Биосфера. Учение Вернадского о биосфере. Ноосфера

БГУ, ИБМТ

 

 

 

 

 

 

 

 

Биосфера. Учение Вернадского о биосфере. Ноосфера

 

 

                                                                                                    Выполнила

                                                                                                                       Климкович Елизавета

                                                                                                                      Студентка 1 курса, БА

                                                                                                    412 группа

 

Оглавление

 

 

Введение

 

Биосфе́ра (от др.-греч. βιος — жизнь и σφαῖρα — сфера, шар) — оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; «плёнка жизни»; глобальная экосистема Земли.

Французский учёный-естествоиспытатель Жан Батист Ламарк в начале XIX в. впервые предложил по сути дела концепцию биосферы, ещё не введя даже самого термина. Термин «биосфера» был предложен австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом в 1875 году.

Целостное учение о биосфере создал биогеохимик и философ В. И. Вернадский. Он впервые отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая их деятельность не только в настоящее время, но и в прошлом.

Существует и другое, более широкое определение: Биосфера — область распространения жизни на космическом теле. При том, что существование жизни на других космических объектах, помимо Земли пока неизвестно, считается, что биосфера может распространяться на них в более скрытых областях, например, в литосферных полостях или в подлёдных океанах. Так, например, рассматривается возможность существования жизни в океане спутника Юпитера Европы.

 

Биосфера

 

БИОСФЕРА, оболочка Земли, в пределах которой существует жизнь. Биосфера включает нижнюю часть атмосферы (15–20 км), верхнюю часть литосферы и всю гидросферу. Нижняя граница опускается в среднем на 2–3 км на суше и на 1–2 км ниже дна океана. Термин «биосфера» ввел австрийский геолог Э.Зюсс в 1875, тогда как основы учения о биосфере, которые актуальны и в современной науке, были разработаны В.И.Вернадским.

 Биосфера  состоит из живого, или биотического, и неживого, или абиотического, компонентов. Биотический компонент – это  вся совокупность живых организмов (по Вернадскому – «живое вещество»). Абиотический компонент – сочетание  энергии, воды, определенных химических  элементов и других неорганических  условий, в которых существуют  живые организмы.

 Жизнь  в биосфере зависит от потока  энергии и круговорота веществ  между биотическим и абиотическим  компонентами. Круговороты веществ  называются биогеохимическими циклами. Существование этих циклов обеспечивается  энергией Солнца. Земля получает  от Солнца ок. 1,3ґ1024 калорий в год. Около 40% этой энергии излучается обратно в космос; 15% поглощается атмосферой, почвой и водой; остальная энергия – это видимый свет, первичный источник энергии для всей жизни на Земле.

Фотосинтез, хемосинтез, дыхание и брожение – основные процессы, благодаря которым поток энергии проходит через организмы. Первые два процесса обеспечивают синтез органических веществ за счет энергии света (фотосинтез) и окисления неорганических веществ (хемосинтез). В ходе дыхания и брожения органические вещества расщепляются, а заключенная в них энергия используется живыми организмами, но в конечном итоге переходит в тепло. Брожение, в отличие от дыхания, не требует кислорода.

 Наглядное  представление о путях прохождения  энергии дают пищевые цепи. Каждое  их звено – это определенный  трофический уровень. Первый трофический  уровень занимают автотрофы, или  продуценты. Организмы второго трофического  уровня называются первичными  консументами, третьего – вторичными консументами и т.д. Продуценты – это растения, цианобактерии (синезеленые «водоросли») и некоторые другие типы бактерий. Часть энергии, связанной продуцентами в процессе фотосинтеза, расходуется при собственном дыхании, другая часть сохраняется в их клетках и тканях и доступна для консументов. Разность между скоростью фотосинтеза и скоростью дыхания фотосинтезирующих организмов называется чистой первичной продукцией. В чистую первичную продукцию переходит всего ок. 0,1% солнечной энергии, достигающей поверхности Земли. Однако за год абсолютное количество чистой первичной продукции составляет 6ґ1020 калорий, что соответствует 165 млрд. т органического вещества.

 Организмы, не способные к фотосинтезу  или хемосинтезу, – это гетеротрофы, или консументы. К ним относятся животные, грибы, большая часть бактерий и немногие растения, утратившие способность к фотосинтезу. Консументы зависят прямо (травоядные) или косвенно (хищники) от величины чистой первичной продукции как источника энергии и веществ. Прохождение энергии через живое вещество представляет собой путь от света к продуцентам, далее к консументам, а от тех и других – к теплу. Этот путь – поток, а не круговорот, поскольку в виде тепла энергия рассеивается в окружающей среде и не может снова использоваться для фотосинтеза. Таким образом, энергетический поток через живое вещество – это процесс потери накопленной организмами энергии.

 Другой важнейший аспект существования жизни на Земле – биогеохимические циклы, в которые вовлечены вода и основные биогенные химические элементы – C, H, O, N, P, S, Fe, Mg, Mo, Mn, Cu, Zn, Ca, Na, K и др. Все циклы состоят из двух фаз: органической (во время которой вещество или элемент находится в составе живых организмов) и неорганической. Последовательные переходы вещества из одной фазы в другую совершаются бесчисленное число раз. Так, например, ежегодно проходит через органическую фазу и возвращается в неорганическую 1/7 часть всего углекислого газа и 1/4500 часть кислорода атмосферы; подсчитано, что вся вода оборачивается за 2 млн. лет.

Жизнь невозможна без воды. Вода – источник водорода, одного из важнейших элементов, входящего в состав живых организмов. Метаболические реакции в организмах происходят в жидкой фазе, и вода является той средой, с которой организмы потребляют биогенные элементы и с которой удаляются конечные продукты метаболизма (шлаки). Вода составляет от 50 до 95% веса живых организмов. В круговороте воды важную роль играет процесс испарения в растениях. Через корни растения поглощают воду и получают растворенные в ней соли. Через листья происходит испарение воды. В течение вегетационного периода зерновые культуры на площади 1 га испаряют ок. 4 000 000 л воды, но только 0,4% этого количества используется непосредственно в процессе фотосинтеза. Для получения 1 кг зерна требуется ок. 500 л воды. Очевидно, что растениям необходимо громадное количество воды, а поскольку консументы питаются растениями, их суммарные потребности в воде намного выше того количества, которое они поглощают непосредственно. Например, человеку для физиологических нужд требуется ок. 2,1 л воды в день, но для получения съедаемого им за день количества пищи нужны еще 10 000 л воды.

 Поддержание  динамического равновесия между  биотическим и абиотическим компонентами  биосферы является необходимым  условием существования всех  форм жизни. Воздействие человека  на биосферу, сопровождающееся ухудшением  качества воды, сведением лесов  или выбросом в атмосферу загрязняющих  веществ, может создать угрозу  жизни на Земле.

 

Учение В.И. Вернадского о биосфере

 

 Учение В.И. Вернадского о биосфере  представляет собой обобщение  естественнонаучных знаний, оно  вобрало в себя эволюционные  взгляды Ч. Дарвина, периодический  закон Д.И. Менделеева, теорию единства  пространства и времени А. Энштейна, идеи о неразрывной связи живой и неживой природы многих отечественных и зарубежных ученых.

 В работах  В.И. Вернадского рассматриваются  компоненты биосферы, ее границы, функции живого вещества, эволюция  биосферы.

 Ученый  впервые показал, что живая и  неживая природа Земли тесно  взаимодействуют и составляют  единую систему.

Структура биосферы. В биосфере можно выделить следующие основные компоненты: живое вещество, косное (неживое) вещество, неживое биогенное вещество, биокосное вещество.

Живым веществом В.И. Вернадский назвал совокупность живых организмов, населяющих нашу планету. Это главная сила, преобразующая поверхность планеты, основа формирования и существования самой биосферы. Во все геологические эпохи живое вещество, преобразуя и аккумулируя солнечную энергию, влияло на химический состав земной коры, было мощной геохимической силой, формирующей лик Земли.

 Живое  вещество имеет количественные  характеристики, его можно изучать, используя математические законы.

 Количество  живого вещества в биосфере (биомасса) - величина постоянная или мало  изменяющаяся с течением времени. Во все геологические эпохи  на Земле количество живого  вещества было практически одинаковым. Ученый подчеркивал, что современное  живое вещество генетически родственно  живому веществу прошлых геологических  эпох.

 Под косным веществом В.И. Вернадский понимал такие вещества биосферы, в создании которых живые организмы не участвуют. Это, например, газы, твердые частицы и водяные пары, выбрасываемые вулканами, гейзерами.

 Кроме  живого и косного веществ, в  состав биосферы входят:

• неживое биогенное вещество, которое образовано живым веществом современной и прошлых геологических эпох (ископаемые остатки организмов, нефть, уголь, газы атмосферы, озерный ил - сапропель, осадочные породы, например, известняки);
• биокосное вещество, которое создавалось одновременно и живыми организмами и косным веществом (например, почва, вода обитаемых водоемов, глинистые минералы).

Границы биосферы совпадают с границами распространения живых организмов в оболочках Земли, что определяется наличием условий существования жизни (благоприятный температурный режим, уровень радиации, достаточное количество воды, минеральных веществ, кислорода, углекислого газа). Биосфера охватывает всю поверхность суши, а также океаны, моря и ту часть недр Земли, где находятся породы, созданные в процессе жизнедеятельности живых организмов. Иначе говоря, биосфера - это часть литосферы, атмосферы, гидросферы, заселенная живым веществом.

 Для существования  живых организмов необходимы  следующие условия: достаточное  количество воды, минеральных веществ, О2 , СО2, оптимальный температурный режим, уровень радиации и др.

Верхняя граница биосферы определяется озоновым экраном, представляющим собой тонкий слой (2-4 мм) газа озона (О3). Роль озонового слоя в биосфере велика: он задерживает губительные для живого ультрафиолетовые лучи солнечного света. Этот слой расположен на высотах 16 - 20 км.

Нижняя граница биосферы неровная. К примеру, в литосфере живые организмы или продукты их жизнедеятельности можно встретить на глубине 3,5-7,5 км, а в Мировом океане организмы - на глубине 10 - 11 км.

 Нижняя  граница на суше связана с  областями "былых биосфер" - так  В.И. Вернадский назвал сохранившиеся  остатки биосфер прошлых геологических  эпох (накопления осадочных пород, углей, горючих сланцев и др.). "Былые биосферы" служат доказательством  длительной эволюции биосферы  Земли.

 Ученый  отмечал, что живое вещество распределено  в биосфере неравномерно. Основная  его масса сконцентрирована в  приповерхностном слое суши толщиной 50-100 м и в приповерхностной  толще воды (10-20 м). Здесь находится  более 90% биомассы Земли. Но и в  приповерхностном слое имеются  пространства, густо заселенные  живыми организмами (тропики и  субтропики, теплые моря), и менее  заселенные территории (пустыни, высокогорья, арктические и антарктические  области). Для остальных территорий  биосферы характерно, по словам  В.И. Вернадского, "разрежение живого  вещества".

 Тем не  менее, в пределах биосферы нет  абсолютно безжизненных пространств. Даже в самых суровых условиях  обитания можно найти бактерии  и другие микроорганизмы. В.И. Вернадский  высказал идею о "всюдности жизни", живое вещество способно "растекаться" по поверхности планеты; оно с огромной скоростью захватывает все незанятые участки биосферы, что обусловливает "давление жизни" на неживую природу.

Функции живого вещества. Одна из основных заслуг В.И. Вернадского состоит в том, что он впервые обратил внимание на роль живых организмов как мощного геологического фактора, на то, что живое вещество выполняет в биосфере различные биогеохимические функции. Благодаря этому обеспечиваются круговорот веществ и превращение энергии и, в итоге, целостность, постоянство биосферы, ее устойчивое существование. Важнейшими функциями являются энергетическая, газовая, окислительно-восстановительная, концентрационная.

• Энергетическая функция заключается в накоплении и преобразовании растениями энергии Солнца (бактерии-хемоавтотрофы преобразуют энергию химических связей) и передаче ее по пищевым цепям: от продуцентов - к консументам и, далее, - к редуцентам. При этом энергия постепенно рассеивается, но часть ее вместе с остатками организмов переходит в ископаемое состояние, "консервируется" в земной коре, образуя запасы нефти, угля и др.
• В осуществлении газовой функции ведущая роль принадлежит зеленым растениям, которые в процессе фотосинтеза поглощают углекислый газ и выделяют в атмосферу кислород. В то же время, большинство живых организмов (и растения в том числе) в процессе дыхания используют кислород, выделяя в атмосферу углекислый газ. Таким образом, участвуя в обменных процессах, живое вещество поддерживает на определенном уровне газовый состав атмосферы.
• Окислительно-восстановительная функция тесно связана с энергетической. Существуют микроорганизмы, которые в процессе жизнедеятельности окисляют или восстанавливают различные соединения, получая при этом энергию для жизненных процессов. Велико их значение для образования многих полезных ископаемых. Например, деятельность железобактерий по окислению железа привела к образованию таких осадочных пород как железные руды; серобактерии, восстанавливая сульфаты, образовали месторождения серы.
• Концентрационная функция заключается в способности живых организмов накапливать различные химические элементы. Например, осоки и хвощи содержат много кремния, морская капуста и щавель - йод и кальций. В скелетах позвоночных животных содержится большое количество фосфора, кальция, магния. Осуществление данной функции способствовало образованию залежей известняка, мела, торфа, угля, нефти.