Чем обусловлена стабильность биосферы
СТАБИЛЬНОСТЬ БИОСФЕРЫ
Наряду с биологическим круговоротом в биосфере протекает и круговорот воды, источником энергии для которого служит излучение Солнца. В этом круговороте активно участвуют и живые организмы. Особенно велика роль транспирирующих растений, на создание единицы продукции которых требуется в сотни раз больше транспирируемой влаги.
В пределах ландшафтов круговорот воды заключается в испарении ее с поверхности почвы, водоемов и растений, концентрировании облаков и выпадении осадков. В пределах всей планеты этот круговорот выражается в водообмене океаны — материки. Вода, испаряемая с поверхности океана, переносится ветрами на материки, выпадает над ними и с речным и подземным стоком вновь возвращается в океан. Круговорот воды — главный агент механической работы в биосфере, тогда как биологический круговорот обусловлен в основном химическими процессами, которые сопровождаются превращением химической энергии. Та работа, которая совершается на Земле водами, — выветривание, растворение и т. п.— производится или при участии живых организмов, или за счет продуктов их жизнедеятельности. Перемещение воды осуществляет в биосфере процессы эрозии, транспорта, перераспределения, осаждения и накопления механических и химических осадков на суше и в океане.
Солнечная энергия вызывает также планетарные перемещения воздушных масс в результате их неравномерного нагревания. Возникают грандиозные процессы атмосферной циркуляции, которые носят ритмический, сезонный характер.
Все эти планетарные процессы на Земле тесно переплетены, образуя общий, глобальный круговорот вещества, перераспределяющий энергию, поступающую от Солнца. Он осуществляется через систему более мелких, локальных круговоротов. К этим циклам подключаются тектонические процессы, обусловленные вулканической деятельностью и движением океанических плит в земной коре. В результате на Земле поддерживается большой геологический круговорот веществ.
Любой малый биологический круговорот характеризуется многократным включением атомов в тела живых организмов и выходом их в непосредственно окружающую среду, откуда они вновь могут быть использованы организмами. Скорости этих включений и время удержания атомов в составе биомассы для каждой конкретной экосистемы различны. Биологический круговорот поэтому характеризуется следующими показателями: 1) емкостью биологического круговорота — количеством химических элементов, находящихся одновременно в составе живого вещества в данной экосистеме; 2) скоростью биологического круговорота — количеством живого вещества, образующегося и разлагающегося в единицу времени.
Для различных ландшафтов скорость биологического круговорота можно определить, учитывая ежегодный абсолютный прирост биомассы, ежегодный относительный прирост (в % от биомассы), а также ежегодный абсолютный и относительный опад растительности.
Скорость биологических круговоротов на суше составляет годы и десятки лет, а в водных экосистемах — несколько дней или недель.
Биологический круговорот суши и биологический круговорот гидросферы объединяют круговороты отдельных ландшафтов посредством водного стока и атмосферных перемещений. Особенно большую роль циркуляция атмосферы и воды играет в объединении всех материков и океанов в единый круговорот биосферы.
Для каждого элемента характерна своя скорость миграции в малых и больших циклах. Весь кислород атмосферы проходит через живое вещество за 2 тыс., а весь углекислый газ — за 300 лег. Локальные круговороты осуществляются значительно быстрее.
Атмосфера, океан и осадочные породы служат долговременными резервуарами биогенных элементов. Скорости всех циклов отдельных элементов в биосфере теснейшим образом сопряжены между собой.
Биосфера выступает как огромная, чрезвычайно сложная экосистема, работающая в стационарном режиме на основе тонкой регуляции всех составляющих ее частей и процессов.
Стабильность биосферы основывается на высоком разнообразии живых организмов, отдельные группы которых выполняют различные функции в поддержании общего потока вещества и распределении энергии, на теснейшем переплетении и взаимосвязи биогенных и абиогенных процессов, на согласованности циклов отдельных элементов и уравновешивании емкости отдельных резервуаров В биосфере действуют сложные системы обратных связей и зависимостей.
Как показывают исследования, по крайней мере последние 600 млн лет, начиная с кембрия, характер основных круговоротов на Земле существенно не менялся. Осуществлялись фундаментальные геохимические процессы, характерные и для современной эпохи: накопление кислорода, связывание инертного азота, осаждение кальция, образование кремнистых сланцев, отложение железных и марганцевых руд и сульфидных минералов, накопление фосфора и т. д. Менялись лишь скорости этих процессов. По-видимому, не менялся существенно и общий поток атомов, вовлекаемых в живые организмы. Есть основание считать, что масса живого вещества оставалась приблизительно постоянной начиная с карбона, т. е. биосфера с тех пор поддерживает себя в определенном режиме круговоротов. Стабильное состояние биосферы обусловлено в первую очередь деятельностью самого живого вещества, обеспечивающей определенную скорость фиксации солнечной энергии и биогенной миграции атомов. Таким образом, жизнь на Земле сама стабилизирует условия своего существования, что дает ей возможность развиваться бесконечно долго.
 |
Однако стабильность биосферы имеет определенные пределы и нарушение ее регуляторных возможностей чревато серьезными последствиями.
Выступая как важнейший агент связывания и перераспределения на поверхности Земли космической энергии, живое вещество выполняет тем самым функцию космического значения.
Однако в настоящее время на Земле появилась новая сила, по мощности воздействия на поверхностные оболочки планеты почти не уступающая суммарному действию живых организмов — человечество с его социальными законами развития и мощной техникой, позволяющей влиять на вековой ход биосферных процессов. Современное человечество использует не только огромные энергетические ресурсы биосферы, но и небиосферные источники энергии (например, атомной), ускоряя геохимические преобразования природы. Некоторые процессы, вызванные технической деятельностью человека, направлены противоположно по отношению к естественному ходу их в биосфере (рассеивание металлов руд, углерода и других биогенных элементов, торможение минерализации и гумификации, освобождение законсервированого углерода и его окисление, нарушение крупномасштабных процессов в атмосфере, влияющих на климат, и т. п.).
В. И. Вернадский считал возможным говорить даже об автотрофной роли человечества, понимая под этим возрастающие масштабы искусственного синтеза органических материалов, различных полимеров и других веществ, часто даже не имеющих аналогов в живой природе.
Современная деятельность человека во многом нанесла непредвиденный ущерб окружающей среде, что в конечном итоге угрожает дальнейшему развитию самого человечества. Эти изменения на данном этапе еще не являются непоправимыми. Поэтому одна из основных задач современной экологии — это изучение регуляторных процессов в биосфере, создание научного фундамента ее рационального использования. Основные законы функционирования биосферы уже вырисовываются, но предстоит еще многое сделать объединенными усилиями экологов всех стран мира.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Биосфера и ее границы (3 фото)
История термина «биосфера»
Ж. Б. Ламарк в 1802 году назвал биосферой совокупность всех живых организмов Земли.
Э. Зюсс в 1875 году ввел термин «биосфера» — тонкая пленка земной поверхности, населенная жизнью.
В. И. Вернадский в 1919 создал учение о биосфере, в нем:
«Биосфера — «область жизни», включающая живые организмы и среду их обитания; особая оболочка Земли, в пределах которой проявляется геологическая деятельность живого населения планеты».
Ноосфера (по Вернадскому) — сфера человеческого разума.
Границы биосферы
Верхняя граница в атмосфере: 15 — 20 км.
Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое ультрафиолетовое излучение, губительное для живых организмов.
Нижняя граница в литосфере: 3,5 — 7,5 км.
Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами.
Нижняя граница в гидросфере: 10 — 11 км (Марианская впадина).
Определяется дном Мирового океана, включая донные отложения.
Ту часть биосферы, в которой в настоящее время постоянно встречаются живые организмы, называют эубиосферой, ее границы несколько уже.
Таким образом, биосфера включает в себя часть атмосферы, гидросферы и литосферы.
Биомасса биосферы
Общая сухая биомасса биосферы оценивается в 2,5 x тонн. Большая часть этой биомассы приходится на наземные экосистемы, биомасса океана составляет лишь около 0,003 x тонн. Основную часть биомассы суши составляют наземные растения, их биомасса примерно в 500–1000 раз больше, чем биомасса животных. Из всех видов диких животных, по-видимому, наибольшей биомассой обладает морской рачок Euphausia suberba (150 млн. тонн), но общая биомасса одомашненного человеком крупного рогатого скота (Bos taurus) еще больше — 520 млн. тонн, как и самих людей — 350 млн тонн. Большой биомассой обладают муравьи (3 млрд тонн) и морские рыбы (800 — 2000 млн. тонн), но это группы животных, включающие множество видов. Общая биомасса наземных растений — 560 млрд. тонн, морского фитопланктона и растений — 5 — 10 млрд. тонн, наземных животных — 5 млрд. тонн.
Наибольшая концентрация биомассы на границах сред:
граница литосферы и атмосферы;
граница гидросферы и атмосферы (планктонные организмы);
граница литосферы и гидросферы (бентосные организмы).
Первичная биомасса образуется автотрофами (обычно растениями) в процессе фотосинтеза с использованием солнечной энергии. Поэтому минимальная биомасса наблюдается в пустынях и во льдах, что связано в первую очередь с минимальным количеством растений в качестве источника прироста биомассы.
Структура биосферы
1.Живое вещество — вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю. Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4 — 3,6 x тонн (в сухом весе) и составляет менее одной миллионной части всей биосферы (около 3 x тонн), которая, в свою очередь, представляет собой менее одной тысячной массы Земли. Однако именно эта часть биосферы является наиболее важной, т. к. активно участвует в биогеохимических циклах и преобразует неживое вещество Земли.
2. Биогенное вещество — осадочные породы, состоящие из продуктов жизнедеятельности живых организмов или представляющие собой их разложившиеся остатки (известняки, ракушечные породы, горючие сланцы, ископаемые угли, нефть и др.).
3. Косное вещество — вещество, образующееся без участия живых организмов.
4. Биокосное вещество — вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами. Таковы почва, ил, кора выветривания и т. д.
5. Радиоактивные вещества и продукты их распада, а также атомы, непрерывно образующиеся из земного вещества под влиянием космических излучений.
6. Вещество космического происхождения (метеориты).
Стабильность биосферы основные круговороты вещества
Биосфера выступает как огромная, чрезвычайно сложная экологическая система, работающая в стационарном режиме на основе тонкой регуляции всех ее составляющих частей и процессов.
Стабильность биосферы основывается на высоком разнообразии живых организмов, отдельные группы которых выполняют различные функции в поддержании общего потока вещества и распределении энергии, на теснейшем переплетении и взаимосвязи биогенных и абиогенных процессов, на согласованности циклов отдельных элементов и уравновешивании емкости отдельных резервуаров. В биосфере действуют сложные системы обратных связей и зависимостей.
Важное значение для поддержания стабильности биосферы наряду с биологическим круговоротом имеет круговорот воды, источником энергии для которого служит солнечное излучение. В круговороте воды огромную роль играют живые организмы, в частности, транспирирующие растения, на создание единицы продукции которых требуется в сотни раз больше транспиерируемой влаги.
Солнечная энергия вызывает планетарные перемещения воздушных масс в результате их неравномерного нагревания. Возникают грандиозные процессы атмосферной циркуляции, которые носят ритмический характер. Все эти планетарные процессы на Земле тесно переплетены, образуя общий, глобальный круговорот веществ, перераспределяющий энергию, поступающую от солнца. Он осуществляется через систему малых круговоротов. К большим и малым круговоротам подключаются тектонические процессы, обусловленные вулканической деятельностью и движением океанических плит в земной коре. В результате на Земле осуществляется большой геологический круговорот веществ.
Любой биологический круговорот характеризуется многократным включением атомов химических элементов в тела живых организмов и выходом их в окружающую среду, откуда они вновь захватываются растениями и вовлекаются в круговорот. Малый биологический круговорот характеризуется емкостью — количеством химических элементов, находящихся одновременно в составе живого вещества в данной экосистеме, и скоростью — количеством живого вещества, образующегося и разлагающегося в единицу времени.
Скорость биологических круговоротов на суше составляет годы и десятки лет, в водных экосистемах — несколько дней или недель.
Биологический круговорот суши и гидросферы объединяют круговороты отдельных ландшафтов посредством водного стока и атмосферных перемещений. Особенно важна роль циркуляции воды и атмосферы в объединении всех материков и океанов в единый круговорот биосферы.
Большой геологический круговорот вовлекает осадочные породы вглубь земной коры, надолго выключая содержащиеся в них элементы из системы биологического круговорота. В ходе геологической истории преобразованные осадочные породы, вновь оказавшись на поверхности Земли, постепенно разрушаются деятельностью живых организмов, воды и воздуха и снова включаются в биосферный круговорот.
Установлено, что в последние 600 млн лет характер основных круговоротов на Земле существенно не менялся. Осуществлялись фундаментальные геохимические процессы, характерные и для современной эпохи: накопление кислорода, связывание азота, осаждение кальция, образование кремнистых сланцев, отложение железных, марганцевых руд и сульфидных минералов, накопление фосфора. Менялись лишь скорости этих процессов. В общих чертах не менялся и общий поток атомов, вовлекаемых в живые организмы. Специалисты считают, что масса живого вещества оставалась приблизительно постоянной, начиная с каменноугольного периода, т. е. биосфера с тех пор поддерживает себя в определенном стабильном режиме круговоротов.
Стабильное состояние биосферы обусловлено деятельностью самого живого вещества, обеспечивающей определенную степень фиксации солнечной энергии и уровень биогенной миграции атомов.
Однако необходимо учитывать, что стабильность биосферы, как любой другой системы, имеет определенные пределы.
Человеческое общество, используя не только энергетические ресурсы биосферы, но и небиосферные источники энергии (например, ядерной), ускоряет геохимические преобразования на планете, вмешивается в ход биосферных процессов. Некоторые процессы, вызванные деятельностью человека, имеют противоположную направленность по отношению к естественным процессам (рассеивание руд металлов, углерода и других биогенных элементов, торможение минерализации и гумификации, освобождение углерода и его окисление, нарушение глобальных процессов в атмосфере, влияющих на климат, и т.д.).
В соответствии с этим одной из основных задач современной экологии является изучение регуляторных процессов в биосфере, создание научного фундамента ее рационального использования, поддержания ее стабильности.
Биология. 10 класс
§ 54. Понятие об эволюции и стабильности биосферы
Понятия об эволюции и стабильности биосферы
Современная биосфера возникла не сразу, а в результате длительной эволюции в процессе постоянного взаимодействия абиотических и биотических факторов. Эволюция биосферы — это естественный процесс развития живой природы, сопровождающийся изменением генетического состава популяций, формированием адаптаций, видообразованием и вымиранием видов, преобразованием экосистем и биосферы в целом.
В. И. Вернадский выделял три этапа в эволюции биосферы.
Первый этап — возникновение жизни и первичной биосферы. На этом этапе главенствующее положение занимали химические реакции, естественные геологические и климатические изменения.
Второй этап — это появление новых и разнообразных одно- и многоклеточных организмов. На этом этапе главную роль играла биологическая эволюция.
Третий этап — появление человека и общества, которое начинает в своих интересах воздействовать на биосферу, превращая ее в ноосферу, или новое эволюционное состояние.
Эволюция биосферы представляет историю жизни на Земле. Земля как геологическое тело образовалась приблизительно 4,54 млрд лет назад, когда на ее расплавленной поверхности появилась твердая, хотя очень тонкая и горячая земная кора.
Расплавленный наружный слой Земли со временем охлаждался. Вулканическая активность и выделение газов привели к возникновению первичной атмосферы, а конденсация водяного пара при охлаждении — к возникновению океанов. В этой водной среде появились первые формы жизни. По мнению ученых, они были представлены гетеротрофными анаэробными бактериями. Эти организмы накапливали энергию в основном в результате процессов гликолиза и брожения. Однако созидательная и преобразующая роль живого вещества стала осуществляться лишь с появлением в биосфере фотосинтезирующих автотрофов — цианобактерий. Деятельность этих организмов привела к накоплению в атмосфере свободного кислорода, количество которого увеличивалось, а содержание углекислого газа уменьшалось. Это дало толчок интенсивному развитию аэробных организмов. Предполагается, что около 1 млрд лет назад содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 1 %. Это обеспечило организмы необходимой для жизнедеятельности энергией и привело к образованию многоклеточных организмов, их дальнейшему развитию и усложнению.
Организмы, завоевав различные среды обитания, стали интенсивно развиваться. Около 475 млн лет назад появились первые наземные зеленые растения. Это способствовало дальнейшему обогащению атмосферы кислородом и более интенсивному процессу образования органического вещества.
Параллельно развивались и гетеротрофы (членистоногие, рыбы, амфибии), которые для дыхания потребляли кислород и выделяли в атмосферу углекислый газ. Они также поддерживали энергетический баланс в природе, регулируя численность растений и других организмов.
Примерно 350—400 млн лет назад установилось равновесие между образованием и расходованием кислорода, содержание его в атмосфере достигло 21 % (по объему), и это равновесие сохраняется и сейчас.
В результате уравновешивания деятельности автотрофов и гетеротрофов, участвующих в круговороте веществ в биосфере, сформировалось состояние гомеостазиса (постоянства, устойчивости).
В целом эволюция живой природы сопровождалась постоянным усложнением биосферы, увеличением многообразия живых организмов и усложнением экосистем.
Около 200 млн лет назад появились первые млекопитающие. Они освоили не только сушу, но также пресные и морские водоемы, почву, воздушное пространство. Млекопитающие обеспечили необычайно широкое по сравнению с другими позвоночными использование пищевых ресурсов. Их спектр питания был разнообразнее рационов других наземных и водных позвоночных. Это увеличило значение млекопитающих в биосфере.
Род Человек появился 2,5 млн лет назад. По мнению ученых, примерно 50 тыс. лет назад человек приобрел современный вид и начал свою трудовую деятельность. Изготовление и применение орудий труда дали человеку возможность активно воздействовать на природу. Это привело к образованию очень мощного в истории биосферы фактора — антропогенного, который по степени воздействия можно сравнить с крупным геологическим процессом. Этот фактор может стать причиной нарушения гомеостатического состояния биосферы.
Сознательная деятельность человека в пределах биосферы способствовала превращению ее в ноосферу. Понятие «ноосфера» (от греч. nóos — разум, spháira — шар) было впервые введено в науку в 1927 г. французским геологом Э. Леруа. В. И. Вернадский истолковывал ноосферу как высшую стадию развития биосферы, при которой разумная деятельность человечества становится главной движущей силой ее развития.
Человечество создает на Земле свою, интенсивно развивающуюся культурную среду, передавая от поколения к поколению трудовой и духовный опыт. Масштабы взаимодействия современного общества с природой определяются в основном потребностями человека. Они связаны с непрерывно нарастающим уровнем технического и социального развития.
В результате производственной деятельности человека возник новый процесс обмена веществ и энергии между природой и обществом. Этот обмен носит уже техногенный характер и называется антропогенным обменом веществ и энергии. Он существенно изменяет общепланетарный круговорот веществ, резко ускоряя его, и отличается от биологического круговорота своей незамкнутостью, то есть носит открытый характер. На входе антропогенного обмена находятся природные ресурсы, а на выходе — производственные и бытовые отходы. Отходы производства ухудшают природную среду, многие из них не разлагаются до природного состояния. В период научно-технического прогресса масштабы и скорость антропогенного обмена резко возрастают, вызывая заметные изменения в биосфере. Техническая мощь человека достигла масштабов, соизмеримых с биосферными.
Поэтому человек должен правильно понимать закономерности эволюции биосферы и, исходя из этого разумно регулировать ее экологическое развитие. Мы должны научиться осознанно управлять эволюцией биосферы и поддерживать ее стабильность
Стабильность биосферы — это ее способность сохранять равновесное состояние, прежде всего в результате непрерывного поступления солнечной энергии, используемой фотоавтотрофными организмами и преобразуемой ими в первичное органическое вещество. Также стабильность биосферы основывается на высоком разнообразии живых организмов, их постоянном размножении и адаптации к жизни в разных условиях среды. Не менее важно для стабильности биосферы поддержание непрерывного биогенного круговорота веществ за счет различных типов и способов питания живых организмов.
Результатом миллиардов лет эволюции является современная биосфера Земли, дифференцированная на множество экосистем и включающая более 2,5 млн ныне живущих видов живых организмов. За всю историю Земли по приблизительным подсчетам существовало примерно 500 млн видов.
Однако стабильность биосферы имеет определенные пределы, и нарушение ее регуляторных возможностей чревато серьезными последствиями. Некоторые процессы, вызванные техногенной деятельностью человека, направлены противоположно их естественному ходу в биосфере.
В настоящее время перед человечеством стоит ряд глобальных проблем по сохранению стабильности биосферы. Это, в частности, предотвращение вырубки лесов, уменьшение химического загрязнения среды, объема бытовых отходов, сокращение выбросов парниковых газов, сохранение биологического разнообразия. Мировым сообществом предпринимаются попытки решения этих проблем в рамках международных конвенций и соглашений (Конвенция о трансграничном загрязнении атмосферного воздуха на большие расстояния, Рамочная конвенция ООН об изменении климата и Киотский протокол, Конвенция о биологическом разнообразии), что будет способствовать поддержанию стабильности биосферы.
Повторим главное. Современная биосфера возникла в результате длительной эволюции. Выделяют три этапа в эволюции биосферы: возникновение жизни и первичной биосферы (химические реакции, естественные геологические и климатические изменения); появление биологического разнообразия — новых видов растений и животных (освоение новых сред жизни); появление человека и общества (воздействие на биосферу антропогенного фактора, превращение ее в ноосферу). Главная задача человечества — научиться осознанно управлять эволюцией биосферы и поддерживать ее стабильность.