Понятие биосферы и ее строение

Содержание

Введение ___________________________________________________________________ 3

1 Понятие биосферы и ее строение_______________________________________________ 4

1.1 Основные понятия и определения ________________________________________ 4

1.2 Строение биосферы ____________________________________________________ 6

2 Большой и малый круговорот веществ в биосфере ________________________________ 8

3 Круговорот воды в биосфере _________________________________________________ 10

4 Антропогенный обмен веществ_______________________________________________ 11

Заключение________________________________________________________________ 12

Список использованной литературы___________________________________________ 13

Введение

Понятие «природопользование» вошло в научный оборот в конце 60-х гг., когда стал значительно усиливаться интерес к природоохранительным проблемам, проблемам взаимоотношения природы и общества.

Природопользование - это практическая деятельность, связанная либо непосредственным использованием природных ресурсов и условий территориальных комплексов, либо воздействием на них, которые заключаются не только в вовлечении этих ресурсов и усилий в экономики эффективное производство, но и предусматривает их восстановление и преобразование. Природопользование понимается, как открытая система, возникающая на пересечении мегасистем (систем первого порядка) «природа» и «общество». Системами второго порядка выступают биосфера, гидросфера, атмосфера и литосфера, для общества - социальная и хозяйственная сферы.

Природопользование заключается в использовании человеческих ресурсов, компонентов природных процессов в целях функционирования общественных сфер и выступает в виде канала связи между двумя мегасистемами. Эта система взаимодействия общества и природы, построенная на основе научных законов и в наибольшей степени отвечающая задачам, как развития производства, так и сохранения биосферы.

Биосфера представляет собой организованную, определенную оболочку земной коры, сопряженную с жизнью. Пределы биосферы обусловлены, прежде всего, полем существования жизни. Биосфера - не просто одна из существующих оболочек Земли, подобно литосфере, гидросфере или атмосфере. Основное отличие биосферы состоит в том, что она организованная оболочка. Биосфера - не только геологическая, но и космическая сила. Быть живым значит быть организованным, отмечал В.И. Вернадский, и в этом состоит суть понятия биосферы как организованной оболочки Земли.

1 Понятие биосферы и ее строение

1.1 Основные понятия и определения

Впервые термин «биосфера» встречается в работах величайшего французского натуралиста и мыслителя Жана Батиста Ламарка (1744 – 1829), изучавшего ботанику, зоологию и геологию. В его научных трудах термин «биосфера» обозначал область жизни и влияния живых организмов на процессы, происходящие на Земле. Однако дифференциация наук о природе, происходившая быстрыми темпами в ХVIII в., привела к тому, что на долгие годы было забыто об исследованиях важных для наук о природе процессов взаимодействия сообществ живых организмов и косных (неживых) оболочек Земли. И только в 1875 г. австрийский геолог и палеонтолог Эдуард Зюсс (1831 – 1914) обратил внимание на место живого в строении и развитии земной коры и вновь после Ж.Б. Ламарка ввел в науку термин «биосфера». Биосфера - сложная наружная оболочка Земли, населенная организмами, составляющими в совокупности живое вещество планеты, рассуждая об оболочке Земли в своей книге о происхождении Альп. Затем снова на несколько десятилетий этот термин был предан забвению.

Новую (уже третью) жизнь термину «биосфера» дал выдающийся русский (советский) ученый – геолог В.И. Вернадский (1863 – 1945), создавший в 20-х годах ХХ века современное учение о биосфере. Возможно поэтому введение термина «биосфера» в научный обиход часто приписывается именно Вернадскому.

Биосфера (по В.И. Вернадскому) – это оболочка Земли, включающая как область распространения живого вещества, так и само это вещество. Здесь под живым веществом понимается совокупность всех организмов, населяющих Землю. Понятие биосферы несколько условно, так как кроме естественных мест существования органической жизни, создаются и искусственные (космические корабли, подводные лодки) «островки жизни». Органическая жизнь сосредоточена в трех косных (неживых) географических оболочках – геосферах Земли (литосфера, гидросфера и атмосфера). К биосфере относится и человеческое сообщество с его производством.

С появлением человека на Земле начинается процесс формирования ноосферы.

Ноосфера - это целостная планетная оболочка Земли, населенная людьми и рационально преобразованная ими в соответствии с законами сохранения и поддерживания жизни для гармоничного существования общества с остальными организмами.

В.И. Вернадский определил ноосферу как новое состояние биосферы, изменение биосферы под воздействием людей. В переводе с греческого - это сфера разума. В.И. Вернадский вкладывал в это понятие свой смысл, рассматривая качественно новую сферу Земли в развитии, как становящийся процесс со всеми предпосылками в настоящем и зрелым состоянием в будущем, когда человечество станет "единым целым" и "свободно мыслящим".

Общество, таким образом, включается в структуру биосферы и должно считаться с закономерностями ее развития как целостной системы.

Еще со времени Ламарка было известно, что процессы, происходящие в геосферах Земли, оказывают значительное воздействие на структуру и свойства живого вещества биосферы. Но и само живое вещество, как показал В.И. Вернадский, производит существенное преобразование геосфер. Причем с появлением человечества на Земле это преобразующее воздействие многократно возросло и по некоторым оценкам в настоящее время достигло критического уровня.

Общая совокупность живых организмов, выраженная в массе на единицу площади (суши, акватории, дна водоема) или объема (воды, почвы, осадков), принято называть биомассой. Следовательно, понятие «живое вещество» биосферы эквивалентно биомассе всей Земли.

Фотосинтез и круговорот веществ – основные факторы существования биосферы. Фотосинтез является единственным на Земле процессом, в котором зелеными растениями из бедных энергией неорганических веществ (углекислого газа, воды, минеральных солей) с помощью солнечной энергии в огромных масштабах образуются сложные, богатые энергией органические соединения. Эти соединения, способные к разнообразным химическим превращениям, – основа жизни всех других организмов биосферы. Все виды живых существ, обитающие на Земле, используют, в конечном счете, одну и ту же форму энергии химических связей. Любое проявление жизни на нашей планете связано с образованием и потреблением этой биохимической энергии.

Другим, важнейшим для существования жизни процессом в биосфере является круговорот веществ, осуществляемый благодаря наличию в биосфере автотрофов, создающих органические вещества из неорганических, и гетеротрофов, которые используют эти органические вещества и снова превращают их в неорганические соединения, пополняя запас последних в биосфере. Следовательно, фотосинтез и круговорот веществ – это два основных фактора существования биосферы Земли.

1.2 Строение биосферы

Современная биосфера наряду с живым веществом включает в себя полностью гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы.

Гидросфера. Эта геосфера представляет собой совокупность океанов, морей, озер, рек, подземных вод и ледников. Она образует прерывистую водную оболочку Земли, занимающую более 70% ее поверхности. Масса гидросферы распределена крайне неравномерно: 98,3% ее составляет Мировой океан, 1,6% связана в материковых льдах и лишь 0,1% приходится на воды материков.

Мировой океан, являющийся основной частью гидросферы, служит средой обитания огромного количества самых разнообразных представителей растительного и животного мира и мира микроорганизмов. Все морские организмы делят на три большие группы: планктон, нектон и бентос.

Масса живого вещества в гидросфере распределена крайне неравномерно. Наибольшую биомассу имеет фитопланктон, области, концентрации которого занимают около 10% площади Мирового океана и в основном расположены на шельфах. Так как для большинства представителей нектона и зообентоса фитопланктон является основным или единственным источником пищи, распределение областей их концентрации приурочено к ареалам фитопланктона.

Литосфера. В современном понимании литосфера (от греч. литос – камень) – верхняя твердая оболочка Земли, толщина которой колеблется в пределах 50–200 км. Верхняя часть литосферы образует земную кору, а нижняя – верхнюю часть мантии Земли. Земная кора, представляющая собой, в отличие от гидросферы, сплошную оболочку планеты, состоит из трех слоев: осадочного, гранитного и базальтового. Осадочный слой в основном сложен осадочными породами (глинами, песчаниками, известняками, доломитами, гипсами и др.), образовавшимися на поверхности Земли в основном в результате отложения продуктов выветривания и разрушения более древних пород, химического и механического выпадения осадка из воды, а также продуктов жизнедеятельности организмов. Мощность осадочного слоя крайне изменчива: в одних местах он отсутствует, в других – достигает толщины 20–25 км. Общий объем этого слоя составляет около 10% от объема всей земной коры, причем основная часть слагающих его пород приходится на материки и шельфы океанов.

Нижняя граница биосферы проходит в самой верхней части земной коры. Отчетливое распространение жизни отмечается здесь лишь до глубины в несколько десятков метров, однако с подземными водами микроорганизмы распространяются до глубин 2–3 км, хотя известны случаи обнаружения микроорганизмов в нефтяных водах и нефти, добытых при бурении скважин с глубин более 4 км.

С точки зрения концентрации живого вещества биосферы особый интерес представляет почвенный слой, толщина которого в различных ландшафтных и климатических зонах изменяется в широких пределах (от нескольких сантиметров до 1–1,5 м). Практически вся растительность суши, следовательно, и весь ее животный мир связаны с почвой как необходимым источником пищи. Важнейшим свойством почвы является ее плодородие, т.е. способность обеспечить необходимые условия для жизни растений. Большое значение в плодородии почв играет гумус, состоящий преимущественно из продуктов биохимического разложения отмерших остатков организмов. Почва является местом обитания огромного количества микроорганизмов, водорослей, простейших, насекомых, червей и других беспозвоночных животных и большого количества позвоночных животных.

Атмосфера. Третья геосфера Земли, с которой связана биосфера – это атмосфера, представляющая собой газовую оболочку Земли, состоящую из азота (78,08% объема), кислорода (20,95%), аргона (0,93%) и углекислого газа (0,03%). На долю остальных газов приходится около 0,01% общего объема атмосферы. С удалением от поверхности Земли плотность атмосферы постепенно уменьшается до высоты около 3 тыс. км, где ее плотность становится равной плотности межпланетного пространства. Обычно атмосферу представляют в виде совокупности слоев – тропосферы, стратосферы и ионосферы. Тропосфера, заключающая в себе около 80% массы всей атмосферы и практически весь водяной пар, простирается до высоты приблизительно 9 км (на полюсах) – 17 км (на экваторе). В нижней части стратосферы, простирающейся от верхней границы тропосферы до высоты около 50 км, располагается озоновый слой, для которого характерно повышенное содержание озона. Концентрация озона на высотах расположения озонового слоя 15–26 км более чем в 100 раз превышает его концентрацию у поверхности Земли.

В качестве верхней границы биосферы принимается нижняя граница озонового слоя, почти полностью поглощающего губительные для всего живого ультрафиолетовые лучи. Вот почему часто озоновый слой называют “озоновым щитом”, защищающим жизнь на Земле. Здесь будет нелишним заметить, что включение в биосферу нижней атмосферы является несколько условным, так как нахождение организмов в ней на значительных высотах над земной поверхностью в большинстве случаев может быть временным, а истинной средой обитания их служит гидросфера, верхняя часть земной коры и тонкий слой приземной атмосферы.

2 Большой и малый круговорот веществ в биосфере

Биосфера Земли характеризуется определенным образом сложившимися круговоротом веществ и потоком энергии. Круговорот веществ - многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том числе в тех слоях, которые входят в состав биосферы Земли. Круговорот веществ осуществляется при непрерывном поступлении (потоке) внешней энергии Солнца и внутренней энергии Земли.

В зависимости от движущей силы, с определенной долей условности, внутри круговорота веществ можно выделить геологический, биологический и антропогенный круговороты. До возникновения человека на Земле осуществлялись только первые два.

Большой (геологический) круговорот веществ протекает от нескольких тысяч до нескольких миллионов лет, включая в себя такие процессы, как круговорот воды и денудация суши, движущей силой которого являются экзогенные и эндогенные геологические процессы.

Эндогенные процессы (процессы внутренней динамики) происходят под влиянием внутренней энергии Земли. Это энергия, выделяющаяся в результате радиоактивного распада, химических реакций образования минералов, кристаллизации горных пород и т.д. К эндогенным процессам относятся: тектонические движения, землетрясения, магматизм, метаморфизм. Экзогенные процессы (процессы внешней динамики) протекают под влиянием внешней энергии Солнца. Экзогенные процессы включают выветривание горных пород и минералов, удаление продуктов разрушения с одних участков земной коры и перенос их на новые участки, отложение и накопление продуктов разрушения с образованием осадочных пород. К экзогенным процессам относятся геологическая деятельность атмосферы, гидросферы (рек, временных водотоков, подземных вод, морей и океанов, озер и болот, льда), а также живых организмов и человека.

Крупнейшие формы рельефа (материки и океанические впадины) и крупные формы (горы и равнины) образовались за счет эндогенных процессов, а средние и мелкие формы рельефа (речные долины, холмы, овраги, барханы и др.), наложенные на более крупные формы, - за счет экзогенных процессов. Таким образом, эндогенные и экзогенные процессы противоположны по своему действию. Первые ведут к образованию крупных форм рельефа, вторые - к их сглаживанию.

Магматические горные породы в результате выветривания преобразуются в осадочные. В подвижных зонах земной коры они погружаются вглубь Земли. Там под влиянием высоких температур и давлений они переплавляются и образуют магму, которая, поднимаясь на поверхность и застывая, образует магматические породы.

Таким образом, геологический круговорот веществ протекает без участия живых организмов и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими слоями Земли.

На базе большого геологического круговорота возникает круговорот органических веществ, или малый, биологический круговорот. В основе малого круговорота веществ лежат процессы синтеза и разрушения органических соединений. Эти два процесса обеспечивают жизнь и составляют одну из главных ее особенностей.

Биологический (биогеохимический) круговорот (малый круговорот веществ в биосфере) - круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов. В отличие от большого геологического, малый биогеохимический круговорот веществ совершается в пределах биосферы. Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез. В экосистеме органические вещества синтезируются автотрофами из неорганических веществ. Затем они потребляются гетеротрофами. В результате выделения в процессе жизнедеятельности или после гибели организмов (как автотрофов, так и гетеротрофов) органические вещества подвергаются минерализации, то есть превращению в неорганические вещества. Эти неорганические вещества могут быть вновь использованы для синтеза автотрофами органических веществ.

В биогеохимических круговоротах следует различать две части:

1) резервный фонд - это часть вещества, не связанная с живыми организмами;

2) обменный фонд - значительно меньшая часть вещества, которая связана прямым обменом между организмами и их непосредственным окружением.

В зависимости от расположения резервного фонда биогеохимические круговороты можно разделить на два типа:

1) Круговороты газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере и гидросфере (круговороты углерода, кислорода, азота).

2) Круговороты осадочного типа с резервным фондом в земной коре (круговороты фосфора, кальция, железа и др.).

Круговороты газового типа более совершенны, так как обладают большим обменным фондом, а значит, способны к быстрой саморегуляции. Круговороты осадочного типа менее совершенны, они более инертны, так как основная масса вещества содержится в резервном фонде земной коры в "недоступном" живым организмам виде. Такие круговороты легко нарушаются от различного рода воздействий, и часть обмениваемого материала выходит из круговорота. Возвратиться опять в круговорот она может лишь в результате геологических процессов или путем извлечения живым веществом. Однако извлечь нужные живым организмам вещества из земной коры гораздо сложнее, чем из атмосферы.

3 Круговорот воды в биосфере

Круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу относится к большому геологическому круговороту. Вода испаряется с поверхности Мирового океана и либо переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока, либо выпадает в виде осадков на поверхность океана. В круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км3 воды. Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимическом цикле, весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн. лет.

Круговорот воды в биосфере происходит по схеме: выпадение атмосферных осадков, поверхностный и внутрипочвенный сток в водоёмы, испарение, перенос водяного пара, конденсация, повторное выпадение осадков и т.д. Вода испаряется не только поверхностью водоёмов и почв, но и живыми организмами, ткани которых на 70 процентов состоят из воды. Большое количество воды испаряется растениями; они используют воду как элемент питания, как среду, в которой протекают жизненные процессы, и как субстанцию, вместе с которой поступают к ним из почвы питательные вещества. Особенность круговорота в том, что из океана испаряется воды больше, чем возвращается с осадками. На суше, наоборот, осадков выпадает больше, чем испаряется

С появлением жизни на Земле круговорот воды стал относительно сложным, так как к физическому явлению превращения воды в пар добавился процесс биологического испарения, связанный с жизнедеятельностью растений и животных - транспирация. До развития цивилизации круговорот воды был равновесным. Однако вмешательство человека существенно нарушило этот цикл, особенно в последние десятилетия. В частности, уменьшается испарение воды лесами ввиду сокращения их площади и, напротив, увеличивается испарение с поверхности почвы при орошении сельскохозяйственных угодий. Испарение с поверхности океана уменьшается вследствие появления на воде тончайшей плёнки нефти. Наконец, на круговорот воды воздействует парниковый эффект - потепление климата под влиянием повышения концентрации углекислого газа в атмосфере. При усилении этих тенденций могут произойти значительные изменения круговорота воды. Это уже проявляется в неравномерности распределения осадков по территории планеты. В результате этого, в одних районах происходят небывалые по масштабам наводнения, а в других - жестокие засухи.

4 Антропогенный обмен веществ

К ранее существовавшим в природе основным круговоротам вещества и энергии - геологическому и биологическому - присоединяется все более мощный третий основной круговорот, который вызван производственной деятельностью людей - антропогенный, или техногенный круговорот.

Всеми отраслями человеческого хозяйства ежедневно добывается почти 300 млн. тонн веществ и материалов, сжигается около 30 млн. тонн топлива, используется 2 млрд. м3 воды и 65 млрд. м3 кислорода. Все это сопровождается расходованием природных ресурсов и массированные загрязнением среды.

Сравнение антропогенных материальных потоков с параметрами биосферного круговорота показывает, что человеческая деятельность определяет существенную долю биогеохимической динамики вещества на планете. Общее потребление пресной воды человечеством достигло 2 % объема влаги, вводимой в биосферный круговорот транспирацией всех растений суши. Антропогенный обмен газов в атмосфере составляет 15—18 % всего биотического газообмена. Уровень использования продукции биомассы достиг 10%.

Т.А. Акимова, В.В. Хаскин (2006) приводят данные о том, что человечество в результате своей жизнедеятельности возвращает в атмосферу 1,5 Г выдыхаемых углекислого газа и паров. При этом выделяется 18 ЭДж теплоты. На поверхность земли и в водоемы переходит 3,9 Г жидких и 0,7 Г твердых отходов (экскрементов людей и бытового мусора). Разница между приходом и расходом, близкая к 100 млн. тонн в год, указывает на рост численности, массы человечества и массы предметов и материалов индивидуального потребления.

Существенным отличием антропогенного обмена веществ от биотического круговорота веществ в природе является то, что первый не образует или почти не образует замкнутых циклов. Он существенно разомкнут как в качественном, так и количественном отношении. Может быть реально возобновлена только часть изъятых человеком из природы биологических ресурсов. Может быть утилизирована или нейтрализована в результате биогеохимической миграции веществ только часть отходов производства. Темпы возобновления, утилизации и нейтрализации в современную эпоху отстают от темпов изъятия ресурсов и загрязнения среды. Наиболее характерно это для крупных промышленных городов.

В пределах крупных городов изменены все элементы окружающей среды. В связи с тем, что антропогенный обмен составляет существенную часть биосферного круговорота веществ, то своей не замкнутостью он нарушает необходимую высокую степень замкнутости глобального биотического круговорота, выработанную в длительной эволюции и являющуюся важнейшим условием стационарного состояния биосферы. Антропогенные воздействия оказывают влияние и на круговороты воды, кислорода, углерода, азота, фосфора, серы.

Врываясь в природные круговороты, антропогенные потоки вещества и энергии нарушают их равновесие, искажают и деформируют структуру взаимосвязи составляющих их звеньев. Под угрозой находится само существование некоторых из этих звеньев, а, следовательно, в перспективе может распасться вся цепь. Этого, конечно, допустить нельзя. Что нужно делать? Прежде всего:

1) изучать законы движения всех трех круговоротов;

2) позаботиться о совмещении указанных круговоротов.

Если биосфера, обладая довольно развитыми обратными связями, обеспечивает саморегуляцию природных процессов стихийно, то регуляция антропогенных процессов осуществляется сознательно и целенаправленно.

Заключение

Биосфера - важнейшая система, значимость которой невозможно переоценить, т.к. именно биосфера является той средой, в которой человечество может существовать.

Современная структура биосферы - продукт длительной эволюции многих систем разной сложности, последовательно стремящихся к состоянию динамического равновесия. Практическое значение учения о биосфере 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 биосферы, вызванными неразумным или неосторожным преобразованием природы человеком.

В настоящий период человек стал главной силой, которая изменяет процессы в биосфере, а управлять ими человек только учится. Ему предстоит найти пути рационального использования природных ресурсов и сбалансированного природопользования.

Список использованных источников

1. Акимова Т. А. Экология: Человек - Экономика - Биота - Среда: учебник для студ. вузов. - 3-еизд., перераб. и доп. - М.: ЮНИТИ, 2006. - 495 с.

2. Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. - М.: Высшее образование., 2007. - 335 с.

3. Комарова Н.Г. Геоэкология и природопользование: учебное пособие для студ. вузов / Н.Г. Комарова. – 2-е изд., стереотип. – М.: Академия, 2007. – 192 с.: ил. – (Высш. проф. образование).

4. Маглыш, С.С. Основы экологии и экономика природопользования: Пособие / С.С. Маглыш. - Гродно: ГрГУ, 2002 - 126 с.

5. Потапов А. Д. Экология: учебник для студ. вузов. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Высшаяшкола, 2004. - 528 с.

6. Павлов А. Н. Экология: рациональное природопользование и безопасность жизнедеятельности: учеб. пособие для студ. вузов. - М.: Высшая школа, 2005. - 344 с.

7. Прохоров Б. Б. Экология человека. - М.: Academa, 2006. - 320 с.

8. Степановских А.С. Общая экология: учебник для вузов. - М.: Юнити, 2008. - 602с.

9. Трофимова В.Л. Природопользование: толковый словарь / В.Л. Тро­фимова. – М.: Финансы и статистика, 2002. – 184 с.

10. Фомин Ю. А. Человечество в XXI веке - М.: СИНТЕГ, 2009. - 77 с.

11. Экология и экономика природопользования: учебник для студ. вузов / под ред. Э. В.Гирусова. - М.: Закон и право: ЮНИТИ, 2007. - 455 с.