|
Главная Материки Географические открытия Природа Земли Календарь Словари. Справочники Воронежская область |
Биосфера. Понятие о биосфере. Границы биосферыБиосфера – это сфера жизни. Она является четвертым компонентом географической оболочки. Понятие о биосфере было введено австрийским географом Зюссом в Понятие о биосфереВ настоящее время существуют три взгляда на биосферу.
Поэтому единственно правильной точкой зрения следует считать первую, рассматривающую биосферу как совокупность живых организмов.. Границы биосферыВерхняя граница биосферы проходит в тропосфере и совпадает с озоновым слоем Земли. Нижняя граница ее очень неровная. Биосфера включает в себя всю толщу гидросферы, а также верхнюю часть литосферы, мощностью около 4 км. Таким образом, общая вертикальная мощность биосферы – 20 км. Как видно, это очень тонкая оболочка планеты, она заселена живыми организмами, которые по словам Вернадского, представляют собой самую мощную геологическую силу.
Средний элементарный состав живого вещества(по А.П. Виноградову, 1954)
Биологическая продуктивность основных типов растительностиБиомасса (фитомасса) – общее количество живого органического вещества растительных сообществ; Годовой прирост – масса органического вещества, нарастающая в подземных и надземных частях растений в течение года; Опад – количество ежегодно отмирающего органического вещества; Лесная подстилка (степной войлок) – мертвое органическое вещество опада сохранившееся от разложения и залегающее на поверхности почвы.
Биологическая продуктивность основных типов растительности (по Л.Е. Родину и Н.И. Базилевич, 1965)
Образование и состав биосферыОбразование биосферыБиосфера возникла на определенном этапе эволюционного развития нашей планеты, в результате взаимодействия всех компонентов географической оболочки. Первые примитивные организмы появились на земле 3 млрд. лет назад, одноклеточные, способные к фотосинтезу – 2,7 млн. лет назад и многоклеточные – 1,2 млн. л.н. Считается, что местом развития жизни были прибрежные части морей. При этом вредные для жизни ультрафиолетовые лучи здесь задерживались верхним слоем воды, так как озонового слоя в атмосфере Земли в то время еще не было. Возможно, что сложные органические соединения попали в воду из атмосферы, где они возникли под действием солнечной радиации и электрических разрядов, то есть под воздействием молний. Затем из них образовались многомолекулярные системы, взаимодействующие со средой. Постепенно эти системы стали обладать свойствами живых организмов, то есть способностью к обмену веществ, росту и размножению. Водная среда долгое время была единственным местом обитания живых организмов. На сушу вначале вышли растения. Произошло это 550 млн. лет назад, а затем – животные (земноводные) – 350 млн. л.н. и уже в девоне, то есть 280 млн.л.н., масса живого вещества на суше стала близка к современной. Немного позднее появились динозавры, расцвет которых отмечался в триасовом и юрском периодах, то есть 130 – 190 млн. л.н. Быстрому распространению жизни на Земле способствовали: - высокая приспособляемость к среде; - большая потенциальная возможность размножения организмов. Возникновение и развитие жизни на Земле стало очень важным этапом развития нашей планеты. В результате деятельности биосферы структура планеты усложнилась и появились новая геосфера – педосфера, то есть почвенная среда. Биосфера породила человека, что привело к возникновению еще одной сферы – ноосферы, то есть сферы разума.
Состав биосферыАкадемик Вернадский доказал, что живые организмы существуют в совокупности, то есть в виде живого вещества, которое определяется общим весом, химическим составом и энергией организмов. Состав живого вещества значительно отличается от неживой материи. Так, в среднем, в составе живого вещества приходиться: 70 % на кислород; 18 % - на углерод; 10 % - на водород. Это во много раз больше, чем в окружающей среде. Кислород, углерод и водород называют органогенными, или биофильными элементами. Их атомы создают в живых организмах сложные молекулы, то есть органические соединения. В неживом веществе больше всего: железа, кремния и алюминия. Как видно, по своему химическому составу живое вещество является обособленным на нашей планете. Таким образом, живое вещество – это специфическое природное образование, обладающее присущими только ему свойствами. Время появления (вымирания) основных классов организмов на Земле
Свойства биосферы1. Очень важной особенностью биосферы является тесная связь живого вещества с окружающими условиями, или средой обитания. То есть, организм и окружающая его среда представляют собой единство. При изменении условий среды обитания живое вещество приспосабливается к новым условиям. При этом оно может изменить свою форму или функции, но не состав. Неживое вещество при этом изменяется коренным образом. Например, граниты, образовавшиеся в условиях высоких температур и высокого давления, попадая на поверхность земли, также начинают «приспосабливаться» к новым условиям. При этом в аридном климате происходит дробление гранита, а во влажном (гумидном) климате – его химическое изменение. Так, минеральное вещество, приспосабливаясь, меняет свой состав, и становится другим веществом в физическом и химическом отношениях. 2. Способность к самовоспроизведению, то есть к размножению. Это свойство резко отличается живое от неживого и является причиной быстрого распространения жизни на Земле. В.И. Вернадский назвал такую способность биосферы «всюдностью жизни», а сам процесс быстрого размножения – «растеканием жизни». Как установлено, скорость размножения живых организмов различна и зависит от их массы. Так, мелкие организмы размножаются скорее крупных. Выявлена даже общая закономерность: скорость размножения организмов обратно пропорциональна их массе. Размножение организмов происходит в геометрической прогрессии. Это определил еще Дарвин, который писал: «Не существует исключения из правил, по которым любые органические существа естественно размножаются в столь быстрой прогрессии, что не подвергайся они истреблению, потомство одной пары особи скоро бы заполнило всю Землю». Скорость размножения организмов пытались оценить различные исследователи. Так, К. Эренберг, живший в прошлом веке, пришел к выводу, что одна диатомовая водоросль за 8 дней может создать массу, равную массе Земли, а инфузория-туфелька за 5 лет может дать массу, в 104 раза большую массы Земли. Позднее подсчитали, что если бы потомство сохранялось, то потомки одной бактерии за 108 часов могли бы заполнить океан, а один одуванчик за 12 часов заселил бы своими потомками всю сушу. Вернадский писал, что «область жизни – вся земная поверхность». Однако имеется область особенно высокой концентрации живого вещества. Вернадский ее называл «слой живого вещества» или «пленка жизни». Мощность ее немногим более 100 м, то есть над земной поверхностью до 100 м и в глубину – до 15 м. это слой, где сосредоточена основная жизнь, в этом маломощном слое содержится огромное количество живых организмов. Здесь находится около 500 тысяч видов растений, немногим меньше – видов животных и почти 1 млн. видов бактерий. Это огромное разнообразие жизни является следствием активной приспособляемости живых организмов. Если на нашей планете 4 тысячи минералов, то видов живых организмов более 2-х миллионов. Все это является следствием следующего свойства организмов. 3. Живые организмы способны к изменчивости. Это – важнейшее биологическое свойство. Основной причиной изменчивости является мутация, которая охватывает весь генетический аппарат и вызывает появление новых признаков в наследственности организмов, что обеспечивает передачу возникшего мутационного признака последующим поколениям. Те изменения в организме, которые не затрагивают генетический аппарат и не передаются последующим поколениям называются последующим поколения называются модификациями. Мутации, в отличие от модификаций, носят направленный характер. Они возникают под влиянием ионизирующей радиации, некоторых химических веществ, температурных и других факторов. Часто причиной мутации является излучение радиоактивных веществ и воздействие рентгеновских лучей. 4. Способность организмов накапливать в своих тканях некоторые химические элементы в избыточном количестве, по сравнению с их концентрацией во внешней среде. Эту способность Вернадский назвал концентрационной функцией биосферы. Организмы могут накапливать не только широко распространенные химические элементы, но и редкие и рассеянные элементы, которые иногда играют важную роль в физиологии организмов. Так, некоторые цветковые растения концентрируют литий, бериллий, бром. А морские водоросли и губки (например, горчичная трава) – накапливают золото. В геологии существуют биохимические методы поиска полезных ископаемых. Они основаны на том, что появление определенных видов растений, накапливающих цинк, медь и свинец, говорит о повышенной концентрации этих элементов в почве и близком залегании рудного месторождения. На этом основаны биохимические методы геологической разведки полезных ископаемых. В морской воде некоторые виды живых организмов также могут накапливать определенные химические элементы. Все это создает условия для перераспределения химических элементов между оболочками Земли. Почему происходит накопление микроэлементов? 5. Рациональное усвоение солнечной энергии. Живой организм старается удержать и усвоить солнечную энергию – в отличие от камня, который после нагревания тут же отдает тепло. В организме происходят сложные превращения энергии. Зеленые растения непосредственно используют солнечную радиацию при фотосинтезе, некоторые бактерии расходуют при этом химическую энергию. Гетеротрофы приобретают энергию путем окисления своих веществ атмосферным кислородом. Живые организмы осуществляют преобразование энергии и накопление ее в форме высокоэнергичных соединений, то есть они превращают солнечную энергию в энергию химических связей. При этом энергия, накапливаемая в организмах животных, превращается в еще более высокоэнергичные соединения. Любой организм с термодинамической точки зрения является открытой системой. Получаемая организмом энергия, при этом компенсирует его расходы на жизненные функции и работу. В связи с тем, что у живых организмов нет значительных изменений температуры тела или используются для проведения работы химическая и электрическая энергия. Все превращения энергии в живых организмах совершаются на молекулярном уровне, а биохимические процессы происходят с участием органических катализаторов – ферментов и протекают, поэтому, в 1000 раз быстрее, чем во внешней среде. Это приводит к повышению скорости роста, размножения и деятельности организмов. 6. Устойчивость. Это способность выживать в изменяющихся условиях Земли: при разных давлениях, температурах, влажности. Устойчивость организмов очень высока. Особенно большая приспособляемость у низкоорганизованных организмов. Так, микроорганизмы обнаружены в метеоритах, которые длительное время находились в космосе при температуре, близкой к абсолютному нулю, а также в воде гейзеров, имеющих температуру + 930 С. Их нашли в атомных реакторах, где радиоактивность достигает нескольких рентген, а температура больше 3000 С. Высокой устойчивостью отличаются также и растения. В садах Каира растет лотос из семян, пролежавших в гробницах фараонов 3000 лет. 7. Обмен веществ. Важным свойством живых организмов является обмен веществ живых организмов с окружающей средой. Живые организмы осуществляют ассимиляцию и диссимиляцию веществ, то есть они постоянно усваивают, перерабатываю и выделяют продукты своей жизнедеятельности. За счет этого организмами производятся огромные преобразования на Земле. 8. С обменом веществ связано следующее весомое свойство биосферы: она является катализатором геохимических процессов на Земле. Таким образом, за время своего существования, то есть за 3 млрд. лет биосфера изменила вещественный состав всех компонентов географической оболочки. Как видно живое существо не только тесно связано со средой обитания, но и способно изменять ее, приспосабливать для своего обитания. За счет этого живые организмы выполняют огромную геохимическую работу на Земле, и способны преобразовывать нашу планету. Вернадский назвал живое вещество «могучей геологической силой». Он писал: «На земной поверхности нет силы более могущественней и постоянно действующей в геохимическом отношении, чем живые организмы». Причина этой силы – в свойствах живых организмов. Живое вещество на ЗемлеРоль живого вещества в атмосфере. Земная атмосфера, по словам В.И. Вернадского – это «создание жизни». Весь свободный кислород в современной атмосфере имеет биогенное происхождение. В настоящее время это положение оспаривается. Кислород выделяется из пород литосферы в процессе происходящих в них геохимических процессов. Его содержится 2,8·1014 т. Последние 200 млн. лет, содержание кислорода в воздухе остается постоянным за счет фотосинтеза растений. Появление кислорода изменило многие свойства Земли. Озоновый слой стал задерживать ультрафиолетовые лучи, губительные для живых организмов. Усилились процессы выветривания пород, так как кислород – сильный окислитель. При отсутствии его в атмосфере состав литосферы на Земле был совершенно иным. Так, железистые кварциты КМА, а также железорудные месторождения Сибири образовывались в докембрийское время. Это закисные формы железа, которые формируются при малом количестве кислорода. В последующие геологические эпохи таких скоплений железных руд на Земле не было. В атмосфере появился кислород и стали образовываться окисные формы железа, которые более подвижны и крупных месторождений создавать не могут. Азот атмосферы усваивается растениями, а животные получают его из растительной пищи. Но главная роль в фиксации азота принадлежит почвенным бактериям. Его содержание в атмосфере составляет 3,8·1015 т. Возвращается в атмосферу азот благодаря деятельности других бактерий – денитрификаторов. Без них большая часть атмосферного азота оказалась бы в связанном состоянии в океане и в осадочных горных породах. Углерод. За время существования на Земле фотосинтезирующих организмов их атмосферы в земную кору перешло большое количество углерода. В современной атмосфере его содержится 7·1011 т. Баланс углерода связан с деятельностью организма, поглощающих и выделяющих углекислый газ. Однако этот баланс местами нарушается хозяйственной деятельностью организма и выбросами в окружающую среду больших объемов углерода. Таким образом, современная атмосфера – это продукт жизнедеятельности организмов, в том числе человека, определяющих, регулирующих и изменяющих ее состав. Роль живого вещества в гидросфере. Так же сильно действует живое вещество на гидросферу. Организмы непрерывно потребляют и выделяют воду. Особенно интенсивен процесс транспирации, то есть испарения влаги растениями. Так, лесная растительность Земли ежегодно испаряет 50 млн. км3 воды. Газовый и солевой состав вод суши и океана во многом зависит от организмов, живущих в воде, а также на площади водосборных бассейнов. За счет них в воду поступают: углекислый газ, гуминовые вещества, соединения серы, фосфора, азота и др. элементы. В результате вода становится химически активной, то есть повышается ее способность растворять химический соединения. Микроорганизмы, живущие на дне озер и морей, а также в подземных водах, способны отнимать кислород у сульфатов, нитратов, марганца, гидроокислов железа, что приводит к образованию сероводородных вод и вод, содержащих метан. Роль живого вещества в литосфере. Воздействие живого вещества на литосферу проявляется:
Процесс выветривания горных пород происходит при непосредственном участии организмов, действующих на них как механически, то есть корневой системой, так и химически – продуктами своей жизнедеятельности. Органогенными породами являются известняки, мела и большинство кремниевых пород, то есть трепела и опоки. Например, мел на юге Воронежской области состоит из раковин фораминифер. Они очень мелкие и видны лишь под микроскопом. Органическое происхождение имеют также известняки, состоящие из остатков кораллов и моллюсков, которые строили свои организмы из карбонатов. В нашем регионе в девонское время отмечался рассвет жизни таких организмов. В результате образовались мощные толщи (до 700) известняков в Курской, Орловской, Липецкой, Тамбовской областях и на севере Воронежской области. Органогенными также являются: торф, бурый и каменный угли, горючие сланцы, нефть и газ. Запасы органического вещества в земной коре – огромны. Они во много раз превосходят объем живого вещества. Так, запасы углерода, заключенного в горючих ископаемых составляет, в среднем, 200 т/га земной поверхности. В осадочных породах содержится 2·1016 т. органического углерода. Все породы органогенного происхождения занимают 1/3 поверхности суши. Деятельность организмов на Земле привела к изменению химического состава воды, так как огромное количество CaCO3 было выведено из состава гидросферы. Как видно, живые организмы являются очень мощной геохимической силой на нашей планете. Вернадский писал: «убери живое вещество на Земле, наступило бы химическое однообразие, однотонность и очень бы медленно протекали на ней все процессы». Биологический круговорот. Сообщества живых организмов Земли. Взаимодействие организмов с атмосферой, гидросферой и литосферой происходит в процессе биологического круговорота вещества и энергии. Взаимодействие это включает в себя:
Образование живого вещества связано с фотосинтезом и сопровождается поглощением огромного количества солнечной энергии, которая в дальнейшем освобождается при гниении, сгорании или переваривании органических соединений съеденных другими организмами. Фотосинтез производиться: наземными растениями; водорослями; океаническим планктоном. Органические соединения, создаваемые растениями, потребляются животными. Растения и животные служат пищей бактериям. Так одновременно с образованием происходит процесс разложения органического вещества до углекислого газа и воды – в результате дыхания растений и животных. А также разрушение органического вещества при деятельности микроорганизмов. Таким образом, световая энергия переводиться в другие ее виды, то есть химическую, механическую и тепловую. Биологический круговорот – это система круговоротов разной продолжительности. Так, растения пустынь развиваются за очень короткое время и накопленные ими органические вещества быстро разлагаются. Более продолжительным является цикл круговорота веществ, вошедших в состав древесины. Органические вещества, превратившиеся в каменный уголь – разрушаются через миллионы лет. Образование и разрушение органического вещества – это противоположные, но неотделимые друг от друга процессы. Если бы происходило только накопление этого вещества, то в атмосферу не поступал бы углекислый газ, а в почву фосфор, калий и другие вещества. Таким образом, в биосфере существует круговорот веществ и энергии. Он протекает непрерывно и охватывает все живые организмы, однако различные группы организмов выполняют различные функции в круговороте. Жизненные сообщества. Организмы, живущие в географической оболочке, образуют жизненные сообщества. При этом одни из них синтезируют органические вещества из неорганических, а другие потребляют такие вещества. В конечном счете, они их разлагают до веществ неорганических. В процессе эволюции различные виды организмов оказались связанными между собой последовательным извлечением вещества и энергии из исходного пищевого материала. Возникли так называемые пищевые цепи, которые образуют биоценозы. В биоценозе все организмы взаимосвязаны. Те из них, которые синтезируют органические вещества их неорганических называются автотрофами, а те, которые потребляю органические вещества, называются гетеротрофами. В пищевые цепи, прежде всего, входят живые организмы, способные производить фотосинтез и накапливать солнечную энергию. Их называют продуцентами. За счет них образуются цепи выедания и цепи разложения. Цепи выедания представлены консументами, то есть потребителями. Выделяют консументов: I- го порядка, представленные растительноядными животными; II- го порядка, представленными хищниками, поедающими животных первого порядка; III- го порядка, представленные хищниками, существующими за счет консументов I и II порядков (тигры, львы, беркуты). Цепи разложения представлены редуцентами. Их функция – разложение мертвых остатков растений и животных с получением необходимой для своей жизнедеятельности энергии. При этом производиться минерализация органических веществ. К этой группе организмов относятся бактерии и грибы. Таким образом, пищевые цепи – это каналы, по которым течет поток энергии по сообществам биосферы. Этот поток обеспечивает единство биосферы. Однако существуют отдельные сообщества живых организмов, которые являются звеньями единой биосферы. Биоценозы, представляющие собой сообщества растений и животных, очень сложны. В них много параллельных и переплетающихся цепей питания. При этом число видов организмов в биоценозе может достигать несколько тысяч. Главный компонент биоценоза – это растения, которые образуют фитоценозы. Совокупность фитоценозов, характерную совокупность для поверхности Земли, в целом, или для отдельных ее участков, называют растительностью. Особенности распределения растительности на земле зависит, в основном, от климата. При этом отмечается смена главных фитоценозов, от экватора к полюсам и от побережий – вглубь континентов. 1. В экваториальном поясе развиты влажные, так называемые «дождевые» леса. 2. В субэкваториальных поясах – муссонные леса и саванны. 3. Для тропических поясов характерна скудная растительность полупустынь и пустынь. Исключение составляют восточные части поясов с муссонными лесами. 4. Субтропические пояса отличаются неоднородностью растительности: - в западной части континентов произрастают жестколистные леса и кустарники; - в центральной части континентов – полупустынная и пустынная растительность; - в восточной – муссонный лес, то есть леса лаврового типа и вечнозеленые жестколистные леса. 5. В умеренных поясах: - в глубине континентов распространены лесостепи, степи, полупустыни и даже пустыни. Они сменяют друг друга в направлении от более высоких широт – к более низким. - в западных и восточных частях пояса, где сказывается влияние океана, а также севернее лесостепи растут листопадные лиственные леса. К северу они сменяются смешенными и хвойными лесами, то есть тайгой. 6. В субполярном поясе господствуют: кустарниковая, травянистая и мохово-лишайниковая растительность. 7. Полярные пояса характеризуются почти полным отсутствием высших растений и господством мхов и лишайников. Сообщества животных – это зооценозы. Отмечается связь зооценоза с фитоценозом. Поэтому биоценоз рассматривается как совокупность: фитоценоза, зооценоза и микробоценоза, развитых на одном участке территории. Богатство растений в биоценозе, в основном, определяется климатом и почвой, а богатство животных – растительной пищей. Биоценозы характеризуются: биомассой и биологической продуктивностью. Биомасса – это общее количество живого вещества, которое выражается в весовых единицах: т/км2, ц/га. Биологическая продуктивность – это скорость образования биомассы, то есть ежегодный ее прирост: т/га/год и др. Прирост биомассы свидетельствует о накоплении энергии в биоценозе. Наибольшая биомасса и наибольший ее прирост отмечается во влажных тропиках. Биомасса составляет там 5100 ц/га, а ее прирост 325 ц/га в год. В солончаковой пустыне эти показатели самые низкие: биомасса – 16 ц/га, а прирост – 6 ц/га в год. Биоценоз, то есть сообщество растений и животных вместе с условиями их среды обитания на каком-либо участке земной поверхности, образует биогеоценоз, который часто называют экосистемой. Термин «биоценоз» был предложен в 1877 году немецким зоологом и гидробиологом, основоположником экологии животных К. Мебиусом (1825-1908). Русским ботаником В.Н. Сукачевым (1880-1967) было создано учение о биогеоценозе, как кирпичике биосферы, где связь биоценоза со средой их обитания выражена в виде взаимодействия и взаимообмена веществом и энергией. Литература.
|
|
 |
"История есть география во времени, а география — история в пространстве." Жан Жак Элизе Реклю. |