Становлення біосфери і її характеристика - студопедія

Простір нашої планети, в якому існує і «працює» жива речовина, називають біосферою (від грец. Біос - життя і сфера - сфера).

Перші уявлення про біосферу як про «ділянці життя» і про зовнішній оболонці Землі сформулював Ж.-Б. Ламарк (1802). У науку вперше цей термін ввів австрійський геолог Е. Зюсс в 1875 р Однак, цілісне вчення про біосферу створив наш видатний співвітчизник, засновник і перший президент Академії наук України В. І. Вернадський.

Біосфера (у сучасному розумінні) - своєрідна оболонка Землі, що містить усю сукупність живих організмів і ту частину речовини планети, що знаходиться в безупинному обміні з цими організмами.

Біосфера - це цілісний комплекс всіх екосистем планети, відкрита термодинамічна система, яка ззовні отримує енергію і речовини для синтезу органічних сполук і виділяє в природне середовище відходи, що і забезпечує її стійкість.

Поняття біосфери має два аспекти: з одного боку як специфічна оболонка земної простору, з іншого - як глобальна екосистема. З точки зору складових компонентів біосфера - це нижня частина атмосфери, гідросфера і верхня частина літосфери, населені живими організмами, або за висловом В.І. Вернадського - "область поширення живої речовини".

Біосфера виникла з появою життя на Землі, її життєвий вік становить приблизно 3,6-3,8 млрд. Років, обсяг - близько 0,4% обсягу планети, її маса - 10 16 кг (

0,05% маси Землі).

В.Вернадський виділяв шість типів речовин біосфери:

• жива речовина - сукупність всіх існуючих на Землі рослин, тварин, мікроорганізмів, грибів;

• біогенна речовина - продукт життєдіяльності організмів (торф, крейда, горючі сланці, апатит);

• мертве речовина (відстале) - в освіті якого організми не брали участі (гірські породи абіогенного походження);

• биокосное речовина - продукт взаємодії живої речовини і неживої матерії (грунт);

• радіоактивну речовину - радіонукліди, які зумовлюють існування радіогенної теплоти, і продукти їх розпаду;

• космічне речовина - космічний пил і метеорити.

Межі біосфери визначаються межами поширення й активної роботи живої речовини:

• нижня частина атмосфери (від поверхні Землі до озонової оболонки, тобто до висоти 25 км). яка обмежена шаром озону, що затримує губітельнуе для життя короткохвильові частини ультрафіолетового випромінювання Сонця;

• вся гідросфера (живі організми проникають на всю глибину Світового океану - до 10-11 км);

• верхня частина літосфери, що обумовлено температурою земних надр і умовою проникнення води в рідкому стані (до глибини приблизно 5-7 км і в деяких випадках глибше).

Хоча межі біосфери досить вузькі, саме ця незначна за розмірами оболонка планети є областю зародження, розвитку і збереження протягом мільярдів років життя в одній з точок Всесвіту.

За оцінками різних джерел біосфера виникла 3,5 - 4,5 млрд років тому.

За сучасними уявленнями, розвиток млявої геосфери, тобто оболонки, утвореної речовиною Землі, відбувалося на ранніх стадіях існування нашої планети, мільярди років тому. Зміни вигляду Землі були пов'язані з геологічними процесами, що відбувалися в земній корі, на поверхні і в глибинних шарах планети і знаходили прояв у виверженнях вулканів, землетрусах, зрушення земної кори, гороутворенні. Такі процеси відбуваються і зараз на неживих планетах сонячної системи і їх супутниках - Марсі, Венері, Місяці.

З виникненням життя (саморазвивающихся стійких форм) спочатку повільно і слабо, потім все швидше і значніше стало виявлятися вплив живої матерії на геологічні процеси Землі. Діяльність живої речовини, що проник в усі куточки планети, привела до виникнення нового утворення - біосфери - тісно взаємозалежної єдиної системи геологічних і біологічних тіл і процесів перетворення енергії і речовини.

Розміри перетворень, здійснюваних живою матерією, досягли планетарних масштабів, істотно видозмінивши вигляд і еволюцію Землі.

Еволюція біосфери тісно пов'язана з еволюцією Землі і умовно поділяється на кілька фаз:

1. Формування ранньої земної кори, атмосфери та гідросфери, виникнення геологічного кругообігу речовин; великий геологічний кругообіг - циркуляція атмосферних мас, води і містяться в них мінералів, переміщення продуктів руйнування гірських порід на поверхню планети і знову в її надра (близько 4,6 млрд років тому);

2. Хімічна еволюція (4,6-3,8 млрд років тому) - розвиток процесів синтезу і накопичення простих органічних сполук, необхідних для існування життя (амінокислот, простих пептидів, азотистих основ, простих вуглеводів);

3. (3,8-1,2 млрд років тому) - розвиток давньої біосфери, еволюція прокариотического світу, виникнення біологічного кругообігу речовин, формування кисневої атмосфери;

4. Виникнення еукаріотів, заселення суші, розвиток сучасного біорізноманіття світу (1,2 млрд років тому - по теперішній час). Перші живі організми були анаеробами (існували в безкисневому середовищі), потім з'явилися організми автотрофи, здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних сполук (вуглекислого газу, води, нітрогеносодержащіх і фосфоровмісних сполук) за допомогою сонячної енергії (фотосинтез) або окислювальних реакцій (хемосинтез). Першими фотосинтезуючими організмами були бактерії (ціанобактерії, які дали початок розвитку процесів в трофічному ланцюгу "продуценти - консументи - редуценти" - ланцюга харчування, яка через неживе речовина - мінеральні сполуки - замкнувся в коло. З потоку речовин в цьому колі утворився біологічний кругообіг речовин.

Геологічний і біологічний кругообіг речовин разом склали біогеохімічний круговорот. з'єднавши в ньому величезну потужність геологічного і надзвичайні швидкість і активність біологічного. Биогеохимический круговорот формувався протягом 1,5-2 млрд років, потім стабілізувався і суттєво не змінювався останні 2 млрд років.

Вапняні скелети безхребетних утворили осадові породи (крейда, вапняк). Відмирання синьо-зелених і червоних водоростей сприяло відкладенню кальцію. Деякі види водоростей і губок зумовили накопичення кремнезему. Кам'яне вугілля утворився з рослинних залишків, нафту - з планктону древніх морів та інших водойм.

Кругообіг речовини і енергії в біосфері

Біосфера, виникнувши і сформувавшись 1-2 млрд. Років тому (до цього часу відносяться перші виявлені залишки живих організмів), знаходиться в постійному динамічному рівновазі і розвитку. На Землі щорічно виробляється і руйнується 10 т живої речовини. Такий інтенсивний кругообіг речовин, який створив біосферу і визначає її стійкість і цілісність, пов'язаний з життєдіяльністю всієї біомаси планети. На відміну від мертвої матерії живе речовина здатна до акумулювання енергії, до розмноження і володіє величезною швидкістю реакцій.

Біосфера є відкритою термодинамічною системою. Енергію вона отримує від Сонця і з надр Землі (теплова енергія радіоактивного розпаду речовин у земній корі та ядрі планети).

У біосфері отримана ззовні енергія трансформується і розсіюється, підкоряючись двом фундаментальним законам термодинаміки. Перший закон термодинаміки - це закон збереження енергії (енергія не може ні виникнути, ні зникнути, вона лише трансформується з однієї форми в іншу). Другий закон термодинаміки вивчає напрямок якісних змін енергії в процесі її трансформації з однієї форми в іншу (закон визначає співвідношення корисної і марною роботи під час трансформацій форм енергії). За другим законом термодинаміки, будь-яка робота супроводжується трансформацією високоякісної енергії в енергію нижчої та найнижчої якості - теплоту - і призводить до зростання ентропії (кількості енергії найнижчої якості, непридатної до корисної праці, тобто розсіювання енергії); ентропія екосистем - міра їх невлаштованості, міра кількості енергії, недосяжною для використання; максимальна ентропія характерна для деградованих екосистем, або таких, які перебувають на стадії вимирання.

Завдяки сонячної енергії, внутрішньої енергії Землі в природі відбуваються безперервні процеси утворення, трансформації та розкладу багатьох хімічних сполук, а також перенесення речовин в межах планети. Сукупність таких явищ В.І. Вернадський назвав геохімічними процесами. Одні і ті самі хімічні елементи в межах "історичного минулого Землі входили до складу певних сполук, які відчували змін, перетворень і перенесення. Ці закономірні процеси багаторазового участі хімічних елементів і речовин в явищах, які відбуваються в атмосфері гідросфері і літосфері, називають круговоротами речовин.

Залежно від того, чи беруть участь у кругообігу живі організми чи ні, розрізняють абиотический і биотический кругообіг.

Абиотический круговорот. Абиотический (великий, або геологічний) кругообіг речовин існує в межах геологічних оболонок Землі і здійснюється за рахунок безпосереднього впливу сонячної енергії та енергії Землі на речовини. Нерівномірний розподіл енергії в оболонках Землі сприяє переносу речовин і забезпечує тим самим їх циркуляцію. Розтріскування гірських порід внаслідок нагрівання і охолоджування, течії повітря і води, перенесення цими течіями різних речовин, вивітрювання, вимивання водою різних хімічних елементів - все це складові частини великого кругообігу речовин в природі. Найяскравішим прикладом абиотического кругообігу є циркуляція води в природі. Зрозуміло, що абиотический кругообіг існував задовго до виникнення життя на нашій планеті і освіти біосфери.

Біотичний кругообіг. З виникненням життя на Землі і з освітою в межах її геологічних оболонок біосфери на планеті круговорот речовин прискорився внаслідок життєдіяльності живих організмів. Завдяки створеним трофічних ланцюгах і мереж виник біотичний кругообіг речовин.

Біотичний кругообіг - це явище безперервного, циклічного, але нерівномірного у
часі і просторі закономірного перерозподілу речовини, енергії та інформації в
межах екологічних систем різного рівня організації. Його називають ще біотичних, або малим, тому що він відбувається ще в меншому просторі, ніж абиотический, - в біосфері. Час, необхідний для проходження повного циклу звернення речовин в біотичному кругообігу набагато менше, ніж в абіотичних.

Живі організми в біотичному кругообігу виступають своєрідними каталізаторами, які швидко синтезують нові, трансформують і руйнують наявні органічні сполуки.

Завдяки ланцюгах харчування в біосфері постійно відбувається не тільки кругообіг води, постійний обмін енергії, а й круговорот речовин, які живі організми використовують на освіту та підтримання життєдіяльності своїх тіл, а також забезпечення процесів розмноження. Всього відомо близько 80 хімічних елементів, необхідних біоті. З продуктами життєдіяльності або після смерті ці елементи повторно потрапляють в навколишньому середовище і знову використовуються іншими організмами (постійний кругообіг речовин).

Хімічні елементи, які зазвичай використовуються у великих кількостях (не менше ніж 0,1% загальної маси організму) - це макроелементи (біогенні елементи): С, Н, N, Р, С, К, Са та ін. Вони поглинаються організмами з довкілля і концентруються в клітинах. Елементи, потрібні організмам в менших кількостях (до 0,1%), називають мікроелементами. Сі, Мо, В і ін.

Еволюція біосфери йшла по шляху ускладнення структури біологічних співтовариств, множення числа видів і вдосконалення їх пристосовності. Еволюційний процес супроводжувався збільшенням ефективності перетворення енергії і речовини біологічними системами: організмами, популяціями, співтовариствами. Вершиною еволюції живого на Землі з'явилася людина, яка як біологічний вид на основі численних змін придбав не тільки свідомість (досконалу форму відображення навколишнього світу), а й здатність виготовляти і використовувати в своєму житті знаряддя праці. За допомогою знарядь праці людство стало створювати фактично штучне середовище свого проживання (поселення, житла, одяг, продукти харчування, машини і багато іншого).

Зростання населення, якісний стрибок у розвитку науки і техніки за останні два століття, і особливо в наші дні, привели до того, що діяльність людини стала фактором планетарного масштабу, направляє силою подальшої еволюції біосфери.

За останні сто років, особливо в останні десятиліття XX ст. антропогенна діяльність призвела до значних порушень кругообігу речовин в біосфері, розвитку глобальної екологічної кризи. Саме діяльність людини значно прискорила процеси вивітрювання гірських порід, зумовила накопичення в атмосфері такої кількості шкідливих речовин, що призвело до розвитку негативних кліматичних змін (парниковий ефект), появі озонових дір і кислотних дощів, деградації грунтів внаслідок надмірного накопичення в них токсичних хімічних сполук. Через збільшення в природних водах і грунтах концентрації важких металів, нафтопродуктів, пестицидів деградують і гинуть екосистеми, сповільнюються процеси кругообігу речовин в біологічному циклі, і інших несприятливих впливів, що призводить до порушень функціонування екосистем. Людина продукує також у величезних кількостях речовини, які не можуть бути притягнуті до біологічного круговороту (пластмаси, поліетилен і т.п.), оскільки не розкладаються редуцентамі.