Географическая оболочка. Эволюция живых организмов земли и их отражение в географической оболочке

Биосфера – сфера жизни, оболочка Земли, населенная живыми организмами. Область распространения живых организмов и определяет границы биосферы. Термин «биосфера» был предложен австрийским геологом Эдуардом Зюссом, понимавшим ее как тонкую пленку жизни на земной поверхности. Учение о биосфере разработал выдающийся отечественный ученый В.И. Вернадский.

За верхнюю границу биосферы принимаю слой озона (озоновый экран), находящийся на высоте 20–25 км. Нижняя граница биосферы проходит в литосфере. Биосфера включает в себя нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу, верхнюю часть земной коры и живое вещество. Живое вещество планеты представлено растениями, животными микроорганизмами и человеком. Считают, что зарождение жизни на Земле произошло свыше 3 млрд лет тому назад в мелководных водоемах в условиях теплого и влажного климата.

Жизнь на Земле в геологически обозримый период всегда существовала в фор­ме сложно организованных комплексов разнообразных организмов (биоценозов). Вместе с тем живые организмы и среда их обитания тесно связаны, взаимодействуют друг с другом, образуя целостные динамические системы – биогеоценозы. Питание, дыхание и размножение орга­низмов и связанные с ними процессы создания, накопления и распада органического вещества обеспечивают постоянный кру­говорот вещества и энергии. С этим круговоротом связана миграция ато­мов химических элементов биогенных – их биогеохимические циклы. В ходе биогеохимических циклов атомы большинства химических элементов проходили бесчисленное число раз через живое вещество. Так, весь кислород атмосферы оборачивается через живое вещество за 2000 лет, углекислый газ – за 200 (300) лет, а вся вода Биосферы – за 2 млн лет.

Широкому распространению живых организмов на Земле помогала их способность приспосабливаться к самым разнообразным условиям среды, поразительно широкие физические пределы жизни живого вещества а также высокая потенциальная возможность к размножению. В настоящее время по составу в биосфере преобладают животные над растениями, а по массе вещества растения во много раз превышают массу животных. Подавляющая часть биомассы сосредоточена на суше: она превышает биомассу Океана в 1000 раз. Живые организмы распространены в биосфере крайне неравномерно. Наибольшая их концентрация наблюдается на поверхности суши (включая почву и приземные слои атмосферы), поверхностные слои Мирового океана, а также его дно в мелководной зоне. Масса живого вещества по сравнению с массой их геосфер весьма незначительна (0,01% массы всей биосферы). Однако роль живого вещества в биосфере огромна.

В атмосфере большинство организмов не поднимается выше нескольких сотен метров. В литосфере бактерии обнаружены на глубине более 2000 м. Особенно богата жизнью почва. На суше биомасса в целом увеличивается от полюсов к экватору, в этом же направлении возрастает количество видов растений и животных.

Результаты деятельности живых организмов сказались на всех оболочках Земли. Живые организмы в значительной мере определяют современный солевой состав вод океана, разрушают, ви­доизменяют и создают горные породы, а также некоторые фор­мы рельефа (коралловые острова). Почти весь кислород атмосфе­ры имеет биогенное происхождение, благодаря организмам уравновешивается приход и расход углекислого газа.

Растения – это организмы, создающие в процессе фотосинтеза из неорганического вещества органическое, которое животные используют для питания. В настоящее время в биосфере по видовому составу преобладают животные (1,5 млн) над растениями (около 500 тыс.) видов. Однако биомасса растений в 1000 раз превышает биомассу животных.

Животные составляют лишь небольшую часть биосферы нашей планеты; их масса не превышает 2% всего живого. Однако роль их в биосфере и географической оболочке Земли чрезвычайно велика: питаясь растениями и друг другом, животные участвуют в биологическом круговороте веществ и превращении энергии – основном процессе биосферы. Велика роль животных в образовании почвы, их разностороннем влиянии на жизнь растений, в жизни человека.

Значительную роль играют организмы в образовании почв.

Почва – верхний тонкий слой земной коры, обладающий плодородием – способностью обеспечивать растения необходимыми им питательными веществами и влагой. Это сложный органоминеральный комплекс, образующийся в результате взаимодействия факторов почвообразования: материнских горных пород, рельефа, климата, вод, растений и животных. В зависимости от сочетания этих факторов формируются разные почвы.

Образование того или иного типа почв зависит от поступления в почву органического вещества (в основном остатков растений) и увлажнения. По механическому составу (соотношению различных по величине минеральных частиц) почвы подразделяются на песчаные, супесчаные, суглинистые и глинистые. Размещение почв на Земле зависит прежде всего от климата. На равнинах наблюдается смена почв от полюсов к экватору:

Вмешательство человека в естественные процессы биосферы приводит к разнообразным последствиям. Так, человек создает новые сорта растений и пород животных, ускоряет эволюцию видов в природе, обогащает природные сообщества путем акклиматизации живых организмов, повышает плодородие почвы. Идет интенсивное использование природных ресур­сов. В настоящее время темпы потребления биоресурсов превышают скорость их восстановления, что ведет к уничтожению естествен­ной растительности и животного мира, ухудшению условий обита­ния живых организмов, разрушению почвы и т.д.

В то же время хозяйственная деятельность человека влияет и на животных. Влияние может быть прямым и косвенным, положительным и отрицательным, вызывать увеличение численности одних, сокращение других, полное вымирание третьих видов. Отрицательное воздействие принимает настолько крупные и все возрастающие масштабы, что требует безотлагательных мер охраны животных. Все редкие и исчезающие виды животных и растений заносятся в Международную Красную книгу, изданную в 1976 г.

В современном мире особое внимание уделяется также снижению уровня загрязнения биосферы в соответствии с документами конференции ООН по устойчивому развитию, которая состоялась в Рио-де-Жанейро в 1992 году.В зависимости от назначения охраняемые территории делят на заповедники, заказники, природные (национальные) парки, памятники природы.

Заповедник – особо охраняемый законом природный участок, целиком исключенный из хозяйственной деятельности для охраны и изучения типичных или уникальных природных комплексов.

Биосферный заповедник – строго охраняемый значительный природный участок, практически не испытывающий антропогенных воздействий. Это территория, на которой производится постоянное слежение (мониторинг) за всеми изменениями биогенных составляющих природы заповедника.

Заказники – это территории, где запрещены отдельные виды и формы хозяйственной деятельности (распашка, рубка леса, сенокошение, охота, рыболовство, туризм и др.). В пределах заказников под охраной находится не весь природный комплекс, а лишь отдельные его компоненты (виды животных, растений).

Национальные парки – обширные территории, на которых сочетается охрана живописных ландшафтов с интенсивным использованием их в целях туризма.

Памятники природы – уникальные, редкие и выдающиеся объекты как живой, так и неживой природы, в том числе связанные с какими-либо историческими событиями или лицами.

К природоохранным мероприятиям относится также разра­ботка методов разведения редких и исчезающих видов животных и растений и их переселение на охраняемые территории, новые места обитания, а также в зоопарки и ботанические сады.

В целом, охрана растительного и животного мира – это комплекс международных, государственных, региональных административно-хозяй­ственных и общественных мероприятий, направленных на сохранение популяционно-видового состава и поддержание численности видов растений и животных на уровне, обеспечивающем их существование.

Охрана и рациональное использование растительного и животного мира в Российской Федерации определяется конституцией РФ, федеральными законами, постановлениями и другими законодательными актами, Экологической доктриной Российской Федерации.

Биосфера – оболочка Земли, в пределах которой существует жизнь. Биосфера включает нижнюю часть атмосферы, верхнюю часть литосферы и всю гидросферу. Термин «биосфера» был введён в биологии Ж.Б. Ламарком в начале XIX в., а в геологии предложен австрийским геологом Э.Зюссом в 1875 г., тогда как основы учения о биосфере, которые актуальны и в современной науке, были разработаны В.И.Вернадским.

Границы биосферы :

Верхняя граница в атмосфере: 15 – 20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое УФ-излучение, губительное для живых организмов;

Нижняя граница в литосфере: 3,5 – 7,5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами;

Нижняя граница в гидросфере: 10 – 11 км. Она определяется дном Мирового океана, включая донные отложения.

Биосфера состоит из живого, или биотического, и неживого, или абиотического, компонентов. Биотический компонент – это вся совокупность живых организмов (по Вернадскому – «живое вещество»). Абиотический компонент – сочетание энергии, воды, определенных химических элементов и других неорганических условий, в которых существуют живые организмы.

Основными факторами формирования биосферы являются живые организмы, вода, ветер. Обобщенными свойствами биосферы являются: присутствие живого вещества, наличие воды в жидком состоянии, аккумуляция энергии солнечных лучей.

Важной особенностью биосферы является то, что в ней осуществляется непрерывный круговорот вещества и энергии , в котором активнейшую роль играют организмы (продуценты, консументы, редуценты). Точное количество видов, обитающих в биосфере, не установлено. Согласно некоторым авторам их 10–15 млн. Точно установлено и описано примерно 2,5 млн. видов животных, 400 тыс. растений, 100 тыс. грибов.

В динамике биосферы различают малый (биологический) и большой (геологический) круговороты веществ. При этом круговорот вещества всегда сопряжен с круговоротом энергии.

Малый биологический круговорот происходит между организмами и почвой на суше. В гидросфере в малый круговорот веществ вовлекается значительная часть растворенных в воде солей и газов. Каждый биологический круговорот на суше и в океане не является уравновешенным и не представляет собой замкнутого круга. Это объясняется тем, что приход вещества в любом комплексе не равен его расходу, т.к. часть вещества выносится в другие природные комплексы, а другая часть вещества отлагается и консервируется в этом комплексе, выбывая из круговорота на длительное время.

Малые круговороты тесно связаны друг с другом и происходят на фоне большого геологического круговорота. В процессе большого круговорота происходит снос вещества с суши в океан речными потоками и воздушными массами, выход морских отложений на сушу в процессе повышения океанического дна и опускания участков суши.

Одной из особенностей биосферы является то, что только в ее пределах осуществляется процесс фотосинтеза . Это основной процесс, в результате которого синтезируются органические вещества – углеводы – из неорганических. Он осуществляется только на свету и зелеными растениями, содержащими хлорофилл.

Процесс фотосинтеза – цепь сложных реакций:

6СО 2 + 6Н 2 О + 674 000 кал = С 6 Н 12 О 6 + 6О 2

В процессе фотосинтеза растения поглощают солнечную энергию и на некоторое время удерживают ее в биосфере. Консументы преобразуют органические вещества, получаемые ими от зеленых растений, вместе с этими веществами поглощают и энергию. В процессе деятельности редуцентов при разложении и минерализации мертвой органической материи энергия освобождается. Таким образом живые организмы осуществляют круговорот вещества и энергии.

Работа живого вещества в биосфере достаточно многообразна. По Вернадскому, работа живого вещества в биосфере может проявляться в двух основных формах:

а) химической (биохимической) – I род геологической деятельности; б) механической – II род транспортной деятельности.

Биогенная миграция атомов I рода проявляется в постоянном обмене вещества между организмами и окружающей средой в процессе построения тела организмов, переваривания пищи. Биогенная миграция атомов II рода заключается в перемещении вещества организмами в ходе его жизнедеятельности (при строительстве нор, гнезд, при заглублении организмов в грунт), перемещении самого живого вещества, а также пропускание неорганических веществ через желудочный тракт грунтоедов, илоедов, фильтраторов.

Для понимания той работы, которую совершает живое вещество в биосфере очень важными являются три основных положения, которые В. И. Вернадский назвал биогеохимическими принципами:

1. Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению.
2. Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов.
3. Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с космической средой, его окружающей, и создается и поддерживается на нашей планете лучистой энергией Солнца.

Функции живого вещества:

1. Энергетическая функция

Поглощение солнечной энергии при фотосинтезе и химической энергии при разложении энергонасыщенных веществ, передача энергии по пищевым цепям.

В результате осуществляется связь биосферно-планетарных явлений с космическим излучением, преимущественно с солнечной радиацией. За счет накопленной солнечной энергии протекают все жизненные явления на Земле. Недаром Вернадский назвал зеленые хлорофилльные организмы главным механизмом биосферы.

Поглощенная энергия распределяется внутри экосистемы между живыми организмами в виде пищи. Частично энергия рассеивается в виде тепла, а частично накапливается в отмершем органическом веществе и переходит в ископаемое состояние. Так образовались залежи торфа, каменного угля, нефти и других горючих полезных ископаемых.

Кислород выделяется из пород литосферы в процессе происходящих в них геохимических процессов. Его содержится 2,8·1014 т. Последние 200 млн. лет, содержание кислорода в воздухе остается постоянным за счет фотосинтеза растений. Появление кислорода изменило многие свойства Земли. Озоновый слой стал задерживать ультрафиолетовые лучи, губительные для живых организмов. Усилились процессы выветривания пород, так как кислород – сильный окислитель. При отсутствии его в атмосфере состав литосферы на Земле был совершенно иным. Так, железистые кварциты КМА, а также железорудные месторождения Сибири образовывались в докембрийское время. Это закисные формы железа, которые формируются при малом количестве кислорода. В последующие геологические эпохи таких скоплений железных руд на Земле не было. В атмосфере появился кислород и стали образовываться окисные формы железа, которые более подвижны и крупных месторождений создавать не могут9.

Азот атмосферы усваивается растениями, а животные получают его из растительной пищи. Но главная роль в фиксации азота принадлежит почвенным бактериям. Его содержание в атмосфере составляет 3,8·1015 т. Возвращается в атмосферу азот благодаря деятельности других бактерий – денитрификаторов. Без них большая часть атмосферного азота оказалась бы в связанном состоянии в океане и в осадочных горных породах.

Углерод. За время существования на Земле фотосинтезирующих организмов их атмосферы в земную кору перешло большое количество углерода. В современной атмосфере его содержится 7·1011 т. Баланс углерода связан с деятельностью организма, поглощающих и выделяющих углекислый газ. Однако этот баланс местами нарушается хозяйственной деятельностью организма и выбросами в окружающую среду больших объемов углерода.

Таким образом, современная атмосфера – это продукт жизнедеятельности организмов, в том числе человека, определяющих, регулирующих и изменяющих ее состав.

2. Деструктивная функция

Эта функция состоит в разложении, минерализации мертвого органического вещества, химическом разложении горных пород, вовлечении образовавшихся минералов в биотический круговорот, т.е. обусловливает превращение живого вещества в косное. В результате образуются также биогенное и биокосное вещество биосферы.

Особо следует сказать о химическом разложении горных пород. «Мы не имеем на Земле более могучего дробителя материи,чем живое вещество», - писал Вернадский.

Пионеры жизни на скалах - бактерии, синезеленые водоросли, грибы и лишайники - оказывают на горные породы сильнейшее химическое воздействие растворами целого комплекса кислот - угольной, азотной, серной и разнообразных органических. Разлагая с их помощью те или иные минералы, организмы избирательно извлекают и включают в биотический круговорот важнейшие питательные элементы - кальций, калий, натрий, фосфор, кремний, микроэлементы.

3. Концентрационная функция

Так называется избирательное накопление в ходе жизнедеятельности определенных видов веществ для построения тела организма или удаляемых из него при метаболизме. В результате концентрационной функции живые организмы извлекают и накапливают биогенные элементы окружающей среды. В составе живого вещества преобладают атомы легких элементов: водорода, углерода, азота, кислорода, натрия, магния, кремния, серы, хлора, калия, кальция. Концентрация этих элементов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде. Этим объясняется неоднородность химического состава биосферы и ее существенное отличие от состава неживого вещества планеты. Наряду с концентрационной функцией живого организма вещества выделяется противоположная ей по результатам - рассеивающая. Она проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, гибели организмов при разного рода перемещениях в пространстве, смене покровов. Железо гемоглобина крови рассеивается, например, через кровососущих насекомых.

4. Средообразующая функция

Преобразование физико-химических параметров среды (литосферы, гидросферы, атмосферы) в результате процессов жизнедеятельности в условиях, благоприятных для существования организмов. Эта функция является совместным результатом рассмотренных выше функций живого вещества: энергетическая функция обеспечивает энергией все звенья биологического круговорота; деструктивная и концентрационная способствуют извлечению из природной среды и накоплению рассеянных, но жизненно важных для живых организмов элементов. Очень важно отметить, что в результате средообразующей функции в географической оболочке произошли следующие важнейшие события: был преобразован газовый состав первичной атмосферы, изменился химический состав вод первичного океана, образовалась толща осадочных пород в литосфере, на поверхности суши возник плодородный почвенный покров. «Организм имеет дело со средой, к которой не только он приспособлен, но котораяприспособлена к нему», - так характеризовал Вернадский средообразующую функцию живого вещества.

Рассмотренные четыре функции живого вещества являются главными, определяющими функциями. Можно выделить еще некоторые функции живого вещества, например10:

Газовая функция обусловливае т миграцию газов и их превращения, обеспечивает газовый состав биосферы. Преобладающая масса газов на Земле имеет биогенное происхождение. В процессе функционирования живого вещества создаются основные газы: азот, кислород, углекислый газ, сероводород, метан и др. Хорошо видно, что газовая функция является совокупностью двух основополагающих функций - деструктивной и средообразующей;

Окислительно- восстановительная функция закл ючается в химическом превращении главным образом тех веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисления (соединения железа, марганца, азота и др.). При этом на поверхности Земли преобладают биогенные процессы окисления и восстановления. Обычно окислительная функция живого вещества в биосфере проявляется в превращении бактериями и некоторыми грибами относительно бедных кислородом соединений в почве, коре выветривания и гидросфере в более богатые кислородом соединения. Восстановительная функция осуществляется при образовании сульфатов непосредственно или через биогенный сероводород, производимый различными бактериями. И здесь мы видим, что данная функция является одним из проявлений средообразующей функции живого вещества;

Транспортная функция - перенос вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении. Еще со времен Ньютона известно, что перемещение потоков вещества на нашей планете определяется силой земного тяготения. Неживое вещество само по себе перемещается по наклонной плоскости исключительно сверху вниз. Только в этом направлении движутся реки, ледники, лавины, осыпи.

— это комплексная оболочка земного шара, где соприкасаются и взаимно друг в друга проникают и взаимодействуют , и . оболочка в своих границах почти совпадает с биосферой.

Взаимное проникновение друг в друга слагающих географическую оболочку Земли газовой, водной, живой и оболочек и их взаимодействие определяет целостность географической оболочки. В ней происходит непрерывный круговорот и обмен веществ и энергии. Каждая оболочка Земли, развиваясь по собственным законам, испытывает на себе влияние других оболочек и в свою очередь оказывает на них свое воздействие.

Влияние биосферы на атмосферу связано с фотосинтезом, в результате которого происходит интенсивный газообмен между ними и регулирование газов в атмосфере. Растения поглощают из атмосферы углекислый и выделяют в нее кислород, необходимый для дыхания всем живым существам. Благодаря атмосфере поверхность Земли не перегревается днем солнечными лучами и не слишком остывает ночью, что создает условия для существования живых особей. Биосфера влияет и на гидросферу, так как организмы оказывают существенное влияние на . Они забирают из воды необходимые им вещества, особенно кальций, для построения скелетов, раковин, панцирей. Гидросфера для многих существ - среда существования, а вода крайне необходима для многих процессов жизнедеятельности растений и животных. Воздействие организмов на особенно заметно в верхней ее части. В ней накапливаются остатки погибших растений и животных, образуются органического происхождения. Организмы участвуют не только в образовании горных пород, но и в разрушении их - в : Они выделяют кислоты, воздействующие на горные породы, разрушают их корнями, проникающими в трещины. Плотные, твердые породы превращаются в рыхлые осадочные (гравий, галька).

Подготавливаются условия для образования . В литосфере появились горные породы, которые стали использоваться человеком. Знание закона целостности географической оболочки имеет большое практическое значение. Если хозяйственная деятельность человека не учитывает его, то она часто приводит к нежелательным последствиям.

Изменение одной из оболочек географической оболочки отражается и на всех других. Примером может служить эпоха великого оледенения в .

Увеличение поверхности суши привело к наступлению более холодного и , что повлекло за собой образование толщи снега и льда, покрывшего огромные площади на севере и , а это в свою очередь привело к изменению растительного и животного мира и к изменению почв.

Современная географическая оболочка - результат ее длительного развития, в процессе которого она непрерывно усложнялась. Ученые выделяют 3 этапа ее развития.

I этап продолжался 3 млрд. лет и назывался добиогенным. Во время его существовали только простейшие организмы. Они принимали слабое участие в ее развитии и формировании. Атмосфера в этот этап отличалась низким содержанием свободного кислорода и высоким - углекислого газа.

II этап продолжался около 570 млн. лет. Он характеризовался ведущей ролью живых существ в развитии и формировании географической оболочки. Живые существа оказывали огромное влияние на все ее компоненты. Происходило накопление горных пород органического происхождения, изменился состав воды и атмосферы, где повысилось содержание кислорода, так как происходил фотосинтез у зеленых растений, уменьшилось содержание углекислого газа. В конце этого этапа появился человек.

III этап - современный. Он начался 40 тыс. лет назад и характеризуется тем, что человек начинает активно влиять на разные части географической оболочки. Поэтому именно от человека зависит, будет ли она существовать вообще, так как человек на Земле не может жить и развиваться изолированно от нее.

Кроме целостности, к общим закономерностям географической оболочки относят ее ритмичность, то есть периодичность и повторяемость одних и тех же явлений, и .

Географическая зональность проявляется в определенной смене от полюсов . В основе зональности лежит различное поступление на земную поверхность тепла, света, а они уже отражаются на всех остальных компонентах, и прежде всего почвах, и животном мире.

Зональность бывает вертикальная и широтная.

Вертикальная зональность - закономерное изменение природных комплексов как в высоту, так и в глубину. Для гор основной причиной этой зональности служит изменение и количества влаги с высотой, а для глубин океана - тепла и солнечного света. Понятие «вертикальная зональность» значительно шире, чем « », которая справедлива лишь применительно к суше. В широтной зональности выделяют наиболее крупное подразделение географической оболочки - . Он характеризуется общностью температурных условий. Следующая ступень деления географической оболочки - географическая зона. Она выделяется в пределах географического пояса уже не только общностью температурных условий, но и увлажнением, что приводит к общности растительности, почв и животного мира. В пределах географических зон (или природных зон) выделяют переходные области. Они формируются вследствие постепенного изменения