Разница между экосистемой и биосферой. Биосфера как экологическая система
Добавить в закладки:
Биосфера является глобальной экосистемой. Как уже было отмечено ранее, биосфера расчленена на геобиосферу, гидробиосферу и аэробиосферу. Гео биосфера имеет подразделения в соответствии с основными средообразующими факторами: терра - биосфера и литобиосфера—в пределах геобиосферы, маринобиосфера (океа-нобиосфера) и аква - биосфера — в составе гидро биосферы. Данные образования называют подсферами. Ведущим средообразующим фактором в их образовании является физическая фаза среды жизни: воздушно-водная в аэробиосфере, водная (пресноводная и солено-водная) в гидробиосфере, твердо-воздушная в террабиосфере и твер-доводная в литобиосфере.
В свою очередь, все они распадаются на слои: аэробиосфера — на тропобиосферу и альтобиосферу; гидробиосфера — на фотосферу, дисфотосферу и афотосферу.
Структурообразующие факторы здесь, помимо физической среды, энергетика (свет и тепло), особые условия формирования и эволюции жизни — эволюционные направления проникновения биоты на сушу, в ее глубины, в пространства над землей, бездны океана, несомненно, различны. Вместе с апобиос-ферой, парабиосферой и другими под- и надбиосферными слоями они составляют так называемый «слоеный пирог жизни» и геосферы (экосферы) ее существования в пределах границ мегабиосферы.
Протяженность биосферы по вертикали и соотношение поверхностей, занятых основными структурными единицами (по Ф. Рамаду, 1981)
Перечисленные образования в системном отношении — это крупные функциональные части фактически общеземной или субпланетарной размерности. Общая иерархия подсистем биосферы представлена на рис
Иерархия экосистем биосферы (по Н. Ф. Реймерсу, 1994
Ученые считают; что в биосфере имеется восемь - девять уровней относительно самостоятельных круговоротов веществ в пределах взаимосвязей семи основных вещественно-энергетических экологических компонентов и восьмого — информационного
Экологические компоненты (по Н. Ф. Реймерсу, 1994)
Глобальные, региональные и местные круговороты веществ незамкнуты и в рамках иерархии экосистем частично «пересекаются». Это вещественно-энергетическое, а отчасти и информационное «сцепление» обеспечивает целостность экологических надсистем вплоть до биосферы в целом.
Общие закономерности организации биосферы.
Биосферу формируют в большей степени не внешние факторы, а внутренние закономерности. Важнейшим свойством биосферы является взаимодействие живого и неживого, нашедшего отражение в законе биогенной миграции атомов В. И. Вернадского, и рассмотрено нами в разделе 12.6.
Закон биогенной миграции атомов дает возможность человечеству сознательно управлять биогеохимическими процессами как в целом на Земле, так и в ее регионах.
Количество живого вещества в биосфере, как известно, не подвержено заметным изменениям. Эта закономерность была сформулирована в виде закона константности количества живого вещества В. И. Вернадского: количество живого вещества биосферы для данного геологического периода есть константа. Практически данный закон является количественным следствием закона внутреннего динамического равновесия для глобальной экосистемы — биосферы. Поскольку живое вещество в соответствии с законом биогенной миграции атомов есть энергетический посредник между Солнцем и Землей, то или его количество должно быть постоянным, или должны меняться его энергетические характеристики. Закон физико-химического единства живого вещества (все живое вещество Земли физико-химически едино) исключает значительные перемены в последнем свойстве. Отсюда для живого вещества планеты неизбежна количественная стабильность. Она характерна в полной мере и для числа видов.
Живое вещество как аккумулятор солнечной энергии должно одновременно реагировать как на внешние (космические) воздействия, так и на внутренние изменения. Снижение или увеличение количества живого вещества в одном месте биосферы должно приводить к процессу с точностью наоборот в другом месте, потому что освободившиеся биогены могут быть ассимилированы остальной частью живого вещества или будет наблюдаться их недостаток. Здесь следует учитывать скорость процесса, в случае антропогенного изменения намного более низкую, чем прямое нарушение природы человеком.
Помимо константности и постоянства количества живого вещества, нашедшего отражение в законе физико-химического единства живого вещества, в живой природе наблюдается постоянное сохранение информационной и соматической структуры, несмотря на то» что она и несколько меняется с ходом эволюции. Данное свойство было отмечено Ю. Голдсмитом (1981) и получило название закона сохранения структуры биосферы — информационной и соматической, или первого закона экодинамики. . Для сохранения структуры биосферы живое стремится к достижению состояния зрелости или экологического равновесия. Закон стремления к климаксу — второй закон экодинамики Ю. Голдсмита, относится к биосфере и другим уровням экологических систем, хотя и имеется специфика — биосфера более закрытая система, чем ей подразделения. Единство живого вещества биосферы и гомологич-ность строения ее подсистем приводят к тому, что сложно переплетены эволюционно возникшие на ней живые элементы различного геологического возраста и первоначального географического происхождения. Переплетение различных по пространственно-временному генезисуалементов во всех экологических уровнях биосферы отражает правило или принцип гетерогенеза живого вещества. Данное сложение не является хаотичным, а подчинено принципам экологической дополнительности (комплементарности), экологического соответствия (конгруэнтности) и другим закономерностям. В рамках экодинамики Ю. Голдсмита это третий ее закон — принцип экологического порядка, или экологического мутуализма, указывающий на глобальное свойство, обусловленное влиянием целого на его части, обратного воздействия дифференцированных частей на развитие целого и т. п., которое в сумме ведет к сохранению стабильности биосферы в целом.
Взаимопомощь в рамках экологического порядка, или системный мутуализм, утверждается законом упорядоченности заполнения пространства и пространственно-временной определенности: заполнение пространства внутри природной системы из-за взаимодействия между ее подсистемами упорядочено так, что позволяет реализоваться гомеостатическим свойствам системы с минимальными противоречиями между частями внутри ее. Из данного закона следует невозможность длительного существования «ненужных» природе случайностей, включая и чуждые ей.создан-ные человеком. В число правил мутуалистического системного порядка в биосфере входит и принцип системной дополнительности, который гласит, что подсистемы одной природной системы в своем развитии обеспечивают предпосылку для успешного развития и саморегуляции других подсистем, входящих в ту же систему.
К четвертому закону экодинамики Ю. Голдсмита относят закон самоконтроля и саморегуляции живого: живые системы и системы под управляющим воздействием живого способны к самоконтролю и саморегулированию в процессе их адаптации к изменениям в окружающей среде. В биосфере самоконтроль и саморегуляция происходят в ходе каскадных и цепных процессов общего взаимодействия — в ходе борьбы за существование естественного отбора (в самом широком смысле этого понятия), адаптации систем и подсистем, широкой коэво-люции и т.д. При этом все эти процессы ведут к положительным «с точки зрения природы» результатам — сохранению и развитию экосистем биосферы и ее как целого.
Связующим звеном между обобщениями структурного и эволюционного характера служит правило автоматического поддержания глобальной среды обитания: живое вещество в ходе саморегуляции и взаимодействия с абиотическими факторами автодинамически поддерживает среду жизни, пригодную для ее развития. Данный процесс ограничен изменениями, космического и общеземного экосферного масштаба и происходит во всех экосистемах и биосистемах планеты, как каскад саморегуляции, достигающей глобального размаха. Правило автоматического поддержания глобальной среды обитания следует из биогеохимических принципов В. И. Вернадского, правил сохранения видовой среды обитания, относительной внутренней непротиворечивости и служит константой наличия в биосфере консервативных механизмов и одновременно подтверждением правила системно-динамической комплементарности.
О космическом воздействии на биосферу свидетельствует закон преломления космических воздействий: космические факторы, оказывая воздействие на биосферу и особенно ее подразделения, подвергаются изменению со стороны экосферы планеты и потому по силе и времени проявления могут быть ослаблены и сдвинуты или даже полностью утерять свой эффект. Обобщение здесь имеет значение в связи с тем, что зачастую идет поток синхронного воздействия солнечной активности и других космических факторов на экосистемы Земли и населяющие ее организмы.
Следует отметить, что многие процессы на Земле и в ее биосфере хотя и подвержены влиянию космоса и предполагаются циклы солнечной активности с интервалом в 1850, 600,400, 178, 169,88,83,33,22,16, 11,5(11,1), 6,5 и 4,3 года, сама биосфера и её подразделения не обязательно во всех случаях должны реагировать с той же цикличностью. Космические воздействия системы биосферы могут блокировать нацело или частично
Пути космического влияния на биосферу
Если вы заметили ошибку, выделите необходимый текст и нажмите Ctrl+Enter, чтобы сообщить об этом редакции
План лекции: Определение биосферы. Биосфера и ее части. Концепция живого вещества. Распределение биогеоценозов на земле.
Земля и окружающая ее среда сформировались в результате закономерного развития всей солнечный системы 4,7 миллиарда лет тому назад из раскаленного газопылевого вещества.
По своему строению земля неоднородна и состоит из внутренней и внешней оболочек. Внутренняя ее оболочка – это ядро и мантия, а внешняя оболочка – литосфера (земная кора), гидросфера, атмосфера и биосфера (рис. 22).
Рисунок 22 – Оболочки земли
Литосфера (от греческого «litos»- камень) или земная кора – это каменистая оболочка земли мощностью от 6 (под океаном) до 80 км (под горными системами), сложенная горными народами разного типа и происхождения. Она на 70% образована базальтами и гранитами, примерно на 17% породами, переработанными высоким давлением при высокой температуре и на 12% - осадными пародами.
Земная кора представляет собою важнейший ресурс. В ней сосредоточены месторождения энергетических (каменный уголь, горючий сланец, нефть, газ и др.), рудных (железа, медь, олово, свинец и др.) полезных ископаемых и естественных строительных материалов (песок, известняк, графит и др.); она - местообитание большого разнообразия видов растений, животных, птиц, насекомых, микроорганизмов, бактерий и человека.
Живые организмы проникает до ничтожной глубины, основная масса сосредоточена в верхнем слое почвы до нескольких десятков сантиметров, редко до нескольких метров – корни растений. По трещинам, колодцам, скважинам жизнь может проникать до 2-3 км.
Гидросфера (от греческого «гидро»-вода) – водная оболочка земли. Она включает все виды и формы материковых (поверхностных, почвенных и подземных), океанических (соленых и пресных), и атмосферных; парообразных, жидких и кристаллических вод.
Вода содержит и растворяет в себе многие вещества (натрия, калия, кальция, хлора, серы, углерода, кремния и др.), благодаря своей подвижности проникает повсюду, но она не накапливает энергии и не образует продуктивность.
Гидросферу делят на поверхностную и подземную. Поверхностная гидросфера включает воды океанов, морей, рек, озер, болот, ледников, водохранилищ и др. Она постоянно или временно располагается на поверхности, земли покрывая ее на 70,8%, но не образует сплошного слоя.
Подземной гидросфере относятся воды, находящиеся в верхней части земной коры. Сверху она ограничена поверхностью земли, а нижнюю границу ее проследить невозможно, так как проникает глубоко в толщу земной коры.
Основную часть гидросферы образует мировой океан (96,53%), на долю подземных вод приходится - 1,69%, остальную ее часть составляют воды рек, озер и ледников. Соленые воды океанов и морей составляют 98%, а пресные воды – 2% век водных ресурсов Земли. Основная часть пресных вод сосредоточена в ледниках, пресных вод, пригодных для водоснабжения, приходится всего лишь 0,3% от объема гидросферы.
Вся гидросфера заполнена жизнью - даже на глубине 11 000 м (Марианская впадина)обнаружены следы жизни.
Атмосфера (от греческого «atmos» - пар) – газообразная оболочка земли, состоящая из смеси различных газов (азота, кислорода, углекислого газа, водяных паров и пылевых частиц). На высоте от 10 до 50 км (с максимумом концентрации на высоте 20-25 км), в атмосфере расположен озоновый слой, защищающий землю от ультрафиолетового излучения, пагубного для живых организмов.
Через атмосферу земля осуществляет обмен веществ с космосом. Из космоса она получает мощную солнечную радиацию, определяющую тепловой режим Земли, пыль, метеориты, а отдает – легкие газы – гелий, водород.
Атмосфера механически, физически и химически воздействует на литосферу, регулируя распределение, тепла и влаги. Распределение атмосферой тепла, влаги и давления определяет климат Земли. Так, водяной пар атмосферы поглощает солнечную радиацию, увеличивает плотность воздуха, является источником осадков.
Атмосферу делят на тропосферу, стратосферу, мезосферу и экзосферу. В формировании природной среды Земли важна роль самой нижней части атмосферы – тропосферы мощностью до 8-10 км в полярных областях; 10-12 км в умеренных и 16-18 км в тропических широтах. В тропосфере происходит вертикальное и горизонтальное перемещение воздуха, круговорот воды, теплообмен, перенос пылевых частиц и загрязнения.Жизнью заполнена тропосфера.
С атмосферой связаны все процессы и явления, происходящие в литосфере и гидросфере Земли: образование облаков, осадков, тумана, росы, грозы, пыльные бури, шторм, шквалы, метели, полярное сияние и др.
И все поверхностные (экзогенные) геологические процессы, происходящие в биосфере, обусловлены этими взаимодействиями.
Биосфера (от греческого «bios» - жизнь и «spherа» - шар) наружная оболочка Земли. Термин «биосфера» в научный обиход впервые ввел знаменитый французский ученый Жанн Батист Ламарк (1744-1829 гг.), повторно в 1875 году введен австрийским геологом Эдуардом Зюсс, понимавший под биосферой тонкую пленку на поверхности земли.
Роль биосферы для развития жизни на планете оказалось настолько значительной, что уже в первой половине ХХ - века возникло новое фундаментальное научное направление – учение о биосфере, основоположником которого является российский ученый Владимир Иванович Вернадский, опубликовавши в 1926 году свой классический труд «Биосфера».
Биосферой В.И.Вернадский назвал ту область нашей планеты, в которой существует или когда-либо существовала жизнь и которая постоянно подвергается или подвергалась воздействию живых организмов.Биосфера – сложная наружная оболочка Земли, населенная организмами, составляющими в совокупности живое вещество планеты.
Ранее, большинство процессов, меняющих лик нашей планеты, рассматривались как чисто физические, химические или физико-химические явления (размыв, растворение, осаждение, гидролиз и т.д.).В.И. Вернадский создал учение о геологической роли живых организмов, показав, что деятельность живых существ является главным фактором преобразования земной коры.
Биосфера, как глобальная экосистема состоит из абиотической и биотической части. Абиотическая ее часть представлена:
1) почвой, и подстилающими ее народами, до глубины, где в них еще есть, живы организмы, вступающие в обмен с веществом этих парод и физической средой порового пространства;
2) атмосферным воздухом до высот, на которых ещё возможно проявление жизни;
3) водной средой океанов, морей, рек и озёр до глубины, где возможна жизнь.
Биотическая часть биосферы включает живых организмов: растений, животных, микроорганизмов, бактерии и др., осуществляющих в процессе жизнедеятельности (питания, размножения, выделения) биогенный круговорот веществ и энергии.Живые организмы осуществляют этот ток атомов благодаря своему дыханию, питанию и размножению, обеспечивая обмен веществом между всеми частями биосферы.
В основе биогенной миграции атомов в биосфере лежат два биохимических принципа:
Стремление к максимальному проявлению, к «всепроникаемости» жизни;
Обеспечение выживания организмов, что увеличивает саму биогенную миграцию.
Эти закономерности проявляются, прежде всего, в стремлении живых организмов «захватить» все мало-мальски приспособленные к их жизни пространства, создавая экосистему или ее часть. Но любая экосистема имеет границы, имеет свои границы в планетарном масштабе и биосфера.
Живое вещество – вся совокупность живых организмов. Косное вещество - все геологические образования, не входящие в состав живых организмов и не созданные ими. Биокосное вещество создается в биосфере одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя системы динамического равновесия тех и других (океанические воды, и т. п.; важнейшее значение как биокосное вещество имеет почва). Биогенное вещество - геологические породы, созданные деятельностью живого вещества (известняки, каменный уголь, нефть и т. п.).
В.И. Вернадский считал, что земная кора представляет собой остатки былых биосфер.
Концепция живого вещества . Вернадский подчеркивал, что живое вещество – самая активная форма материи во вселенной.
Жизнь - это химическое производное земной коры. В организмах обнаружены почти все элементы таблицы Менделеева. Средний элементарный состав живого вещества отличается от состава земной коры высоким содержанием углерода.
Свойства и функции живого вещества. Живое вещество, по мнению ученых, составляет 2420 млрд. тонн, что более чем в две тысячи раз меньше самой легкой оболочки Земли атмосферы, но она встречается повсюду, отсутствуя лишь в областях оледенений и в кратерах действующих вулканов. Но, несмотря на незначительную массу, живые вещества, как отмечал В.И.Вернадский, являются основой биосферы, благодаря чрезвычайной химической активности и незаменимой геологической роли.
Живое вещество биосферы, как чрезвычайно активная материя, обладает следующими характерными свойствами:
Способностью быстро занимать свободное пространство, что связано с интенсивным его размножением и увеличением поверхности тела (например, площадь листьев растений, произрастающих на площади 1 га, составляет от 8 до 10 и более га.);
Способностью к движению, при этом не только к пассивному, но и к активному движению (например, полет птицы против ветра, движение рыбы против питания, преодоления силы тяготения и т.д.);
Устойчивостью при жизни и быстрым разложением после смерти (переносит до определенного предела воздействие факторов: температуры, влаги, давления, солености и т. д., быстро разлагается после смерти);
Высокой адаптивностью не только к различным средам жизни: водной, наземно-воздушной и организменной, но и к крайне неблагоприятным условиям среды обитания (например, некоторые микроорганизмы живут в оптимальных условиях с температурой до +140 0 С).
Высокой скоростью протекания реакции (например, гусеницы некоторых насекомых для своей нормальной жизнедеятельности ежедневно потребляют количество пищи в 100-200 раз превышающее веса их тела);
Высокой скоростью обновления. Так, биосфера обновляется за 8 лет, суша за 18 лет, океан за 33 дня. Благодаря подобной скорости обновления, за всю историю существования жизни, общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу в 12 раз превышает массу Земли. Лишь небольшая часть этого вещества законсервирована в виде органических остатков (ушли в геологию – уголь, нефть, сланцы, и др.), остальная же часть включалась в круговорот.
Все свойства живого вещества обусловлены концентрацией в них больших запасов энергии. И по энергетической насыщенности с живым веществом биосферы может соперничать только лава, образующейся при извержении вулкана.
Живое вещество биосферы, обладая только ему присущими свойствами, выполняет в природе следующие функции:
Энергетической, связанной с накоплением энергии в процессе фотосинтеза и передачей ее по цепи питания;
Газовой, благодаря которой живое вещество изменяет и поддерживает определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом (включение углерода в фотосинтез; аккумуляция углерода в биогенном веществе – органических остатках, известняках, что привело к уменьшению двуокиси углерода в атмосфере до современного уровня – 0,3 % и увеличению кислорода; синтезу азота; азот и кислород – газы биогенного происхождения, как и все подземные газы – продукты разложения отмершей органики).
Окислительно-восстановительной, повышающей интенсивность окисления за счет обогащения среды жизни кислородом и восстановления, когда разложение органических остатков (веществ) идет при дефиците кислорода;
Концентрационной, направленной на концентрации в организме живых существ углерода, кальция, кремния, фосфора и рассеянных химических элементов, повышая их содержания по сравнению с окружающей средой (например, по марганцу). Результатом этой функции живого вещества биосферы являются современные запасы энергетических ископаемых, рудных месторождений, птичьих базаров и т. д.;
Деструктивной, разрушающей мертвой органики и косных тел организмами – деструкторами и продуктами их жизнедеятельности (например, грибами, бактериями, микроорганизмами и т. д.);
Транспортной, переносящей веществ и энергии в результате активного движения и перемещения организмов (например, перелет птиц, миграция животных в поисках корма, рыб – для нереста и т.д.);
Средообразующей, изменяющей условий среды обитания организмов в результате их совместной жизнедеятельной (например, микроклимат в лесу);
Рассеивающей, проявляющейся при выделении организмами экскрементов, при передвижении, линьке; при всасывании крови насекомыми – кровососами и т. д.
Роль живого вещества биосферы геохимик А.А. Перельман определил так: «Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества, или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом».
Следует отметить, лишь один-единственный на Земле процесс, который не тратит, а, наоборот, связывает солнечную энергию и даже накапливает ее - это создание органического вещества в результате фотосинтеза.
В связывании и запасании солнечной энергии и заключается основная планетарная функция живого вещества на Земле.
Свойства и устойчивость биосферы. Биосфере, как глобальной экосистеме, кроме перечисленных свойств и функций, присущи свойства, обеспечивающие ее функционирования, саморегуляцию и устойчивость:
1) Биосфера - централизованная система. Центральным ее звеном выступают живые организмы, а не только один человек.
2) Биосфера - открытая система, получающая энергию, необходимую для своей жизнедеятельности извне (от солнца).
3) Биосфера - саморегулирующейся система, обладающая гомеостазом – способностью возвращаться в исходное состояние (извержение вулкана, горообразование, землетрясение и т. д.).
4) Биосфера - система с большим видовым разнообразием организмов, обусловленных разной средой жизни (водной, надземно-воздушной, организменной; разнообразием природных зон с различными условиями среды обитания).
5) Биосфера - система, обеспечивающая круговорот веществ и связанную с ним неисчерпаемость отдельных химических элементов и соединений. Разнообразие основное условие устойчивости экосистемы и биосферы в целом.
Наиболее высокая плотность жизни в Мировом океане на мелководье, в умеренных, субтропических и тропических поясах на суше; меньшее разнообразие – в холодных полярных и субполярных областях, в засушливых местах и пустынях, на высокогорьях, в океанических впадинах (рис. 23).
Рисунок 23 – Продуктивность различных экосистем земного шара
Распределение биогеоценозов на земле . Формирование и распределение биогеоценозов на земном шаре зависит от условий их существования. Поэтому разные континенты, моря и океаны заселены разными группами организмов.
Классификация природных экосистем базируется на ландшафтном подходе. Ландшафт - природный географический комплекс, в котором все основные компоненты (рельеф, верхние горизонты литосферы, климат, воды, почвы, растительность, животный мир) находятся в сложном взаимодействии, образуя однородную по условиям развития единую систему.
Наземные природные экосистемы:тундра (арктическая и альпийская), бореальные хвойные леса, листопадный лес умеренной зоны, степи, саванны, пустыня, тропический лес.
Основными лимитирующими факторами суши являются среднегодовая температура и количество осадков.
Пресноводные экосистемы подразделяются на: лентические (стоячие водоемы) - озера, пруды, водохранилища; лотические (проточные водоемы) - реки, ручьи; болота.Лимитирующие факторы водной среды: течение, глубина (увеличивается давление, уменьшается прозрачность), температура.
Проточные водоемы имеют две зоны: мелководные перекаты (с быстрым течением); глубоководные плёсы (спокойные реки).
Экосистема непроточного водоема:
В непроточном водоеме выделяют следующие зоны:
Литоральная зона - толща воды, где свет проникает до дна
Лимническая зона - толща воды до глубины, куда проникает 1% солнечного света и где затухает фотосинтез
Профундальная зона - дно и толща воды, куда не проникает солнечный свет.
Каждой из этих зон свойственны свои обитатели и свои сообщества организмов. В зависимости от глубины и строения водоема профундальная зона и литоральная зона могут отсутствовать.
Морские экосистемы: открытый океан, область континентального шельфа (прибрежные воды), эстуарии, глубоководные зоны.
Лимитирующие факторы: соленость, глубина, прозрачность, температура.
Общая характеристика наземных экосистем . Наземные экосистемы - это место обитания человека. В экосистемах суши сосредоточено более 99% биомассы Земли. Большая часть биомассы суши находится в растениях (99,2%). Основными продуцентами (автотрофы) наземных экосистем являются высшие растения (деревья, кустарники, травы), определяющие характерные особенности этих экосистем. Растения поедаются консументами (гетеротрофы) первого порядка, растительноядными животными. Для наземных экосистем характерны крупные растительноядные млекопитающие- олени, антилопы, бизоны, домашний скот. Многие из них относятся к жвачным, обладающим микроэкосистемой - где анаэробные микроорганизмы разрушают и обогащают лигноцеллюлозу, составляющую большую часть растительной биомассы. Консументы первого порядка служат пищей для хищников, консументов второго порядка. Таким образом, на вершине трофической пирамиды наземных экосистем стоят крупные хищники и человек.
Экосистемы суши, впрочем, как и любые экосистемы, можно классифицировать по их функциональным или структурным признакам. Широко используется классификация по типу растительности. Крупные региональные или субконтинентальные биосистемы, связанные с определенным типом растительной формации, ландшафта и географическим положением называют биомом. Понятие «биом» практически соответствует понятию природная зона. Ключевая характеристика, позволяющая разграничивать и узнавать наземные биомы, - жизненная форма (травы, кустарники, листопадные деревья и т.д.) растительности климатического климакса. Так, климаксная растительность степного биома - злаки, хотя в разных частях биома и на разных континентах могут произрастать разные виды злаков. Однако биом включает в себя и эдафические климаксы, и стадии развития, в которых во многих случаях доминируют иные жизненные формы. Например, степные сообщества представляют собой стадии развития лесного биома, а прибрежные леса - составляют часть степного биома. Названия биомов определяются названием преобладающего типа растительности.
Крупнейшим биомом на суше является пустыня, на втором месте биом тропических саванн и степей. Значительная часть суши (10%) вообще не покрыто растительностью - ледяная пустыня. Примерно такие же доли (10%) приходятся на сельскохозяйственные поля, степи умеренной зоны и бореальные леса. Чуть большую часть суши занимают тропические леса (12%). Наименьшую площадь занимает биом средиземноморских степей.
Пустыни - это территория, где испарение превышает количество осадков, причем их уровень составляет менее 250 мм/г. В таких условиях произрастает скудная, обычно низкорослая растительность, преобладание ясной погоды способствует быстрой потере теплоты ночью, накопленной почвой днем. Для пустыней характерно значительное различие между дневной и ночной температурами. Обычно эти территории с низкой плотностью населения, а иногда вообще ненаселенные. Этот термин относится также к районам, неблагоприятным для жизни вследствие холодного климата (т.н. холодные пустыни). Пустынные экосистемы занимают около 16% поверхности суши и расположены практически во всех широтах Земли.
Существует три жизненных формы растений, адаптированных к пустыням: 1) однолетники, избегающие засухи тем, что они растут только при достаточной влажности; 2) суккуленты, такие, как кактусы; 3) пустынные кустарники, у которых многочисленные отходящие от короткого основного ствола ветви несут мелкие толстые листья.
Животные пустыни, как и растения, по-разному адаптированы к недостатку воды. Пресмыкающиеся и некоторые насекомые обладают непроницаемыми покровами и выделяют сухие экскреты. Пустынные насекомые защищены от испарения особыми водонепроницаемыми при высокой температуре веществами. Млекопитающих как группу нельзя считать хорошо адаптированными к условиям пустыни, так как они выделяют мочевину, что связано с потерей большого количества воды. Все же некоторые виды приобрели вторичные адаптации. К таким млекопитающим принадлежат грызуны, например: кенгуровая крыса и карманчиковая мышь. Эти животные могут неопределенно долго существовать на сухих семенах и вовсе не нуждаться в питье.
Тропические саванны (степи с редкими деревьями или группами деревьев) расположены в теплых областях, где в год выпадает большое количество осадков, но имеется один или два продолжительных сухих сезона. Самая обширная область этого типа находится в Центральной и Восточной Африке, но довольно значительные области тропических саванн встречаются также в Южной Америке и Австралии. Растительность состоит из небольшого числа видов.
Ландшафт африканских саванн усеян колючими акациями и другими деревьями и кустарниками, относящимися к семейству бобовых. Часто на больших пространствах доминирует один вид деревьев и злаков.
Африканские саванны не имеют себе равных по численности и разнообразию популяции копытных: многочисленные виды антилоп, зебры и жирафы. Разнообразны птицы, среди которых есть крупные хищники и падальщики (грифы), а также самая крупная из птиц - африканский страус. Среди насекомых много кровососущих, например знаменитая муха цеце. Насекомые наиболее обильны во время влажного сезона, когда гнездится большинство птиц; рептилии же активнее во время сухого сезона. Значительные площади саванн распаханы, здесь выращивают зерновые, хлопчатник, арахис, сизаль, джут, сахарный тростник и другие культуры. В более засушливых местах развито животноводство. Антропогенное воздействие на саванны часто приводит к их опустыниванию.
Степи умеренной зоны расположены там, где выпадает промежуточное между пустынями и лесами количество осадков. Обширные степные пространства занимают внутренние части Евразийского и Североамериканского континентов, юг Южной Америки и Австралию.
Основные типы травянистых сообществ умеренного пояса :
а) Высокотравные и низкотравные прерии - степные равнины Северной Америки, в прошлом покрытые высокотравной растительностью с преобладанием злаков: ковыль, бородач, бизонова трава. Прерии во многом напоминают степи, но протягиваются не в широтном, а в долготном направлении вследствие континентального климата во внутренних частях Канады и США, между Скалистыми горами на западе и смешанными и широколиственными лесами приатлантической части материка на востоке. Прерии распаханы под пшеницу, кукурузу, а на орошаемых землях юга - хлопчатник;
б) Пампы Южной Америки - представляют собой травянистую злаковую растительность на плодородных красновато-черных почвах, формирующихся на вулканических породах. Она состоит из южноамериканских видов тех родов злаков, которые широко распространены в Европе в степях умеренного пояса (ковыля, бородача, овсяницы). С лесами Бразильского нагорья пампа связана переходным типом растительности, близким к лесостепи, где травы сочетаются с зарослями вечнозеленых кустарников. Растительность пампы подверглась наиболее сильному истреблению и в настоящее время почти полностью замещена посевами пшеницы и других культурных растений.
в) Вельды Южной Африки - равнинные луга, расположенные на довольно высоких нагорьях. Вельды простираются до скалистых Драконовых гор.
г) Степи - равнины, поросшие травянистой растительностью, в умеренных и субтропических зонах северного и южного полушария. Характерной особенностью степей является практически полное отсутствие деревьев (не считая искусственных насаждений и лесополос вдоль водоёмов). Климат степных регионов, как правило, находится в диапазоне от умеренно-континентального до континентального и характеризуется очень жарким летом и холодной зимой. Значительная часть степных территорий распахана.
Лесные экосистемы . Сезонные тропические леса, в том числе муссонные леса тропической Азии, произрастают в областях с влажным тропическим климатом, где выражен сухой сезон, во время которого некоторые или все деревья теряют листву. Ключевым фактором здесь являются строгие сезонные колебания в выпадении довольно обильных в течение года осадков. По своему видовому богатству сезонные тропические леса занимают второе место после дождевых лесов. Тропические дождевые леса встречаются в трех главных областях: 1) бассейны Амазонки и Ориноко в Южной Америке и Центральноамериканский перешеек; 2) бассейны Конго, Нигера и Замбези в Центральной и Западной Африке и Мадагаскар; 3) области Индо-Малайская и Борнео - Новая Гвинея. Эти области отличаются друг от друга по видовому составу, но сходны по структуре и экологии лесов. Различия в температуре между зимой и летом выражены не столь сильно, как между ночью и днем. Сезонная периодичность размножения и других жизненных функций растений и животных в значительной степени связана с колебаниями количества осадков или же регулируется внутренними ритмами. Дождевой лес характеризуется очень сильно выраженной ярусностью. Деревья обычно формируют три яруса: 1) редкие очень высокие деревья, которые возвышаются над общим уровнем полога; 2) полог, образующий сплошной вечнозеленый покров на высоте 25-30 м; 3) нижний ярус, который становится густым только там, где имеются просветы. Число видов растений очень велико. Большая доля животных обитает в верхних ярусах растительности. Кроме древесных млекопитающих здесь в изобилии встречаются хамелеоны, игуаны, древесные змей, лягушки и птицы. Важную экологическую роль играют муравьи и прямокрылые, а также бабочки. Основной источник пищи животных в тропических лесах - плоды и термиты.
В горных районах тропиков расположен горный дождевой лес. По мере продвижения в горы лес становится все более низкорослым. Еще одна разновидность дождевого леса встречается вдоль берегов затапливаемых речных долин; это так называемый галерейный лес, или прибрежный лес.
Листопадные леса умеренных широт занимают области с большим количеством распределенных осадков и умеренной температурой, для которой характерны четкие сезонные колебания. Первоначально умеренные листопадные леса покрывали весь восток Северной Америки, всю Европу, часть Японии и Австралии. Животное население первоначальных лесов Северной Америки представлено виргинским оленем, медведем, серой и черной белкой, серой лисицей, рыжей рысью и дикой индейкой.
Листопадные леса умеренной зоны представляют собой наиболее важные биотические области мира, так как именно в этих районах цивилизация достигла наибольшего развития. В результате этот биом сильно изменился под влиянием человеческой деятельности, его большая часть замещена культурными сообществами или сообществами лесных опушек.
Листопадные леса Западной Европы относительно бедны видами. Среди лесов умеренной зоны мира самые богатые видами леса на юге Аппалачей и леса Восточной Азии.
Бореальные хвойные леса (темнохвойная тайга) широким поясом вытянулись через всю Северную Америку и Евразию. Горные районы, занятые таким лесом, встречаются даже в тропиках. Доминирующая жизненная форма представлена здесь хвойными вечнозелеными деревьями, особенно елью, пихтой и сосной. Кустарниковый и травяной ярусы обычно развиты слабо. Семена хвойных служат источником существования многих животных. Как и в тундре, здесь сильно выражены сезонная периодичность и колебания численности многих популяций.
Площадь водных экосистем значительно больше, чем наземных, однако среди них преобладают морские экосистемы, площадь пресноводных экосистем сравнительно невелика.
Особенности водных экосистем:
Биота имеет сравнительно низкое таксономическое разнообразие и представлена в основном водорослями, цианобактериями и низшими животными. Из числа позвоночных существенную роль играют рыбы, реже - млекопитающие, птицы, амфибии и рептилии. Среди продуцентов могут быть макрофиты - сосудистые растения в пресноводных экосистемах, бурые и красные водоросли в морских экосистемах. В составе блока редуцентов - только бактерии;
Пищевые цепи удлинены до 6 звеньев;
Биологическая продукция больше запаса биомассы, так как значительная часть организмов низших трофических уровней живет недолго - дни и недели. Пирамида биомассы имеет форму юлы с максимумом на втором и третьем трофическом уровнях, так как виды растительноядного и плотоядного планктона живут дольше, чем автотрофы-водоросли;
Круговорот элементов питания происходит быстро. Детрит накапливается только в некоторых пресноводных экосистемах, в которых образуется сапропель. Элементы минерального питания в сапропеле консервируются и исключаются из круговорота. В пресноводных экосистемах, исключая такие глубоководные, как озеро Байкал, солнечный свет проходит от поверхности до дна, и потому вся водная толща заселена водорослями-автотрофами. В неглубоких озерах большую роль играют высшие растения - макрофиты, в составе которых различается несколько экологических групп.
Различаются экосистемы эвтрофных и олиготрофных озер. В олиготрофных экосистемах круговорот веществ протекает в основном в водной толще, так как планктонные консументы играют одновременно и роль редуцентов: выделяемый ими фосфор тут же усваивается водорослями. В эвтрофной экосистеме, напротив, значительная часть фитопланктона не усваивается зоопланктоном, оседает на дно и служит пищей детритофагам бентоса. При этом избыточные элементы питания захораниваются в сапропеле, что и вызывает процесс деэвтрофикации водоема.
Морские экосистемы . Различают несколько типов экосистем, соответствующих областям-зонам океана.
Литораль - освобождающаяся от воды во время отлива прибрежная зона. В этих условиях произрастают устойчивые к затоплению и засолению цветковые растения - подорожник морской, астра морская. Животное население литорали представлено большим числом особей моллюсков-литорин, мидий.
Континентальный шельф - зона вдоль берегов до глубины 200 (реже 400) м. С этой областью связаны подводные заросли из ламинарий, достигающих 16 м длины. Эти заросли заселены разнообразными ракообразными, моллюсками, нематодами. Ламинариями питаются морские ежи. С этой зоной связан промысел морской рыбы (сельди, трески, камбалы и др.), ракообразных (крабов, креветок, лангустов) и моллюсков (кальмаров).
Фотический слой пелагиали. Пелагиалью называется толща воды остальной части океана, самая обширная географическая зона планеты, занимающая около 70% площади Мирового океана. Это «пустыня» с низкой биологической продукцией и биомассой. Толщина фотического (светлого) слоя пелагиали во многом определяется географической широтой. В районе экваторая вертикально падающие солнечные лучи пробивают слой воды толщиной 250 м, а в Белом море те же лучи, но падающие под острым углом, способны просветить слой воды не более 25 м. На толщину фотического слоя влияет и фитопланктон, который при массовом развитии может снижать прозрачность воды в 10 раз.
Высокий запас биомассы на континентальном шельфе связан с развитием бурых водорослей, а высокое отношение зоомассы к фитомассе в фотическом слое пелагиали связано с уже отмеченным различием длительности жизни фитопланктона и зоопланктона.
В науке термины «экосистема» и «биосфера» часто рассматриваются в общем контексте, однако обозначают они разные объекты. В чем заключается их специфика?
Что представляет собой экосистема?
Экосистема - это природная среда, которая состоит из:
- сообществ населяющих ее организмов;
- среды обитания соответствующих организмов;
- системы различных коммуникаций, благодаря которым осуществляется обмен веществами, а также энергией между данными организмами.
Экосистема бывает весьма небольшой по масштабам. Например, она может быть представлена обычным прудом в лесу. В нем, таким образом, обитают сообщества организмов - водорослей, рыб, улиток, бактерий, присутствует среда их обитания - вода, а также системы различных коммуникаций веществ и энергии (например, солнечный свет, проникающий в воду и способствующий фотосинтезу растений, которые произрастают в воде).
Есть примеры более масштабных экосистем. Например - лиственный лес, который занимает значительные площади в центральной части России. В соответствующей экосистеме в большом многообразии будут присутствовать живые организмы, несколько сред обитания - наземная, воздушная, водная (если говорить о тех участках леса, в которых есть водоемы), большое количество коммуникаций - представленные ресурсами солнечного света, почвы, химических компонентов атмосферы.
Все экосистемы Земли объединены в биосферу. Рассмотрим ее особенности.
Что представляет собой биосфера?
Под биосферой принято понимать оболочку Земли, которая населена живыми организмами, а также находится под их непосредственным воздействием. Включает в себя, как мы отметили выше, все экосистемы планеты.
Биосфера распространяется на гидросферу - водную оболочку Земли, верхние слои литосферы - земной коры, а также нижние участки атмосферы. Сейчас биосферу населяет несколько миллионов видов живых организмов. В соответствии с современными научными представлениями, человек также относится к ним. Считается, что влияние людей на биосферу, степень их воздействия на нее существенно выше, чем у других организмов.
В среде ученых также распространен следующий подход: к биосфере следует относить участки космических объектов за пределами Земли, которые могут быть заселены живыми организмами. Несмотря на то что обнаружение данных участков может быть крайне затруднено, некоторые исследования показывают наличие на них потенциала для жизнедеятельности различных организмов.
Сравнение
Главное отличие экосистемы от биосферы заключается в том, что первый термин соответствует локальному сообществу живых организмов. Например, осуществляющих жизнедеятельность в пруду, лесу. Биосфера - понятие, соответствующее глобальному сообществу живых организмов, фактически заселяющих все имеющиеся на Земле экосистемы.
Кроме того, некоторые ученые расширяют границы биосферы до участков космических объектов за пределами Земли, на которых могут обитать живые организмы. Наличие экосистем на них не доказано, более того, неизвестно, какими могут быть особенности коммуникаций живых организмов в них, а также характеристики среды их обитания. Возможно, что они будут совершенно иными, чем те, что наблюдаются на Земле.
Определив, в чем разница между экосистемой и биосферой, отразим выводы в небольшой таблице.
БИОСФЕРА (греч. bios - жизнь, sphaira - шар) Биосфера - оболочка Земли, в пределах которой существует жизнь.
Понятие «биосфера» в 1875 г. ввел австрийский геолог Эдуард Зюсс К биосфере он отнес все то пространство атмосферы, гидросферы и литосферы (твердой оболочки Земли), где встречаются живые организмы. Эдуард Зюсс
Учение о биосфере создал русский ученый Вернадский Владимир Иванович Он назвал биосферой ту область нашей планеты, в которой существует или когда-либо существовала жизнь и которая постоянно подвергалась и подвергается воздействию живых организмов.
В. И. Вернадский выдающийся естествоиспытатель и мыслитель, минералог и кристаллограф, историк науки и философ. - Научные труды
Биосфера - это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Фото 1905 г. Фото 1939 г.
Биосфера - или сфера жизни Земли, не занимает обособленного положения, а располагается в пределах других оболочек – геосфер. гидросфера атмосфера литосфера
Границы биосферы определяются физико-химическими условиями, благоприятными для существования жизни: ü ü ü достаточное количество CO 2 и O 2 достаточное количество жидкой воды температурный режим, исключающий как слишком высокие температуры, так и слишком низкие наличие прожиточного минимума элементов минерального питания определенная соленость водной среды (не более 270 г/л) http: //www. oeco. ru
Верхний предел (20 км) – ограничен жёстким излучением ультрафиолетовых лучей за пределом озонового слоя. Нижний предел жизни на Земле (до глубины 3 км) ограничен высокой температурой земных недр
Наибольшая концентрация живых организмов наблюдается на границах раздела основных сред: üв почве üв поверхностных слоях океана üна дне водоемов Места наибольшей концентрации организмов в биосфере - пленки жизни. Это понятие ввел Вернадский. http: //www. oeco. ru
Косное вещество – это вещество, которое формируется без участия живых организмов. Косное вещество Атмосфера Гидросфера Литосфера
Биогенное вещество - это вещество, которое создается в процессе жизнедеятельности организмов. каменный уголь Биогенное вещество известняки газы атмосферы нефть
Биокосное вещество - вещество, которое создаётся одновременно живыми организмами и косными процессами Например, почвы, ил, природные воды
Биосферу как экосистему относят к биосферному уровню организации живого. На этом уровне современная биология решает глобальные проблемы, связанные с влиянием деятельности человека на живую природу.
Энергетическая функция □ заключается в накоплении и преобразовании растениями энергии Солнца (бактериихемоавтотрофы 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.
Газовая функция □ 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.
Окислительновосстановительная 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 Палочковидные железобактерии
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. Кремний Йод
□ Вернадский в своих работах подчеркивал, Эволюция В. И. история возникновения и эволюция что - это история возникновения жизни биосферы. Развитие биосферы идет вместе с на Земле. □ □ эволюцией органического мира - изменяется состав ее компонентов, расширяются границы и т. д. Живое вещество эволюционирует в сторону усложнения уровня организации, уменьшения прямой зависимости от среды обитания, усовершенствования способов ориентации и передвижения в пространстве. Перенеся идеи физики о неразрывности пространства и времени на явления природы, В. И. Вернадский объяснил направленность эволюции биосферы: она ограничена пространством, что определяется телом планеты, и направлена в сторону прогрессивного развития, так как необходимо приобрести свойства, которые позволят это ограниченное пространство использовать по возможности максимально.
Человек – геохимическая сила □ Особое внимание в своих трудах ученый уделял возрастающему влиянию человека на ход эволюции биосферы. Вернадский подчеркивал, что человек разумный - невиданная по своим масштабам геохимическая сила, которая увеличивает свое влияние по мере развития научной мысли.
Составьте синквейн к термину «биосфера» . СИНКВЕЙН - это пятистрочный стих. существительное, которое, собственно, и нужно осмыслить. два прилагательных, определяющих это существительное и описывающих ваше представление о нём. три глагола: действия, которые производит существительное. фраза из четырёх слов, передающая ваше отношение к существительному. синоним существительного или ваши ассоциации к этому слову.
Например, синквейн к слову «Каникулы» 1. Каникулы 2. Весёлые, долгожданные. 3. Отдыхаем, гуляем, спим. 4. Скоро лето, море, отпуск. 5. Хорошо!
Биосфера – это населенная часть геологической оболочки Земли.
Биосфера – это часть геологической оболочки Земли, свойства которой определяется активностью живых организмов.
Второе определение охватывает более широкое пространство: ведь образовавшийся в результате фотосинтеза атмосферный кислород распределен по всей атмосфере и присутствует там, где нет живых организмов. Биосфера в первом смысле состоит из литосферы, гидросферы и нижних слоев атмосферы – тропосферы . Пределы биосферы ограничены озоновым экраном, находящимся на высоте 20 км, и нижней границей, находящейся на глубине около 4 км.
Биосфера - глобальная экосистема, оболочка Земли, населенная живыми организмами, которая возникла с появлением живых существ в результате эволюционного развития планеты. Она включает верхнюю часть литосферы, всю гидросферу, тропосферу и нижнюю часть стратосферы. Учение о биосфере создано академиком В.И. Вернадским ( 1926).
Атмосфера - газообразная оболочка Земли и некоторых других планет, Солнца и звезд. Атмосфера Земли имеет протяженность до 100 км и состоит из тропосферы, стратосферы и ионосферы. На нижней границе стратосферы на высоте 15-35 км свободный кислород превращается в озон (02 -> 03), образующий защитный экран Земли.
Гидросфера - водная оболочка Земли, расположенная между литосферой и атмосферой. Она занимает 70,8% поверхности Земли и включает океаны, моря, реки, озера.
Литосфера - внешняя твердая оболочка Земли, земная кора, состоящая из осадочных и магматических пород. На ее поверхности образуется почва - особое природное тело, возникшее при.взаимодействии горных пород, воды, воздуха и живых организмов. Литосфера - наиболее насыщенная живым веществом часть биосферы.
Гумус (перегной) - органическое вещество почвы, образующееся в результате разложения растительных и животных остатков организмами-редуцентами. Количество гумуса - показатель плодородия почвы. Мощность гумусового горизонта в подзолистых почвах - 5-10 см, в черноземных - 1-1,5 м при содержании гумуса до 30%.
Мелиорация почвы - улучшение свойств почвы с целью повышения ее плодородия. Различают такие виды мелиорации , как гидротехническая - осушение, орошение, промывка засоленных почв; химическая - известкование, гипсование, окисление; физическая - пескование, глинование; агролесомелиорация - посадка лесных полос, и др.
Ландшафт - общий вид местности. Ландшафты бывают естественными (озерный, горный, лесной) и созданными человеком (поля, сады, парки, водохранилища, заводы, города). В искусственных ландшафтах большое значение имеет озеленение, так как оно влияет на состав воздуха, воды, уровень шума. Большое значение имеет сохранение естественного ландшафта при застройке городов, добыче строительного материала (галька, щебень, песок), особенно на берегах рек и морей.
Природные ресурсы - полезные ископаемые, источники энергии, почва, водные пути и водоемы, минералы, леса, дикорастущие растения, животный мир суши и акватории, генофонд культурных растений и домашних животных, живописные ландшафты, оздоровительные зоны и т. д.:
Исчерпаемые ресурсы :
невозобновимые - нефть, каменный уголь, другие полезные ископаемые;
возобновимые - почва, растительность, животный мир, осадочные породы (соли), темпы расхода которых должны соответствовать темпам их восстановления, иначе они исчезнут.
Неисчерпаемые - это космические, климатические и водные ресурсы (но и они во многом зависят от состояния атмосферы, гидросферы и биосферы в целом).
Учение В.И. Вернадского о биосфере и ноосфере представляет собой обобщение естественнонаучных знаний, где рассматриваются компоненты биосферы, ее границы, функции живого вещества и эволюция биосферы. Академик В.И. Вернадский впервые показал огромную биогеохимическую роль растений, животных и микроорганизмов в формировании биосферы. В структуре биосферы он выделял следующие компоненты :
живое вещество (совокупность живых организмов на планете); во все геологические эпохи живое вещество, преобразуя и аккумулируя солнечную энергию, влияло на химический состав земной коры, было мощной геохимической силой, формирующей лик Земли;
косное (неживое) вещество (атмо-, гидро-, литосфера и их составляющие - газы, твердые частицы и водяные пары, выбрасываемые вулканами, гейзерами);
неживое биогенное вещество , создающееся в процессе жизнедеятельности организмов современной и прошлых геологических эпох (ископаемые остатки организмов, нефть, уголь, газы атмосферы, озерный ил - сапропель, осадочные породы, например, известняки);
биокосное вещество - результат жизнедеятельности организмов и небиологических процессов (почва, вода обитаемых водоемов, глинистые минералы).
Биосфера имеет определенные границы, которые 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). Верхняя граница биосферы находится на высоте 15-20 км от поверхности Земли, проходит в стратосфере и определяется озоновым экраном, задерживающим губительные для живого ультрафиолетовые лучи солнечного света. Основная масса живых организмов находится в нижней воздушной оболочке - тропосфере. Наиболее населена самая нижняя часть тропосферы (50-70 м). Нижняя граница жизни проходит по литосфере на глубине 3,5-7,5 км. Жизнь сосредоточена в основном в верхней части литосферы - в почве и на ее поверхности.
В разных частях биосферы плотность жизни неодинакова. Наибольшее количество организмов находится у поверхности литосферы и гидросферы. Содержание биомассы изменяется также по зонам. Максимальную плотность имеют тропические леса, незначительную - льды Арктики, высокогорные области, пустыни.
Продуктивность биосферы - общий прирост биомассы Земли за 1 год. Ежегодная первичная продукция растений составляет 170 109 т (сухая масса) и заключает около 300- 500 1021 Дж энергии. Наибольшая часть этой продукции приходится на долю растительных сообществ суши - 117 109. Продукция животных (вторичная) составляет 3934 106 т, из них около 909 106 т - на суше и 3025 106 т - в Мировом океане.
Биомасса Земли - совокупность всех живых организмов (живого вещества) планеты. Выражается в единицах массы или энергии, отнесенной к единице площади или объема. Биомасса Земли достигает примерно 2,423 1012 т, из которых на биомассу зеленых растений суши приходится 97%, а на биомассу животных и микроорганизмов - 3%. Биомасса составляет 0,01% от массы земного шара.
Биомасса Мирового океана - совокупность всех живых организмов, населяющих гидросферу (2/3 поверхности Земли). Биомасса их в 1000 раз меньше, чем биомасса обитателей суши, и составляет 3,9 ? 109 т, так как использование солнечной энергии в воде достигает 0,04%, а на суше - 0,1-2,0%.
Живое вещество биосферы - совокупность живых организмов (биомассы) Земли - представляет собой открытую систему, для которой характерны рост, размножение, распространение, обмен веществ и энергии с внешней средой, накопление энергии и передача ее в цепях питания. Живое вещество в биосфере выполняет различные биогеохимические функции, благодаря чему обеспечиваются круговорот веществ и превращение энергии и в итоге целостность, постоянство биосферы, ее устойчивое существование. Важнейшие функции :
Энергетическая - накопление и преобразование растениями солнечной энергии в ходе фотосинтеза (бактерии-хемоавтотрофы преобразуют энергию химических связей) и передача 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.
Газовая - постоянный газообмен с окружающей средой в процессе дыхания и фотосинтеза (зеленые растения 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 - обмен веществ и энергии, фотосинтез (микроорганизмы в процессе жизнедеятельности окисляют или восстанавливают различные соединения, получая при этом энергию для жизненных процессов, участвуя в образовании полезных ископаемых, например, деятельность железобактерий по окислению железа привела к образованию осадочных пород - железных руд; серобактерии, восстанавливая сульфаты, образовали месторождения серы).
Концентрационная функция - биогенная миграция атомов, которые концентрируются в живых организмах, а после их отмирания переходят в неживую природу (способность 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.
Эволюция биосферы . В.И. Вернадский в своих работах подчеркивал, что история возникновения и эволюция биосферы - это история возникновения жизни на Земле. Развитие биосферы идет вместе с эволюцией органического мира - изменяется состав ее компонентов, расширяются границы и т. д. Ученый еще в начале XX в. указал на возрастающее влияние человека на ход эволюции биосферы, предугадал многие тенденции воздействия человека на природу и ввел понятие ноосферы как «разумной оболочки» Земли.
Для перехода биосферы в ноосферу необходимо познать законы строения и развития биосферы и выработать новые принципы нравственности и поведения людей для поддержания стабильного и прогрессивного развития нашей планеты.
Глобальные изменения в биосфере. Охрана растительного и животного мира
Антропогенное воздействие на биосферу . Человек всегда использовал окружающую среду как источник ресурсов, однако с конца прошлого столетия изменения биосферы под влиянием хозяйственной деятельности создают угрозу существованию биосферы и самого человека. Последствия антропогенной деятельности проявляются в истощении природных ресурсов, загрязнении биосферы отходами производства, изменении климата и структуры поверхности Земли, нарушении природных биогеохимических циклов, разрушении природных экосистем.
Загрязненность - наличие в окружающей среде вредных веществ, нарушающих функционирование экологических систем или их отдельных элементов и снижающих качество среды. Экологическое действие загрязняющих агентов на организменном уровне приводит к нарушению отдельных физиологических функций организмов, изменению их поведения, снижению темпов роста и развития, устойчивости к воздействиям иных неблагоприятных факторов внешней среды. На уровне популяций загрязнение может вызывать изменения их численности и биомассы, рождаемости, смертности, структуры, годовых циклов миграций и ряда других функциональных свойств. На биоценотическом уровне загрязнение сказывается на структуре и функциях сообществ, происходит деградация экосистем.
Различают природное и антропогенное загрязнения. Природное загрязнение возникает в результате естественных причин - извержения вулканов, землетрясений, катастрофических наводнений и пожаров. Антропогенное загрязнение - результат деятельности человека.
Загрязняющие вещества, возникшие в результате хозяйственной деятельности человека, и их влияние на среду очень разнообразны. Это соединения углерода, серы, азота, тяжелые металлы, различные органические вещества, искусственно созданные материалы, радиоактивные элементы и др. Каждый загрязнитель оказывает определенное отрицательное воздействие на природу. Законодательство устанавливает для каждого загрязняющего вещества предельно допустимый сброс (ПДС) и предельно допустимую концентрацию (ПДК) в природной среде. Предельно допустимый сброс (ПДС) - масса загрязняющего вещества, выбрасываемого отдельными источниками за единицу времени, превышение которой приводит к неблагоприятным последствиям в окружающей среде или опасно для здоровья человека. Предельно допустимая концентрация (ПДК) - количество вредного вещества в окружающей среде, которое не оказывает отрицательного воздействия на здоровье человека или его потомство при постоянном или временном контакте с ним. При определении ПДК учитывается не только степень влияния загрязнителей на здоровье человека, но и воздействие на животных, растения, грибы, микроорганизмы, природное сообщество в целом.
Кроме загрязнения среды, антропогенное воздействие выражается в истощении природных ресурсов биосферы . Огромные масштабы использования природных ресурсов привели к значительному изменению ландшафтов в ряде регионов. До определенного уровня биосфера способна к саморегуляции, что позволяет свести к минимуму негативные последствия деятельности человека. Но существует предел, когда биосфера уже не в состоянии поддерживать равновесие. Происходит качественная и количественная перестройка всей биосферы планеты, возникают необратимые процессы, приводящие к экологическим катастрофам.
Загрязнение атмосферы. Современный газовый состав атмосферы - результат длительного исторического развития земного шара - газовая смесь азота (78,09%) и кислорода (20,95%), а также аргона (0,93%), углекислого газа (0,03%), инертных газов (неон, гелий, криптон, ксенон), аммиака, метана, озона, диоксидов серы и других газов. Выброс в атмосферу промышленных газов, включающих такие соединения, как окись углерода СО (угарный газ), окислы азота, серы, аммиака и других загрязнителей, приводит к угнетению жизнедеятельности растений и животных, нарушениям обменных процессов, отравлению и гибели живых организмов.
Увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере, сопровождающееся ростом количества аэрозоля (мелких частиц пыли, сажи, взвесей растворов некоторых химических соединений) и чрезмерным поглощением воздухом теплового излучения Земли, приводит к «парниковому эффекту » - увеличению средней температуры атмосферы планеты на несколько градусов. Определенную роль в создании «парникового эффекта» играет и тепло, выделяющееся от ТЭЦ и АЭС. Потепление климата может привести к интенсивному таянию ледников полярных областей, повышению уровня Мирового океана, изменению его солености, температуры, затоплению прибрежных низменностей.
Кислотные дожди , вызываемые главным образом диоксидом серы и оксидами азота, наносят огромный вред лесным биоценозам. Установлено, что хвойные породы страдают от кислотных дождей в большей степени, чем широколиственные. Только на территории нашей страны общая площадь лесов, пораженных промышленными выбросами, достигла 1 млн га.
Истощение озонового слоя атмосферы, являющегося защитным экраном от ультрафиолетового излучения, губительного для живых организмов, происходит над полюсами планеты - Антарктидой и Арктикой, где появились так называемые озоновые дыры. Основной причиной истощения озонового слоя является применение людьми хлорфторуглеводородов (фреонов), широко используемых в производстве и быту в качестве хладореагентов, пенообразователей, растворителей и аэрозолей.
Загрязнение природных вод - снижение их биосферных функций и экономического значения в результате поступления в них вредных веществ (нефть и нефтепродукты, бытовые (канализационные) и промышленные сточные воды, содержащие свинец, ртуть, мышьяк, обладающие сильным токсическим действием, синтетические вещества, используемые в промышленности, на транспорте, в коммунально-бытовом хозяйстве, сельскохозяйственные стоки, содержащие значительные количества остатков удобрений (азота, фосфора, калия), вносимых на поля, ядохимикаты и др.) Нефть может попадать в воду в результате естественных ее выходов в районах залегания. Но основные источники загрязнения связаны с человеческой деятельностью: нефтедобычей, транспортировкой, переработкой и использованием нефти в качестве топлива и промышленного сырья. Нефть на воде образует тонкую пленку, препятствующую газообмену между водой и воздухом. Оседая на дно, нефть попадает в донные отложения, где нарушает естественные процессы жизнедеятельности донных животных и микроорганизмов.
Запасы воды истощаются также из-за чрезмерного забора вод рек на орошение. Одним из видов загрязнения водоемов является тепловое загрязнение. Электростанции, промышленные предприятия Часто сбрасывают подогретую воду в водоем, что приводит к повышению в нем температуры воды и бурному размножению болезнетворных микроорганизмов и вирусов. Попав в питьевую воду, они могут вызвать вспышки различных заболеваний.
Загрязнение почвы . В результате развития хозяйственной деятельности человека происходят загрязнение, изменение состава почвы и даже ее уничтожение. Громадные площади плодородных земель погибают при горно-промышленных работах, строительстве предприятий и городов. Уничтожение лесов и естественного травянистого покрова, многократная распашка земли без соблюдения правил агротехники приводят к возникновению эрозии почвы - разрушению и смыву плодородного слоя водой и ветром. В роли основных загрязнителей почв выступают металлы (ртуть, свинец) и их соединения, радиоактивные элементы, а также удобрения и ядохимикаты - стойкие органические соединения, применяемые в сельском хозяйстве. Они накапливаются в почве, воде, донных отложениях водоемов и включаются в экологические пищевые цепи, переходят из почвы и воды в растения, затем в животных и в итоге попадают с пищей в организм человека.
Радиационные загрязнения имеют существенное отличие от других. Радиоактивные нуклиды - это ядра нестабильных химических элементов, испускающие заряженные частицы и коротковолновые электромагнитные излучения. Именно эти частицы и излучения, попадая в организм человека, разрушают клетки, вследствие чего возникает лучевая болезнь.
В биосфере повсюду есть естественные источники радиоактивности, и человек, как и все живые организмы, всегда подвергался естественному облучению. Внешнее облучение происходит за счет излучения космического происхождения и радиоактивных нуклидов, находящихся в окружающей среде. Внутреннее облучение создается радиоактивными элементами, попадающими в организм человека с воздухом, водой и пищей. В настоящее время радиоактивные элементы достаточно широко используются в различных областях. Халатное отношение к хранению и транспортировке этих элементов приводит к серьезным радиоактивным загрязнениям. Радиоактивное заражение биосферы связано, например, с испытаниями атомного оружия, авариями на АЭС. Большую опасность для окружающей среды представляет складирование и хранение радиоактивных отходов военной промышленности и атомных электростанций.
Массовое уничтожение лесов влечет за собой гибель богатейших флоры и фауны.
Таким образом , из-за увеличения масштабов антропогенного воздействия (хозяйственной деятельности человека), особенно в последнее столетие, нарушается равновесие в биосфере, что может привести к необратимым процессам и поставить вопрос о возможности жизни на планете. Это связано с развитием промышленности, энергетики, транспорта, сельского хозяйства и других видов деятельности человека без учета возможностей биосферы Земли. Уже сейчас перед человечеством встали серьезные экологические проблемы, требующие незамедлительного решения.
Экологический прогноз - предсказание поведения природных систем, определяемое естественными процессами и воздействием на них человека. Прогнозы бывают глобальные (общепланетарные) и локальные (для небольшой территории), на ближайшее время и на 100-120 лет вперед. С учетом данных прогноза проводятся мероприятия по охране водоемов, почвы, растительности, животного мира от загрязнения, уничтожения, по сохранению видового состава.
Защита природной среды от загрязнения - система мероприятий, направленных на устранение отрицательного влияния человека, которое выражается в выбросах ядовитых газов, загрязнении воды, применении гербицидов, пестицидов, горючих материалов, радиоактивных веществ, интенсивных шумов, атомного сырья.
Охрана окружающей среды - охрана среды, в которой живет человечество, и природных объектов этой среды. Существует Международная программа, созданная в 1973 г. ООН (ЮНЕП), посвященная острым проблемам современного состояния окружающей среды: борьбе с опустыниванием, охране Мирового океана, почвенного покрова, дождевых тропических лесов, источников пресной воды и т. д. Природоохранные мероприятия по сохранению видового состава планеты связаны с созданием Красной книги и охраняемых природных территорий.
Красная книга - список находящихся в опасности, редких и исчезающих видов растений и животных.
Черный список - международный список вымерших видов животных и растений, от которых остались лишь чучела, скелеты и тушки, рисунки, гербарии, находящиеся в музеях.
Сейчас на Земле скорость вымирания видов в несколько тысяч раз превышает ту, которая существовала бы в условиях нетронутой природы.
Заповедники - участки территории суши или воды, полностью исключенные из всех видов хозяйственного использования, где естественные ландшафты сохраняются в ненарушенном состоянии.
Заказники - участки территории суши или воды, где временно запрещается использование определенных видов природных ресурсов. Срок действия заказников - 5-10 лет.
Национальные парки - территории, исключенные из хозяйственной эксплуатации с целью сохранения природных комплексов, имеющих особую экологическую, историческую, эстетическую ценность, а также используемые для отдыха и в культурных целях.
Тематические задания
А1. Главная особенность биосферы:
1) наличие в ней живых организмов
2) наличие в ней неживых компонентов, переработанных живыми организмами
3) круговорот веществ, управляемый живыми организмами
4) связывание солнечной энергии живыми организмами
А2. Залежи нефти, каменного угля, торфа образовались в процессе круговорота:
1) кислорода
2) углерода
4) водорода
А3. Найдите неверное утверждение. Невосполнимые природные ресурсы, образовавшиеся в процессе круговорота углерода в биосфере:
2) горючий газ
3) каменный уголь
4) торф и древесина
А4. Бактерии, расщепляющие мочевину до ионов аммония и углекислого газа, принимают участие в круговороте
1) кислорода и водорода
2) азота и углерода
3) фосфора и серы
4) кислорода и углерода
А5. В основе круговорота веществ лежат такие процессы, как
1) расселение видов
3) фотосинтез и дыхание
2) мутации
4) естественный отбор
А6. Клубеньковые бактерии включают в круговорот
3) углерод
4) кислород
А7. Солнечная энергия улавливается
1) продуцентами
2) консументами первого порядка
3) консументами второго порядка
4) редуцентами
А8. Усилению парникового эффекта, по мнению ученых, в наибольшей степени способствует:
1) углекислый газ
3) двуокись азота
А9. Озон, который образует озоновый экран, формируется в:
1) гидросфере
2) атмосфере
3) в земной коре
4) в мантии Земли
А10. Наибольшее количество видов находится в экосистемах:
1) вечнозеленых лесов умеренного пояса
2) влажных тропических лесов
3) листопадных лесов умеренного пояса
А11. Наиболее опасной причиной обеднения биологического разнообразия – важнейшего фактора устойчивости биосферы – является
1) прямое истребление
2) химическое загрязнение среды
3) физическое загрязнение среды
4) разрушение мест обитания
