Тема: концепция биосферы

4. Энергетика биосферы

Лучистая энергия Солнца – главный источник энергии, определяющий тепловой баланс и термический режим биосферы земли. При этом следует заметить, что земля получает лишь 5× 10^-¹º -ю часть общей, излучаемой солнцем, энергии.

Источник и качество доступной энергии определяет характер функциональных процессов, протекающих в экосистеме. Существует по опр. Ю. Одума четыре фундаментальных типа экосистемы по преобладанию энергетики биосферы:

1. Несубсидируемые природные, получающие энергию от солнца.

Примеры: открытые океаны, высокогорные леса. Они почти не получают дополнительную энергию, помимо солнечного света, и занимают огромные площади, покрывая почти 70 % площади земного шара. Это основной “модуль жизнеобеспечения”, гомеостаз, стабилизирующий и поддерживающий условия на “космическом корабле”, имя которому Земля. Именно здесь ежедневно очищаются большие объемы воздуха, возвращается в оборот вода, формируются климатические условия. Это еще эстетические ценности беспредельного океанического пейзажа, величие нетронутого леса и др.

2. Получающие энергии от солнца, но с естественной энергетической субсидией.

Это природные системы, обладающие естественной плодородностью и характеризующиеся не только высокой поддерживающей способностью, но и производящие излишки органического вещества, которые могут выноситься в другие системы или накапливаться. Примеры дополнительной энергии: энергия приливов, прибоя, течения рек, ветры, дожди и др.

3. Получающие энергию от солнца, субсидируемой человеком.

Примеры: агросистема, аквакультура. Это системы, производящие продукты питания и волокнистые материалы и получающие дотации в форме горючего (или других формах), поставляемого человеком. Это энергия тратится на возделывание, орошение, удобрение, селекцию и борьбу с вредителями. Это тракторное горючее, мышечное и нервное усилие человека. Человек старается направить как можно больше энергии на производство продуктов питания, которые он может немедленно использовать, а природа обычно распределяет продукты фотосинтеза между многими видами и веществами и накапливает энергию “на черный день”; это, так называемая, “стратегия повышения разнообразия в целях выживания”.

4. Промышленно-городские системы, получающие энергию топлива. Примеры: города, пригороды, индустриализованные зеленые зоны. Это системы, в которых генерируется наше богатство, а также загрязняющие природу вещества. Главным источником энергии здесь, служит не солнце, а топливо. Эта система зависит от экосистем первых трех типов, использует их, получая продукты питания и топливо. Это система отличается двумя особенностями: первая - огромная потребность в энергии плотно населенных индустриально-городских районов, где люди живут на небольшой площади городов; вторая полная замена энергообеспеченностью всех функциональных экосистем.

5. Круговороты веществ

Малые миграционные потоки химических элементов как между взаимосвязанными организмами, так и между организ­мами и окружающей их средой складываются в более крупные циклы — круговороты. Продолжительность и постоянство су­ществования жизни поддерживают именно круговороты, пото­му что без них даже в масштабах всей Земли запасы необходи­мых элементов были бы очень скоро исчерпаны.

5.1. Круговорот биологический

Круговорот биологический (биотический) — явление не­прерывного, циклического, закономерного, но неравномерного во времени и пространстве перераспределения вещества, энер­гии¹ и информации в пределах экологических систем различного иерархического уровня организации — от биогеоценоза до био­сферы. Круговорот веществ в масштабах всей биосферы назы­вают большим кругом, а в пределах конкретного био­геоценоза — малым кругом биотического обмена. Часть биологического круговорота, состоящая из кругово­ротов углерода, воды, азота, фосфора, серы и других биоген­ных веществ, называют биогеохимическим круговоротом.

Некоторое количество вещества может на время выбы­вать из биологического круговорота (осаждаться на дне океа­нов, морей, выпадать в глубины земной коры и т. п.). Однако в результате протекания тектонических и геологических про­цессов (вулканической деятельности, подъема и опускания земной коры, изменения границ между сушей и водой и др.) осадочные породы вновь включаются в круговорот, назы­ваемый геологическим циклом или кругово­ротом.

Круговороты веществ от продуцентов к консументам раз­личных уровней, затем к редуцентам, а от них вновь к проду­центам замкнуты не полностью. Если бы в экосистемах су­ществовала их полная замкнутость, то не возникало бы ника­ких изменений среды жизни, не было бы почвы, известняков и прочих горных пород биогенного происхождения. Таким обра­зом, биотический круговорот можно условно изобразить в виде незамкнутого кольца. Потери вещества из-за незамкнутости круговорота мини­мальны в биосфере (самой крупной экосистеме планеты). Ин­формация в экосистемах теряется с гибелью видов и необрати­мыми генетическими перестройками.

Таким образом, каждая экосистема поддерживает свое су­ществование за счет круговорота биогенов и постоянного прито­ка солнечной энергии. Круговорот энергии в экосистемах прак­тически отсутствует, поскольку от редуцентов она (энергия) воз­вращается к консументам в мизерных количествах. Считают, что коэффициент круговорота энергии не превышает 0,24%. Энергия может накапливаться, сберегаться (т. е. преобразовы­ваться в более эффективные формы) и передаваться из одной части системы в другую, но она не может быть снова пущена в дело, как вода и минеральные вещества. Единожды пройдя от растений-продуцентов через консументы к редуцентам, энергия выносится в околоземное и космическое пространство. При дви­жении через экосистему поток энергии затрагивает в основном ее биоценоз, поэтому он подробно рассмотрен ранее.

5.2. Круговорот биогенных элементов

Продуценты, консументы, детритофаги и редуценты экосистемы, поглощая и выделяя различные вещества, взаи­модействуют между собой четко и согласованно. Органические вещества и кислород, образуемые фотосинтезирующими расте­ниями, — важнейшие продукты питания и дыхания консу-ментов. В то же время выделяемые консументами диоксид уг­лерода и минеральные вещества навоза и мочи являются био­генами, столь необходимыми продуцентам. Поэтому вещества в экосистемах совершают практически полный круговорот, по­падая сначала в живые организмы, затем в абиотическую сре­ду и вновь возвращаясь в живое. Вот один из основных прин­ципов функционирования экосистем: получение ресурсов и переработка отходов происходят в процессе круговорота всех элементов.

К числу наиболее важных и распространенных биогенных элементов относятся кислород, углерод, азот и фосфор.

5.2.1. Круговорот углерода

В ходе фотосинтеза атомы углерода переходят из соста­ва углекислого газа СО₂ в состав глюкозы и других органиче­ских веществ растительных клеток. Далее они переносятся по пищевым цепям, образуя ткани всех остальных живых су­ществ экосистемы. Однако побывать в составе клеток живых организмов всех трофических уровней удается только малому числу атомов углерода, так как на каждом уровне большинст­во органических молекул расщепляется в процессе клеточного дыхания для получения энергии. После этого атомы углерода поступают в абиотическую часть окружающей среды в составе углекислого газа, чем завершается один цикл и создаются предпосылки начала другого цикла. Аналогичным образом углерод возвращается в атмосферу при сжигании любых органических соединений, например древесины, сухой травы или листьев, а также ископаемого топлива.

Вывод части углерода из естественного круговорота эко­системы и «резервирование» в виде ископаемых запасов орга­нического вещества в недрах Земли является важной особен­ностью рассматриваемого процесса. В далекие геологические эпохи значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась в виде детрита. Позже слои детрита были погребены под слоями различных минеральных осадков, где под действием высоких температур и давления за миллионы лет превратились в нефть, уголь и природный газ (в зависимос­ти от исходного материала, продолжительности и условий пре­бывания в земле). Подобные процессы протекают и в настоя­щее время, но значительно менее интенсивно. Их результат — образование торфа.

В водных экосистемах прерывание круговорота углерода связано с включением СО₂ в состав известняков, мела, корал­лов в виде СаСО₃. При этом углерод исключается из круговоро­та на целые геологические эпохи.

5.2.2. Круговорот фосфора

Из всех макроэлементов (элементов, необходимых для всего живого в больших количествах) фосфор — один из самых редких в доступных резервуарах на поверхности Земли. В при­роде он содержится в различных природных минералах (прежде всего в ряде горных пород) в виде неорганического фосфат-иона (РО₄^3–). Фосфаты растворимы в воде, но не летучи. При разрушении горных пород или выщелачивании атмосфер­ными осадками соединения фосфора растворяются. Далее из водного раствора РО₄^3– поглощается растениями и включается в состав их органических соединений, выступая в дальнейшем в форме «органического фосфора».

По пищевым цепям фосфор последовательно переходит от растений к организмам всех трофических уровней, и анало­гично углероду в каждом из организмов велика вероятность окисления при клеточном дыхании фосфорсодержащего со­единения с целью получения необходимой для жизнедеятель­ности энергии. Если это происходит, то фосфат в составе мочи или ее аналога выводится из организма в окружающую среду, где может снова быть поглощен растениями и вновь запущен в круговорот.

Принципиальное различие круговоротов фосфора и углеро­да состоит в наличии либо отсутствии газовой фазы на одном из этапов цикла. Диоксид углерода в газообразном состоянии, попадая в воздух, свободно распространяется в атмосфере, пере­носясь на неограниченные расстояния, пока снова не будет ус­воен растениями. В круговороте фосфора подобного этапа нет.

Попадая со сточными водами в водоемы, фосфат насыщает, а порой перенасыщает их экологические системы. Обратно на сушу фосфор в естественных условиях возвращается практиче­ски только с пометом, и после гибели рыбоядных птиц. Абсолют­ное большинство фосфатов образует донные отложения, и кру­говорот вступает в свою самую замедленную фазу. Лишь геоло­гические процессы, протекающие миллионы лет, реально могут поднять океанические отложения фосфатов, после чего возмож­но повторное включение фосфора в описанный круговорот.

Фосфор и другие минеральные биогены циркулируют в пределах экосистемы лишь тогда, когда содержащие их «от­ходы» жизнедеятельности откладываются в местах поглоще­ния соответствующего элемента. В естественных экосистемах преимущественно так и происходит. Однако вмешательство человека, заключающееся в сборе урожая, содержащего извле­ченные из почвы биогены, и перемещение его на большие рас­стояния к местам потребления нарушает круговорот. Отходы жизнедеятельности человека попадают преимущественно в во­доемы. Изъятие фосфора из почв полей в современном сель­ском хозяйстве компенсируется внесением минеральных фос­форных удобрений, получаемых из природных апатитов, глав­ным месторождением которых в нашей стране является Хибинское (Кольский полуостров). Всего в мире ежегодно до­бывают 1—2 млн. т фосфорсодержащих пород.

В результате возникают многообразные отрицательные последствия, разрушающие природные экосистемы, ведущие, в частности, к эвтрофикации водоемов.

5.2.3. Круговорот азота

Главный источник азота органических соединений — молекулярный азот атмосферного воздуха, но растения не спо­собны усвоить его в газообразном виде. Абсолютному боль­шинству организмов азот доступен только в составе ионов ам­мония (NH₄⁺) или нитрата (NO₃^-). В природных условиях пере­ход азота из газообразного N₂ в фиксированную форму (ионы аммония или нитрата) возможен следующим образом:

• при разрядах атмосферного электричества во время гро­зы из азота и кислорода воздуха синтезируются оксиды азота, которые с дождем в виде азотной кислоты или иных растворимых нитратов попадают в почву. Фикса­ция азота возможна и как результат фотохимических реакций в атмосфере. Ежегодная азотфиксация разря­дами молний составляет 4—10 кг/га;

• при отмирании особых азотфиксирующих микроорганизмов (отдельных видов бактерий), обладающих уникальной способностью превращать газообразный азот в аммонийную форму, почва обогащается органическим азотом. Ежегодно они дают около 25 кг/га;

• путем эффективной фиксации азота бактериями, живущими в клубеньках бобовых растений и образующими с ними симбиотические связи, что является хорошим примером мутуализма. Растения обеспечивают бактериям местообитание и пищу (сахара), а взамен получают доступную форму азота. Таким путем в наземных и подземных органах растений (например, сои, клевера или люцерны) за год накапливается азота 150—400 кг/га;

• в водной среде и на очень влажной почве азотфиксация происходит благодаря цианобактериям (от греч. kyanos — синий), способным также и к фотосинтезу. В результате симбиоза от цианобактерий в растения азот попадает в форме нитратов, которые через корни и проводящие пути доставляются к листьям, где используются для синтеза протеинов — основы азотного питания животных.

Таким образом, все естественные экосистемы полностью зависят от азотфиксирующих микроорганизмов. Важную роль в наземных экосистемах играют бобовые расте­ния. Это семейство включает в себя огромное число представи­телей клевера, от обычного для лугов и степей до тропических деревьев и кустарников пустыни. Каждая крупная наземная экосистема имеет характерные для нее виды бобовых. Бобовые обычно первыми заселяют территорию после пожара.

В водных экосистемах круговорот азота происходит анало­гичным образом, причем в роли основных азотфиксаторов вы­ступают синезеленые водоросли.

Возврат азота в атмосферу (минерализация) есть результат деятельности бактерий-денитрификаторов, разлагающих ни траты до свободных азота и кислорода. Бактерии-денитрификаторы более разнообразны и многочисленны, чем азотфикси­рующие бактерии.

Для поддержания интенсивности круговорота азота при современном земледелии (так же, как круговорота фосфора и прочих биогенов) возникающий недостаток азота в почве ис­кусственно компенсируется внесением синтетических мине­ральных удобрений, произведенных на азотнотуковых (от русск. туки — удобрения) комбинатах. Для удобрения полей естественным путем в сельском хозяйстве успешно использу­ют азотфиксацию бобовыми растениями. Для этого поля пери­одически засевают соответствующими культурами, а затем их запахивают в почву.

При неразумном применении удобрений на полях избыток нитратов смывается и попадает в водоемы, что способствует их эвтрофикации.

Вещества, не характерные для живых тканей, не имеют ес­тественных (природных) циклов круговорота в экосистемах либо характеризуются очень слабым (малоинтенсивным) круговоротом, потому они имеют тенденцию накапливаться в тка­нях живых организмов. К подобным вещест­вам относятся, например, радиоактивный стронций-90, неког­да существовавший в природе, однако из-за малого периода полураспада к определенному моменту времени полностью ис­чезнувший в биосфере и вновь появившийся после того, как началось искусственное расщепление атома. Это и пестициды, и диоксины, и многие другие соединения, а также тяжелые металлы (ртуть, кадмий, медь, цинк и др.), интенсивность антропогенного вовлечения которых в естественный круговорот значительно увеличилась.

6. Биосфера и ноосфера

Постепенное развитие живого вещества в пределах биосферы земли приводит к изменению качественного состояния самой биосферы, переходу ее в ноосферу. Под ноосферой понимают сферу взаимодействия природы и общества, в которой разумная деятельность людей становится главным определяющим фактором развития. Название ноосфера происходит от греческого “ноос” – разум и обозначает сферу разума. Первое употребление термина “ноосфера” принадлежит ученикам В.И. Вернадского.

Оценивая роль человеческого разума и научной мысли как планетарное явление, В.И. Вернадский пришел к следующим выводам:

• Ход научного творчества является той силой, которой человек меняет биосферу, в которой он живет.

• Проявление изменения биосферы есть неизбежное явление, сопутствующее росту научной мысли.

• Так как среда жизни – биосфера - есть организованная оболочка планеты, то вхождение в нее в ходе ее длительного геологического существования – есть природный процесс перехода биосферы в новую фазу, в новое состояние, в ноосферу.

После В.И. Вернадского накопился и огромный фактический материал по биосфере, по производственной деятельности человеческого общества. В своих главных проявлениях, рождающаяся ноосфера характеризуется следующими признаками:

• возрастающим количеством механического извлекаемого материала литосферы - ростом разработки месторождений полезных ископаемых.

• массовым потреблением продуктов фотосинтеза прошлых геологических эпох, преимущественно в энергетических целях.

• процессы в ноосфере приводят к рассеиванию энергии земли, а не к ее накоплению, что было характерным для биосферы до появления человека. Возникает важная энергетическая проблема.

• в ноосфере в массовом количестве создаются вещества, ранее в биосфере отсутствующие, в том числе чистые металлы. Происходит металлизация биосферы.

• для ноосферы характерны появление новых трансурановых химических элементов в связи с развитием ядерной технологии и энергетики.

• ноосфера выходит за пределы биосферы в связи с огромным прогрессом научно-технической революции. Возникла космонавтика. Создается принципиальная возможность создания искусственных биосфер на других планетах.

• в целом, в связи с образованием ноосферы, наша планета переходит в новое качественное состояние. Если биосфера – это сфера земли, то ноосфера – это сфера солнечной системы.

Контрольные вопросы и задания

1. Дайте определение биосферы.

2. Кто впервые ввел в науку термин «биосфера»?

3. Назовите основные оболочки Земли.

4. Каковы важнейшие аспекты учения В. И. Вернадского о биосфере?

5. Чем отличается земная кора от мантии и ядра?

6. Как отражается на развитии жизни на Земле нарушение равновесия О₂/СО₂?

7. Почему человек абсолютно зависим от жизнедеятельности и разнообразия других организмов?

8. Что такое ноосфера и почему возникло это понятие?

9. Возможно ли возникновение ноосферы в результате коэволюции человеческого общества и природной среды?

10. Что такое природные ресурсы?

11. Как классифицируются природные ресурсы?

12. Как формировалась кислородная атмосфера Земли?

1. Концепция вернадского о превращении биосферы в ноосферу содержание

   Реферат
   ... коренным образом по сравнению с тем, что было раньше. Величайший ... процессе жизни в туже самую среду. Тем самым и жизнь, и косное вещество находится ... учения, обобщающего другие более частные концепции биосферы. Так,  В.И. Вернадский понятие "ноосфера ...

2. Рузавин Г. И. Р 83 Концепции современного естествознания: Учебник для вузов

   Учебник
   ... закономерностей, которые управляют подобными явлениями, а тем более фундаментальных законов, относящихся к взаимосвязанным ... 11. концепция биосферы и экология 113 11.1. Эволюция представлений о биосфере 113 11.2. Концепция Вернадского о биосфере 114 ...

3. Учебной дисциплины (модуля) Дисциплина учение о биосфере рекомендуется для направления подготовки

   Примерная программа
   ... биосфере. 5 8,9 4 8 4 Защита рефератов 5 Тема 6. Организованность биосферы. 5 10, 11 4 4 4 Защита рефератов 6 Тема 7. Ноосфера и концепции ... в истории биосферы. Основные функции биосферы. Тема 7. Ноосфера и концепции развития человеческой цивилизации ...

4. Контрольные вопросы по теме: Для успешной работы на практическом занятии

   Занятие
   ... занятии необходимо знать теоретический материал: Тема: Закономерности наследования признаков. Моногибридное и ... виды и этапы. Современные концепции биосферы. Структура и функции биосферы. Границы биосферы. Биотический круговорот. Рассмотреть на ...

5. Учебно-методический комплекс по дисциплине «Современные концепции естествознания»

   Учебно-методический комплекс
   ... концепция Учение о биосфере. Ноосфера Особенности биологического уровня организации материи 2 2 ИТОГО: 4 4 1.3.3 Интерактивные занятия № п/п Тема ... Синтетическая теория эволюции. Концепция глобального эволюционизма. Концепция биосферы и ноосферогенеза. ...

Другие похожие документы..