1. Поняття, склад і структура біосфери
Біосфера - глобальна екологічна система планети, що включає в себе всі живі організми разом із середовищем їх проживання.
Біосфера являє собою сукупність частин земних оболонок (літо-, гідро- і атмосфери), яка заселена живими організмами, перебуває під їхнім впливом і зайнята продуктами їх життєдіяльності.
У 20-ті роки XX - го століття вчення про біосферу було розвинене і перетворено видатним натуралістом академіком В.І. Вернадським. Він вперше наголосив на винятковій ролі живих організмів в утворенні біосфери. За його визначенням, біосфера - структурна оболонка Землі, створена самим життям, де не тільки живуть, але яка перетворена живими організмами і пов'язана з їх життєдіяльністю. Таким чином, біосфера - це і середовище життя, і результат життєдіяльності організмів.
Розміри біосфери. За вченням В.І. Вернадського, біосфера - це область нашої планети, в якій існує або коли-небудь існувало життя і яка постійно піддається впливу живих організмів. Тому біосфера являє собою область існування не тільки сучасних екосистем, але і включає області, де знаходяться речовини, що виникли в результаті життєдіяльності живих організмів. Такі речовини називають біогенними. Майже весь кисень атмосфери має биогенное походження. Біогенними є також багато корисних копалини (нафта, вугілля, газ та ін.).
Завдяки такому підходу В.І. Вернадський істотно розширив межі біосфери, включивши в неї всю гідросферу (глибиною до 11 км), нижні шари атмосфери (до озонового шару, висотою 25-35 км), де зосереджений практично весь кисень, і частина літосфери до глибини залягання корисних копалин біогенного походження ( 8-10 м, рідше 3 км).
Структура біосфери. Біосфера має ієрархічну структуру. Традиційно в структурі біосфери виділяють атмосферу, гідросферу і літосферу. Атмосфера ділиться на шари в залежності від температури повітря: нижче 0 ° С -альтобіосфера, вище 0 "З - тропобіосфера. Гідросфера включає в себе океанобіосферу і аквабіосферу, тобто солоно і прісноводну середу, і також ділиться на шари в залежності від освітленості: фото-, дісфото- і афотосфери. Гео (біо) сфера складається з террабіосфери (твердо-водного середовища) і літобіосфери (твердо-повітряного середовища). Виділені подсфери включають екосистеми різного ієрархічного рівня.
Склад біосфери включає 7 глибоко різнорідних частин:
1) жива речовина;
2) біогенна речовина:
3) відсталу речовину:
4) биокосное речовина;
5) речовина в радіоактивному розпаді:
6) речовина розсіяних атомів, не пов'язаних хімічними реакціями;
7) речовина космічного походження.
Жива речовина сукупність організмів на планеті (рослинний і тваринний світ, мікроорганізми).
Биогенное речовина - сукупність речовин, що виникли в результаті життєдіяльності організмів (торф, нафта, крейда, природний газ та ін.).
Відсталу речовину - сукупність речовин, в утворенні яких живі організми не беруть участь, тобто гірські породи магматичного, неорганічного походження, вода,
Біокосна речовина - продукти розпаду і переробки гірських і осадових порід живими організмами (грунт, природні води).
2. Основні функції біосфери
Завдяки здатності трансформувати сонячну енергію в енергію хімічних зв'язків, рослини та інші організми виконують ряд фундаментальних біологічних функцій планетарного масштабу.
Газів а функція. Живі істоти постійно обмінюються киснем і вуглекислим газом з навколишнім середовищем в процесах фотосинтезу і дихання. Рослини зіграли вирішальну роль у формуванні складу сучасної атмосфери. Вони строго контролюють концентрації кисню і вуглекислого газу, оптимальні для сучасної біоти.
Концентраційна функція. В процесі еволюції організми навчилися витягати з розведеного водного розчину і інших компонентів природного середовища необхідні для них речовини, багаторазово збільшуючи їх концентрацію в своєму тілі.
Таким чином, пропускаючи через своє тіло великі об'єми повітря і природних розчинів, живі організми здійснюють биогенную міграцію і концентрування хімічних елементів і їх з'єднань.
Окислювально-відновна функція. Багато речовин в природі вкрай стійкі і не піддаються окисленню при звичайних умовах. Живі клітини мають настільки ефективним каталізатором - ферментами, що здатні здійснювати багато окислювально-відновні реакції в мільйони разів швидше, ніж це може відбуватися в абиотической середовищі. Завдяки цьому живі організми істотно прискорюють процеси міграції хімічних елементів в біосфері.
Інформаційна функція. З появою перших живих істот на планеті з'явилася і активна ( "жива") інформація, що відрізняється від тієї "мертвої" інформації, яка є простим відображенням структури. Організми виявилися здатними до отримання інформації шляхом з'єднання потоку енергії з активною молекулярною структурою, що грає роль програми. Здатність сприймати, зберігати і передавати молекулярну інформацію зробила випереджальну еволюцію в природі і стала найважливішим екологічним системоутворюючим фактором.
Перераховані функції живого речовини утворюють потужну средообразующую функцію біосфери. Діяльність живих організмів зумовила сучасний склад атмосфери. Рослинний покрив істотно визначає водний баланс, розподіл вологи та кліматичні особливості великих просторів. Живі організми відіграють провідну роль в самоочищення повітряного і водного середовищ. Завдяки рослинам, тваринам і мікроорганізмам створюється грунт і підтримується її родючість. Таким чином, біота біосфери формує і контролює стан навколишнього середовища.
Слід чітко уявляти, що навколишнє середовище - це не що виникла колись фіксована і нев'януча фізична посаду, а живе дихання природи, кожну мить створюване роботою безлічі живих істот.
3. Біогеохімічні кругообіги речовин в біосфері
Кругообіг ве вин - закономірний процес багаторазового участі речовин в явищах, що протікають в біосфері планети. Речовина, втягнуте в круговорот, не тільки переміщається, але і відчуває трансформацію і нерідко змінює свій фізичний і хімічний стан. Особливо активну роль в прискоренні кругообігу і трансформації відіграють живі організми.
Сонячна енергія на Землі викликає два види кругообігу речовин:
1) великий (біогеохімічний) - в межах біосфери;
2) малий (біотичний) - в межах елементарних екологічних систем.
Великий кругообіг речовин - це невпинний планетарний процес закономірного циклічного, нерівномірного в часі і просторі перерозподілу речовини, енергії та інформації, багаторазово входять до безперервно оновлюються екологічні системи біосфери.
Малий кругообіг речовин розвивається на основі великого і полягає в кругової циркуляції речовин між грунтом, рослинами, мікроорганізмами і тваринами.
Обидва кругообігу взаємопов'язані і являють собою єдиний процес, який забезпечує відтворення живої речовини і робить активний вплив на вигляд біосфери.
На нашій планеті завжди існував геохімічний круговорот речовин, але з появою життя на Землі геохімічні зв'язку стали биогеохимическими - більш складними і різноманітними. Тому говорять про біогеохімічному кругообігу речовин або біогеохімічному циклі.
Розрізняють три основних типи біогеохімічних кругообігів:
1) кругообіг води;
2) круговорот елементів переважно в газовій фазі (кисню, вуглецю, азоту та ін.);
3) круговорот елементів переважно в твердій і рідкій фазах (фосфору і ін.).
Кругообіг вуглецю на суші починається з фіксації вуглекислого газу рослинами в процесі фотосинтезу.
З СО2 і НЗО утворюються вуглеводи і вивільняється кисень, Фіксований в рослинах вуглець в деякій мірі споживається тваринами. Віджилі тварини і рослини розкладаються мікроорганізмами, в результаті чого вуглець мертвої органічної речовини окислюється до вуглекислого газу і знову потрапляє в атмосферу. Крім того, вуглець частково виділяється на всіх стадіях кругообігу в складі CO2 під час дихання рослин і тварин. Подібний кругообіг вуглецю відбувається і в океані.
Кругообіг азоту (рис.5). Азот, якого дуже багато в атмосфері, засвоюється рослинами лише після з'єднання його з воднем або киснем. Це, як правило, відбувається в результаті різних фізичних явищ, що протікають в атмосфері (атмосферна фіксація) і виробництві (промислова фіксація), а також в результаті дії азотфіксуючих бактерій або водоростей (біофіксація). Сполуки азоту використовуються рослинами і через них по харчових ланцюгах потрапляють до тварин. Рослинні і тваринні відходи, мертві організми розкладаються, і за допомогою денитрифицирующих бактерій відбувається відновлення азоту та повернення його в атмосферу.
Мал. 5 - Кругообіг азоту
В даний час сільське господарство і промисловість дають майже на 60% більше фіксованого азоту, ніж природні наземні екосистеми, що призводить до накопичення нітратів в грунті і далі в трофічних ланцюгах.
Біогеохімічні кругообіги речовин і пов'язані з ними перетворення енергії є основою динамічної рівноваги і стійкості біосфери. Нормальні, непошкодженими біогеохімічні цикли мають майже круговій, майже замкнутий характер. Цим підтримується відоме сталість і рівновагу складу, кількості і концентрації компонентів в біосфері, наприклад складу атмосферного повітря, концентрації солей у воді океанів і т.п. У свою чергу, подібне сталість обумовлює генетичну і фізіологічну пристосованість живих організмів до існування на Землі,
4. Еволюція біосфери. Поняття ноосфери. поняття техносфери
Виникнення і існування всіх екологічних систем в біосфері обумовлено еволюцією. Самоподдерживающиеся динамічні системи еволюціонують у бік ускладнення організації і виникнення системної ієрархії, Першопричиною, джерелом рушійної сили послідовних якісних змін екологічних систем служить потік енергії через систему і відбір найбільш ефективних перетворювачів енергії, речовини та інформації.
Еволюція біосфери складається з добіотіческой фази, в ході якої хімічна еволюція підготувала виникнення життя і, власне, біотичної еволюції.
1. Освіта планети (близько 4,5 млрд. Років тому). Первинна атмосфера мала високу температуру і містила водень, азот, пари води, метан, аміак, інертні гази та інші прості з'єднання.
2. Виникнення абиотического кругообігу речовин в атмосфері за рахунок її поступового охолодження і енергії сонячного випромінювання. З'являється рідка вода, формуються гідросфера, круговорот води, водна міграція елементів і багатофазні хімічні реакції в розчинах. Відбувається відбір і зростання молекул.
3. Освіта органічних сполук в процесах конденсації і полімеризації простих з'єднань С, Н, О, N за рахунок енергії ультрафіолетового випромінювання Сонця, радіоактивності, електричних розрядів та інших енергетичних імпульсів. Акумуляція променевої енергії в органічних речовинах.
4. Виникнення кругообігу органічних сполук вуглецю. Дал'нейшее ускладнення органічних речовин і поява стійких комплексів макромолекул; виникнення молекулярних систем самовідтворення.
Виникнення життя (близько 3,5 млрд. Років тому). Структуризація білків і нуклеїнових кислот за участю биомембран призводить до появи вірусоподібних тел і первинних клітин, здатних до поділу. Виникає біотичний кругообіг, і формуються функції живої речовини.
5. Розвиток фотосинтезу і обумовлене ним зміна складу середовища: збільшення кількості кисню. Прискорюється биогенная міграція елементів.
6. Поява багатоклітинних організмів, наземних рослин і тварин призводить до подальшого ускладнення біогеохімічного кругообігу. Виникають складні екологічні системи, що містять всі рівні трофічної організації. Досягається висока ступінь замкнутості біогеохімічного кругообігу.
7.Увеліченіе біотичного різноманіття та ускладнення будови і функціональної організації живих істот і біосфери в цілому. Організмами зайняті всі екологічні ніші на планеті.
8. Поява людини - лідера еволюції. Виникнення і розвиток людського суспільства, залучення в техногенез непропорційно великих потоків речовини і енергії порушують замкнутість біогеохімічних кругообігів, викликають антропогенні екологічні кризи і стають негативним фактором еволюції біосфери.
Господарська діяльність людини викликала поява на Землі якісно нового середовища існування - техносфери. Техносфера - частина біосфери, перетвореної людьми за допомогою прямого або непрямого впливу технічних засобів і зайнята продуктами його діяльності. Деякі вчені вважають техносферу синонімом ноосфери, інші - визнають техносферу як перехідний стан від біосфери до ноосфери.
У перекладі з грецького "ноосфера" - це сфера розуму, З наукової точки зору, ноосфера - це колективна свідомість, яке стане контролювати напрям майбутньої еволюції планети. Розвиваючи концепцію ноосфери, В.І, Вернадський визначив її як етап еволюції біосфери, що характеризується провідною роллю розумної і свідомої діяльності людського суспільства у розвитку біосфери. Розумна діяльність людини повинна стати головним чинником розвитку біосфери.
Ноосфера, але В.І. Вернадського, - це біосфера, розумно керована людиною. ". Все людство, разом узяте, представляє незначну масу речовини планети, Міць його пов'язана не з його матерією, але з його мозком, розумом і спрямованим цим розумом його працею". Людина повинна зрозуміти, "що він не є випадкове, незалежне від навколишнього вільно чинне природне явище. Він складає неминучий прояв великого природного процесу, що закономірно триває протягом, принаймні, 2-х мільйонів років.
Відповідно до закону ноосфери B.І. Вернадського: біосфера неминуче перетвориться в ноосферу, тобто сферу, де розум людини буде відігравати домінуючу роль у розвитку системи людина-природа. Іншими словами, хаотичне саморозвиток, засноване на процесах природної саморегуляції, буде замінено розумною стратегією, що базується на прогнозно-планових засадах, регулювання процесів природного розвитку.
Якщо ноосфера - це майбутнє гармонійне єдність людини і природи при чільному положенні в цій системі людського розуму, то техносфера - це те оточення, в якому ми зараз живемо.