лекции биология / биосфера

Биосфера.

Биосфера – оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяется деятельностью живых организмов.

Термин введен в науку в 1875 году геологом Эдуардом Зюссом. Распространение получил после создания в 1926 году В.И. Вернадским учения о биосфере.

С позиций экологии биосфера – наиболее крупная экосистема, объединяющая все биогеоценозы планеты и осуществляющая глобальный круговорот веществ.

Верхняя граница а атмосфере проходит на высоте 25 – 27 км (озоновый экран) и определяется нарастанием с высотой ультрафиолетовой солнечной радиации. Отдельные споры бактерий и грибов найдены в тропосфере на высоте до 40 км.

Нижняя граница в литосфере проходит на глубине 4 км и определяется нарастающей температурой горных пород и подземных вод (на глубине 3 км температура +100ºС). В гидросфере жизнь проникает на всю глубину Мирового океана (10 – 11 км), так как температура воды на дне океанических впадин около 0ºС. (согласно учению В.И. Вернадского о биосфере, нижняя граница походит еще глубже. Постепенно накапливающиеся в океане толщи осадочных пород, происхождение которых связано с деятельностью живых организмов, находятся на 1 -2 км ниже дна океана.

Компоненты биосферы.

Живое вещество – совокупность всех живых организмов нашей планеты, в данный момент существующих, численно выраженное в элементарном химическом составе, в массе и энергии.

Живое вещество распределено по Земле неравномерно. Наиболее высока концентрация живого вещества на границах раздела основных сред – в почве, в поверхностных слоях океана, на дне водоемов, в так называемых «пленках жизни».

Биогенное вещество – создаваемые и перерабатываемые живыми организмами соединения и полезные ископаемые (нефть, газ, уголь, известняк и др).

Косное вещество – соединения, образуемые процессами, в которых живые организмы не участвуют (горные породы вулканического происхождения, минералы).

Биокосное вещество – создаваемое одновременно живыми организмами и процессами неорганической природы (почва, грунт водоемов).

Радиоактивное вещество – радиоактивные руды и конечные продукты их распада.

Космогенное вещество – метеориты, космическая пыль.

Рассеянные атомы – С, Н, О, N, P, S, Fe, Mg, Mo, Mn, Cu, Zn, Ca, Na, k и др.

Живое вещество биосферы является самым активным ее компонентом, обеспечивающим глобальный круговорот химических элементов в биосфере.

Функции живого вещества.

Газовая – большинство газов атмосферы связаны с деятельностью живых организмов (CO₂ – продукт дыхания, О₂ – продукт фотосинтеза). Подземные горючие газы СН₄ – метан – продукты разложения органических веществ, вызванные деятельностью метанообразующих бактерий.

Концентрационная – организмы накапливают в своих телах ряд химических элементов (С, H, O, N, P, S, Fe и др.) и соединений СаСО₃ – карбонат кальция накапливается в костях, зубах и раковинах; SiO₂ – кремнезем накапливают диатомовые водоросли; J₂ – йод накапливают бурые водоросли.

Окислительно – восстановительная -= в ходе биохимических реакций, протекающих в живых организмах, меняется химическая валентность элементов. При фотосинтезе СО₂ восстанавливается до углеводов. При дыхании углеводы окисляются до СО₂ и др.

Биохимическая – химические превращения веществ и энергии, связанные с ростом, размножением и перемещением живых организмов в пространстве. Приводит к распространению живого вещества по планете.

Биогеохимическая деятельность человека – охватывает все возрастающее количество вещества земной коры для нужд промышленности, транспорта, сельского хозяйства и т.п. эта функция живого вещества занимает особое место в истории биосферы (особенно в эпоху НТР) и поэтому выделяется как отдельная.

Биологический круговорот

Биологический круговорот – биогенная миграция атомов в процессе круговорота веществ: аккумуляция элементов в живых организмах и минерализация их в результате разложения мертвых организмов (биогеохимический цикл).

Закон биогенной миграции атомов: миграция химических элементов осуществляется или при непосредственном участии живого вещества, или протекает в среде, геохимические особенности которой складывались живыми организмами в течение всей геологической истории.

Биогеохимический цикл углерода. Углерод в биосфере в основном представлен СО₂ . Источником первичной углекислоты является вулканическая деятельность. миграция СО₂ происходит двумя путями: поглощение в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и последующим отложением в виде торфа, угля, горючих сланцев: создание карбонатной системы в различных водоемах, где углекислый газ переходит в ионы НСО₃ ^- , СО₃ ^2- . затем с помощью кальция или магния происходит осаждение карбонатов биогенным и абиогенным способами: образуются известняки. Запасы СО₂ в атмосфере постоянно пополняются за счет дыхания организмов, процессов разложения органических остатков, а также массового сжигания топлива и выбросов промышленности.

Биогеохимический цикл азота. Круговорот азота в биосфере носит замедленный характер. Фиксация атмосферного азота осуществляется азотфиксирующими бактериями и цианобактериями. Они синтезируют нитриты и нитраты (NO₂ ^- →NO₃ ^-), которые становятся доступными для использования растениями (азот переходит в состав органических соединений: белков, нуклеиновых кислот, и др.) При разложении погибших организмов (при выделении мочи у животных) в почву поступают соединения аммиака (NH₄ ⁺ - ион аммония), которые подвергаются нитрификации (окислению до NO₂ ^- → NO₃ ^-). восстановление нитритов или нитратов до газообразного N₂ - процесс денитрификации. В малых количествах атмосферный азот связывается с кислородом в процессе грозовых разрядов в атмосфере, а затем с дождями поступает на поверхность Земли.

Закономерности существования биосферы.

Целостность как географической оболочки. Каждый компонент биосферы, развиваясь по своим законам, существует не изолированно, испытывая влияние других и сам оказывая влияние на другие компоненты. Изменение любого из компонентов вызывает изменение других (по скорости изменения выстраивается такой убывающий ряд: животный мир → растительность → почва → вода → климат → рельеф → литосфера).

Круговорот вещества и превращения энергии. Эти процессы связаны с деятельностью живого вещества. Круговороты разнообразны по масштабам и качеству явлений (превращения энергии, круговорот воды, биогеохимические циклы элементов).

Ритмические явления. Повторяемость во времени комплекса явлений, которые каждый раз развиваются в одном направлении. Ритмические явления бывают периодическими (связаны с вращением Земли вокруг оси, периодом обращения Солнца и т.д.) и циклическими (ритмы переменной продолжительности, каждые 30 – 35 лет происходит колебания климата: влажные и прохладные годы сменяются теплыми и сухими).

Зональность и азональность. Распределение на поверхности Земли растительного и животного мира, почв, процессов выветривания и др. Главный фактор зональности - солнечная радиация в сочетании с шарообразностью Земли. Помимо этого, на распределение тепла на Земле влияют: высота местности, соотношение суши и моря, морские течения и др. Зональность биосферы отражают ландшафтно – географические зоны (арктические пустыни, тундра, тайга, широколиственные леса, степи, пустыни, тропические леса). В пределах каждой зоны формируются биомы Земли – совокупность организмов и среды их обитания в ландшафтно – географических зонах.

Широтную зональность нарушают азональные процессы (вулканизм, складчатость земной коры…), проявляющиеся в формировании высотных поясов. Вертикальная зональность в горных местностях повторяет широтную зональность.

Полярная асимметрия. Различные природы Северного и Южного полушарий планеты (в Северном полушарии огромные пространства занимает тайга, в Южном она аналога не имеет; в Южном полушарии встречаются первозвери и сумчатые, которых нет в Северном).

3