Структура біосфери, запропонована Реймерсом
Н.Ф. Реймерс запропонував схему сучасної побудови біосфери. Відповідно до цієї схеми, біосферу можна розбити на 3 підсфери:
1. Аеробіосферу, населену аеробіонтами.
2. Гідробіосферу, населену гідробіонтами.
3. Геобіосферу, населену геобіонтами.
У свою чергу, аеробіосфера складається з:
a) тропобіосфери — нижній прошарок;
б) альтабіосфери — розріджені прошарки, населені мікробіонтами;
в) парабіосфери — високі прошарки, туди організми заносяться, але не розмножуються.
Гідросфера складається з:
а) сфери морів та океанів — моренобіосфери;
б) сфери прісних вод — аквабіосфери.
У свою чергу кожна з підсистем ділиться на:
– фотосферу — зона, куди добре потрапляє світло;
– дисфотосферу — зона, куди світло потрапляє погано;
– афотосферу — зона, куди світло не потрапляє.
Геобіосфера поділяється на:
а) террібіосферу — поверхневі і ґрунтові прошарки Землі;
б) літобіосферу — нижче ґрунтів.
Функціонування біосфери
Визначальною характеристикою життя є обмін речовин. Обмін речовин живих організмів з навколишнім середовищем здійснюється в процесі дихання, живлення, виділення. У більш загальному випадку, кругообіг у екосистемах і біосфері в цілому можливий лише в процесі використання і передачі енергії.
Потоки енергії і кругообіги речовини — основні складові, необхідні для функціонування біосфери. Живі організми відіграють основну роль у процесах, які підтримують функціонування біосфери. Основні функції живої речовини наступні: енергетична, деструктивна, концентраційна, формування складу навколишнього середовища.
|
|
|
Неживою частиною біосфери, її неживою речовиною керують продуценти, ними — консументи, діяльність яких визначають зворотні зв'язки, що йдуть від продуцентів. У результаті здійснюється біотичний кругообіг речовини у біосфері приблизно за такою схемою:
1. Продуценти (рослини) за допомогою механізму фотосинтезу виробляють органічну речовину, споживаючи сонячну енергію, воду, вуглекислий газ і мінеральні солі.
2. Консументи (тварини) живляться біомасою рослин та інших тварин.
3. Редуценти споживають частину поживних речовин, розкладають мертві тіла рослин і тварин до простих хімічних сполук (води, вуглекислого газу та мінеральних солей), замикаючи таким чином кругообіг речовин у біосфері.
Таким чином, енергетична функція виконується перш за все рослинами, які в процесі фотосинтезу акумулюють сонячну енергію у вигляді хімічної енергії різноманітних органічних сполук.
Деструктивна функція виконується редуцентами. Вона полягає у розкладанні, мінералізації мертвої органічної речовини, хімічному розкладанні гірських порід, залученні мінералів, які виникають у біотичному кругообігу.
|
|
|
Концентраційна функція полягає у вибірковому накопиченні при життєдіяльності організмів атомів речовини, розсіяних у природі.
Функція формування стану навколишнього середовища полягає у трансформації фізико-хімічних параметрів середовища (атмосфери, гідросфери, літосфери) в умови, сприятливі для існування живих організмів.
Крім енергетичних, харчових і хімічних зв’язків, величезну роль у біосфері відіграють інформаційні. Живі істоти Землі освоїли всі види інформації — зорову, звукову, хімічну, електромагнітну. Російський біолог О. Прєсман визначив біосферу як систему, в якій речовинно-енергетичні взаємодії підпорядковані інформаційним.
Всі функції живих організмів у біосфері не можуть виконуватися організмами якогось одного виду, а лише їх комплексом.
Звідси випливає надзвичайно важливе положення, розроблене В.І. Вернадським: біосфера Землі сформувалася з самого початку як складна система з великою кількістю видів організмів, кожен з яких виконує свою роль у загальній системі. Без цього біосфера взагалі не могла б існувати.
Кругообіг речовини та енергії в біосфері
|
|
|
Потоки енергії на земній кулі має три джерела:
а) сонячна енергія;
б) енергія земних надр;
в) кінетична енергія обертання Землі та її супутника Місяця як космічних тіл.
Найголовнішою частиною в системі керування біосферою є енергія Сонця. Всю біосферу можна розцінювати як єдине природне утворення, що поглинає енергію з космічного простору та направляє її на внутрішню роботу. У біосфері енергія тільки переходить з однієї форми до іншої та розсіюється у вигляді тепла. Особливістю поведінки енергії в біосфері є її одностороння спрямованість — концентрована енергія, пройшовши ряд перетворень, розсіюється у вигляді тепла. Основними перетворювачами енергії в біосфері є живі організми. Продуценти перетворюють вільну променеву енергію Сонця (концентрована енергія) в хімічно зв'язану, яка потім переходить (по харчових ланцюгах) від одних біосферних структур до інших.
При кожному переході частина енергії перетворюється в тепло та розсіюється в навколишньому просторі.
Доля річного притоку сонячної енергії така:
1) відбивається — 30%;
2) прямо перетворюється в тепло — 40%,
3) випаровування, опади — 23%;
4) вітер, хвилі — 0,2%;
5) фотосинтез — 0,08%.
|
|
|
Таким чином, тільки невеличка частина сонячної енергії витрачається на фотосинтез,але саме вона є джерелом усього життя на Землі. Проте, ті приблизно 70% енергії Сонця, що перетворюються на тепло, ідуть на випаровування, вітер, не витрачаються даремно, тому що ця енергія підтримує потрібну для життя температуру, пускає в хід системи погоди, забезпечує кругообіг води, без чого неможливе життя на Землі. Нормальне функціонування біосфери можливе лише за умов, коли нічим не стримується надходження та передача концентрованої енергії.
З потоками енергії тісно пов'язані потоки речовини. За рахунок процесів міграції хімічних елементів усі геосфери Землі пов'язані єдиним циклом кругообігу цих елементів. Кругообіг, рушійною силою якого є тектонічні процеси і сонячна енергія, одержав назву великого (геологічного) кругообігу.
Схематично це можна уявити так. Вивержені глибинні породи мантійного походження (базальти) тектонічними процесами виводяться з надр Землі в біосферу. Під дією сонячної енергії і живої речовини вони вивітрюються, переносяться, перетворюються у різноманітні осадові породи. Потім за рахунок тектонічних рухів знову потрапляють у зону великих тисків і температур Землі, де з них звільняється сонячна енергія, здійснюється метаморфізм і створення гранітних порід. Гранітні породи знову за рахунок тектонічних рухів потрапляють у біосферу. Таким чином, великий кругообіг речовини можна розглядати як еволюцію земної кори від океанічного (базальтового) типу до материкового (гранітного). Потужність великого кругообігу приблизно 2х1016 т/рік.
Виникнення життя на Землі сприяло появі нової форми міграції хімічних елементів — біогенної. На великий (геологічний) наклався малий (біогенний) кругообіг речовини. У малому кругообігу переміщуються в основному карбон і фосфор. Обидва кругообіги протікають зараз одночасно і тісно пов'язані між собою.
Живі організми в біосфері ініціюють кругообіг речовин і призводять до виникнення біогеохімічних циклів. Біогеохімічні цикли — це циклічне переміщення біогенних елементів: карбону, оксигену, гідрогену, нітрогену, сульфуру, фосфору, кальцію, калію та ін. від даного компонента біосфери до інших так, що на визначених ділянках цього кругообігу вони входять до складу живої речовини.
Переміщення речовини в біохімічних циклах одночасно забезпечує життєдіяльність живих організмів.
Головними оціночними параметрами ефективності і напрямку роботи біогеохімічного циклу є кількість біомаси, її елементарний склад і активне функціонування живих організмів.
Хімічні елементи, що беруть участь вутворенні живої речовини і необхідні для її синтезу, одержали назву біогенних.
Склад абіотичної частини нашої планети приблизно такий: Fe— 36%, О — 25%, Si— 23%, Mg— 10%, S — 3%, Ni— 2%, інші — 15%. Склад біомаси зовсім інший: О — 70%, С — 15%, Н — 11%, інші — 4%.
Принцип циклічності в перетвореннях і переміщеннях речовини в біосфері є основоположним. Зберігання циклічності — умова існування біосфери.
Центральне місце в біосфері посідають біохімічні цикли: карбону, води, нітрогену та фосфору.
Біохімічний цикл карбону базується на атмосферному депо, яке утримує його в кількості, приблизно рівній 700 млрд. тон у формі вуглекислого газу. Цей цикл ініціюється фотосинтезом та диханням, обидва процеси йдуть так інтенсивно,що у рослин та тварин на долю карбону припадає до 40–50% загальної маси. Залишки відмерлих рослин та тварин сприяють утворенню гумусу. Аналогічно утворюєтьсяі торф. У цих двох формах міститься до 99% карбону нашої планети. Швидкість кругообігу карбону обчислюється в середньому від 300 до 1000 років.
Біохімічний цикл води.Переважна частина води засолена. Прісної води на планеті всього 2% від загальної її кількості. Тіла всіх живих організмів досить сильно обводнені: у тварин на долю води припадає 70%, а у рослин — 90-95% від їхньої маси. Загальний кругообіг води ініціюється потоком сонячної радіації. Випаровування переводить воду з рідкого стану в газоподібний, і вона надходить в атмосферу. Атмосферні опади забезпечують обводнення континентів (хоча частина опадів випадає безпосередньо над водоймами). Кількісні показники кругообігу води визначаються кліматом та й самі визначають клімат. Головним параметром оцінки інтенсивності кругообігу води служить евапотранспірація з її розділенням на випаровування та власне транспірацію. Безпосередньо на формування біомаси витрачається всього близько 1% води від загальної її кількості, що є на планеті. На утворення 1 кг біомаси використовується 130-230 кг води, і тому кругообіг є досить активним. Вода морів та океанів, а також підземні води служать як депо води.
Моря втрачають від випаровування більше (1200 мм/рік), ніж отримують від опадів (1100 мм/рік). Ця різниця забезпечує обводнення континентів. На суходолі середня річна кількість опадів дорівнює 710 мм, а випаровування — 470 мм. Зворотнє надходження води до океанів та морів йде через поверхневий та підземний стоки.
Біогеохімічний цикл нітрогену. Це один із найбільш швидких кругообігів речовин. Реалізується він, в основному, за рахунок діяльності різних груп живих організмів і, в першу чергу, при активній участі мікробів. Основним депо нітрогену є газоподібний азот атмосфери. Його зв'язування здійснюється вільно існуючими азотфіксаторами (Azotobacter, Clostridium, Nostoc, Rhizobium). Органічні речовини, якімістять зв'язаний нітроген, мінералізуються за рахунок амоніфікації та нітрифікації, що робить доступним для вищих рослин нітратний та амонійний нітроген. Загальні оцінки фіксації атмосферного азоту суперечливі і в середньому для планети складають від 100-170 мг/м2 на рік до 1-20г/м2нарік. Це відповідає приблизно 126 млн. тонн азоту в рік.
Біогеохімічний цикл фосфору. Цей цикл має найбільш простий характер. Основний запас фосфору зосереджений на планеті у вигляді гірських порід та мінералів. При їх вивітрюванні створюються фосфати, які використовуються рослинами для побудови органічних речовин свого тіла. Після відмирання рослин фосфор мінералізують мікроорганізми-редуценти. Втрати фосфору з біохімічного циклу пов'язані в основному з винесенням фосфору в моря та океани. Звідти назад на суходіл він може потрапити тільки через рибу або гуано.
Біосфера володіє потужною буферною дією щодо багатьох зовнішніх впливів. Це забезпечує загальну стійкість та створює сприятливі стабільні умови існування організмів. У межах біосфери пом'якшується дія вітру, посушливість повітря та ґрунту, підтримується певне співвідношення між концентрацією кисню та вуглекислого газу в атмосфері, звужується амплітуда коливань температури.
Для стійкості біогеохімічних циклів велике значення мають депо біогенних хімічних речовин в ґрунті. Ґрунт — це зовсім особливе за своїми властивостями природне тіло. У біосфері ґрунт виконує безліч специфічних функцій. Він забезпечує рослини всіма необхідними поживними речовинами, утримує в собі велику кількість вологи, перешкоджає її швидкому стіканню до рік. У сільському господарстві ґрунт є компонентом виробництва.
Важливими учасниками біогеохімічних циклів є ґрунтові мікроорганізми. Ґрунт одночасно служить депо для багатьох речовин, за рахунок якого гасяться флуктуації, що виникають при переході речовини з однієї ланки біогеохімічного циклу до другої. Особливо важливий щодо цього гумус ґрунту. У ньому продукти розкладу органічних речовин утримуються тривалий час. Антропогенне природокористування вносить у біогеохімічні цикли чимало перешкод. Так, поширеність спалювання палива призводить до надходження до атмосфери близько 20 млрд. тон вуглекислого газу та 700 млн. тон інших газів і твердих часток. Вирубка лісів призводить до винесення з екосистеми лісу тисячі тон азоту, кремнію, фосфору.
Ці процеси ведуть до появи нового техногенного типу кругообігу хімічних елементів. Перенесені в урбанізовані райони або в агроекосистеми, ці речовини виявляються або зовсім, або тимчасово виключеними з природного їх кругообігу. Нормальне функціонування біосфери можливе, якщо антропогенна діяльність не перешкоджає здійсненню природних біогеохімічних циклів, руйнація яких може призвести до деградації біосфери.
Стабільність біосфери
Біосфера виступає як надзвичайно складна екосистема, яка працює у стаціонарному режимі на основі саморегуляції всіх складових її частин і процесів.
Стабільність біосфери заснована на високому рівні різноманіття живих організмів, окремі групи яких виконують різні функції, які забезпечують визначену швидкість фіксації сонячної енергії та біогенної міграції атомів.
У нормальному стані будь-якій екосистемі і біосфері в цілому властивий стійкий стан, що має назву гомеостаз, який характеризується динамічною рівновагою між народжуваністю та смертністю, споживанням і вивільненням речовини й енергії. Окремі екосистеми, а отже і біосфера, постійно піддаються зовнішньому впливу, який намагається вивести їх із рівноваги. Якщо цей вплив не занадто великий, тоді в ході екологічного дублювання порушені зв'язки замінюються іншими і процес передачі речовини й енергії продовжується. Відповідно до закону внутрішньої динамічної рівноваги — речовина, енергія й інформація в цілому взаємозалежні і будь-яка зміна одного з цих показників викликає зміну всіх інших показників, причому ці зміни відбуваються в напрямку, що забезпечує зберігання загальної суми матеріально-енергетичних і динамічних якостей системи, тобто й стійкість. Згідно принципу Ле-Шательє, будь-які зовнішні впливи, що виводять систему зі стану рівноваги, викликають у цій системі процеси, що намагаються послабити зовнішній вплив та повернути систему в початковий рівноважний стан.
Таким чином, окремі екосистеми і біосфера в цілому протистоять впливам, які намагаються порушити їх стабільність.
Стабільність біосфери — спроможність біосфери зберігати свій стан, протистояти внутрішнім збуренням, включаючи будь-які антропогенні впливи, шляхом вироблення в ній саморегулюючих механізмів.
Саморегуляція — спроможність природної системи до відновлення внутрішніх властивостей після короткочасного природного або антропогенного впливу.
Саморегуляція заснована на принципі зворотніх зв'язків окремих складових природних систем, підсистем і екологічних компонентів. Так, наприклад, штучний або природний вплив (полив, дощ, добрива) призвів до різкого зростання кількості їжі для деяких тварин. Чисельність цієї популяції швидко почала зростати, вони стали поїдати весь корм, і незабаром корму стало недостатньо і чисельність даної популяції стала падати. В результаті зворотнього зв'язку підтримується динамічна рівновага між потоками речовини й енергії в біосфері й окремих її частинах.
До саморегуляції належить і процес самоочищення навколишнього середовища.
Самоочищення — спроможність середовища руйнувати, переробляти або переводити в індиферентний стан забруднюючі компоненти природного, техногенного і побутового походження, які до нього потрапляють.
Очищення природного середовища від органічних забруднюючих речовин наступає в результаті мінералізації, а від неорганічних — унаслідок хімічних реакцій, що перетворюють їх у нешкідливі мінеральні сполуки. Деякі вищі рослини і мікроорганізми активно очищують середовище від забруднень, розщеплюючи не властиві природі речовини.
Узагальнюючи результати досліджень в галузі геології, палеонтології, біології й інших природничих наук, В.І. Вернадський прийшов до висновку, що біосфера — це «стійка динамічна система, рівновага якої установилася в основних рисах і незмінно діє протягом 1,5-2 млрд. років». В. І. Вернадський показав, що стабільність біосфери за цей час виявляється в сталості її загальної маси (=1019 т), енергії, пов'язаної з живими речовинами і середнього хімічного складу всього живого. Стабільність біосфери В.І. Вернадський пов'язував із тим, що функції життя в біосфері — біохімічні функції незмінні протягом геологічного часу, і жодна з них не з'явилася знову.
Всі функції живих організмів (створення газового середовища, окисні процеси, концентрація хімічних елементів і т. д.) не можуть виконуватися організмами будь-якого одного виду, а тільки їх комплексом. Звідси В. І. Вернадський робить важливий висновок: біосфера Землі сформувалася з самого початку як складна система з величезною кількістю видів, кожний із яких виконує свою роль у загальній системі.
Стабільність біосфери з самого початку була зумовлена її складністю.
В.І. Вернадському належить відкриття основного закону біосфери — кількість живої речовини є планетарною константою з часу архейської ери, тобто за весь геологічний час.
За цей час живі організми морфологічно змінилися, але кількість живої речовини залишалася незмінною. Як вважав В.І. Вернадський, у складній організації біосфери відбувалися, у межах живої речовини, тільки перегрупування хімічних елементів, а не корінна зміна складу і кількості.
Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 782; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!