МОДУЛЬ 3.

Выпускной письменный тест (реферат) по окончании курса Оценка усвоения модулей (по вопросникам, упражнениям, заданиям и т.д.) Рекомендуемые процедуры оценки Биосфера – глобальная экосистема Земли Классификация природных экосистем биосферы Эволюция биосферы Темы модуля Иметь представления о биосфере как глобальной экосистеме Осознать роль биосферы в жизни человека и общества Цели модуля

Биосфера – это среда нашей жизни, это та природа, которая нас окружает, о которой мы говорим в разговорном языке. Человек – прежде всего – своим дыханием, проявлением своих функций, неразрывно связан с этой «природой», хотя бы он жил в городе или уединенном домике. В.И. Вернадский

Биосфера (греч. bios – жизнь, sphaira – шар, сфера) – сложная наружная оболочка Земли, населенная организмами, составляющими в совокупности живое вещество планеты Это одна из важнейших геосфер Земли, являющаяся основным компонентом природной среды, окружающей человека

Наша планета имеет неоднородное строение и состоит из концентрических оболочек (геосфер ) Внутренние: ядро, мантия Внешние: литосфера (земная кора), гидросфера, атмосфера и сложная оболочка земли – биосфера

I. Литосфера (греч. литос – камень) – каменная оболочка земли, включающая земную кору мощностью (толщиной) от 6 км (под океаном) до 80 км (горные породы) Земная кора сложена горными породами: - 70% приходится на базальты, граниты; - 17% - преобразованные давлением и высокой температурой породы; - 12% - осадочные породы Земная кора сложена горными породами: - 70% приходится на базальты, граниты; - 17% - преобразованные давлением и высокой температурой породы; - 12% - осадочные породы Земная кора – важнейший ресурс для человечества. Она содержит горючие полезные ископаемые (уголь, нефть, горные сланцы), рудные (железо, алюминий, медь, олово), нерудные (фосфориты, апатиты), естественные строительные материалы (известняки, пески, гравий)

II. Гидросфера (от греч. «гидор» - вода) – водная оболочка Земли Поверхностная гидросфера – водная оболочка поверхностной части Земли В ее состав входят воды океанов, морей, озер, рек, водохранилищ, болот, ледников, снежных покровов. Эти воды постоянно или временно располагаются на земной поверхности Подземная гидросфера – включает воды, находящиеся в верхней части земной коры (их называют подземными) Сверху подземная гидросфера ограничена поверхностью земли, нижнюю ее границу проследить невозможно, так как гидросфера очень глубоко проникает в толщу земной коры

III. Атмосфера (греч. «атмос» - пар) – газовая оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли Важную для человека часть атмосферы составляет озоносфера, содержащая очень тонкий (всего несколько см) слой озона. Она сосредотачивается на высоте км. Озоносфера поглощает опасное для всего живого жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца, благодаря чему на Земле сформировалась и существует жизнь

50 км 20 км 95 км Ионосфера Стратосфера Тропосфера Поверхность Земли

Состав и границы биосферы Биосфера Абиотическая часть представлена почвой и подстилающими ее породами до глубины, где в них есть живые организмы атмосферным воздухом до высот, на которых возможны еще проявления жизни водной средой океанов, рек, озер Биотическая часть состоит из живых организмов, осуществляющих важнейшую функцию биосферы, без которой не может существовать сама жизнь: биогенный ток атомов

Солнечная радиация А В Т О Т Р О Ф Ы (зеленые растения) А В Т О Т Р О Ф Ы (зеленые растения) Почвы Атмосфера Литосфера Гидросфера ГЕТЕРОТРОФЫ (животные и микроорганизмы) Взаимосвязи живых организмов с компонентами биосферы

В основе биогенной миграции атомов в биосфере лежат два биохимических принципа: стремиться к максимальному проявлению, к «всюдности жизни» обеспечить выживание организмов, что увеличивает саму биогенную миграцию (перемещение)

Круговорот веществ в природе большой (геологический) малый (биогеохимический)

Магматические породы Магма Метаморфические породы Осадочные породы Солнечная энергия Энергия радиоактивного распада Выветривание, перенос, отложение, окаменение МетаморфизмПереправление Кристаллизация Большой (геологический) круговорот веществ

Малый (биогеохимический) круговорот вещества Ископаемое топливо Торф Уголь Нефть Разложение Мертвые остатки Морские водоросли Гибель фотосинтез планктон фотосинтез дыхание СО 2 в атмосфере

Суть цикла в следующем: Химические элементы, поглощенные, организмом, впоследствии его покидают, уходя в абиотическую среду, затем, через какое-то время, снова попадают в живой организм и т.д. Такие элементы называются биофильными. Этими циклами и круговоротом в целом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества в биосфере.

первая функция газовая основные газы атмосферы Земли, азот и кислород, биогенного происхождения, как и все подземные газы продукт разложения отмершей органики вторая функция концентрационная организмы накапливают в своих телах многие химические элементы, среди которых на первое месте стоит углерод, среди металлов первый кальций, концентраторами кремния являются диатомовые водоросли, йода водоросли ламинария, фосфора скелеты позвоночных животных В.И. Вернадский выделяет пять функций живого вещества:

третья функция окислительно-восстановительная организмы, обитающие в водоемах, регулируют кислородный режим и создают условия для растворения или же осаждения ряда металлов (V, Mn, Fe) и неметаллов (S) с переменной валентностью четвертая функция биохимическая размножение, рост и перемещение в пространстве («расползание») живого вещества пятая функция биогеохимическая деятельность человека – охватывает все разрастающееся количество вещества земной коры, в том числе таких концентраторов углерода, как уголь, нефть, газ и др.

Природные экосистемы Земли как хорологические единицы Биосферы Хорология – наука об областях распространения (ареалах) отдельных видов, растений, животных Классификация природных систем биосферы базируется на ландшафтном подходе, так как экосистемы – неотъемлемая часть природных географических ландшафтов, образующих географическую (ландшафтную) оболочку Земли Биогеоценозы (экосистемы) образуют на поверхности Земли так называемую биогеосферу, являющуюся основой биосферы, которую В.И. Вернадский называл «пленкой жизни», а академик В.Н. Сукачев – «биоценотическим покровом»

«Биогеоценотический покров» В.Н. Сукачева – это не что иное, как ряд природных экосистем, представляющих собой пространственные (хорологические) единицы (части, элементы) биосферы Эти единицы, как правило, совпадают своими границами с ландшафтными элементами географической оболочки Земли Ландшафт – природный географический комплекс, в котором все основные компоненты (верхние горизонты литосферы, рельеф, климат, воды, почвы, биота) находятся в сложном взаимодействии, образуя однородную по условиям развития единую систему Ландшафтный подход в экологии имеет прежде всего большое значение для целей природопользования

По происхождению выделяют два основных типа ландшафтов Природный ландшафт Антропогенный ландшафт

Природный ландшафт формируется исключительно под влиянием природных факторов и не преобразован хозяйственной деятельностью человека геохимический ландшафт – участок, выделенный на основе состава и количества химических элементов элементарный ландшафт – находится на одном элементе рельефа (например, одинаковое залегание грунтовых вод, одинаковый тип почв) охраняемый ландшафт – запрещены все или отдельные виды хозяйственной деятельности

Антропогенный ландшафт – это бывший природный ландшафт, преобразованный хозяйственной деятельностью человека настолько, что изменена связь его природных компонентов агрокультурный (сельское хозяйство) техногенный (индустриальный) городской (урбанистический)

агрокультурный (сельское хозяйство)

техногенный (индустриальный)

городской (урбанистический)

Главный источник энергии для ландшафтной оболочки, как и для биосферы – солнечная радиация Для биосферы солнечная энергия – это прежде всего «двигатель» биогеохимических циклов биофильных элементов и главный компонент фотосинтеза – источника первичной продукции Солнечная энергия

Продуктивность различных типов экосистем далеко не одинакова и занимают они разные по величине территории на планете Различия в продуктивности связаны с климатической зональностью, характером среды обитания (суша, вода), с влиянием экологических факторов, классифицированных на принципах «биомного подхода» По Ю. Одуму, биом – крупная региональная или субконтинентальная экосистема, характеризующаяся каким-либо основным типом растительности или другой характерной особенностью ландшафта

Ю. Одум предложил следующую классификацию природных экосистем биосферы I. Наземные биомы II. Типы пресноводных экосистем III. Типы морских систем

I. Наземные биомы Тундра: арктическая и альпийская Бореальные (северные) хвойные леса Листопадный лес умеренной зоны Степь умеренной зоны Тропические степи и саванны Чапараль – районы с дождливой зимой и засушливым летом Пустыня: травянистая и кустарниковая Полувечнозеленый тропический лес Вечнозеленый тропический дождевой лес

Схема, показывающая соответствие между последовательными вертикальными и горизонтальными растительными зонами: 1 – тропическая зона – зона тропических лесов 2 – умеренная зона – зона лиственных и хвойных лесов 3 – альпийская зона – зона травянистой растительности, мхов, лишайников 4 – полярная зона – зона снегов и льдов

II. Типы пресноводных экосистем Лентические (лат. – спокойный): озера, пруды Лотические (лат. – омывающие): реки, ручьи, родники Заболоченные угодья: болота и болотистые леса

Водные организмы можно классифицировать и по местам обитания в водоемах: Бентос – организмы, прикрепленные ко дну, живущие в илистых осадках Перифитон – животные и растения, приспособленные к листьям и стеблям водных растений или другим выступам над дном водоема Нектон – свободно перемещающиеся в воде организмы – рыбы, амфибии Планктон – организмы, плавающие, зоопланктон даже активно может перемещаться сам, но в целом, они перемещаются с помощью течения

Особое значение имеет распределение организмов по трем зонам водоема Литоральная зона - толща воды, где солнечный свет доходит до дна Лимническая зона - толща воды до глубины, куда проникает всего 1% солнечного света и где затухает фотосинтез Компенсационный слой Профундальная зона - дно и толща воды, куда не проникает солнечный свет

Растения, укрепленные в дне, образуют три концентрические зоны: зона надводной вегетации (камыши, рогозы), находящиеся над водой, а биогенные элементы извлекаются из донных осадков зона укрепленных в зоне растений с плавающими по воде листьями (кувшинки) – у них та же роль, что и у растений первой зоны, но они могут затенять нижние толщи воды зона подводной вегетации – укорененные и прикрепленные растения, полностью находящиеся под водой и осуществляющие фотосинтез и минеральный обмен в водной среде (прикрепленные водоросли)

III. Типы морских систем Открытый океан (пелагическая) Воды континентального шельфа (прибрежные воды) Районы апвелинга (плодородные районы с продуктивным рыболовством) Эстуарии (прибрежные бухты, проливы, устья рек)

Главным фактором, который дифференцирует морскую биоту, является глубина моря (горизонтальная и вертикальная зональность в океане) Материковое подножие Абиссальная равнина Материковый шельф Материковый склон Батиаль Срединно- океанический хребет Рвы, каньоны и хребты Афотическая зона Эвфотическая зона Океаническая Неритическая Литоральная

Резюме Океан – является колыбелью жизни на планете и еще много загадок хранят его водные толщи и океаническое ложе. Появление жизни в океане более 3 млрд. лет тому назад положило начало формированию биосферы. И сейчас, занимая более 70% поверхности Земли, океан во многом определяет, в сочетании с материковыми экосистемами целостность современной биосферы Земли.

Целостность биосферы как глобальной экосистемы Закон целостности биосферы: биогенный ток атомов между компонентами биосферы связывает их в единую материальную систему, в которой изменение даже одного звена влечет за собой сопряженное изменение всех остальных. Следовательно, целостность биосферы обусловлена непрерывным обменом вещества и энергии между ее составными частями

Учение В.И. Вернадского о биосфере и ноосфере. Основные направления эволюции биосферы Биосфера – это особая оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами Эти представления базируются на учение В.И. Вернадского ( ) о биосфере, являющимся крупнейшим из обобщений в области естествознания в ХХ веке

По представлению В.И. Вернадского биосфера включает живое вещество (то есть все живые организмы) биогенное (уголь, известняки, нефть) косное (в его образовании живое не участвует, например, магматические горные породы) биокосное (создается с помощью живых организмов) радиоактивное вещество, вещество космического происхождения (метеориты) и рассеянные атомы

Важнейшей частью учения о биосфере является представление о ее возникновении и развитии. Современная биосфера возникла не сразу, а в результате длительной эволюции в процессе постоянного взаимодействия абиотических и биотических факторов Первые формы жизни, по-видимому, были представлены анаэробными бактериями. Однако созидательная и преобразующая роль живого вещества стала осуществляться лишь с появлением в биосфере фотосинтезирующих автотрофов – цианобактерий и сине-зеленых водорослей (прокариотов), затем и настоящих водорослей и наземных растений (эукариотов), что имело решающее значение для формирования современно биосферы. Деятельность этих организмов привела к накоплению в биосфере свободного О 2, что рассматривается как один из важнейших этапов эволюции.. Параллельно развивались и гетеротрофы, и прежде всего – животные. Главными датами их развития является выход их на сушу и заселение материков (к началу третичного периода) и, наконец, появление человека.

Основные идеи В.И. Вернадского об эволюции биосферы могут быть сформулированы следующим образом 1.В начале сформировалась литосфера – предвестник окружающей среды, а затем после появления жизни на суше – биосфера. 2.В течение всей геологической истории Земли никогда не наблюдались азойные геологические эпохи (то есть лишенные жизни). Следовательно, современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых геологических эпох. 3.Живые организмы – главный фактор миграции химических элементов в земной коре «по крайней мере, 90% по весу массы ее вещества в своих существенных чертах обусловлено жизнью» (В.И. Вернадский, 1934г.). 4.Грандиозный геологический эффект деятельности организмов обусловлен тем, что их количество бесконечно велико и действуют они практически в течение бесконечно большого промежутка времени. 5.Основным движущим фактором развития процессов в биосфере является биохимическая энергия живого вещества.

Эволюция биосферы и ее основных составляющих Геологическая эпоха БиосфераЛитосфераГидросфераАтмосфера Ранний архей Формирование солнечной системы Наиболее древние породы Конденсация океана Свободный кислород отсутствует ДокембрийПервые бактерии Первые организмы способные к фотосинтезу Быстрый рост фитопланктона Вулканизм Докембрийское оледенение Появление кислорода из оксидов железа Содержание кислорода составляет 1% современного значения. Образование озонового слоя Палеозойская эра Появление многоклеточных. Появление сосудистых растений и насекомых Оледенение Сахары. Образование каменноугольных отложений Увеличение объема океана Содержание кислорода составляет 3-10% современного Мезозойская эра Появление млекопитающих Появление покрытосеменных растений Вулканизм Отложения мела и гипса в осадочных породах Содержание кислорода увеличивается Кайнозойская эра Эоцен Олигоцен Миоцен Плиоцен Четвертичный период Появлении злаковых Увеличение видового разнообразия Первый примат по линии антропоидов Первый из известных человекообразных Оледенение Образование бурого угля Вулканизм Уровень моря на 120 м ниже современного Процентное содержание кислорода близко к современному Содержание кислорода соответствует современному

Резюме В целом учение о биосфере заложило основы современных представлений о взаимосвязи и взаимодействии живой и неживой природы. В наши дни оно служит естественнонаучной основой рационального природопользования и охраны окружающей природной среды

Биоразнообразие биосферы как результат ее эволюции В относительно короткие промежутки развития экосистем (сукцессий), так и в долговременной эволюции таких экосистем, как биосфера, на протекающие в них процессы оказывают влияние: аллогенные (внешние) факторы – геологические и климатические автогенные (внутренние) процессы, обусловленные только живым компонентом

Ю. Одум (1975 г.) считал, что «с экологической точки зрения эволюция биосферы, можно сравнить с гетеротрофной сукцессией, за которой последовал автотрофный режим» Биоразнообразие экосферы продолжает совершенствоваться за счет большого резерва в эволюции сообществ. На этом уровне ведущая роль принадлежит сопряженной эволюции и групповому отбору Сопряженная эволюция или коэволюция отличается тем, что при ней обмен генетической информацией минимален. На уровне сообществ можно рассматривать селективные воздействия между группами организмов, находящихся в экологическом взаимодействии: растения и растительноядные животные, крупные организмы и мелкие симбионты, паразит-хозяин, хищник-жертва и т.д. Особенно интересна сопряженность эволюции растений и насекомых фитофагов. Коэволюция растений и насекомых приводит к тому, что растения синтезируют побочные вещества, совершенно ненужные для их роста и развития, но необходимые для защиты от насекомых – фитофагов

Групповой отбор – это естественный отбор организмов. Он увеличивает разнообразие и устойчивость сообществ. Сопряженная эволюция и групповой отбор повышают биоразнообразие экосистем, устанавливают определенные взаимоотношения между ними как между наземными, так и водными, и даже между обоими типами Все это в целом ведет к повышению устойчивости биосферы как глобальной экосистемы

О регулирующем воздействии биоты на окружающую среду Эволюция биосферы убедительно свидетельствует, что при любом воздействии на биосферу – природном или антропогенном – ее гомеостаз обеспечивается за счет сохранения биологического разнообразия. Очевидно, что экологические условия есть продукт взаимодействия биоты и окружающей среды, и лишь правильная оценка этого взаимодействия позволяет разрабатывать методологические подходы к сохранению или даже улучшению экологической обстановки на всех экосистемных уровнях, вплоть до глобального.

В настоящее время в экологической науке известны две основные концепции взаимодействия биоты и окружающей ее среды Согласно первой концепции – традиционной – окружающая среда пригодна для жизни в силу уникальных условий на поверхности Земли, а естественная биота приспосабливается к любой окружающей ее среде благодаря главному свойству жизни – способности к эволюции и непрерывной адаптации к меняющимся условиям среды Во второй концепции основная роль отводится биотической регуляции окружающей среды. Биота Земли рассматривается как единственный механизм поддержания пригодных для жизни условий окружающей среды в локальных и глобальных масштабах

Существование биотической регуляции окружающей среды доказывается рядом фактором, важнейшими из которых являются следующие: Выбросы неорганического углерода из земных недр в атмосферу с огромной точностью соответствуют содержанию органического углерода в осадочных породах, что обеспечивает практически постоянное содержание неорганического углерода в атмосфере в течение сотен миллионов лет Концентрация биогенных элементов (С,N, P, O 2 ) в океане сформированы и поддерживаются биотой, о чем свидетельствует отношение С/N/ P/ O 2, совпадающее с таковым при синтезе органического вещества Круговорот воды на суше также определяется биотой, так как 2/3 осадков связано с испарением воды на суше, в котором доминирующая роль принадлежит биоте Незатронутая деятельностью человека биота океана поглощает избыток СО2, выбрасываемого в атмосферу человеком, то есть действует в соответствии с отрицательными обратными связями, в то время как измененная человеком биота суши утратила эту опасность Биотой океана поддерживается концентрация СО2 в океане в три раза меньше, чем если бы ее воздействие отсутствовало, так как потеря неорганического углерода океаном в атмосферу компенсируется поступлением в океан органического углерода

Резюме Биотическая регуляция окружающей среды – это механизм управления окружающей средой, основанный на отобранных в процессе эволюции видах, содержащих необходимую для управления средой информацию. Главной экологической задачей человечества должно считаться сохранение естественной биоты на Земле, которое должно сопровождаться полным прекращением дальнейшего освоения естественной биоты океана и ее восстановлением на значительной освоенной части суши. Человек, став мощным геологическим фактором, оказывает глобальное воздействие на биосферу. Она, со своей стороны, через свои экологические законы, которые он вынужден соблюдать, чтобы выжить, в том числе и закон и биотической регуляции окружающей среды, воздействует на человека.

Ноосфера как новая стадия эволюции биосферы Ноосфера (сфера разума) – высшая стадия развития биосферы. Это «сфера взаимодействия природы и общества, в пределах которой разумная человеческая деятельность становится главным, определяющим фактором развития»

Условия, необходимые для становления и существования ноосферы: Заселение человеком всей планеты Резкое преобразование средств связи и обмена между странами Усиление связей, в том числе политических между всеми государствами Земли Преобладание геологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в биосфере Расширение границ биосферы и выход в Космос Открытие новых источников энергии Равенство людей всех рас и религий Увеличение роли народных масс в решении вопросов внешней и внутренней политики Свобода научной мысли Подъем благосостояния трудящихся Разумное преобразование первичной природы Исключение войн из жизни общества

Ноосфера и развитие общества Анализируя возможности все возрастающей мощи цивилизации, В.И. Вернадский пришел к выводу о том, что человечеству как части живого вещества придется взять на себя ответственность за будущее развитие биосферы и общества. Такое взаимоотношение человека и биосферы называется коэволюцией Таким образом, учение В.И. Вернадского явилось тем завершающим звеном, которое: объединило эволюцию живого вещества с миром неживой природы перекинуло мост к современным проблемам развития общества подвело нас к новому видению процессов, происходящих в обществе

Рассматривая такое развитие биосферы в ноосферу можно заключить, что ноосфера – это новое состояние совокупности трех систем: человек – производство – природа, взаимосвязанных систем при активной роли системы человек

Вопросы для обсуждения 1.Почему пресноводные экосистемы имеют непреходящее значение для человека? 2.Законы экологии. 3.Что такое биосфера и чем она отличается от других оболочек Земли? 4.Закон целостности биосферы. 5.Понятие ноосфера.

Творческие задания 1. Решение проблемных задач. 2. Составление ассоциативно-логических цепочек основных терминов. 3. Проверочный тест по модулю. Темы для творческой работы 1. Основные этапы эволюции биосферы. 2. Глобальные функции живого вещества. 3. В.И.Вернадский – создатель учения о биосфере и ноосфере. 4. Круговорот важнейших биогенных элементов.

Литература 1.Вернадский В.И. Биосфера. – М., Одум Ю. Экология. – М., Данилов – Данильян В.И., Лосев К.С. Экологический вызов и устойчивое развитие: Учебное пособие. – М.: Прогресс – Традиция, Коробкин В.и., Передельский Л.В. Экология в вопросах и ответах: Учебное пособие. – Ростов н/Д: Феникс, Розанов Б.Г. Основы учения об окружающей среде. – М.: Изд-во МГУ, 1984.