Биосфера. Основные функции и свойства живого вещества в биосфере

Если с понятием "биосферы" по Зюссу связывалось только наличие в трех сферах земной оболочки (твердой, жидкой, газообразной) живых организмов, то по В.И. Вернадскому, им отводится роль главнейшей геохимической силы.

В таком случае под понятием биосферы понимается все пространство, где существует или когда-либо существовала жизнь, то есть, где встречаются живые организмы или продукты их жизнедеятельности.

Биосфера охватывает часть атмосферы, верхнюю часть литосферы и гидросферу. Верхняя граница биосферы проходит на высоте примерно 20 км над поверхностью Земли, а нижняя на 6-7-километровой глубине. Биосфера принципиально отличается от прочих земных оболочек поскольку является "комплексной". Она не только "покров" из живого вещества, но и среда обитания миллионов видов живых существ, в том числе и человека.

Вернадский не только сконкретизировал и очертил границы жизни в биосфере, роль живых организмов в процессах планетарного масштаба. Он показал, что в природе нет более мощной геологической средообразующей) силы, чем живые организмы и продукты их жизнедеятельности. Ту часть биосферы, где живые организмы встречаются в настоящее время обычно называют современной биосферой, или необиосферой, а древние биосферы относят к палеобиосферам, или к белым биосферам.

Свойства биосферы

1. Очень важной особенностью биосферы является тесная связь живого вещества с окружающими условиями, или средой обитания. То есть, организм и окружающая его среда представляют собой единство. При изменении условий среды обитания живое вещество приспосабливается к новым условиям. При этом оно может изменить свою форму или функции, но не состав. Неживое вещество при этом изменяется коренным образом. 

2. Способность к самовоспроизведению, то есть к размножению. Это свойство резко отличается живое от неживого и является причиной быстрого распространения жизни на Земле. В.И. Вернадский назвал такую способность биосферы «всюдностью жизни», а сам процесс быстрого размножения – «растеканием жизни». Как установлено, скорость размножения живых организмов различна и зависит от их массы. Так, мелкие организмы размножаются скорее крупных. 3. Живые организмы способны к изменчивости. Это – важнейшее биологическое свойство. Основной причиной изменчивости является мутация, которая охватывает весь генетический аппарат и вызывает появление новых признаков в наследственности организмов, что обеспечивает передачу возникшего мутационного признака последующим поколениям. Те изменения в организме, которые не затрагивают генетический аппарат и не передаются последующим поколениям называются последующим поколения называются модификациями.

4. Способность организмов накапливать в своих тканях некоторые химические элементы в избыточном количестве, по сравнению с их концентрацией во внешней среде. Эту способность Вернадский назвал концентрационной функцией биосферы. Организмы могут накапливать не только широко распространенные химические элементы, но и редкие и рассеянные элементы, которые иногда играют важную роль в физиологии организмов. Так, некоторые цветковые растения концентрируют литий, бериллий, бром. 

5. Рациональное усвоение солнечной энергии. Живой организм старается удержать и усвоитьсолнечную энергию – в отличие от камня, который после нагревания тут же отдает тепло. В организме происходят сложные превращения энергии. Зеленые растения непосредственно используют солнечную радиацию при фотосинтезе, некоторые бактерии расходуют при этом химическую энергию. Живые организмы осуществляют преобразование энергии и накопление ее в форме высокоэнергичных соединений, то есть они превращают солнечную энергию в энергию химических связей. При этом энергия, накапливаемая в организмах животных, превращается в еще более высокоэнергичные соединения. Любой организм с термодинамической точки зрения является открытой системой. Получаемая организмом энергия, при этом компенсирует его расходы на жизненные функции и работу.

6. Устойчивость. Это способность выживать в изменяющихся условиях Земли: при разных давлениях, температурах, влажности. Устойчивость организмов очень высока. Особенно большая приспособляемость у низкоорганизованных организмов. Так, микроорганизмы обнаружены в метеоритах, которые длительное время находились в космосе при температуре, близкой к абсолютному нулю, а также в воде гейзеров, имеющих температуру + 93⁰ С.

7. Обмен веществ. Важным свойством живых организмов является обмен веществ живых организмов с окружающей средой. Живые организмы осуществляют ассимиляцию и диссимиляцию веществ, то есть они постоянно усваивают, перерабатываю и выделяют продукты своей жизнедеятельности. За счет этого организмами производятся огромные преобразования на Земле. 8. С обменом веществ связано следующее весомое свойство биосферы: она являетсякатализатором геохимических процессов на Земле. Таким образом, за время своего существования, то есть за 3 млрд. лет биосфера изменила вещественный состав всех компонентов географической оболочки. Как видно живое существо не только тесно связано со средой обитания, но и способно изменять ее, приспосабливать для своего обитания. За счет этого живые организмы выполняют огромную геохимическую работу на Земле, и способны преобразовывать нашу планету. 21.) типы круговоротов веществ в биосфере 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.

Геологический круговорот (большой круговорот веществ в природе) – круговорот веществ, 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.

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.).

Антропогенный круговорот (обмен) – круговорот (обмен) веществ, движущей силой которого является деятельность человека. В нем можно выделить две составляющие: биологическую, связанную с функционированием человека как живого организма, и техническую, связанную с хозяйственной деятельностью людей(техногенный круговорот).

Геологический и биологический круговороты в значительной степени замкнуты, чего нельзя сказать об антропогенном круговороте. Поэтому часто говорят не об антропогенном круговороте, а об антропогенном обмене веществ. Незамкнутость антропогенного круговорота веществ приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению природной среды – основным причинам всех экологических проблем человечества

22) Круговороты основных биогенных веществ и элементов. Рассмотрим круговороты наиболее значимых для живых организмов веществ и элементов. Круговорот воды относится к большому геологическому, а круговороты биогенных элементов (углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и других биогенных элементов) – к малому биогеохимическому.

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

Круговорот углерода. Продуценты улавливают углекислый газ из атмосферы и переводят его в органические вещества, консументы поглощают углерод в виде органических веществ с телами продуцентов и консументов низших порядков, редуценты минерализуют органические вещества и возвращают углерод в атмосферу в виде углекислого газа. В Мировом океане круговорот углерода усложнен тем, что часть углерода, содержащегося в мертвых организмах, опускается на дно и накапливается в осадочных породах. Эта часть углерода выключается из биологического круговорота и поступает в геологический круговорот веществ.

Круговорот кислорода. Главным образом круговорот кислорода происходит между атмосферой и живыми организмами. В основном свободный кислород (0^) поступает в атмосферу в результате фотосинтеза зеленых растений, а потребляется в процессе дыхания животными, растениями и микроорганизмами и при минерализации органических остатков. Незначительное количество кислорода образуется из воды и озона под воздействием ультрафиолетовой радиации.

Круговорот азота. Запас азота (N2) в атмосфере огромен (78% от ее объема). Однако растения поглощать свободный азот не могут, а только в связанной форме, в основном в виде NН4+ или NО3–. Свободный азот из атмосферы связывают азотфиксирующие бактерии и переводят его в доступные растениям формы. В растениях азот закрепляется в органическом веществе (в белках, нуклеиновых кислотах и пр.) и передается по цепям питания. После отмирания живых организмов редуценты минерализуют органические вещества и превращают их в аммонийные соединения, нитраты, нитриты, а также в свободный азот, который возвращается в атмосферу.

Круговорот фосфора. Основная масса фосфора содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В биогеохимический круговорот фосфор включается в результате процессов выветривания горных пород. В наземных экосистемах растения извлекают фосфор из почвы (в основном в форме РО43–) и включают его в состав органических соединений (белков, нуклеиновых кислот, фосфолипидов и др.) или оставляют в неорганической форме. Далее фосфор передается по цепям питания. После отмирания живых организмов и с их выделениями фосфор возвращается в почву.

Круговорот серы. Основной резервный фонд серы находится в отложениях и почве, но в отличие от фосфора имеется резервный фонд и в атмосфере. Главная роль в вовлечении серы в биогеохимический круговорот принадлежит микроорганизмам. Одни из них восстановители, другие – окислители.

В горных породах сера встречается в виде сульфидов (FeS2 и др.), в растворах – в форме иона (SO42–), в газообразной фазе в виде сероводорода (Н2S) или сернистого газа (SО2). В некоторых организмах сера накапливается в чистом виде и при их отмирании на дне морей образуются залежи самородной серы.

По содержанию в морской среде Сульфат-ион занимает второе место после хлора и является основной доступной формой серы, которая потребляется автотрофами и включается в состав белков. 23)   Под техногенными воздействиями понимают деятельность, связанную с реализацией экономических, военных, рекреационных, культурных и других интересов человека, вносящую физические, химические, биологические и другие изменения в природную среду. По своей природе, глубине и площади распространения, времени действия и характеру приложения они могут быть различными: целенаправленными и стихийными, прямыми и косвенными, длительными и кратковременными, точечными и площадными и т. д. Антропогенные воздействия на биосферу по их экологическим последствиям разделяют на положительные и отрицательные (негативные).  К положительным воздействиям можно отнести воспроизводство природных ресурсов, восстановление запасов подземных вод, полезащитное лесоразведение, рекультивацию земель на месте разработок полезных ископаемых и др. К отрицательным (негативным) воздействиям на биосферу относят все виды воздействий, создаваемых человеком и угнетающих природу. Небывалые по мощности и разнообразию негативные техногенные воздействия особенно резко стали проявляться во второй половине XX в. Под их влиянием естественная биота экосистем перестала служить гарантом устойчивости биосферы, как это наблюдалось ранее — в течение миллиардов лет. Отрицательное (негативное) воздействие проявляется в самых разнообразных и масштабных акциях: исчерпании природных ресурсов, вырубке леса на больших площадях, засолении и опустынивании земель, сокращении численности и видов животных и растений и т.д. К числу основных глобальных факторов дестабилизации природной среды относятся:

• рост потребления природных ресурсов при их сокращении;

• рост населения планеты при сокращении пригодных для обитания территорий;

• деградация основных компонентов биосферы, снижение способности природы к самоподдержанию;

• возможные изменения климата и истощение озонового слоя Земли;

• сокращение биологического разнообразия;

• возрастание экологического ущерба от стихийных бедствий и техногенных катастроф;

• недостаточный уровень координации действий мирового сообщества в области решения экологических проблем. Главнейшим и наиболее распространенным видом отрицательного воздействия человека на биосферу является загрязнение. Большинство острейших экологических ситуаций в мире, так или иначе, связаны с загрязнением окружающей природной среды (Чернобыль, кислотные дожди, опасные отходы и т.д.). методы мониторинга Мониторинг геологической среды

Понятие геологической среды. Соотношение геологической

среды с внешними средами: поверхностной гидросферой, по_

верхностной биосферой, атмосферой, техносферой.

Основные компоненты геологической среды: горные поро_

ды, почвы, подземные воды, рельеф, инженерно_геологические

процессы и явления. Понятие об опасных геологических процессах, их связь с изменением свойств геологической среды

Географический мониторинг

Виды геомониторинга: локальный (биоэкологический), ре_

гиональный (геосистемный или природохозяйственный), гло_

бальный (биосферный).

24) Ландшафтная индикация - совокупность методов оценки состояния природно-территориальных комплексов (ПТК), отдельных их компонентов и протекающих в них процессах по легко доступным для непосредственного наблюдения компонентам или аэрофотоснимкам.

Теорию и методику ландшафтной индикации разрабатывает раздел ландшафтоведения - индикационное ландшафтоведение. С позиций индикационного ландшафтоведения любой ландшафт может быть рассмотрен как ярусная система. Верхний ярус его – эктоярус – образован физиономическими компонентами, участками открытой почвы, поверхностью водоемов и следами деятельности человека. Эктоярус может быть беспрепятственно наблюдаем при маршрутных исследованиях и изображается на аэрофотоснимках. Нижния ярус - эндоярус - образован деципиентными (т.е. скрытыми от непосредственного наблюдения) компонентами, грунтовыми водами, различными горизонты почв, грунты, антропогенными нарушениями, не определяемыми визуально и т.д. Цель ландшафтной индикации – использование эктояруса для познания различных деципиентных компонентов.

Индикатами могут служить не только отдельные компоненты ПТК и их свойства, но и протекающие в них процессы. При этом существует три вида такой индикации:

• индикация процессов, происходивших в ПТК в прошлом и прекратившихся к настоящему времени;

• индикация процессов, протекающих в настоящее время;

индикация процессов, которые будут происходить в будущем. 25) В соответствии с Федеральным законом «Об особо охраняемых природных территориях» особо охраняемые природные территории — участки земли, водной поверхности и воздушного пространства над ними, где располагаются природные комплексы и объекты, имеющие особое природоохранное, научное, культурное, эстетическое, рекреационное и оздоровительное значение. Одновременно, при учреждении того или иного вида особо охраняемых природных территорий планируется удовлетворение определенных общественных интересов. Рассмотрим их применительно к отдельным видам таких территорий. В соответствии со ст. 2 Закона «Об особо охраняемых природных территориях» с учетом особенностей режима этих территорий и статуса находящихся на них природоохранных учреждений различаются следующие виды указанных территорий. На государственные природные заповедники возлагаются следующие задачи: • осуществление охраны природных территорий в целях сохранения биологического разнообразия и поддержания в естественном состоянии охраняемых природных комплексов и объектов; • организация и проведение научных исследований, включая ведение Летописи природы; • осуществление экологического мониторинга в рамках общегосударственной системы мониторинга окружающей природной среды; • экологическое просвещение; • участие в государственной экологической экспертизе проектов и схем размещения хозяйственных и иных объектов; • содействие в подготовке научных кадров и специалистов в области охраны окружающей природной среды. б) Национальные парки. Они являются природоохранными, эколого-просветительскими и научно-исследовательскими учреждениями, территории (акватории) которых включают в себя природные комплексы и объекты, имеющие особую экологическую, историческую и эстетическую ценность, и предназначены для использования в природоохранных, просветительских, научных и культурных целях и для регулируемого туризма. На национальные парки возлагаются следующие основные задачи: • сохранение природных комплексов, уникальных и эталонных природных участков и объектов; • сохранение историко-культурных объектов; • экологическое просвещение населения; • создание условий для регулируемого туризма и отдыха; • разработка и внедрение научных методов охраны природы и экологического просвещения; • осуществление экологического мониторинга; • восстановление нарушенных природных и историко-культурных комплексов и объектов. в) Природные парки. Это природоохранные рекреационные учреждения, находящиеся в ведении субъектов Российской Федерации, территории (акватории) которых включают в себя природные комплексы и объекты, имеющие значительную экологическую и эстетическую ценность, и предназначены для использования в природоохранных, просветительских и рекреационных целях. На природные парки возлагаются следующие задачи: • сохранение природной среды, природных ландшафтов; • создание условий для отдыха (в том числе массового) и сохранение рекреационных ресурсов; • разработка и внедрение эффективных методов охраны природы и поддержание экологического баланса в условиях рекреационного использования территорий природных парков. г) Государственные природные заказники — территории (акватории), имеющие особое значение для сохранения или восстановления природных комплексов и их компонентов и поддержания экологического баланса. Государственные природные заказники могут иметь различный профиль, в том числе быть:• комплексными (ландшафтными), предназначенными для сохранения и восстановления природных комплексов (природных ландшафтов); • биологическими (ботаническими и зоологическими), предназначенными для сохранения и восстановления редких и исчезающих видов растений и животных, в том числе ценных видов в хозяйственном, научном и культурном отношениях; • палеонтологическими, предназначенными для сохранения ископаемых объектов; • гидрологическими (болотными, озерными, речными, морскими), предназначенными для сохранения и восстановления ценных водных объектов и экологических систем; • геологическими, предназначенными для сохранения ценных объектов и комплексов неживой природы, д) Памятники природы — уникальные, невосполнимые, ценные в экологическом, научном, культурном и эстетическом отношениях природные комплексы, а также объекты естественного и искусственного происхождения. е) Дендрологические парки и ботанические сады являются природоохранными учреждениями, в задачи которых входит создание специальных коллекций растений в целях сохранения разнообразия и обогащения растительного мира, а также осуществление научной, учебной и просветительской деятельности. ж) Лечебно-оздоровительные местности и курорты. К ним могут быть отнесены территории (акватории), пригодные для организации лечения и профилактики заболеваний, а также отдыха населения и обладающие природными лечебными ресурсами (минеральные воды, лечебные грязи, рапа лиманов и озер, лечебный климат, пляжи, части акваторий и внутренних морей, другие природные объекты и условия). Лечебно-оздоровительные местности и курорты выделяются в целях их рационального использования и обеспечения сохранения их природных лечебных ресурсов и оздоровительных свойств.