Биосфера как глобальная экосистема

Содержание

1. Введение
2. Биосфера
1. Структурные уровни биосферы
2. Абиотические компоненты биосферы
3. Живое вещество биосферы
4. История развития биосферы
3. Учение о биосфере
1. История изучения биосферы
2. Учение Вернадского
4. Экосистема
1. Понятие экосистемы
2. Классификация экосистем
3. Компоненты экосистемы
4. Круговорот вещества
5. Биосфера — глобальная экосистема
5. Заключение
6. Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ВВЕДЕНИЕ

 

Биосфера играет ключевую роль в существовании жизни  на Земле. Благодаря взаимодействию биотической и абиотической части, образуется уникальная среда –  экосистема, в которой происходит круговорот вещества, обеспечивающий поддержание баланса биоценозов.

Человек является непосредственно связанным с биосферой. Он не может покинуть эту оболочку, нуждаясь в постоянном поступлении энергии от продукции, производимой продуцентами экосистем, защите от космического излучения и пригодном для жизни микроклимате. Поэтому жизненно важной задачей современного человечества является сохранение среды их обитания в состоянии равновесия (переход от техносферы к ноосфере – разумно управляемой сфере). Целостное представление о механизме работы составляющих биосферу компонентов даёт понимание важности сохранения каждого компонента, что особенно актуально сейчас, когда нерациональное использование ресурсов биосферы нарушает баланс, приводя к необратимым процессам разрушения тонкой «оболочки жизни».

Цель курсовой работы – показать и обосновать утверждение о том, что биосфера является глобальной экосистемой, что даст понимание того, что биосфера, как всякая система существует за счет взаимополезного взаимодействия ее составляющих, и неосмотрительное удаление или изменение любого компонента влечет за собой изменение остальных, что может иметь негативные последствия для биосферы, в том числе и для человечества.

Для достижения поставленной цели  необходимо выполнить ряд задач, заключающихся в поэтапном описании биосферы с точки взгляда на нее, как на экосистему:

• Показать значимость темы: узкий диапазон условий существования организмов, их распространение в пределах биосферы.
• История изучения биосферы, появление новых взглядов на ее сущность.
• Рассказать о биосфере как системе взаимодействия живого и неживого.
• Описать биосферу как систему взаимодействия организмов: потоки энергии, трофические связи в биосфере.
• Сделать вывод исходя из проведенного исследования свойств биосферы.

 

 

2. БИОСФЕРА

Биосфера в  современном понимании – это  оболочка Земли, содержащая живое вещество и ту часть абиотической среды, в  непрерывном обмене с которым  находится биовещество [2]. Под живым веществом здесь подразумевается совокупность всех организмов, населяющих Землю. Биосфера распространяется на нижнюю часть атмосферы, гидросферу и тонкую верхнюю полосу литосферы и поверхность почвы . Однако, разделение это несколько условно, так как отдельные «островки жизни», обусловленные техногенезом, могут встречаться за пределами слоя жизни [2], например, космические корабли, буровые скважины.

1. Структурные уровни биосферы

В биосфере выделяют следующие структурные уровни (рис. 1):

Рис. 1. Структурные уровни биосферы

• Аэробиосфера. Расположена в пределах атмосферы (газовой оболочки планеты). Вещество в атмосфере распределено неравномерно, что обуславливается уменьшением плотности воздуха с удалением от поверхности. Обычно атмосферу делят на три крупных совокупности слоев: тропосферу (от поверхности до высоты 8-10 км), стратосферу (8-10 км до озонового слоя) и ионосферу (выше озонового слоя). В более подробном рассмотрении, подразделяется на тропобиосферу (соответствует тропосфере – 8-10 км.), в которой сосредоточены почти все аэробионты (организмы, постоянно живущие в слое воздуха, нуждающиеся во влажности и взвешенных частицах – аэрозолях; в основном – бактерии), и альтобиосферу (от 8-10 км. До озонового слоя, после которого жесткое ультрафиолетовое излучение не допускает существование жизненных форм. 
  В настоящее время иногда также выделяют парабиосферу (выше озонового слоя, куда некоторые организмы могут случайно попадать, но не могут нормально существовать), апобиосферу (слой выше 60-80 км., куда живые организмы никогда не поднимаются, но биовещество может заноситься в очень незначительных количествах) и артебиосферу [5] (космическое пространство, в котором биологические существа существуют на созданных человеком ограниченных пространствах, т.е. космических спутниках, космических станциях и т.п.).
• Гидробиосфера. Водная оболочка планеты, представленная океанами, морям, и наземными водами (гидросфера). Простирается от поверхности водоемов до глубины 11 км. (Марианская впадина). Подразделяется на марианобиосферу (или океанобиосферу), и аквабиосферу, которая в свою очередь некоторыми учеными [5] делится на лимноаквабиосферу (биосфера озер; в том числе галолимнобиосферу – биосферу соленых озер) и реаквабиосферу (реки).
• Геобиосфера. Самая населенная организмами оболочка [3], распространяющаяся от поверхности почвы на границе с атмосферой и гидросферой до глубины нескольких километров (верхняя часть литосферы). Геобиосфера подразделяется на поверхностную часть – террабиосферу, и подземную часть – литобиосферу   (см. рис. 2). Последняя не имеет окончательно установленных нижних границ и теоретически может распространяться до 20-25 км., на которой вследствие температур около 450^оС при любом давлении вода превращается в пар, делая существование любых организмов невозможным [5]. Сегодня глубины распространения микроорганизмов, подтвержденные опытно, составляют около 2 км [2].

 
Рис. 2. Соотношение слоев биосферы с высотами их распространения

 

2. Абиотические компоненты биосферы

К абиотическим (неживым, косным) компонентам относится вещество, в создании которого не принимало участие живое вещество [9]: земная кора (кроме самого верхнего слоя – почвы, а также продуктов фоссилизации, т.е. захоронения органического вещества), минералы и вещества, поступающие в биосферу из-за её пределов (космоса, глубин планеты). Достаточно сложно выделить абсолютно «чистое» косное вещество, так как воздействие живых организмов в биосфере испытывают все неживые вещества. Поэтому, косное вещество, образовавшееся и перерабатываемое живыми организмами, называется биокосным [4] (например: почва, ил). 

Биогенное вещество – это вещество, создаваемое и перерабатываемое живым веществом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь всю атмосферу, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ (например, так образовались уголь, нефть, минеральные породы, кислород).

 

3. Живое вещество биосферы

Живое вещество, или биомасса – совокупность всех живых организмов на Земле, способных к воспроизводству, распространению по планете, борьбе за пищу, воду, территорию и т.д. Живое вещество связано с косным веществом – атмосферой (до уровня озонового экрана), полностью с гидросферой и литосферой, главным образом в границах почвы, но не только.

Живое вещество биосферы неоднородно и обладает тремя типами трофических взаимодействий: автотрофностью, гетеротрофностью, миксотрофностью.

Трофические экологические  взаимодействия способствуют преобразованию неорганического (косного) вещества в органическое и обратной перестройке органических веществ в минеральные.

Живое вещество характеризуется определенными  свойствами: это огромная свободная  энергия; химические реакции, протекающие  в тысячи и даже миллионы раз быстрее, чем в других веществах планеты; специфические химические соединения – белки, ферменты и другие соединения, устойчивые в составе живого; возможность произвольного движения – рост или активное перемещение; стремление заполнить все окружающее пространство; разнообразие форм, размеров, химических вариантов и т.п., значительно превышающее многие контрасты в неживом, косном веществе.  

Количество  живого вещества биосферы в пределах отдельно рассматриваемого геологического периода является постоянным. Согласно закону биогенной миграции атомов [10], живое вещество оказывается энергетическим и химическим посредником между Солнцем и поверхностью Земли.

 

4. История развития биосферы

Биосфера не развивалась равномерно на всем протяжении истории Земли. Наибольшее ее влияние  на формирование внешнего облика планеты стало заметно лишь в последние 600-700 млн. лет, когда с заселением материков резко возросла роль фотосинтеза [2], что привело к многократному увеличению доли кислорода в древней атмосфере.

В развитии биосферы условно  можно выделить несколько этапов, каждый из которых отмечен важным прогрессивным продвижением; которые в конце привели к образованию современного состояния биосферы (рис. 3).

Рис.3. Основные этапы развития биосферы

• Хемогенез (химическая эволюция). Большинство гипотез о происхождении жизни на Земле предполагают, что долгое время после формирования пригодной для выживания живых организмов температурной среды, планета была безжизненной. В это время на ее поверхности, в атмосфере и океане под действием коротковолнового солнечного изучения происходил медленный абиогенный синтез органических соединений (метан, водород, аммиак, водяной пар), который привел к формированию первых, самых примитивных организмов [9]. Длительность этапа оценивается не менее чем в 1 млрд. лет.
• Биогенез. Ключевым фактором, обусловившим появление сложных организмов из простых, стало насыщение атмосферы кислородом, который по мере увеличения концентрации в верхних слоях атмосферы, под действием ультрафиолетового излучения образовывал газ озон, имевший свойство задерживать коротковолновую радиацию, губительную для жизненных форм. На начальных этапах биогенеза концентрация кислорода составляла не более 0,1% от современного; изменение атмосферы началось приблизительно 2 млрд. лет назад, когда появились первые фотосинтезирующие организмы (очевидно, это были сине-зеленые водоросли – прокариоты) [2]. А значительное увеличение доли кислорода началось около 1,5 млрд. лет назад вместе с появлением хлорофилловых клеток, поглощающих углекислый газ и выделяющих кислород в больших объемах. Около 600 млн. лет назад произошло еще одно резкое увеличение доли кислорода в атмосфере (с 3% от современного значения 700 млн. лет назад до 50% - в меловом периоде 140 млн. лет назад). Причиной этого стал выход и расселение по материкам сначала низших, затем высших автотрофов.
• Социогенез. Появление человека и его расселение по планете (1,5 – 3 млн. лет назад).
• Техногенез. Биосфера сильно подверглась изменению [10] в период активного формирования технической оболочки – техногенных и природно-технических комплексов (результатов производственной деятельности), которой окружил себя человек. Начало этапа связано с появлением 10-15 тыс. лет назад городских поселений.
• Ноогенез. Последняя, высшая стадия развития биосферы, связанная прежде всего с превращением одностороннего использования природных ресурсов (характерно для техногенеза) в разумно-управляемую социально-природную систему (ноосферу). Ее особенностью является взаимополезное взаимодействие природы и человеческого сообщества, где человеческая деятельность становится определяющим фактором глобального развития, в частности внешнего облика окружающей его среды [4]. При этом, так как человечество может существовать только в благоприятном для жизни слое – биосфере, то основной целью построения ноосферы является сохранение того типа биосферы, который обеспечивает выживание и развитие человека и его взаимодействия с окружающей средой. Термин впервые введен и описан советским ученым В.Вернадским.

3. УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ

Современное понимание  термина «биосфера» и выделение ее, как области распространения живого вещества возможно благодаря трудам Ж.-Б. Ламарка, Э.Зюсса, В. Вернадского и других ученых, благодаря которым биосфера стала центральным объектом изучения новой науки – экологии. Изучение биосферы и планирование ее будущего развития не может отделяться от изучения истории ее становления.

1. История изучения биосферы

«Биосфера» как понятие, отражающее область распространения живых организмов, впервые ввел в своих работах французский натуралист Ж.-Б. Ламарк (1802) [2]. Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.

Факты и положения  о биосфере накапливались постепенно в связи с развитием ботаники, почвоведения, географии растений и других преимущественно биологических наук, а также геологических дисциплин. Однако в то время быстрое расслоение наук о природе привело к тому, что термин не прижился. Только спустя более 70 лет, в 1875 австрийский геолог Э.Зюсс вновь упомянул этот термин. Первоначально под «биосферой» подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом скорее обращалось внимание на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической природы. Даже автор самого термина «биосфера» Э.Зюсс в своей книге «Лик Земли», опубликованной спустя тридцать лет после введения термина (1909 г.), не замечал обратного воздействия биосферы и определял ее как «совокупность организмов, ограниченную в пространстве и во времени и обитающую на поверхности Земли».

А третье и окончательное  возрождение понятия стало возможным  благодаря советскому геологу В.И.Вернадскому, создавшему в 20-х годах XX века современное учение о биосфере (1926). Должного внимания научному труду Вернадского сначала оказано не было, но после Второй Мировой Войны последствия радиоактивного и химического загрязнения воздуха, воды и почв заставило ученых вернуться к исследованиям Вернадского.

2. Учение Вернадского

Согласно воззрениям Вернадского весь облик Земли, все ее ландшафты, атмосфера, химический состав вод, толща осадочных пород обязаны своим происхождением живому веществу [10]. Жизнь – это связующее звено между Космосом и Землей, которое используя энергию, приходящую из космоса, трансформирует косное вещество, создает новые формы материального мира. Так, живые организмы создали почву, наполнили атмосферу кислородом, оставили после себя километровые толщи осадочных пород и топливные богатства недр, многократно пропустили через себя весь объем Мирового океана. Вернадский не занимался проблемой возникновения жизни, он понимал ее как естественный этап самоорганизации материи в любой части космоса, приводящий к возникновению все новых форм ее существования.