Биосфера, ее роль в сохранении живого, системные свойства и связь с другими оболочками Земли.

Цель работы: анализ функционирования биосферы как глобальной оболочки Земли, обсуждение гипотез происхождения жизни на Земле.

Теоретическое введение. Биосфера – одна из геосфер Земли,глобальная экосистема, включающая все живые организмы планеты. Она находится на высшем уровне иерархии живых систем. Термин «биосфера» предложил австрийский геолог Эдуард Зюсс (1873), определяя им пространство органической жизни на Земле. Впоследствии выдающийся русский ученый академик Владимир Иванович Вернадский в своем труде «Биосфера» (1926) дал более ёмкую трактовку этого термина. В соответствии с современными представлениями, биосфера – область существования и функционирования живых организмов. Биосфера не существует отдельно от других геосфер, она проникает в нижнюю часть атмосферы (аэробиосферу), охватывает всю гидросферу (гидробиосфера), поверхность суши (террабиосфера) и верхние слои литосферы (литобиосфера) – см. рис.4.1. Биосфера – активная оболочка Земли. В ней совместная деятельность живых организмов проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба и служит основным средообразующим фактором (например, именно жизнь формирует химический состав воздуха). Биосфера – большая и сложная открытая динамическая система. Она осуществляет улавливание, накопление и перенос энергии путем обмена веществ между живыми организмами и окружающей их абиотической средой. При этом поддерживается так называемый гомеостаз – динамическое равновесие между всеми составляющими, важная роль в котором принадлежит живым организмам. Согласно В.И. Вернадскому, в состав биосферы входят живое, биогенное, биокосное и косное вещество, а также рассеянные и радиоактивные атомы, космическое вещество.

Биосфера – источник ресурсов для человека, обеспечивает питание, генетическое разнообразие, дает эстетическое удовольствие от созерцания созданных ею объектов. В то же время человек – часть биосферы, он полностью зависим от ее состояния.

Охрана биосферы – совокупность международных, государственных, политических, правовых, технических, социально-экономических, общественных и других природоохранных мероприятий, направленных на оптимальное сохранение устойчивого равновесия в биосфере, благоприятного для жизнедеятельности живых организмов, на рациональное использование, воспроизводство и сохранение материальных и энергетических природных ресурсов и параметров природных систем в интересах существующих и будущих поколений людей.

Рис.4.1. Материальные связи между геосферами (оболочками Земли).

Биологический (биогеохимический) круговорот (малый круговорот веществ в биосфере) –круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов. В отличие от большого (геологического), малый биогеохимический круговорот веществ совершается в пределах биосферы. Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез. В экосистеме органические вещества синтезируются автотрофами из неорганических веществ. Затем они потребляются гетеротрофами. В результате выделения в процессе жизнедеятельности или после гибели организмов (как автотрофов, так и гетеротрофов) органические вещества подвергаются минерализации, то есть превращению в неорганические вещества (СО₂, Н₂О, N₂ и др.). Эти неорганические вещества могут быть вновь использованы для синтеза автотрофами органических веществ.

В биогеохимических круговоротах выделяют две части:

1) резервный фонд – это часть вещества, не связанная с живыми организмами;

2) обменный фонд – значительно меньшая часть вещества, которая связана прямым обменом между организмами и их непосредственным окружением. В зависимости от расположения резервного фонда биогеохимические круговороты можно разделить на два типа:

1) Круговороты газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере и гидросфере (круговороты углерода, кислорода, азота).

2) Круговороты осадочного типа с резервным фондом в земной коре (круговороты фосфора, кальция, железа и др.).

Тезаурус. Биосфера, ноосфера, геосферы, биом, живое вещество, косное вещество, биогенное вещество, биокосное вещество, геологический круговорот, биологический круговорот, биогеохимические циклы, продуктивность, первичная биомасса, биологическое разнообразие (биоразнообразие).

Вспомните термины из предыдущих работ:экосистема,трофические уровни, экологические пирамиды (биомасс, энергии) системное свойство. Они понадобятся для успешного выполнения заданий.

Задание 1. Составьте понятия из тезауруса, используя доступные Вам источники.

Задание 2.Обоснуйте границы биосферы в пределах атмосферы, гидросферы, литосферы, привлекая понятие «лимитирующий фактор». Отметьте границы биосферы (верхняя граница в атмосфере, нижняя граница в океане, нижняя граница в земной коре) на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Границы биосферы

Таблица 4.1. Функции живого вещества

Задание 3.

3.1. Один из методов системных исследований – функциональный подход. Он изучает функции различных объектов и способы их реализации. В таблице 4.1 перечислены основные функции живого вещества и их характеристики. Выполнение этих функций возможно только на биосферном уровне организации живой материи. Завершите таблицу 4.1, приведя примеры реализации организмами указанных в ней функций.

3.2. Согласно основному положению иерархического подхода, системы на каждом уровне организации материи обладают системными свойствами, несводимыми к качествам их подсистем. Назовите системное свойство биосферы. (подсказка: обратитесь к табл. 4.1).

3.3. Некоторые ученые считают биосферу глобальной экосистемой. Однако биосфера является надсистемой для всех экосистем Земли. Подумайте над Вашим ответом на вопрос 3.2 и ответьте, можно ли считать, что биосфера обладает только свойствами экосистемы?

Задание 4. Великий российский ученый — энциклопедист В.И. Вернадский предложил классифицировать вещества на Земле следующим образом:

- живое вещество – все организмы Земли (от бактерии до кита);

- косное вещество – вещества, никогда не входившие в состав живых организмов (магматические горные породы);

- биогенное вещество – вещества, когда-то входившие в состав организмов (уголь, нефть, сланцы, торф );

- биокосное вещество – продукт взаимодействия живого вещества с косным веществом и абиотическими факторами (почва);

- космическое вещество – оседающая на поверхности Земли космическая пыль;

- радиоактивное вещество – вещество в радиоактивном распаде.

4.1. Соответствует ли такое распределение указанным выше требованиям к классификации?

4.2. Предложите свой вариант классификации веществ. (Для этого нужно выбрать основание для классификации и распределить указанные вещества по классам).

Один из общенаучных методов исследований – причинно-следственный анализ. С его помощью можно провести поиск причин и последствий экологических проблем, ведь все явления окружающего нас мира (в том числе и экологические проблемы) имеют одну или несколько причин. Выявить их – значит найти пути снижения вредного воздействия техносферы на биосферу.

Задание 5. На нашей планете с огромной скоростью исчезают виды животных и растений. К каким последствиям может привести снижение биологического разнообразия? Для ответа на поставленный вопрос составьте причино-следственную цепочку.

В настоящее время известен ряд гипотез появления жизни. Среди них:

…1. Креационизм: создание живых существ и человека Богом.

…2. Гипотезы, основанные на концепции самозарождения. Они включают предположения о спонтанном (случайном) появлении живых существ на нашей планете без участия внешних сил. Согласно этой модели, определённые части неорганических оболочек Земли содержат «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм. К гипотезам самозарождения относятся:

– Витализм (учение о наличии в живых организмах нематериальной силы, управляющей биологическими явлениями);

– Гипотеза Опарина-Холдейна (самозарождение жизни на Земле в так называемом первичном бульоне, существовавшем когда-то в гидросфере Земли в виде раствора высокомолекулярных соединений). Экспериментально показано, что в результате воздействия ультрафиолетовых лучей (а на ранних стадиях развития Земли, когда в атмосфере не было озонового слоя, ультрафиолет – компонент солнечного света беспрепятственно достигал поверхности Земли) в растворе из сложных молекул образуются аминокислоты и другие органические вещества.

Химическая эволюция - первый этап эволюции жизни, в ходе которого органические вещества возникли из неорганических молекул под влиянием внешних факторов. Усложнение структуры возникает в результате процессов самоорганизации, свойственных относительно сложным системам, например, углеродсодержащим молекулам.

3. Гипотезы, описывающие занесение жизни на Землю извне, но без участия Высших Сил. Согласно теории стационарного состояния, жизнь во Вселенной существовала вечно. Универсум всегда был способен поддерживать жизнь. В рамках этой модели биологические виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности: либо изменение численности, либо вымирание. Панспермия – гипотеза о появлении жизни на Земле в результате занесения из космического пространства так называемых «зародышей жизни». Эта гипотеза постулирует вечность жизни во Вселенной и не объясняет ее возникновение.

Задание 6. Познакомьтесь с приведенными выше гипотезами происхождения жизни на Земле. Какая гипотеза кажется Вам наиболее обоснованной? Почему?

Ниже на рис. 4.2. и в табл. 4.2 представлены схема и анализ вариантов взаимодействия двух объектов (элементов системы) в рамках модели компенсационного гомеостата – иструмента системного анализа..

Рис 4.2. Модель компенсационного гомеостата.

Таблица 4. 2. Четыре режима взаимодействия на основе модели компенсационного гомеостата.

*Изогресс – изменение объекта без обретения и потери нового системного свойства

Данная модель находит применение в экологических исследованиях. Взаимодействие по модели компенсационного гомеостата может осуществляться как между отдельными организмами, например, (++) – симбиоз (мутуализм), (– –) – конкуренция, так и между оболочками Земли.

Задание 7.

7.1. Какой из представленных в табл. 4.2 режимов взаимодействия между техносферой и биосферой реализуется в настоящее время?

7.2. Какой режим соответствует переходу в ноосферу?

7.3. Опишите режим взаимодействия, обратный варианту, выбранному Вами в задании. 7.1.?

Владимир Иванович Вернадский, размышляя об особой биосферной функции человечества, пришел к выводу о переходе биосферы в ноосферу. Ноосфера (от греч. nόος – разум и σφαῖρα – шар) – сфера разума; сфера взаимодействия общества и природы, в границах которой человеческая деятельность становится определяющим фактором развития.В. И. Вернадский сформулировал следующие условия перехода биосферы в ноосферу:

1. Заселение человеком всей планеты.

2. Резкое преобразование средств связи и обмена между странами.

3. Усиление связей, в том числе политических, между всеми странами Земли.

4. Начало преобладания геологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в биосфере.

5. Расширение границ биосферы и выход в космос.

6. Открытие новых источников энергии.

7. Равенство людей всех рас и религий.

8. Увеличение роли народных масс в решении вопросов внешней и внутренней политики.

9. Свобода научной мысли и научного искания от давления религиозных, философских и политических построений и создание в государственном строе условий, благоприятных для свободной научной мысли.

10. Продуманная система народного образования и подъем благосостояния трудящихся. Создание реальной возможности не допустить недоедания и голода, нищеты, а так же способствовать ослаблению болезней.

11. Разумное преобразование первичной природы Земли с целью сделать её способной удовлетворить все материальные, эстетические и духовные потребности численно возрастающего населения.

12. Исключение войн из жизни общества.

Задание 8. Можно ли считать, что на Земле уже произошел переход к ноосфере? Какие из перечисленных условий перехода выполнены в настоящее время? Дайте мотивированный ответ.

Задание 9. Известный американский эколог Б. Коммонер предложил четыре социально-экологических закона, которые в краткой афористичной форме отражают важные аспекты взаимодействия природы и общества. Соотнесите каждый из законов Б. Коммонера с его трактовкой:

Рис.4.3. Глобальное изменение среды

Задание 10. Проанализируйте рисунок 4.3 и ответьте письменно: какие антропогенные факторы наиболее сильно влияют на биосферу?

Вопросы для самоподготовки.

1. Перечислите известные Вам гипотезы возникновения жизни на Земле.
2. Перечислите функции живого вещества.
3. Каково системное свойство биосферы?
4. Может ли биосфера существовать вне взаимодействия с атмо-, гидро- и литосферой?
5. Какими экологическими факторами ограничивается распространение живого в атмо-, гидро- и литосфере?
6. Перечислите законы Коммонера.
7. Выберите правильный ответ. В компонентную модель биосферы входят:

1) растения и абиотическая среда;

2) животные и магнитное поле Земли;

3) только организмы;

4) животные, растения и абиотическая среда.

8. Какое утверждение правильное? Чтобы выжить, человечество должно понимать, что биосфера формирует такие условия его жизни, как:

1) чистая вода, плодородная почва, пригодный для дыхания воздух;

2) плодородная почва, магнитное поле Земли, кислород атмосферы

3) чистый воздух, сила тяготения, красивый вид из окна.

Литература

1. Богатырев Л.Г., Телеснина В.М. Словарь терминов и показателей, используемых при изучении биологического круговорота. - Под ред. Владыченского А. С. - М.: МАКС Пресс, 2010. – 184 с.
2. Левченко В.Ф. Биосфера: этапы жизни. - СПб.: «Свое издательство», 2012 – 264 с
3. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. – М.: Наука, 2001. – 376 с.