1 Общие свойства биосферы
Биосфера – это четвертая оболочка Земли, содержащая все живые организмы и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Биосфера – это область существования живых организмов на Земле. Первые представления о биосфере как о зоне жизни принадлежат французскому натуралисту Ж.Б. Ламарку. Дословно биосфера – это сфера жизни, так как «bios» – жизнь, а “sphaira” – шар, сфера. Впервые этот трермин ввел австрийский геолог Эдуард Зюсс в 1875 году.
Современные представления о биосфере сформулированы украинским ученым В.И. Вернадским сначала в отдельных статьях, а затем в лекциях, прочитанных в Карловском университете (Прага) и в Сорбонне (Париж). Положения, которые развивал Вернадский, были обобщены в книге “Биосфера”, опубликованной в 1926 г.
Сущность учения Вернадского заключается в признании исключительной роли живого вещества, преобразующего облик планеты. Поверхность Земли Вернадский рассматривал как своеобразную оболочку, развитие которой в значительной степени определяется деятельностью живых организмов. Вернадский доказал, что живые организмы оказывают решающее влияние на все геологические процессы, формирующие облик Земли. Жизнедеятельность живых организмов обусловливает химический состав атмосферы, концентрацию солей в гидросфере, образование почв и другие процессы. Живые организмы не только сами приспосабливаются к условиям внешней среды, но и активно их изменяют. Именно живые организмы улавливают и преобразуют лучистую энергию Солнца и создают бесконечное разнообразие нашего мира.
Самой существенной особенностью биосферы является биогенная миграция атомов химических элементов, вызываемая лучистой энергией Солнца и проявляющаяся в процессе обмена веществ, росте и размножении организмов. (Иначе можно сказать, что живое вещество преобразует энергию солнечных лучей в потенциальную, а затем – в кинетическую энергию биохимических процессов.) В основе биогенной миграции атомов в биосфере лежат 2 биохимических принципа: стремление к максимальному проявлению (“всюдности”) жизни (способность живого вещесмтва быстро осваивать свободное пространство) и обеспечение выживания организмов, что обеспечивает саму биогенную миграцию.
Другой главнейший аспект учения Вернадского – разработанное им представление об организованности биосферы, которое проявляется в согласованном взаимодействии живого и неживого вещества, во взаимной приспосабляемости организмов и среды.
Биосфера включает нижнюю часть атмосферы (до озонового слоя – на высоте 20-25 км), всю *гидросферу и верхнюю часть литосферы, то есть ту область, где существует жизнь, живые организмы. В настоящее время принято считать, что верхняя граница биосферы располагается на высоте примерно 85 км над поверхностью Земли, поскольку именно на такой высоте (в стратосфере) обнаружены споры микроорганизмов в латентном (скрытом, спящем) состоянии. Нижняя граница биосферы располагается в глубинах литосферы, где температура достигает 100 0 С и находится на глубине 1,5-2 км и 7-8 км (в зависимости от типа пород). Последние данные свидетельствуют о том, что некоторые бактерии могут существовать при температурах от абсолютного нуля до +180 0 С, в вакууме, в ядерных реакторах.
Общая масса живого вещества биосферы составляет 2,42 триллиона тонн (2,42∙10 12 т; масса биосферы 10 19 т), что в 2 тыс. раз меньше массы самой легкой оболочки Земли – атмосферы (5,15*10 15 т) , в 10 млн. раз меньше массы земной коры, в миллиард – массы Земли (6*10 21 т). Биомасса растений (фитомасса) составляет 2,4*10 12 т, биомасса животных и микроорганизмов (зоомасса и бактериомасса) – 0,02*10 12 т (в пересчете на сухое вещество). При этом видовая дифференциация животных в 5 раз больше видовой дифференциации растений (1,5-1,7 млн. видов животных и 300 тыс. (по Белявскому)-500 тыс. (по Кучерявому) растений).
Характерной особенностью живого вещества по сравнению с неживым веществом является очень высокая активность, высокая скорость реакций (в сотни-тысячи раз больше, чем у неживого вещества), например, очень быстрый обмен веществ. Все живое вещество биосферы обновляется в среднем за 8 лет. Биомасса Мирового океана обновляется за 33 дня, а его фитомасса ежедневно, фитомасса суши – примерно за 14 лет из-за большей продолжительности жизни наземных растений. Гусеницы некоторых насекомых за сутки перерабатывают пищи в 100-200 раз больше собственного веса, дождевые черви за 200 лет пропускают через свой организм весь 1-метровый слой почвы на Земле.
Для живых организмов характерно не только пассивное движение (под действием гравитации), но и активное (против течения воды, движения воздушных масс).
Благодаря живым организмам биосфера осуществляет следующие функции:
энергетическую (накопление и преобразование энергии);
газовую (способность изменять и поддерживать газовый состав среды обитания);
окислительно-восстановительную (интенсификация этих процессов в пространстве под действием живого вещества);
концентрационную (способность собирать в своем теле рассеянные в пространстве атомы химических элементов);
деструктивную (разложение как органических остатков, так и косного вещества);
транспортную (перенесение вещества и энергии в результате активного движения организмов);
средообразующую (изменение физико-химических параметров среды);
информационную (накопление, закрепление в наследственных структурах, передача информации) и др.
Впервые оценку вещества биосферы дал В.И. Вернадский. Основными компонентами биосферы он считал следующие типы вещества (всего 7):
а) живое вещество (растения, животные, микроорганизмы);
б) биогенное вещество – органические и органоминеральные продукты, созданные живыми организмами в течение геологической истории (каменный уголь, горючие сланцы, торф, нефть, газы биосферы – кислород, углекислый газ, вода, аммиак, сероводород и другие), являющиеся источником чрезвычайно мощной потенциальной энергии;
в) косное вещество (тяготеющий к постоянному, неподвижный) – горные породы неорганического происхождения (то есть образовано процессами, в которых живое вещество участия не принимало) и вода; это вещество является субстратом или средой для проживания живых организмов;
г) биокосное вещество – результат взаимодействия живого и неживого веществ (осадочные породы, почвы, илы - подводные грунты, природные воды) причем они представляют значительную биогеохимическую энергию в биосфере; соотношение живого и неживого в биокосном веществе колеблется, например, почва состоит в среднем из 93 % минеральных и 7 % органических веществ.
Кроме перечисленных видов веществ, существуют также вещество в радиоактивном распаде (полоний, радий, радон, уран, нептун, плутоний и др.), вещество рассеянных атомов (рубидий, цезий, ниобий, тантал образуют соединения на большой глубине в земной коре, иод и бром вступают в реакцию только на поверхности Земли) и вещество космического происхождения.
2 Состав и функционирование биосферы
Главным компонентом биосферы является живое вещество, под которым понимают все живые организмы. Организм – это живое существо определенного уровня биологической организации (ген-клетка-орган-организм-популяция-сообщество). Организмы отличаются от неживой природы определенной совокупностью свойств: клеточной организацией (кроме вирусов и фагов, доклеточных организмов); обменом веществ (метаболизмом), с помощью которого поддерживается гомеостаз организма (самовозобновление, постоянство внутренней среды и др.); движение, раздражимость, рост, развитие, размножение, адаптация и др.
Живое вещество биосферы состоит из организмов 3-х основных типов:
продуценты или автотрофы – организмы, которые для своего существования используют неорганические источники, т.е. создают органическое вещество за счет утилизации солнечной энергии, воды, углекислого газа и минеральных солей; к этому типу относятся зеленые растения суши и водной среды, сине-зеленые водоросли, некоторые хемосинтезирующие бактерии;
редуценты или деструкторы (также являются гетеротрофами, поскольку не создают органического вещества, а потребляют готовое) – организмы, которые разлагают органическую продукцию отмерших организмов (и продуцентов, и консументов) до простых соединений – воды, диоксида углерода, диоксида азота, минеральных солей (т.е. преобразуют органическое вещество в неорганическое); это бактерии, низшие грибы; количество видов этой группы наименьшее - их насчитывается 75 тыс. видов общей массой 1,8*10 8 т.
Основным движущим фактором развития процессов в биосфере является биохимическая энергия живого вещества. Рассмотрим общую схему биологического круговорота вещества в биосфере.
Схема переноса вещества и энергии в природных экосистемах
СОЛНЦЕ вещество
энергия
ПРОДУЦЕНТЫ КОНСУМЕНТЫ КОНСУМЕНТЫ
1-го порядка 2-го порядка
РЕДУЦЕНТЫ
ХИМИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА
продуценты (растения) с помощью фотосинтеза производят органическое вещество, потребляя углекислый газ, воду и энергию
6СО 2 + 6Н 2 О С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 ;
хемопродуценты используют энергию химических реакций (например, серные продуценты – пурпурные бактерии получают необходимые вещества не из воды, а из сероводорода, и вырабатывают органическое вещество; существуют также нитратные, нитритные бактерии);
консументы 1-го порядка (растительноядные животные) потребляют органическую массу растений; консументы 2-го порядка (плотоядные), 3-го (хищные растения, грибы) употребляют в пищу других консументов;
редуценты получают энергию, потребляя органическое вещество продуцентов и консументов, разлагая мертвые тела растений и животных до простых химических веществ (СО 2 , Н 2 О, минеральные вещества), замыкая круговорот веществ в биосфере.
В целом биосфера очень похожа на гигантский суперорганизм, в котором автоматически поддерживается динамическое постоянство физико-химических и биологических свойств внутренней среды и основных функций. Таким образом, биосфера представляет собой систему взаимодействующих между собой организмов и неживых компонентов природы, а не просто их совокупность.
В современном представлении биосфера – это глобальная экосистема, открытая система со своим “входом” и “выходом”. “Вход” – поток солнечной энергии, поступающий из космоса. “Выход” – созданные в процессе жизнедеятельности организмов вещества, которые по различным причинам “выпали” из биологического круговорота. Это так называемый “выход в геологию” – нефть, каменный уголь, осадочные породы и т.д.
При изучении взаимодействия организмов между собой и с окружающей средой используют понятие “экосистема”. Экосистема – это совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, находящихся в закономерной связи друг с другом. Термин предложен англ. ученым А. Тенсли (1935). Различают экосистемы 4-х уровней:
микроэкосистемы (ствол гниющего дерева; подушка лишайника: водоросли, грибы, мелкие членистоногие);
мезоэкосистемы (лес, пруд, степь, озеро и др.);
макроэкосистемы (континент, океан);
глобальная экосистема (биосфера Земли).
Синонимом понятию “экосистема” является термин “биогеоценоз”, предложенный советским экологом Сукачевым (Влад. Ник.). Согласно определению, биогеоценоз – это участок земной поверхности с относительно однородной растительностью, животным миром, климатическими и почвенными условиями, которые вместе взятые представляют собой компоненты единого организма, связанные между собой обменом веществ и энергии. Понятие биогеоценоз соответствует мезоэкосистеме.
Взаимосвязи живых существ друг с другом и с неживым веществом очень сложны. Количество возможных связей между членами экосистемы определяется формулой:
А= ------------- ,
где А – число связей, N – число видов в экосистеме. Например, N= 1 тыс., А= 1000*999/2 500 тыс. Среди этих многочисленных связей есть чрезвычайно важные, незаменимые. (Вмешательство людей в биосферные связи, о значении которых они имеют приблизительное представление, часто приводит к нежелательным последствиям. Например, в 30-х годах в Норвегии решили уничтожить хищных птиц (полярных сов, ястребов), которые уменьшали поголовье полярной куропатки; охотникам выдавали премии, льготы за уничтожение хищных птиц; среди куропаток вспыхнула эпидемия, которая почти полностью уничтожила этот вид; в данном случае совы и ястребы играли роль санитаров.)
Важнейшие связи – пищевые, энергетические .
Кроме энергетических, пищевых и химических связей, большую роль в биосфере играют информационные связи. Живые существа Земли освоили различные виды информации: зрительную, звуковую, химическую, электромагнитную.
К сожалению, система связей в биосфере пока расшифрована в общих чертах. С позиций кибернетики биосфера – это гигантская система, которая, как и ее составные части - биогеоценозы, описываются как “черный ящик”. Процессы, происходящие внутри его, закодированы природой. Можно с уверенностью сказать, что экосистема в ее основных чертах является саморегулирующейся, самоорганизованной (см. выше – организованность биосферы – одна из важнейших ее особенностей, по Вернадскому). Экологи объясняют самоорганизацию системы информацией, принизывыающей экосистему. Она содержится в живых организмах, в их генетическом коде и способности адаптироваться к смене условий среды.
Указанные выше особенности биосферы (способность к максимальному проявлению жизни, высокая активность живого вещества, способность к саморегуляции и др.) делают ее устойчивой системой. Обобщая результаты исследований в области геологии, палеонтологии, биологии и других естественных наук, Вернадский делает вывод, что “биосфера – стойкая динамическая система, равновесие в которой установилось в основных своих чертах с археозоя и неизменно действует в течение 1,5-2 млрд. лет”. Вернадский доказал, что устойчивость биосферы в течение этого времени проявилась в постоянстве ее общей массы (10 19 т), массы живого вещества, энергии, связанной с живым веществом (4,21*10 18 кДж), а также в постоянстве среднего химического состава живого вещества.
Устойчивость биосферы Вернадский связывает с ее разнообразием. Все функции живых организмов в биосфере (образование газов, окислительные и восстановительные процессы, концентрирование химических элементов и т.п.) не могут выполняться организмами какого-нибудь одного вида, а только их комплексом. Отсюда следует чрезвычайно важное положение, разработанное Вернадским: биосфера Земли сформировалась с самого начала как сложная система с большим количеством видов организмов, каждый из которых исполнял свою роль в общей системе. Без этого биосфера вообще не могла бы существовать, тот есть устойчивость ее существования была сразу заложена ее сложностью.
В соответствии с законом необходимого разнообразия Виннера-Шеннона-Эшби, который считают основным кибернетическим законом, система только тогда обладает стойкостью для блокирования внешних и внутренних воздействий, когда она имеет достаточное внутреннее разнообразие. Таким образом, разнообразие (видовое разнообразие живых организмов, разнообразие природных зон, климатических условий существования, разнообразие среды обитания и др.) – еще одна важная особенность биосферы. Исходя из экосистемных представлений, видовое разнообразие – это не просто арифметическая величина, ниже которой не должен опускаться живой мир. Это реальная потребность каждого существующего на планете вида в трофических цепях биогеоценозов и биосферы в целом. Видовое разнообразие необходимо сберечь для нормального функционирования биосферы.
3 Происхождение и эволюция биосферы
Первыми научными теориями относительно происхождения живых организмов на Земле стали теории А. Опарина и Дж. Холдейна. (Опарин – российский биохимик – в 1923 г. выдвинул гипотезу о возможности возникновения органических соединений без участия живого вещества.) Согласно этим теориям, на заре геологической истории произошел абиогенный синтез, то есть в первых земных океанах, насыщенных разными простыми химическими соединениями, под действием тепла вулканов, разрядов молний и других факторов окружающей среды начался синтез более сложных органических веществ и биополимеров. Сложные молекулы аминокислот случайно объединялись в полипептиды, которые, в свою очередь, дали первые живые существа микроскопических размеров.
У этой гипотезы есть один существенный недостаток. Нет ни одного факта, который подтвердил бы возможность абиогенного синтеза на Земле хотя бы какого-нибудь простейшего живого организма из неживых соединений. Во многих лабораториях мира проведено тысячи опытов по таким синтезам. Американец С. Миллер (1953), исходя из возможного состава первичной атмосферы Земли (азот, аммиак, водород, вода, метан), в специальном устройстве пропускал электрический разряд через смесь газов. Ему удалось получить молекулы некоторых аминокислот (основы белка). Эти опыты были многократно повторены, некоторым ученым удалось получить довольно длинные цепочки простых белков. И все! Ни одного самого простого живого организма никому получить не посчастливилось. Даже если применить сложное оборудование и определенные условия, чего на самом деле на Земле не было.
В последнее время математики подсчитали, что вероятность зарождения живого организма из неживых блоков равна практически нулю. Л. Блюменфельд доказал, что вероятность случайного образования за все время существования Земли хотя бы одной молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) составляет 10 -800 .
Противоречат теории абиогенного синтеза и геологические данные. Как бы мы далеко не проникли в глубь геологической истории, на Земле не найдено следов того периода, когда на ней не существовало жизни. Палеонтологи нашли ископаемые остатки довольно сложно организованных существ – бактерий, сине-зеленых водорослей, простых грибков в породах, возраст которых 3,8 млрд. лет (время образования Земли 4-4,5 млрд. лет назад).
Тем не менее, теории абиогенного синтеза широко распространены и популярны в настоящее время. В основе этих теорий лежат некоторые общие принципы: 1) накопление в океане органических веществ, синтезированных абиогенным путем; 2) в зонах концентрации органических веществ возникли молекулы, способные к самокопированию (к репликации); 3) на основе репликаторов сформировались механизмы матричного синтеза (в том числе биосинтез белков), генетический код, что и обеспечило возникновение клеток живого вещества.
Религия рассматривает возникновение жизни на Земле как акт создания ее богом.
Некоторые ученые, в том числе и Вернадский, считают, что живые организмы занесены на Землю из космоса с метеоритами или космическими цивилизациями.
Вернадский был уверен, что жизнь геологически вечна, то есть в геологической истории не было эпохи, когда наша планета была бы неживой. Он также считал, что жизнь – такая же вечная основа Космоса, какими являются материя и энергия. Исходя из представлений о биосфере как о земном, но одновременно и космическом механизме, Вернадский связывал ее образование и эволюцию с организованностью космоса. “Для нас становится понятным, что жизнь есть явление космическое, а не чисто земное”. “… Начала жизни в том Космосе, который мы наблюдаем, не было, поскольку не было начала этого Космоса. Жизнь вечна, как вечен Космос”. (Это подтверждается способностью организмов воспринимать информацию из космоса, чувствительностью организмов к действию электромагнитных полей и др.)
Все эволюционные теории, начиная с Ч. Дарвина, основываются на положении,что развитие идет от простого к сложному, что генетическую информацию контролирует окружающая среда путем естественного отбора наиболее приспособленных индивидов. Однако при этом совсем не учитывается, что лучше всего приспособлены к разнообразным земным условиям именно простейшие существа – прокариоты. Они существовали на Земле без заметных изменений своего строения 3 млрд. лет и за все время своего существования настолько существенно изменили окружающую среду и биосферу в целом, что с появлением новых, сложно организованных организмов вынуждены были отойти на задний план. В настоящее время они процветают там, где никто другой существовать не может: в концентрированных соленых водах некоторых озер, высокотемпературных гидротермальных источниках, даже в ядерных реакторах. Таким образом, наблюдается эволюционный тупик.
Сам создатель теории естественного отбора Дарвин не мог объяснить такого явления, когда в процессе эволюции часто имеют преимущества не наиболее прогрессивные формы. По Дарвину, какая-либо черта закрепляется в последующих поколениях, если благодаря ей организм лучше приспосабливается к условиям жизни. Природная среда сама осуществляет отбор – поэтому он называется естественным. Лучше приспособленная особь имеет больше шансов выжить и дать потомство. Жизнь демонстрирует много исключений из этого правила, даже на примере эволюции самого человека. К жизни должен лучше приспосабливаться более интеллектуально развитый человек, опытный, образованный, поскольку он лучше знает, как надо ориентироваться в тех или иных обстоятельствах, однако статистические данные свидетельствуют, что именно люди профессий, требующих более высокого интеллекта, имеют меньше потомков.
В «Происхождении видов» Дарвин писал, что любой сложный орган возник в результате многочисленных последовательных незначительных изменений. Однако в настоящее время обнаружены тысячи таких органов, которые не соответствуют данному правилу, то есть отсуствует аналог органа у других видов, например, железа, выделяющая яд у змеи, или «конденсатор» у угря, ударяющего электротоком.
Дарвин считал, что каждому виду должен предшествовать почти идентичный ему родительский вид. Однако находки геологов подтверждают, что все виды сменяли друг друга неожиданно резко, почти не изменяясь в процессе существования, и также неожиданно исчезали.
Если бы эволюция действительно происходила путем постепенного изменения тех или иных черт видов с последующим их закреплением, то среди ископаемых остатков организмов должно было быть большое количество промежуточных форм, однако в определенном слое горных пород мы находим остатки только одного вида, а в соседнем с ним слое – другого вида. Объяснить это неполной палеонтологической картиной нельзя – почему исчезли именно промежуточные формы организмов?
Рассмотрим основные этапы эволюции биосферы.
Первыми живыми организмами на Земле были прокаритоы (~ 3 млрд. лет назад) – простейшие организмы, в клетках которых отсутствует ядро: бактерии, сине-зеленые водоросли; они возникли в гидросфере). Прокариоты были анаэробами, т.е. существовали в бескислородной среде (жили глубоко в морях). Необходимые для жизни вещества и энергию они доставали, в основном, используя органические вещества «первичного бульона». Но одновременно с этим или немного позднее некоторые организмы могли получать необходимую энергию за счет химических реакций (в процессе хемосинтеза) или (уже позднее) в результате поглощения и преобразования солнечной энергии (впроцессе фотосинтеза). Первые хемосинтезирующие организмы окисляли серу в сероводороде до молекулярной серы или железо (+2) до железа (+3). Первые фотосинтезирующие бактерии – цианобактерии (синезеленые водоросли). Они из углекислого газа и воды с помощью солнечного света создавали молекулы простых сахаров, выделяя кислород. Кислород накапливался в атмосфере, замещая постепенно метан и аммиак. В океане появились аэробные организмы, которые использовали кислород для окисления глюкозы (для кислородного расщепления простых сахаров). Живое вещество заселило всю гидросеру, включая поверхностные слои океана и его мелководий. Прокариоты оказали огромное влияние на состав атмосферы, гидросферы, литосферы (на увеличение содержания кислорода в атмосфере, ускорение процессов разрушения горных пород, образования почвы и др.).
После прокариотов на Земле появились эукариоты – организмы, в клетках которых содержится ядро (~ 1,5-2 млрд. лет назад). Сначала они были одноклеточные, а потом появились многоклеточные организмы (~ 700 млн. лет назад). Считается, что около 600 млн. лет назад в биосфере начинается важнейший эволюционный процесс – заселение материков живыми организмами. Первыми из них были низшие автотрофные растения. Около 500 млн. лет назад появились сосудистые растения, насекомые. Голосеменные растения появились примерно 350 млн. лет назад, а цветочные (покрытосеменные) растения и млекопитающие животные – в конце юрского периода – около 100 млн. лет назад (в мезозойской эре). В кайнозойской эре: ~ 50 млн. лет назад появились злаковые, ~ 20 млн. лет назад происходит увеличение видового разнообразия млекопитающих, содержание кислорода в атмосфере становится близким к современному.
Таким образом, биосфера сформировалась на ранних этапах развития жизни на Земле, причем очень быстро и в достаточно сложном виде. К. Циолковский считал, что многочисленные виды простейших организмов зародились на Земле одновременно. Эту же мысль подчеркивал и Вернадский.
Чем же обусловлена изменчивость живых существ вообще? Что является движущей силой эволюции? Открытие генетического кода позволило приблизиться к разгадке этой тайны. Оказалось, что в двойной спирали ДНК зашифрованы все сведения об организме, и согласно этой программе происходит его индивидуальное развитие. (Строение генома* (*геном - совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данного организма) высокоорганизованных организмов очень сложное – в ДНК человека насчитывается 3 млн. пар нуклеотидов** (**нуклеотид – сложное соединение, составная часть нуклеиновых кислот, высокомолекулярных органических соединений, и других биологически активных соединений).) Следовательно, изменчивость организмов, появление новых видов в процессе эволюции, связаны со сменой записей в генетическом коде. Доказано, что генетическая информация нарушается под действием мутагенных факторов – радиации, активных химических веществ, таких как пестициды, температура и т.д. Окружающая среда все больше загрязняется этими факторами вследствие технологической деятельности людей. Возникает вопрос: не готовим ли мы себе «генетическую» катастрофу?
На основании достижений генетики можно предположить, что эволюция органического мира происходит за счет появления мутаций, то есть случайных отклонений в генетической записи под влиянием мутагенных факторов окружающей среды. В случае, если новые свойства выгодны для организма, они закрепляются естественным отбором.
Но: результаты исследований генетиков свидетельствуют, что большинство мутаций вредно для организма. Особи, которые появляются на свет после мутагенного влияния радиации или химикатов, являются бесплодными, нежизнеспособными. Известно также, что искусственно выведенные путем гибридизации новые виды имеют тенденцию со временем «расщепляться» на своих предшественников (гибрид волка и собаки через несколько поколений расщепляется на волка и собаку). Это свидетельствует о том, что организм сопротивляется накоплению ошибок (мутаций) в генетическом коде – включая и механизм ремонта кода. Следует вывод: возникновение нового вида организмов за счет мутаций является маловероятным.
Если сравнить строение какой-нибудь клетки организма человека и клетки простейшего животного (например, инфузории), то нельзя найти принципиальных различий. Однако каждая из клеток высокоорганизованных существ, кроме своих обычных функций (дыхание, обмен веществ), выполняет также определенные специальные функции, связанные с жизнедеятельностью организма. В изолированном состоянии клетка высокоорганизованного организма жить не может, она функционирует лишь в сотрудничестве и кооперации с другими клетками.
Программа функционирования клетки с самого начала записана в ее хромосомной структуре, содержится в генах.
Изучение эволюции биосферы позволяет сделать вывод, что каждое живое существо рождается, развивается, выполняет свою программу жизни как составная часть огромного сверхорганизма – биосферы. Она, в свою очередь, является порождением космического надорганизма – Галактики. А все галактики являются как-бы клеточками сверх-сверхорганизма - Космоса.
К. Циолковский так подытожил свои размышления о нас и нашем месте в Космосе: «Все порождено Вселенной. Она – начало всех вещей, все от нее зависит. Человек и его воля есть лишь проявление воли Вселенной… ни один атом Вселенной не избегает ощущения высшей разумной жизни. Возможно, что вопрос «Что породило Вселенную?» вообще нельзя ставить». Циолковский считал, что о причине Космоса можно только догадываться.
Как осуществляется программа эволюции биосферы, нам известно лишь в общих чертах. В частности, определено, что в целом, процесс эволюции можно рассматривать как увеличение объема генетической информации. Например, объем информации у млекопитающих в 100 тыс. раз больше, чем у бактерии. Причем большое значение имеют не только размеры генетической цепочки, но и ее структура. Еще эволюция биосферы свидетельствует, что при любом воздействии на биосферу (природном или антропогенном) ее гомеостаз обеспечивается за счет сохранения биологического разнообразия.
Можно констатировать еще одну черту эволюции биосферы – ее нарастающий темп. Так, если условно принять возраст Земли (4,5 млрд. лет) за одни сутки (24 часа), то в таких единицах жизнь на Земле существует примерно 20 часов, первые живые организмы вышли из моря на сушу 6 часов 35 минут назад, млекопитающие существуют 3 часа 46 минут, человек - последние 10 секунд. И наибольшие изменения в составе и характеристике биосферы произошли именно в эти 10 секунд.
4 Эволюция человека. Ноосфера
Появление на Земле Разума, носителем которого является человек, коренным образом изменила ход эволюции биосферы. Как считают некоторые ученые, и в том числе известный биолог и писатель-фантаст И. Ефремов, только человек в земных условиях мог стать носителем разума. (Писатели-фантасты: Саймак – разумные цветы, Стругацкие – собаки, Лем – мыслящий океан протоплазмы. Американский биолог Билински считает, что при определенных условиях на Земле могли появиться разумные рептилии, осьминоги.) Для этого у человека есть все необходимое: могучие органы чувств и, прежде всего, зрение, которое может охватить большое пространство, точно фиксировать предметы; развитые конечности, способные выполнять работу; форма человека, его черты как мыслящего животного не случайны, они больше всего соответствуют организму, который имеет огромный думающий мозг. Что значит «огромный мозг»? Большинство антропологов сегодня считает, что есть определеннный минимум мозга, ниже которого его хозяин не может стать разумным. Это 700-750 см 3 . Однако, с дщругой стороны, масса мозга не является единственным условием для животного стать разумным. Еще большее значение имеет его структура, в частности, внутренняя структура коры мозга.
У современных людей объем мозга колеблется в пределах 1200-2000 см 3 . Ученые установили, что потенциальные возможности человеческого мозга на много порядков превышают физиологические потребности. Развитие мозга первых гомоноидов происходило намного быстрее, чем этого требовали изменения окружающей среды. Современного уровня сложности мозг человека достиг задолго до того, как возникли культура и цивилизация. По некоторым подсчетам, мозг современного человека используется не более чем на 2-3% своих потенциальных возможностей. Похоже на то, что эволюция человека заблаговременно предвидела будущие потребности человека и наделила его таким «компьютером», основные узлы которого заблокированы и будут задействованы когда-либо потом.
С генетической точки зрения ближайшим родственником человека в животном мире являются обезьяны. По строению молекулы ДНК человека и шимпанзе отличаются только на 2%. По подсчетам генетиков человек отделился от человекообразных приматов около 5 млн. лет назад. Но предшественники людей –австралопитеки, а затем – неандертальцы и синантропы – не являются нашими предками. Сейчас ученые считают, что эволюция человека современного вида началась намного ближе к настоящему времени, чем считалось раньше. Около 200 тыс. лет назад, пока еще неизвестно, по какой причине, на юге Африки появилась небольшая группа людей современного типа (кроманьонцы), потомки которых через 100 тыс. лет заселили Африку, а затем расселились по всему миру (через Суэцкий перешеек попав в Евразию). Они отличались от неандертальцев высоким ростом, стройным телом, высоким лбом, но меньшей физической силой. Некоторое время рядом с Гомосапиенс жили неандертальцы, но они не выдержали конкуренции с разумными существами. С течением времени неандертальцы не развивались, а деградировали, так как более поздние неандертальцы стоят дальше от современного человека, чем ранние. Это тупиковая ветвь (так же, как и синантропы и др. формы древних гомоноидов).
Прародина человека установлена на основе изучения ДНК разных расовых групп. Большая часть ДНК сосредоточена в ядрах клеток. В каждом поколении ядерная ДНК меняется, когда перетасовываются наследственные линии отца и матери. Но в клетках есть ДНК метахондрий (специальных образований, которые обеспечивают клетку энергией). ДНК метахондрий наследуются только по материнской линии, т.е. эта ДНК может меняться только в результате случайных мутаций. Американские биологи на основе анализа ДНК метахондрий установили, что у всех современных людей различных регионов предок один, и, кроме этого, в руки специалистов попали также «генетические» часы - вследствие мутаций ДНК меняет структуру на 3% за 1 млн. лет. Таким образом, найдено, что самая старая ДНК у африканок (200 тыс. лет), более молодая – у азиаток (100 тыс. лет), самая молодая – у европеек (50 тыс. лет). Следовательно, миграция людей шла из Африки в Азию, а затем в Европу; расовые отличия людей возникли относительно недавно.
Эволюция человека необычна. В отличие от всех других организмов, человек использует огонь, орудия труда, жилища, одежду, другие средства и приемы, чтобы создавать собственную стабильную среду. Человеку не нужно изменять свою организацию под воздействием изменений в окружающей среде. Поэтому его физическая эволюция практически остановилась. Сохраняя свою внутреннюю среду, человек дальше все в больших масштабах изменяет окружающую среду. Учитывая потенциальные возможности человеческого мозга, можно представить возможности человека для самоусовершенствования и развития интеллекта.
Человек в биосфере Земли является новым фактором. Человек не просто влияет на окружающую среду, но изменяет и с большой скоростью структуру самих основ биосферы. В связи с этим возникает понятие ноосфера. Понятие «ноосфера» появилось в связи с оценкой роли человека в эволюции биосферы.
С появлением человека в биосфере и его эволюцией связано понятие «ноосфера».
Впервые термин ноосфера был предложен в 30-е годы французскими философами и естествоиспытателями (Тейяр де Шарден, Ле-Руа). В буквальном смысле термин означает «сфера разума» (ноос – разум).
Ноосфера – это высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и становлением в ней цивилизованного общества, с периодом, когда разумная деятельность человека становится главным, определяющим фактором развития. Научная мысль и деятельность человека изменили структуру биосферы, обусловили физические и химические изменения всех ее оболочек (атмосферы, литосферы, гидросферы).
Понятие «ноосфера» наполнил смыслом и развил Вернадский, в частности, в 1944 г. в статье «несколько слов о ноосфере», опубликованной перед его смертью, ученый приводит свои мысли о дальнейшем развитии биосферы и ее переходе в новое качество – ноосферу. Вернадский подчеркивал особую роль живого вещества в планетарных процессах, в создании и развитии биосферы. Среди всех живых существ он выделил человека как мощную гелогическую силу, способную оказывать влияние на ход различных процессов в охваченной ее воздействием среде Земли и околоземном пространстве. Человек способен перестраивать эту среду согласно своим представлениям и потребностям (благодаря человеческому труду, интеллекту).
Действительно, за последние 500 лет человечество освоило новые формы энергии – паровую, электрическую, атомную; научилось использовать почти все химические элементы. Человек проник в глубь земли и поднялся на десятки километров над ее поверхностью, вышел в открытый космос, построил космические станции.
Человечество освоило всю биосферу и получило значительно большую, чем другие организмы, независимость от окружающей среды. Согласно Вернадскому, ноосфера – окружающая человека среда, в которой природные процессы обмена веществ и энергии контролируются обществом. Человек, по мнению Вернадского, является частью биосферы, ее определенной функцией. Вместе с тем, воздействие человека на природу по своему характеру резко отличается от других форм живого вещества. Поскольку некоторые изменения в биосфере, произошедшие под влиянием деятельности человека, являются нежелательными для людей, Вернадский считает, что они должны приложить определенные усилия, чтобы, например, сберечь некоторые виды растений и животных. Причем, сохранить в биосфере следует только то, что является полезным и выгодным людям. В целом среда является чужой для человека и его культуры, оказывает на человека давление. Биосфера рассматривается как строительный материал для создания ноосферы. Разум человека в будущем будет основной руководящей силой развития ноосферы.
Подход Вернадского к этой проблеме является по сути рационалистическим. Ноосфера в представлении Вернадского является фактически синонимом той техносферы, которая сегодня создается на Земле. Сейчас в пределах ноосферы выделяют: техносферу – совокупность искусственных объектов, созданных антропогенной деятельностью, и природных объектов, измененных этой деятельностью; антропосферу – совокупность людей как организмов; социосферу – сферу общественной производственной деятельности, общественных отношений.
Вернадский полагал, что человек с помощью разума может управлять процессами в биосфере. «На определенном этапе своего развития человек вынужден взять на себя ответственность за дальнейшую эволюцию планеты, иначе у него не будет будущего». Действительно, человек достиг больших достижений: вышел в космос, овладел тайнами термоядерной энергии, научился клонировать животных. Однако 50 лет спустя после выхода работ Вернадского оказалось, что развитие техносферы способствует разрушению биосферы, в частности ее основных, жизненно важных для существования человека участков. И теперь очевидно, что эволюция человеческого общества должна быть направлена не на завоевание природной среды, а на ее гармонизацию. (Гирусов: ломка развития человеческой деятельности должна идти не вопреки, а в унисон с организованностью биосферы, ибо человечество, образуя ноосферу, всеми своими корнями связано с биосферой.)
По современным представлениям, ноосфера – сфера гармонического взаимодействия природы и общества. Это идеальный вариант будущего. Определяющим фактором функционирования ноосферы является не стихийное природное развитие, а высокий интеллект человека, разум, мудрость. Основой ноосферного процесса должен стать переход человечества к социальной автотрофности (обеспечение энергетическими ресурсами и сырьем на основе целостности общественного производства и биотехнологии – многократное повторное использование природных и синтезированных веществ и материалов). Для перехода к ноосфере необходимо преодолеть конфликт между циклическим и безотходным характером биогенных процессов обмена веществ и энергии. Необходимо преодолеть потребительский подход к природе, консерватизм мышления, создать более совершенные технологии производства, перейти к разумному, рациональному хозяйствованию.
Ноосфера подразумевает также жизнь людей в мире без войн и социальных катаклизмов, в мире материального достатка, экологически безопасных продуктов, незагрязненной окружающей среде.
Сегодня абсолютно нереальной выглядит идея Вернадского, в соответствии с которой разум человека может управлять всеми процессами в биосфере. Ю. Одум считает (1986), что несмотря на возможности и способности человеческого разума к управлению природными процессами, тем не менее, еще рано говорить о ноосфере, так как человек не может предугадать все последствия своих действий. Об этом свидетельствует множество возникших экологических проблем на нашей планете.
Ряд ученых (Куражковский, 1992) полагают, что правильно говорить в настоящее время о сущетсвовании начальных стадий развития ноосферы, имеющих принципиальные отличия от ее будущего состояния. Современный русский философ В. Кутирев считает, что ноосфера как гармония – это типичный пример утопии.
Дайте определение науке «экология».
Назовите основные разделы традиционной экологии.
Кто и когда ввел термин «экология» ?
Когда экология сформировалась как самостоятельная дисциплина?
На какие периоды можно разделить историю развития экологии?
Что изучает современная экология?
Что такое «глобальный экологический кризис» ?
Какими основными явлениями отмечен современный глобальный экологический кризис?
Что включает понятие «природная среда» ?
Из каких сфер состоит атмосфера?
Назовите характерные особенности тропосферы и стратосферы.
В какой сфере располагается озоновый слой?
Каков химический состав атмосферы?
Каковы основные экологические функции атмосферы?
Что такое «литосфера» ?
Как образуется почва?
Из каких компонентов состоит почва?
Каковы основные экологические функции литосферы в целом и почвы в частности?
Что включает «гидросфера» ?
Каковы запасы пресной воды на Земле?
Назовите основные экологические функции гидросферы.
Дайте понятие «биосферы».
Каковы основные особенности биосферы (по Вернадскому) ?
Назовите основные количественные характеристики биосферы.
Что является основным компонентом биосферы?
Каковы особенности живого вещества?
Назовите основные типы вещества биосферы, приведите примеры.
Каковы границы биосферы?
Дайте определение понятиям «продуценты», «консументы», «редуценты».
Что представляет собой общая схема переноса вещества и энергии в биосфере?
Приведите основные характеристики продуцентов, консументов, редуцентов.
Какие существуют гипотезы о происхождении жизни на Земле?
Дайте краткую характеристику основных этапов эволюции биосферы.
Чем эволюция человека отличается от эволюции других живых организмов?
Что такое «ноосфера» ?
Кто и когда ввел понятие «ноосфера» ?
Понятие о биосфере. Состав биосферы.
Та часть литосферы, гидросферы и атмосферы Земли, в которой существуют и развиваются растительные и живые организмы, называется биосферой. Иначе, биосфера- это оболочка жизни. В ее состав входят не только растительный покров и животное население планеты, все реки и озера, водная масса океанов, но и почвенный слой, значительная часть тропосферы и самый верхний слой земной коры - зоны выветривания. На земной поверхности практически нет площадей, где отсутствует жизнь. Даже в жарких и безводных тропических пустынях или на поверхности высокогорных ледников и полярных льдов обнаружены микробы и другие микроорганизмы.
Биосфера (от греч. bios - жизнь, sphaira - шар) - область системного взаимодействия живого и костного вещества планеты. Она представляет собой глобальную экосистему - совокупность всех биогеоценозов (экосистем) нашей планеты.
Первые представления о биосфере как «области жизни» и наружной оболочке Земли были высказаны в начале 19 века Ж.Ламарком. В 1875 г. австрийский геолог Э.Зюсс впервые ввел в научную литературу современный термин «биосфера», понимая под ним область взаимодействия основных оболочек Земли: атмо-, гидро- и литосферы, где встречаются живые организмы.
Заслуга создания целостности учения о биосфере принадлежит В.И.Вернадскому. Используя этот термин, он создал науку «биосфера», ввел понятие «живое вещество» - совокупность всех живых организмов, а также отвел живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая деятельность организмов не только в настоящее время, но и в прошлом. Поэтому биосфера - это все пространство, где существует или когда-либо существовала жизнь, т.е. где встречаются живые организмы или продукьы их жизнедеятельности. Ту часть биосферы, где живые организмы встречаются в настоящее время, обычно называют современной биосферой или необиосферой, а древние биосферы относят к былым биосферам, иначе палеобиосферам или мегабиосферам. Примеры последних - безжизненные ск4опления органических веществ (залежи угля, нефти, газа и др.) или запасы иных соединений, образовавшихся при непосредственном участии живых организмов (известняки, ракушечники, образования мела, ряда руд и многое другое).
Биосфера включает в себя:
· Аэробиосферу - нижнюю часть атмосферы;
· Гидробиосферу - всю гидросферу;
· Литобиосферу - верхние горизонты литосферы (твердой земной оболочки).
Границы нео - и палеобиосферы различны.
Верхняя граница теоретически определяется озоновым слоем. Для необиосферы - это нижняя граница озонового слоя (около 20 км), ослабляющего до приемлемого уровня губительное космическое ультрафиолетовое излучение, а для палеобиосферы - это верхняя граница того же слоя (около 60 км), ибо кислород в атмосфере Земли есть результат преимущественно жизнедеятельности растительности.
В большинстве случаев в качестве верхней теоретической границы биосферы указывают озоновый слой без уточнения его границ.
Практически же максимальная высота над уровнем моря, на которой может существовать жизнь, ограничены уровнем, до которого сохраняются положительные температуры и могут жить растения. Выше, до «линии снегов», обитают лишь пауки и некоторые клещи. Еще выше живые организмы могут попадаться лишь случайно.
На высотах 7500-8000м критически низкого для абсолютного большинства организмов значения достигает другой абиотический фактор - абсолютное атмосферное давление. Наиболее зависимы от величины давления птицы и летающие насекомые, преимущественно занимающие нижнюю зону.
Вся толща Мирового океана по современным представлениям полностью занята жизнью.
Нижняя граница существования активной жизни традиционно определяется дном океана 11022м (максимальная глубина Марианской впадины) и глубиной литосферы, характеризующейся температурой 100 градусов С (около 6000 м, по данным сверхглубокого бурения на Кольском полуострове). В основном жизнь в литосфере распространена лишь на несколько метров вглубь, ограничиваясь почвенным слоем.
Осадочные породы, практически все претерпевшие переработку живыми организмами, определяют нижнюю границу былых биосфер, которая, тем не менее, не опускается на материках ниже самых больших глубин океана.
Экологические факторы среды. Их классификация. Охарактеризуйте абиотический и биотический факторы.
Живое неотрывно от среды. Каждый отдельный организм, являясь самостоятельной биологической системой, постоянно находится в прямых или косвенных отношениях с разнообразными компонентами и явлениями окружающей его среды или, иначе, среды обитания, влияющими на состояние и свойства организма.
Среда - одно из основных экологических понятий, которое означает весь спектр окружающих организм элементов и условий в той части пространства, где обитает организм, все то, среди чего он живет и с чем непосредственно взаимодействует.
Экологический фактор - любой элемент окружающей среды, способный прямо или косвенно влиять на живой организм, хотя бы на одном из этапов его индивидуального развития, называют экологическим фактором.
Экологические факторы многообразны, при этом каждый фактор является совокупностью соответствующего условия среды и его ресурса.
Экологические факторы среды принято делить на две группы:
· Факторы косной (неживой) природы - абиотические или абиогенные;
· Факторы живой природы - биотические или биогенные.
С другой стороны, по происхождению и те, и другие бывают как природными, так и антропогенными, т.е. прямо или косвенно связанными с деятельностью человека, который не только меняет режимы природных экологических факторов, но и создает новые, синтезируя ядохимикаты, удобрения, лекарства и т.п.
Абиотические факторы.
В абиотической части среды обитания (в неживой природе) все факторы, прежде всего можно разделить на физические и химические. Однако для понимания сути рассматриваемых явлений и процессов абиотические факторы удобно представить совокупностью климатических, топографических, космических факторов, а также характеристик состава среды (водной, наземной или почвенной).
К основным климатическим факторам относят энергию Солнца, температуру, осадки и влажность, подвижность среды, давление, ионизирующие излучения.
Энергия Солнца распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Для организмов важны длина волны воспринимаемого излучения, его интенсивность и продолжительность воздействия. Освещенность земной поверхности существенно колеблется в зависимости от времени года, суток, географической широты, состояния атмосферы.
Вследствие вращения Земли периодически чередуются светлое и темное время суток. Цветение, прорастание семян у растений, миграция, зимняя спячка, размножение животных и многое другое в природе связаны с длительностью дня.
Температура.
При температуре ниже точки замерзания живая клетка повреждается и гибнет, а при высоких происходит денатурация ферментов. Абсолютное большинство растений и животных не выдерживает отрицательных температур тела. Верхний температурный предел редко понимается выше 40-45 градусов.
Температура, как и интенсивность света, зависит от географической широты, сезона, времени суток и экспозиции склона.
Осадки и влажность.
Вода обязательна для жизни на Земле, в экологическом плане она уникальна. При практически одинаковых географических условиях на Земле, существуют и жаркая пустыня, и тропический лес. Различие состоит только в годовом количестве осадков: в первом случае 0,2 - 200 мм, а во втором 900 - 2000 мм.
Осадки тесно связаны с влажностью воздуха. В приземном слое воздуха образуются росы, туманы, а при низких температурах - выпадает иней.
Наземные растения получают воду главным образом из почвы. малое количество осадков, быстрый дренаж, интенсивное испарение либо сочетание этих факторов ведут к иссушению, а избыток влаги - к переувлажнению и заболачиванию почв.
Влажность воздуха как экологический фактор при своих крайних значениях усиливает воздействие температуры на организм.
Насыщение воздуха парами воды редко достигает максимального значения. Дефицит влажности - разность между максимально возможным и фактически существующим насыщением при данной температуре. Это один из важнейших экологических параметров, поскольку характеризует сразу две величины: температуру и влажность. Чем выше дефицит влажности, тем суше и теплее, и наоборот.
Режим осадков - важнейший фактор, определяющий миграцию загрязняющих веществ в природной среде и вымывание их из атмосферы.
Подвижность среды.
Причинами возникновения движения воздушных масс(ветра) являются в первую очередь неодинаковый нагрев земной поверхности, вызывающий перепады давления, а также вращение Земли. Ветер направлен в сторону более прогретого воздуха. Ветер - важнейший фактор распространения на большие расстояния влаги, семян, спор, химических примесей и т.п.
Давление.
В пределах земного шара существуют постоянные области высокого и низкого атмосферного давления.
Периодически в атмосфере образуются области пониженного давления с мощными воздушными потоками, перемещающимися по спирали к центру, которые называются циклонами. Для них характерно большое количество осадков и неустойчивая погода. Противоположные природные явления называют антициклонами. Они характеризуются устойчивой погодой, слабыми ветрами и в ряде случаев температурной инверсией. При антициклонах порой возникает неблагоприятные метеорологические условия, способствующие накоплению в приземном слое атмосферы загрязняющих веществ.
Ионизирующие излучения.
Под воздействием космического излучения в атмосфере постоянно образуются все новые ядра радиоактивных атомов, главные из которых - углерод -14 и тритий. Радиационный фон ландшафта - одна из непременных составляющих его климата. Все живое на Земле подвергается излучению из Космоса на протяжении всей истории существования и адаптировалось к этому.
Влияние абиотических факторов в значительной мере зависит от топографических характеристик местности, которые могут сильно изменять как климат, так и особенности развития почв. Основной топографический фактор - высота над уровнем моря. С высотой снижаются средние температуры, увеличивается суточный перепад температур, возрастает количество осадков, скорость ветра и интенсивность радиации, понижается давление.
Еще важнейший топографический фактор - экспозиция (освещенность) склона. В Северном полушарии теплее на южных склонах, а в Южном полушарии - на северных склонах. Также важный фактор - крутизна склона, влияющая на дренаж. Вода стекает со склонов, смывая почву, уменьшая ее слой. Рельеф местности - один из главных факторов, влияющих на перенос, рассеивание или накопление примесей в атмосферном воздухе.
Наша планета не изолирована от процессов, протекающих в космическом пространстве. Земля периодически сталкивается с астероидами, сближается с кометами, на нее попадают космическая пыль, метеоритные вещества, разнообразны виды излучений Солнца и звезд.
Накоплено множество факторов, подтверждающих влияние Космоса на жизнь Земли.
К числу важных природных абиотических факторов относят пожары, которые при определенном сочетании климатических условий приводят к полному или частичному выгоранию наземной растительности.
Биотические факторы.
Все живое, окружающее организм в среде обитания, составляет биотическую среду или биоту. биотические факторы - это совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие.
Взаимоотношения между животными, растениями, микроорганизмами чрезвычайно многообразны. Главной формой проявления этих связей служат пищевые взаимоотношения организмов различных категорий, составляющие основу пищевых цепей, сетей и трофической структуры биоты.
Кроме пищевых связей, между растительными и животными организмами возникают также пространственные взаимоотношения.
Биотические факторы, воздействующие на растения как первичные продуценты органического вещества, подразделяют на зоогенные и фитогенные.
Зоогенные биотические факторы. К факторам воздействия животных на растительность, прежде всего, относится поедание растения целиком или отдельных его органов. Объедание животными ветвей и побегов изменяет форму кроны деревьев. Растения, повреждаемые животными, приобретают защитные приспособления (колючки, шипы), образуют избыточную фитомассу, усиленно наращивают оставшиеся листья. Имеется и положительное влияние животных на жизненные процессы растений, например, опыление насекомыми и птицами.
Фитогенные биотические факторы.
Растения, испытывая многообразные влияния от соседних растений, одновременно сами воздействуют на них. Повсеместно существует переплетение и срастание корней, схлестывание ветвями соседних крон др.
Любое растительное сообщество в свою очередь влияет на совокупность абиотических характеристик среды своего обитания.
В процессах образования и функционирования почвы важнейшую роль играют живые организмы. В первую очередь к ним относятся зеленые растения, извлекающие из почвы питательные вещества и возвращающие их обратно с отмирающими тканями. Растительность создает непрерывный поток зольных элементов из более глубоких слоев почвы к ее поверхности, т.е. их биологическую миграцию.
В почве постоянно обитает множество организмов различных групп. Ходы и норы способствуют перемешиванию и аэрации почвы, облегчают рост корней. Проходя через пищеварительный тракт червя, например, почва, измельчается, минеральные и органические компоненты перемешиваются, структура почвы улучшается.
В которой совокупная деятельность живых организмов проявляется как геохимическая сила планетарного масштаба.
Биосфера - оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются совокупной деятельностью живых организмов. Понятие «биосферы как области жизни» и наружной оболочки Земли восходит к биологу Ламарку (1744–1829). Сам термин биосфера ввел Э.Зюсс (1875), понимавший ее как тонкую пленку жизни на земной поверхности, в значительной мере определяющую «лик Земли». Заслуга же создания целостного учения о биосфере принадлежит В. И. Вернадскому . На формирование его биосферного мышления большое влияние оказали работы В. В. Докучаева о почве как о естественно-историческом теле.
Биосфера охватывает часть атмосферы до высоты озонового экрана (20–25 км), часть литосферы, особенно кору выветривания , и всю гидросферу. Нижняя граница опускается в среднем на 2–3 км под поверхность суши и на 1–2 км под дно океана . Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, включающую наряду с организмами и среду их обитания. Он выделил семь разных, но геологически взаимосвязанных типов веществ: живое вещество, биогенное вещество (горючие ископаемые, известняки и др., т. е. вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами), косное вещество (образуется в процессах, в которых живые организмы не участвуют), биокосное вещество (создается одновременно живыми организмами и в ходе процессов неорганической природы, например почва), радиоактивное вещество, рассеянные атомы и вещество космического происхождения (метеориты , космическая пыль).
Источники
Использованы материалы:
- C сайта Geographer.ru .
- Яхонтова Л. К. , Зверева В. П. Биосферный фактор в гипергенезе
Материал из ЭНЭ
Живое вещество выполняет следующие биогеохимические функции: газовые (миграция газов и их превращения); концентрационные (аккумуляция живыми организмами химических элементов из внешней среды); окислительно-восстановительные (химические превращения веществ, содержащих атомы с переменной валентностью, - соединений железа, марганца, микроэлементов и т.д.); биохимические и биогеохимические функции, связанные с деятельностью человека (техногенез, форма созидания и превращения вещества в Б., стимулирующая переход Б. в новое состояние - ноосферу). Совокупность этих функций определяет все химические превращения в Б. Эволюция Б. диалектически связана с эволюцией форм живого вещества (организмы и их сообщества), усложнением его биохимических функций, совершающихся на фоне геологической истории Земли.
В учении о Б. выделяют следующие основные аспекты: энергетический, освещающий связь биосферно-планетарных явлений с космическими излучениями (в основном солнечными) и радиоактивными процессами в земных недрах; биогеохимический, отражающий роль живого вещества в распределении и поведении атомов (точнее их изотопов) в Б. и её структурах (см. Биогеохимия); информационный, изучающий принципы организации и управления, осуществляемые в живой природе в связи с исследованием влияния живого вещества на структуру и состав Б.; пространственно-временной, освещающий формирование и эволюцию различных структур Б. в геологическом времени в связи с особенностями пространственно-временной организованности живого вещества в Б. (проблемы симметрии и др.); ноосферный, изучающий глобальные эффекты воздействия человечества на структуру и химию Б.: разработка полезных ископаемых, получение новых, отсутствовавших до того в Б. веществ (например, чистые алюминий, железо и другие металлы), преобразование биогеоценотических структур Б. (сведение лесов, осушение болот, распашка целинных земель, создание водохранилищ, загрязнение вод, почв и атмосферы продуктами хозяйственной деятельности, внесение удобрений, эрозия почв, лесонасаждение, строительство городов, плотин, промысловое хозяйство и т.д.). Выход человека в космос , за пределы Б., будет стимулировать разработку новых сторон учения о биосфере. Существенный момент учения о Б. - представления о взаимосвязях (прямых и обратных связях) и сопряжённой эволюции всех структур Б. Это представление положено в основу разработки многими национальными и международными организациями, научными центрами и лабораториями проблемы «биосфера и человечество». Решению этой проблемы служат мероприятия, в которых участвуют многие страны, например Международное гидрологическое десятилетие, Международная биологическая программа (см. Биологическая программа международная) и т.д. Повышенный интерес к изучению Б. вызван тем, что локальное воздействие человека на Б., характерное для всей предшествовавшей истории, сменилось в 20 в. глобальным его влиянием на состав, структуру и ресурсы Б. На планете нет участка суши или моря, где бы не были обнаружены следы деятельности человека. Один из ярких примеров - глобальные выпадения радиоактивных осадков - продуктов ядерных взрывов. В атмосфере, океане и на суше повсеместно присутствуют (пусть в самых незначительных количествах) продукты сгорания нефти, угля, газов, отходы химической и другой индустрии, ядохимикаты и удобрения, сносимые с полей в процессе водной и ветровой эрозии. Интенсивное и нерациональное использование ресурсов Б. - водных, газовых, биологических и др., усугубляемое гонкой вооружений, испытаниями ядерного оружия и т.д., развеяло миф о бесконечности и неисчерпаемости этих ресурсов. Многочисленные примеры разрушительной деятельности человека и, к сожалению, редкие примеры его созидательной деятельности (в том числе в плане охраны природы) свидетельствуют об актуальности разумного ведения земных дел разумным человечеством, что возможно только при переходе от стихийного капиталистического производства к плановому хозяйству социалистического и коммунистического общества. Естественно-научной основой рационального подхода к проблеме «биосфера и человечество» - одной из грандиознейших проблем нашего времени - служат учение о Б. и биогеоценология - дисциплины, изучающие общие принципы и механизмы функционирования и эволюции сообществ живых организмов в определённых пространственных и временных условиях. Современная структура Б. - продукт длительной эволюции многих систем разной сложности, последовательно стремящихся к состоянию динамического равновесия. Практическое значение учения о Б. огромно. Особенно заинтересованы в развитии этого учения здравоохранение, сельское и промысловое хозяйство и другие отрасли человеческой практики, чаще других сталкивающиеся с «ответными ударами» со стороны Б., вызванными неразумным или неосторожным преобразованием природы человеком.
Литература:
- Вернадский В. И., Избр. соч., т. 5, М., 1960;
- его же, Химическое строение биосферы Земли и её окружения, М., 1965;
- Ковда В. А., Современное учение о биосфере, «Журнал общей биологии», 1969, т. 30, № 1;
- Перельман А. И., Геохимия ландшафта, М., 1961;
- Тимофеев-Ресовский Н. В. и Тюрюканов А. Н., Об элементарных биохорологических подразделениях биосферы, «Бюллетень Московского общества испытателей природы», 1966, т. 71(1);
- Хильми Г. Ф., Основы физики биосферы, Л., 1966;
- Дювиньо П. и Танг М., Биосфера и место в ней человека, пер. с франц., М., 1968.
В. А. Ковда, А. Н. Тюрюканов.
Эта статья или раздел использует текст Большой советской энциклопедии .Биосфе́ра - совокупность частей земной оболочки (лито , гидро и атмосфера), которая заселена живыми организмами, находится под их воздействием и занята продуктами их жизнедеятельности. Термин «биосфера» был предложен Эдуардом Зюссом в 1875 году. Большой вклад в развитие учения о биосфере внёс
Введение
Сегодняшняя экологическая обстановка на нашей планете оставляет желать лучшего, поэтому прежде всего стоит обратить внимание на взаимоотношения человечества и биосферы. Загрязнение биосферы - первопричина болезней и преждевременных смертей. Основная задача нашего времени - не допустить необратимых изменений, связанных с загрязнением окружающей среды. Общество постоянно развивается, но вместе с прогрессом растёт количественный и качественный характер загрязнения биосферы. Человечество в целом, а не отдельные страны должны позаботиться о создании системы охраны окружающей среды иначе просто придется жить в скафандре.
Понятие «биосфера»
Существенно иное представление о биосфере сформулировал в 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс. В монографии «Происхождение Альп» Он говорит о «самостоятельной биосфере» как об особой оболочке Земли, образованной живыми организмами. В заключительной главе большого трехтомного труда «Лик Земли» (1909) этот автор пишет, что понятие «биосфера» возникло как следствие идей Ж. Ламарка и Ч. Дарвина о единстве органического мира.
С работ Зюсса датируется начало биологического представления о биосфере, как о совокупности организмов, населяющих Землю, как о живой оболочке планеты. Такого взгляда придерживались многие русские географы, например Н. М. Сибирцев (1899), Д. Н. Анучин (1902), П. И. Броунов (1910), А. А. Григорьев (1948), английский исследователь и философ Дж. Бернал (1969). Французские учёные Э. Леруа (1927) и П. Тейяр де Шарден (1965, 1969) также взяли за основу определение Зюсса, однако трактуют его в идеалистическом плане. Согласно Тейяру, биосфера - живой пласт планеты - одна из стадий воплощения Бога.
Представление Зюсса о биосфере как об особой оболочке земли использовал и В. И. Вернадский (1926), вложив в него, однако, существенно иное, биогеохимическое, содержание. Биосфера, по Вернадскому, - область распространения жизни, включающая наряду с организмами и среду их обитания. Тейляр де Шарден в Сборнике статей «Будущее человека» (1969) выразил своё несогласие с подобной трактовкой, явно противоречащей его идеалистической концепции эволюции.
Разработка биогеохимического представления о биосфере была тесно связана с практической деятельностью В. И. Вернадского в Комиссии Академии наук по изучению естественных производственных сил России (начало 1915 г.).
Зачатки этого представления можно обнаружить уже в высказываниях ученых XVII и XVIII вв. , в книге «Космос» А. Гумбольдта и Докучаева.
В настоящее время оба понимания биосферы, по Зюссу и по Вернадскому, существуют. Н. В. Тимофеев-Ресовский предлагает говорить о биосфере в узком и широком понимании. Представляется более целесообразным употреблять это понятие, вкладывая в него смысл, приданный Вернадским, - область распространения жизни, используя для биосферы в «узком смысле» выражения: «совокупность организмов», «пленка жизни», «живой покров Земли», «биота», «биос».
Верхняя граница биосферы, по Вернадскому (1965), проходит на высоте 15-20 км, охватывая всю тропосферу и нижнюю часть стратосферы: озон находится у полюсов в слое 8 -30 км., в тропиках 15-35 км. Снизу Биосфера ограниченна отложениями на дне океанов (до глубины свыше 10 км.) и глубиной проникновения в недра Земли организмов и воды в жидком состоянии. Подстилающая литосфера, верхняя стратосфера, ионосфера и космическое пространство служат биосфере средой. Основной энергетический источник, обеспечивающий функционирование биосферы, - лучистая энергия Солнца.
Таким образом, биосфера - это особая термодинамическая открытая оболочка Земли, вещество, энергетика и организация которой и обуславливаются взаимодействием её биотического и абиотического компонентов. Она, следовательно, включает совокупность организмов и их остатки, а также части атмосферы, гидросферы и литосферы, населённые организмами и изменяемые их деятельностью.
Важнейшей функцией биосферы является регулярное, возрастающее во времени воссоздание живого вещества по численности, весу и количеству аккумулированной и удерживаемой энергии. Человек воспринимает эту функцию как биологическую продуктивность биосферы, её частей (океан, почвы, пресные воды) или её отдельных экосистем и биогеоценозов (дельты, луга, тайга, поля зерновых и т.д.).
Понятие о биосфере. Изучение многообразия форм органического мира и закономерностей его развития не будет полным без понимания места и роли живых организмов в целом на всей планете Земля.
Термин «биосфера» предложил в 1875 г. австрийский геолог Эдуард Зюсс (1831 --1914), однако его точного определения он не дал. Спустя полстолетия русский геохимик В.И. Вернадский (1863--1945) создал учение о биосфере, основные положения которого он изложил в опубликованной в 1926 г. небольшой брошюре под названием «Биосфера». В.И. Вернадский назвал биосферой оболочку Земли, основная роль в формировании которой принадлежит живым организмам.
Живое вещество -- главная биогеохимическая сила в биосфере. Главным компонентом биосферы является живое вещество -- совокупность всех живых организмов планеты, численно выраженная в элементарном химическом составе, массе, энергии. Это вещество геохимически чрезвычайно активно, так как при осуществлении процессов питания, дыхания, выделения, размножения оно тесно связано с окружающей средой, благодаря чему почти все химические элементы проходят в общей цепи превращений через биогеохимическое звено. Таким образом, жизнедеятельность организмов -- это глубокий и мощный геологический процесс планетарного характера. Миграция химических элементов из организма в среду и обратно не прекращается ни на секунду. Эта миграция была бы невозможной, если бы элементарный химический состав организмов не был близок к химическому составу земной коры. В,И. Вернадский писал: «Организм имеет дело со средой, к которой не только он приспособлен, но которая приспособлена и к нему».
Благодаря зеленым растениям, осуществляющим процесс фотосинтеза, в биосфере создаются сложные по строению молекулы органических веществ. Заключенную в них энергию используют для процессов жизнедеятельности гетеротрофные организмы. В этом состоит космическая функция зеленых растений биосферы. Без живого вещества работа солнечного луча сводилась бы лишь к перемещению газообразных, жидких и твердых тел по поверхности планеты и к временному их нагреванию. Живое вещество выступает в качестве гигантского аккумулятора и уникального трансформатора связанной лучистой энергии Солнца. Солнечная энергия без живого вещества не совершала бы на Земле созидательной деятельности, так как не могла бы ни удержаться на ней, ни преобразоваться в необходимую для этого энергию.
Улавливание солнечной энергии осуществляется преимущественно растениями. Но в удержании и преобразовании заключенной в них энергии Солнца, перемещении ее по поверхности, а также из внешнего в более глубокие слои планеты принимает участие все живое вещество. Этот процесс осуществляется благодаря размножению, последующему росту и перемещению организмов. Скорость размножения, по В.И. Вернадскому, -- это скорость передачи в биосфере геохимической энергии.
Элементарной структурной и функциональной единицей биосферы является биогеоценоз. Именно в биогеоценозе организмы и среда их обитания тесно взаимно приспособлены друг к другу и благодаря этому осуще-ствяется биологический круговорот веществ -- основа бесконечности жизни
на планете. В ходе осуществления биологического круговорота ограниченные запасы химических веществ приобретают свойство бесконечных, так как находятся в непрерывном круговом обращении. Поэтому круговорот веществ в виде биогеохимических цикловявляется необходимым условием существования биосферы. Весь круговорот веществ в биосфере происходит благодаря одному источнику энергии -- Солнцу. Между величиной поступающей на планету солнечной энергии и количеством образуемого живого вещества установилась тесная зависимость. Так, в результате многолетних исследований ученых разных стран удалось подсчитать, что ежегодно в биосфере образуется примерно 150--200 млрд т сухого органического вещества.
Таким образом, создание учения о биосфере явилось важным достижением человечества. Впервые живая природа стала рассматриваться как целостная система, тесно взаимодействующая с абиотической средой. В.И. Вернадский заложил основы современных научных представлений о планетарном и космическом значении жизни, о взаимосвязи и взаимодействии живой и неживой природы.
Протяженность биосферы. На планете Земля различают несколько геосфер, в пределах которых существует жизнь (рис. 7.2).
Атмосфера -- воздушная оболочка Земли. С высотой плотность воздуха быстро убывает: 75% массы атмосферы сосредоточено в слое до 10 км, 90% -- до 15 км, 99% -- до 30 км, 99,9% -- до 50 км. Воздух, лишенный влаги и твердых примесей, состоит из азота (78,1%), кислорода (21%), аргона (0,9 %), углекислого газа (около 0,03%) и незначительного количества некоторых других газов.
Большое влияние на состояние атмосферы, т.е. на формирование погоды и климата, играют различные примеси -- переменные составные части атмосферы. К важнейшим из них относится вода, которая в виде водяного пара содержится в нижнем 20-километровом слое атмосферы. Водяной пар вместе с углекислым газом, метаном и некоторыми другими примесями участвует в нагревании внутренних слоев атмосферы (так называемый парниковый эффект). Это обусловлено способностью атмосферы пропускать солнечную радиацию к поверхности Земли и поглощать отраженное от нее тепловое излучение. Благодаря парниковому эффекту температура в атмосфере растет с понижением высоты, и ее нижние слои оказываются теплыми.
Область биосферы простирается лишь в нижнем слое атмосферы -- тропосфере (от греч. tropos -- перемена). Высота тропосферы изменяется от 8--10 км в полярных широтах до 16--18 км на экваторе. Над тропосферой располагается стратосфера (от лат. stratum-- слой) высотой 100 км. В ней на высоте 15--25 км свободный кислород под влиянием солнечной радиации превращается в озон (О 2-> О 3), который, образуя экран, поглощает губительное для живых организмов коротковолновое ультрафиолетовое излучение.
Литосфера (от греч. lithos -- камень) -- внешняя твердая оболочка планеты. В ней различают два слоя: верхний -- слой осадочных пород с гранитом и нижний -- базальтовый. Слои расположены неравномерно, поэтому в некоторых местах гранит выходит на поверхность. Граница распространения живого вещества в литосфере не опускается ниже 3--4 км. На такой глубине можно встретить лишь анаэробных бактерий. Наибольшая плотность живого вещества в литосфере отмечается в поверхностном слое земной коры -- почве.
Гидрьсфера представляет собой совокупность вод океанов, морей, озер, рек, подземных вод и ледяных покровов. Гидросфера образует прерывистую водную оболочку планеты. Основная масса вод сосредоточена в Мировом океане, средняя глубина которого составляет 3,8 км, максимальная (Мариинская впадина Тихого океана) -- 11,034 км. Незначительная часть гидросферы представлена пресными водами.
Живые организмы населяют всю толщу гидросферы вплоть до максимальных ее глубин, однако наибольшая их плотность приходится на поверхностные слои и прибрежье, прогреваемые и освещаемые солнцем. Зоны непосредственного контакта и активного взаимодействия литосферы, атмосферы и гидросферы плотнее всего заселены живыми организмами, так как в этих местах создаются наиболее благоприятные условия для жизни -- оптимальные температура, влажность, наличие кислорода и необходимых для жизнедеятельности организмов химических элементов.
Пространственная неоднородность биосферы. Условия для жизни организмов в биосфере чрезвычайно разнообразны. Особенно они различаются в наземной и водной средах. Поэтому выделяют континентальную и океаническую части биосферы.
Континентальная часть биосферы -- суша -- занимает 148 млн км 2 , или 29% всей площади планеты. Особенностью ее является крайняя неоднородность, выражающаяся в наличии широтной и высотной зональности.
Широтная зональность обусловлена шарообразностью нашей планеты и наклоном ее оси вращения, вследствие чего земная поверхность неодинаково обеспечивается теплом и влагой. Наибольшее количество тепла получают тропические и субтропические пояса, наименьшее -- полярные. Наблюдается большое различие и в обеспеченности разных областей влагой. Например, для тундры характерен избыток, а для пустынь -- недостаток атмосферных осадков, области умеренных широт характеризуются средними величинами водообеспечения.
Высотная ландшафтная зональность континентальной части биосферы формируется в связи с тем, что с увеличением высоты местности воздух становится более разреженным, с меньшим содержанием кислорода, углекислого газа и водяных паров, а температура его понижается. Из-за недостатка углекислого газа и влаги нарушается нормальный ход фотосинтеза, поэтому на высотах более 6 тыс. м высшие растения не произрастают.
Океаническая часть биосферы занимает 361 млн км 2, или 71% площади планеты. Определяющими факторами жизни организмов в ней являются солевой и газовый состав воды, содержание биогенных элементов, глубина, подвижность вод. Для этой части биосферы также характерна зональность. По условиям жизни особенно различаются между собой полярные и экваториально-тропические зоны гидросферы, а также поверхностная ее часть, освещаемая солнцем, и глубинная зона, куда солнечный свет не проникает. Наиболее благоприятна для развития жизни в гидросфере небольшая по площади (8%) прибрежная зона -- шельф, которая хорошо освещена и обогрета солнечными лучами, обеспечена достаточным количеством элементов минерального питания, поступающих из донных отложений и поверхности суши. Большая часть площади дна Мирового океана расположена на глубинах более 4000 м и около четверти площади -- на глубинах более 5000 м. Температура здесь низкая (от 0,5 до 4°С) и довольно постоянная. Свет в эту зону не проникает. На морском дне происходит накопление органических остатков в виде ила и других отложений.
Распределение живого вещества в биосфере. Биомасса живого вещества продуцентов (зеленых растений) и консументов (животных и микроорганизмов) в океанической и континентальной частях биосферы приведена в таблице 7.1.
Представленные в таблице данные свидетельствуют о том, что основная масса живого вещества биосферы (свыше 99,8%) сосредоточена на континентах. Вклад океаносферы в общую биомассу составляет только 0,13%.
Биомасса организмов Земли (сухое вещество)
Биомасса живого вещества
Организмы континентальной части, океанической частимлрд т % млрд т %
Зеленые растения 2400,0 99,2 0,2 6,3
Животные и микроорганизмы 20,0 0,8 3,0 93,7
Всего: 2420,0 100,0 3,2 100,0
На континентах преобладает живое вещество растений (99,2%), в океане -- животных (93,7%). Однако сопоставляя их абсолютные величины (соответственно 2400 млрд т и 3 млрд т), можно сказать, что живое вещество планеты преимущественно представлено зелеными растениями суши. Биомасса организмов, не способных к фотосинтезу, составляет менее 1% .
Несмотря на то, что биомасса растений суши по абсолютной величине на три порядка больше, чем растений океана, скорость прироста биомассы за единицу времени у океанических растений (водорослей) намного выше (табл. 7.2).
Отношение суммарной годовой продукции (П) к величине биомассы (Б) в некоторых растительных сообществах суши и океана
Растительные сообщества П/Б за год
Древесная растительность лесов 0,018
Растительность лугов, степей, пашни 0, 670
Комплекс растений озер и рек 14,0
Морской фитопланктон 150,0
Интенсивное деление микроскопических клеток фитопланктона, быстрый их рост и кратковременность существования способствуют быстрому обороту фитомассы океана, который в среднем происходит за 1--3 суток, тогда как полное обновление растительности суши осуществляется за 50 лет и более. Поэтому несмотря на небольшую величину фитомассы океана, образуемая ею годовая суммарная продукция сопоставима с продукцией растений суши.
Ежегодно в биосфере в процессе фотосинтеза образуется около 150 млрд т сухого органического вещества. В континентальной части биосферы самыми продуктивными являются тропические и субтропические леса, в океанической -- эстуарии (расширяющиеся в сторону моря устья рек) и рифы, а также зоны подъема глубинных вод -- апвеллинга. Низкая продуктивность растений характерна для открытого океана, пустынь и тундры.
Биосфера -- область распространения живых организмов на планете Земля. Жизнедеятельность организмов сопровождается вовлечением в состав их тела разнообразных химических элементов, необходимых им для построения собственных органических молекул. В результате формируется мощный поток химических элементов между всем живым веществом планеты и средой его обитания. После гибели организмов и разложения их тел до минеральных элементов вещество возвращается во внешнюю среду. Так осуществляется непрерывный круговорот веществ -- необходимое условие для поддержания непрерывности жизни. Наибольшая масса живых организмов сосредоточена на границе соприкосновения литосферы, атмосферы и гидросферы. По биомассе в океане преобладают консументы, на суше -- продуценты. На нашей планете нет более активного и мощного в геохимическом отношении вещества, чем живое вещество.