Биосфера как экологическая система

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ГЕОДЕЗИИ И КАРТОГРАФИИ

(МИИГАиК)

Реферат по курсу

"Концепция современного естествознания"

на тему: Биосфера как экологическая система

Выполнила:

студентка ФПКиФ 3-4

Попович Е.М.

Проверил:

асс. Учаев Д. В.

Москва -- 2009



Содержание

Введение

Состав и свойства биосферы

Почва - уникальный компонент биосферы

Живое вещество биосферы

Биосфера и космос

Экологические взаимодействия живого вещества: кто как питается

Биогенная миграция атомов - экосистемное свойство биосферы

Как развивалась биосфера: пять экологических катастроф

Устойчивость биосферы

Биосфера и человек: экологическая опасность

Человек должен сохранить разнообразие биосферы

Заключение



Введение

Сегодня во весь рост поднимается перед людьми одна из сложнейших проблем, касающаяся каждого из нас. Это - проблема сохранения жизни на планете, выживания человека, как одного из уникальных видов живых существ.

Решение этой проблемы зависит от того, насколько каждый из нас и все человечество вместе осознают "запретную черту", переступить через которую человечество не должно ни при каких обстоятельствах. Такой "запретной чертой" являются законы жизни на планете.

Человек - обитатель биосферы. Именно биосфера - та оболочка Земли, в пределах которой протекает жизнь человечества в целом и каждого из нас.

Биосфера - область обитания живых организмов; оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяется совокупной деятельностью живых организмов. Верхняя граница простирается до высоты озонового экрана (20-25 км), нижняя опускается на 1-2км ниже дна океана и в среднем 2-3 км на суше. Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу, педосферу (почву), и верхнюю часть литосферы (горные породы).



Состав и свойства биосферы

Биосфера, являясь глобальной экосистемой (экосферой), как и любая экосистема, состоит из абиотической и биотической части.

Абиотическая часть представлена:

Почвой и подстилающими ее породами до глубины, где еще есть живые организмы, вступающие в обмен с веществом этих пород и физической средой порового пространства.

Атмосферным воздухом до высот, на которых возможны еще проявления жизни.

Водной средой - океаны, реки, озера и т.п.

благоприятные температуры: не слишком высокие, чтобы не свертывался белок, и не слишком низкие, чтобы нормально работали ферменты - ускорители биохимических реакций,

живому существу необходим прожиточный минимум минеральных веществ.

Биотическая часть состоит из живых организмов всех таксонов, осуществляющих важнейшую функцию биосферы, без которых не может существовать сама жизнь: биогенный ток атомов. Живые организмы осуществляют этот ток атомов благодаря своему дыханию, питанию и размножению, обеспечивая обмен веществом между всеми частями биосферы. биосфера почва миграция атом экосистема

В основе биогенной миграции атомов в биосфере лежат два биохимических принципа:

1 стремиться к максимальному проявлению, к "всюдности" жизни;

2 обеспечить выживание организмов, что увеличивает саму биогенную миграцию.

Эти закономерности проявляются прежде всего в стремлении живых организмов "захватить" все мало-мальски приспособленные к их жизни пространства, создавала экосистему или ее часть. Но любая экосистема имеет границы, имеет свои границы в планетарном масштабе и биосфера.

При общем рассмотрении биосферы, как планетарной экосистемы, особое значение приобретает представление о ее живом веществе, как о некой общей живой массе планеты.

Химический состав живого вещества подтверждает единство природы - он состоит из тех же элементов, что и неживая природа, только соотношение этих элементов различное и строение молекул иное.

Свойства биосферы

Биосфере, как и составляющим ее другим экосистемам более низкого ранга, присуща система свойств, которые обеспечивают ее функционирование, саморегулирование, устойчивость и другие параметры. Рассмотрим основные из них.

Биосфера - централизованная система.

Центральным звеном ее выступают живые организмы (живое вещество).

2. Биосфера - открытая система. Ее существование немыслимо без поступления энергии из вне.

Она испытывает воздействие космических сил, прежде всего солнечной активности.

3. Биосфера - саморегулирующаяся система. В настоящее время это свойство называется гомеостазом, понимая под ним способность возвращаться в исходное состояние, гасить возникающие возмущения включением ряда механизмов.

Опасность современной экологической ситуации связана прежде всего с тем, что нарушается линия механического гомеостаза и принцип Ле-Гиателье-Брауна, если не в планетарных, то в крупных региональных масштабах. Результат - распад экосистем, либо появление неустойчивых, практически лишенных свойств гомеостаза систем типа агроценоза или урбанизированных комплексов.

4. Биосфера - система, характеризующаяся большим разнообразием.

Разнообразие - важнейшее свойство всех экосистем. Биосфера как глобальная экосистема, характеризующаяся максимальным среди других систем разнообразием. Разнообразие рассматривается как основное условие устойчивости любой экосистемы и биосферы в целом. Это условие так универсально, что сформировалось в качестве закона.

5. Важнейшее свойство биосферы - наличие в ней механизмов, обеспечивающих круговорот вещества и связанного с ним неисчерпаемость отдельных химических элементов и их соединений.

Почва - уникальный компонент биосферы

В конце Х1Х в. великий русский естествоиспытатель В. В. Докучаев своими исследованиями чернозема и других почв Русской долины и Кавказа установил, что почвы представляют собой природные тела и по своим внешним особенностям и свойствам сильно отличаются от горных пород, на которых они образовались. Их распределение на поверхности Земли подчинено строгим географическим закономерностям.

Разнообразие почв огромно. Это связано с многообразием сочетания факторов почвообразования: горных пород, возраста поверхности, растительного и животного населения, рельефа.

Почва-это особое природное тело и среда жизни, возникающая в результате преобразования горных пород поверхности суши совместной деятельностью живых организмов, воды и воздуха.

Почвообразовательные процессы на Земле - это грандиозные по своим планетарным масштабам и продолжительности процессы создания органического вещества почв, их биологического накопления и возникновения плодородия.



Живое вещество биосферы

"На земной поверхности нет химической силы, могущественней по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом".

Что принципиально отличает нашу планету от какой-либо другой планеты Солнечной системы? Наявность жизни. "Если бы на Земле не было жизни, лицо ее было бы точно также неизменным и химическим инертным, как недвижимое лицо Луны, как инертные обломки небесных светил".

Живое вещество биосферы есть совокупность всех ее живых организмов. Живое вещество в понимании Вернадского - это форма активной материи, и ее энергия тем больше, чем больше масса живого вещества. Понятие "живое вещество" ввел в науку В.И. Вернадский и понимал над ним совокупность всех живых организмов планеты.

Какие же свойства живого вещества?

Свойства живого вещества

Живое вещество биосферы характеризуется огромной свободной энергией, которую можно было бы сравнить разве что с огненным потоком лавы, но энергия лавы не долговременна.

В живом веществе, благодаря присутствию ферментов, химические реакции происходят в тысячи, а иногда и в миллионы раз быстрее, чем в неживой. Для жизненных процессов характерно то, что полученные организмом вещества и энергия перерабатываются и отдаются в значительно больших количествах.

Индивидуальные химические элементы (белки, ферменты, а иногда и отдельные минеральные соединения синтезируются только в живых организмах).

Живое вещество стремится заполнить собой все возможное пространство. В.И. Вернадский называет две специфические формы движения живого вещества:

а) пассивную, которая осуществляется размножением, и присуща как животным, так и растительным организмам;

б) активную, которая осуществляется за счет направленного движения организмов (меньшей мерой характера для растений).

Живое вещество проявляет значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. В природе известно более 2 млн. органических соединений, которые входят в состав живого вещества, тогда когда количество минералов неживого вещества составляет около 2 тыс., то есть на три порядка ниже.

Живое вещество представлено дисперсными телами - индивидуальными организмами, каждый из которых имеет свой собственный генезис, свой генетический состав. Размеры индивидуальных организмов колеблется от 2 нм у наименьших до 100 м (диапазон более 109).

Принцип Реди (флорентийский академик, врач и натуралист, 1626-1697) "все живое из живого" - является отличительной особенностью живого вещества, которое существует на Земле в форме беспрерывного чередования поколений и характеризуется генетической связью с живым веществом всех прошлых геологических эпох. Неживые абиогенные вещества, как известно, поступают в биосферу из космоса, ним же выносятся порциями из оболочки земного шара. Они могут быть аналогичными по составу, но генетической связи в общем случае у них нет. "Принцип Реди … не указывает на невозможность абиогенеза вне биосферы или при установлении наличия в биосфере (теперь или раньше) физико-химических явлений, не принятых при научном определении этой формы организованности земной оболочки".

Живое вещество в лице конкретных организмов, в отличие от неживого, осуществляет на протяжении своей исторической жизни грандиозную работу.

Биосфера и космос

Земля - уникальная планета, она находится на единственно возможном расстоянии от Солнца, которое определяет такую температуру поверхности Земли, при которой вода может находиться в жидком состоянии.

Земля получает от солнца огромное количество энергии и сохраняет при этом примерно постоянную температуру. Значит, наша планета излучает в космос почти такое же количество энергии, какое получает из космоса: приход и расход должны быть сбалансированы, иначе система однажды потеряет устойчивость. Земля либо нагреется, либо замерзнет и превратится в безжизненное тело.

Биосфера тесно связана с космосом. Потоки энергии, поступающие к Земле, создают условия, обеспечивающие жизнь. Магнитное поле и озоновый экран защищают планету от излишних космических излучений и интенсивной солнечной радиации. Космические излучения, достигающие биосферы, обеспечивают фотосинтез и влияют на активность живых существ.

Экологические взаимодействия живого вещества: кто как питается

Планета Земля отличается от других планет тем, что её биосфера содержит вещество, чувствительное к потоку солнечного излучения - хлорофилл. Именно хлорофилл обеспечивает преобразование электромагнитной энергии солнечного излучения в химическую энергию, с помощью которой идет процесс восстановления окислов углерода и азота в реакциях биосинтеза.

В зеленом растении происходит фотосинтез - процесс образования углеводов из воды и двуокиси кислорода (которая находится в воздухе или воде). При этом в качестве побочного продукта выделяется кислород. Зеленые растения относят к автотрофам - организмам, которые берут все нужные им для жизни химические элементы из окружающей их косной материи и не требуют для построения своего тела готовых органических соединений другого организма. Основной используемый автотрофами источник энергии - Солнце. Гетеротрофы - это организмы, которые нуждаются для своего питания в органическом веществе, образованном другими организмами. Гетеротрофы постепенно преобразуют органическое вещество, образованное автотрофами, доводя его до первоначального - минерального - состояния.

Деструктивная (разрушающая) функция совершается представителями каждого из царств живого вещества - распад, разложение - неотъемлемое свойство обмена веществ каждого живого организма. Растения образуют органические вещества и являются крупнейшими производителями углеводов на Земле; но они же выделяют и необходимый для жизни кислород как побочный продукт фотосинтеза.

В процессе дыхания в телах всех видов живого образуется углекислый газ, который растения вновь используют для фотосинтеза. Существуют и такие виды живого, для которых разрушение отмершего органического вещества являются способом питания. Существуют организмы со смешанным типом питания, их называют миксотрофами.

В биосфере происходят процессы преобразования неорганического, косного вещества в органическое и обратной перестройки органических веществ в минеральные. Движение и преобразование веществ в биосфере осуществляется при непосредственном участии живого вещества, все виды которого специализировались на различных способах питания.

Биогенная миграция атомов - экосистемное свойство биосферы

Конечное количество вещества, которое есть в биосфере, приобрело свойство бесконечности через круговорот веществ.

Образ круговорота вещества в биосфере создает колесо водяной мельницы. Однако чтобы колесо вертелось, нужен постоянный приток воды. Подобно этому, поток солнечной энергии, поступающей из космоса, крутит "колесо жизни" на нашей планете. Насколько быстро вертится колесо? В ходе биогеохимических циклов атомы большинства химических элементов проходили бесчисленное количество раз через живое существо. Например, весь кислород атмосферы "оборачивается" через живое вещество за 2000 лет, углекислый газ - за 200-300лет, а вся вода биосферы - за 2 млн лет.

Живое вещество является совершенным приемником солнечной энергии.

Энергия, поглощенная и использованная в реакции фотосинтеза, а затем запасенная в виде химической энергии углеводов, очень велика, есть сведения что она сопоставима с энергией, которую потребляют 100 тысяч больших городов в течение 100 лет. Гетеротрофы используют органическое вещество растений, как пищу: органика окисляется кислородом, который доставляют в организм органы дыхания, с образованием углекислого газа - реакция идет в обратном направлении. Таким образом, "вечной" делает жизнь одновременное существование автотрофов и гетеротрофов.

Факты и рассуждения о "колесе жизни" в биосфере дают право говорить о законе биогенной миграции атомов, который сформулировал В.И. Вернадский: миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом, как тем, которое сейчас населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории.

Живое вещество разных царств и разного рода обеспечивает непрерывный круговорот веществ и преобразование энергии. Тем самым обнаруживается закон биогенной миграции атомов В.И. Вернадского: в биосфере миграция химических элементов происходит при обязательном непосредственном участии живых организмов. Биогенная миграция атомов обеспечивает непрерывность жизни в биосфере при конечном количестве вещества и постоянном притоке энергии.

Как развивалась биосфера: пять экологических катастроф

С тех пор, как основатели современной палеонтологии открыли, что окаменелые осадки позволяют прочесть путь развития жизни, мы узнали, что органический мир на Земле не один раз переживал трагические события, приводившие почти к полному уничтожению жизни на планете. За последние 500 млн лет Земля несколько раз неожиданно оказывалась тяжело больной, а однажды- это было 250 млн лет назад- жизнь на Земле почти прекратилась.

Специалисты выделяют пять крупнейших катастроф, которые пережила биосфера: каменно - угольный период, пермский период, триас, юрский период, меловой период. Каждая из катастроф приводила к развитию живого вещества: более полному приспособлению к окружающей среде; появлению большего числа видов; проникновению их в новые условия обитания.

При каждой катастрофе, происходившей в биосфере, наряду с массой поверженных видов мы видим и победителей. Вначале их очень мало, но они умели " пожинать" плоды своей победы, заполняя себе подобными освободившееся пространство. Однако ни один новый вид нельзя упрекнуть в том, что он причастен к самой катастрофе ради процветания своего вида или семейства. Катаклизмы происходили по космическим или чисто земным причинам вследствие особенностей развития живой материи, когда одни её части угнетали или вовсе стирали с лица планеты другие, не сумевшие приспособиться к изменившимся природным условиям.

Развитие живого вещества биосферы - повышение уровня его организации и степени приспособленности к окружающей среде происходило через катастрофы - резкие изменения абиотической среды. Противоречия между сложившимися абиотическими и биотическими компонентами биосферы при резких для геологического времени изменениях среды разрешалось всякий раз за счет разнообразия и изменчивости живого вещества биосферы. Живое вещество всякий раз сохраняло жизнь в биосфере за счет выживания более приспособленных видов.

Устойчивость биосферы

Богатство живого мира издревле увлекало и восхищало человека. Разнообразие видов не исчерпывает всего биологического разнообразия. В рамках каждого вида его популяции и особи, в том числе и люди, различаются генетически в гораздо большей степени, чем думали раньше. Два случайно выбранных человека будут различаться по сотням, а возможно, и тысячам различий в хромосомах. Подобные различия очень важны, многие из них связаны с чувствительностью к изменению параметров среды, определяют приспособляемость или даже возможность выживания отдельных организмов, напоминая, что естественный отбор продолжается.

Каким образом биологическое разнообразие обеспечивает устойчивость биосферы? Ответ прост: через множество взаимосвязей и взаимодействий, как между собой, так и с косвенным веществом. В биосфере имеется большой набор процессов регулирования с обратной связью и, как следствие, набор циклических процессов, позволяющих ей компенсировать изменяющиеся условия. Поэтому биосфера сравнительно легко справляется с задачами автоматического регулирования необходимых ей условий жизни.

Стабильность глобальной экосистемы обеспечивается избыточностью её функциональных компонентов. Если в экосистеме имеется несколько видов автотрофов, каждый из которых имеет свои оптимальные температурные условия фотосинтеза, то суммарная скорость фотосинтеза может остаться неизменной при колебаниях температуры.

Приспособляемость биосферы к изменению внешних условий - упорядоченный процесс, в котором один вид может замещаться другим, и в то же время это поток сдвигающихся динамических равновесий. Биологическое разнообразие биосферы обеспечивает непрерывный биохимический круговорот вещества и потоки энергии, поддерживая связи всех геосфер: атмосферы, литосферы, гидросферы, создавая целостность природной среды.

Биосфера и человек: экологическая опасность

Мир уже знает о грозящей ему опасности. И на сей раз известно живое существо, повинное в приближающейся катастрофе - человек. Его появлению предшествовал длительный период, в котором возникали, эволюционировали, уступали место одни другим предки Homo sapiens- гоминиды. Они развивались и жили в общем потоке жизни, были его участниками и обладали целым рядом потребностей и инстинктов, абсолютно необходимых для жизни и эволюции. Всё это делало поток жизни, с одной стороны, целостным, легко ранимым в отдельных звеньях, а с другой - хорошо самозащищенным и защищаемым системой.

Прошли тысячелетия, возникали и гибли великие цивилизации, созданные человеком. Все великолепие современной цивилизации - обилие и разнообразие товаров, транспорт, космические полеты, возможность огромному количеству людей заниматься наукой, искусством, наконец, обеспеченная старость - все это следствие того огромного количества искусственной энергии, которое стало теперь производить человечество. Мы живем не энергией Солнца, как растения и животные, а расходуем запасы углеродов - нефти, угля, газа, сланцев, которые накоплены прошлыми биосферами за сотни миллионов лет.

Но что при этом происходит с тепловым балансом планеты? Искусственная энергия рассеивается и идет на нагревание Земли, её тверди, океана, атмосферы. Наступит время, когда искусственная энергия начнет сказываться на структуре теплового баланса планеты.

Таким образом, распространенное представление о том, что увеличение количества производимой людьми энергии всегда благо, также требует пересмотра: увеличение средних температур планеты на 4-5 градусов грозит человечеству экологической катастрофой. И здесь есть черта, переступать которую нельзя.

Предсказать заранее даже в самых общих чертах результаты такого потепления совсем не просто. При повышении средней температуры уменьшается перепад температур между экватором и полюсом. А это - главный двигатель, благодаря которому происходит движение атмосферы, переносящее тепло от экваториальных зон к полярным. Если увеличивается перепад температур, то и интенсивность атмосферной циркуляции увеличивается. Если уменьшается - циркуляция атмосферы делается более вялой, уменьшается влагоперенос. Значит, засушливые зоны становятся еще более засушливыми, продуктивность биоты падает.

Еще в прошлом веке известный географ, климатолог, геофизик профессор А. И.Войков, основатель первой геофизической обсерватории в России, сформулировал известный закон: тепло на Севере - сухо на Юге. Этот закон, который носит теперь название закона Войкова, подытоживает многолетние наблюдения. Всякий раз, когда в ходе циклического изменения средних температур на Севере начинает теплеть, в Заволжье, Казахстане и других районах юго-востока Евразии увеличивается количество засушливых лет. Особенно чутко откликается на изменение количества осадков растительность пустынь и полупустынь.

Человек ищет способы ограничить свое пагубное воздействие на природу, потому что осознал свою зависимость от состояния биосферы. Люди поняли, что их деятельность должна коренным образом измениться и соответствовать природным законам биосферы, в границах которых только и может протекать всякая жизнедеятельность.

Мы проследили лишь одно явление, которое подтверждает, что человек теперь способен очень легко переступить ту "роковую черту", ту грань, за которой начнутся необратимые процессы изменения условий его существования. Биосфера начнет переходить в новое состояние, и места для человека в её новом состоянии может не оказаться. Вот почему человечество должно быть способным предвидеть результаты своих действий и знать, где проходит "запретная черта", отделяющая возможность дальнейшего развития цивилизации от её более или менее быстрого угасания.

Человек должен сохранить разнообразие биосферы

Каждый биологический вид (и человек тут не исключение) может жить в довольно узких рамках той среды, к которой он генетически приспособлен. Если среда жизни изменяется быстрее, чем может наступить адаптация или переформирование вида в новое образование, организм неизбежно вымирает.

Покров живого вещества на планете резко меняется. Он сжимается, истончается. Даже в чисто механическом смысле- исчезают леса, идет деградация черноземов и т. п. Из под ног человечества уходит фундамент как непосредственной среды его жизни, так и экономического развития.

В настоящее время процесс обеднения живого вещества, исчезновения видов живого идет в десять, а в некоторых случаях и в сто раз интенсивнее, чем шло 65 миллионов лет назад вымирание динозавров. Виды не просто исчезают, меняется вся структура живого вещества. Крупные животные и растения сменяются более мелкими: копытные - грызунами, грызуны - растительноядными насекомыми.

Потери в составе живого вещества могут привести к авральному разрушению биогеохимической системы планеты. Глобальное искажение биогеохимических циклов грозит тем, что природа станет иной, не той, к которой приспособлено современное хозяйство. Понадобится грандиозная перестройка. Потомкам в результате нынешних воздействий человека грозит природно - ресурсная нищета, истощение естественных ресурсов.

Человечество должно сохранить биологическое разнообразие биосферы, так как его сокращение ведет к нарушению биосферных процессов, к катастрофическим изменениям условий жизни на планете.



Заключение

Человечество осознало, как мала наша Земля, поняло, что вмешиваться в процессы, протекающие в природе, нужно крайне осторожно.

Наша планета уникальна, потому что на ней есть жизнь. Жизнь пронизывает не только водную и воздушную стихии, но и земную твердь. Жизнь а Земле представлена живым веществом, которое образовано миллионами видов и миллиардами особей. Живое вещество, все биологическое разнообразие Земли защищено от космических лучей геомагнитным полем и озоновым экраном. Все формы и проявления жизни не существуют сами по себе, они связаны сложными взаимоотношениями в единый комплекс жизни- глобальную экосистему (биосферу). Эти взаимоотношения и связи в живой природе удивительны! Каждая группа родственных видов, образующих царство, выполняет определенную роль в круговороте веществ: создание, преобразование, разрушение органических веществ.

Основным источником энергии в биосфере является Солнце. Биогенный круговорот веществ не дает прерваться жизни на планете Земля. Живые существа биосферы преобразовали химический состав воздуха, воды, почвы, определили и их современный состав, повлияли на формирование минералов и горных пород, на рельеф Земли. Биосфера - среда жизни и результат жизнедеятельности.

Одна из главных задач ХХ1 века, в решение которой существенный вклад должна внести экология, - это достижение гармонии между человеком и природой.



Литература

1. Бродский А.К. Краткий курс общей экологии: Учеб.пособие.-СПб., 2001.

2. Владимиров В.А., Измалков В.И. Катастрофы и экология.- М.,2000.

3. Данилов - Данильян В.И., Лосев К.С. Экологический вызов и устойчивое развитие. - М., 2000.

4. Общая экология: Учебник для вузов/ автор-составитель А.С.Степановских /.- М., 2001.

5. Окружающая среда: энциклопедический словарь - справочник: -Т.1.-М.,1999.

Размещено на Allbest.ru