Біосфера як глобальна екосистема, її структура та межі

1. Переглянути відео та побіжно оглянути теоретичний матеріал.

2. Теорія

   2.1.Характеристика біосфери.

   БІОСФЕРА - особлива оболонка Землі, населена живими істотами. Дослідженнями біосфери займається біосферологія.

Структура біосфери включає абіотичний та біотичний компоненти, що пов'язані біологічною міграцією хімічних елементів і речовин. Біосфера охоплює три геологічні оболонки - літосферу, атмосферу та гідросферу. Структурними елементами біосфери є 7 типів речовини:

• 1) жива (сукупність усіх організмів на Землі);

• 2) біогенна (речовина, що утворена й перероблювана організмами (вугілля, нафта, кисень атмосфери тощо));

• 3) косна (абіотична речовина, що утворена без участі живого, тобто лава, попіл вулканів);

• 4) біокосна (біогенно-абіотична речовина, продукти розкладу і переробки косної речовини організмами, тобто ґрунт);

• 5) радіоактивна;

• 6) космічна;

• 7) розсіяні атоми.

Межами біосфери: є

• нижні шари атмосфери до висоти близько 11 км, до 20-25 км4

• вся гідросфера

• верхній шар літосфери до глибини 3емлі ( 2-3 км в земній корі).

Біосфера - це найбільша цілісна глобальна екосистема, якій притаманні фундаментальні властивості біосистем. До них належать відкритість, цілісність, саморегуляція. Однак біосфера має й специфічні (емерджентні) властивості. Це передусім її високий рівень самоорганізації, що забезпечує надзвичайну стабільність і стійкість у часі й просторі. Окрім того, фахівці зазначають ще й такі особливості:

• унікальність, незамінність і неповторність;

• практично безмежна тривалість існування;

• безмежно великий запас генетичної інформації, що накопичувалася впродовж мільярдів років, внаслідок чого ця інформація є практично невичерпною;

• найдосконаліші механізми саморегуляції та захисту від руйнівного зовнішнього впливу;

• величезні запаси вільної енергії, причому не лише тієї, що є вільною енергією сучасних підпорядкованих їй екосистем, а й енергії, накопиченої екосистемами минулих епох;

• величезне біорізноманіття підпорядкованих їй біологічних систем - організмів, видів, екосистем.

Отже, біосфера є найвищою та найскладнішою біологічною системою Землі.

2.2. Функція біосфери.

ПОТІК ЕНЕРГІЇ У БІОСФЕРІ - надходження енергії Сонця до поверхні Землі, засвоєння її у процесі фотосинтезу рослинами, трансформація й перерозподіл у ланцюгах живлення й геологічних оболонках і розсіювання у світовому просторі. Біосфера - це відкрита термодинамічна система, що одержує енергію у вигляді світлової енергії Сонця й теплової енергії процесів радіоактивного розпаду речовин у земній корі та ядрі планети.

Основне джерело енергії сьогодні - це сонячне випромінювання:

• частина цієї енергії відбивається від хмар, пилу й земної поверхні (близько 34 %), нагріває атмосферу, літосферу й Світовий океан,

• розсіюється в космічному просторі у вигляді інфрачервоного випромінювання (42 %),

• витрачається на випаровування води й утворення хмар (23 %),

• на переміщення повітряних мас - утворення вітру (близько 0,1 %)

• близько 1% сонячної енергії, що потрапляє на Землю, вловлюється продуцентами - вищими рослинами, водоростями та фототрофними бактеріями - й запасається в процесі фотосинтезу у вигляді енергії хімічних зв'язків органічних сполук.

Ця зв'язана енергія далі використовується консументами й редуцентами в ланцюгах живлення. Завдяки їм біосфера виконує свою основну функції - концентрує, трансформує, акумулює й перерозподіляє хімічні елементи в земній корі. Діяльність живої речовини супроводжується розсіюванням акумульованої сонячної енергії у вигляді тепла.

Таким чином, в процесі роботи, що її здійснює біосфера, вловлена сонячна енергія трансформується й розсіюється. Ці два процеси підпорядковуються двом фундаментальним природним законам - першому та другому законам термодинаміки.

Перший закон термодинаміки: енергія не може бути ні народжена, ні знищена, вона може бути лише трансформована з однієї форми в іншу. Кількість енергії при цьому не змінюється.

Другий закон термодинаміки: будь-яка робота супроводжується трансформацією високоякісної енергії у тепло, що розсіюється в довкіллі й втрачається в просторі.

Отже, основна функція біосфери полягає в засвоєнні, накопиченні, трансформації та перерозподілі енергії.

Найзагальніші функції живої речовини в біосфері.

• Газова - вплив живих організмів на газовий склад атмосфери (наприклад, утворення кисню під час фотосинтезу, виділення вуглекислого газу під час дихання, зв'язування Нітрогену завдяки азотофіксації тощо).

• Концентраційна - поглинання живими організмами певних хімічних елементів і їх накопичення (наприклад, накопичення водоростями, молюсками Кальцію, діатомовими водоростями, хвощами, злаками - Силіцію, морськими водоростями - Йоду).

• Окисно-відновна - живі організми окиснюють та відновлюють певні сполуки (наприклад, залізо-, сіркобактерії перетворюють сполуки Феруму та Сульфуру);

• Біохімічна - синтез і розщеплення органічних сполук (білків, ліпідів, вуглеводів, нуклеїнових кислот), яких у природі до появи живого не існувало.

• Деструкційна - розклад редуцентами органічних решток і косної речовини, руйнування гірських порід унаслідок життєдіяльності організмів (наприклад, біологічне вивітрювання за участі лишайників).

• Середовищеутворювальна - зміна умов існування організмів завдяки діяльності живого (наприклад, ґрунтоутворення, самоочищення водойм).

2.3. Основні закономірності функціонування біосфери.

Вони базуються на законах, сформульованих В.Вернадським:

• Перший законом біогенної міграції хімічних елементів: міграція хімічних елементів на земній поверхні та в біосфері в цілому здійснюється або за безпосередньої участі живоїречовини, або ж у середовищі, особливості якого зумовлені живою речовиною.

• Другий закон, або закон константності: кількість живої речовини за певний час є сталою величиною. Відповідно до цього закону збільшення кількості живої речовини в одній частині біосфери супроводжується її зменшенням в іншій. Це наслідок вселенського закону збереження речовини, а отже, енергії та інформації.

• Третій закон, закон єдності живої речовини: усе живе має спільну фізичну, хімічну основу, тобто основою живих систем є однакові хімічні, біохімічні, фізичні процеси, що зумовлені загальними законами хімії, фізики, і діють вони незалежно від стану системи - живої або неживої.

  2.4.Біогеохімічні цикли

  Для постійного існування біосфери, для запобігання припинення розвитку життя на Землі у природі повинні постійно відбуватись безперервні процеси перетворення її живої речовини. Біологічний колообіг - це багаторазова участь хімічних елементів у процесах, які протікають у біосфері. Причина колообігу - обмеженість елементів, з яких будується тіло організмів. У біосфері відбувається постійний колообіг активних елементів, які переходять від організму до організму, у неживу природу і знову до організму

• Кругообіг речовин у біосфері має циклічний характер і для біогенних елементів здійснюється у вигляді біогеохімічних циклів.

  У біогеоциклах розрізняють дві частини:

  1) резервний фонд — з більшою кількістю й масою речовини або елемента та повільнішим обміном;

  2) обмінний фонд — з меншою часткою елемента (речовини), що швидко переміщуються по етапах циклу.

  Виокремлюють два основні типи біогеоциклів:

  1) цикли елементів з резервним фондом в атмосфері або гідросфері (цикли Карбону, Нітрогену, Оксигену);

  2) цикли елементів з резервним фондом у літосфері (осадові цикли Фосфору, Сульфуру, Кальцію, Калію, Феруму).

  

Показники порушення стабільності 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.

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". 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.

Показники порушення стабільності:

• поступова зміна клімату;

• зміна біогехімічних циклів;

• зміна складу навколишнього середовища;

• зміна ландшафтів;

• зникнення біологічних видів.

Після перегляду теретичного блоку скласти загальну характеристику біохімічних циклів у біосфері.

Осмислення вивченого матеріалу.

1. Науковці встановили, що 70-80 % усієї маси крейди, якою пишуть вчителі й учні на дошці, припадає на вапнякові утвори одноклітинних джгутикових водоростей - коколітофорид. Ці організми становлять переважну частину (до 98 %) нанопланктону, концентрують Кальцій, а їх вапнякові скелети часто використовують для визначення віку гірських порід. За допомогою цих організмів доведіть справедливість першого закону Вернадського.

2. 

   Проаналізуйте подану схему і дайте відповіді на запитання:

   1. На яку глибину проникає життя в літосфері?

   2. Яка оболонка Землі повністю входить до складу біосфери?

3. Роль організмів у грунтоутворенні (завдання: поясніть, які групи організмів беруть участь у процесах грунтоутворення)