Биосфера и ее строение

1. Понятие биосферы и ее строение

1.1 Сущность биосферы

1.2 Строение биосферы

2. Эволюция биосферы

2.1 Космическая роль биосферы в трансформации энергии

2.2 Эволюция биосферы Заключение Список использованной литературы

Биосфера представляет собой организованную, определенную оболочку земной коры, сопряженную с жизнью. Пределы биосферы обусловлены прежде всего полем существования жизни. Биосфера — не просто одна из существующих оболочек Земли, подобно литосфере, гидросфере или атмосфере. Основное отличие биосферы состоит в том, что она — организованная оболочка. Биосфера — не только геологическая, но и космическая сила. Быть живым — значит быть организованным, отмечал В. И. Вернадский, и в этом состоит суть понятия биосферы как организованной оболочки Земли.

Исходя из этого, основная цель работы — изучить биосферу и ее строение. При этом цель работы раскрывается через ряд поставленных задач:

— охарактеризовать сущность биосферы;

— отразить строение биосферы;

— выявить особенности эволюции биосферы;

— изучить литературу и сделать соответствующие выводы по теме.

При написании работы была использована монографическая и учебная литература по теме.

1. Понятие биосферы и ее строение

1.1 Сущность биосферы

Существует два основных определения понятия «биосфера», одно из которых и дало начало применению данного термина. Это понимание биосферы как совокупности всех живых организмов на Земле. В. И. Вернадский, изучавший взаимодействие живых и неживых систем, переосмыслил понятие биосферы. Он понимал биосферу как сферу единства живого и неживого.

Такое толкование определило взгляд В. И. Вернадского на проблему происхождения жизни. Из нескольких вариантов: жизнь возникла до образования Земли и была занесена на нее; жизнь зародилась после образования Земли; жизнь возникла вместе с формированием Земли — В. И. Вернадский придерживался последнего и считал, что нет убедительных научных данных, что живое когда-либо не существовало на нашей планете. Жизнь оставалась в течение геологического времени постоянной, менялась только ее форма. Иными словами, биосфера была на Земле всегда.

Под биосферой Вернадский понимал тонкую оболочку Земли, в которой все процессы протекают под прямым воздействием живых организмов. Биосфера располагается на стыке литосферы, гидросферы и атмосферы. В атмосфере верхние границы жизни определяются озоновым экраном — тонким слоем озона на высоте примерно 20 км. Океан населен жизнью целиком, до дна самых глубоких впадин в 10—11 км. В твердую часть Земли жизнь проникает до 3 км. Занимаясь созданной им биогеохимией, изучающей распределение химических элементов по поверхности планеты, В. И. Вернадский пришел к выводу, что нет практически ни одного элемента из таблицы Менделеева, который не включался бы в живое вещество.

Строение Земли, по В. И. Вернадскому, есть согласованный механизм. «Твари Земли являются созданием сложного космического процесса, необходимой и закономерной частью стройного космического механизма» Вернадский В. И. Биосфера. Избранные сочинения. М.: Наука, 1990. — С. 22. Само живое вещество не случайное создание.

Живые организмы, включающие в себя все известные химические элементы, в процессе жизнедеятельности осуществляют превращение энергии. Основные выводы учения Вернадского о биосфере сводятся к следующему:

1) принцип целостности утверждает, что биосфера, жизнь существуют как единое целое. Жизнь является необходимой и закономерной частью стройного космического механизма;

2) принцип гармонии биосферы заключается в ее организованности, стройности, неразрывной связи в ней живых и неживых компонентов;

3) принцип значительности роли живого в эволюции Земли утверждает, что на земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей и более могущественной по своим конечным последствиям, чем организмы, взятые в целом. Облик Земли как небесного тела фактически сформирован жизнью;

4) основная роль биосферы состоит в трансформации солнечной энергии в действенную энергию Земли. Космическая энергия вызывает развитие жизни, которое достигается размножением;

5) правило инерции заключается в распространении жизни по земной поверхности из-за проявления ее геохимической энергии. Мелкие организмы размножаются гораздо быстрее, чем крупные;

6) закон бережливости в использовании живым веществом простых химических тел утверждает, что раз вошедший в организм элемент проходит длинный ряд состояний и при этом организм вводит в себя только необходимое количество элементов;

7) пределы жизни определяются физико-химическими свойствами соединений, строящих организм, их неразрушимостью в определенных условиях среды. Максимальное поле жизни определяется крайними пределами выживания организмов. Верхний предел жизни обуславливается лучистой энергией, присутствие которой исключает жизнь и от которой предохраняет озоновый щит. Нижний предел связан с достижением высокой температуры. Например, интервал температуры жизни в 433° (от -252°С до +180°С) является предельным тепловым полем;

8) жизнь постепенно, медленно приспосабливаясь, захватила биосферу, и захват этот не закончился. Поле устойчивости жизни есть результат приспособленности в ходе времени.

По В. И. Вернадскому, вещество биосферы разнородно по своему физико-химическому составу, а именно: 1) живое вещество — совокупность живых организмов; 2) биогенное вещество — непрерывный биогенный поток атомов из живого вещества в косвенное вещество биосферы и обратно; 3) косное вещество (атмосфера, газы, горные породы и пр.); 4) биокосное вещество, например, почвы, илы, поверхностные воды, сама биосфера, т. е. сложные закономерные косно-живые структуры; 5) радиоактивное вещество; 6) рассеянные атомы; 7) вещество космического происхождения.

1.2 Строение биосферы

Современная наука считает, что примерно 1 млрд. лет назад произошло разделений живых существ на два царства — растений и животных. Различия между ними можно разделить на три группы: 1) по структуре клеток и их способности к росту; 2) по способу питания; 3) по способности к движению.

У животных клеток есть центриоли, но нет хлорофилла и клеточной стенки, мешающей изменению формы. Большинство растений необходимые для жизни вещества получают в результате поглощения минеральных соединений. Животные питаются готовыми органическими соединениями, которые создают растения в процессе фотосинтеза.

Классификация растений и животных построена в соответствии с их отличительными признаками. Основной структурной единицей был признан вид, а более высокие уровни составили последовательно род, отряд, класс.

Итак, численность видов по отделам (у дробянок, растений и грибов) и типам (у животных) распределяется следующим образом Горелов А. А. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. — М.: Высшее образование., 2005. — С. 140.:

— Царство дробянки: Бактерии — 3000; Сине-зеленые водоросли, или цианобактерии — 2000.

— Царство растения: Явгленовые водоросли — 900—1000; Динофитовые водоросли — 300; Криптовитовые водоросли — 100; Золотистые водоросли — 400; Диатомовые водоросли — 20 000; Желто-зеленые водоросли — 400; Красные водоросли — 4000; Бурые водоросли — 1500; Зеленые водоросли — 5700; Хоровые водоросли — 200—300; Минастники — 26 000; Моховидные — 25 000−35 000; Пауковидные — 970; Псилотовидные — 12; Папоротниковидные — не более 10 000; Хвощевидные — 30—35; Голосеменные — 600; Покрытосеменные, или цветковые — 250 000.

— Царство грибы: Слецевики — 400—500; Настоящие грибы — не более 100 000.

— Царство животные: Простейшие — 25 000—30 000; Губки — 5000; Кишечнополостные — 9000; Плоские черви — 15 000; Круглые черви, или нематоды — 500 000; Немертины — 2000; Кольчатые черви — 9400—9500; Мшанки — 4500; Плеченогие (иногда объединяемые с мшанками в тип червеобразных)-200; Моллюски — 107 000; Членистоногие — 1 500 000; в том числе насекомые — 1 000 000; Погонофоры — 100; Щетинкочелюстные — 50; Иглокожие — 6000; Хордовые — 41 000−46 000.

На Земле существует 500 тыс. видов растений и 1,5 млн. видов животных, в том числе позвоночных — 70 тыс., птиц — 16 тыс., млекопитающих — 12 540 видов. Подобная систематизация различных форм жизни создала предпосылки для изучения живого вещества как целого, что впервые осуществил выдающийся русский ученый В. И. Вернадский в своем учении о биосфере.

Хотя границы биосферы довольно узки, живые организмы в их пределах распределены очень неравномерно. На большой высоте и в глубинах гидросферы и литосферы организмы встречаются относительно редко. Жизнь сосредоточена главным образом на поверхности Земли, в почве и в приповерхностном слое океана. Общую массу живых организмов оценивают в 2,43×10¹²т. Биомасса организмов, обитающих на суше, на 99,2% представлена зелеными растениями и на 0,8% — животными и микроорганизмами. Напротив, в океане на долю растений приходится 6,3%, а на долю животных и микроорганизмов — 93,7% всей биомассы. Жизнь сосредоточена главным образом на суше. Суммарная биомасса океана составляет всего 0,03×10¹², или 0,13% биомассы всех существ, обитающих на Земле. В распределении живых организмов по видовому составу наблюдается важная закономерность. Из общего числа видов 21% приходится на растения, но их вклад в общую биомассу составляет 99%. Среди животных 96% видов — беспозвоночные и только 4% — позвоночные, из которых десятая часть — млекопитающие. Масса живого вещества составляет всего 0,01−0,02% от косного вещества биосферы, однако она играет ведущую роль в геохимических процессах. Вещества и энергию, необходимую для обмена веществ, организмы черпают из окружающей среды. Ограниченные количества живой материи воссоздаются, преобразуются и разлагаются. Ежегодно, благодаря жизнедеятельности растений и животных, воспроизводится около 10% биомассы. Кроме растений и животных, В. И. Вернадский включает в понятие «живое вещество» и человечество, влияние которого на геохимические процессы отличается от воздействия остальных живых существ, во-первых, своей интенсивностью, увеличивающейся с ходом геологического времени; во-вторых, тем воздействием, какое деятельность людей оказывает на остальные живые существа.

Жизнь на Земле ныне полностью зависит от фотосинтеза. Фиксируя энергию солнечного света в продуктах фотосинтеза, растения выполняют космическую роль энергетического очага на Земле. Под фотосинтезом понимается превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами при участии энергии света и поглощающих свет пигментов простейших соединений в сложные органические вещества, необходимые для жизнедеятельности всех организмов. При этом растения усваивают из атмосферы до 170 млрд т углекислого газа и разлагают до 130 млрд т воды, выделяя до 115 млрд т свободного кислорода Вернадский В. И. Размышления натуралиста: В 2 кн. Кн. 2. Научная мысль как планетарное явление. М., 1999.

Таким образом, все биотические компоненты экосистемы разделены на три основные группы: продуценты, консументы, или потребители, и редуценты, или разрушители. Все живые организмы, так или иначе, используя друг друга, образуют гигантский биологический круговорот биосферы. Этот круговорот не полностью замкнут: кроме энергетического входа он имеет и выход — часть отмирающего органического вещества после разложения микроорганизмами — минерализаторами может попадать в водные растворы и откладываться в виде осадочных пород, а другая часть образует отложения таких биогенных пород, как каменный уголь, торф, сапропель и т. п.

В этом большом биогеохимическом круговороте вещества и энергии выделяется целый ряд более частных круговоротов веществ — воды, углерода, кислорода, азота, серы, фосфора и др., в ходе которых происходит обмен химических элементов между живыми организмами и неорганической средой. Существование этих биогеохимических круговоротов определяет облик современных экосистем, устойчивость и саморегуляцию биосферы в целом. Поэтому как бы сложны и многообразны ни были проявления жизни на Земле, все формы жизни связаны между собой через круговорот вещества и энергии.

2. Эволюция биосферы

2.1 Космическая роль биосферы в трансформации энергии

В.И. Вернадский подчеркивал важное значение энергии и называл живые организмы механизмами превращения энергии. «Можно рассматривать всю эту часть живой природы как дальнейшее развитие одного и того же процесса превращения солнечной световой энергии в действенную энергию Земли» Вернадский В. И. Живое вещество. М., 1978. — С. 21.

Космическая энергия вызывает давление жизни, которое достигается размножением. Размножение организмов уменьшается по мере увеличения их количества. Размеры популяции возрастают до тех пор, пока среда может выдерживать их дальнейшее увеличение, после чего достигается равновесие. Численность колеблется вблизи равновесного уровня.

Растекание жизни есть проявление ее геохимической энергии. Живое вещество, подобно газу, растекается по земной поверхности в соответствии с правилом инерции. Мелкие организмы размножаются гораздо быстрее, чем крупные. Скорость передачи жизни зависит от плотности живого вещества.

Жизнь целиком определяется полем устойчивости зеленой растительности, а пределы жизни — физико-химическими свойствами соединений, строящих организм, их неразрушимостью в определенных условиях среды. Максимальное поле жизни определяется крайними пределами выживания организмов. Верхний предел жизни обусловливается излучением, присутствие которого убивает жизнь и от которого предохраняет озоновый щит. Нижний предел связан с достижением высокой температуры.

Жизнь постепенно, медленно приспосабливаясь, захватила биосферу и захват этот не закончился. Поле устойчивости жизни есть результат приспособленности в ходе времени.

Закон бережливости в использовании живым веществом простых химических тел: раз вошедший элемент проходит длинный ряд состояний, и организм вводит в себя только необходимое количество элементов. Формы нахождения химических элементов: горные породы и минералы; магмы; рассеянные элементы; живое вещество.

Количество свободного кислорода в атмосфере того же порядка, что и количество живого вещества. Это обобщение справедливо в рамках значительных геологических отрезков времени, и оно следует из того, что живое вещество — посредник между Солнцем и Землей и, стало быть, либо его количество должно быть постоянным, либо должны меняться его энергетические характеристики.

Всякая система достигает устойчивого равновесия, когда ее свободная энергия равняется или приближается к нулю, т. е. когда вся возможная в условиях системы работа произведена.

Автотрофными называют организмы, которые берут все нужные им для жизни химические элементы из окружающей их косной материи и не требуют для построения своего тела готовых соединений другого организма. Поле существования зеленых автотрофных организмов определяется областью проникновения солнечных лучей. В. И. Вернадский сформулировал идею автотрофности человека, которая приобрела интересный поворот в рамках обсуждения проблемы создания искусственных экосистем в космических кораблях. Простейшей такой экосистемой будет система «человек — 1 или 2 автотрофных вида». Но данная система неустойчива, и для надежного обеспечения жизненных потребностей человека необходима многовидовая система жизнеобеспечения.

В создании искусственной среды человек начинает ставить задачи, противоположные тем, которыё он решал ранее. Создание таких искусственных систем явится важным этапом развития экологии. В их построении соединяется инженерная нацеленность на создание нового и экологическая направленность на сохранение имеющегося, творческий подход и разумный консерватизм. Это и будет осуществлением принципа «проектирования вместе с природой» Тейяр де Шарден П. Феномен человека. М., 1973. — С. 64.

Пока искусственная биосфера представляет собой очень сложную и громоздкую систему. То, что в природе функционирует само собой, человек может воспроизвести только ценой больших усилий. Но ему придется это делать, если он хочет осваивать космос и совершать длительные полеты. Необходимость создания искусственной биосферы в космических кораблях поможет лучше понять биосферу естественную.

2.2 Эволюция биосферы

Эволюцию биосферы изучает раздел экологии, который называется эволюционной экологией. Следует отличать эволюционную экологию от экодинамики. Последняя имеет дело с короткими интервалами развития биосферы и экосистем, в то время как первая рассматривает развитие биосферы на более длительном отрезке времени. Так, изучение биогеохимических круговоротов и сукцессии — задача экодинамики, а принципиальные изменения в механизмах круговорота веществ и в ходе сукцессии — задача эволюционной экологии.

Одно из важнейших направлений в изучении эволюции — изучение развития форм жизни. Здесь можно отметить несколько этапов.

1. Клетки без ядра, но имеющие нити ДНК. Возраст таких самых древних организмов более 3 млрд. лет. Их свойства: подвижность; питание и способность запасать пищу и энергию; защита от нежелательных воздействий; размножение; раздражимость; приспособление к изменяющимся внешним условиям; способность к росту.

2. На следующем этапе (приблизительно 2 млрд. лет тому назад) в клетке появляется ядро. Одноклеточные организмы с ядром называются простейшими. Их 25- 30 тыс. видов. Самые простые их них — амебы. Инфузории имеют еще и реснички. Ядро простейших окружено двухмембранной оболочкой с порами и содержит хромосомы и нуклеоли. Ископаемые простейшие — радиолярии и фораминиферы — основные части осадочных горных пород. Многие простейшие обладают сложным двигательным аппаратом.

3. Примерно 1 млрд. лет тому назад появились многоклеточные организмы. В результате растительной деятельности — фотосинтеза — из углекислоты и воды при использовании солнечной энергии, улавливаемой хлорофиллом, Создавалось органическое вещество. Возникновение и распространение растительности привело к коренному изменению состава атмосферы, первоначально имевшей очень мало свободного кислорода. Растения, ассимилирующие углерод из углекислого газа, создали атмосферу, содержащую свободный кислород — не только активный химический агент, но и источник озона, преградившего путь коротким ультрафиолетовым лучам к поверхности Земли.

Л. Пастером выделены следующие две важные точки в эволюции биосферы: 1. момент, когда уровень содержания кислорода в атмосфере Земли достиг примерно 1% от современного — С этого времени стала возможной аэробная жизнь. Геохронологически это архей. Предполагается, что накопление кислорода шло скачкообразно и заняло не более 20 тыс. лет; 2. достижение содержания кислорода в атмосфере около 10% от современного. Это привело к возникновению предпосылок формирования озоносферы. В результате жизнь стала возможной на мелководье, а затем и на суше Канке В. А. Концепции современного естествознания: Учебник. — М.: Логос, 2001. — 368 с.

Палеонтология, которая занимается изучением ископаемых остатков, подтверждает факт возрастания сложности организмов. В самых древних породах встречаются организмы немногих типов, имеющих простое строение. Постепенно разнообразие и сложность растут. Многие виды, появляющиеся на каком-либо стратиграфическом уровне, затем исчезают. Это истолковывают как возникновение и вымирание видов.

Веками накапливавшиеся остатки растений образовали в земной коре грандиозные энергетические запасы органических соединений (уголь, торф), а развитие жизни в Мировом океане привело к созданию осадочных горных пород, состоящих из скелетов и других остатков морских организмов.

Заключение

Таким образом, изучив соответствующую литературу по теме, можно прийти к следующему выводу. Под биосферой Вернадский понимал тонкую оболочку Земли, в которой все процессы протекают под прямым воздействием живых организмов. Биосфера находится на стыке литосферы, гидросферы и атмосферы, располагаясь в диапазоне от 10 км вглубь Земли до 33 км над Землей.

В.И. Вернадский сформулировал три биогеохимических принципа.

1. Биогенная миграция химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению. Этот принцип в наши дни нарушен человеком.

2. Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов. Этот принцип при антропогенном измельчании средних размеров особей Земли начинает действовать аномально интенсивно.

3. Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с окружающей его средой, создающейся и поддерживающейся на Земле космической энергией Солнца. Вследствие нарушения двух первых принципов космические воздействия из поддерживающих биосферу могут превратиться в разрушающие ее факторы.

Различают три этапа эволюции биосферы. Первый этап — возникновение биотического круговорота, означавшего формирование биосферы. Второй этап — усложнение жизни на планете, обусловленное появлением многоклеточных организмов. Третий этап — формирование человеческого общества, оказывающего своей хозяйственно-экономической деятельностью все большее влияние на эволюцию биосферы. Попытки выделить основные этапы эволюции биосферы заслуживают внимания уже тем, что ставят эту проблему в качестве одной из важных задач современной эволюционной теории.

1. Вернадский В. И. Биосфера. Избранные сочинения. М.: Наука, 1990.

2. Вернадский В. И. Живое вещество. М., 1978.

3. Вернадский В. И. Размышления натуралиста: В 2 кн. Кн. 2. Научная мысль как планетарное явление. М., 1999.

4. Горелов А. А. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. — М.: Высшее образование., 2005. — 335 с.

5. Канке В. А. Концепции современного естествознания: Учебник. — М.: Логос, 2001. — 368 с.

6. Тейяр де Шарден П. Феномен человека. М., 1973.