Что включает биосфера: Биосфера. Понятие о биосфере. Границы биосферы

Биосфера

Биосфера (греч. bios — жизнь и sphaira — шар) — это оболочка Земли, заселенная живыми организмами и преобразованная ими. Она включает почти всю гидросферу, нижнюю часть атмосферы и верхнюю часть земной коры. Границы биосферы определяются наличием условий, необходимых для жизни различных организмов.

Верхняя граница биосферы простирается от поверхности Земли до озонового экрана. Выше этой границы организмы жить не могут, так как там на них будут губительно действовать ультрафиолетовые лучи Солнца и низкая температура. Нижняя граница проходит по дну гидросферы и на глубине 4-5 км в земной коре материков (это зависит от того, на какой глубине температура горных пород достигает +100°С). Наиболее обильна жизнью часть биосферы у земной поверхности и до глубины 200 м в гидросфере.

Однако жизнь не ограничена исключительно пределами биосферы. Микробы, споры и пыльца растений, органические молекулы обнаружены высоко в стратосфере. Не исключено, что они могут покидать Землю и уноситься в космическое пространство.

Но это не означает расширения биосферы, так как за ее пределами могут существовать только неактивные формы жизни, находящиеся в состоянии скрытой жизнедеятельности.

Биосфера — сравнительно молодая оболочка Земли. Ее образование связано с появлением жизни на нашей планете. Вопрос о происхождении жизни издавна интересовал человека. Выдвигались разные предположения. В настоящее время ученые считают, что жизнь зародилась в воде, так как на суше в то время были сильные перепады температур, активная вулканическая деятельность, землетрясения. Первые существа, появившиеся в воде, были несравненно проще даже самых примитивных из ныне живущих. Проходили миллионы лет, и живые организмы становились все сложнее и разнообразнее. Примерно 500 млн. лет назад организмы начали приспосабливаться к жизни на суше. Различные растения (еще очень примитивные) и животные (простейшие) постепенно заселяли и осваивали разные участки суши, вырабатывая различные приспособления для жизни в них.

Начинается их участие в образовании почвы. Таким образом, постепенно создавались условия для появления на суше высокоорганизованных растений (хвойных и цветковых). При этом в атмосферу начинает выделяться кислород, необходимый для дыхания. Постепенно все живые организмы расселялись во все сферы Земли. Живые организмы существенно изменили вид нашей планеты, преобразовали земную кору, гидросферу и нижние слои атмосферы. Важнейшим этапом в изменении облика нашей планеты является появление и расселение на Земле человека. Это произошло около 500 тыс. лет назад. По словам академика В.И.Вернадского, воздействие человека на природу превосходит многие природные процессы. Совокупность всех живых организмов на планете называется биомассой (греч. bios — жизнь), или живым веществом. Величина эта огромна, но в сравнении с массой земной коры ничтожна. Правда, биомасса имеет замечательную способность обновляться, так как организмы размножаются.

Обновляясь, живое вещество планеты производит в течение года около 250 млрд. тонн биологической массы в сухом весе. Подобные показатели называются продуктивностью биомассы. В глобальных масштабах эта величина сравнительно невелика. Но она способна возобновляться из года в год. За время существования живого вещества (более 3 млрд. лет) даже при его меньшей, чем теперь, средней продуктивности общая биомасса, выработанная живым веществом, в десятки и сотни раз превысила бы массу земной коры (ведь земной коре не свойственно самовоспроизведение). Такая активность жизни делает ее могучим геологическим и географическим фактором на планете.

Живое вещество перемещает, «пропускает сквозь себя» огромные массы воды, горных пород, газов. Это постоянное перемещение веществ, я точнее, химических элементов и молекул, называется биохимическим круговоротом. Наиболее активно вовлекается в него кислород, углерод (и их соединение — углекислый газ), азот, фосфор, сера, вода. И это понятно: ведь в живом веществе присутствуют эти газы (кислород составляет 70%, углерод — 18%, водород — 10,5%; на все другие элементы приходится всего 1,5%). Биогеохимические круговороты действуют очень активно. Биомасса Земли пропускает через себя всю воду Земли за 2 млн. лет, весь кислород атмосферы — за 2 тыс. лет, а углекислый газ из атмосферы — за 300. Значит, за долгое время геологической истории живое вещество (биомасса) многократно переработало все главные газы атмосферы, всю воду планеты и значительную часть горных пород земной коры.

Биогеохимический круговорот — важнейший процесс, проходящий в биосфере. Благодаря ему происходит взаимосвязь всех оболочек Земли, населенных живыми существами.

Сила, движущая могучий биогеохимический круговорот в биосфере, — солнечная энергия. Ее ежегодно на Землю поступает столько, что она во много раз превышает мощность любого другого источника энергии Земли. Земные растения улавливают эту энергию в процессе фотосинтеза, но менее 1% от поступающей. Хотя и это количество очень велико. Оно в 10 раз больше, чем энергия ядерных реакций в недрах планеты. В результате фотосинтеза в растениях образуются органические вещества, идущие на питание их, а часть органических веществ откладывается.

Вместе с зеленой массой эта отложенная часть может переходить в организм животных (сначала травоядных, а потом хищных) и там частично распадаться до более простых химических соединений. После гибели растений и животных микроорганизмы заканчивают разрушение органического вещества, что создает питательную среду, в том числе почвы, для возрождения и следующего цикла развития биомассы.

Охрана биосферы — комплекс мероприятий, действующих с пользой для живого вещества и всей биосферы. От успеха этих мероприятий во многом зависит судьба жизни на Земле и будущее человечества.

Основоположником учения о биосфере был В.И.Вернадский.

Биосфера. Понятие о биосфере. Границы биосферы

Биосфера – это сфера жизни. Она является четвертым компонентом географической оболочки. Понятие о биосфере было введено австрийским географом Зюссом в 1875 г. Он перечислил все оболочки планеты и среди них назвал биосферу. Однако содержание этого понятия Зюсс не раскрыл. Учение о биосфере было разработано в 20-х годах ХХ столетия академиком Вернадским. Он дал определение четвертой оболочки Земли и показал ее значение. В 1926 году была опубликована книга Вернадского «Биосфера», в которой очень сжато, но исчерпывающе раскрыты его основные идеи по биосфере.   Понятие о биосфере В настоящее время существуют три взгляда на биосферу. Биосфера – это совокупность живых организмов в сферическом пространстве планеты. Биосферой следует называть не только живые существа, но и среду их обитания. Между тем средой обитания являются: воздух, вода, горные породы и почвы, которые представляют собой самостоятельные природные образования со своими специфическими свойствами и присущим только им вещественным составом. Поэтому отнесение их к биосфере является неправильным, так как эти природные образования – компоненты других сред. В биосферу необходимо включать не только среду обитания, но и результат деятельности организмов, живших ранее на Земле. Однако более 30 % пород земной коры имеют органогенное происхождение. Вряд ли можно все эти породы включать в биосферу. Поэтому единственно правильной точкой зрения следует считать первую, рассматривающую биосферу как совокупность живых организмов..   Границы биосферы Верхняя граница биосферы проходит в тропосфере и совпадает с озоновым слоем Земли. Нижняя граница ее очень неровная. Биосфера включает в себя всю толщу гидросферы, а также верхнюю часть литосферы, мощностью около 4 км. Таким образом, общая вертикальная мощность биосферы – 20 км. Как видно, это очень тонкая оболочка планеты, она заселена живыми организмами, которые по словам Вернадского, представляют собой самую мощную геологическую силу.   Литература. Смольянинов В. М.  Общее землеведение: литосфера, биосфера, географическая оболочка. Учебно-методическое пособие / В.М. Смольянинов, А. Я. Немыкин. – Воронеж : Истоки, 2010 – 193 c. Еще статьи по теме

Невыносимое бремя техносферы

Совсем недавно – за один лишь миг, если смотреть с точки зрения геологии, – у Земли появилась новая, стремительно развивающаяся оболочка. Ее имя – техносфера, а ее вес – ни много ни мало 30 триллионов тонн. Техносфера включает в себя все, что является делом рук человека, в том числе углекислый газ, выброшенный в атмосферу в результате промышленной деятельности. И хотя это всего лишь газ, его общая масса эквивалентна весу около 150 000 египетских пирамид.

Ян Заласевич

Наша планета имеет несколько оболочек, называемых сферами. Твердая оболочка планеты, образованная горными породами, называется литосферой. Гидросфера охватывает совокупность всех вод земного шара, в то время как полярные регионы и покрытые льдом горные вершины входят в криосферу. Атмосфера представляет собой воздушную оболочку Земли. Человек и другие живые организмы являются частью биосферы. Все эти оболочки в той или иной форме существуют на протяжении почти всей истории Земли, то есть примерно 4,6 миллиардов лет. И вот, совсем недавно, в развитии планеты выделили новую оболочку – техносферу.

Понятие техносферы в том значении, в каком мы его понимаем, выдвинул американский геолог и инженер, почетный профессор Университета Дьюка (США) Питер Хафф. Аналогично «антропоцену», оно быстро стало популярным. Например, эта концепция легла в основу недавнего крупного проекта Haus der Kulturen der Welt («Дом культур мира») – международного центра современного искусства в Берлине, Германия.

И точно так же, как в случае антропоцена, понятие техносферы носит противоречивый характер, в особенности учитывая ту роль – и ограничения – которые оно накладывает на человека. В частности, оно подразумевает, что возможности человечества по контролю систем нашей планеты вовсе не безграничны, как нам может показаться.

Техносфера охватывает все созданные человеком объекты технологического характера, но это далеко не все: это не просто непрерывно увеличивающийся набор технического оборудования, а взаимосвязанная система. Поясним на примере более устоявшегося понятия биосферы. Оно было предложено австрийским геологом Эдуардом Зюссом в XIX веке. Позднее, в XX веке, советский ученый Владимир Вернадский сформулировал на его основе учение, которое изучает не только совокупность всех населяющих планету живых организмов, но и их взаимодействие с воздухом, водой и почвой, предоставляющими пищу для живой органической материи, а также с солнцем – важным источником энергии. Таким образом, биосфера – это не просто совокупность составляющих ее компонентов, а целая система со своей динамикой развития и постоянно меняющимися свойствами, которая при этом неразрывно связана с другими оболочками Земли.

Вмешательство в природу

Аналогично биосфере, техносфера – это не только совокупность машин, но и люди, а также все созданные нами социальные и профессиональные системы, при помощи которых мы взаимодействуем с технологиями: заводы, школы, университеты, профсоюзы, банки, политические партии, Интернет. Ее частью являются домашние животные и скот, который мы массово разводим для своего пропитания, растения, которые служат пищей нам самим и нашим животным, сельскохозяйственные земли, которые мы адаптировали для своих нужд, существенно изменив их первоначальный облик.

Техносфера также включает в себя систему автомобильных и железных дорог, аэропорты, шахты и карьеры, разрабатываемые месторождения нефти и газа, города, судоходные реки и водохранилища. Деятельность в пределах техносферы привела к образованию огромного количества отходов, начиная с мусорных свалок и заканчивая загрязнением воздуха, почвы и водных ресурсов. Несомненно, на протяжении всей истории человечества существовало некое подобие прототехносферы, однако долгое время воздействие человека на природу оставалось локальным и не приводило к последствиям планетарного масштаба. Сегодня же техносфера превратилась в глобальную взаимосвязанную систему, играющую ключевую роль в будущем нашей планеты.

Сколько весит техносфера? Получить об этом представление можно, если сложить массу всех входящих в нее физических объектов, к которым относятся города, земля, вырытая и перемещенная с целью строительства фундамента зданий, сельскохозяйственные угодья, дороги, железнодорожные пути и т.  д. По оценкам, вес техносферы составляет порядка 30 триллионов тонн и включает в себя массу всех имеющихся на планете материалов, которые мы используем или использовали и выбросили.

Физические компоненты техносферы чрезвычайно разнообразны. Миллионы лет назад наши предки изготовляли простые орудия труда, такие как каменный топор. Однако со времени промышленной революции и, в частности, периода большого ускорения, начавшегося в середине XX века и характеризуемого резким увеличением темпов демографического роста, индустриализации и глобализации, во все сферы нашей жизни стремительно проникают промышленные товары и машины разного рода. Технологии развиваются с поразительной скоростью. В доиндустриальную эпоху технологии совершенствовались очень медленно, переходя от поколения к поколению практически в неизменном виде. Мы же являемся свидетелями грандиозных изменений. Один только сотовый телефон в течение чуть более одного поколения из новейшего изобретения превратился в обыденную вещь, доступную людям практически любого возраста.

Ископаемые остатки будущего

Следующий пример наглядно демонстрирует, насколько поразительны происходящие с планетой перемены. Все предметы технологического характера, в том числе сотовые телефоны, с точки зрения геологии можно считать будущими «техноископаемыми», потому что они представляют собой долговечные объекты антропогенного происхождения, которые практически не разлагаются. В будущем они превратятся в ископаемые остатки, которые помогут нашим потомкам получить представление об антропоцене.

Никто не знает, сколько можно выделить категорий техноископаемых, однако по оценкам их число уже превысило число известных видов ископаемых – точно так же, как свойственное нашей эпохе техноразнообразие намного превзошло современное биоразнообразие. При этом продолжают появляются новые виды техноископаемых, поскольку темпы технологической эволюции в разы превышают скорость эволюции биологической.

Энергия, необходимая для функционирования биосферы, поступает главным образом от солнца. Техносфера также частично потребляет энергию солнца и других возобновляемых источников – например, ветряных мельниц, – но в основном использует в качестве топлива углеводороды: нефть, уголь и газ. Эти невозобновляемые источники энергии по сути представляют собой фоссилизированный солнечный свет, хранившийся в недрах Земли на протяжении миллиардов лет и растраченный за несколько веков.

В течение тысячелетий люди добывали энергию с помощью водяных мельниц, и этого было достаточно. Энергия, необходимая для удовлетворения нужд техносферы сегодня, измеряется совсем в другом масштабе: говорят, что с середины XX века человечество потребило больше энергии, чем за всю эпоху голоцена, то есть за последние одиннадцать тысяч лет.

Море отходов

От биосферы техносферу отличает один важный момент: биосфера превосходно «умеет» перерабатывать продукты жизнедеятельности составляющих ее организмов. Именно эта ее особенность позволила ей существовать миллиарды лет. Техносфера же такой способностью не обладает, о чем красноречиво свидетельствуют горы пластикового мусора в океанах и на пляжах всего мира. Часть отходов не видна глазу, например, углекислый газ, образованный в результате сгорания ископаемых видов топлива. И хотя он не имеет ни цвета, ни запаха, его масса более чем ощутима для нашей планеты: выбросы CO2 в атмосферу в результате промышленной деятельности человека достигли колоссальной цифры порядка 1 000 миллиардов тонн, что по весу равняется около 150 000 египетских пирамид. Если мы не разрешим проблему стремительно растущего количества отходов, она может поставить под угрозу будущее техносферы – а значит, и всего человечества.

Техносфера, которая является частью биосферы, также представляет собой сложную систему с особой динамикой развития. Факторы, обусловившие ее появление, включают способность человека создавать сложные социальные структуры, а также изготавливать и использовать орудия труда. Однако Питер Хафф отмечает, что люди являются не столько создателями и управляющими техносферы, сколько одной из ее составляющих, и поэтому им следует делать все возможное, чтобы обеспечить ее дальнейшее существование. Делать это стоит хотя бы потому, что большая часть человеческих сообществ нуждается в техносфере для получения пищи, жилья и других ресурсов. Благодаря ее развитию человечество шагнуло далеко вперед и увеличило свою численность от нескольких десятков миллионов охотников-собирателей до 7,3 миллиардов человек, которые населяют планету сегодня. Только одна технология изготовления искусственных удобрений, основанная на инновационном процессе Габера, позволяет обеспечивать пропитанием около половины населения земного шара.

Техносфера продолжает развиваться, но вовсе не потому, что так решил человек, а потому, что появляются все новые полезные технологические инновации. Сегодня можно говорить о коэволюции человеческого сообщества и технологий.

Изменение условий жизни на планете

Техносферу можно считать своего рода паразитом, обосновавшимся в биосфере и кардинально меняющим условия жизни на Земле. Очевидные последствия этого включают значительное ускорение темпов вымирания видов растений и животных, а также изменение климата и химического состава океанов, оказывающее пагубное воздействие на существующие биологические сообщества. Эти изменения могут нанести ущерб всей биосфере и человечеству в частности. В идеале, людям следует приложить максимальные усилия для того, чтобы дальнейшее развитие техносферы стало более устойчивым с экологической точки зрения. Однако у человечества нет другого выбора, как поддерживать техносферу в «рабочем» состоянии, поскольку она стала для нас жизненно необходимой.

В связи с развитием техносферы перед нами встает целый ряд непростых задач, одна из которых заключается в расчете доступных нам возможностей проведения эффективных социально-экономических и политических мер с учетом данных условий. Прежде всего мы должны постараться как можно лучше понять принципы функционирования этой новой и небывалой стадии в развитии нашей планеты, а для этого нам предстоит сделать еще очень многое.

Фото:

Маартен Ванден Эйнд

Жан-Пьер Браз

Общее представление о биосфере — Рассашко И.Ф. и др. Общая экология

И. Ф. Рассашко, О.В. Ковалева, А.В. Крук
Общая экология
Тексты лекций для студентов специальности 1-33 01 02 «Геоэкология». – Гомель: ГГУ им. Ф. Скорины, 2010. – 252 с.

Лекция 11. Учение о биосфере

11.1. Общее представление о биосфере

Термин «биосфера» был впервые введен в науку австрийским геологом Э. Зюссом в 1875 г. Э. Зюсс выделил биосферу в качестве самостоятельной оболочки Земли по аналогии с литосферой, гидросферой и атмосферой. основываясь на достижениях естествознания, в 30-х годах 20 века ученик В. В. Докучаева академик В. И. Вернадский (1863–1945 гг.) сформулировал подлинно синтетическую концепцию, положенную в основу целостного учения о биосфере, протекающих в ней процессах, ее строении и функциях. В. И. Вернадский признан создателем этого учения.

биосфера (рисунок 11.1) – это оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. В. И. Вернадский понимал под биосферой область существования живого вещества, которое включает нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы. Биосфера с позиций концепции В. И. Вернадского, кроме живого вещества, включает также следующие типы вещества: биогенное – вещество созданное и переработанное живыми организмами; косное (в его образовании живые организмы не участвуют – гранит, базальт) и биокосное, которое представляет собой равновесную, динамичную систему, созданную живым и косным веществом (например, почва, природная вода).

В. И. Вернадский представлял биосферу не просто как «пленку» живого вещества на поверхности планеты, а включал в это понятие те пространства земной коры, гидросферы и атмосферы, которые в течение геологической эволюции подверглись воздействию живого вещества. Сюда входят каменный уголь и нефть – ископаемые свидетели «былых биосфер», многие минералы, озоновый слой атмосферы, являющийся производным кислорода, продуцируемого растениями.

Рисунок 11. 1 – Структура биосферы

Учение о биосфере — СтудИзба

Учение о биосфере

§1 Общее понятие о биосфере

Термин «Биосфера» был впервые введен в литературу австрийским геологом Э. Зюссом для обозначения всего того пространства атмосферы, гидросферы и литосферы, где обитают живые организмы. Целостное учение о биосфере было создано академиком В.И.Вернадским (1863 – 1945 гг.).

Согласно его воззрениям, с момента возникновения жизни на нашей планете (ориентировочно 3,4-4,0 млрд. лет назад) происходил процесс длительного формирования определенного единства живой и косной материи, т.е. биосферы (от греч. биос — жизнь, сфера — шар). В своей теории он определил биосферу как область существования  и функционирования живого вещества – совокупности всех живых организмов на планете. В учении В.И.Вернадского впервые была раскрыта роль живых организмов в процессах планетарного масштаба, показано, что живые организмы и продукты их жизнедеятельности являются наиболее мощной геологической силой, играющей первостепенную роль в механизмах разрушения горных пород, круговорота веществ, изменения водной и воздушной оболочек планеты, эволюции верхних слоев литосферы.

Биосфера – это наружная оболочка Земли, область распространения жизни, которая включает все живые организмы и все элементы неживой природы, образующие среду обитания живых.

Согласно В. И. Вернадскому, жизнь подчиняет себе другие планетарные процессы, определяет химическое состояние наружной коры нашей планеты. Живые организмы, существующие, стареющие и умирающие в течение сотен миллионов лет, порождают всеобщий планетарный процесс – миграцию химических элементов, движение земных атомов. Живое вещество рассматривается В. И. Вернадским в качестве носителя свободной энергии в биосфере. Кроме того, биосфера есть область превращения космической энергии, ибо космические излучения, идущие от небесных тел, охватывают биосферу, проникают сквозь всю нее и все в ней. Таким образом, согласно В. И. Вернадскому, биосфера есть «планетное явление космического характера.

Живое вещество рассматривается как особое проявление термодинамических, физических и химических условий планеты, способное организовать их таким образом, чтобы иметь максимальную во времени и пространстве устойчивость своей структуры. Иначе говоря, биосфера – это геологическая земная оболочка, не только охваченная жизнью, но и структурно ею организованная.

Важнейшими особенностями биосферы являются ее организованность и устойчивое динамическое равновесие. Организованность означает, что биосфера – не хаос разрозненных составляющих, а некоторое единое и связное целое.

Например, можно говорить о термодинамическом уровне организованности биосферы, выражающемся в наличии двух взаимосвязанных «слоев»: верхнего, освещенного (фотобиосфера), где существуют фотосинтезирующие организмы, и нижнего, почвенного (афотобиосфера), где расположена зона подземной жизни. Термодинамический уровень организованности биосферы проявляется в специфике градиентов температуры в гидросфере, атмосфере и литосфере. Выделяют также физический, или агрегатный, уровень организованности, т. е. наличие разных фазовых состояний вещества (твердого, жидкого, газообразного), одновременно характеризующих и его разное химическое состояние.

Рекомендуемые файлы

На химическом уровне организованности гидросферы, атмосферы и литосферы эти сферы рассматриваются как сложные химические тела, имеющие свою горизонтальную, вертикальную (пространственную), а также временную структуру.

Согласно В. И. Вернадскому, биосфера слагается из четырех категорий субстанций.

1. Живое вещество – совокупность всех живых организмов: микроорганизмов, грибов, растений и животных, их активная биомасса.
2. Живое вещество противопоставлено неживому, косному веществу: горным породам, минералам, никак не связанным с деятельностью живых организмов (изверженные и метаморфические породы земной коры, магматические руды, продукты их абиогенного преобразования и т.п.).
3. Биогенное вещество – вещество, образованное живым веществом, являющееся источником мощной потенциальной энергией – мертвая органика, все формы детрита, торф, уголь, нефть и газ биогенного происхождения, а также осадочные карбонаты, фосфориты и т.п.;
4. Биокосное вещество – смеси живого вещества и биогенных веществ с минеральными породами небиогенного происхождения (почва, илы, природные воды, газо- и нефтеносные сланцы, битуминозные пески, часть осадочных пород; с определенными оговорками к этой категории может быть отнесена и земная атмосфера).

Живое вещество составляет примерно 0,01% от всей массы биосферы, но благодаря высокой химической и геологической активности, именно оно является основой биосферы, состав которой определяется совокупной деятельностью живых организмов в настоящем и прошлом.

Современные теоретические подходы вносят поправку в представление о структуре и функциях биосферы. Дело в том, что значительная часть биогенных и биокосных веществ, заключенных в глубоких недрах (уголь, нефть, нефтеносные сланцы и др.), фактически выведена из текущего естественного биотического круговорота, хотя некоторое их количество искусственно вводится человеком в пространство биосферы. Поэтому, строго говоря, они не относятся к биосфере как таковой; ей присущи только те вещества и процессы, те элементы и характеристики, которые находятся под контролем современной глобальной биоты, но не компоненты природы, сложившиеся и захороненные в геологическом прошлом (Горшков, 1993). Таким образом, к современной биосфере относится вся совокупность живых организмов (живое вещество) и все вещества литосферы, гидросферы и атмосферы, которые в настоящее время участвуют в природном биотическом круговороте, т. е. находятся под контролем потребления, трансформации и продуцирования живыми организмами.

§2 Биосфера как географическая оболочка

Физическая география рассматривает географическую оболочку Земли как природный комплекс, возникший в слое взаимодействия и взаимопроникновения литосферы, атмосферы и гидросферы и сформировавшийся под воздействием солнечной энергии и органической жизни. То есть географическая оболочка – это оболочка земного шара, состоящая из земной коры, атмосферы, гидросферы, почв, растительного и животного мира. Фактически же, географическая оболочка включает в себя земную кору, атмосферу, гидросферу и биосферу.

Биосфера (рис. 1) включает нижнюю часть атмосферы (аэробиосферу), всю гидросферу (гидробиосферу) – океаны, моря, поверхностные воды суши, террабиосферу – поверхность самой суши, а также литосферу (литобиосферу) – верхние горизонты твердой земной оболочки. В пределах биосферы выделяют две категории слоев: собственно биосферу, где живое вещество локализовано постоянно (эубиосферу), а также расположенные выше и ниже ее соответственно парабиосферу и метабиосферу. В эти слои живые организмы могут попадать лишь случайно. Общая протяженность эубиосферы по вертикали – 12-17 км, хотя у разных авторов эти оценки несколько варьируют.

Рис. 1.

Строение биосферы

Верхней границей биосферы (включая парабиосферу) является озоновый экран (или слой).

Озоновый экран (озоносфера) – это слой атмосферы в пределах стратосферы, расположенный на разной высоте от поверхности Земли и имеющий наибольшую плотность (концентрацию молекул) озона на высоте 22-26 км.

Высота озонового слоя у полюсов оценивается в 7-8 км, у экватора – 17-18 км, а максимальная высота присутствия озона – 45-50 км. Выше озонового экрана существование жизни без специальной защиты невозможно из-за жесткого ультрафиолетового излучения Солнца.

Метабиосфера не опускается ниже 10-15 км, а нижней границей эубиосферы считаются донные отложения океана и верхние горизонты литосферы, подвергающиеся ныне (или подвергавшиеся в прошлом) воздействию живых организмов. К биосфере, например, относятся некоторые полезные ископаемые, в частности каменный уголь – продукт фотосинтеза растений в прошлые геологические эпохи. С учетом протяженности всех названных слоев по вертикали общая мощность биосферы оценивается в 33-35 км.

Биотические компоненты биосферы включают растения (фитосфера), животных (зоосфера) и микроорганизмы (микробосфера). К биосфере относится человеческое общество. Более 99 % всего вещества в верхних слоях литосферы (в литобиосфере) трансформировано живыми организмами.

Современная биосфера охватывает пространство, в котором живые организмы обитают в настоящее время. В то же время безжизненные скопления органических веществ и других соединений, образовавшихся при участии живых организмов в прежние геологические эпохи (залежи каменного угля, нефти, горючих сланцев, рудные образования, известняки и т.д.), относят к так называемым былым биосферам.

Процессы, протекающие в биосфере и обеспечивающие ее фунцкионирование как глобальной экосистемы, связаны с активным обменом веществом и энергией между ее компонентами. В этой связи важное значение имеют особенности физико-химической среды биосферы, такие как значительное содержание в ней жидкой воды, наличие многочисленных поверхностей раздела между твердыми, жидкими и газообразными фазами, и наконец, мощный поток солнечной энергии, проходящий через биосферу.

§2 Происхождение и эволюция биосферы

Первым этапом эволюции биосферы считается химический этап, заключающийся в образовании простых органических соединений из первичных газов атмосферы – метана, аммиака, водорода в условиях высоких температур, повышенной вулканической деятельности, солнечного излучения, электрических разрядов. Это положение находится в основе известной гипотезы А. И. Опарина, подтвержденной в середине нашего столетия экспериментально при пропускании электрических разрядов через смесь водорода, аммиака, метана, паров воды и монооксида углерода (так называемая реакция Миллера — Юри).

Первыми органическими соединениями были аминокислоты, образовавшиеся в первичном океаническом «бульоне» в результате взаимодействия циановодорода (HCN) и альдегидов в присутствии аммиака. Заметим, что, по некоторым данным, аминокислоты могут синтезироваться и в газовой фазе. Одновременно происходило образование простых сахаров (рибозы, дезоксирибозы) (рис. 2).

Рис. 2.

Схема образования простейших органических соединений из газов первичной атмосферы под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца (По М. М. Камшилову, 1974)

Тем самым в водной среде образовывались основные компоненты нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). В частности, из циановодорода (нитрила), которым, как считают, была обогащена первичная атмосфера, могли возникнуть по крайней мере два из четырех оснований нуклеиновых кислот: аденин и гуанин. Например, эмпирическую формулу молекулы аденина (C₅H₅N₅) можно представить в виде пяти объединенных молекул циановодорода.

Рибоза и дезоксирибоза в сочетании с основаниями нуклеиновых кислот (аденин, гуанин, цитозин, тимин) образовывали нуклеозиды, а последние, в свою очередь, в сочетании с фосфатами – нуклеотиды – простейшие составляющие нуклеиновых кислот.

Следующий этап химической эволюции – полимеризация «малых» молекул в более крупные, т. е. образование собственно нуклеиновых кислот и белков.

При объединении отдельных молекул аминокислот происходит выделение воды (дегидратация). Полагают, однако, что процесс преобразования нуклеоэидов в нуклеотиды происходил уже не в водной среде, а в пересыхающих морских лагунах, в условиях илистого дна которых и осуществлялась дегидратация под воздействием солнечного излучения.

Существуют и другие гипотезы, объясняющие этот механизм (например, гипотеза об адсорбировании нитрилов поверхностью глинистых частиц с последующим образованием характерных для белковых молекул карбоксильных групп).

В настоящее время гипотеза А. И. Опарина подвергается сомнению на том основании, что в первичной атмосфере нашей планеты не было такого важнейшего компонента, как аммиак, но присутствовали углекислый газ, пары воды, азот и летучие соединения серы. Поэтому утверждается, что жизнь возникла не на Земле, а привнесена из космического пространства вместе с метеоритным органическим веществом. Метеориты, в свою очередь, являются осколками астероидов (малых планет), состоящих, как предполагается, из углистых хондритов. Последние представлены главным образом гидратированными силикатами, но в них присутствуют углеводороды, карбоновые кислоты, а также азотистые соединения, включая аминокислоты, полипептиды, порфирины и др., имеющие абиогенное происхождение.

Собственно биологическая эволюция началась с образования клеток, а далее – одноклеточных организмов. Первые остатки жизни найдены в слоях литосферы, образовавшихся около 3 млрд. лет назад – на заре архейской эры. Дальнейшее усложнение жизни связано с развитием многоклеточности. Одна из гипотез о ее происхождении – колониальная. Полагают, что колониальность возникла в результате не вполне законченного бесполого размножения: клетка разделилась, но дочерние образования не разошлись. В их химическом составе появились различия, повлекшие за собой функциональную специализацию: одни клетки обеспечивали ассимиляцию, другие – выделение, третьи – подвижность, четвертые – воспроизводство и т. д.

Проникновение жизни в разные области Земли с разными физико-химическими условиями, в частности выход организмов из воды на сушу, потребовали приспособления (адаптации) к новым, более динамичным условиям, что, в свою очередь, было связано с избирательным отпадом части организмов, появлением процессов естественного отбора.

Из 6 эр и 17 периодов общей продолжительностью около 3,5 млрд. лет лишь небольшой отрезок времени (около 1 млн. лет) отделяет нас от начала последнего периода кайнозойской эры – антропогена. Человеческое общество – один из последовательных этапов биогенеза, т. е. развития жизни на планете. Поскольку общество превратилось в мощную природную силу, целенаправленно и необратимо преобразующую окружающую среду, включая теперь и космическое пространство, возникает вопрос, как далее будут развиваться человечество и биосфера.

Биосфера является единственным местом обитания человека и других живых организмов, причем из построений В. И. Вернадского и ряда других ученых следует закон незаменимости биосферы.

Биосфера – это единственная система, обеспечивающая устойчивость среды обитания при любых возникающих возмущениях. Нет никаких оснований надеяться на построение искусственных сообществ, обеспечивающих стабилизацию окружающей среды в той же степени, что и естественные сообщества.

Человеческая цивилизация привела к появлению на планете новой глобальной материальной системы в виде многослойной насыщенной сферы искусственно созданных объектов.

Современные философские концепции сводятся к тому, что процесс взаимодействия общества и биосферы должен быть управляем во взаимных интересах, с тем чтобы неизбежный научно-технический прогресс не привел к деградации биосферы как среды обитания общества. В отличие от биогенеза, данный этап эволюции биосферы рассматривают в качестве этапа разумного развития, т. е. ноогенеза (от греч. ноос – разум). Соответственно происходит постепенное превращение биосферы в ноосферу. Понятие «ноосфера» или «техносфера» введено в прошлом веке французским ученым Ле Руа и развито далее Тейяр де Шарденом (1881-1955).

Все, что создано руками человека, вместе с природными объектами, носит название техносфера. Есть и другие термины: антропосфера Д.Н. Анучина-Б.-Рассела или ноосфера Э. Леруа-В.И. Вернадского-Т. де Шардена, но они отражают скорее натурфилософскую или этическую, а не вещественную и грубую сущность этой системы.

Под этим термином они понимали особую оболочку Земли, включающую общество с индустрией, языком, хозяйственной деятельностью, религией и всеми иными атрибутами. Ноосфера рассматривалась в качестве некоего «мыслящего пласта», разворачивающегося над биосферой, вне ее. Ноосфера, т.о. это «сфера разума», т.е. высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и становлением в ней цивилизованного общества, когда разумная деятельность человека становится определяющим фактором развития.

В. И. Вернадский считал, что ноосфера – это новое геологическое явление на Земле. В ней впервые человек становится мощной геологической силой. Но мыслить и действовать человек, как и все живое, может только в области распространения жизни, т. е. в биосфере, с которой он неразрывно связан и из которой не может уйти.

С позиций В. И. Вернадского на данном этапе эволюции жизни развитие пойдет по пути ноогенеза, являющегося этапом разумного регулирования взаимоотношений человека и природы. На этом этапе предстоит не только исправить уже имеющиеся нарушения в природе, отклонения от разумных и целесообразных отношений между обществом и природой, но и предотвращать подобные нарушения и отклонения в будущем.

Таким образом, закон ноосферы В. И. Вернадского имеет следующую формулировку:

Биосфера неизбежно превратится в ноосферу, т. е. в сферу, где разум человека будет играть доминирующую роль в развитии системы человек-природа.

Этот закон справедлив, хотя некоторые современные ученые рассматривают его как социальную утопию. Но совершенно очевидно, что если человечество не начнет регулировать свою численность, управлять собственным воздействием на природу, опираясь на ее законы, то оно обречено на гибель. Поэтому смысл закона ноосферы видится в том, что люди будут управлять не природой, а прежде всего собой.

Техносферу можно определить как планетарное пространство, находящееся под воздействием инструментальной и технической производственной деятельности людей и занятое продуктами этой деятельности. Техносфера возникла в процессе нескольких тысячелетий техногенеза. К ней в равной мере относятся первый костер, зажженный человеком, и Чернобыль, египетские пирамиды и небоскребы Манхэттена, оросительные каналы шумеров и Асуанская плотина, Стоунхендж и Эйфелева башня, дротик первобытного охотника и баллистические ракеты, великая китайская стена и туннель под Ла-Маншем, идолы острова Пасхи и памятник Петру I в Москве.

Техногенез выступает как материальное слагаемое истории человечества. С экологической точки зрения, это последний по времени этап эволюции, обусловленный деятельностью человека и вносящий в природу Земли вещества, силы и процессы, которые в конечном счете изменяют и нарушают равновесное функционирование биосферы и замкнутость биотического круговорота.

Поскольку техносфера и биосфера находятся в постоянном взаимодействии, их сумму можно представить как единую систему – экосферу. Автор термина Л. Кол (Cole, 1958) обозначил им совокупность всего живого на Земле вместе с его окружением и ресурсами. Но именно человечество, ресурсы и продукты его производства и потребления оказывают серьезное влияние на материал и процессы экосферы, вмешиваются в природный круговорот, изменяя его сбалансированность и гармоничность. В.И. Вернадский (1944) писал:

Человечество как живое вещество непрерывно связано с материально-энергетическими процессами определенной геологической оболочки Земли – с ее биосферой. Оно не может физически быть от нее независимым ни на одну минуту.

Но «живое вещество» людей неотделимо и от человеческого материального производства, и от созданной человеком технической цивилизации. Вместе они образовали «критическую массу» экосферы на поверхности планеты. Т.о. экосфера предстает как арена взаимодействий человека и природы.

§3 Свойства и функции живого вещества

Согласно современным взглядам (Горшков, 1990, 1995) для понимания функционирования биосферы не обязательно относить к ней абсолютно все пространство, где встречаются малейшие признаки или следы жизни. Гораздо важнее рассматривать то пространство и те вещества, которые находятся под контролем потребления, трансформации и продуцирования современными живыми организмами. Это предполагает более ограниченное описание биосферы: из нее исключаются «надсферы» и «подсферы» и оставлены только террабиосфера и часть гидробиосферы. Этот слой простирается от нескольких метров над поверхностью растительного покрова на суше или над океаном до нижнего горизонта грунтовых вод или максимального проникновения корней растений или роющих животных, а также содержит фотический слой воды в океане. За этими границами остается ничтожная часть живых организмов, но находятся огромные массивы продуктов их жизнедеятельности и в атмосфере (газы, водяной пар), и в гидросфере (растворенная, взвешенная и донная органика).

1. Масса живого вещества всех обитателей биосферы – менее 1013т – сравн­тельно невелика. Если ее распределить по всей поверхности планеты, то получится слой всего в 1,3 см. Эта «пленка жизни» (выражение В.И. Вернадского), составляя менее 10-6 массы других оболочек Земли, обладает несравненно большим разнообразием и обновляет свой состав в миллион раз быстрее. Поэтому «динамическая масса» живого вещества превосходит массу других геосфер Земли в объеме биосферы.

2. Биота биосферы обусловливает преобладающую часть химических превращений на планете, т.е. выполняет глобальную метаболическую функцию (В.И. Вернадский, 1987).

3. Итак, ключевую роль во всех биосферных процессах играют живые организмы и сущность этих процессов раскрывается через функции живого вещества в биосфере, обусловленные его специфическими свойствами. К таким свойствам следует отнести способность быстро осваивать свободное пространство, способность к активному движению (против действующих сил), высокую приспособительную способность организмов к различным условиям, устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти, феноменально высокие скорости биохимических реакций в живых организмах и высокую скорость обновления живого вещества в биотическом круговороте. Все эти свойства живого вещества проистекают из концентрации в нем больших запасов энергии.

4. Современная классификация функций живого вещества (А.В. Лапо) выделяет 10 основных функций.

1. Энергетическая функция связана с запасанием энергии в процессе фотосинтеза, передачей ее по цепям питания, и рассеиванием. Солнце дарит Земле колоссальное количество энергии. Достигающее биосферы излучение несет энергию около 3*10²⁴Дж в год_. Только около 0,3% этой энергии непосредственно преобразуется в процессе фотосинтеза в энергию химических связей органических веществ и только 0,1% оказывается заключенной в чистой первичной продукции. Дальнейшая судьба этой энергии обусловлена передачей органического вещества пищи по каскадам трофических уровней гетеротрофов. В соответствии с законом пирамиды энергий с каждого ее уровня на последующий переходит приблизительно 10% энергии (правило 10%). Но участие разных групп гетеротрофов в деструкции органики тоже имеет похожую последовательность: около 90% энергии ЧПП освобождают микроорганизмы и грибы, менее 10% – беспозвоночные животные и не более 1% –позвоночные животные – конечные консументы. В соответствии с последней цифрой сформулировано правило 1%, со гласно которому указанное соотношение и особенно вклад конечных консументов в деструкцию (£ 1%) является важным условием стабильности биосферы.

2. Газовая функция проявляется в способности изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. В процессе фотосинтеза и дыхания растения и животные постоянно обмениваются кислородом и углекислым газом с окружающей средой. Растения сыграли решающую роль в смене восстановительной среды на окислительную в геохимической эволюции планеты и в формировании состава современной атмосферы. Только после локализации фотосинтеза в хлоропластах у разных групп водорослей около 1,5-1 млрд лет назад и последующего образования специальных органов фотосинтеза стало возможным значительное увеличение содержания О₂ в атмосфере, появление животных и заселение суши. Современные растения строго контролируют концентрации О₂ и СО₂, оптимальные для всей биоты.

3. Концентрационная функция заключается в способности живых организмах концентрировать в своем теле рассеянные химические элементы, поглощаемые из среды. Пропуская через свое тело большие объемы воздуха и природных растворов, живые организмы осуществляют биогенную миграцию и концентрирование химических элементов и их соединений. Это относится не только к биосинтезу органики, но и к таким явлениям, как строительство раковин и скелетов, образование коралловых островов, толщ осадочных известняков, месторождений серы, некоторых металлических руд, скоплений железомарганцевых конкреций на дне океана и т.п. Ранние этапы биологической эволюции проходили в водной среде. Фильтруя колоссальные объемы воды, организмы научились извлекать из разбавленного водного раствора не обходимые для них вещества, многократно увеличивая их кониентрацию в своем теле. Отношение концентраций химических элементов между биотой и средой А.И. Перельман (1972) назвал биофильностью элементов (рис. 3).

Рис. 3

Биофильность элементов

4. Противоположная по результатам рассеивающая функция проявляется через питательную и транспортную деятельность организмов.

5. Окислительно-восстановительная функция выражается в интенсификации под влиянием живого вещества процессов окисления и восстановления. Она тесно связана с биогенной миграцией элементов и концентрированием веществ. Многие вещества в природе крайне устойчивы и не подвергаются окислению при обычных условиях. Например, молекулярный азот – один из важнейших биогенных элементов. Но живые клетки располагают настолько эффективными катализаторами-ферментами, что способны осуществлять многие окислительно-восстановительные реакции в миллионы раз быстрее, чем это может происходить в абиогенной среде.

6. Деструктивная функция состоит в разрушении организмами и продуктами их жизнедеятельности , в том числе после их смерти, как мертвого органического вещества, так и косных веществ.

7. Транспортная функция выражается в переносе вещества в результате активной формы движения.

8. Средообразующая функция является результатом совместного действия других функций и состоит в преобразовании физико-химических параметров среды в условия, благоприятные для существования живых организмов. Работа живого вещества направлена на обеспечение условий жизни всех ее членов, в том числе и человека. Она слагается из газовой, концентрационной, окислительно-восстановительной, биохимической и информационной функций живого вещества. Следует четко представлять себе, что окружающая нас среда – это не возникшая когда-то и непреходящая физическая данность, а живое дыхание природы, каждое мгновение создаваемое работой множества живых существ. Средообразующая функция биосферы обусловлена биотическим круговоротом веществ

9. Средорегулирующая функция – исключительно точной биотической регуляцией окружающей среды. Она задается высокой степенью замкнутости биотического круговорота – равенством скоростей синтеза и распада органических веществ.

10. Информационная функция живого вещества биосферы. Именно с появлением первых примитивных живых существ на планете появилась и активная («живая») информация, отличающаяся от той «мертвой» информации, которая является простым отражением структуры. Организмы оказались способными к получению информации путем соединения потока энергии с активной молекулярной структурой, играющей роль программы. Способность воспринимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию совершила опережающую эволюцию в природе и стала важнейшим экологическим системообразующим фактором.

§4 Круговорот веществ и химических элементов в биосфере

Важным свойством биосферы является наличие в ней механизмов, обеспечивающих круговорот веществ и связанную с ним неисчерпаемость отдельных химических элементов, а также непрерывность биосферных процессов.

Круговоротами называются повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ в природе, имеющие более или менее выраженный циклический характер.

Круговороты веществ и элементов отражают неразрывную связь геологических и биологических процессов в биосфере. Выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).

Большой круговорот происходит в течение сотен тысяч или миллионов лет. Горные породы подвергаются разрушению и выветриванию; продукты выветривания, в том числе растворенные в воде минеральные  питательные вещества, сносятся потоками воды в мировой океан. В океане эти вещества образуют морские напластовывания, а также частично возвращаются на сушу с атмосферными осадками и с живыми организмами. Крупные медленные геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, приводят к возвращению морских отложений на сушу, после чего процесс проходит новый цикл.

Малый круговорот является частью большого круговорота и представляет собой процесс непрерывного создания и деструкции органического вещества в экосистемах в результате взаимосвязанного функционирования живых организмов, т. е. питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и осуществление жизненных процессов как их самих, так и организмов-консументов. Продукты распада органического вещества попадают в распоряжение почвенной микрофлоры и мезофауны (бактерий, грибов, червей и т.п.) и опять разлагаются до минеральных компонентов, которые вновь становятся доступными для растений.

Круговорот воздуха

Поток солнечной энергии образует глобальные физические, круговороты воздуха и воды на Земле. Движение воздушных масс помимо механических эффектов (ветры, волны, течения) обусловливает аэрогенную миграцию веществ, в первую очередь газов, паров воды и пылевых частиц, аэрозолей разного состава. Под действием солнечной радиации и грозовых разрядов в атмосфере происходят различные фотохимические и электрохимические реакции – фотолиз воды, образование озона, окислов и кислотных осадков, образование углеводородных смогов и др.

Круговорот воды

Глобальный круговорот воды отражен на рис. 4. Это самый значительный по переносимым массам и по затратам энергии круговорот на Земле. За год в него вовлекается всего 0,04% массы гидросферы, но это соответствует 18,3 млн м³ воды за секунду и более 40 млрд МВт солнечной энергии.

Рис. 4

Резервуары и круговорот воды на Земле.

Объемы резервуаров (подчеркнуты) – в тыс. км³;

потоки влаги (испарение, перенос в атмосфере, осадки, сток) – в тыс. км³/год

Речной сток составляет только 8% глобального гидрологического  цикла, Круговорот воды, особенно поверхностный и подземный сток на суше, определяет гидрогенную миграцию веществ, которая помимо переноса состоит из множества процессов растворения, кристаллизации, осаждения, ионного обмена и окислительно-восстановительных реакций.

В круговороте воды заметное участие принимают живые организмы, экосистемы. Растения перехватывают часть осадков и способствуют испарению влаги до того, как она попадет на землю. Почвенная влага всасывается корнями растений, участвует в обмене веществ и затем испаряется из листьев (транспирация). Вместе с испарением с поверхности почвы транспирация составляет суммарное испарение. Уровень перехвата и транспирации различен для разных биомов, но в целом составляет более 40% объема испарения на суше.

Закономерный круговорот химических соединений отдельных элементов и осуществляется в ходе совместной деятельности различных живых организмов. Он включает введение химических элементов в состав живых клеток, химические превращения веществ в процессах метаболизма, выведение в окружающую среду и деструкцию органических веществ с последующей их минерализацией. Высвобождающиеся минеральные вещества вновь включаются в биологические циклы. Процессы круговорота происходят в конкретных экосистемах, но в полном виде реализуются только на уровне биосферы в целом.

Круговорот биогенных элементов, обусловленный синтезом и распадом органических веществ в экосистеме, называют биотическим круговоротом веществ. Кроме биогенных элементов в биотический круговорот вовлечены важные для биоты минеральные элементы и множество различных соединений. Поэтому весь циклический процесс химических превращений, обусловленных биотой, особенно когда речь идет о всей биосфере, называют еще биогеохимическим круговоротом.

В каждом круговороте выделяют две части: резервный фонд и подвижный (обменный) фонд. В резервный фонд входят медленно движущиеся вещества, в основном небиологический компонент. Для обменного фонда характерен быстрый обмен между организмами и окружающей средой. Сравнительные объемы подвижных и резервных фондов имеют значение с точки зрения оценки антропогенной нагрузки на биосферу, так как изменению более подвержены малообъемные фонды.

Биогеохимические циклы разделяют на круговороты газов с резервным фондом в атмосфере и гидросфере и осадочные круговороты с резервным фондом в земной коре.

Благодаря наличию крупных атмосферных и океанических фондов в круговоротах газообразных веществ – углерода, азота, кислорода – довольно быстро компенсируются  возможные нарушения. Эти круговороты «забуферены» и в этом отношении являются саморегулирующими системами. В осадочных циклах (фосфор, железо и др.) механизмы саморегуляции работают гораздо хуже и легко нарушаются, так как основная масса веществ в осадочных циклах находится в малоподвижном резервном фонде в земной коре.

В качестве примеров круговорота веществ в биосфере рассмотрим биогеохимические циклы важнейших биогенных элементов: углерода, азота, фосфора, серы.

Круговорот углерода

В основе биогенного круговорота углерода лежит неорганическое вещество – диоксид углерода. В природе СО₂ входит в состав атмосферы, а также находится в растворенном виде в гидросфере.

Включение углерода в состав органического вещества происходит в процессе фотосинтеза, в результате которого на основе углекислого газа и воды  образуются сахара. В дальнейшем, другие процессы биосинтеза преобразуют их в более сложные органические вещества. Эти соединения формируют ткани фотосинтезирующих организмов и служат источником органических веществ для животных.

В процессе дыхания все организмы окисляют сложные органические вещества в конечном итоге до СО₂, который выводится во внешнюю среду, где может вновь вовлекаться в процесс фотосинтеза. Углеродсодержащие органические соединения тканей живых организмов после их смерти подвергаются биологическому разрушению организмами-редуцентами, в результате чего углерод в виде Н₂СО₃ вновь поступает в круговорот.

При определенных условиях разложение накапливаемых мертвых остатков в почве идет замедленным темпом через образование гумуса, минерализация которого под воздействием грибов и бактерий происходит с низкой скоростью. В некоторых случаях цепь разложения органического вещества бывает неполной. В частности, деятельность организмов-деструкторов может подавляться недостатком кислорода или повышенной кислотностью. В этом случае органические остатки накапливаются в виде торфа, углерод не высвобождается и круговорот приостанавливается. Аналогичным образом в прошлые геологические эпохи происходило образование каменного угля и нефти. Сжигание ископаемого топлива в настоящее время возвращает углерод, выключенный ранее из круговорота, в атмосферу. В гидросфере приостановка круговорота углерода связана с включением СО₂ в состав СаСО₃ в виде известняков. В этом случае углерод выключается из круговорота на целые геологические эпохи до поднятия органогенных пород над уровнем моря. Тогда круговорот возобновляется через выщелачивание извесняков атмосферными осадками, а также биогенным путем под воздействием лишайников, корней растений. Схема круговорота углерода приведена на рис.5.

Рис.5.

Схема круговорота углерода

Круговорот азота

1. Главный источник азота органических соединений – газообразный азот N₂ в составе атмосферы. Молекулярный азот не усваивается живыми организмами. Переход его в доступные живым организмам соединения (фиксация) может происходить несколькими путями. Фиксация азота частично происходит в атмосфере, где при грозовых разрядах образуется оксид азота (II), который окисляется до оксида азота (IV),  с последующим образованием  азотной кислоты и нитратов, выпадающих на поверхность Земли с атмосферными осадками.

2. Наиболее важной формой фиксации азота является ферментативная фиксация в процессе жизнедеятельности сравнительно немногих  видов организмов-азотфиксаторов. Отмирая, они обогащают среду органическим азотом, который быстро минерализуется. Наиболее эффективна фиксация азота, осуществляемая бактериями, формирующими симбиотические связи с бобовыми растениями. В результате их деятельности в наземных и подземных органах растений (например, клевера или люцерны) за год накапливается азота до 150-400 кг на 1 га.  Азот связывают также свободноживущие азотфиксирующие почвенные бактерии, а в водной среде – сине-зеленые водоросли (цианобактерии). Все азотфиксаторы включают азот в состав аммиака (NH₃), и он сразу же используется для образования органических веществ, в основном для синтеза белков.  Минерализация азотсодержащих органических веществ редуцентами происходит в результате  процессов аммонификации и нитрификации. Аммонифицирующие бактерии в процессе биохимического разложения мертвого органического вещества переводят азот органических соединений в аммиак, который в водном растворе образует ионы аммония (NH₄⁺). В результате деятельности нитрифицирующих бактерий в аэробной среде аммиак окисляется в нитриты (NO₂^—), а затем в нитраты (NO₃^—).

3. Большинство растений получают азот из почвы в виде нитратов. Поступающие в растительную клетку нитраты восстанавливаются до нитритов, а затем до аммиака, после чего азот  включается в состав аминокислот, составляющих белки. Часть азота растениями усваивается непосредственно в виде ионов аммония из почвенного раствора.

4. Животные получают азот по пищевым цепям прямо или опосредованно от растений. Экскреты и мертвые организмы, составляющие основу детритных пищевых цепей, разлагаются и минерализуются организмами-редуцентами, превращающими органический азот в неорганический.

5. Возвращение азота в атмосферу происходит в результате деятельности бактерий-денитрофикаторов, осуществляющих в анаэробной среде процесс, обратный нитрификации, восстанавливая нитраты до свободного азота.

6. Значительная часть азота, попадая в океан (в основном со стоком вод с континентов), используется водными фотосинтезирующими организмами, прежде всего фитопланктоном, а затем, попадая в цепи питания животных, частично возвращаются на сушу с продуктами морского промысла или птицами. Небольшая часть азота попадает в морские осадки. Схема круговорота азота приведена на рис.6.

7.

Рис.6.

Схема круговорота азота

Круговорот фосфора

5. В круговороте фосфора, в отличие от круговоротов углерода и азота, отсутствует газовая фаза. Фосфор в природе в больших количествах содержится в минералах горных пород и попадает в наземные экосистемы в процессе их разрушения. Выщелачивание фосфора осадками приводит к поступлению его в гидросферу и соответственно в водные экосистемы. Растения поглощают фосфор  в виде растворимых фосфатов из водного или почвенного раствора и включают его в состав органических соединений – нуклеиновых кислот, систем переноса энергии ( АДФ, АТФ), в состав клеточных мембран. Другие организмы получают фосфор по пищевым цепям. В организмах животных фосфор входит в состав костной ткани, дентина.

В процессе клеточного дыхания происходит окисление органических соединений, содержащих фосфор, при этом органические фосфаты поступают в окружающую среду в составе экскретов. Организмы-редуценты минерализуют органические вещества, содержащие фосфор, в неорганические фосфаты, которые вновь могут быть использованы растениями и, таким образом, снова вовлекаться в круговорот.

Поскольку в круговороте фосфора отсутствует газовая фаза, фосфор как и другие биогенные элементы почвы, циркулирует в экосистеме лишь в том случае, если отходы жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента. Нарушение круговорота фосфора может происходить, например, в агроэкосистемах, когда урожай вместе с извлеченными из почвы биогенами перевозится на значительные расстояния,  и они не возвращаются в почву в  местах потребления.

После неоднократного потребления фосфора организмами на суше и в водной среде, в конечном итоге он выводится в донные осадки в виде нерастворимых фосфатов. После поднятия осадочных пород над уровнем моря в ходе большого круговорота вновь начинают действовать процессы выщелачивания и бигенного разрушения.

Внесение фосфорных удобрений, представляющих собой продукты переработки осадочных пород, позволяет восполнить потребленный фосфор в регионах с интенсивным сельскохозяйственным производством. Однако, смыв удобрений с полей, а также поступление в водоемы фосфатов с продуктами жизнедеятельности животных и человека может приводить к перенасыщению водных экосистем фосфатами и нарушению в них экологического равновесия.

Схема круговорота фосфора приведена на рис. 7.

Рис.7.

Схема круговорота фосфора

Круговорот серы

В глобальном круговороте серы (рис. 8) кроме бактерий, грибов и растений, использующих сульфат природных вод и почвы для синтеза серосодержащих аминокислот, работают еще несколько групп специализированных бактерий, осуществляющих превращения в реакциях H₂S о S <=> SO₄ и H₂S <=> SO₄.

Потребность биоты в сере относительно невелика (биофильность S»1), а природные резервуары серы огромны. Поэтому сера редко оказывается лимитирующим биогеном. Биотический круговорот серы включен в общий, в значительной своей части абиогенный, процесс постепенного превращения восстановленных форм серы (в основном сульфидных руд), сложившихся в восстановительной обстановке древней Земли, в окисленные формы. Эта тенденция существенно усиливается техногенезом.

Люди также интересуются этой лекцией: Угольная промышленность. .

Рис. 8

Упрощенная схема круговорота серы

Биотический круговорот биогенных катионов – Na, К, Са, Mg – и микроэлементов на суше ограничивается их потреблением из почвы, последующей миграцией по полным трофическим цепям и возвратом в почву с помощью минерализующих редуцентов.

Проточность (утечка) круговорота для катионов весьма велика. В природных водах, особенно в океане, реализуется мощная концентрирующая функция гидробионтов по отношению к кальцию и магнию.

Высокоточная биологическая регуляция обмена веществ и энергии в биосфере определяет и регуляцию основных параметров окружающей среды. С экологической точки зрения это – важнейшие свойства биосферы как динамической системы.

Биосфера, подготовка к ЕГЭ по биологии

Биосфера (греч. bios — жизнь + sphaira — шар) — наружная оболочка Земли, населенная живыми организмами, составляющими в совокупности живое вещество планеты. Термин «биосфера» предложен австрийским геологом Э. Зюссом, учение о биосфере было создано и развито российским и советским ученым Вернадским Владимиром Ивановичем.

Биосфера — совокупность всех биогеоценозов, это открытая система, структура и свойства которой определяются деятельностью организмов в прошлом и настоящем. Биосферу можно рассматривать как часть лито-, гидро- и атмосферы, заселенную живыми существами.

Запомните, что наибольшая концентрация живого вещества сосредоточена на границе сред (к примеру, на границе литосферы и атмосферы).

Границы биосферы

Общая толщина биосферы приблизительно 17 км. Живые организмы проникают вглубь литосферы на расстояние до 6-7 км, заселяют всю толщу гидросферы (до самого дна мирового океана). В атмосфере живые организмы встречаются в нижней части — тропосфере, которую сверху ограничивает озоновый слой (часть стратосферы).

Выше «озонового экрана» существование жизни в привычном для нас виде невозможно, так как губительное УФ (ультрафиолетовое) излучение уничтожает все живое. Возникновению жизни в недрах Земли препятствует высокая температура, оказывающая разрушительное воздействие.

Вещество биосферы

Многокомпонентная сложная система биосферы включает несколько отдельных элементов. Вернадский В.И. создал учение, в соответствии с которым вещество биосферы состоит из:

• Живое вещество

Совокупность всех живых организмов на нашей планете. Именно Вернадский показал, что деятельность живых существ — важнейший фактор геологических изменений планеты.

• Косное вещество

Формируется без участия живых организмов. Базальт, гранит, песок, золотоносные руды. К косному веществу можно отнести горные породы магматического происхождения, образовавшиеся в результате извержения вулканов.

• Биогенное вещество

Это вещество образуется живыми организмами в процессе их жизнедеятельности. Примерами биогенного вещества могут послужить залежи известняка, природный газ, кислород, нефть, каменный уголь, торф.

• Биокосное вещество

Биокосное вещество создается одновременно деятельностью живых организмов и косными процессами. Таким образом, биокосное вещество объединяет в себе живое и косное вещества.

К биокосному веществу относятся пресная и соленая вода, почва, воздух. Почва является верхним наиболее плодородным слоем литосферы Земли. Почва — уникальный продукт совместной деятельности живых организмов, то есть биологических и геологических процессов, протекающих в живой природе.

Функции живого вещества

Важнейший компонент биосферы — живое вещество, то есть — живые организмы. Их деятельность приводит к наиболее значительным геологическим изменениям в биосфере, они обеспечивают круговорот веществ — главное условие зарождения новой жизни.

Перечислим важнейшие функции живого вещества:

• Энергетическая

Живые организмы постоянно получают и преобразуют энергию. Растения преобразуют энергию солнечного света в энергию химических связей, а животные передают ее по цепочке. После смерти растений и животных энергия возвращается в круговорот благодаря бактериям и грибам — сапротрофам (греч. sapros – гнилой), разлагающим мертвое органическое вещество.

• Газовая

Деятельность живых организмов обеспечивает постоянный газовый состав атмосферы. В ходе дыхания животные поглощают кислород и выделяют углекислый газ, а растения в ходе фотосинтеза поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Бактерии хемотрофы также выделяют в атмосферу некоторые газы, полученные окислением сероводорода, азота.

• Концентрационная

Я никогда не перестану восхищаться этой функцией живого вещества. Вы только вдумайтесь: на одной и той же почве, рядом друг с другом, растут совершенно разные растения по форме, размеру и окраске плодов, цветков! Каждый раз задумываешься: как это возможно?

Это связано с тем, что каждое живое существо избирательно накапливает определенные химические элементы. К примеру, многие моллюски накапливают кальций, образуют известковый скелет — раковину. После их смерти раковины опускаются на дно, в результате чего создаются залежи полезных ископаемых — известняка (мела).

В результате жизнедеятельности мха сфагнума образуется полезное ископаемое — торф, а папоротниковидные образуют каменный уголь. Это концентрат углеродистых и кальциевых соединений в погибших растениях, которые тысячелетиями отмирали и образовали залежи ископаемых.

• Окислительно-восстановительная

Живые организмы способны окислять и восстанавливать различные химические вещества. На реакциях окисления и восстановления основан метаболизм (обмен веществ) любого живого существа, подобные реакции протекают постоянно в ходе фотосинтеза, энергетического обмена.

• Деструктивная

Без разрушения «старой» жизни, невозможно возникновение «новой». После смерти живых существ их останки подвергаются разрушению, из них высвобождается энергия, накопленная в связях химических веществ. Непрерывный круговорот должен продолжаться всегда — это главное условие жизни.

Теория биогенной миграции атомов Вернадского В.И.

При непосредственном участии живого вещества в биосфере непрерывно осуществляется биогенная миграция атомов. Даже сейчас, с каждым вашим вдохом, атомы кислорода соединяются с гемоглобином эритроцитов, доставляются по крови к клеткам тканей организма и становятся частью ваших клеток.

Откуда взялся кислород, которым мы дышим? Его в процессе фотосинтеза выделили растения. Для процесса фотосинтеза необходим углекислый газ, который в процессе дыхания выделяют животные, углекислый газ, который образуется при разложении останков растений и животных. Получается круговорот атомов.

Все атомы, которыми мы обладаем, которые стали частью наших рук, глаз, носа, языка — все эти атомы кому-то принадлежали до нас! За миллиарды лет существования Земли они успели побывать в мириадах растений, грибов и животных. То, что наши атомы сейчас с нами — великое чудо и немыслимая случайность.

Я искренне восхищаюсь этой теорией, она показывает непрерывность жизни, бесконечность нашего существования и единство всего живого.

Ноосфера

Ноосфера (греч. noos — разум и sphaira — шар) — термин введенный русским ученым В.И. Вернадским. Ноосфера подразумевает взаимодействие природы и общества, при котором человек является главным определяющим фактором эволюции. Человек становится крупнейшей геологической силой.

Споры о том, можно ли считать современный этап развития цивилизации ноосферой остаются открытыми. Основная идея ноосферы — разумное, рациональное поведение человека, при котором он сосуществует в гармонии со всеми другими формами жизни.

К сожалению, нынешняя ситуация напоминает старую поговорку: «Пока не потеряешь, не осознаешь ценность». Неужели растения должны исчезнуть с лица Земли, чтобы мы вспомнили о том, что благодаря фотосинтезу в их листьях мы дышим кислородом? В этом случае чувство нашего ложного величия может сильно пострадать.

Круговорот веществ

Углерод находится в природе в основном в составе углекислого газа, угольной кислоты и ее нерастворимых солей — карбоната кальция (из которого состоят раковины моллюсков). Отмирая, живые организмы образуют залежи полезных ископаемых: торф, древесину, каменный уголь, нефть. Известняк может надолго исключить углерод из круговорота веществ.

Подобно этому, долгое время нефть и уголь были почти полностью исключены из круговорота веществ, однако в настоящее время человек «вернул их в строй» вместе с выхлопными газами.

Азот находится в воздухе, которым мы дышим, и составляет 78% от его объема. Большая часть азота поступает в почву и воду благодаря деятельности микроорганизмов, бактерий и водорослей.

Широко известны клубеньковые бактерии на корнях бобовых растений, находящиеся с ними в симбиозе. Клубеньковые бактерии переводят атмосферный азот в нитраты, которые необходимы для роста и развития растения и могут быть усвоены им, в отличие от атмосферного азота (газа).

В листьях в процессе биосинтеза азот преобразуется в белки. Травоядные животные поедают растения, таким образом, белок включается в их состав. После смерти животных белки разлагаются сапротрофами, которые выделяют аммиак, нитраты. Часть нитратов усваивается растениями, а часть восстанавливается бактериями до атмосферного азота — цикл замыкается.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2022

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Электронная библиотека

К 155-летию академика В.И. Вернадского

12 марта исполнилось 155 лет со дня рождения Владимира Ивановича ВЕРНАДСКОГО – великого русского ученого-энциклопедиста планетарного масштаба, величайшего мыслителя современности, основоположника геохимии, биогеохимии, радиогеологии, учения о биосфере и ноосфере, которого заслуженно называют «Ломоносовым ХХ столетья». Его научное наследие известно далеко за пределами России и стало общим достоянием человечества. Учение В.И. Вернадского о живом веществе, биосфере и ее преобразовании в ноосферу во всем мире признано основой устойчивого развития человечества.

В.И. Вернадский: Научная мысль как планетное явление

Данное электронное издание книги В. И. Вернадского «Научная мысль как планетное явление» готовилось с конца 1999 года по изданию: В. И. Вернадский, Научная мысль как планетное явление, Отв. ред. А. Л. Яншин, Москва, «Наука», 1991

В.И. Вернадский Сборник цитат

В книгу вошли цитаты из фундаментальных работ В.И.Вернадского «Биосфера», «Научная мысль как планетное явление», трудов по философии естествознания, трудов по истории науки, а также публицистических статей разного периода жизни учёного.

В.И. Вернадский «Размышления натуралиста».

Публикация второй книги труда акад. В.И. Вернадского, объединенного редколлегией под общим названием «Размышления натуралиста». Книга включает последнюю работу ученого — незавершенное исследование «Научная мысль как планетное явление», посвященное вопросам эволюции биосферы и перехода биосферы в ноосферу. Текст работы публикуется впервые (с купюрами) по рукописи, хранящейся в Архиве АН СССР/РАН в фонде В. И. Вернадского (Ф. 518), Книга снабжена именным и предметным указателями.

В.И. Вернадский Очерки по истории естествознания в России в XVIII столетии

Это самое крупное исследование В. И. Вернадского по истории русской науки. Подлинник (типографский оттиск I главы с авторской правкой и рукопись III-VI глав) хранится в Кабинете-музее В. И. Вернадского при Институте геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского АН СССР ( 1052-1053).

В.И. Вернадский «Биосфера и ноосфера»

В книгу включены наиболее значимые и актуальные произведения выдающегося отечественного естествоиспытателя и мыслителя В. И. Вернадского посвященные вопросам строения биосферы и ее постепенной трансформации в сферу разума — ноосферу. Трактат «Научная мысль как планетное явление» посвящен истории развития естествознания с древнейших времен до середины ХХ в. В заключительный раздел книги включены редко публикуемые публицистические статьи ученого. Книга представит интерес для студентов, преподавателей естественнонаучных дисциплин и всех интересующихся вопросами биологии, экологии, философии и истории науки.

биосфера | Национальное географическое общество

Биосфера состоит из частей Земли, где существует жизнь. Биосфера простирается от самых глубоких корневых систем деревьев до темной среды океанских впадин, пышных тропических лесов и высоких горных вершин.

Ученые описывают Землю в виде сфер. Твердый поверхностный слой Земли – литосфера. Атмосфера – это слой воздуха, который простирается над литосферой. Вода Земли — на поверхности, в земле и в воздухе — составляет гидросферу.

Поскольку жизнь существует на земле, в воздухе и в воде, биосфера перекрывает все эти сферы. Хотя размер биосферы составляет около 20 километров (12 миль) сверху донизу, почти вся жизнь существует на глубине от 500 метров (1640 футов) ниже поверхности океана до примерно 6 километров (3,75 мили) над уровнем моря.

Происхождение биосферы

Биосфера существует около 3,5 миллиардов лет. Самые ранние формы жизни в биосфере, называемые прокариотами, выживали без кислорода. Древние прокариоты включали одноклеточные организмы, такие как бактерии и археи.

Некоторые прокариоты разработали уникальный химический процесс. Они смогли использовать солнечный свет для получения простых сахаров и кислорода из воды и углекислого газа, процесс, называемый фотосинтезом. Эти фотосинтезирующие организмы были настолько многочисленны, что изменили биосферу. В течение длительного периода времени в атмосфере образовалась смесь кислорода и других газов, которая могла поддерживать новые формы жизни.

Добавление кислорода в биосферу позволило эволюционировать более сложным формам жизни.Развились миллионы различных растений и других фотосинтезирующих видов. Животные, которые потребляют растения (и других животных), эволюционировали. Бактерии и другие организмы эволюционировали, чтобы разлагать или разрушать мертвых животных и растения.

Биосфера получает пользу от этой пищевой сети. Останки мертвых растений и животных выделяют питательные вещества в почву и океан. Эти питательные вещества повторно поглощаются растущими растениями. Этот обмен пищей и энергией делает биосферу самоподдерживающейся и саморегулирующейся системой.

Биосферу иногда представляют как одну большую экосистему — сложное сообщество живых и неживых существ, функционирующих как единое целое. Однако чаще биосфера описывается как имеющая множество экосистем.

Биосферные заповедники

Люди играют важную роль в поддержании потока энергии в биосфере. Однако иногда люди нарушают этот поток. Например, в атмосфере уровень кислорода снижается, а уровень углекислого газа увеличивается, когда люди вырубают леса или сжигают ископаемое топливо, такое как уголь и нефть.Разливы нефти и промышленные отходы угрожают жизни в гидросфере. Будущее биосферы будет зависеть от того, как люди взаимодействуют с другими живыми существами в пределах зоны жизни.

В начале 1970-х годов Организация Объединенных Наций учредила проект под названием «Человек и биосфера» (MAB), который способствует устойчивому развитию. Сеть биосферных резерватов существует для установления рабочих, сбалансированных отношений между людьми и миром природы.

В настоящее время в мире насчитывается 563 биосферных заповедника.Первый биосферный заповедник был создан в Янгамби, Демократическая Республика Конго. Янгамби, в плодородном бассейне реки Конго, насчитывает 32 000 видов деревьев и такие эндемичные виды, как лесные слоны и красные речные свиньи. Биосферный заповедник в Янгамби поддерживает такие виды деятельности, как устойчивое сельское хозяйство, охота и добыча полезных ископаемых.

Один из новейших биосферных заповедников находится в Яю, Эфиопия. Район разработан для сельского хозяйства. Регулярно выращиваются такие культуры, как мед, древесина и фрукты.Однако самым прибыльным и ценным ресурсом Яю является местный вид растений, Coffea arabica . Этот кустарник является источником кофе. Яю имеет самый большой источник дикого Coffea arabica в мире.

1.5: Биосфера — Биология LibreTexts

ВВЕДЕНИЕ

Биосфера — это область земли, которая охватывает все живые организмы: растения, животные и бактерии. Это особенность, которая отличает Землю от других планет Солнечной системы.«Био» означает «жизнь», а термин «биосфера» впервые был введен русским ученым (Владимиром Вернадским) в 1920-х годах. Иногда используется еще один термин: экосфера («эко» означает дом). Биосфера включает внешнюю область Земли ( литосфера ) и нижнюю часть атмосферы ( тропосфера ). Он также включает гидросферу , регион озер, океанов, рек, льдов и облаков, составляющих водные ресурсы Земли. Традиционно считается, что биосфера простирается от дна океанов до самых высоких горных вершин, слой со средней толщиной около 20 километров.Ученые теперь знают, что некоторые формы микробов живут на больших глубинах, иногда на несколько тысяч метров в земной коре.

Тем не менее, биосфера — это очень крошечная область в масштабах всей Земли, аналогичная толщине кожуры на яблоке. Основная масса живых организмов на самом деле обитает в небольшой части биосферы, примерно от 500 метров ниже поверхности океана до примерно 6 километров над уровнем моря.

Динамические взаимодействия происходят между биотической областью (биосфера) и абиотическими областями (атмосфера, литосфера и гидросфера) Земли.Между регионами происходит обмен энергией, водой, газами и питательными веществами в различных пространственных и временных масштабах. Такие обмены зависят от окружающей среды регионов и могут быть изменены ею. Например, химические процессы ранней жизни на Земле (например, фотосинтез, дыхание, образование карбонатов) превратили восстановительную древнюю атмосферу в окислительную (свободный кислород) среду сегодняшнего дня. Взаимодействующие процессы между биосферой и абиотическими областями работают для поддержания своего рода планетарного равновесия.Эти процессы, а также те, которые могут нарушить это равновесие, связаны с рядом научных и социально-экономических проблем.

Изучение взаимоотношений живых организмов друг с другом и с окружающей их средой составляет наука, известная как экология . Слово «экология» происходит от греческих слов «ойкос» и «логос» и буквально означает «учение о доме». Экологию земли можно изучать на различных уровнях: индивидуум (организм), популяция , сообщество , экосистема , биом или вся биосфера .Разнообразие живых организмов, населяющих окружающую среду, является мерой ее биоразнообразия .

ОРГАНИЗМЫ

Жизнь развилась после образования океанов, поскольку океанская среда обеспечивала необходимые питательные вещества и поддерживающую среду для первоначальных простых организмов. Он также защищал их от жесткого атмосферного ультрафиолетового излучения. По мере того как организмы становились все более сложными, они в конце концов стали способны жить на суше. Однако этого не могло произойти до тех пор, пока атмосфера не стала окислительной и не образовался защитный озоновый слой, блокирующий вредное УФ-излучение.Примерно за последние четыре миллиарда лет организмы диверсифицировались и адаптировались ко всем видам окружающей среды, от ледяных регионов у полюсов до теплых тропиков у экватора, и от глубин каменистой коры земли до верховьев земной коры. тропосфера.

Несмотря на свое разнообразие, все живые организмы имеют определенные характеристики: все они размножаются и все используют ДНК для выполнения процесса размножения. По строению клеток организмы можно разделить на два типа: эукариоты и прокариоты.

Основное различие между ними состоит в том, что у эукариот есть ядро, которое содержит его ДНК, а у прокариот ядра нет, а вместо этого его ДНК свободно плавает в клетке. Бактерии — это прокариот , а люди — эукариоты. Организмы также можно классифицировать в зависимости от того, как они приобретают энергию. Автотрофы — это «самопитатели», которые используют свет или химическую энергию для приготовления пищи. Растения – автотрофы. Гетеротрофы (т.е. «другие питающиеся») получают энергию, поедая другие организмы или их останки. Бактерии и животные — гетеротрофы. Группы физически и генетически родственных организмов можно разделить на видов . На Земле существуют миллионы видов, большинство из которых не изучены, а многие неизвестны. Насекомые и микроорганизмы составляют большинство видов, в то время как люди и другие млекопитающие составляют лишь небольшую часть. В экологическом исследовании отдельный представитель вида или организма известен как особь .

НАСЕЛЕНИЕ И СООБЩЕСТВА

Количество особей одного и того же вида на данной территории составляет популяцию . Число обычно колеблется от нескольких человек до нескольких тысяч человек. Бактериальные популяции могут исчисляться миллионами. Популяции живут в месте или среде, называемой средой обитания . Все популяции видов в данном регионе вместе составляют сообщество . В области тропических пастбищ сообщество может состоять из трав, кустарников, насекомых, грызунов и различных видов копытных млекопитающих.

Популяции и сообщества, встречающиеся в конкретной среде, определяются абиотическими и биотическими лимитирующими факторами . Это факторы, которые в наибольшей степени влияют на успех популяций. Абиотические лимитирующие факторы связаны с физическими и химическими характеристиками окружающей среды. Некоторые из этих факторов включают: количество солнечного света, годовое количество осадков, доступные питательные вещества, уровень кислорода и температуру. Например, количество годовых осадков может определять, является ли регион пастбищем или лесом, что, в свою очередь, влияет на типы живущих там животных.

Каждая популяция в сообществе имеет диапазон толерантности для абиотического ограничивающего фактора. Существуют также определенные максимальные и минимальные требования, известные как пределы толерантности , выше и ниже которых ни один член населения не может выжить. Диапазон абиотического фактора, который приводит к наибольшей популяции вида, известен как оптимальный диапазон для этого фактора. Некоторые группы населения могут иметь узкий диапазон толерантности к одному фактору. Например, пресноводные виды рыб могут иметь узкий диапазон толерантности к растворенному в воде кислороду.Если озеро, в котором обитает этот вид рыб, подвергнется эвтрофикации, этот вид погибнет. Таким образом, этот вид рыб может выступать в качестве вида-индикатора , поскольку его присутствие или отсутствие является строгим индикатором состояния озера в отношении содержания растворенного кислорода.

Биотические ограничивающие факторы включают взаимодействие между различными популяциями, например, конкуренцию за пищу и среду обитания. Например, увеличение популяции хищника, питающегося мясом, может привести к уменьшению популяции его травоядной добычи, что, в свою очередь, может привести к увеличению популяции растений, которыми питается добыча.Иногда присутствие определенного вида может существенно повлиять на состав сообщества. Такой вид известен как ключевой вид . Например, бобр строит плотину на ручье и затапливает луг за ней. Морская звезда не дает мидиям доминировать на каменистом пляже, тем самым позволяя существовать там многим другим видам.

ЭКОСИСТЕМЫ

Экосистема — это сообщество живых организмов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей средой.Экосистемы бывают всех размеров. Приливный бассейн, пруд, река, альпийский луг и дубовый лес — все это примеры экосистем. Организмы, живущие в той или иной экосистеме, приспособлены к сложившимся абиотическим и биотическим условиям. Абиотические условия включают как физические, так и химические факторы (например, солнечный свет, вода, температура, почва, преобладающий ветер, широта и высота над уровнем моря). Чтобы понять поток энергии и вещества в экосистеме, необходимо изучить пищевые отношения живых организмов в ней.

Живые организмы в экосистеме обычно группируются в зависимости от того, как они добывают пищу. Автотрофы, производящие себе пищу, известны как производители , а гетеротрофы, питающиеся другими организмами, живыми или мертвыми, известны как консументы . Производители включают наземные и водные растения, водоросли и микроскопический фитопланктон в океане. Все они готовят себе пищу, используя химические вещества и источники энергии из окружающей среды.

Например, растения используют фотосинтез для производства сахара (глюкозы) из углекислого газа и воды.Используя этот сахар и другие питательные вещества (например, азот, фосфор), усваиваемые их корнями, растения производят разнообразные органические материалы. Эти материалы включают: крахмалы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты. Таким образом, энергия солнечного света фиксируется как пища, используемая ими самими и потребителями.

Потребители делятся на разные группы в зависимости от источника их пищи. Травоядные животные (например, олени, белки) питаются растениями и известны как первичные потребители. Плотоядные (т.г. львы, ястребы, косатки) питаются другими консументами и могут быть отнесены к вторичным консументам . Они питаются первичными потребителями. Третичные потребители питаются другими хищниками. Некоторые организмы, известные как всеядные (например, медведи, крысы и люди), питаются как растениями, так и животными. Организмы, которые питаются мертвыми организмами, называются падальщиками (например, грифы, муравьи и мухи). Детритоядные (поедающие детрит, например, дождевые черви, термиты, крабы) питаются органическими отходами или фрагментами мертвых организмов.

Редуценты (например, бактерии, грибы) также питаются органическими отходами и мертвыми организмами, но они переваривают материалы вне своего тела. Разлагатели играют решающую роль в переработке питательных веществ, поскольку они превращают сложные органические вещества в неорганические питательные вещества, которые могут использоваться производителями. Если органическое вещество может быть разрушено редуцентами, оно называется биоразлагаемым .

В каждой экосистеме каждый потребительский уровень зависит от организмов более низкого уровня (например,г. первичный потребитель зависит от производителя, вторичный потребитель зависит от первичного потребителя и третичный потребитель зависит от вторичного потребителя). Все эти уровни, от производителя до третичного потребителя, образуют то, что известно как пищевая цепь . Сообщество имеет множество пищевых цепей, которые переплетаются в сложную пищевую сеть . Количество органического материала в пищевой сети называется ее биомассой . Когда один организм поедает другой, химическая энергия, запасенная в биомассе, передается с одного уровня пищевой цепи на другой.Большая часть потребляемой биомассы не превращается в биомассу потребителя. Только небольшая часть полезной энергии фактически передается на следующий уровень, обычно 10 процентов. Каждый более высокий уровень пищевой цепи представляет собой совокупную потерю полезной энергии. В результате получается пирамида энергетического потока , где производители образуют базовый уровень.

Если предположить, что эффективность каждого уровня составляет 10 процентов, то на третьем уровне потребителя будет использоваться только 0,1 процента энергии, доступной на начальном уровне производителя.Поскольку на вершине энергетической пирамиды доступно меньше энергии, то и потребителей верхнего уровня меньше. Таким образом, разрушение производственной базы пищевой цепи оказывает наибольшее влияние на потребителя верхнего уровня.

Население экосистемы постоянно колеблется в зависимости от изменений в окружающей среде, таких как осадки, средняя температура и доступный солнечный свет. Обычно такие изменения недостаточно радикальны, чтобы существенно изменить экосистемы, но катастрофические явления, такие как наводнения, пожары и извержения вулканов, могут опустошать сообщества и экосистемы.Может пройти много времени после такого катастрофического события, прежде чем сможет сформироваться новая зрелая экосистема. После серьезного нарушения состав сообщества меняется. Возникающее в результате сообщество видов меняется, поскольку быстрорастущие виды быстро вытесняются другими видами на раннем этапе после нарушения. Этот естественный процесс называется экологической сукцессией . Он включает в себя два типа последовательности: первичная последовательность и вторичная последовательность .

Первичная сукцессия – это развитие первой биоты в данном регионе, где жизнь не обнаружена.Примером этого являются окружающие районы, где вулканическая лава полностью покрыла регион или построила новый остров в океане. Первоначально там могут выжить только видов-первопроходцев , обычно лишайников и мхов , которые способны выдерживать плохие условия. Они способны выжить в сильно открытых районах с ограниченным количеством воды и питательных веществ. Лишайник, состоящий как из гриба, так и из водоросли, выживает за счет мутуализма. Грибок вырабатывает кислоту, которая еще больше растворяет бесплодную породу. Водоросли используют открытые питательные вещества, наряду с фотосинтезом, для производства пищи для обоих. Семена травы могут попасть в трещины, принесенные ветром или птицами. Трава растет, растрескивая камни, и, завершив свой жизненный цикл, вносит органическое вещество в крошащуюся породу, образуя почву. Со временем более крупные растения, такие как кустарники и деревья, могут заселить этот район, предлагая среду обитания и ниши для иммигрирующих животных. Когда достигается максимальная биота, которую может поддерживать экосистема, преобладает климаксное сообщество .Это происходит через сотни, если не тысячи лет, в зависимости от климата и местоположения.

Вторичная сукцессия начинается в другом месте, когда сообщество видов существующей экосистемы уничтожается пожаром, вырубкой леса или работой бульдозера на пустыре, оставляя только почву. Первые несколько сантиметров этой почвы, возможно, образовались из твердой породы за 1000 лет. Он может быть богат гумусом, органическими отходами, а может быть зарыблен готовыми семенами будущих растений. Вторичная сукцессия — это тоже новое начало, но с гораздо более быстрым отрастанием организмов.В зависимости от окружающей среды для сукцессии до климаксного сообщества может потребоваться от 100 до 200 лет при нормальных климатических условиях, когда сообщества проходят стадии ранних видов растений и видов животных , средних видов и поздних сукцессионных видов . Однако некоторые экосистемы невозможно восстановить.

БИОМЫ

Биосферу можно разделить на относительно большие регионы, называемые биомами. Биом имеет особый климат и определенные живые организмы (особенно растительность), характерные для региона, и может содержать множество экосистем.Ключевыми факторами, определяющими климат, являются среднегодовые осадки и температура. Эти факторы, в свою очередь, зависят от географии региона, таких как широта и высота над уровнем моря, а также горные преграды. Основные типы биомов включают: водные , пустынные , лесные , луга и тундровые . Биомы не имеют четких границ. Вместо этого есть переходная зона, называемая экотоном, в которой обитают разнообразные растения и животные.Например, экотон может быть переходной областью между пастбищами и пустыней, где обитают представители обоих видов.

Вода покрывает большую часть земной поверхности, поэтому водные биомы содержат богатое разнообразие растений и животных. Водные биомы можно разделить на два основных типа: пресноводные и морские .

Пресная вода имеет низкую концентрацию соли, обычно менее 1 процента, и встречается в нескольких типах регионов: пруды и озера, ручьи и реки и водно-болотные угодья. Пруды и озера различаются по размеру, а небольшие пруды могут быть сезонными. Иногда они имеют ограниченное видовое разнообразие из-за изоляции от других водных сред. Они могут получать воду из осадков, поверхностного стока, рек и родников. Ручьи и реки — это водоемы с проточной водой, движущиеся в одном общем направлении (т. е. вниз по течению). Ручьи и реки начинаются в своих верховьях, которые могут быть источниками, таянием снега или даже озерами. Они продолжают вниз по течению к своим устьям, которые могут быть другим ручьем, рекой, озером или океаном.Окружающая среда ручья или реки может меняться по всей ее длине: от чистой прохладной воды у истока до теплой, богатой наносами воды у устья. Наибольшее разнообразие живых организмов обычно наблюдается в среднем районе. Водно-болотные угодья — это места со стоячей водой, на которых растут водные растения, такие как рогоз, прудовики и кипарисы. Типы водно-болотных угодий включают болота, топи и топи. Водно-болотные угодья имеют самое большое видовое разнообразие со многими видами птиц, пушных зверей, амфибий и рептилий.Некоторые водно-болотные угодья, такие как солончаки, не являются пресноводными регионами.

Морские районы покрывают почти три четверти земной поверхности. Морские тела соленые, в них содержится около 35 граммов растворенной соли на литр воды (3,5 процента). Океаны — это очень крупные морские тела, занимающие доминирующее положение на земной поверхности и содержащие крупнейшие экосистемы. Они содержат богатое разнообразие живых организмов. Регионы океана можно разделить на четыре основные зоны: приливная , пелагическая , бентическая и абиссальная .Приливная зона — это место, где океан встречается с сушей. Иногда он затоплен, а иногда открыт, в зависимости от волн и приливов. Пелагиаль включает открытый океан, расположенный дальше от суши. Бентическая зона — это область ниже пелагической зоны, но не включая самые глубокие части океана. Дно этой зоны состоит из отложений. Самые глубокие части океана известны как абиссальная зона. Эта зона очень холодная (около точки замерзания) и находится под большим давлением вышележащей массы воды.Срединно-океанические хребты встречаются на дне океана в абиссальных зонах. Коралловые рифы находятся в теплых, чистых, мелководных водах тропических океанов вокруг островов или вдоль континентальных береговых линий.

В основном они образуются из карбоната кальция, вырабатываемого живыми кораллами. Рифы обеспечивают пищу и убежище для других организмов и защищают береговую линию от эрозии. Эстуарии — это частично закрытые территории, где пресная вода и ил из ручьев или рек смешиваются с соленой океанской водой. Они представляют собой переход от суши к морю и от пресной воды к соленой.Эстуарии являются биологически очень продуктивными районами и служат домом для самых разных растений, птиц и животных.

Пустыни – это засушливые районы, где испарение обычно превышает количество осадков. Количество осадков невелико — менее 25 сантиметров в год — и может быть очень изменчивым и сезонным. Низкая влажность приводит к резким перепадам температур между днем ​​и ночью. Пустыни могут быть горячими или холодными. Жаркие пустыни (например, Сонован) очень жаркие летом и имеют относительно высокие температуры в течение всего года и сезонные осадки. Холодные пустыни (например, Гоби) характеризуются холодными зимами и небольшим, но круглогодичным количеством осадков. В пустынях относительно мало растительности, а субстрат состоит в основном из песка, гравия или камней. Переходные регионы между пустынями и лугами иногда называют полузасушливыми пустынями (например, Большой бассейн на западе Соединенных Штатов).

Луга охватывают регионы, где умеренных осадков достаточно для роста трав, но недостаточно для насаждений деревьев.Существует два основных типа лугов: тропических лугов (саванны) и лугов умеренного пояса . Тропические луга встречаются в теплом климате, например, в Африке и в очень ограниченных регионах Австралии. На них есть несколько разбросанных деревьев и кустарников, но четко выраженные сезоны дождей и засухи препятствуют образованию тропических лесов. Меньшее количество осадков, более изменчивые зимние и летние температуры и почти полное отсутствие деревьев характеризуют пастбища умеренного пояса. Прерии — это луга с умеренным климатом на довольно большой высоте. Среди них могут преобладать длинно- или низкотравные виды. Обширные прерии, первоначально покрывавшие центральную часть Северной Америки, или Великие равнины, были результатом благоприятных климатических условий, созданных их большой высотой и близостью к Скалистым горам. Поскольку луга умеренного пояса безлесны, относительно плоские и имеют богатую почву, большинство из них было заменено сельскохозяйственными угодьями.

В лесах преобладают деревья, и их можно разделить на три типа: тропические леса , умеренные леса и бореальные леса .Тропические леса всегда теплые и влажные и встречаются в более низких широтах. Их годовое количество осадков очень велико, хотя в некоторых регионах могут быть отчетливые влажные и сухие сезоны. Тропические леса имеют самое высокое биоразнообразие этого биома. Леса умеренного пояса встречаются в средних широтах (например, в Северной Америке) и, следовательно, имеют четко выраженные времена года. Лето теплое, а зима холодная. Леса умеренного пояса претерпели значительные изменения в результате деятельности людей, которые расчистили большую часть лесных угодий для топлива, строительных материалов и сельскохозяйственных нужд.Бореальные леса расположены в более высоких широтах, например, в Сибири, где они известны как « тайга ». У них очень долгая холодная зима и короткий летний сезон, когда выпадает большая часть осадков. Бореальные леса представляют собой крупнейший биом на континентах.

Очень низкие температуры, мало осадков и низкое биоразнообразие характеризуют тундру. Растительность очень простая, деревьев практически нет. Тундру можно разделить на два разных типа: арктическая тундра и высокогорная тундра .Арктический альпийский встречается в полярных регионах. У него очень короткий летний вегетационный период. Вода скапливается в прудах и болотах, а под землей находится слой вечной мерзлоты, известный как вечная мерзлота. Альпийская тундра встречается на больших высотах в высоких горах. Температуры не такие низкие, как в арктической тундре, а летний вегетационный период здесь более продолжительный.

ЭВОЛЮЦИЯ ЖИЗНИ

Везде, где они встречаются в биосфере, живые организмы обязательно связаны с окружающей их средой. Экосистемы динамичны, и сообщества меняются со временем в ответ на абиотические или биотические изменения в окружающей среде. Например, климат может стать теплее или холоднее, влажнее или суше, или пищевая цепь может быть нарушена из-за потери определенной популяции или появления новой. Виды должны быть в состоянии адаптироваться к этим изменениям, чтобы выжить. По мере адаптации сами организмы претерпевают изменения. Эволюция — это постепенное изменение генетического состава популяции вида с течением времени.Важно отметить, что эволюционирует не индивидуум, а популяция.

Вид эволюционирует в определенную нишу, либо адаптируясь к использованию среды ниши, либо адаптируясь, чтобы избежать конкуренции с другим видом. Напомним, что никакие два вида не могут занимать одну и ту же нишу в экосистеме. Доступность ресурсов имеет решающее значение.

В случае с пятью видами камышевок, которые питаются насекомыми с одного и того же дерева, чтобы выжить, каждый вид должен собирать пищу (насекомых) в разных частях этого дерева.Это позволяет избежать конкуренции и возможного исчезновения одного или нескольких видов. Поэтому один из видов птиц приспособится к охоте на верхушках деревьев; другая нижняя ветвь; другая средняя часть. Таким образом, эти виды эволюционировали в разные, но похожие ниши. Все пять видов таким образом могут выжить, приспособившись к узкой нише. Организмы с узкой нишей называются специализированными видами . Другим примером является вид, который может занять узкую нишу, потребляя только один тип листьев, например гигантская панда, которая питается листьями бамбука.

Эта стратегия позволяет ему сосуществовать с другим потребителем, не конкурируя с ним. В обоих случаях виды с узкой нишей часто подвержены вымиранию, потому что они обычно не могут реагировать на изменения в окружающей среде. Эволюция в новую нишу заняла бы слишком много времени у специализированных видов, например, под давлением засухи.

С другой стороны, виды, которые могут использовать много пищи и мест для охоты или собирательства, известны как обобщенные виды .В случае засухи обобщенный вид, такой как таракан, может быть более успешным в поиске альтернативных форм пищи, выживет и размножится.

Еще одной формой эволюции является коэволюция , при которой виды приспосабливаются друг к другу путем тесного взаимодействия. Эти отношения могут быть типа взаимодействия хищник-жертва. Добыча находится в опасности, но как вид она развила химическую защиту или поведение. С другой стороны, коэволюция может представлять собой мутуалистические отношения, часто характерные для муравьев и акации в Южной Америке.Акация обеспечивает муравьев пищей и средой обитания, а ее большие торчащие шипы обеспечивают защиту от хищников. Муравьи, в свою очередь, защищают дерево, нападая на любое приземлившееся на него животное и расчищая растительность у его основания. Настолько тесно эволюционировали виды, что ни один из них не может существовать без другого.

Сходные экосистемы могут предлагать сходные ниши для организмов, адаптированных или эволюционировавших к этой нише. Конвергентная эволюция — это развитие сходных приспособлений у двух видов, населяющих разные, но сходные экосистемы.Два вида развиваются независимо, чтобы отвечать требованиям своей экосистемы, и для этого они вырабатывают один и тот же механизм. Возникают приспособления, напоминающие двойников: крылья птиц и летучих мышей похожи, но развились отдельно, чтобы соответствовать требованиям полета по воздуху. Дельфин, млекопитающее, имеет те же приспособления, которые позволяют передвигаться в воде, с вымершей рептилией ихтиозавром. У них похожие обтекаемые формы плавников, головы и носа, что делает тела более приспособленными для плавания.

Естественный отбор — это еще один процесс, зависящий от способности организма выживать в меняющейся среде. В то время как эволюция — это постепенное изменение генетического состава с течением времени, естественный отбор — это сила, которая благоприятствует полезному набору генов.

Например, птицы, мигрирующие на остров, сталкиваются с конкуренцией за насекомых на тропическом дереве. Один генетический пул нового поколения может включать более длинный клюв, который позволяет птице доставать нектар из тропического цветка.Когда большие популяции птиц конкурируют за насекомых, эта способность использовать нишу сбора нектара способствует выживанию этой птицы. Ген длинноклюва передается следующему поколению, потому что птицы могут сосуществовать с птицами-собирателями насекомых, используя другую нишу. Благодаря воспроизведению выживших птиц с более длинным клювом естественный отбор способствует их приспособляемости.

Вид, семейство или большая группа организмов могут в конце концов прийти к концу своей эволюционной линии. Это известно как вымирание . Плохие новости для тех, кто вымер, это естественное явление, происходящее с момента зарождения жизни на Земле. Вымирание видов постоянно происходит с некоторой фоновой скоростью, которая обычно соответствует видообразованию. Таким образом, в мире природы происходит постоянный оборот видов.

Иногда за относительно короткий геологический период вымирало большое количество видов. Крупнейшее массовое вымирание в истории Земли произошло в конце пермского периода, 245 миллионов лет назад.Целых 96 процентов всех морских видов были потеряны, в то время как на суше вымерло более 75 процентов всех семейств позвоночных. Хотя фактическая причина этого вымирания неясна, все согласны с тем, что изменение климата, вызванное изменением уровня моря и усилением вулканической активности, было важным фактором. Самое известное из всех массовых вымираний произошло на рубеже мелового и третичного периодов, 65 миллионов лет назад. Вымерло около 85 процентов видов, включая всех динозавров. Большинство ученых считают, что это вымирание спровоцировало падение небольшого астероида недалеко от полуострова Юкатан в Мексике. Воздействие, вероятно, вызвало резкое изменение мирового климата.

Наиболее серьезное вымирание млекопитающих произошло около 11 000 лет назад, когда заканчивался последний ледниковый период. Всего за несколько столетий вымерло большинство крупных млекопитающих мира, таких как мамонты. Хотя изменение климата могло быть фактором их вымирания, на Земле также появилась новая сила — современные люди.Люди с помощью нового остроконечного оружия и методов охоты, возможно, ускорили вымирание крупных наземных млекопитающих. На протяжении многих лет человеческая деятельность продолжала отправлять многие виды на раннее исчезновение. Наиболее известными примерами являются странствующий голубь и птица додо, но многие другие виды, многие из которых неизвестны, погибают в результате чрезмерного вылова и других антропогенных разрушений, деградации и фрагментации среды обитания.

Биосфера: значение, примеры и факты

Биосфера также известна как экосфера.Это всемирная сумма всех экосистем, включающая все формы жизни и их взаимоотношения, в том числе их взаимодействие с элементами атмосферы, гидросферы и литосферы.

Проще говоря, биосфера — это пространство на поверхности Земли или вблизи нее, где земля, воздух и вода взаимодействуют друг с другом для поддержания жизни. Он колеблется от высот до 12500 метров над уровнем моря до глубин не менее 8000 метров в океане.

Считается, что биосфера сформировалась около 3.5 миллиардов лет назад. Есть множество других интригующих фактов об этой зоне, которые вы, возможно, захотите узнать. Но прежде чем мы рассмотрим некоторые факты, давайте рассмотрим важность биосферы .

Важность биосферы

Биосфера играет неотъемлемую роль в поддержании жизни организмов и их взаимодействий. Это жизненно важный элемент в регулировании климата. А именно, изменение биосферы вызывает изменение климата .

Более того, биосфера является неотъемлемым резервуаром углеродного цикла.Разобьем все это на 7 пунктов, которые легче понять:

1. Способствует жизни на Земле

Для выживания организмов на Земле должны существовать различные условия окружающей среды, такие как благоприятная температура и влажность. Организмы также нуждаются в энергии и питательных веществах. Все минеральные и животные питательные вещества, необходимые для поддержания жизни, находятся в биосфере Земли.

Питательные вещества, присутствующие в мертвых организмах или продуктах жизнедеятельности клеток, снова превращаются в соединения, которые другие формы жизни могут использовать в качестве пищи.Эта рециркуляция питательных веществ важна, потому что вне биосферы нет источника пищи.

2. Производство органических веществ

Кислород и азот производятся в биосфере в результате кислородного фотосинтеза. Эти вещества ответственны практически за каждый биохимический процесс производства органических веществ. Органическое вещество образуется в ходе углеродного цикла, в котором участвуют как наземные, так и органические субстраты.

3. Обеспечивает сырьем и продуктами питания

Живые компоненты биосферы, также известные как биота, играют неотъемлемую роль в обеспечении нас сырьем, необходимым для выживания: пищей, топливом и клетчаткой.

4. Очищает Землю от токсичных веществ

Естественные циклы разложения и биологической модификации, происходящие в биосфере, помогают планете Земля выводить токсины и другие компоненты, которые могут быть опасны для жизни. Например, углекислый газ утилизируется в процессе фотосинтеза, а органические отходы повторно используются биотой.

5. Обеспечение фармацевтическими соединениями

Практически все вещества, используемые сегодня в фармацевтической промышленности, получены из соединений, которые естественным образом существуют в земной биосфере.

Продолжающиеся биологические исследования в регионах с высокой биологической плотностью, таких как Амазонка в Южной Америке и Юго-Восточной Азии, предоставили ученым новые элементы, которые использовались в фармацевтических целях, от химиотерапии до косметических процедур.

6. Может служить маркером загрязнения

Изучение и контроль состава биосферы могут служить эффективным маркером для контроля уровня загрязнения земли. Это также поможет установить, действительно ли международные договоры и государственная политика оказали реальное влияние на существующие уровни загрязнения планеты.

Таким образом, на основе информации, полученной в результате изучения биосферы, можно проводить исторические, а также межрегиональные сравнения, показывающие изменения и вариации уровней загрязнения в различных экосистемах.

7. Может помочь отслеживать загрязняющие вещества

Изучив состав биосферы, вы сможете точно сказать, что представляют собой загрязняющие вещества, вызванные деятельностью человека, и как они действуют.

Это поможет государствам и международному сообществу инициировать исследования и политику, направленные на борьбу с загрязнителями и сохранение физической окружающей среды.

Теперь давайте быстро взглянем на примеры биосферы, прежде чем мы закончим с фактами.

Примеры биосферы

Биосфера состоит из живых организмов и физической среды. Физическая среда состоит из неживых компонентов, таких как каменистое вещество земной коры, вода, свет и атмосферный газ.

Все формы жизни в биосфере подразделяются на разные уровни сложности. Слои варьируются от отдельного организма до популяций и экосистем.Экосистема включает в себя все живые существа в данной области, а также все неживые компоненты этой области.

Экосистемы можно разделить на несколько основных биомов. Каждый биом характеризуется определенным типом географии, климата и растительности. Примеры биомов в биосфере включают:

15 важных фактов о биосфере

Факт 1: Геологу Эдуарду Зюссу приписывают введение термина «биосфера» в 1875 году. Он определил биосферу как место на поверхности земли, где обитает жизнь.

Факт 2: Считается, что биосфера эволюционировала. Эта эволюция началась с процесса биопоэза или биогенеза по крайней мере 3,5 миллиарда лет назад. Биопоэз — это процесс, в ходе которого жизнь создается естественным образом из неживой материи, а биогенез — это процесс, в котором жизнь создается из живой материи.

Факт 3: Пока что биосфера — единственное место во Вселенной, где существует жизнь.

Факт 4: Многие элементы играют жизненно важную роль в существовании биосферы.К ним относятся наклон Земли, расстояние от Земли до Солнца и времена года.

Факт 5: По мнению ученых, Земле около 3,7 миллиардов лет. Это означает, что биосфера примерно того же возраста.

Факт 6: Точную внешнюю границу биосферы определить трудно. Это связано с тем, что некоторые птицы, стервятники Руппеля, могут летать на высоту до 11 300 метров.

Факт 7: Глубину биосферы также трудно определить.Известно, что некоторые рыбы обитают на глубине до 8300 метров в желобе Пуэрто-Рико.

Факт 8: Биосфера разделена на несколько биомов, населенных во многом сходной флорой и фауной. Широта — главный элемент, разделяющий биомы на суше. Биомы Арктического и Южного полярных кругов несколько лишены растительной и животной жизни. Большинство густонаселенных биомов находятся вблизи экватора.

Факт 9: Биосфера состоит больше из воды, чем из суши.

Факт 10: Помимо земной биосферы существуют еще и искусственные биосферы, к которым относятся Биосфера 2 и Биосфера 3. Биосфера 1 – биосфера Земли.

Факт 11: Биосфера 2 находится в США в городе Оракл, штат Аризона. Это научно-исследовательский центр, крупнейшая в мире искусственная замкнутая экологическая система. Его первоначальная цель состояла в том, чтобы определить возможность такой системы поддерживать жизнь в космосе. Биосфера 2 использовалась только дважды, поскольку возникли проблемы, связанные с кислородом и едой, а также с проблемами управления.

Факт 12: Биосфера 3 базируется в России. Эта закрытая экосистема представляет собой подземную стальную конструкцию, в которой могут разместиться 3 человека. Самый продолжительный эксперимент в «Биосфере-3» длился 180 дней.

Факт 13: Ученые продолжают работу над созданием искусственной биосферы, которая сможет поддерживать жизнь на других планетах, таких как Марс.

Факт 14: Существование внеземных биосфер остается гипотезой. Еще предстоит доказать, что существуют другие биосферы за пределами Земли.

Факт 15: По всему миру существует множество биосферных заповедников, где предпринимаются согласованные усилия по сохранению окружающей среды. На самом деле существует 669 биосферных заповедников, расположенных в 120 странах мира.

Каталожные номера

:

https://www.

nationalgeographic.org/encyclopedia/biosphere/

https://www.britannica.com/science/biosphere/The-importance-of-the-biosphere

Фото: Penstones

1.1 Что такое биосфера? | Биосфера

Изучив семь жизненных процессов, мы теперь знаем, что нужно животным, растениям и другим живым организмам для того, чтобы сделать , чтобы считаться живыми.Чтобы остаться в живых, этим живым организмам требуются (нуждаются) определенные вещи или особые условия. В этом разделе мы собираемся изучить требования, необходимые для поддержания жизни .

Ответы на это задание приведены в последующем тексте. Чтобы учащиеся сначала подумали об ответах и ​​обсудили их, а не просто читали их в тексте, возможно, попросите их сначала делать заметки в отдельной тетради или на листе бумаги и провести обсуждение в классе, прежде чем открывать рабочие тетради и разрешать им затем сделать несколько заметок.

Представьте, что вы являетесь командой разработчиков первой Международной космической станции на Луне, аналогичной Международной космической станции, уже находящейся на орбите Земли, но расположенной на Луне!

Международная космическая станция на орбите Земли, вид сверху.

ИНСТРУКЦИИ:

1. Работа в группах по четыре человека.
2. Как вы думаете, что потребуется для жизни астронавтам и растениям, живущим на новой лунной станции? Обсудите пять наиболее важных требований, которые вам необходимо выполнить, чтобы астронавты и растения остались живы на вашей Лунной космической станции.
3. Объясните, почему ваша группа выбрала эти пять требований как наиболее важные для поддержания жизни. Запишите свои заметки из группового обсуждения в отведенных для этого строках. Решите, кто из членов вашей группы расскажет о ваших выводах остальному классу.

Проведите обсуждение в классе после того, как закончите обсуждение в группе.

---

---

---

---

---

---

---

---

Когда группы закончат обсуждение своих наиболее важных требований, пусть группы поделятся своими списками с другими группами и проведут обсуждение в классе.Перечислите их ответы на доске и отметьте каждый из них, который повторяется — например, «Еда/Кислород/Вода» может повторяться, поэтому каждый раз, когда он повторяется, отмечайте его галочкой. Таким образом, они смогут быстро увидеть, какие требования чаще всего повторяются в классе. Учащиеся могут определить «Пищу», а не энергию. Напомните им, что они также должны думать о растениях, которым не нужно есть пищу. Поэтому спросите учащихся, какой термин они могли бы использовать в качестве более общего термина для обозначения еды? Это связано с питанием в семи жизненных процессах.Ответ заключается в том, что живым существам нужен источник энергии. Если учащиеся не приходят к выводу, что живым существам нужны «благоприятные/хорошие/оптимальные температуры», задайте им несколько наводящих вопросов, например: «Как вы думаете, нужно ли обогревать или охлаждать космическую станцию? Почему? Воля люди и растения смогут выжить при температуре на Луне? ‘ и т. д.

Живые организмы требуют определенных условий или вещей, чтобы оставаться в живых.Мы говорим, что эти вещи или условия поддерживают жизнь.

Вы обсудили некоторые из этих требований в предыдущем упражнении. Вы пришли с такими же или похожими требованиями? Живым организмам для выживания требуется следующее:

Далее мы рассмотрим их более подробно.

Энергия : Все живые организмы нуждаются в энергии, чтобы оставаться в живых и выполнять жизненные процессы. Растениям нужна энергия солнечного света для фотосинтеза. Другие организмы получают энергию из пищи, которую они едят.

Газы : Все живые существа нуждаются в кислороде для клеточного дыхания. Кислород используется для высвобождения энергии из питательных веществ и углекислого газа, а вода образуется как побочный продукт дыхания. Зеленые растения также нуждаются в углекислом газе для фотосинтеза.

Вода жизненно необходима. Каждый организм на нашей планете нуждается в воде для жизни.

Почва поддерживает жизнь на Земле. Большинство растений зависят от почвы в качестве поддержки, минералов и воды. Без почвы растения не смогли бы производить пищу, от которой зависят животные и другие организмы.

Благоприятные температуры : Все организмы приспособлены к жизни при определенной температуре. В целом, наша планета имеет благоприятные температуры для поддержания жизни. Земля находится на оптимальном расстоянии от Солнца, чтобы было не слишком жарко, как на Меркурии, и не слишком холодно, как на Нептуне.

Давайте узнаем, какие требования предъявляются к выращиванию рассады. Мы научимся проводить научные исследования для этого.

Начать выращивать рассаду в начале семестра на первом занятии.Предлагается разбить класс на группы и поручить каждой группе отдельное требование для исследования. Например, одна группа должна проверить, нужна ли вода, одна группа должна проверить, нужен ли свет, одна группа должна проверить благоприятную температуру. Каждая группа также должна провести контроль, чтобы все они могли попытаться заставить семена прорасти.

В этом исследовании мы собираемся прорастить семена фасоли (или любые другие семена, которые даст вам учитель).Каждая группа в классе будет проверять различные требования к прорастанию и росту рассады.

Гипотеза — это обоснованное предположение о том, каким будет результат исследования. Гипотеза формулируется перед началом исследования и должна быть записана в виде утверждения и должна быть в будущем времени.

ЦЕЛЬ:

У научного исследования всегда есть цель или вопрос, на который нужно ответить.Какова цель этого расследования? Запишите, что вы хотите узнать.

---

---

«Чтобы узнать, что нужно растениям для роста». (Цель ДОЛЖНА начинаться со слов «Выяснить/Определить/Убедиться, что… и т. д. Это отличается от научного вопроса вроде «Что нужно растениям для роста?»)

ГИПОТЕЗА:

Гипотеза — это когда вы предполагаете (предполагаете), каким будет результат исследования.Это предсказание того, какими будут результаты. Напишите гипотезу этого исследования.

---

---

Ответ зависит от учащегося. Гипотеза должна включать предсказание о потребности в почве, свете, воде и благоприятной температуре. Например: «Растение лучше всего будет расти при ярком солнечном свете, меньше в тени и совсем не в полной темноте».

ПЕРЕМЕННЫЕ:

Ученые часто используют исследования для поиска причинно-следственных связей.Это означает, что они планируют эксперименты, чтобы исследовать, как изменения в одной части повлияют на другую. Эти изменяющиеся величины называются переменными . Обычно существует три вида переменных:

1. Независимые переменные: Это то, что вы меняете в исследовании. Вы контролируете независимую переменную. Например, если вы хотите выяснить, приводит ли употребление большого количества сахара к увеличению веса, то количество съеденного сахара является независимой переменной.Вы контролируете, сколько сахара вы едите. Мы хотим добиться того, что называется ЧЕСТНЫМ ТЕСТОМ, что означает, что только ОДНА независимая переменная изменяется одновременно. После изменения независимой переменной ученый наблюдает, каким будет эффект. В примере с исследованием того, заставляет ли сахар набирать вес, вы не можете в то же время исследовать, вызывают ли физические упражнения похудение. Это не будет честным испытанием.
2. Зависимые переменные: Зависимая переменная — это то, что вы наблюдаете в ходе исследования.Вы не меняете его. Зависимая переменная будет изменяться в зависимости от независимой переменной. Например, в исследовании, направленном на то, чтобы выяснить, приводит ли употребление большого количества сахара к увеличению веса, зависимой переменной будет количество килограммов, которое вы набираете (или теряете) в результате употребления сахара. Насколько вы наберете вес, зависит от того, сколько сахара вы съели. Зависимые переменные должны быть измерены объективным образом с использованием чисел, насколько это возможно.
3. Контролируемые переменные: Это величины, которые ученый хочет оставить неизменными на протяжении всего эксперимента. Контролируемая переменная должна тщательно контролироваться, чтобы убедиться, что она остается неизменной. В примере, чтобы увидеть, заставляет ли сахар набирать вес, вы можете попросить одного человека есть много сахара, а другого человека не есть сахара, а затем увидеть изменения в весе. Есть некоторые вещи, которые должны оставаться неизменными для обоих этих людей, чтобы это был честный тест. Например, оба человека должны выполнять одинаковое количество упражнений, чтобы это не влияло на их вес. Это контролируемая переменная.

Обратите внимание учащихся на то, что зависимые переменные следует измерять, насколько это возможно, с помощью ЦИФРОВ, поскольку это приводит к таблицам и графикам. Им следует избегать субъективных оценок, таких как «хорошо выглядит» или «приятно ощущается». Это не наука.

Спросите учащихся, могут ли они придумать какие-либо другие переменные, которые необходимо оставить неизменными в этом примере. Они могут думать о таких вещах, как начальный вес людей должен быть одинаковым, они должны быть одного пола, одного возраста, они должны быть здоровы и не больны и т. д.

Вы также можете сделать контрольный тест. Например, в этом исследовании о росте растений вы уберете одно из условий роста. Вам нужно провести контрольный тест, когда другому растению предъявляются все требования, включая те, которые вы убрали на другом растении. Затем вы можете сравнить свой завод, на котором вы убрали одно требование, с контрольным заводом, у которого есть это требование, чтобы увидеть, есть ли разница.

Вы, учитель, можете решить, как провести это расследование.Возможно, учащиеся могут просто оценить, прорастает оно или нет, или они могут посмотреть, какой высоты вырастает растение, сколько у него листьев и т. д. В большинстве случаев семена, вероятно, не прорастут и не вырастут, если их положить в шкаф, холодильник или не дали воды. Так что лучший тест — просто посмотреть, прорастет он или нет.

Определите переменные для этого исследования.

Независимая переменная .Что вы измените?

---

---

Учащимся необходимо объяснить, что они изменят только один фактор, т. е. лишат растение света (поместив его в темный шкаф) или лишат воды (не полив), сохраняя при этом все остальные факторы неизменными.

Зависимая переменная .Что вы измерите, чтобы увидеть влияние независимой переменной на всхожесть и рост растения?

---

---

Контролируемые переменные и группа управления . Каким будет ваш контрольный тест и что вы оставите одинаковым между контрольным растением и тестируемым растением?

---

---

Учащиеся должны объяснить, как они сохранят остальные факторы одинаковыми в каждом случае, но изменят их только по одному.Важно, чтобы учащиеся понимали и обдумывали наличие контрольной группы, в которой есть все необходимые факторы/требования, позволяющие ей расти. Мы предлагаем включить более одной контрольной группы.

Приведенные выше вопросы дают учащимся возможность поразмышлять над своими переменными и контрольными группами. Как гр. У 7s, возможно, не было возможности работать с этими концепциями, крайне важно, чтобы вы потратили время на объяснение, почему требуется контрольная группа и почему на каждом из заводов должна быть изменена только одна переменная. Используйте приведенный выше пример для проверки того, приводит ли употребление слишком большого количества сахара к увеличению веса, чтобы учащиеся могли затем применить то, что вы обсуждаете в этом примере, к этому исследованию.

Помните, что контрольная группа — это особый вид группы сравнения.

МЕТОД:

В своей группе спланируйте, как вы собираетесь проводить расследование.Подумайте, какое требование вы тестируете и как вы уберете это требование. Например, если вы смотрите на свет, куда бы вы могли поместить семена, чтобы они не получали света? Помните, что если вы смотрите на свет, вам нужно убедиться, что контрольные и тестовые семена получают одинаковое количество воды. После того, как вы запланировали исследование на черновой бумаге и обсудили его со своим учителем, запишите приведенный ниже метод (в пронумерованных шагах), объяснив, что вы будете делать.

Пока группы обсуждают свой дизайн, пройдите и проверьте, что они на правильном пути, обсудите с ними это и окажите помощь.Помогите учащимся найти способы, с помощью которых они могут проверить требование, особенно если они смотрят на благоприятную температуру. Возможно, у вас есть холодильник, в который учащиеся могли бы положить семена? (Однако не забудьте учесть, будут ли растения получать свет в холодильнике). Найдите в классе подходящее место для растений контрольной группы, например, на освещенном подоконнике. Сколько семян учащиеся будут использовать для каждого экспериментального условия? Достаточно ли одного семени? Что может пойти не так, если используется только одно семя?

Предлагается дать учащимся несколько вариантов материалов для проращивания семян.Например, они могли использовать либо вату, либо газету, либо землю. Но что бы они ни использовали, оно должно быть одинаковым у контрольных и опытных растений в пределах одной группы. Не имеет значения, если разные группы делают разные вещи. Это действительно нужно поощрять.

Перед началом исследования учащиеся также должны подумать о том, как они будут записывать свои результаты. Если они просто смотрят, прорастают ли растения или нет, то, возможно, они могут нарисовать таблицу.Если они будут измерять, насколько растут растения, то для этого им понадобится таблица, а затем нужно будет нарисовать график. Если они измеряют рост рассады, рекомендуется использовать веревку для измерения высоты, а затем измерить длину веревки на линейке.

---

---

---

---

---

---

---

---

МАТЕРИАЛЫ И АППАРАТЫ:

Напишите список всех материалов и оборудования, которые вы будете использовать в этом расследовании.

---

---

---

---

---

---

РЕЗУЛЬТАТЫ И НАБЛЮДЕНИЯ:

Используйте это место для записи результатов вашего расследования. Если вы видите, прорастают растения или нет, то вам нужно нарисовать таблицу, чтобы показать это. Если вы измеряете, насколько растут растения, то для этого вам также понадобится таблица.

Ответ зависит от учащегося.(Некоторые примеры типов таблиц, которые учащиеся могут рисовать, показаны ниже. Им может понадобиться помощь в этом, и вы можете нарисовать их на доске. Учащиеся также могут записывать результаты исследований друг друга.)

Таблица, показывающая, проросли растения или нет

Тестируемое требование	Проросли ли тестовые растения?	Проросли ли контрольные растения?
Легкий	Некоторые так и сделали.	Да
Вода	№	Да
Благоприятная температура	№	Да

Если учащиеся включили некоторое количество семян в каждую тестовую группу/условие, они могут захотеть выразить результат в виде чисел или в виде процента проросших семян.

Таблица, показывающая рост проростков во времени на свету и в темноте

День	Средняя высота сеянцев в темноте (мм)	Средняя высота рассады на свету (мм)
0	0	0
1	0	2
2	0	5
3	1	10
4	2	15
5	3	22
6	3	30

АНАЛИЗ:

После того, как мы собрали результаты научного исследования, нам нужно их проанализировать. Это часто включает в себя рисование графика. Если вы измеряли рост рассады с течением времени, то можете нарисовать линейный график, чтобы показать это. Если вы подсчитали количество проросших семян, вы можете выразить это с помощью гистограммы (при условии, что вы использовали одинаковое количество семян в каждой группе), или вы можете выразить процент проросших семян в виде круговой диаграммы. Ваш учитель поможет вам сделать это.

Ответ зависит от учащегося. Пример типа линейного графика, который можно построить, используя информацию из второй таблицы, приведен ниже.Время будет идти по независимой оси абсцисс. Высота растений является зависимой переменной и проходит по оси Y. Затем на один и тот же график можно нанести как тестовые растения, так и контрольные растения, чтобы сравнить рост между двумя группами. Убедитесь, что интервалы равны вдоль каждой из осей. На каждой оси интервал между точками должен представлять увеличение на одинаковую величину! (Например, 0, 5, 10, 15, 20, 25 и т. д.) Однако интервалы по оси x и по оси y могут быть разными, чтобы соответствовать данным.Например, вы можете использовать интервал 1 по оси X для представления количества дней, а интервал 5 мм по оси Y для представления изменения роста.

ВЫВОД:

После сбора всех ваших результатов и построения графика с использованием этих результатов вам нужно будет использовать его, чтобы сделать вывод о требованиях для поддержания жизни в растениях. Следующие вопросы помогут вам сделать вывод.

Ответ зависит от учащегося.

Ответ зависит от учащегося.

Расследование было справедливым, потому что. ..

---

---

Ответ зависит от учащегося.

Я могу доверять результатам, потому что…

---

---

Ответ зависит от учащегося.

Пока я проводил (делал) это расследование, я также обнаружил это…

---

---

Ответ зависит от учащегося.

Если я снова проведу это расследование, я смогу улучшить его на…

---

---

Ответ зависит от учащегося.

Что вы узнали из этого научного исследования?

Напишите от 3 до 5 предложений, объясняющих, что вы узнали в ходе этого научного исследования, следуя научному методу.

---

---

---

Каждый организм способен выживать и продолжать выживать в своей среде, потому что он приобрел характеристики, которые позволяют ему делать что-то особым образом в своей конкретной среде. Мы говорим, что они приспособились к жизни в своем особом типе окружающей среды.

Адаптирован для жизни

Как вы думаете, можно ли поместить белого медведя в пустыню Калахари или гемсбока в Антарктиду, и они выживут? Почему или почему нет?

Обсудите это со своими учениками.Если вы поместите белого медведя в пустыню Калахари, он перегреется, и точно так же, если вы поместите гемсбока в Антарктиду, он замерзнет насмерть.

Эти животные специально приспособлены для жизни в своей конкретной среде. Все организмы приспособлены к своей конкретной среде. В следующем упражнении мы рассмотрим еще несколько примеров того, как организмы приспосабливаются к окружающей среде.

ИНСТРУКЦИИ:

1. Изучите фотографии ниже, на которых показаны разные организмы в разных средах.
2. Ответьте на вопросы.
3. Возможно, вам придется дополнительно поискать ответы в книгах и Интернете.

ВОПРОСЫ:

Посмотрите на фотографии пингвина в воде и орла, летящего в воздухе. Оба они птицы, но они живут в очень разных средах, что делает пингвина приспособленным для воды, а орла — для полета.

Пингвин в воде. http://www.flickr.com/photos/kankan/19828575/ Летучий орел-рыба собирается поймать немного еды. http://www.flickr.com/photos/kkoshy/8576660148/

Как вы думаете, как пингвин приспособлен к плаванию в воде? Подсказка: для чего используются его крылья? У него маленькие или большие перья? Как вы думаете, это помогает?

---

---

Пингвин приспособлен к плаванию в воде, так как при плавании использует свои крылья как ласты.Перья очень маленькие / тонкие, что делает его водонепроницаемым.

Некоторые дополнительные приспособления для обсуждения: пингвины могут задерживать дыхание и нырять глубоко под воду, чтобы поймать пищу. Пингвины черно-белые, что помогает им маскироваться в воде и прятаться от хищников (сверху они выглядят темными, как вода, и светлыми, как небо снизу). Пингвины даже приспособились пить соленую морскую воду.

Как вы думаете, как орел приспособлен летать и ловить свою добычу? Подсказка: посмотрите на его перья и крылья.

---

---

У орлов-рыболов очень длинные крылья и длинные перья, позволяющие им летать и парить в воздухе, а затем пикировать вниз и ловить добычу.

Некоторые дополнительные приспособления для обсуждения: у них длинные когти/когти, чтобы они могли ловить пищу, когда они пикируют и хватают ее. У них также есть большие хвостовые перья, которые они могут распускать веером, чтобы контролировать свою скорость во время полета.

Южная Африка является домом для двух очень искусных хищников, большой белой акулы и льва. Оба этих животных очень умело ловят свою добычу, но в очень разных условиях.

Большая белая акула в Гансбай, Западный Кейп. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Great_white_shark_south_africa.jpg Львица нападает на буйвола в Национальном парке Крюгера. http://www.flickr.com/photos/diamondglacieradventures/5737115639/

Какие характеристики акулы позволяют ей жить и питаться в море? Подсказка: обратите внимание на его обтекаемую форму тела и острые зубы.

---

---

Большая белая акула приспособлена к очень быстрому перемещению в воде, поскольку ее тело имеет обтекаемую форму, а плавники и хвост позволяют плавать. У него острые зубы, чтобы кусать добычу.

Какие характеристики льва позволяют ему жить и охотиться в саванне? Подсказка: посмотрите на цвет его меха, цвет травы и его сильные конечности.

---

---

Лев светло-коричневого цвета, поэтому он маскируется в саванне/кустарниках, чтобы подкрасться к своей добыче. У него 4 сильные ноги с когтями, чтобы преследовать и ловить добычу.

Теперь мы рассмотрели, как некоторые животные на Земле приспосабливаются к окружающей среде.Есть много, много других организмов с очень уникальными и интересными адаптациями. В следующей главе мы узнаем больше о разнообразии растений и животных на Земле.

Вы заметили поля ПОСЕТИТЕ на полях, которые содержат ссылки? Вам просто нужно ввести всю эту ссылку в адресную строку вашего интернет-браузера на ПК, планшете или мобильном телефоне и нажать клавишу ввода, например:

.

Он направит вас на наш веб-сайт, где вы сможете посмотреть видео или посетить веб-страницу в Интернете. Будьте любопытны и узнавайте больше онлайн на нашем сайте!

Биосфера — Энергетическое образование

Биосфера представляет собой сумму всех регионов Земли, поддерживающих жизнь. Биосфера подразделяется на пять подкатегорий, известных как биома , которые включают леса, водные зоны, пустыни, тундры и луга.

Практически любое место на Земле, где существует жизнь, является частью биосферы. ^[1] Хотя биосфера охватывает область в 20 километров сверху донизу, подавляющее большинство живых организмов можно найти в пределах от 500 метров ниже уровня моря до 6 километров над ним. ^[1]

Происхождение

основной артикул

Биосфера Земли существует около 3,5 миллиардов лет. Ранние формы жизни существовали без свободного кислорода, от которого сегодня зависит жизнь, и развили невероятный процесс фотосинтеза. Эти формы жизни создали большую часть обильного атмосферного кислорода, который наблюдается сегодня благодаря этому процессу, который позволяет процветать более сложным формам жизни. Сегодня мировые экосистемы обладают огромным биоразнообразием, и биосферу в целом можно рассматривать как одну большую экосистему. ^[1] Подробнее об истории атмосферного кислорода см. здесь.

Воздействие человека на биосферу

Биосфера и ее компоненты были относительно стабильными на протяжении тысячелетий, однако в последнее время люди повлияли на ее потоки. Такие действия, как вырубка лесов и сжигание ископаемого топлива, оказывают негативное воздействие на окружающую среду, которое напрямую влияет на биосферу. Углекислый газ и выбросы различных загрязняющих веществ пагубно влияют на все формы жизни.

Особое беспокойство вызывают выбросы парниковых газов, связанные с глобальным потеплением.Изменение, которое это оказывает на глобальный климат, имеет непосредственное отношение к биосфере. Ожидается усиление наводнений и засух, что может привести ко многим другим последствиям, таким как голод. ^[7] Таяние полярных льдов — еще один результат потепления, которое может привести к перемещению многих форм жизни, а также вызвать экстремальные явления по всему миру.

Биосферные резерваты

Многие группы прилагают усилия, чтобы уменьшить нагрузку, которую люди оказывают на биосферу. В мире насчитывается 563 биосферных заповедника, которые существуют для установления рабочих, сбалансированных отношений между людьми и миром природы. ^[1]

Щелкните здесь, чтобы просмотреть интерактивную карту всех биосферных заповедников по всему миру.

Ссылки

1. ↑ ^{1,0 1,1 1,2 1,3} National Geographic. (По состоянию на 18 октября 2015 г.). Биосфера [Онлайн], доступно: http://education.nationalgeographic.com/encyclopedia/biosphere/
2. ↑ Wikimedia Commons [в сети], доступно: https://en.wikipedia.org/wiki/Great_Barrier_Reef#/media/File:Coral_Outcrop_Flynn_Reef.jpg
3. ↑ Public Domain Images [Online], доступно: http://www.public-domain-image.com/nature-landscape/desert/slides/monument-valley-towers.html
4. ↑ Public Domain Images [Online], доступно: http://www. public-domain-image.com/free-images/fauna-animals/birds/swans-pictures/tundra-swan/tundra-swans-in-a -озеро-с-горой-шаста-на-фоне
5. ↑ Wikimedia Commons [в сети], доступно: https://en.wikipedia.org/wiki/Northeast_coastal_forests#/media/File:Posts_Brook_from_Norvin_Green_State_Forest_Lower_Trail.jpg
6. ↑ Geograph (по состоянию на 1 сентября 2015 г.) [онлайн], доступно: http://www.geograph.org.uk/photo/1360416
7. ↑ Национальный центр по смягчению последствий засухи. (по состоянию на 18 октября 2015 г.). Изменение климата [Онлайн], Доступно: http://drought.unl.edu/DroughtBasics/ClimateChange.aspx

Биосфера — обзор | ScienceDirect Topics

11.2 Сравнительный анализ энергетики биосферы и техносферы

Биосфера как открытая термодинамическая система существует за счет постоянного потока солнечной энергии.Земля ежегодно получает 3,5 × 10 ²⁴ Дж солнечной энергии, что обеспечивает работу климатической машины. Результатом функции «зеленого покрова» является 5,5 × 10 ²¹ Дж/год новой биомассы. Таким образом, хотя растительность является основным концентратором и преобразователем солнечной энергии в биосфере, она использует только 0,16% солнечной энергии для создания новой биомассы. Остальное расходуется на процесс транспирации листьями, обеспечение транспорта воды и питательных веществ и т. д. Примерно 60 % его сразу используется на дыхание, а остальные 40 % составляют годовой мировой продукции , равной 2.3 × 10 ²¹ Дж/год (Свирежев, Свиреева-Хопкинс, 1998).

Энергетические характеристики биосферы существенно не изменились с начала эры сосудистых растений (около миллиарда лет назад). Коэффициент эффективности автотрофного звена, функционирование которого составляет энергетическую основу эволюции животных, равен η = 2,3 × 10 ²¹ /3,5 × 10 ²⁴ ≈ 0,66 %.

Стабильность биосферы поддерживается постоянным рассеянием энергии. Другими словами, биосфера представляет собой типичную диссипативную систему . Этот поток энергии обеспечивает стационарное состояние 1,84·10 ¹⁸ г живой биомассы (или 3,5·10 ²² Дж), а животная биомасса составляет лишь 0,8% от нее, т.е. 1,46·10 ¹⁶ г. Животные потребляют всего 3% ЧПП (7,35 × 10 ¹⁹ Дж/год) (Смил, 1991), что обеспечивает как метаболизм живого вещества, так и его разнообразие. Последняя является информационной основой эволюции .

В настоящее время техносфера Земли (наша технологическая цивилизация) тратит на обеспечение своего функционирования и эволюции порядка 3 × 10 ²⁰ Дж/год (Свирежев, Свиреева-Хопкинс, 1998). В основном это энергия ископаемого топлива и ядерная энергия. Доля «чистой» энергии биосферы (ГЭС и дрова) в этом балансе невелика (~5%).

Очевидно, что Homo sapiens является составной частью как биосферы, так и техносферы. Если рассматривать человека как животное, то все энергетические потребности человека удовлетворяются за счет пищи, а годовая энергетическая потребность человека в пище составляет 4×10 ⁹ Дж. Для современной численности Homo sapiens (≈6 × 10 ⁹ особей) годовая энергетическая потребность в пище равна 2,4 × 10 ¹⁹ Дж/год. Сравнивая эти значения, мы видим, что потребность человечества в энергии ( как биологического вида ) в настоящее время равна одной трети всей биологической энергии биосферы, которая доступна животным (7,35 × 10 ¹⁹ Дж/год). На рис. 11.1 представлена ​​динамика потребности человечества в пищевой энергии с использованием реконструкции роста населения с эпохи неолита.До неолитической революции, когда человек сменил свое поведение с собирательства на производство пищи, он был частью биосферы, ничем не отличавшейся от других животных.

Рис. 11.1. Энергетическая потребность человечества в пище, 1 ГДж = 10 ⁹ Дж.

Из Свирежева и Свиреевой-Хопкинс (1998) с изменениями.

На момент неолитической революции человеческая популяция насчитывала 4 × 10 ⁶ особей и требовала энергообеспечения 1,6 × 10 ¹⁶ Дж/год, что составляло 0,022% от общего потока энергии для всех животных.

Согласно физической теории флуктуаций (Ландау и Лифшиц, 1995) вероятность флуктуации, которая может привести к элиминации Homo sapiens , равна: ]=exp[-1,6×10167,35×1019]≈99,98%.

Со времен неолита и до начала промышленной революции (на рубеже XVIII и XIX вв.) с собственным источником энергии (ископаемым топливом) Человек был лишь частью биосферы.Люди конкурировали с другими видами и увеличили свою потребность в энергии до 4 × 10 ¹⁸ Дж/год, так что вероятность их ликвидации уменьшилась до Pr’ = exp[–4 × 10 ¹⁸ /7,35 × 10 ¹⁹ ] ≈ 94,8%. Глядя на эти цифры, можно сказать, что Homo sapiens как биологическому виду очень повезло, что он не был уничтожен до возникновения техносферы.

ЧПП биосферы, 2,3 × 10 ²¹ Дж/год, представляет собой поток энергии, поддерживающий разнообразие биоты.Даже сейчас поток энергии, используемый техносферой, 3 × 10 ¹⁹ Дж/год, составляет лишь около 13% биосферного NPP. В настоящее время биосфера и техносфера находятся в состоянии жесткой конкуренции за общие ресурсы, такие как площадь суши и пресная вода. Загрязнение окружающей среды и сокращение разнообразия биоты – последствия конкуренции.

Поскольку биосфера (рассматриваемая как открытая термодинамическая система) находится в динамическом равновесии, то и все потоки энтропии должны быть уравновешены.Поэтому избыток энтропии, создаваемый техносферой, должен компенсироваться за счет двух процессов: (1) деградации биосферы и (2) изменения работы климатической машины Земли (в частности, увеличения средняя температура Земли).

Предположим, что вся энергия, потребляемая техносферой, превращается в тепло Q . Тогда годовая энтропия, производимая техносферой, равна Земля равна 14°C.Полное уничтожение биоты, которое, как мы полагаем, эквивалентно ее полному сгоранию, дает нам следующее значение энтропии: К. Если предположить, что энергоемкость техносферы не будет увеличиваться, то этого «антиэнтропийного запаса» биоты будет достаточно, чтобы компенсировать энтропию, производимую техносферой в течение следующих 120 лет. Если бы эта технородовая энтропия компенсировалась разрушением почвы, то агония продолжалась бы в течение 300–400 лет, так как запасы органического вещества в почве в 3–4 раза больше, чем в биоте.

Что такое биосферные резерваты?

Биосферные заповедники являются «местами обучения устойчивому развитию». Это площадки для проверки междисциплинарных подходов к пониманию и управлению изменениями и взаимодействиями между социальными и экологическими системами, включая предотвращение конфликтов и управление биоразнообразием. Это места, которые обеспечивают локальные решения глобальных проблем. Биосферные резерваты включают наземные, морские и прибрежные экосистемы.Каждый сайт продвигает решения, сочетающие сохранение биоразнообразия с его устойчивым использованием.

Биосферные заповедники назначаются национальными правительствами и остаются под суверенной юрисдикцией государств, в которых они расположены. Биосферные заповедники определяются в рамках межправительственной программы МАБ Генеральным директором ЮНЕСКО в соответствии с решениями Международного координационного совета МАБ (МКС МАБ). Их статус признан во всем мире. Государства-члены могут отправлять сайты через процесс назначения.

Для того, чтобы помочь заинтересованным сторонам в процессе назначения, а также в периодических обзорах, Международным координационным советом МАБ постепенно разрабатывается Техническое руководство.
 

Что такое Всемирная сеть биосферных резерватов?

WNBR состоит из динамической и интерактивной сети сайтов передового опыта. Он способствует сотрудничеству Север-Юг, Юг-Юг и Юг-Север-Юг и представляет собой уникальный инструмент международного сотрудничества посредством обмена опытом и ноу-хау, наращивания потенциала и продвижения передового опыта среди биосферных заповедников.

Подробнее

Биосферные заповедники привлекают местные сообщества и все заинтересованные стороны к планированию и управлению. Они объединяют три основные «функции»:

• Сохранение биоразнообразия и культурного разнообразия
• Экономическое развитие, социально-культурное и экологически устойчивое
• Логистическая поддержка, поддержка развития посредством исследований, мониторинга, образования и обучения

Эти три функции выполняются тремя основными зонами биосферных заповедников

Основные области

Включает в себя строго охраняемую зону, которая способствует сохранению ландшафтов, экосистем, видов и генетической изменчивости

Буферные зоны

Он окружает или примыкает к основной территории (зонам) и используется для деятельности, совместимой с разумными экологическими практиками, которые могут способствовать научным исследованиям, мониторингу, обучению и образованию.

Зона перехода

Зона перехода – это место, где сообщества способствуют социально-культурной и экологически устойчивой экономической и человеческой деятельности.

 

Информационный бюллетень

• Всемирная сеть биосферных резерватов охватывает все основные репрезентативные природные и полуприродные экосистемы
• Он охватывает территорию площадью 6 812 000 км2 в 129 странах. Это почти размер Австралии.
• В биосферных заповедниках по всему миру проживает около 257 миллионов человек

 

Скачать карту Всемирной сети биосферных резерватов 2019-2020 гг.

 

.