Понятие «биосфера», ее вертикальная и горизонтальная структуры, свойство эмерджентности экосистем.

Биосфера – сфера жизни, оболочка Земли, населенная живыми организмами. Впервые понятие б. (от греч. bios – жизнь, sphaira – шар) было введено в биологию фран. натуралистом Ж.-Б. Ламарком, геолог Зюсс в начале XIX в. Но основы науки о б. были заложены только в пер. половине XX в. трудами акад. В. И. Вернадского. Вернадский называл биосферу - оболочка Земли, в пределах которой сосредоточено все живое вещество планеты. В этом смысле он различал газовую (атмосфера), водную (гидросфера) и каменную (литосфера) оболочки земного шара как составляющие био-, области распространения жизни.

Биосфера включает в себя нижнюю часть атмосферы (активная жизнь может существовать до высоты 10-15 км), всю гидросферу и верхнюю часть земной коры (кора выветривания – геологич. отложения с материнской горной породой – 30-60 м и более 100-200 м).

Область распространения живых организмов и определяет границы био-. За верхнюю границу б. принимают слой озона, находящийся на высоте 20-25 км, нижняя граница проходит в литосфере, где главными агентами явл. организмы, вода, ветер). Это граница от нескольких сотен метров до нескольких км, где встречаются еще анаэробные бактерии. Развитие определялось деятельностью живых организмов.

Биосфера по субстанциям делится:

- аэробиосферу – приземный слой атмосферы до 17 км над уровнем океана, где живут организмы и размножаются по вертикали на 2 зоны:

* тропобиосфера – постоянно заселена организмами до 6 км;

* стратобиосфера – 6-7 км, постоянно существуют организмы в виде спор;

- литобиосфера – часть литосферы до глубины 7 км, живые организмы и слой биогенных осадочных пород на 3 зоны:

* гипобиосфера – слой литосферы 5-6 км, живые организмы находятся при случайных причинах, временно, нормально не развиваются;

* телурбиосфера – 1-5 км могут существовать анаэробные организмы;

* хипотерробиосфера – верхняя часть литосферы до глубины 1 км. Здесь могут существовать, здесь могут существовать анаэробные организмы. Здесь выделяют кору выветривания до 200 м, подпочву, зону корней деревьев;

- педосферу – почвенный слой, в среднем до 30 см;

- гидробиосферу – часть б., в пределах гидросферы, в пределах океана:

* фотосфера – верхний слой, простилающийся 150-200 м, обитают и размножаются водные и автотрофные организмы;

* дистрофитосфера – слой воды, расположенный на глубине 200 м – 2 км, незначительная часть солнечной радиации;

* афотосфера – область развития жизни без солнечной радиации (абиссаль).

Иногда верхнюю границу б. расширяют за счет вовлечения парабиосферные зоны. Границы – озоновый экран Земли, то есть 25-27 км. Иногда расширяют нижнюю часть б. – метабиосферную область – определяется максимальной глубиной залегания осадочных пород (11 км).

В пределах био- есть области, где активная жизнь невозможна. Например, / био- по горизонтали/ в верхних слоях тропосферы, в наиболее холодных (центральные районы Антарктиды), жарких и сухих районах земного шара организмы могут находиться лишь в покоящимся состоянии. Совокупность этих областей био- наз. парабиосферой.

Парабиосферные области – области, расположенные выше снеговой линии, за которой располагаются вечные льды и снега.

Аксиома В.Б. Сочавы об иерархической структуре биосферы: биосфера представляет собой систему, организованную в виде множества подсистем различной размерности.

Для реализации хорологического подхода в геоэкологии весьма существенно изучение пространственных структур – биохор, порождаемых композициями биогеоценозов.

Пять иерархических уровней биохор и отвечающих им подразделений географической оболочки (горизонтальное разделение) – геохор:

- микрохоры и мезохоры – биогеоценозы, входящие в состав морфологических единиц ландшафта, размером 10^-1 – 10^-2 км²;

- макрохоры – биогеографические (геоботанические) районы, охватывающие территорию конкретных ландшафтов, размером 10¹ – 10² км²;

- мегахоры – единицы биогеографического (фитогеографического) и природно-хозяйственного районирования размером 10³ – 10⁵ км²;

- гигахоры – главнейшие элементы биосферы и географической оболочки, т.е. океаны и материки, биоклиматические пояса размером более 10⁶ км².

Переход от одного структурного уровня к другому сопровождается качественным изменением свойств системы.

Биосфера как планетарная система обладает свойствами:

дискретности – выделение пространственных границ;

континуальности – обеспечивает непрерывность экосистем, когда между ними существуют области – экотоны.

Свойством эмерджентности обладает любая экосистема. Система имеет новое качество по сравнению со слагающими ее экосистемами более низкого иерархического уровня, то есть целое больше простой суммы его частей.

Уровни организации живого:

1) Уровень молекулярных структур жизни (вирусы) - граница между живым и неживым.

2) Клеточный.

3) Органно-тканевый (характерно для многоклеточных).

4) Уровень целостного организма.

5) Видовой (действуют все законы внутривидовых отношений).

6) Биоценозный (действуют межвидовые законы).

7) Биосферный.

Основные особенности: присутствие живого вещества; наличие воды в жидком состоянии; поступление энергии солнечной радиации в биосферу; происходит поверхностный раздел между веществами находящимися в различных физических состояниях.

Общая биомасса Земли - 1,8 *10 в 12 степени.

На суше биомасса растений значительно больше биомассы животных, а в океане наоборот.

Наибольшее количество живого вещества на единицу площади приходится во влажных экваториальных лесах - более 125 кг/кв.м, минимальное значение - в пустыне - менее 0,6кг/м².

Биомасса океана мала в тропиках, так как теплая вода содержит недостаточно растворённого кислорода, но видовой её состав богаче, чем в других зонах.

Всего на Земле насчитывается около 350 тыс. видов растений и 1.5 млн. видов животных.

Биомасса суши в 200 раз больше биомассы в океане.

Масса растений на суше, в 100 раз больше массы животных, а в океане масса животных в 26 раз больше фитомассы.

Биомасса на суше напрямую зависит от количества тепла и воды.

Общепланетарные функции живого вещества. Основные этапы эволюции биосферы

Пять основных функций живого вещества в масштабах планеты.

1. Энергетическая функция состоит в осуществлении связи биосферно-планетарных явлений с излучением космоса, и прежде всего солнечная радиация. Основой функции является – фотосинтез, в процессе которого происходит аккумуляция энергии и ее последующее перераспределение между компонентами биосферы. Накопленная солнечная энергия обеспечивает протекание всех жизненных процессов (за время существования жизни на Земле живое вещество превратило в химическую энергию солнечную энергию, при этом существенная часть ее в ходе геологической истории накопилась в связанном виде: залежи угля, нефти и др. органических веществ).

2. Газовая функция – происходит миграция газов и их превращение, формируется газовый состав биосферы. Преобладающая масса газов имеет биогенное происхождение. Так, кислород атмосферы накоплен за счет фотосинтеза. При этом количество молекул кислорода, выделяемых земными растениями, пропорционально количеству связываемых водой молекул диоксида углерода. Последний поступает в атмосферу за счет дыхания всех организмов. Другой, не менее мощный его источник – выделение по трещинам земной коры из осадочных пород за счет химических процессов под действием высоких температур.

3. Концентрационная – проявляется в извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов из окружающей среды, которые используются для построения тела. Концентрация этих элементов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среды.

4. Окислительно-восстановительная – заключается в химическом превращении веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисления (это в основном соединения железа, марганца и др.). В результате происходят превращения большинства химических соединений, при этом преобладают биогенные процессы окисления и восстановления.

5. Деструкционная – протекают процессы, связанные с разложением остатков мертвых организмов. При этом происходит минерализация органического вещества, т.е. превращение живого вещества в косное.

Т.о. живое вещество трансформирует солнечную энергию и вовлекает неорганическую материю в непрерывный круговорот. Живое вещество определило современный состав атмосферы, гидросферы, почв и, в значительной степени осадочных пород земли. В.И. Вернадский писал: «Превращение жизни было бы неизбежно связано с прекращением химических изменений если не всей земной коры, то во всяком случае ее поверхности – лика Земли, биосферы».

- Биота обеспечивает стабильность биосферы.

- Биота обеспечивает устойчивость глобальных биогеохимических циклов. Часть биоты синтезирует кислород: кислород нужен прежде всего для энергетических процессов (кроме анаэробных); образование озона, для поддержания озонового слоя.

- Биота обеспечивает разрушение горных пород и образование почв (микроорганизмы, различные лишайники, растения).

- Биота повышает плодородие почвенного покрова.

- Биота принимает участие в глобальном гидрологическом круговороте.

Основные этапы эволюции биосферы

Современная биосфера – продукт длительной эволюции нашей планеты и жизни на ее поверхности. В кратком изложении развитие биосферы З. можно рассматривать как последовательную смену 3- этапов:

1. Первый этап – Восстановительный – завершился на З. появлением гетеротрофной био- более 4 млрд. л.н. Для первого этапа характерно появление анаэробов и следы присутствия свободного кислорода (О₂). Ранний фотосинтез, по преимуществу, был анаэробным (бескислородным), происходила фиксация азота (N), кот. приводила к тому, что часть ультрафиолетовой радиации, проникая через атмосферу, разлагала аммиак на З.

Самые древ. г/породы с возрастом в 3,8-3,5 млрд лет со следами жизни– метаморфические, залегают в докембрийских щитах почти на всех материках З. Биохимические следы существования древ. организмов представлены в виде устойчивых химических соединений в осадочных г/п.

2. Второй этап – Слабоокислительный – отмечен появлением аэробного (кислородного) фотосинтеза не менее 3,8 млрд л.н., кот. начался у древ. фотосинтезирующих прокариот (предки цианобактерий) -> затем О₂ производили морские водоросли и цианобактерии (сине-зеленые водоросли) -> строящиеся строматолиты (известняковые образования)->. Но в атмосфере накапливалось малое количество О₂, т.к. он реагировал с железом (Fe), растворенным в воде. При этом оксиды Fe осаждались, образуя полосчатые железистые формации докембрия. Только когда океан освободился от Fe и др. поливалентных металлов, концентрация О₂ стала возрастать.

3. Третий этап характеризуется формированием окислительной фотоавтотрофной среды. Он начался с завершения отложений полосчатых железистых кварцитов примерно 1800 млн л.н. Для этого этапа характерно наличие такого количества свободного О₂, кот. достаточно для появления и развития животных, потребляющих его. Возникает О₂ –ое дыхание -> озоновый слой -> расширение осваиваемых жизнью условий -> …

Последние два этапа в развитии био- фиксированы в каменной летописи геологической истории, пример: в породах возраста 3 млрд л обнаружен пигмент фикобилин, кот. используется при фотосинтезе современными цианобактериями (сине-зел. водорослями); некот. организмы раннего докембрия, относящиеся к сине-зел. водорослям мало изменились в ходе геологической истории или близки к их формам, обитающие в наст. время. Можно предположить: древнейшая жизнь, вероятно, существовала в качестве гетеротрофных бактерий, получавших пищу от материала биогенного происхождения (от Солнца, кот. образовалось раньше), соответственно зарождение жизни на З. могло произойти раньше более чем на 4 млрд л.н.

В современное время биосфера как планетное явление получает новое понимание – становление этапа ноосферы – «сфера разума». В.И. Вернадский связывал появление нового этапа с действием многих факторов: единство био- и человечества, планетарный характер человеческой деятельности, кот. соизмерим с геологическими процессами, а также развитие демократических форм человеч. общения, «взрыв» достижений и науки.

* Ноосферный этап. Первое завоевание природы – приобретение и поддержание огня, очаги скотоводства и земледелия, охота – единственный способ белковой пищи. В палеолите человекобезьяна участвует в круговороте веществ, в неолите развитие ремесел, рост численности населения.

Эволюция биосферы –происходит в рамках уже сложившихся уровней организации живого.

Основные этапы эволюции:

1.быстрое (в геологическом масштабе времени) завоевание жизнью земного пространства;

2.постепенное преобразование геологических и геохимических круговоротов в биогеологические и биогеохимические;

3.преобразование первичной атмосферы и стабилизация её газового состава

4.замена восстановительного (бескислородного) фона геохимической среды окислительным;

5.возникновение почвообразовательного процесса и создание вследствие этого почвенной структуры;

6.детерминация химической активности природных вод (создание зональной структуры гидросферы и вод зоны гипергенеза).

Показателем эволюции биосферы служит изменение способности живого вещества концентрировать химические элементы, соединения и энергию (концентрационная функция живого вещества).

Тенденциями эволюции являются:

- увеличение разнообразия элементов;

- изменение соотношения между ними, например, образование рудных месторождений в определённые эпохи – железорудных (железистые кварциты) в протерозое, марганцевых в неогене, соленосных в девоне и Перми.

Одной из тенденций развития биосферы на экосистемном уровне является стремление подольше сохранить вещества, созданные продуцентами в биохимическом круговороте (например, за счёт увеличения трофических уровней в пищевой цепи) и повысить его интенсивность. При этом важнейшими событиями были возникновение и эволюция основных способов питания (хемотрофного, автотрофного и гетеротрофного), типов экологических взаимодействий (хищничество, паразитизм, конкуренция, кооперация) и становление биотического круговорота, осуществляемого продуцентами, консументами, редуцентами (при выраженной тенденции «притирания» и «встраивания» всё новых элементов в систему).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: