Тема: Биосфера. Круговорот веществ в экологической системе

 

План лекции:

1. Биосфера — экологическая система земли.

2. Состав и границы биосферы.

3. Движение вещества и энергии в экосистемах биосферы.

4. Большой круговорот вещества в природе.

5. Природные экосистемы Земли.

6. Основные характеристики биосферы.

7. Человек в биосфере.

 

 

1. Биосфера — экологическая система Земли

1.1 Биосфера — область распространения жизни на Земле. Термин «биосфера» ввел в 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс. Основоположником учения о биосфере является великий русский ученый В.И. Вернадский (1926 г.).

1.2 Планета «Земля» сформировалась около 4,7 млрд. лет назад. Земля получает энергию от Солнца. Масса Земли 6∙10²¹ т, объем — 1,083∙10¹² км³, площадь поверхности — 510,2 млн. км².

Земля состоит из геосфер (оболочек): ядро, мантия, литосфера (земная кора), гидросфера, атмосфера и живая оболочка Земли — биосфера, занимающая частично литосферу, атмосферу и полностью гидросферу.

Литосфера имеет толщину 6–80 км, основной состав магматические породы (граниты, базальты). 12% литосферы — осадочные породы (результат выветривания магматических пород и работы «былых биосфер»). В осадочных породах содержатся полезные ископаемые (уголь, нефть, горючие сланцы, железо, алюминий, медь, олово, фосфориты, апатиты и т.д.).

Гидросфера — водная оболочка Земли, она составляет 0,13% объема земного шара. Различают поверхностную и подземную гидросферу. Поверхностная покрывает 70,8% земной поверхности (остальное — суша). Подземная гидросфера имеет 1,69 % общего объема гидросферы.Мировой океан составляет 96,53% поверхностной гидросферы, остальное (1,78%) — воды рек, озер и ледников.

Атмосфера (греч. «атмос» — пар) — газовая оболочка Земли, простирается в высоту на 1,5–2 тыс. км. Подразделяется (начиная от поверхности земли) на: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу и пограничные слои между ними.

Атмосфера, гидросфера и литосфера тесно взаимодействуют между собой и поддерживают различные формы жизни на земле.

Атмосфера обеспечивает:

– дыхание живых существ, т.к. содержит кислород;

– процесс фотосинтеза, при котором из атмосферы зеленые растения поглощают углекислый газ и, используя солнечную энергию и воду, создают живое вещество;

– распределение влаги на Земле;

– распределение тепла;

– рассеяние света, что освещает затененные участки;

– перемещение живых существ (птиц, насекомых, рукокрылых);

– распространение по земной поверхности пыльцы и семян растений;

– перемешивание верхних слоев гидросферы;

– возможность звукового и ультразвукового общения живых существ;

– защиту обитателей Земли от метеоритов, космических и ультрафиолетовых лучей.

Аналогично можно дать характеристику гидросферы, в частности ее роль в обеспечении атмосферы кислородом, аккумуляции тепла, круговорота воды и т.п.

Выполните подробную характеристику литосферы, учитывая значение для биосферы ее верхнего слоя, глобальные функции почвы.

Состав атмосферы:

Элементы и газы	%	Элементы и газы	%	Элементы и газы	%	Элементы и газы	%
Азот	78,084	Гелий	0,000524	Водяной пар: полярные широты у экватора	0,2 2,6	Метан	0,00016
Кислород	20,964	Криптон	0,000114	Окись азота	0,000001
Аргон	0,934	Углекислый газ	0,034	Окись углерода	0,0000078
Неон	0,0018	Водород	0,00005	Озон	0,001

 

Слои атмосферы:

Слой	Границы по высоте, км	Плотность, г/м3	Температура, оС	Дополнительные сведения
Тропосфера	8–10(у полюсов) — 16–18 (у экватора)	1000–150	у поверхности 14,1 до –40 на верхней границе
Тропопауза	10–18	Пограничный слой между тропосферой и стратосферой
Стратосфера	над тропосферой до 50–55	120–1	возрастает от –40 –(80) до 0	Озоновый слой на высоте 20–25 км
Стратопауза	50–55	Пограничный слой между стратосферой и мезосферой
Мезосфера	50–(80–85)	о,1	0–(–90)	Ионизация газа
Мезопауза	80–90	Пограничный слой между мезосферой и термосферой
Термосфера	(80–90) — (200–300)	0,01–0,001	до 1500
Экзосфера	выше 200–300	меньше 0,001		Ионизация газа

В тропосфере происходят глобальные вертикальные и горизонтальные перемещения воздушных масс, во многом определяющие круговорот воды, теплообмен, трансграничный перенос пылевых частиц и загрязнений.

Для человека атмосфера служит также источником природных ресурсов для производственной деятельности. Из неё он добывает кислород для транспорта, металлургии, медицины. Извлекает благородные газы. В атмосфере осуществляются полеты самолетов и ракет.

 

1. Состав и границы биосферы

Биосфера — глобальная экосистема, как и любая экосистема, состоит из абиотической и биотической части.

Абиотическая часть представлена: почвой и подстилающими ее породами; атмосферным воздухом; водной средой океанов, рек, озер и т.п. Это так называемое «косное» вещество.

Биотическая часть состоит из живых организмов.

В биосфере имеется биокосное вещество — продукт взаимодействия живых организмов с неживой природой.

Границы биосферы: по горизонтали она охватывает весь земной шар, по вертикали вверх от поверхности земли до верхних границ тропосферы, в глубь от поверхности суши на 1,5–2,5 км; а также занимает весь объем гидросферы и распространяется вглубь морского дна на 0,5–1 км. Есть и другие данные о том, где могут находиться организмы — по вертикали до 77 км в высоту и 10,5 км в глубину.

В природе существует два круговорота вещества: большой (геологический) и малый (биогеохимический).

Биосфера состоит из отдельных природных экосистем: наземных, пресноводных и морских. В экосистемах осуществляется биогеохимический круговорот веществ (движение вещества и энергии).

 

1. Движение вещества и энергии в экосистемах биосферы

3.1 Понятие о биологическом круговороте вещества и движении энергии

Экосистемы обеспечивают в биосфере перемещение химических элементов в процессе обмена веществ, роста и размножения организмов.

Все организмы делятся на две большие группы – автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофные организмы используют неорганические источники для своего существования, они создают органическое вещество из неорганического. К таким организмам относятся фотосинтезирующие зеленые растения суши и водной среды, сине-зеленые водоросли, некоторые хемосинтезирующие бактерии и др.

Гетеротрофные организмы потребляют готовые органические вещества. К ним относятся человек, все животные, грибы и др. Гетеротрофы потребляющие остатки отмерших растений и животных, называются сапротрофами (например, грибы), а способные жить и развиваться в живых организмах — паразитами (например, клещи).

Между организмами биоценоза устанавливаются прочные пищевые взаимоотношения. В результате возникают цепи питания. Они объединяют прямо или косвенно большую группу организмов в единый комплекс. Цепь питания обычно состоит из трех основных звеньев, или трофических (греч. trophe — пища, питание) уровней. Главные трофические уровни: продуценты, консументы и редуценты (Рис.1).

 

 

 

Первое звено — продуценты, аккумулирующие солнечную энергию и производящие органическое вещество, которым питаются все остальные организмы. Продуценты — автотрофы.

Второе звено: консументы, они питаются готовым органическим веществом. Различают консументы 1 порядка, питаются растениями (травоядные животные). Консументы 2 порядка — плотоядные животные, хищники, питаются травоядными животными. Далее возможны консументы 3 порядка и т.д. Существуют консументы со смешанными видами питания.

Третье основное звено — редуценты, разрушители органического вещества. Полностью разрушают органику и возвращают в окружающую среду минеральные вещества. Редуцентами являются микроорганизмы и другие, более сложные формы, их подразделяют на аэробные (живут при наличии кислорода) и анаэробные (живут в бескислородной среде).

В звеньях питания передаётся не только вещество, но и энергия. Количество передаваемого вещества и энергии с одного уровня на боле высокий равно примерно 10% (закон 10%), остальное расходуется на поддержание жизнедеятельности организма данного уровня.

Трофические уровни можно представить графически в виде пирамид.

Рассмотренный перенос вещества и энергии осуществляется преимущественно посредством трофических цепей, такой круговорот называют биологическим. В нем используется замкнутый цикл веществ, многократно используемый трофической цепью. Биологический перенос вещества и энергии может иметь место в замкнутых экосистемах (космические корабли), водные экосистемы и т.п.

Однако в масштабах всей биосферы такой круговорот невозможен. Здесь действует биогеохимический круговорот.

 

3.2 Биогеохимический круговорот вещества в биосфере

Суть этого круговорота в том, живые организмы обмениваются макро- и микроэлементами и простыми неорганическими веществами (СО₂, Н₂О) с веществом атмосферы, гидросферы и литосферы. Круговорот отдельных веществ В.И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами, в которых химические элементы, поглощенные организмом, в последствии его покидают, уходят в абиотическую среду, затем снова попадают в живой организм. Этими циклами обеспечиваются важнейшие функции живого вещества в биосфере:

– газовая функция, основные газы атмосферы азот и кислород, а также подземные газы биогенного происхождения;

– концентрационная, организмы накапливают в своих телах многие химические элементы (углерод, кальций, кремний, йод, фосфор, железо и т.д.);

– окислительно-восстановительная, в водоемах организмы регулируют кислородный режим, создают условия для растворения или же растворения ряда металлов (V, Mn, Fe) и неметаллов (S).

– биохимическая, размножение, рост и перемещение в пространстве живого вещества;

– биогеохимическая деятельность человека, использование для хозяйственных нужд запасов угля, нефти, газа и др.

В биогеохимических круговоротах существуют две части: 1) резервный фонд — огромная масса движущихся веществ, не связанных с организмами; 2) обменный фонд — значительно меньший, но весьма активный, обусловленный обменом веществом между организмом и средой.

В биосфере можно выделить круговорот: 1) газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере и 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

В заключении отметим, что на Земле существует один-единственный процесс, в котором не тратится, а накапливается энергия — это фотосинтез. Основная функция живого вещества на Земле — связывание и запасание солнечной энергии.

 

3.3 Биогеохимические циклы наиболее жизненно важных веществ

Круговорот углерода четко прослеживается в трофической цепи: продуценты улавливают из атмосферы углекислый газ (СО₂), консументы поглощают углерод вместе с телами продуцентов и консументов низших порядков, редуценты возвращают углерод вновь в круговорот. Скорость оборота СО₂ (т.е. его полная замена в атмосфере) 300 лет. Аналогичная трофическая цепь в Мировом океане, но здесь есть особенность — часть углерода уходит в осадочные породы, и он попадает в геологический круговорот. 2/3 запаса углерода в атмосфере биологически связано в лесах (500∙10⁹т). Вмешательство человека в круговорот углерода приводит к возрастанию содержания СО₂ в атмосфере.

Круговорот кислорода. Скорость круговорота 2 тыс. лет. Основной поставщик кислорода — зеленые растения, они ежегодно производят на суше 53∙10⁹т кислорода, а в океанах — 414∙10⁹т. Главные потребители кислорода — животные, почвенные организмы и растения. Процесс круговорота очень сложен, кислород входит во многие химические соединения. 23% кислорода, который высвобождают растения, расходуются на промышленные и бытовые нужды. Предполагается, что в ближайшее время весь кислород от фотосинтеза будет сжигаться в топках.

Круговорот азота охватывает все области биосферы. Редуценты разлагают белковые вещества и превращают их в аммонийные соединения, в нитраты и нитриты. Часть нитратов попадает в подземные воды и загрязняет их. Опасность состоит в том, что азот в виде нитратов может быть усвоен растениями и будет передан по пищевым цепям. При гниении азот возвращается в атмосферу в виде газов. Велика роль бактерий в цикле азота, если уничтожить их 12 видов — жизнь на Земле прекратиться.

Биогеохимический круговорот в биосфере, помимо кислорода, азота и углерода, совершают и многие другие элементы, входящие в состав органических веществ, — сера, фосфор, железо и др.

В.И. Вернадским сформулирован Закон биогенной миграции атомов: миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом.

Биогеохимический круговорот в биосфере называют малым круговоротом вещества в природе, но он обеспечивает примерно 90% движения химических элементов в биосфере. Существует еще и большой круговорот вещества в природе.

1. Большой круговорот вещества в природе

Он обусловлен выветриванием магматических пород, образованием осадочных пород, погружением осадочных в зону высоких температур и давлений, получением магмы, поднятием снова на поверхность и циклы повторяются. Работает энергия Солнца и глубинная энергия Земли.

На Земле существует также круговорот воды, он играет основную роль в формировании природных условий. За 2 млн. лет весь запас воды на Земле проходит через зеленые растения.

1. Природные экосистемы

Возможна следующая классификация природных экосистем биосферы.

Наземные экосистемы: тундра (арктическая и альпийская), хвойные леса, листопадный лес умеренной зоны, степь умеренной зоны, тропические степи и саваны, пустыня и др.

Пресноводные экосистемы:

– лентические (лат. lentes — спокойный) — озера, пруды и т.д.;

– лотические (лат. lotus — омывающий) — реки, ручьи, родники;

– заболоченные угодья — болота, болотистые леса.

Морские экосистемы:

– открытый океан;

– прибрежные воды;

– районы апвелинга (плодородные районы с продуктивным рыболовством);

– эстуарии (бухты, проливы, устья рек и т.д.).

1. Основные характеристики биосферы

Характерные особенности биосферы:

– населенность жизнью;

– перемещение и преобразование химических элементов в процессе обмена веществ, роста и размножения организмов;

– целостность, биосфера состоит из большого числа взаимодействующих частей;

– глобальность, биосфера включает все существующие экосистемы Земли;

– непрерывность взаимодействия (обмена) между компонентами;

– взаимосвязанность и единство разных типов веществ — живого, биогенного, биокосного, косного — при связующей роли живого вещества, что позволяет реализовать единую многоуровневую систему преобразования вещества и энергии;

– планетарная роль живого вещества (хотя живое вещество составляет по массе 1/1 000 000 долю биосферы) оно стало геологической силой, обеспечило современный состав атмосферы, почвенный покров, полезные ископаемые;

– устойчивость (между различными составляющими и процессами), в биосфере поддерживается динамическое равновесие, сохраняются геохимические функции живого вещества, переносится и перераспределяется вещество и энергия. Основа устойчивости биосферы — разнообразие составляющих ее экосистем.

– эволюционная обусловленность основных процессов, они сложились в результате длительной эволюции, эволюция продолжается, биосфера превращается в ноосферу, сферу разума.

 

1. Человек в биосфере

Человек на Земле появился сравнительно недавно — 3,5–5 млн. лет назад, а современный подвид и того менее (200 000 лет). Сущность человека двойственна. С одной стороны человек — животное, продукт развития биосферы, а с другой — социальное (общественное) существо.

Человек — высшая ступень развития живых организмов на Земле, он может мыслить, обладает самым развитым мозгом среди животных. У человека отношение массы мозга к массе тела больше, чем у любого другого животного, а абсолютная масса мозга больше лишь у слонов и китообразных. Из животного царства человек выделился благодаря способности производить орудия труда, работать руками, прямо ходить, пользоваться речью, строить жилища, производить продовольствие, подводить воду, бороться с болезнетворными организмами. Человек выиграл в конкурентной борьбе с другими видами. Люди научились понимать и взаимодействовать друг с другом, человек получил вторую — социальную сущность. Человек творчески активен, целеустремлен, обладает нравственным самосознанием, он биосоциален.

Человек научился преодолевать действие лимитирующих природных факторов, однако на 100% не одержал победу над ними. Он остается зависимым природы, его создавшей, неотъемлемой частью окружающей среды.

В молекулах ДНК природой записана достаточно консервативная генетическая программа человека. Но она по-прежнему вовлекается в генетические процессы. Структуру ДНК изменяют мутации. Широко используемая ядерная энергия обладает исключительной мутационной активностью. Человек использует на производстве и в быту сотни тысяч химических соединений, среди которых есть химические мутагены. Задача человека и общества сохранить генофонд человеческой популяции. А это зависит от культуры отношения к окружающей Природе и природе человека.

Естественный отбор сыграл решающую роль в эволюции всех видов, в том числе и человека. Благодаря социальным преобразованиям и развитию медицины роль естественного отбора для человека заметно снизилась. Тем не менее, человек не освободился от действия общебиологических закономерностей. Сейчас примерно 50% генофонда не воспроизводится в следующих поколениях (выкидыши, мертворожденные, смерть до наступления репродуктивного возраста, бесплодные браки, холостая жизнь).

Человек обладает широким диапазоном адаптации к различным условиям окружающей среды (городской среде, работе в полярных широтах, в пустынях, в невесомости и т.д.) Отмечено даже формирование адаптивных типов человека: тропического, пустынного, высокогорного, континентального, умеренного, арктического и т.д. Но и здесь есть пределы. Оценка состояния среды обитания человека возможна лишь через состояние здоровья человека, иначе стрессы, болезни.

Безудержный рост численности населения Земли (сейчас уже 6 млрд. чел.) ставит вопрос в ближайшие десятилетия о возможности дальнейшего существования человечества, так как доступные природные ресурсы ограничены.

Выходом из этой мрачной перспективы является путь, указанный в работах В.И. Вернадского. Суть его — вера в человеческий разум.

С появлением человека наступила высшая стадия развития биосферы, когда разумная человеческая деятельность стала главным, определяющим фактором развития.

В.И. Вернадский создал учение о ноосфере («мыслящей оболочке», «сфере разума»). Он выделил человека, как мощную геологическую силу. Эта сила способна оказывать влияние на ход биогеохимических и других процессов в среде Земли и околоземном пространстве. Вся эта среда весьма изменилась благодаря труду человека. Он способен перестроить ее согласно своим представлениям и потребностям, изменить фактически ту биосферу, которая складывалась в течение всей своей геологической истории Земли.

В.И. Вернадский писал, что становление ноосферы «есть не случайное явление на нашей планете», «создание свободного разума», «человеческого гения», а «природное явление, резко материально проявляющееся в своих следствиях в окружающей человека среде». Иными словами, ноосфера — окружающая человека среда, в которой природные процессы обмена веществ и энергии контролируются обществом.

Становление ноосферы по В.И. Вернадскому процесс длительный. Человечество уже вступило в период ноосферы, хотя многое сегодня трудно увязать с наступлением эпохи разума.

«На данном этапе развития человек должен взять на себя ответственность за дальнейшую эволюцию планеты, иначе у него не будет будущего» — утверждал В.И. Вернадский.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: