Учение о биосфере. Основные среды жизни и условия существования организмов

 

 

 

 

 

 

 

Учение о  биосфере. Основные среды жизни и  условия существования организмов.

 

 

План:

1. Понятие «биосфера» его сущность.
2. Разработка обобщающей теории. Геохимический, традиционный и системный подходы.
3. Основные закономерности развития биосферы.
4. Круговорот веществ в природе.
5. Понятие «ноосфера» и его специфика. Глобальные проблемы.

 

 

1. Понятие «биосфера» его сущность.

 

Биосфера является самой  большой экосистемой. Понятие «биосфера» вошло в систему знаний о Земле  в начале XX века, когда академиком В.И. Вернадским была представлена книга «Биосфера». В своей книге Вернадский раскрыл содержание понятия «биосфера» и показал, насколько это понятие важно для понимания сущности фактически всех происходящих на земле явлений.

В последующих трудах Вернадский всесторонне развил учение о биосфере вплоть до обоснования необходимости ввести понятие «ноосфера», что означает следующий, более высокий этап развития биосферы.

В работах В.И. Вернадского нет  универсального понятия биосферы, но весь ход его рассуждений позволяет  считать, что биосфера – это целостная геологическая оболочка земли, заселённая живыми организмами.

Живые организмы являются функцией биосферы и тесно  материально  и энергетически с нею связаны.

Толщина биосферы больше 20 километров (организмы обитают над поверхностью суши не выше 6 километров над уровнем моря, опускаются не глубже 15 километров в толщу суши и на 11 километров вглубь океана). Основная масса живого вещества сконцентрирована в приповерхностном слое толщиной 50-100 метров – это высота лесного полога и глубина проникновения основной массы корней. В этих же границах сконцентрированы  наземные и почвенные животные и микроорганизмы. В океане наиболее обжиты растениями и животными освещаемые солнцем и прогреваемые до глубины 10-20 метров приповерхностные толщи воды. В этом тонком слое биосферы сконцентрировано более 90% биомассы растений и животных. 

Вернадский доказал, что живые  организмы за 4 миллиарда лет существования  их на Земле произвели огромные преобразования. В атмосфере появился кислород, раковины моллюсков и фораминифер образовали осадочные горные породы. Под влиянием жизнедеятельности организмов в биосфере постоянно происходил и происходит круговорот воды, кислорода, углерода, азота и других веществ.

При незначительном вмешательстве  человека в экосистемы биосфера сохраняет своё равновесие. Но усиливающиеся влияния человека на природу, например, вырубка лесов которые выделяют кислород и испаряют много воды, сжигание больших количеств содержащего углерод топлива с выделением углекислого газа, уменьшение испарения с поверхности океана из-за загрязнения нефтью – всё это нарушает круговорот веществ и приводит к глобальным ухудшениям состояния биосферы.

В результате обменных процессов изменяются не только организмы, но и окружающая их абиотическая среда. Горные породы, воздух, вся поверхность суши под воздействием организмов приобретают новые свойства, становятся биогенными. Это значит, что меняется химический состав компонентов неживой природы, становится иной динамика протекающих в них физических и химических процессов появляются новые закономерности взаимодействия и развития тел неживой природы, что приводит к изменению во всей совокупности населяющих её организмов.

Без учения о биосфере невозможно понять многие биологические проблемы, например, проблемы возникновения жизни и законов её развития, затруднённо также исследование причин образования многих видов полезных ископаемых, что препятствует разработке методов их поиска. Наконец, для всех областей знаний очень важно понять общую тенденцию изменения процессов, происходящих на поверхности планеты, а это не возможно без обобщающей теории земной поверхности.

 

2. Разработка обобщающей теории. Геохимический, традиционный и системный подходы.

 

При разработке обобщающей теории наиболее эффективным оказался геохимический подход, ориентирующийся на познание атомного уровня структуры природных объектов.

При таком подходе различая между  живой и неживой природой отступили  на второй план, а на первый выдвинулись  черты генетической и функциональной общности организмов с абиотической средой их обитания. На атомном уровне исчезли различая между самими организмами, всё их многообразие удалось вместить в одно общее понятие «живое вещество».

Многочисленные исследования показали, что большинство материалов поверхности нашей планеты – фосфатов, карбонатов, кремнистых, галоидных, сернокислых, битуминозных и других пород – ограниченны по своей природе, то есть в их формировании либо непосредственно, либо косвенно участвовали организмы.

Ещё более заметно воздействие  живого вещества на состояние атмосферы. Современный состав атмосферы создан и поддерживается в основном жизнедеятельностью организмов, а от состава атмосферы зависит взаимодействие земной поверхности с космическими факторами. Несчётное количество организмов населяют водную сферу и почву планеты, насыщая их продуктами своей жизнедеятельности, концентрируя в составе своих тел вещества, рассеянные в среде, и качественно меняя таким образом состав и свойства этих оболочек.

Причём свойства компонентов  неживой природы меняются столь существенно, что в отношении к живому выступают зачастую как противоположные тем, какие были раньше. Например, химически чистая вода убивает всё живое, а вода обогащённая веществами биогенного происхождения, служит важнейшим условием жизни.

Таким образом, качественное преобразование абиотической среды  под воздействием на неё живых  организмов происходит в направлении, благоприятном для дальнейшего  развития жизни. Можно говорить о  существовании положительных обратных связей в системе взаимодействия между живой и неживой природой. Чем выше уровень организации живых тел, интенсивнее и глубже характер и воздействие на среду обитания, тем прогрессивней накапливается масса органического вещества захороненных постепенно минерализующихся остатков организмов.

Процессы накопления и преобразования органического  вещества составляют важнейшую черту  биосферы, учёт которой исключительно  важен для понимания существа происходящих в ней изменений.

В свете учения о биосфере становится возможным выделить не только динамику вещественно-энергетических процессов на земной поверхности, но и правильно выделить во всей совокупности её явлений и факторов наиболее важный, определяющий. Как полагал Вернадский таким фактором является живое вещество планеты, то есть вся совокупность организмов, населяющих Землю, взятая в их единстве. Такой подход был новым и в корне противоречил общепринятым взглядам в науках о Земле.

При традиционном подходе  решающую роль в проходящих на планете  изменениях отводилась факторам неживой  природы:

- тектоническим;

- гидроклиматическим;

- зональным;

- космическим и так далее.

Жизнь рассматривалась  как эфемерное поверхностное  явление которое можно не принимать  во внимание при сравнении с эффективностью воздействия на лик Земли абиотических факторов.

Системный подход к изучению биосферы позволяет глубже понять многие процессы на земной поверхности, не поддававшиеся  раньше научному объяснению. Особенно это касается проблем распределения вещества по поверхности Земли и проблем источников энергии, необходимой для движения вещества. Удалось, например, понять причины возникновения месторождений многих видов полезных ископаемых и разработать важные методы их поиска по биологическим признакам.

Системный подход позволил верно оценить исключительную роль живого вещества как источника энергии процессов не только в живой, но и в значительной части неживой природы.

 

3. Основные закономерности развития биосферы.

 

Основными компонентами биосферы являются:

- наружный слой литосферы;

- гидросфера;

- атмосфера;

- космические излучения в зоне поверхности Земли;

- живое вещество планеты;

- почва. 

Каждый из компонентов  в свою очередь состоит из частей меньшего порядка.

Исключительная разнородность  частей биосферы и придаёт ей как  целому особое своеобразие. Выделяют следующие виды неоднородности биосферы:

- агрегатная;

- пространственная;

- энергетическая;

- геохимическая;

- зональная. 

Агрегатная неоднородность биосферы состоит в том, что она  представляет собой, единственный природный  комплекс, в котором тесно взаимодействуют, оставаясь качественно обособленными, три агрегатных состояния – твёрдое, жидкое, газообразное. При постоянном, но не равномерном притоке космических излучений и особенно энергии Солнца, в условиях электромагнитного поля Земли и сферической земной поверхности взаимодействие различных агрегатных состояний вещества приобретает крайне противоречивый характер. Огромные массы воды, испаряясь с поверхности водоёмов, переходят в газообразном состоянии в состав атмосферы, переносятся движением воздуха и низвергаются на сушу в виде ливней или оседают туманом и росой. Потоки воды вновь стекают к понижениям рельефа, оттуда попадают в многочисленные водоёмы, чтобы затем опять подняться в составе испарений в атмосферу.

Работа поверхностных  вод постепенно приводит к выравниванию рельефа и, следовательно, к уменьшению энергии водного стока. Этому процессу противостоит поднятие отдельных участков суши в результате тектонических движений земной коры, происходящих медленно и незаметно, но иногда сменяющихся периодами бурного горообразования с землетрясениями и извержениями.

Тектоническая неравномерность  движений земной коры играет большую  роль в изменении поверхности  биосферы, в создании соответственной  орографической неравномерности в  виде неровностей рельефа, обусловливающих движение вещества на суше.

Пространственная неоднородность состоит, во-первых, в неравномерности распределения вещества в биосфере и во- вторых, в структурной неравномерности тел биосферы по причине своеобразного соотношения моментов симметрии и диссиметрии.   

Анализ вещественного  состава биосферы показывает исключительную неравномерность распределения  масс вещества в различных состояниях. Наибольшее количество массы сосредоточено  в наружном слое литосферы и в гидросфере, гораздо меньше в составе атмосферы и, сравнительно незначительное количество вещества входит в состав организмов биосферы. Неравномерность распределения вещества характерна и для неорганической части биосферы. Эта неравномерность распределения масс вещества и разнообразность его агрегатных состояний, создавая разность потенциалов, обуславливает возможность движения и усложнения материи в системе биосферы.

Не менее велика роль вещественной неравномерности и структурной  разнородности во взаимодействии органической и неорганической частей биосферы. Характерной чертой неживых тел является симметричное соотношение элементов структуры на молекулярном уровне, то есть примерно одинаковое количество левых и правых стереоизомеров в составе вещества, тогда когда для жизненно важных компонентов тел живой природы – белков, жиров, углеводов – характерно преобладание стереоспецифических изомеров, преимущественно левых.  Это имеет большое значение для развития живой природы и биосферы в целом, поскольку стереоспецифические вещества энергетически более активны.

Энергетическая неоднородность выражается в неравномерном распределении  по земной поверхности солнечной  энергии (тепла, света), а так же в  неодинаковом соотношении вещества и энергии в телах биосферы в зависимости от их структуры.

 Большей массе симметрично организованного вещества может соответствовать меньшее количество эффективной энергии, чем сравнительно небольшой массе диссиметрично (таковы в основном организмы) и ассиметрично организованного вещества. Это прослеживается уже в неживой природе, но особенно характерно при сопоставлении живых и неживых систем. Наиболее симметричное тело неживой природы – кристалл – в то же время  обладает наименьшим количеством эффективной энергии и наоборот структурно диссиметричные жидкие и особенно газообразные тела энергетически наиболее активны.

Энергетическая активность живых тел настолько велика, что  в орбиту живой материи вовлекаются  непрерывно нарастающие массы вещества, и практически весь химизм биосферы оказывается функцией деятельности организмов. Неравномерное распределение энергии приводит к важным для развития биосферы последствиям, создаётся значительная разность потенциалов между элементами и частями биосферы и особенно между неживой и живой природой, чем обеспечивается преимущественный ток атомов от первого ко второй. Отсюда тенденция возрастания массы живого вещества и накопления энергетически богатого биогенного вещества в земной коре.

Геохимическая неоднородность – это неравномерность распределения атомов различных химических элементов в земной коре. Причины неравномерности распределения химических элементов в биосфере различны: здесь и геологические условия возникновения земной поверхности и особенности структуры самих атомов и так далее.

Однако с момента  возникновения жизни деятельность организмов стала решающим фактором неравномерности перераспределения химических элементов по периферии нашей планеты благодаря способности организмов концентрировать строго определённые элементы в составе своего тела соответственно видовым особенностям. Одной из основных задач биогеохимии является изучение роли живого вещества в миграции атомов по земной поверхности.