2. Биосфера земли и ее состав
М.Э. Гусельников, В.Н. Стройнова
Биоэкология
Учебное пособие. – Томск: Изд. ТПУ, 2002. – 104 с.
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 о С), и не слишком низкой. Антарктида лишена жизни из-за температур ниже –60 о С.
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/м 3 или кг/м 2 . Биомасса распределена неравномерно. На суше преобладают растения, в океанах — животные (табл. 2.2).
Годовое распределение солнечной энергии в биосфере
Источник
География
Лучшие условия по продуктам Тинькофф по этой ссылке
Дарим 500 ₽ на баланс сим-карты и 1000 ₽ при сохранении номера
. 500 руб. на счет при заказе сим-карты по этой ссылке
Лучшие условия по продуктам
ТИНЬКОФФ по данной ссылке
План урока:
Что такое биосфера и как она устроена
Биосфера представляет собой сферу жизни, оболочку земли, населенную живыми существами. Впервые подробно описана биосфера академиком В.И. Вернадским.
Область распространения живых организмов предопределяет границы биосферы.
Верхней границей биосферы считается озоновый экран. Расположен он на высоте 21-25 км, здесь же и проходит верхняя граница биосферы. Распространение организмов выше этой границы не происходит, так как очень большая концентрация ультрафиолетовых лучей.
Нижняя граница биосферы проходит в литосфере, причем многие ученые устанавливают разную глубину. Приблизительно нижняя граница биосферы располагается на глубине от многих сот метров до нескольких километров. Самых нижних пределов этой границы в биосфере достигают некоторые виды бактерий. Например, споры бактерий находят в земной коре на глубине свыше 3 км. Даже в месторождениях нефти были найдены эти организмы. Однако существует определенный предел для жизни организмов. Поэтому нижние границы биосферы определяются температурой земных недр. Вы уже знаете, что с глубиной температура будет увеличиваться, в таких условиях организмы существовать не смогут.
Поэтому можно сделать вывод, что верхние и нижние границы биосферы предопределяются наличием условий, необходимых для жизни организмов.
На планете обитает великое множество растений, животных, микроорганизмов, которые составляют живое вещество.
Полагают, что возникновение жизни на Земле случилось более 3 млрд. лет тому назад в мелководных водоемах при теплом и влажном климате. Отсюда произошло распространение в океаны и на сушу. В ходе геологической истории повышалось многообразие организмов, усложнялась их организация и увеличивалась масса живого вещества.
Основным свойством живого вещества является их способность к размножению. Данная особенность позволяет им распространяться очень быстро по всей планете. Например, в некоторые годы можно услышать о нашествии саранчи. Это во многом связано с интенсивностью размножения этих насекомых – большое количество потомства требует значительного количества пищи. Для добычи пищи организмы могут перемещаться на многие километры. Так происходит и с саранчой.
В настоящее время по количеству видов в биосфере преобладают животные над растениями, а по массе вещества растения во много раз превышают массу животных. Подавляющая часть живого вещества сосредоточена на суше и превышает массу организмов океана в 1000 раз.
Основной функцией живых организмов является постоянный обмен веществ с окружающей средой. Он осуществляется в форме биологического круговорота.
Сущность биологического круговорота веществ сводится к двум противоположным процессам: созданию органического вещества в процессе фотосинтеза и его преобразованию в простые минеральные элементы с помощью микроорганизмов.
Каждая группа существ биосферы имеет огромное значение в круговороте веществ.
Растительные организмы создают органические вещества, потребляя солнечную энергию, поэтому они считаются производителями. Этим и определяется значение растений в биосфере.
Следующая группа организмов – животные, которые являются потребителями. Они потребляют готовые вещества, питаясь другими живыми организмами. Значение этих существ в биосфере определяется тем, что они перемещают органические вещества по планете.
Микроорганизмы и грибы способствуют разложению веществ и преобразованию их в неорганические. Данная группа считается разрушителями, но, тем не менее, их роль очень высока. Отсутствие этих организмов привело бы к накоплению продуктов распада, которые являются ядовитыми.
Соответственно, значение биологического круговорота заключается в перераспределении веществ и энергии в результате протекания основных процессов жизнедеятельности организмов.
Помимо участия в круговороте веществ, живые существа выполняют и другие функции. Все знают, что растения при фотосинтезе вырабатывают кислород, который необходим для всех организмов, обеспечивают человека продуктами питания. Живые организмы влияют на литосферу, принимая участие в процессах выветривания и создавая новые формы рельефа.
Все организмы взаимодействуют друг с другом, формируя единую оболочку – биосферу. Каково же значение биосферы? Давайте познакомимся на рисунке.
Жизнь в океане
В Мировом океане, так же как и на суше, есть живые организмы. Однако отличием является преобладание животных над растениями.
Вода обладает особыми свойствами, важными для существования организмов. Она обладает большой теплоемкостью, отсутствуют резкие перепады температур. В воде хорошо растворяются различные вещества, необходимые для жизни организмов.
В океане множество различных организмов, можно выделить три большие группы: планктон, нектон и бентос.
Большую часть всей массы живых существ составляет морской планктон. К данной группе относят мелких организмов, которые пребывают в воде как бы в парящем состоянии. Планктоном считаются мельчайшие водоросли, а также мелкие животные, которые служат пищей для других организмов. Очень интересное явление можно наблюдать в местах скопления планктона на море – эти организмы светятся! Они излучают свет при воздействии на них раздражителей, например, движения воды. Такими организмами являются мелкие представители ракообразных, одноклеточные водоросли.
Свечение океана в местах скопления планктона
В отличие от планктона, следующая группа организмов – нектон – являются свободноплавающими, способными преодолевать сопротивление воды. В связи с этим у них выработались определенные приспособления к условиям обитания: обтекаемая форма тела, плавники, ласты. Данная группа имеет большое количество видов организмов, которые составляют животный мир океана. К примеру, сюда относятся дельфины, киты, а также многие виды рыб.
Интересная группа организмов заселяет дно океана – бентос. Есть организмы, которые постоянно прикреплены ко дну, например, кораллы.
Некоторые организмы все свое время проводят в придонных водах, например, скаты или закапываются в грунт – черви, моллюски.
Растительный мир океана представлен различными видами водорослей, которые могут прикрепляться ко дну либо свободно плавать в толще воды.
Распространение организмов в Мировом океане происходит в зависимости от нескольких факторов: глубины, климата, удаленности от берегов.
С глубиной изменяется количество света, кислорода, увеличивается давление. В связи с этим у поверхности воды находится большая часть живых организмов, число их с глубиной уменьшается.
Вы уже знаете, что климатические условия изменяются в зависимости от географической широты. Соответственно и масса организмов в разных климатических зонах будет различаться.
На севере находится Северный Ледовитый океан, животный и растительный мир которого очень беден. Представлен он небольшим количеством планктона, некоторыми видами рыб, а также моржами и тюленями.
В умеренном поясе расположены частично Атлантический и Тихий океаны. Эти районы не богаты видами, однако, количество животных значительное. Здесь производят лов основных промысловых видов рыб. Растительный мир Тихого океана в этом поясе представлен бурыми водорослями – ламинарией или морской капустой.
Тропический и экваториальный пояс характеризуется высокими температурами, соответственно теплыми водами. Большая часть Индийского океана размещена в этих зонах, а также частично Атлантический и Тихий.
Весьма обилен и многообразен растительный и животный мир Индийского океана. В этом месте встречается немало различных видов водорослей, многочисленный планктон является пищей другим организмам. Из животных водится достаточное количество рыб, в том числе и хищных, например, акулы. Много китов, дельфинов, морских котиков, черепах.
Подводный мир Индийского океана
В зависимости от удаленности от суши число видов живых организмов будет также различаться. В зонах мелководий благоприятные условия для организмов, поэтому здесь водится большая часть живых существ океана. Даже придонные организмы встречаются в основном именно здесь. На больших глубинах богатый животный мир только в местах выхода горячих подземных вод.
Жизнь в лесу
В предыдущем пункте упоминалось, что на суше преобладает растительность. Распространение растений по территории планеты определяется климатическими условиями. Соответственно от растительности и климата будет зависеть видовой состав животного мира.
Масса живого вещества увеличивается от полюсов к экватору, где наблюдается максимальный видовой состав живых организмов.
Большую часть суши занимают леса, которые формируют огромные зоны, растянувшиеся в широтном направлении.
Выделяют несколько типов лесов, остановимся на них подробнее.
- Зона влажных экваториальных лесов занимает пространство вдоль экватора. Здесь сосредоточена основная масса всей растительности суши.
Влажные экваториальные леса есть на материке Африка, Южная Америка и на островах Тихого океана.
Климат влажных экваториальных лесов теплый, с высоким количеством осадков. В таких условиях формируется определенный тип почв, богатый органическими веществами и обеспечивающий растительность влажных экваториальных лесов необходимыми элементами.
Леса очень густые, поэтому идет постоянная борьба за свет и растут они в несколько ярусов.
Эти леса славятся значимыми породами деревьев: красное, эбеновое, железное. Большое значение имеют масличная пальма, кофейное дерево, банановое дерево.
Животные влажных экваториальных лесов обитают главным образом на деревьях. Здесь большое количество птиц, насекомых, обезьян, ядовитых змей и всевозможных хищников.
Зона хвойных лесов размещена в пределах умеренного климата и протянута широкой полосой с запада на восток по территории Северной Америки и Евразии. Хвойные леса считаются самыми северными на планете. Здесь доминируют ель, сосна, пихта, лиственница. Это вечнозеленые деревья, имеющие хвою вместо листьев. Поэтому эти леса и получили название хвойные.
В России такие леса именуют тайгой. В хвойных лесах России, Сибири встречается крупное дерево – кедровая сосна или сибирский кедр, дающее ценные орехи.
В тайге водятся различные животные: белка, лисица, горностай, бурые медведи, рыси.
Видовой состав здесь беднее по сравнению с влажными экваториальными лесами. Объясняется это более холодными климатическими условиями, небольшим количеством влаги, поэтому здесь произрастают только определенные растения, приспособленные к данным условиям.
- Зона смешанных и широколиственных лесов расположена также в умеренном поясе. От тайги к югу размещаются смешанные леса, а за ними широколиственные. Смешанные леса сформированы многообразными растениями. Встречаются здесь породы деревьев с опадающей листвой, могут быть хвойные. Из лиственных деревьев могут быть березы, ольха, дуб, клен, липа.
Широколиственные леса представлены лиственными породами деревьев – бук, клен, дуб, липа.
В смешанных лесах можно встретить животных, характерных для тайги. Однако видовой состав более богатый, и встречаются различные виды копытных: кабаны, косули, олени, лоси. Животный мир во многом схож с широколиственными лесами.
Жизнь в безлесных пространствах
На равнинах внутренних частей материков расположены безлесные пространства. Здесь ощущается постоянная нехватка влаги, поэтому не могут произрастать крупные деревья. Влаги хватает только травам и кустарникам. На разных материках безлесное пространство именуется по-разному. В Евразии их называют степями, Северная Америка знаменита своей прерией, в Южной Америке – это пампа. Растения степей в основном злаки, причем низкорослые. Из животных в степях встречаются различные травоядные и соответственно хищники. Однако преобладают в основном мелкие грызуны.
Степи России очень сильно подвержены воздействию хозяйственной деятельности человека. В связи с этим многие животные и растения находятся под угрозой исчезновения.
Зона прерий во многом схожа со степями в плане растительности и животного мира. Однако стоит отметить обитателей данных пространств – бизонов. Ранее в Северной Америке встречались повсеместно, но были практически уничтожены и в данное время занесены в Красную книгу.
Пампа – это природная зона Южной Америки, которая также представлена злаковой растительностью. Здесь растут ковыли, пампасная трава и другие травы.
Хищников встречается немного, но достаточное количество птиц и грызунов. Интересным обитателем памп считается нелетающая птица – страус нанду.
Безлесные пространства со скудной растительностью в Африке получили название саванны. В зоне саванн встречаются различные виды акаций, пальмы, злаки. Из животных саванн можно отметить зебр, жирафов, носорогов, бегемотов, львов, гепардов, многочисленны птицы.
Зонами засушливого климата являются пустыни и полупустыни. Расположены они в тропическом и умеренном поясе, присутствуют на всех материках. Суровый климат пустынь и полупустынь с малым количеством осадков способствовал выработке определенных приспособлений у животных и растений. К примеру, у некоторых растений очень длинные корни для добычи влаги, другие запасают влагу в листьях или стеблях.
Самой большой пустыней в мире является Сахара, расположенная на материке Африка. Растительность здесь очень скудная, местами ее нет вообще. Животные приспособлены к условиям пустынного существования. Они способны в поисках воды и пищи пробегать большие расстояния. Встречаются в данной области антилопы, газели, страусы, гиены, львы, ящерицы, черепахи, змеи.
На севере располагается зона тундры, в которой очень холодная зима и прохладное лето. Повсеместно распространена многолетняя мерзлота. Основной растительностью тундры являются мхи, лишайники, небольшие травы, кустарники, которые приспособились к суровым условиям. В тундре немногочисленный состав животных — обитают мелкие грызуны, полярные зайцы, лисицы, волки, многие виды птиц. Зона тундры есть и в России, именно здесь можно встретить стада северных оленей.
Севернее тундры находится арктическая пустыня. Она целиком лежит в арктическом климатическом поясе, для которого характерны сильные морозы и ветры, постоянный снежный покров. Растительность представлена лишайниками и мхами.
Почва
Почва – это верхний слой земной коры, покрытый растительностью и обладающий естественным плодородием.
На формирование почвы оказывают влияние различные факторы: состав пород, климат, наличие подземных и поверхностных вод, растительность и животные.
- Почвообразующие породы определяют тип почвы. В районах с песчаными породами формируются песчаные почвы, которые характеризуются сыпучестью, большим количеством кислорода, однако имеет недостаток других веществ. Такой вид почвы как песчаная, очень быстро пересыхает. Поэтому на песчаной почве растут определенные растения, к примеру, сосна, тимьян, вереск, то есть хорошо переносящие засуху.
На участках с преобладанием глины, формируются различные виды глинистой почвы. Для данного типа почвы характерен застой влаги, недостаток кислорода, при высыхании образуется плотная корка на поверхности. Поэтому глинистая почва считается очень тяжелой для растений. Более благоприятны смешанные типы глинистой почвы, например суглинистая, состоит из песка и глины.
Каменистая почва характерна для горных или пустынных районов с россыпями камней.Такие почвы бедны питательными веществами и выживают на каменистых участках только неприхотливые растения. К примеру, различные виды камнеломок, молодило, кактусы.
- Не менее важным для формирования почвы является климат. Он определяет количество тепла и воды, что способствует развитию плодородности почвы.
- Живые организмы обеспечивают рыхление почвы, способствуют разложению органических остатков. Все это повышает плодородность почвы.
- Хозяйственная деятельность человека может положительно влиять на почву, а может и отрицательно. Для достижения высокой плодородности вносят в почву удобрения. Высокое содержание питательных веществ и перегноя делает почву плодородной. Такой тип почв получил название чернозем. Распространены черноземы на юге России в степной природной зоне.
Самыми распространенными в России считаются подзолистые почвы. Они имеют низкое содержание питательных веществ, поэтому для использования в сельском хозяйстве не пригодны. Встретить подзолистые почвы можно в зоне тайги и смешанных лесов.
У всех типов почв можно выделить одинаковые особенности строения. Присмотревшись внимательно к разрезам почвы, видно, что они состоят из слоев различного цвета. Эти слои получили название горизонты почвы.
Отличаются слои не только по цвету, но и по составу и количеству веществ. По мощности горизонты почвы также различаются. Какой горизонт почвы самый мощный? Это материнская порода, на которой находятся все остальные слои. Примерно таким же считается горизонт вмывания, однако он является плодородным, в отличие от породы. Верхним горизонтом почвы является гумусовый – самый плодородный для растений.
Человек и биосфера
Человек занимает определенное место в биосфере, как и все живые существа. Любой организм подчиняется биологическим законам.
Не так давно человек полностью зависел от биосферы – среды его обитания. Он занимался собирательством растений и охотился на животных, так как это основной источник пищи.
Охота древних людей
В современном мире роль биосферы в жизни человека также очень высока.
Не утратили свое значение в процессе эволюции биосферы животные и растения для человека. Растения используются не только в пищу, но и для изготовления одежды, бумаги, материал для строительства.
Животные все также поставляют нам продукты питания, сырье для промышленности, служат транспортным средством и являются «братьями нашими меньшими».
Но взаимодействие человека с биосферой не всегда «дружественные». Так некоторые животные являются разносчиками инфекций, могут быть ядовитыми. К примеру, весной появляется большое количество клещей, которые являются переносчиками тяжелого заболевания – клещевого энцефалита.
Клещ на коже человека
В системе «человек– биосфера» наблюдается перевес в одну сторону. Воздействие человека с каждым годом становится все больше на биосферу.
Добывая пищу, человек охотился на животных, в результате было уничтожено более 100 видов.
Многие живые организмы находятся на грани уничтожения и занесены в Красные книги.
Огромно влияние хозяйственной деятельности человека на биосферу. Происходит разрушение почв, из-за ее вытаптывания домашними животными и выдувания ветрами. Вырубаются леса и уничтожаются места обитания животных.
Хозяйственная деятельность человека способствует загрязнению биосферы. Так выбросы вредных веществ, загрязнение отходами деятельности человека в биосфере приводит к гибели и заболеваниям живых организмов.
Для сохранения видового состава живых организмов в биосфере человек создает охраняемые территории.
Каждая страна издает законы и постановления об охране растений и животных, а также мест их обитания.
Основная роль человека – научиться жить в гармонии со всеми живыми существами, находящимися в биосфере.
Источник