеримо увеличивается в современных условиях в связи с нарастающим воздействием человечества на природу, что ставит существование цивилизации в зависимость от решения экологических по своей сути задач рационального природопользования и охраны окружающей среды. В связи с этим экологическая образованность должна стать неотъемлемым компонентом в становлении и профессиональной деятельности медицинского работника любого профиля.

4. Цель занятия:формирование основ экологических знаний, являющихся теоретическим фундаментом всех природоохранных мероприятий, в том числе, мероприятий по обеспечению экологической безопасности человека, сохранению его здоровья.

· Студент должен знать:

- состав, границы и структуру биосферы;

- средообразующие свойства и функции живого вещества в биосфере;

- основные свойства биосферы и механизмы, обеспечивающие ее потенциальное бессмертие;

- значение круговоротов веществ;

- эволюцию биосферы;

- фундаментальное значение учения В.И. Вернадского о биосфере и ноосфере.

· Студент должен уметь:

- видеть возможную связь между внешними воздействиями и изменениями, происходящими в биосфере или отдельных звеньях;

- осознавать биосферные функции человека и действовать в рамках собственных возможностей в направлении повышения устойчивости биосферы;

- использовать знание закономерностей функционирования биосферы как один из подходов в решении профессиональных вопросов.

5. Вопросы для подготовки к занятию:

· По базисным знаниям

1. Роль концепции экосистемы в экологии.

2. Трофическая (функциональная) структура экосистем.

3. Свойства и функции экосистем.

4. Процессы образования и разложения органических веществ, их экологическое значение.

5. Энергетика и продуктивность экосистем.

6. Динамика экосистем.

· По теме настоящего занятия

1. Биосфера как глобальная экосистема.

2. Основные свойства биосферы.

3. Эволюция биосферы.

ИНФОРМАЦИОННО-ДИДАКТИЧЕСКИЙ БЛОК

Определение и структура биосферы.

Космический корабль Земля уникален среди планет Солнечной систе­мы. В тонком слое, где встречаются и взаимодействуют воздух, вода и земля, обитают удивительные объекты — живые существа, среди кото­рых и мы с вами. Согласно современным представлениям, биосфера — это своеобразная оболочка земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

По физическим природным условиям биосфера может быть подразделена натри среды: атмосферу, гидросферу и литосферу (рис. 1, рис. 2).

Рис. 1. Общая структура Земли

Рис. 2 Основные подразделения биосферы

Атмосфера — газообразная оболочка планеты, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли. Через атмосферу осуществляется обмен вещества Земли с Космосом. Зем­ля получает космическую пыль и метеоритный материал, теря­ет самые легкие газы: водород и гелий. Атмосфера земли на­сквозь пронизывается мощной радиацией Солнца, определяющей тепловой режим поверхности планеты, вызывающей диссоциацию молекул атмосферных газов и ионизацию атомов. Атмосферу делят на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу. Обширная область разряженной верхней атмосферы состоит преимущественно из ионов. Эта область обозначается как ионосфера. Большая часть массы атмосферы имеет относительно однородный азотно-кислородный состав. В тропосфере во взвешенном состоянии присутствуют также твердые и жидкие частицы, которые, как правило, на­зывают аэрозолями. Принято выделять постоянные и перемен­ные компоненты атмосферы в зависимости от длительности их пребывания в атмосфере. Таким примером является вода, находящаяся в атмосфере в разных формах и концентрациях. В то же время такое подразделение составных частей атмосферы является относительным, так как в течение длительных интервалов времени все компоненты атмосферы оказываются переменными.

Главными составными частями атмосферы являются азот, кислород, аргон и углекислый газ.

Одним из важнейших компонентов атмосферы является озон О₃. Его образование и разложение связаны с поглощением ультрафиоле­товой радиации Солнца, которая губительна для живых организмов. Для образования озона необходимы свободные атомы кислорода, которые возникают при разложении молекул О₂ под воздействием квантов из­лучения в ультрафиолетовой области.

Озон образуется при столкновении:

О + О₂ ↔О₃

В то же время озон поглощает ультрафиолетовую радиацию, разлагаясь на молекулярный и атомарный кислород. Основная масса озона располагается на высотах 10-25 км с максималь­ной концентрацией на высотах 22-24 км. Озоновый слой (часто применяют термин «озоновый экран») имеет исключительно важное значение в сохранности жизни на Земле.

Гидросфера — совокупность всех вод Земли: материковых (глубинных, почвенных, поверхностных), океанических, атмос­ферных. Как особая водная оболочка Земли, здесь рассматрива­ются лишь воды, находящиеся на поверхности планеты — мате­риковые и океанические. Вследствие высокой подвижности воды проникают повсеместно в различные природные образования. Они находятся в виде паров и облаков в земной атмосфере, формиру­ют океаны и моря, существуют в замороженном состоянии в высокогорных районах континентов и в виде мощных ледяных пан­цирей покрывают полярные участки суши. Атмосферные осадки проникают в толщи осадочных пород, образуя подземные воды. Вода способна растворять в себе многие вещества, в связи с этим воды гидросферы можно рассматривать в качестве естественных растворов разной степени концентрации.

Гидросфера находится в тесной зависимости с литосферой (подземные воды), атмосферой (парообразная влага) и живым веществом биосферы, в которое она входит в качестве обязатель­ного компонента.

Подавляющая часть массы природных вод (94%) – это воды Мирового океана, представляющего собой уникальную природную систему. Здесь происходит грандиозный процесс обмена и трансформации энергии и вещества нашей планеты. Различные физические, химические и биологические процессы объединя­ются, образуя единую природу океана - древнейшую область биосферы Земли. Со времени образования океана протекало из­менение его природы под воздействием различных природных процессов: солнечного излучения, геологических и геохимичес­ких факторов и, что весьма важно, под влиянием биологичес­ких процессов. Биологические процессы проявлялись и прояв­ляются в развитии живых организмов, в усвоении солнечной энергии и накоплении свободной энергии в самих телах организ­мов, в биологической продуктивности и осадкообразования на всей площади дна Мирового океана, в формировании различно­го рода органогенных илов.

Наиболее чистые атмосферные воды содержат 10-50 мг/л растворенных веществ. Морская (океаническая) вода пред­ставляет собой раствор, содержащий в среднем в 1 кг 35 г вещества. Можно считать, что в морской воде присутствуют все химические элементы таблицы Менделеева. Однако пре­обладающая часть растворенных веществ представлена не­многими химическими элементами: натрием, магнием, кальци­ем, хлором, углеродом, серой. Они находятся в морской воде в виде ионов различного типа. Например, можно выделить катионы: Nа¹⁺, Мg²⁺, Са²⁺, и анионы СL^1-, S0₄^2-, НСО₃'^-, СО₃^2-. Дру­гие химические элементы присутствуют в морской воде в бо­лее низких концентрациях. Некоторые из элементов, несмотря на относительно низкую концентрацию, играют важную роль в химических процессах моря и жизнедеятельности морских орга­низмов. Здесь ведущая роль принадлежит азоту, фосфору, крем­нию, усваивающимся живыми организмами, а их концентрация в морской воде контролируется ростом и размножением морских животных и растений.

Литосфера - верхняя «твердая» оболочка Земли, посте­пенно переходящая с глубиной в сферы с меньшей прочностью вещества. Включает земную кору и верхнюю мантию Земли. Мощность литосферы - 50-100 км, в том числе земной коры - до 75 км на континентах и 10 км под дном океана.

Химический состав земной коры определяют немногие эле­менты. Всего лишь восемь элементов (кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий, калий) слагают ос­новную ее массу. Ведущим и наиболее распространенным эле­ментом является кислород, составляющий едва ли не полови­ну массы земной коры (≈ 47,3%) и 92% ее объема. Он прочно связан химически с другими элементами в главных породооб­разующих минералах. Земная кора сложена горными породами различного типа и различного происхождения. На осадочные породы приходится 9,2%, на метаморфические - 20% и на маг­матические - 70,8%. Поверхность континентов на 80% заня­та породами осадочными, а океаническое дно - почти полно­стью свежими осадками как продуктами сноса материала континентов и деятельности морских организмов. Земная кора первоначально возникла как продукт выплавления материала первичной мантии, который в дальнейшем был существенно пе­реработан в биосфере под влиянием воздуха, воды и деятель­ности организмов. Континентальная часть земной коры в тече­ние длительной геологической истории находилась в ту или дру­гую эпоху в области биосферы, что наложило свой отпечаток на облик, состав и распространенность осадочных горных по­род, и сосредоточенных в них месторождений полезных иско­паемых в виде угля, нефти, горючих сланцев, кремнистых и кар­бонатных пород, связанных в прошлом с жизнедеятельностью организмов. Поэтому континентальная земная кора имела и имеет прямое и косвенное отношение к биосфере.

Пределы биосферы обусловлены прежде всего полем суще­ствования жизни (В. И. Вернадский, 1926). Всю совокупность организмов на планете В.И. Вернадский назвал живым веще­ством, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию.

Косное вещество, по В. И. Вернадскому, совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых живые организмы не участвуют.

Биогенное вещество создается и перерабатывается жизнью, совокупностями живых организмов. Это источник чрезвычайно мощной потенциальной энергии (каменный уголь, битумы, из­вестняки, нефть). После образования биогенного вещества жи­вые организмы в нем малодеятельны.

Особой категорией является биокосное вещество. В. И. Вернадс­кий (1926) писал, что оно «создается в биосфере одновременно живы­ми организмами и косными процессами, представляя системы динами­ческого равновесия тех и других». Организмы в биокосном веществе играют ведущую роль. Биокосное вещество планеты, таким образом,- это почва, кора выветривания, все природные воды, свойства которых зависят от деятельности на Земле живого вещества. Следовательно, биосфера - это та область Земли, которая охвачена влиянием живого вещества. Жизнь на Земле - самый выдающийся процесс на ее повер­хности, получающий живительную энергию Солнца и вводящий в дви­жение едва ли не все химические элементы таблицы Менделеева.

Биосферу как место современного обитания организмов вместе с самими организмами можно разделить на три подсферы:

аэробиосфера, населенная аэробионтами, субстратом жизни которых служит влага воздуха;

гидробиосфера — глобальный мир воды (водная оболоч­ка земли без подземных вод), населенный гидробионтами;

геобиосфера — верхняя часть земной коры (литосфера), населенная геобионтами.

Гидробиосфера распадается на мир континентальных, главным обра­зом, пресных вод — аквабиосфера (с аквабионтами) и область морей и океанов маринобиосфера (с маринобионтами).

Геобиосфера состоит из области жизни на поверхности суши - террабиосфера (с террабионтами), которая подразделяется на фитосферу (от поверхности земли до верхушек деревьев) и педосферу (почвы и ле­жащие под ними подпочвы, нередко сюда включают всю кору выветрива­ния) с педобионтами; литобиосферу — жизнь в глубинах земли (с литобионтами, живущими в порах горных пород). Литобиосфера распадается на два слоя: гипотеррабиосферу - слой, где возможна жизнь аэробов (или подтеррабиосфера) и теллуробиосферу - слой, где возможно оби­тание анаэробов (или глубинобиосфера). Жизнь в толще литосферы су­ществует в основном в подземных водах.

Подобные слои существуют и в гидробиосфере, но они связаны главным образом с интенсивностью света. Выделя­ют три слоя: фотосферу — относительно ярко освещенный, дисфотосферу — всегда очень сумеречный (до 1% солнеч­ной инсоляции), афотосферу — абсолютной темноты, где невозможен фотосинтез.

Лимитирующим фактором развития жизни в аэробиосфере служит наличие капель воды и положительных температур, а так же твердых аэрозолей, поднимающихся с поверхности земли. От вершин деревьев до высоты наиболее частого расположения ку­чевых облаков простирается тропобиосфера (с тропобионтами). Пространство - это более тонкий слой, чем атмосферная тро­посфера. Выше тропобиосферы лежит слой крайне разряженной микробиоты - альтобиосфера (с альтобионтами). Над ней про­стирается пространство, куда жизнь проникает лишь случайно и не часто, где организмы не размножаются, - парабиосфера.

На больших высотах в горах, там, где уже невозможна жизнь высших растений и вообще организмов-продуцентов, но куда ветры приносят с более низких вертикальных поясов органичес­кое вещество и где при отрицательных температурах воздуха еще достаточно тепла от прямой солнечной инсоляции для существо­вания жизни, там расположена высотная часть террабиосферы - эоловая зона. Это царство членистоногих и некоторых микро­организмов - эолобионтов. Жизнь в океанах достигает их дна. Под ним, в базальтах, она едва ли возможна. В глубинах литосфе­ры есть два теоретических уровня распространения жизни - изо­терма 100°С, ниже которой при нормальном атмосферном давле­нии вода кипит, а белки свертываются, и изотерма 460°С, где при любом давлении вода превращается в пар, т. е. в жидком состоя­нии быть не может. Жизнь в глубинах Земли фактически не идет дальше 3-4, максимум 6-7 километров и лишь случайно в не­активных формах может проникнуть глубже - гипобиосферу («подбиосфера» - аналог парабиосферы в атмосфере). Следует отметить, что здесь залегают биогенные породы, образно выра­жаясь, следы былых сфер, расположена метабиосфера. Метабиосфера, начинаясь с поверхности Земли, простирается далеко вглубь литосферы, теряясь там, где процессы метаморфоза гор­ных пород стирают признаки жизни.

Между верхней границей гипобиосферы и нижней парабио­сферы лежит собственно биосфера - зубиосфера. Ее наиболее насыщенный жизнью слой называют биофильмом, или, по В. И. Вернадскому (1926), «пленкой жизни».

Выше парабиосферы расположена апобиосфера, или «надбиосфера», где сравнительно обильны биогенные вещества (ее верхняя граница трудноуловима). Под метабиосферой располо­жена абиосфера («небиосфера»).

Весь слой нынешнего или прошлого воздействия жизни на природу Земли называют мегабиосферой, а вместе с артебиосферой - пространством человеческой экспансии в околозем­ной космос - панбиосферой.

Таким образом, «поле существования жизни», особенно актив­ной по новейшим данным, ограничено в вертикальном пределе вы сотой около 6 км над уровнем моря, до которой сохраняются поло­жительные температуры в атмосфере и могут жить хлорофилло-носные растения (6,2 км в Гималаях). Выше, в эоловой зоне, оби­тают лишь жуки, ногохвостки и некоторые клещи, питающиеся зер­нами растительной пыльцы, спорами растений, микроорганизмами и другими органическими частицами, заносимыми ветром и т. д. Еще выше живые организмы попадают лишь случайно (микроор­ганизмы могут сохранять жизнь в виде спор). Нижний предел су­ществования активной жизни традиционно ограничивают дном оке­ана и изотермой 100°С в литосфере, расположенными соответствен­но на отметках около 11 км и, по данным сверхглубокого бурения на Кольском полуострове, около 6 км. Фактически жизнь в литос­фере распространена до глубины 3—4 км. Таким образом, верти­кальная мощность биосферы в океанической области Земли дос­тигает более 17 км, в сухопутной — 12 км.

Парабиосфера еще более асимметрична, поскольку верхнюю ее границу определяет озоновый экран. Более значительные коле­бания толщи мегабиосферы, охватывающей осадочные породы, но она не опускается на материках глубже отметок самых больших глубин океана, т. е. 11 км (здесь температура достигает 200°С), и не поднимается выше наибольших плотностей озонового экрана (22—24 км), следовательно, ее максимальная толщина 33—35 км.

Теоретически пределы биосферы шире, поскольку в гидро­термах дна океана (их назвали «черными курильщиками» из-за темного цвета извергающихся вод) на глубинах около 3 км обна­ружены организмы при температуре до 250°С (рис. 3).

Рис. 3 «Черный курильщик», его высота около 120 м (для сравнения приведен силуэт «Адмиралтейства» в Санкт-Петербурге)

При давлении около 300 атмосфер вода здесь не кипит (преде­лы жизни ограничены точками превращения воды в пар и денатура­ции белков). Перегретая жидкая вода обнаружена в литосфере до глубин 10,5 км. Глубже 25 км, по оценкам, должна существовать критическая температура в 460°С, когда при любом давлении вода превращается в пар и жизнь принципиально невозможна.