Биосфера. Строение и состав. Природные зоны России. Приспособляемость животных и растений

_{Содержание}

 

 

Глава 1. Понятие, характеристика и состав биосферы 2

1.1. Условия и плотность жизни. Биомасса Земли. 7

1.2. Функции живого вещества 8

Глава 2. Биогенная миграция химических элементов и биогеохимические принципы 9

Глава 3. Круговорот веществ и энергии в биосфере 16

Глава 4. Географическая оболочка 19

4.1. Компоненты географической оболочки и их взаимодействие 19

4.2. Ритмичность явлений в географической оболочке 20

4.3. Зональность и секторность географической оболочки 21

Глава 5. Природные зоны России 23

Глава 6. Приспособления растений и животных к жизни в особых природных условиях 29

6.1. Тропики 29

6.2. Саванны 31

6.3. Полупустыни и пустыни 32

6.4. Степь 33

6.5. Тайга 34

6.6. Тундра 36

6.7. Антарктида 37

Литература 39

 

 

 

 

 

_{Глава 1. Понятие, характеристика и состав биосферы}

 

Учение о биосфере разработал русский академик В. И. Вернадский (1863–1945). Он впервые рассмотрел все живые  организмы Земли как единый фактор, вовлеченный в круговорот веществ в природе, аккумулирующий солнечную энергию и определяющий геологические процессы Земли.

Рис. 1.  Границы биосферы  

Граница биосферы в атмосфере   находится на высоте 15–20 км, совпадая с границей тропосферы. Озоновый экран защищает живые организмы от жесткого ультрафиолетового излучения. Ограничивающими факторами распространения жизни выше этого предела служат излучение, недостаток влаги, кислорода и низкое давление. Наиболее плотно населен нижний слой тропосферы до высоты 50 м.  

Граница жизни в гидросфере  проходит на глубине около 11 000 м (11 км), т. е. фактически вся водная оболочка пронизана жизнью. Ограничивающими факторами здесь служат отсутствие света и высокое давление. Организмы, населяющие гидросферу, можно разбить на три большие группы:

– самостоятельно перемещающиеся в средних и верхних слоях – нектон;

– микроскопические, переносимые течением в верхних слоях – планктон;

– придонные организмы называют бентосом.

В литосфере  жизнь сосредоточена в основном на глубине до 80 м. Но некоторые следы жизни обнаружены и глубже, около 100 м, в трещинах и пустотах земной коры. Нижняя граница биосферы обусловлена термодинамическими условиями (высокой температурой недр) и отсутствием жидкой воды. Наиболее плотно заселена организмами поверхностная часть земной коры, и особенно почвенный слой.

В буквальном переводе термин “биосфера” обозначает сферу жизни и в таком смысле он впервые был введен в науку в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831-1914). Однако задолго до этого под другими названиями, в частности "пространство жизни", "картина природы", "живая оболочка Земли" и т.п., его содержание рассматривалось многими другими естествоиспытателями.

Первоначально под всеми этими терминами подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом скорее обращалось внимание на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической природы. Даже автор самого термина "биосфера" Э. Зюсс в своей книге "Лик Земли", опубликованной спустя почти тридцать лет после введения термина (1909 г.), не замечал обратного воздействия биосферы и определял ее как "совокупность организмов, ограниченную в пространстве и во времени и обитавшую на поверхности Земли".

Первым из биологов, который ясно указал на огромную роль живых организмов в образовании земной коры, был Ж.Б. Ламарк (1744-1829). Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.

Факты и положения о биосфере накапливались постепенно в связи с развитием ботаники, почвоведения, географии растений и других преимущественно биологических наук, а также геологических дисциплин. Те элементы знания, которые стали необходимыми для понимания биосферы в целом, оказались связанными с возникновением экологии, науки, которая изучает взаимоотношения организмов и окружающей среды. Биосфера является определенной природной системой, а ее существование в первую очередь выражается в круговороте энергии и веществ при участии живых организмов.

Очень важным для понимания биосферы было установление немецким физиологом Пфефером (1845-1920) трех способов питания живых организмов:

1. автотрофное – построение организма за счет использования веществ неорганической природы;
2. гетеротрофное – строение организма за счет использования низкомолекулярных органических соединений;
3. микотрофное – смешанный тип построения организма (автотрофно- гетеротрофный).

Биосфера (в современном понимании) – своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.

Атмосфера – наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с космическим пространством; через атмосферу осуществляется обмен вещества и энергии с космосом.

Атмосфера имеет несколько  слоев:

1. тропосфера – нижний слой, примыкающий к поверхности Земли (высота 9–17 км). В нем сосредоточено около 80% газового состава атмосферы и весь водяной пар;
2. стратосфера;
3. ноосфера – там “живое вещество” отсутствует.

Преобладающие элементы химического  состава атмосферы: N2 (78%), O2 (21%),CO2 (0,03%).

Гидросфера – водная оболочка Земли. Вследствие высокой подвижности вода проникает повсеместно в различные природные образования, даже наиболее чистые атмосферные воды содержат от 10 до 50 мг/л растворимых веществ.

Преобладающие элементы химического состава гидросферы: Na+, Mg2+, Ca2+, Cl–, S, C. Концентрация того или иного элемента в воде еще ничего не говорит о том, насколько он важен для растительных и животных организмов, обитающих в ней. В этом отношении ведущая роль принадлежит N, P, Si, которые усваиваются живыми организмами. Главной особенностью океанической воды является то, что основные ионы характеризуются постоянным соотношением во всем объеме мирового океана.

Литосфера – внешняя твердая оболочка Земли, состоящая из осадочных и магматических пород. В настоящее время земной корой принято считать верхний слой твердого тела планеты, расположенный выше сейсмической границы Мохоровичича. Поверхностный слой литосферы, в котором осуществляется взаимодействие живой материи с минеральной (неорганической), представляет собой почву. Остатки организмов после разложения переходят в гумус (плодородную часть почвы). Составными частями почвы служат минералы, органические вещества, живые организмы, вода, газы. Преобладающие элементы химического состава литосферы: O, Si, Al, Fe, Ca,Mg, Na, K.

Ведущую роль выполняет кислород, на долю которого приходится половина массы земной коры и 92% ее объема, однако кислород прочно связан с другими элементами в главных породообразующих минералах. Т.о. в количественном отношении земная кора – это “царство” кислорода, химически связанного в ходе геологического развития земной коры.

Постепенно идея о тесной взаимосвязи между живой и неживой природой, об обратном воздействии живых организмов и их систем на окружающие их физические, химические и геологические факторы все настойчивее проникала в сознание ученых и находила реализацию в их конкретных исследованиях. Этому способствовали и перемены, произошедшие в общем подходе естествоиспытателей к изучению природы. Они все больше убеждались в том, что обособленное исследование явлений и процессов природы с позиций отдельных научных дисциплин оказывается неадекватным. Поэтому на рубеже ХIХ–ХХ вв. в науку все шире проникают идеи холистического, или целостного, подхода к изучению природы, которые в наше время сформировались в системный метод ее изучения.

Результаты такого подхода  незамедлительно сказались при исследовании общих проблем воздействия биотических, или живых, факторов на абиотические, или физические, условия. Так, оказалось, например, что состав морской воды во многом определяется активностью морских организмов. Растения, живущие на песчаной почве, значительно изменяют ее структуру. Живые организмы контролируют даже состав нашей атмосферы. Число подобных примеров легко увеличить, и все они свидетельствуют о наличии обратной связи между живой и неживой природой, в результате которой живое вещество в значительной мере меняет лик нашей Земли. Таким образом, биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы, от которой она, с одной стороны зависит, а с другой – сама воздействует на нее. Поэтому перед естествоиспытателями возникает задача – конкретно исследовать, каким образом и в какой мере живое вещество влияет на физико-химические и геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в земной коре. Только подобный подход может дать ясное и глубокое представление о концепции биосферы. Такую задачу как раз и поставил перед собой выдающийся российский ученый Владимир Иванович Вернадский (1863 – 1945).

1. _{Условия и плотность жизни. Биомасса Земли.}  

Необходимым условием для  существования живых организмов является наличие воды, воздуха, света  и тепла. Температурный фактор, степень  влажности и освещенность определяют и распространение жизни на планете. Хотя живые организмы обитают  на Земле повсеместно, однако разнообразие и плотность заселения в значительной степени определяются условиями. В суровой Антарктиде и в пустыне Сахаре ее проявления ограничены из-за температурного и водного факторов, ноив этих условиях существует живое. Живые организмы очень выносливы. Некоторые из них обитают даже в термальных источниках, температура которых достигает 100 °C и выше.

Жизнь на нашей планете  многоярусна – в атмосфере, на земле и в воде.

Вся совокупность живых организмов планеты – живое вещество, обладающее способностью расти, размножаться и  расселяться по планете, составляет биомассу Земли.

Вес биомассы составляет 2423 109 т сухой массы, из которой 97 % составляют растения, а 3 % – животные и микроорганизмы. Плотность жизни неодинакова в различных средах и на поверхности Земли. Хотя 71 % всей поверхности земного шара покрыт водой, основная биомасса сосредоточена на суше – 99,8 %.  

Биомасса поверхности  суши  – это все живые организмы, обитающие в наземно-воздушной среде на поверхности Земли. Причем на долю растительных организмов приходится 99 %, а животные и микроорганизмы составляют лишь около 1 %. Плотность жизни на континентах зональна, хотя и с многочисленными аномалиями, связанными с местными природными условиями (так, в пустынях или в высокогорьях она значительно меньше, а в местах с благоприятными условиями – больше, чем зональная). Самая высокая она на экваторе, а по мере приближения к полюсам уменьшается, что связано с низкими температурами. Наибольшая плотность и многообразие жизни отмечены во влажных тропических лесах.  

Биомасса почвы  – это совокупность живых организмов, обитающих в почве. Они играют важную роль в почвообразовании. В почве живет огромное количество бактерий (до 500 т на 1 га), в ее поверхностных слоях распространены зеленые водоросли и цианобактерии (иногда их называют синезелеными водорослями). Толща почвы пронизана корнями растений, грибами. Она является средой обитания для многих животных: инфузорий, насекомых, млекопитающих и др.  

Биомасса Мирового океана  – это совокупность живых организмов гидросферы. Как уже упоминалось, ее биомасса значительно меньше биомассы суши, причем отношение растительных и животных организмов здесь прямо противоположное. В Мировом океане на долю растений приходится лишь 6,3 %, а животные составляют 93,7 %. Это связано с тем, что использование солнечной энергии в воде составляет всего 0,04 %, тогда как на суше – до 1 %.

2. _{Функции живого вещества}  

Живое вещество в биосфере выполняет некоторые специфические  функции, в том числе газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную.  

Газовая функция  заключается в постоянном газообмене организмов с окружающей средой в процессе дыхания и фотосинтеза.  

Концентрационная  функция  проявляется в биогенной миграции атомов, которые сначала концентрируются в живых организмах в процессе синтеза органических веществ, а затем после их отмирания и минерализации переходят вновь в неживую природу. Следствием этой функции живых организмов является появление значительных количеств химических соединений в определенных местах земной коры (накопление полезных ископаемых), например известняка, торфа, каменного угля.

Окислительно-восстановительная  функция  лежит в основе обмена веществ и энергии организма с внешней средой. Она выражается в химических превращениях веществ в процессе жизнедеятельности организмов. Образование веществ в живых организмах есть результат окислительно-восстановительных реакций. В процессе синтеза органических веществ преобладают восстановительные реакции и происходят затраты энергии. А в процессе расщепления и окисления в присутствии кислорода преобладают окислительные реакции и выделяется энергия. Жизнь – это непрекращающийся процесс синтеза и распада органических веществ, который объединяет все живые организмы на Земле.

_{Глава 2. Биогенная миграция химических элементов и биогеохимические принципы}

По Вернадскому, работа живого вещества в биосфере может проявляться в двух основных формах:

1. химической (биохимической) – I род геологической деятельности;
2. механической – II род такой деятельности.

Геологическая деятельность I рода – построение тела организмов и переваривание пищи, – конечно, является более значительной. Классическим стало функциональное определение жизни, данное Фридрихом Энгельсом: “жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, при чем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь” [5].

Сейчас появилась возможность  вычислить скорость этого обмена. Так, поданным Л.Н. Тюрюканова, в пшенице, например, полная смена атомов происходит для фосфора за 15 суток, а для кальция – в 10 раз быстрее: за 1,5 суток! Собственно говоря, постоянный обмен веществ между живым организмом и внешней средой и обусловливает проявление большинства функций живого вещества в биосфере, которые мы рассмотрим и этой части книги. По под счетам биолога П.Б. Гофмана-Кадошникова, в течение жизни человека через его тело проходит 75 т воды, 17 т углеродов, 2,5 т белков, 1,3 т жиров. Между тем по геохимическому эффекту своей физиологической деятельности человек отнюдь не самый важный вид разнородного живого вещества биосферы. Геохимический эффект физиологической деятельности организмов обратно пропорционален их размерам, и наиболее значимой оказывается деятельность прокариотов – бактерий и цианобактерий.