Автор: М.Э. Гусельников, В.Н. Стройнова
Биоэкология
Учебное пособие. – Томск: Изд. ТПУ, 2002. – 104 с.
| Предыдущая |
2. Биосфера земли и ее состав
Биосфера. Ее границы, состав, обменные процессы
Учение о биосфере создано академиком В.И. Вернадским в двадцатом веке. В настоящее время биосферой называют оболочку Земли, в которой существуют живые организмы, растения, человечество в целом. В соответствии с системным подходом (рис. 1.3) следует рассматривать биосферу как систему и изучать ее связи с окружающей средой (космосом), то есть процессы обмена энергией, веществом и информацией. Биосфера представляет собой незамкнутую (открытую) систему. Кроме того, существуют обменные процессы внутри биосферы. И, наконец, биосфера является динамической системой, ее характеристики меняются во времени. Установлено, что биосфера претерпевает эволюцию.
Известны следующие процессы обмена биосферы с окружающей средой:
1. Обмен энергией с космосом. Возможны следующие источники энергии для биосферы:
а) Солнце. Спектральный состав солнечного излучения очень широк от радиоволн до жесткого рентгеновского излучения;
б) другие звезды нашей Галактики;
в) солнечный ветер — поток электронов и протонов высоких энергий от солнечной короны;
г) межпланетное магнитное поле. На орбите Земли имеет малую напряженность около 8*10-4 Э и соответственно малую энергию;
д) космические лучи — поток заряженных частиц высоких скоростей и энергий. Значительно возрастает во время взрывов новых и сверхновых космических объектов.
В свою очередь Земля теряет тепловую энергию и постепенно остывает.
2. Обмен веществом. Возможные источники вещества для биосферы:
а) солнечный ветер — электроны и протоны высоких скоростей и энергий;
б) космические лучи — различные заряженные частицы;
в) межпланетная пыль, в том числе метеориты. Ежегодный прирост массы Земли за счет космической пыли составляет примерно 10 млн. т.
Земля также теряет вещество, в основном атмосферу.
Составные части биосферы представлены на рис. 2.1. Это нижняя часть атмосферы, гидросфера, литосфера (мощный поверхностный слой земли).
Каковы границы биосферы? К биосфере относятся те участки, где есть условия не только для выживания, но и для размножения живых существ, это поле существования жизни и поле устойчивости жизни. Условия, соответствующие полю устойчивости жизни, следующие:
1. Достаточные количества кислорода и углекислого газа. Количество кислорода в объеме атмосферы равно 20.95 %. Однако живые существа адаптированы к современному составу и давлению воздуха. Например, парциальное давление кислорода на высоте уровня моря составляет 160 мм рт. ст., на высоте 20 км оно уменьшается до 8.7 мм рт. ст. и его не хватает для нормального дыхания живых существ. Поэтому на высоте 20 км жизнь невозможна при том же процентном содержании кислорода в атмосфере. Парциальное давление углекислого газа на больших высотах (свыше 6 км) также уменьшается, поэтому растительность скудеет.
2. Достаточное количество жидкой воды. В целом на нашей планете воды гораздо больше, чем земли, площадь мирового океана составляет 79 % площади земного шара. В Антарктиде жизнь невозможна, в частности, из-за отсутствия воды в жидком виде.
3. Благоприятная температура. Она должна быть не слишком высокой, чтобы не свертывался белок (ниже +80 оС), и не слишком низкой. Антарктида лишена жизни из-за температур ниже –60 оС.
4. Живому существу необходим прожиточный минимум минеральных веществ. Недостаток их ощущается на больших площадях в океанах.
5. Соленость среды. Если концентрация солей примерно в 10 раз выше, чем в морской воде, жизнь невозможна. Лишены жизни подземные воды с концентрацией солей 270 г/л.
В соответствии с выполнением данных условий границы биосферы простираются от высоты 12.5 км в атмосфере (максимальная высота полета птиц) до глубины 10 км в литосфере. По другим литературным источникам возможны расхождения в пределах нескольких километров.
С одной стороны, организмы и вещество биосферы индивидуальны. Вспомните биологическое разнообразие видов на Земле, климатических зон, природных ископаемых, составляющих атмосферы. Живое вещество биосферы весьма разнообразно. В настоящее время насчитывают около 1,5 млн. известных видов животных. За все время существования Земли их было больше миллиарда. Но, с другой стороны, для биосферы выполняется ЗАКОН ВЕРНАДСКОГО: все живое вещество Земли физико — химически едино. Другими словами, это означает качественное единство жизни на Земле, например: химические законы обмена веществ у мыши и человека одни и те же, описываются одними и теми же химическими реакциями, например: 2Н2О = 2Н2 + О2. Физические законы также универсальны и оказывают одинаковое влияние на организмы. Например, все живые организмы испытывают на себе действие силы тяжести и вес тела Р = mg. Или: повышение температуры приводит к ускорению химических реакций обмена веществ.
Круговорот веществ в биосфере
Внутри биосферы организмы связаны с окружающей средой посредством энергетического обмена, обмена веществом и информационного обмена. Многократный обмен веществом, энергией и информацией называется КРУГООБОРОТОМ ВЕЩЕСТВА в биосфере. Кругооборот веществ идет в направлении, определяемом ПРАВИЛОМ ОСНОВНОГО ОБМЕНА: любая динамическая система использует приход вещества, энергии и информации в основном для самоподдержания и саморазвития. Этому правилу подчиняются и организмы, и популяции, и экосистемы, и биосфера в целом.
Рассмотрим внутренние процессы обмена энергией и веществом в биосфере. Баланс солнечной энергии показан в табл. 2.1. Примерно 1 % энергии преобразуется в химическую форму с помощью фотосинтеза, около 70 % преобразуется в тепловую форму, осадки, ветер. Спектральный состав солнечного излучения имеет большое значение для жизни на Земле. Полезны видимое излучение, тепловое (инфракрасное), частично — радиоактивное. Радиоактивное и ультрафиолетовое излучение в основном поглощается озоном в верхних слоях атмосферы. Без озонового слоя не было бы жизни. Большое значение имеют магнитное поле Земли и Солнца. Частицы, проникающие на Землю из космоса через атмосферу, оказывают влияние на жизнь. Ионы, элементарные частицы, γ-кванты и другие высокоэнергетичные частицы поступают через границу атмосфера — космос. Их количество увеличивается в периоды солнечной активности и взрывов звезд. Они в основном поглощаются атмосферой, проходит только малая часть, иначе жизнь на Земле прекратилась бы.
Живое вещество биосферы состоит из наиболее простых и наиболее распространенных в космосе химических элементов: О, N, С, Н.
БИОМАССА М — это суммарная масса особей вида или всех живых существ биосферы. М по отношению к объему (или площади) обитания называется плотностью биомассы. Измеряется в кг/м3 или кг/м2. Биомасса распределена неравномерно. На суше преобладают растения, в океанах — животные (табл. 2.2).
Таблица 2.1.
Годовое распределение солнечной энергии в биосфере
|
Виды рассеивания |
Доля, % |
|
Отражение |
30 |
|
Превращение в тепло |
46 |
|
Испарение, осадки |
23 |
|
Ветер, волны, течения |
0,2 |
|
Фотосинтез |
0,8 |
Таблица 2.2.
Распределение биомассы на суше и в мировом океане
|
Сухое вещество |
|||||
|
Континенты |
Океан |
||||
|
Зеленые растения |
Животные и микро-организмы |
Итого |
Зеленые растения |
Животные и микро-организмы |
Итого |
|
99,2 |
0,8 |
100 |
6,3 |
93,7 |
100 |
Классификация живого вещества в биосфере
Основные свойства живого вещества, отличающие его от неживого:
1. Существует в биосфере в виде отдельных организмов. Как атом является единицей неживой материи, так организм — единица живой материи.
2. Организовано в различные живые системы: экосистемы, популяции, сообщества.
3. Жизнь существует в форме смены поколений.
4. Наличие свободной энергии. Например, повышение энергии можно наблюдать при скоплениях саранчи массой в десятки миллионов тонн.
5. Большее химическое разнообразие по сравнению с неживым веществом.
6. Стремление заполнить все возможное пространство. Вернадский называл это «давлением жизни». Оно существует из-за способности к размножению.
В связи с огромным разнообразием возникает необходимость в классификации.
Автотрофами называют все живые организмы, которые берут нужные им вещества из окружающей их неживой материи. В основном используют энергию Солнца. Они кормят биосферу и питаются сами. Гетеротрофами называют организмы, питающиеся органическим веществом, сгенерированным другими организмами. Человек относится к гетеротрофам. Биомасса автотрофов больше, а их разнообразие меньше, чем гетеротрофов. Все взаимодействия осуществляются посредством кругооборота веществ. Существуют организмы со смешанным типом питания, их называют миксотрофами. Разные способы питания осуществляются благодаря кругообороту веществ внутри биосферы.
Тест
1. Биосферу, в понимании земной экологии, имеют следующие планеты солнечной системы:
1. Венера.
2. Марс.
3. Нептун.
4. Ни один из ответов не является правильным.
2. Каковы границы биосферы Земли?
1. От 40 км в высоту атмосферы до 11 км в глубину литосферы.
2. От 12.5 км в высоту атмосферы до 10 км в глубину литосферы.
3. От 10 км в высоту атмосферы до 10 км в глубину литосферы.
3. Какие из перечисленных законов выполняются для биосферы Земли одновременно?
1. 1 и 2 законы термодинамики, закон Вернадского.
2. 1 закон термодинамики, закон экономии энергии.
3. Закон Вернадского, правило основного обмена.
4. Биомасса гетеротрофов преобладает над биомассой автотрофов:
1. В биосфере.
2. В литосфере.
3. В гидросфере.
4. В атмосфере.
5. Биомасса каких из живых существ преобладает в биосфере?
1. Автотрофов.
2. Гетеротрофов.
3. Миксотрофов.
6. Какой источник космической энергии наиболее важен для биосферы?
1. Излучение звезд.
2. Излучение Солнца.
3. Космические лучи.
4. Солнечный ветер.
| Предыдущая |
