Біосфера і її структура

Реферат по БЖД виконала студентка 3 курсу 4 факультету 1 групи «спеціалізації акробатика» Ємельянова Ольга

Російський Державний Університет Фізичної Культури, Спорту та Туризму

Москва 2004

Вступ

Існують два основних визначення поняття біосфера », одне з яких відомо з часу появи в науці даного терміну. Це розуміння біосфери як сукупності всіх живих і неживих організмів на Землі. Учень Докучаєва, творця вчення про грунтах, В.І. Вернадський, який вивчав взаємодію живих і неживих систем, висунув принцип нерозривного зв'язку живого і неживого, переосмисливши поняття біосфери. Він розумів біосферу як сферу єдності живого і неживого.

Таке тлумачення визначило погляд Вернадського на проблему походження життя на Землі. Розглядалися наступні варіанти: 1) життя виникло до освіти Землі і була занесена на неї; 2) життя зародилося після утворення Землі; 3) життя зародилося разом з утворенням Землі. Вернадський дотримувався останньою з цих точок зору і вважав, що немає переконливих наукових даних про те, що живе будь-коли не існувало на нашій планеті. Іншими словами, біосфера була на Землі завжди.

Під біосферою, таким чином, Вернадський розумів тонку оболонку Землі, в якій всі процеси протікають під прямим впливом живих організмів. Надалі Вернадський розвинув дане розуміння біосфери і визначив її структуру.

1. Характеристика та структура біосфери

В буквальному перекладі термін "біосфера" означає сферу життя, і в такому сенсі він вперше був введений у науку в 1875 р. австрійським геологом і палеонтологом Едуардом Зюсом (1831 - 1914). Однак задовго до цього під іншими назвами, зокрема "простір життя", "картина природи", "жива оболонка Землі" і т.п., його зміст розглядався багатьма іншими натуралістами.

Спочатку під усіма цими термінами малася на увазі тільки сукупність живих організмів, що живуть на нашій планеті, хоча іноді і вказувався їх зв'язок з географічними, геологічними і космічними процесами, але при цьому скоріше зверталася увага на залежність живої природи від сил і речовин неорганічної природи. Навіть автор самого терміна "біосфера" Е. Зюсс у своїй книзі "Лик Землі", опублікованої майже тридцять років після введення терміна (1909 р.), не зауважував зворотного впливу біосфери і визначав її як "сукупність організмів, обмежену в просторі і в часі і що мешкає на поверхні Землі ".

Першим з біологів, що ясно вказав на величезну роль живих організмів у утворенні земної кори, був Ж. Б. Ламарк (1744 - 1829). Він підкреслював, що всі речовини, що знаходяться на поверхні земної кулі і утворюють його кору, сформувалися завдяки діяльності живих організмів.

Факти і положення про біосферу накопичувалися поступово в зв'язку з розвитком ботаніки, грунтознавства, географії рослин і інших переважно біологічних наук, а також геологічних дисциплін. Ті елементи знання, що стали необхідними для розуміння біосфери в цілому, виявилися зв'язаними з виникненням екології, науки, що вивчає взаємини організмів і навколишнього середовища. Біосфера є визначеною природною системою, а її існування в першу чергу виражається у кругообігу енергії і речовин при участі живих організмів.

Дуже важливим для розуміння біосфери було встановлення німецьким фізіологом Пфефером (1845 - 1920) трьох способів харчування живих організмів:

автотрофне - Побудова організму за рахунок використання речовин неорганічної природи;

гетеротрофне - Будівля організму за рахунок використання низькомолекулярних органічних сполук;

міксотрофное - Змішаний тип побудови організму (автотрофне-гетеротрофних).

Біосфера (у сучасному розумінні) - своєрідна оболонка Землі, що містить всю сукупність живих організмів і ту частину речовини планети, що знаходиться в безперервному обміні з цими організмами.

Біосфера охоплює нижню частину атмосфери, гідросферу і верхню частину літосфери.

Атмосфера - Найбільш легка оболонка Землі, яка межує з космічним простором; через атмосферу здійснюється обмін речовини й енергії з космосом.

Атмосфера має декілька шарів:

тропосфера - Нижній шар, що примикає до поверхні Землі (висота 9-17 км). У ньому зосереджено близько 80% газового складу атмосфери і уся водяна пара;

стратосфера;

ноносфера - Там "жива речовина" відсутня.

Переважаючі елементи хімічного складу атмосфери: N2 (78%), O2 (21%), CO2 (0,03 %).

Гідросфера - Водна оболонка Землі. Внаслідок високої рухливості вода проникає повсюдно в різні природні утворення, навіть найбільш чисті атмосферні води містять від 10 до 50 мгр/л розчинних речовин.

Переважаючі елементи хімічного складу гідросфери: Na +, Mg2 +, Ca2 +, Cl-, S, C. Концентрація того чи іншого елемента у воді ще нічого не говорить про те, наскільки він важливий для рослинних і тваринних організмів, що живуть у ній. У цьому відношенні провідна роль належить N, P, Si, що засвоюються живими організмами. Головною особливістю океанічної води є те, що основні іони характеризуються постійним співвідношенням у всьому обсязі світового океану.

Літосфера - Зовнішня тверда оболонка Землі, що складає з осадових і магматичних порід. В даний час земною корою прийнято вважати верхній шар твердого тіла планети, розташований вище сейсмічної границі Мохоровичича. Поверхневий шар літосфери, в якому здійснюється взаємодія живої матерії з мінеральної (неорганічної), являє собою грунт. Залишки організмів після розкладання переходять у гумус (родючу частину грунту). Складовими частинами грунту служать мінерали, органічні речовини, живі організми, вода, гази.

Переважаючі елементи хімічного складу літосфери: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K.

Провідну роль виконує кисень, на частку якого припадає половина маси земної кори і 92% її обсягу, однак кисень міцно пов'язаний з іншими елементами в головних породоутворюючих мінералах. Т.ч. в кількісному відношенні земна кора - це "Царство" кисню, хімічно зв'язаного у ході геологічного розвитку земної кори.

Поступово ідея про тісний взаємозв'язок між живою та неживою природою, про зворотний вплив живих організмів і їхніх систем на навколишні їх фізичні, хімічні і геологічні фактори усе наполегливіше проникала у свідомість вчених і знаходила реалізацію в їхніх конкретних дослідженнях. Цьому сприяли і зміни, що відбулися в загальному підході натуралістів до вивчення природи. Вони всі більше переконувалися в тім, що відособлене дослідження явищ і процесів природи з позицій окремих наукових дисциплін виявляється неадекватним. Тому на рубежі ХІХ - ХХ ст. у науку усе ширше проникають ідеї холістичного, або цілісного, підходу до вивчення природи, що у наш час сформувалися в системний метод її вивчення.

Результати такого підходу негайно позначилися при дослідженні загальних проблем впливу біотичних, чи живих, факторів на абіотичні, чи фізичні, умови. Так, виявилося, наприклад, що склад морської води багато в чому визначається активністю морських організмів. Рослини, що живуть на піщаному грунті, значно змінюють її структуру. Живі організми контролюють навіть склад нашої атмосфери. Число подібних прикладів легко збільшити, і всі вони свідчать про наявність зворотного зв'язку між живою та неживою природою, у результаті якої жива речовина значною мірою змінює лик нашої Землі. Таким чином, біосферу не можна розглядати у відриві від неживої природи, від якої вона, з однієї сторони залежить, а з іншого - сама впливає на неї. Тому перед натуралістами виникає задача - конкретно досліджувати, яким чином і якою мірою жива речовина впливає на фізико-хімічні та геологічні процеси, що відбуваються на поверхні Землі й у земній корі. Тільки подібний підхід може дати ясне і глибоке представлення про концепцію біосфери. Таку задачу саме і поставив перед собою видатний російський вчений Володимир Іванович Вернадський (1863 - 1945).

2. В. І. Вернадський про біосферу.

Центральним в цій концепції є поняття про живу речовину, що В. І. Вернадський визначає як сукупність живих організмів. Крім рослин і тварин, В. І. Вернадський включає сюди і людство, вплив якого на геохімічні процеси відрізняється від впливу інших живих істот, по-перше, своєю інтенсивністю, що збільшується з ходом геологічного часу, по-друге, тим впливом, яке діяльність людей робить на іншу живу речовину.

Це вплив позначається, насамперед, у створенні численних нових видів культурних рослин і домашніх тварин. Такі види не існували раніше і без допомоги людини або гинуть, або перетворюються в дикі породи. Тому Вернадський розглядає геохімічну роботу живої речовини в нерозривному зв'язку тварини, рослинного царства і культурного людства як роботу єдиного цілого.

За думку В. І. Вернадського, у минулому не додавали значення двом важливим факторам, що характеризують живі тіла і продукти їхньої життєдіяльності: відкриттю Пастера про перевагу оптично активних з'єднань, пов'язаних з дісімметрічностью просторової структури молекул, як відмінної риси живих тіл; явно недооцінювався внесок живих організмів в енергетику біосфери і їхній вплив на неживі тіла. Адже до складу біосфери входить не тільки жива речовина, але і різноманітні неживі тіла, що В. І. Вернадський називає відсталими (атмосфера, гірські породи, мінерали і т.д.), а також і біокосні тіла, утворені з різнорідних живих і відсталих тіл (грунти, поверхневі води тощо). Хоча жива речовина по обсязі і вазі складає незначну частину біосфери, але воно відіграє основну роль у геологічних процесах, пов'язаних зі зміною вигляду нашої планети.

Оскільки жива речовина є визначальним компонентом біосфери, остільки можна стверджувати, що воно може існувати і розвиватися тільки в рамках цілісної системи біосфери. Не випадково, тому В. І. Вернадський вважає, що живі організми є функцією біосфери і найтіснішим образом матеріально й енергетично з нею зв'язані, є величезною геологічною силою, її визначальною.

Вихідною основою існування біосфери і відбуваються в ній біогеохімічних процесів є астрономічне положення нашої планети й у першу чергу її відстань від Сонця і нахил земної осі до екліптики, чи до площини земної орбіти. Це просторове розташування Землі визначає в основному клімат на планеті, а останній у свою чергу - життєві цикли всіх існуючих на ній організмів. Сонце є основним джерелом енергії біосфери і регулятором усіх геологічних, хімічних і біологічних процесів на нашій планеті. Цю її роль образно виразив один з авторів закону збереження і перетворення енергії Юліус Майер (1814 - 1878), що відзначив, що життя є створення сонячного променя.

Вирішальне відмінність живої речовини від відсталого полягає в наступному:

зміни і процеси в живій речовині відбуваються значно швидше, ніж у відсталих тілах. Тому для характеристики змін у живій речовині використовується поняття історичного, а у відсталих тілах - геологічного часу. Для порівняння зазначимо, що секунда геологічного часу відповідає приблизно ста тисячам років історичного;

в ході геологічного часу зростають міць живої речовини і його вплив на відсталу речовину біосфери. Це вплив, указує В.І. Вернадський, проявляється перш за все "в безперервному біогенному струмі атомів з живої речовини у відсталу речовину біосфери і назад ";

тільки у живій речовині відбуваються якісні зміни організмів у ході геологічного часу. Процес і механізми цих змін уперше знайшли пояснення в теорії походження видів шляхом природного добору Ч. Дарвіна (1859 р.);

живі організми змінюються в залежності від зміни навколишнього середовища, адаптуються до неї і, відповідно до теорії Дарвіна, саме поступове нагромадження таких змін служить джерелом еволюції.

В. І. Вернадський висловлює припущення, що жива речовина, можливо, має і свій процес еволюції, що виявляється в зміні з ходом геологічного часу, поза залежності від зміни середовища.

Для підтвердження своєї думки він посилається на безупинний ріст центральної нервової системи тварин і її значення в біосфері, а також на особливу організованість самої біосфери. На його думку, у спрощеній моделі цю організованість можна виразити так, що жодна з крапок біосфери "не попадає в те ж місце, в ту ж крапку біосфери, у який коли-небудь була раніш ". У сучасних термінах це явище можна описати як незворотність змін, при будь-якому процесу еволюції і розвитку.

Безперервний процес еволюції, що супроводжується появою нових видів організмів, надає вплив на всю біосферу в цілому, в тому числі і на природні біокосні тіла, наприклад, грунту, наземні та підземні води і т.д. Це підтверджується тим, що грунти і ріки девону зовсім інші, чим третинної і тим більше нашої епохи. Таким чином, еволюція видів поступово поширюється і переходить на всю біосферу.

Оскільки еволюція і виникнення нових видів припускають існування свого початку, остільки закономірно виникає питання: а є чи такий початок у життя? Якщо є, то де його шукати - на чи Землі в Космосі? Чи може виникнути живе з неживого?

Над цими питаннями протягом сторіч задумувалися багато релігійних діячів, представники мистецтва, філософи і вчені. В. І. Вернадський докладно розглядає найбільш цікаві точки зору, що висувалися видатними мислителями різних епох, і приходить до висновку, що ніякої переконливої відповіді на ці питання поки не існує. Сам він як учений спочатку дотримувався емпіричного підходу до рішення зазначених питань, коли стверджував, що численні спроби знайти в древніх геологічних шарах Землі сліди присутності яких-небудь перехідних форм життя не увінчалися успіхом. У всякому разі деякі останки життя були виявлені навіть в докембрійських шарах, нараховують 600 мільйонів років. Ці негативні результати, на думку В. І. Вернадського, дають можливість висловити припущення, що життя як матерія й енергія існує у Всесвіті вічно і тому не має свого початку. Але таке припущення є не більше, ніж емпіричне узагальнення, засноване на тому, що сліди живої речовини дотепер не виявлені в земних шарах. Щоб стати науковою гіпотезою, воно повинно бути погоджене з іншими результатами наукового пізнання, у тому числі і з більш широкими концепціями природознавства і філософії. У всякому разі не можна не рахуватися з поглядами тих натуралістів і філософів, що захищали теза про виникнення живої матерії з неживий, а в даний час навіть висувають досить обгрунтовані гіпотези і моделі походження життя.

Припущення щодо абіогенного, або неорганічного походження життя робилися неодноразово ще в античну епоху, наприклад, Аристотелем, що допускав можливість виникнення дрібних організмів з неорганічної речовини. З виникненням експериментального природознавства і появою таких наук, як геологія, палеонтологія і біологія, така точка зору зазнала критики як не обгрунтована емпіричними фактами. Ще в другій половині XVII ст. широке поширення одержав принцип, проголошений відомим флорентійським лікарем і натуралістом Ф. Реді, що все живе виникає з живого. Утвердженню цього принципу сприяли дослідження знаменитого англійського фізіолога Вільяма Гарвея (1578 - 1657), який вважав, що усяка тварина походить з яйця, хоча він і допускав можливість виникнення життя абіогенним шляхом.

В Надалі, у міру проникнення фізико-хімічних методів у біологічні дослідження знову й усе наполегливіше стали висуватися гіпотези про абіогенне походження життя. Вище ми вже говорили про хімічну еволюцію як передумову метушняікновенія предбіотичною, чи предбіологічною, стадії виникнення життя. З зазначеними результатами не міг не рахуватися В.І. Вернадський, і тому його погляди з цих питань не залишалися незмінними, але, спираючись на грунт точно встановлених фактів, він не допускав ні божественного втручання, ні земного походження життя. Він переніс виникнення життя за межі Землі, а також допускав можливість її появі в біосфері за певних умов. Він писав: "Принцип Реді не вказує на неможливість абіогенез поза біосфери або при встановленні наявності в біосфері (тепер чи раніше) фізико-хімічних явищ, не прийнятих при науковому визначенні цієї форми організованості земної оболонки ".

Незважаючи на деякі протиріччя, навчання Вернадського про біосферу являє собою новий великий крок у розумінні не тільки живої природи, але і її нерозривного зв'язку з історичною діяльністю людства.

Висновок

В укладанні мені хотілося б проаналізувати висновки з вчення про біосферу:

першим висновком з цього вчення є принцип цілісності біосфери. Тут можна говорити про все життя, про все живу речовину, як про єдиний цілому в механізмі біосфери. Будова Землі, за Вернадським, є узгоджений у своїх частинах механізм. Вузькі межі існування життя - фізичні постійні, рівні радіації і т.п. - підтверджують це. Наче хтось створив таке середовище, щоб життя стала можлива.

з принципом цілісності біосфери і нерозривному зв'язку в ній живих і відсталих компонентів пов'язаний і принцип гармонії біосфери та її організованості. У біосфері, за Вернадським, «все враховується і всі пристосовується з тією ж точністю, з тією ж механічність і з тим же підпорядкуванням мірою і гармонії, яку ми бачимо в струнких рухах небесних світил і починаємо бачити в системах атомів речовини і атомів енергії ».

роль живого в еволюції Землі. На земній поверхні немає хімічної сили, більш постійно діючої, а тому й більш могутньою по своїм кінцевим наслідків, ніж організми взяті в цілому. Всі мінерали безперервно створюються в ній тільки під впливом життя. Лик Землі як небесного тіла фактично сформований життям.

космічна роль біосфери в трансформації енергії. Можна розглядати всю цю частину живої природи як подальший розвиток одного і того ж процесу перетворення сонячної світлової енергії в дієву енергію Землі.

розтікання житті є прояв її геохімічної енергії. Жива речовина, подібно до газів, розтікається по земній поверхні у відповідність з правилом інерції.

поняття автотрофними. Автотрофними називають організми, які беруть усі потрібні їм для життя хімічні елементи в біосфері з навколишнього їх відсталої матерії і не вимагають для побудови свого тіла готових з'єднань іншого організму. Поле існування цих зелених автотрофні організмів визначається насамперед областю проникнення сонячних променів.

космічна енергія викликає тиск життя, яка досягається розмноженням. Розмноження організмів зменшується в міру збільшення їх кількості.

форми знаходження хімічних елементів: 1) гірські породи та мінерали; 2) магми; 3) розсіяні елементи; 4) жива речовина. Закон ощадливості використання живою речовиною простих хімічних тел: раз увійшов елемент проходить довгий ряд станів, і організм вводить в себе тільки необхідну кількість елементів.

життя цілком визначається полем стійкості зеленої рослинності.

біосфера у своїх основних рисах представляє один і той же хімічний апарат самих давніх геологічних періодів. Життя залишалася протягом геологічного часу постійною, змінювалася лише її форма.

повсюдна поширеність життя в біосфері. Життя поступово, повільно пристосовуючись, захопила біосферу, і захоплення цей не закінчився. Поле стійкості життя є результат пристосованості в ході часу.

сталість кількості живої речовини в біосфері.

всяка система досягає стійкої рівноваги, коли її вільна енергія дорівнює або наближається до нуля, тобто коли вся можлива в умовах системи робота зроблена.

Список літератури

Ален Р.Д. Наука про життя. - М.: 1981.

Вернадський В.І. Філософські думки натураліста. - М.: 1988.

Вернадський В.І. Біосфера і ноосфера. - М.: 1988.

Лаппо А.В. Сліди білих біосфер. - М.: 1979.

Горєлов А.А. Концепції сучасного природознавства. - М.: 2000.