Концепция за биосфера

Човешката икономическа дейност въвежда дисхармония в естествените цикли на материя и енергия. Поради значителния енергиен принос в производствените процеси движението на веществата се ускорява. Заедно с физическото им движение се създават и нови химични съединения. И в двата случая антропогенните потоци от материя имат дестабилизиращ ефект върху естествените екосистеми. Ефектът от антропогенно замърсяване на околната среда, придобит през втората половина на XX век. глобално значение.

Специална роля в развитието на теорията за биосферата - черупката на Земята, чиято структура и организация се дължи на жизнената дейност на организмите - принадлежи на В.И. Вернадски. Според него биосферата е планетарен феномен от космически характер. Идеята за живота като космически феномен, пише Вернадски, съществува отдавна. В края на 17 век. Холандският учен Х. Хюйгенс в книгата си „Космотеорос“, преведена в Русия по инициатива на Петър I, направи следното научно обобщение: „животът е космически феномен, по някакъв начин рязко различен от инертната материя“. Вернадски нарече това обобщение "принцип на Хюйгенс".

Малка книга на Вернадски, посветена на биосферата, е публикувана през 1926 г. Разбирането на идеите на Вернадски идва едва през 60-те години. нашия век. То стана по-силно, когато човечеството осъзна заплахата от екологична криза. Решаването на глобалните екологични проблеми е невъзможно без разбиране на законите, регулиращи живите организми в биосферата, и това определя значението на тази работа.

Целта на това есе е да изследва биосферата като система за взаимодействие между живата и неживата материя, да определи основните характеристики на тази система и мястото на човека в нея.

Във връзка с тази цел могат да бъдат формулирани следните изследователски цели:

  • ще определим особеностите на влиянието на човешката дейност върху вече установени екосистеми и перспективите за развитие на човечеството въз основа на системно унищожаване на ценози от него, извършване на екологични дейности.

Резюмето се състои от 5 раздела. Първият формулира целта и задачите на изследването, вторият дава ключовите разпоредби на доктрината за биосферата, третият дава преглед на глобалните проблеми на човечеството, свързани с постоянното отрицателно въздействие на хората върху местообитанието им, четвъртият прави основните заключения по съдържанието на произведението, петият посочва първоизточниците по темата на работата.

Понятието "биосфера", според В.И. Вернадски, е формулиран (без да се използва самият термин) от Zh.B. Ламарк в началото на 19 век. А. Хумболт отдели сферата на живота като неразделна част от географската обвивка. И накрая, Е. Сюс през 1875 г., когато изследва основните черупки на Земята: лито-, атмосферните и хидросферите, вярва, че в зоната на взаимодействие на горните сфери и литосферата, независима черупка, биосферата, може да се отличава. Д. Сюс за първи път въведе този термин в науката.

Определяйки биосферата, Вернадски въвежда понятието „жива материя“ - съвкупността от всички живи организми. Районът на разпространение на живата материя включва долната част на въздушната обвивка (атмосфера), цялата водна обвивка (хидросфера) и горната част на твърдата обвивка (литосфера).

Вернадски ясно определя горната и долната граница на разпространението на живота. Горната е причинена от лъчиста енергия, идваща от космоса, разрушителна за живите същества. Става въпрос за твърдо ултравиолетово лъчение; забавя се от озоновия екран, долната граница на който минава на височина около 15 км: това е горната граница на биосферата. Долната граница на живот е свързана с повишаване на температурата във вътрешността на земята. На дълбочина 3-3,5 км температурата достига 100 ° С. Биосферата има най-голямата сила в океана: в нея живеят живи същества от повърхността до максималните дълбочини.

Биосферата се характеризира не само с присъствието на жива материя. Той притежава и следните три характеристики: първо, съдържа значително количество течна вода; второ, върху него пада мощен поток слънчева енергия; трето, в биосферата има връзки между веществата в три фази - твърда, течна и газообразна. Всичко това служи като предпоставка за активен обмен на материя и енергия, в който организмите играят важна роля. Биосферата е основната арена на човешкия живот и икономическа дейност.

За да визуализираме биосферата като система, в която живите организми играят ролята на системообразуващ елемент, ще разгледаме основните функции на живата материя: енергийна, разрушителна, концентрационна и формираща околната среда.

Енергийната функция се изпълнява предимно от растения, които по време на фотосинтеза натрупват слънчева енергия под формата на различни органични съединения. Според Вернадски зелените хлорофилни организми, зелените растения, са основният механизъм на биосферата, който улавя слънчевия лъч и създава химични тела чрез фотосинтеза - вид слънчеви консерви, чиято енергия по-късно е източник на ефективна химическа енергия на биосферата и до голяма степен - на цялата земна кора.

Според изчисленията на Вернадски растенията годишно натрупват около 10 19 килокалории енергия на Земята. В рамките на екосистемата тази енергия под формата на храна се разпределя между животните. Част от енергията се разсейва и отчасти се натрупва в мъртвите органични вещества и преминава във фосилно състояние. Така са се образували находищата на торф, въглища, нефт и други горими полезни изкопаеми, които в момента служат като енергийна основа за живота и работата на хората. Растенията са основният източник на храна за хората и селскостопанските животни.

Разрушителната функция се състои в разлагане, минерализация на мъртвите органични вещества, химично разлагане на скалите и участие на образувалите се минерали в биотичния цикъл. Мъртвите органични вещества се разлагат до прости неорганични съединения (въглероден диоксид, вода, сероводород, метан, амоняк и др.), Които отново се използват в началната връзка на цикъла. Това се прави от специална група организми - редуктори (деструктори).

Специално трябва да се отбележи химическото разлагане на скалите. Благодарение на живата материя, биотичната циркулация се попълва с минерали, освободени от литосферата. Например, според А.В. Lapo, плесен при лабораторни условия, освобождава 3% от силиция, 11% от алуминия, 59% от магнезия, 64% от желязото от базалт за една седмица. Пионерите на живота върху скалите - бактерии, синьо-зелени водорасли, гъби и лишеи - оказват мощен химически ефект върху скалите с разтвори на цял комплекс от киселини - въглеродна, азотна, сярна и различни органични киселини. Чрез разграждането на определени минерали с тяхна помощ организмите селективно извличат и включват в биотичния цикъл най-важните хранителни вещества - калций, калий, натрий, фосфор, силиций, микроелементи.

Общата маса пепелни елементи, участващи годишно в биотичния цикъл само на сушата, е около 8 млрд. Т. Това е няколко пъти по-голямо от масата на продуктите от изригването на всички вулкани в света през цялата година. Благодарение на жизнената дейност на разрушителните организми се създава уникално свойство на почвите - тяхното плодородие.

Екологичната функция се състои в трансформиране на физикохимичните параметри на околната среда (литосфера, хидросфера, атмосфера) в условия, благоприятни за съществуването на организмите. Можем да кажем, че това е съвместният резултат от всички функции на живата материя, обсъдени по-горе: енергийната функция осигурява енергия на всички звена на биологичния цикъл; разрушителните и концентрацията допринасят за извличането от естествената среда и натрупването на разпръснати, но жизненоважни за организмите елементи.

Формиращите околната среда функции на живата материя са създали и поддържат баланс на материя и енергия в биосферата, осигурявайки стабилност на условията за съществуване на организми, включително хората. В същото време живата материя е в състояние да възстанови условията на местообитанията, нарушени в резултат на природни бедствия или антропогенно въздействие. Тази способност на живата материя да регенерира условията на околната среда се изразява от принципа на Льо Шателие, заимстван от областта на термодинамичните равновесия. Състои се във факта, че промяната на всякакви променливи в системата в отговор на външни смущения се случва в посока на компенсация на произведените смущения. В теорията на контрола подобно явление се нарича отрицателна обратна връзка. Благодарение на тези връзки системата се връща в първоначалното си състояние, ако произведените смущения не надвишават праговите стойности. По този начин хомеостазата, стабилността на екосистемата, не е статично явление, а динамично.

В резултат на функцията за формиране на околната среда в географската обвивка се случиха следните основни събития: газовият състав на първичната атмосфера беше трансформиран; химичният състав на водите на първичния океан се е променил; в литосферата се образува пласт от седиментни скали; плодородна почвена покривка е възникнала на повърхността на сушата (водите на океана, реките и езерата също са плодородни).

Вернадски обяснява парадокса: защо, въпреки факта, че общата маса на живата материя - филмът на живота, който покрива Земята - е незначителна, резултатите от жизнената дейност на организмите влияят върху състава на литосферата, хидросферата и атмосферата? Ако живата материя се разпредели на повърхността на Земята в равномерен слой, нейната дебелина ще бъде само 2 см. При такава незначителна маса организмите изпълняват своята планетарна роля поради много бързо размножаване, т.е. много енергийна циркулация на веществата свързани с това възпроизвеждане.

Масата на живата материя, съответстваща на даден момент във времето, трудно може да се сравни с грандиозното количество, което е вършило своята работа през стотици милиони години съществуване на организми. Ако изчислим цялата маса на живата материя, възпроизведена през това време от биосферата, тя ще се окаже равна на 2,4 × 10 20 т. Това е 12 пъти масата на земната кора.

Няма химическа сила на земната повърхност, която да действа по-постоянно и следователно да е по-мощна в крайните си последици от живите организми, взети като цяло. Глини, варовици, доломити, кафява желязна руда, боксит - всичко това са органогенни скали. И накрая, свойствата на природните води, солеността на Световния океан и газовият състав на атмосферата се определят от жизнената дейност на съществата, обитаващи планетата.

Днес натрупването на въглероден диоксид в атмосферата от изгарянето на въглеводородни горива се счита за тревожна тенденция, водеща до затопляне на климата, стопяване на ледниците и заплаха от повишаване на нивото на Световния океан с повече от 100 m. в това отношение, функцията за улавяне и погребване на излишния въглероден диоксид от морски организми чрез превръщането му в съединения на калциев карбонат, както и чрез образуването на биомаса от жива материя на сушата и в океана.

Чистотата на морската вода е до голяма степен резултат от филтрацията от различни организми, но особено от зоопланктон. Повечето от тези организми получават храна чрез прецеждане на малки частици от водата. Тяхната работа е толкова интензивна, че целият океан се изчиства от суспендирани вещества за 4 години. Байкал дължи изключителната си чистота на ракообразните Epishura copepod, които филтрират водата си три пъти годишно.

Основата на функционирането на живата материя е биотичната циркулация на веществата. Биотичната циркулация се осигурява чрез взаимодействието на три основни групи организми: 1) производители - зелени растения, които извършват фотосинтеза, и бактерии, способни на хемосинтез - те създават първична органична материя; 2) потребителите, които консумират органични вещества, са растителноядни и месоядни животни; 3) редуктори (деструктори), разграждащи мъртвите органични вещества до минерални, са предимно бактерии, гъбички и протозои.

На възходящия клон на биотичния цикъл, базиран на изпълнението на енергийната функция от зелените растения, слънчевата енергия се натрупва под формата на органични вещества, синтезирани от растенията от неорганични съединения - въглероден диоксид, вода, азот, пепелни хранителни вещества. Низходящият клон на биотичния цикъл е свързан със загубата на органични вещества. Най-важният процес е дишането на растенията, при което до половината органично вещество, усвоено по време на фотосинтезата, се окислява до CO2 и се връща в атмосферата. Вторият основен процес на консумация на органична материя и на енергията, съхранявана в нея, е консумацията на растения от консуматори от първи ред - тревопасни животни. Енергията, съхранявана от фитофагите с храната, също се изразходва до голяма степен за дишане, жизнена дейност, размножаване и се отделя с екскременти.

Тревопасните животни са храна за месоядни животни - консуматори с по-високо трофично ниво. Консумативите от втори ред консумират енергия, натрупана с храната, по същите канали като потребителите от първи ред (тревопасни животни). Броят на трофичните нива, образувани от месоядни животни, обикновено не надвишава три до четири, тъй като поради големия разход на енергия броят и биомасата на животните при по-високи трофични нива стават все по-малко.

Всяка връзка от екосистемата снабдява околната среда с органични остатъци (детрит), които служат като източник на храна и енергия за животинските сапрофаги и главно за микроорганизмите - бактерии, гъбички, актиномицети и др. Последният етап от трансформацията на органичната материя е процесите на овлажняване и по-нататъшно окисляване на хумуса до CO2 и минерализация на пепелни елементи, които отново се връщат в почвата и атмосферата, осигурявайки на растението храна.

По този начин биотичната циркулация е непрекъснат процес на създаване и унищожаване на органични вещества. Реализира се с участието на представители и на трите групи организми: без продуценти животът е невъзможен, тъй като само те произвеждат основата на живота - първична органична материя; потребителите от различни поръчки, консумиращи първични и вторични продукти и прехвърлящи органични вещества от една форма в друга, допринасят за увеличаване на разнообразието от форми на живот на Земята; накрая, разлагащите вещества, разграждайки органичното вещество до минерално, го връщат в началото на цикъла. Глобалните цикли на миграция на химични елементи не само свързват трите външни черупки на нашата планета в едно цяло, но и определят непрекъснатото развитие на нейния състав.