План урока:

Границы биосферы

Круговорот вещества и энергии

Типы веществ в биосфере

Функции живого вещества в биосфере

Принципы стабильности биосферы

Границы биосферы

Представление о том, что живые существа нашей планеты взаимодействуют с внешней средой и изменяют ее, возникло давно на основе наблюдений природных явлений. Сам термин «биосфера» предложил в 1875 году Эдуард Зюсс. Австрийский геолог Зюсс изучал геологические оболочки Земли, и в связи с этим возникло слово «биосфера». Однако Зюсс не развил представление о биосфере и не ввел термин в науку.

Основы учения о биосфере были заложены русским академиком В.И. Вернадским. Основные его идеи в данной области сложились в начале 20 века. Он определил новый подход к изучению планеты как развивающейся и саморегулирующейся системы. Прежде всего, он определил точное пространство, охватываемое биосферой, а также ввел понятие «живого вещества».

Биосфера, по В.И.Вернадскому, - это общепланетарная оболочка, представляющая часть Земли, где существует или существовала жизнь. Согласно нынешним взглядам биосфера представляет собой своеобразную оболочку планеты, включающую живые существа и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с ними.

Прежде чем рассмотреть структуру и границы биосферы, уточним, что жизнь сосредоточена в трех сферах: атмосфере, гидросфере и литосфере.

Атмосфера – газообразная оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли. Эта сфера насквозь пронизывается мощной радиацией Солнца, определяющей тепловой режим активной поверхности планеты.

Атмосфера неоднородна, поэтому здесь можно выделить несколько слоев, расположенных на различной высоте. Познакомимся со строением атмосферы на схеме.

Главными веществами атмосферы считаются азот, кислород, аргон и углекислый газ. Одним из важнейших компонентов является озон. Он образуется и распадается под действием ультрафиолетовой радиации Солнца, которая губительна для живых организмов. Для его образования необходимы свободные атомы кислорода, которые возникают при разложении молекул кислорода под действием излучения.

Основная часть озона концентрируется на высотах 10-25 км, максимальная концентрация сосредоточена на высоте 25 км. Именно здесь находится озоновый экран, который задерживает губительные для всего живого ультрафиолетовые солнечные лучи и является верхней границей биосферы. До озонового слоя в атмосфере обитают разнообразные существа. Споры бактерий можно найти на высоте 21км, однако большая часть организмов обитают на высоте 1-2 км. Граница биосферы в горных районах расположена приблизительно на высоте около 6 км.

Концентрация и активность живого вещества особенно велика у поверхности планеты. Организмы здесь сосредоточены в гидросфере и литосфере.

Совокупность всех вод Земли представляет собой гидросферу.Данная оболочка включает материковые и океанические воды.

Большая часть гидросферы приходится на воды Мирового океана. Воды гидросферы представляет собой уникальную систему, обладающую свойствами, необходимыми для живых существ. Теплоемкость воды очень высока, поэтому температура ее равномерна. В состав этих вод входит около 60 элементов, а также она является хорошим растворителем. Все это способствует созданию благоприятной среды для жизни. Поэтому организмы могут достигать существенных глубин – до 12 км.

Литосфера представляет собой верхнюю твердую сферу планеты. В строении литосферы можно выделить две основные составляющие – земная кора и верхняя мантия. Толщина литосферы составляет 50-100км, причем мощность земной коры на континентах составляет до 75км, а в океанах – 10 км.

Вглубь планеты организмы проникают на незначительные расстояния. Нижняя граница биосферы здесь определяется температурой горных пород и подземных вод. Причем эти показатели постепенно возрастают с глубиной и на уровне 1,5-15км превышают 1000⁰С. Максимальная глубина, на которой в породах земной коры были выявлены бактерии, составляет 4 км.

Еще одной оболочкой Земли считается педосфера или почвенный покров.

Почва как среда обитания множества организмов имеет свои экологические особенности. Первостепенное значение для живых существ имеет структура почвы, ее химический состав и влажность. Эти свойства педосферы определяют область распространения жизни.

Педосфера играет большую роль в биосфере и выполняет определенные функции.

Все оболочки взаимосвязаны между собой, а организмы за многие тысячелетия изменили их и приспособили для своей жизни.

Поэтому, границы биосферы определяются областью распространения живых существ. Жизнь сосредоточена в тончайшей пленке планеты, находящейся между озоновым слоем атмосферы и нижней границей жизни в литосфере. В биосфере все процессы обмена веществ и энергии осуществляются за счет деятельности организмов. Остановимся подробнее на этих процессах.

Круговорот вещества и энергии

Круговорот биогенных элементов^[1], обусловленный синтезом и распадом органических веществ в экосистеме, называют биотическим круговоротом веществ.

Помимо этого в круговороте участвуют различные минеральные элементы, поэтому весь процесс химических превращений в биосфере принято именовать биогеохимическим круговоротом веществ в природе.

Остановимся подробнее на основных типах круговорота наиболее важных веществ в биосфере.

1. Для жизни на планете самым необходимым веществом является вода.Все организмы используют ее для процессов жизнедеятельности. Круговорот воды в природе в большей степени является физическим процессом, однако организмы принимают в нем значительное участие. Познакомимся с круговоротом воды на схеме.

Мировой круговорот воды начинается испарением влаги с поверхности водных объектов под воздействием солнечной энергии. Влага в атмосфере трансформируется в облака, которые переносятся ветром на значительные расстояния. Попадая в местность с низкими температурами, облака охлаждаются, что вызывает выпадение осадков. Влага в виде осадков поглощается почвой или стекает по ее поверхности, возвращаясь в моря и океаны. В круговороте воды следует учитывать и роль организмов. Ведь испарение влаги происходит и с поверхности листьев, а в процессах фотосинтеза принимает участие вода.

2. Главным участником биотического круговорота является углерод как основа органических веществ. Познакомимся с круговоротом углерода в природе на схеме.

Природным источником углерода является углекислый газ. Именно с него начинается круговорот углерода в биосфере. Он содержится в воздухе, а также в растворенном состоянии в воде. В атмосферу этот газ попадает при выдыхании всеми организмами, при извержении вулканов, сжигании ископаемого топлива и лесов. Осадки разрушают породы, вынося растворенный углерод в океан, где происходит поглощение его морскими организмами. В процессе фотосинтеза углекислота превращается в органические вещества, которые используются животными для питания. Органические останки затем разлагаются редуцентами и углерод остается в почве в виде полезных ископаемых или используется растениями при минеральном питании. По подсчетам ученых, время оборота углерода в круговороте веществ составляет около 10 лет.

3. Немаловажным элементом считается азот, который входит в структуру всех белков. Рассмотрим схему круговорота азота.

Круговорот азота в природе начинается с атмосферы, где его содержится до 80%. Частично азот поступает в экосистемы в виде оксида азота, образующегося под действием электрических разрядов во время грозы. Основная часть поступает в воду и почву в результате деятельности микроорганизмов – фиксаторов азота. К ним относятся бактерии и сине-зеленые водоросли. Эффективны бактерии, живущие в симбиозе с бобовыми растениями в клубеньках, развивающихся на корнях этих растений.

Азот из разных источников поступает к корням растений в форме нитратов, которые затем используются для минерального питания. Круговорот азота заканчивается деятельностью аммонифицирующих организмов или редуцентов. Они способствуют разложению продуктов жизнедеятельности живых существ и органических останков. В процессе их деятельности образуется аммиак и освобождается свободный азот.

4. Круговорот фосфора во многом отличается от других элементов, таких как, например, азот. Рассмотрим особенности круговорота фосфора в природе.

Фосфор совершает круговорот в наземных экосистемах в качестве составной части клеток живых организмов.Редуценты минерализуют органические соединения фосфора отмерших организмов в фосфаты, которые затем потребляются корнями растений. Большие запасы фосфора содержатся в горных породах, которые при разрушении отдают наземные фосфаты экосистемам. Часть фосфатов вовлекается в круговорот воды и уносится в воды Мирового океана.

Получается, что круговорот фосфора разомкнут, так как значительная часть континентального стока фосфатов остается в океане. Эта разомкнутость существенно усилена антропогенным вмешательством, поскольку человек нарушил многие естественные пути возврата фосфора в почву, а их замена применением фосфорных удобрений недостаточна.

Все рассмотренные вещества включаются в глобальный круговорот веществ и энергии в биосфере. Основой этого круговорота является энергия Солнца.

Обобщенно важнейшие круговороты веществ и энергии можно представить в виде схемы.

Типы веществ в биосфере

По В.И.Вернадскому, в биосфере существует несколько типов вещества:

1. Живое вещество определяется как совокупность всех живых существ планеты. Живое вещество биосферы чрезвычайно активно. Все живые организмы включены в круговорот веществ.

В биосфере принято выделять два структурных типа живого вещества: континентальное и океаническое. В данных структурных единицах различные условия для существ, поэтому и состав будет различаться. К примеру,в континентальной части биосферы доминирует живое вещество - растения. В океанической части значительную массу составляют животные.

Однако, следует учитывать, что большая масса живого вещества биосферы сосредоточена в растительном покрове суши.

2. Биокосное вещество представляет смесь биогенных веществ с минеральными породами. Свое название это вещество получило из-за участия в образовании живых организмов и неживой части природы. Примерами биокосного вещества являются почва, воды Мирового океана, смесь газов в атмосфере.

К примеру, почва как биокосное вещество, создается вследствие жизнедеятельности существ, геологических процессов, различных типов выветривания.

Почва Источник

3.Косное вещество формируется без участия живых существ. Примерами косного вещества в биосфере могут быть горные породы, минералы, осадки.

К примеру, вулканический туф образуется при застывании лавы, значит, он будет относиться к косному веществу.

Вулканический туф Источник

Функции живого вещества в биосфере

Остановимся подробнее на функциях живого вещества в биосфере:

1. Энергетическая функция выражается в улавливании живым веществом энергии, а также передача ее внутри пищевой цепи.Примером этой функции живого вещества в биосфере может служить фотосинтетическая деятельность растений. Результатом является первичная продукция, составляющая 98%, которая потребляется животными.

2. Осуществление предыдущей функции живого вещества сопровождается трансформацией газов. В процессе деятельности организмов происходит выделение и поглощение кислорода, углекислого газа и некоторых других соединений. Благодаря газовой функции живого вещества сформировался современный состав атмосферы, сильно отличающийся от добиосферного периода.
3. Концентрационная функция проявляется в извлечении и избирательном накоплении организмами химических элементов окружающей среды. Примером этой функции живого вещества в биосфере могут служить накопления соединений кальция в раковинах моллюсков, минеральных включений в тканях растений, кремнезема в панцирях диатомовых одноклеточных существ.

Раковины моллюсков Источник

В результате трансформации органических веществ произошло накопление залежей полезных ископаемых. К примеру, известняк, торф, каменный уголь представляют собой концентрацию различных соединений в телах отмерших организмов. Доказательством этому служат находки окаменелостей в осадочных породах.

Окаменелости в известняке Источник

4. Окислительно-восстановительная функция тесно связана с биологическим круговоротом веществ. Многие вещества в природе крайне устойчивы и не подвергаются окислению при обычных условиях.Например, молекулярный азот – один из важнейших биогенных элементов. Усваивается он живыми организмами в виде различных соединений. В клетках расщепление соединений происходит очень быстро под влиянием ферментов, и молекулярный азот используется для процессов жизнедеятельности. В природе же образование свободного азота происходит очень медленно.

Если бы живые организмы не могли осуществлять данные процессы, то они ощутили бы нехватку многих элементов.

5. Одной из важнейших функций является средообразующая. Деятельность живых существ преобразует среду обитания. Живое вещество в биосфере способствовало формированию современного состава атмосферы, благодаря организмам создается почва и поддерживается ее плодородие.

Растительный покров определяет водный баланс, распределение влаги и климатические особенности территории. Благодаря трансформации веществ и энергии происходит поддержание на постоянном уровне основных параметров окружающей среды, например, содержание газов в атмосфере.

6. Деструкционная функция обусловливает процессы разложения организмов после их смерти. Редуценты разрушают отмершее органическое вещество до минеральных соединений. Далее эти вещества вновь включаются в биологический круговорот.

Выполняя все эти функции, живые организмы являются важной составной частью в биологическом круговороте веществ.

Принципы стабильности биосферы

Биосфера представляет собой огромную экосистему, поэтому ее устойчивость и стабильность определяется рядом принципов.

В первую очередь, стабильность биосферы определяется биологическим разнообразием живых существ. Высокое разнообразие биосферы обеспечивает ее свойства как сложной системы. К примеру, живые организмы способны дополнять друг друга. В лесу каждое растение занимает свой ярус, в зависимости от потребности к свету. Так, деревья получают большее количество энергии Солнца, так как возвышаются над другими растениями. На кустарники приходится до 20% излучения, а на травянистые растения и того меньше – около 1%. Дополняя друг друга, растительные организмы наиболее полно используют солнечную энергию.

Ярусность в лесу Источник

В биосфере экосистемы могут заменяться похожими сообществами, однако разнообразие организмов может различаться. Например, в тайге одни виды хвойных растений могут заменять другие. Часто это происходит в результате конкуренции.

Основным принципом функционирования биосферы является способность к саморегуляции. Если система по каким-то причинам отклоняется от нормального функционирования, то приводятся в действие силы, которые ее возвращают к исходному состоянию. Так, увеличение числа грызунов способствует повышению численности хищников, которые ими питаются.

Соответственно, разнообразие природы обеспечивает существование жизни на планете.

Стабильность биосферы обеспечивается круговоротом веществ и энергии.

Живое вещество находится в непрерывном обмене с космической средой. Создание веществ и поддержание их постоянного состава происходит благодаря энергии Солнца.

Благодаря растительному покрову, происходит процесс фотосинтеза, а в биосфере формируются сложные молекулы,содержащие значительный запас энергии. Именно живое вещество способствует открытости системы. Оно принимает, накапливает и преобразовывает лучистую энергию Солнца. Растительные организмы улавливают энергию. Все остальные существа способствуют удержанию, а также трансформации солнечной энергии. Этот процесс осуществляется благодаря размножению и росту организмов. Таким образом, благодаря этим свойствам поддерживается открытость биосферы как системы.

Словарь

1. Биогенные элементы – это минеральные элементы, являющиеся составной частью организмов и играющие значительную роль в их жизнедеятельности. К таким элементам относят кислород, углерод, водород, азот.