Зміст
1. Склад речовини біосфери .. 3
2. Особливості основних біосферних циклів. 7
3. Біосферний цикл вуглецю. 8
4. Біосферний цикл азоту. 8
5. Біосферний цикл фосфору. 9
6. Біохімічні функції живої речовини. 11
7. Біогенна міграція атомів і біогеохімічні принципи .. 12
8. В.І. Вернадський про перехід біосфери в ноосферу. 15
Список літератури .. 19
Поділ біогеохімічних циклів на кругообіги газоподібних речовин і осадові цикли заснований на тому, що деякі кругообіги, наприклад ті, в яких беруть участь вуглець, азот і кисень, завдяки наявності великих атмосферних або океанічних (або ж і тих і інших) фондів досить швидко компенсують різноманітні порушення . Наприклад, надлишок СО 2, що накопичився в якому-небудь місці в зв'язку з посиленим окисленням або горінням, зазвичай швидко розсіюється атмосферними потоками. Крім того, посилене утворення вуглекислоти компенсується її споживанням рослинами і перетворенням у карбонати - у морях. Тому, цикли газоподібних речовин із їх величезними атмосферними фондами можна вважати в глобальному масштабі добре «забуференной», так як їх здатність повертатися до вихідного стану велика.
Самоконтроль циклів із резервним фондом у літосфері утруднений - вони легко порушуються в результаті місцевих флуктуацій, що пов'язано з малою рухливістю резервного фонду. Явище «забуференной» в цьому випадку не виражене.
Біосфера не тільки сфера життя. Це видно зі складу речовини біосфери, що складається з глибоко різнорідних геологічно не випадкових частин. Воно представлене сукупністю живих організмів, живої речовини, розсіяного в міріадах особин, безперервно вмираючих і народжуваних, що володіють колосальною дієвої енергією і є могутньою геологічною силою, ніде на планеті більше не існуючої, пов'язаної з іншою речовиною біосфери тільки біогенної міграцією атомів. Концентрація живою речовиною певних хімічних елементів у біосфері є, мабуть, її панівний біогенний геологічний процес.
Також ми маємо речовини, утворені процесами, в яких жива речовина не бере участь: відсталу речовину, тверде, рідке і газоподібне. З них тільки газоподібний і рідкий (і дисперсне тверде) є на поверхні біосфери носіями вільної енергії.
v биокосное речовина, - яке створюється одночасно живими організмами і відсталими процесами, представляючи динамічні рівноважні системи тих і інших (вода, нафта, грунт і т. д.). Організми в їх утворенні грають провідну роль. Ці біокосні організовані маси є складними динамічними рівноважними системами, в яких різко проявляється геохімічна енергія живої речовини - біогеохімічна енергія.
v Речовина, що знаходиться в радіоактивному розпаді. Ця речовина в такій формі (дисперсно-розсіяне) є однією з найпотужніших сил, яка змінює всю енергію біосфери.
v Речовина космічного походження, атоми, молекули з електромагнітного потоку Сонця, витік окремих атомів і молекул, що приходять з космічного простору.
У всякій екосистемі можна виділити наступні компоненти:
Неорганічні речовини: вуглець, азот, вуглекислий газ, вода і т. д.
Органічні сполуки: білки, вуглеводи, ліпіди, гумінові речовини і т.д.
Фактори, що зв'язують біотичних та абіотичних частини екосистеми; кліматичний режим, температура й інші фізичні фактори;
Продуценти: автотрофні організми, головним чином зелені рослини, які здатні створювати їжу з простих неорганічних речовин;
Консументи: гетеротрофні організми, головним чином тварини, які поїдають інші організми або частки органічної речовини;
Редуценти (деструктори, декомпозітори): гетеротрофні організми, переважно бактерії і гриби, які розщеплюють складні з'єднання до простих, придатних для використання продуцентами.
Перші три групи - неживі компоненти, а інші становлять живу вагу (біомасу). Розташування трьох останніх компонентів щодо потоку енергії, що надходить представляє собою структуру екосистеми.
1. Продуценти вловлюють сонячну енергію і переводять її в енергію хімічних зв'язків.
2. Консументи, поїдаючи продуцентів, розривають ці зв'язки. Вивільнена енергія використовується консументами для побудови власного тіла.
3. Нарешті, редуценти рвуть хімічні зв'язки розкладається органічної речовини і будують своє тіло.
У результаті вся енергія, збережена продуцентами, виявляється використаною.
Органічні речовини розкладаються на неорганічні і повертаються до продуцентів. Таким чином, структуру екосистеми утворюють три рівні (продуценти, консументи, редуценти) трансформації енергії і два кругообігу - твердих і газоподібних речовин.
У структурі і функції екосистеми втілені всі види активності організмів, що входять в дане біотичне співтовариство: взаємодії з фізичним середовищем і один з одним. Однак організми живуть для самих себе, а не для того, щоб грати якусь роль в екосистемі. Властивості екосистеми складаються завдяки діяльності входять до неї рослин і тварин.
Здатність екосистеми до самопідтримки і саморегулювання реалізується через гомеостаз. В основі гомеостазу лежить принцип зворотного зв'язку, який можна продемонструвати на прикладі залежності щільності популяції від харчових ресурсів. Зворотній зв'язок виникає, якщо «продукт» впливає на «датчик»
У результаті відхилення щільності популяції від оптимуму в ту чи іншу сторону збільшується народжуваність або смертність, результатом чого буде приведення щільності до оптимуму. Такий зворотній зв'язок, тобто зв'язок, зменшує відхилення від норми, називається негативним зворотним зв'язком. Позитивна ж зворотний зв'язок збільшує це відхилення.
Зовнішність біотичного співтовариства визначається не тільки різноманітністю видів та іншими показниками, які відображають зв'язки між видами, що входять до складу біотичного співтовариства. Функціонування спільноти та її стабільність залежать також від популяційних зв'язків, від розподілу організмів у просторі і характеру їх взаємодії з зовнішнім середовищем. Все це становить поняття внутрішньої організації спільноти. Про неї можна судити на підставі наступних параметрів:
1. Стратифікація (зональність): рослини і тварини розподілені не рівномірно по всій екосистемі, а плямами, в яких щільність може бути максимальною або, навпаки, мінімальною.
2. Активність (періодичність): періодичність співтовариства є результатом синхронної активності протягом дня і ночі цілих груп організмів. Для всіх спільнот характерна також сезонна періодичність, що нерідко призводить до майже повної зміни структури угрупування протягом року.
Зміна екосистем може відбуватися під впливом різних причин. У залежності від вектора діючих сил розрізняють:
1. Алогенних зміни, які обумовлені впливом геохімічних сил, що діють на екосистему ззовні. В якості таких можуть виступати кліматичні та геологічні чинники.
2. Автогенні зміни, які обумовлені впливом процесів, що протікають всередині екосистеми.
У більшості випадків, однак, важко розмежувати процеси, що знаходяться під впливом зовнішніх і внутрішніх факторів. Наприклад, евтрофікація озер відбувається під дією населяють їх спільнот, поштовхом до зміни яких є надходження в озеро поживних речовин ззовні, з водозбору.
Тим не менш, ступінь участі співтовариства в перетворенні екосистеми, як правило, встановлюється без особливих зусиль і, крім того, автогенні зміни характеризуються рядом помітних специфічних ознак.
У зв'язку з господарською діяльністю людства і залученням у навколишнє середовище техногенних продуктів цієї діяльності, виникають проблеми, зумовлені порушенням природних біогеохімічних циклів. Ці порушення пов'язані як зі зміною балансу в циклах, так і з появою нових хімічних сполук, раніше відсутніх в природних процесах. Цикли деяких елементів (наприклад, азоту, сірки, фосфору, калію, важких металів) перетворилися на даний час в природно-антропогенні, які характеризуються значною незамкнутість, що призводить до їх накопичення і, відповідно, до впливу на екосистеми.
Атмосферний азот зв'язується при розрядах блискавок і в результаті життєдіяльності азотфіксуючих бактерій і водоростей, які перетворюють його в розчинні нітрати. Нітрати потрапляють у грунт або у воду, де вони можуть бути використані рослинами. Деяка кількість азотистих сполук виділяють у грунт рослини і тварини, решті азот, врешті-решт, вивільняється при розщепленні рослинного і тваринного матеріалу бактеріями, які перетворюють його азотисті речовини в аміак. Аміак утворюється також при вулканічних процесах. Нитрифицирующие бактерії 1 фази перетворюють аміак у нітрити, з яких нитрифицирующие бактерії 2 фази утворюють нітрати. Денітрифікуючі бактерії повертають азот в атмосферу, такий же кругообіг відбувається й у морських місцепроживання.
Азот найбільш поширений на Землі у формі газоподібного N 2. І хоча азот найважливіший компонент білків і нуклеїнових кислот, рослини не можуть безпосередньо брати його з атмосфери. Вони здатні засвоювати лише пов'язаний з киснем або воднем азот, тобто переведений в інші хімічні форми - аміак, іони амонію, нітрат - і нітрит-іони. Найважливіша частина циклу - зв'язування азоту відбувається азотфіксуючими бактеріями, зв'язуванням в атмосферних процесах та промислової фіксацією.
Інший важливий процес циклу азоту - відновлення нітрат-іонів до атмосферного азоту. Здійснюється грунтовими анаеробними бактеріями - денітрифікатори.
Денітрифікація - головна причина втрат азоту в землеробстві (до половини пов'язаного в добривах азоту йде в атмосферу). Велика роль антропогенного фактору в циклі азоту. Перш за все - промислова фіксація азоту (обсяги порівнянні з природними). Основний метод фіксації - виробництво аміаку. Це токсичний газ з різким запахом. Взаємодіє з кислотними опадами, утворюючи щільні тумани.
Фосфор є одним з найважливіших біогенів. Він входить до складу генів і молекул, що переносять енергію всередині клітин. Цикл фосфору - приклад простого осадового циклу з вельми недосконалої регуляцією. Особливістю циклу фосфору є відсутність природних токсичних його сполук. Головним резервуаром фосфору служать гірські породи. У різних мінералах фосфор міститься у вигляді неорганічного фосфат-іона. Фосфати розчиняються у кислих розчинах і в безкисневих середовищах, нелетких. Рослини поглинають фосфат-іони з водного розчину і включають до складу різних органічних сполук. У них фосфор виступає у формі органічного фосфату. Особливістю цих сполук є наявність зв'язку Р-О-Р. При їх гідролізі звільняється велика кількість енергії.
Наприклад, при гідролізі подібної молекули - пірофосфату виділяється 29 кДж / моль, що значно більше, ніж, якби гідролізу піддалася будь-яка інша молекула, яка не містить Р-О-Р - зв'язків. За харчових ланцюгах фосфор надходить від рослин до всіх інших організмам екосистеми. При кожному переході можливо окислення або гідроліз сполук фосфору для отримання організмом енергії. Продукти окислення та гідролізу (фосфати) надходять у навколишнє середовище, після чого можуть знову поглинатися рослинами.
Особливість кругообігу фосфору можна розглянути при порівнянні з кругообігом вуглецю. Значна частина фонду вуглецю знаходиться в газоподібному фазі, і він здатний вільно поширюватися в атмосфері. У випадку фосфору газової фази і вільного перерозподілу в екосистемі немає. Потрапляючи в закриті водойми, фосфор насичує і пересищает систему. Фосфор і інші мінеральні біогени циркулюють в системі в тому випадку, якщо містять їх відходи життєдіяльності відкладаються в місцях поглинання цього елемента. У природних екосистемах подібне рівновагу дотримується. Це стосується і чисто мінеральної форми фосфору.
Діяльність людини призводить до порушення природного циклу фосфору. Вона характеризується поділом місць споживання та утилізації біогени, зокрема, фосфору. Урожай, разом з витягнутими з грунту біогенами, різні продукти харчування, перевозяться на великі відстані до споживачів. Продукти життєдіяльності людини, містять фосфор, скидаються у водойми і, пересичений їх цим біогенному, викликають евтрофікацію. Найважливішим джерелом накопичення фосфору у навколишньому середовищі є фосфатвмісними детергенти. Підраховано, що людські екскременти дають тільки 30% фосфату стічних вод, а 60% надходять до них з детергентами.
1. Біохімічна функція, пов'язана з харчуванням, диханням, розмноженням організмів.
2. Біохімічна функція, пов'язана з руйнуванням тіла відмерлих організмів, тобто з руйнуванням тіла живої речовини і переходом його у відсталу стан.
Для живої речовини з планетної точки зору основним явищем повинна вважатися функція розмноження і росту організмів. Обидві функції виявляються всередині тіл живої речовини. Але джерела цих проявів лежать в навколишньому дане жива речовина середовищі, і ці явища можуть бути представлені в атомній формі як закономірна біогенна міграція певних хімічних елементів (атомів) із зовнішнього середовища в живе речовина і з живої речовини у навколишнє середовище.
Ріст і розмноження хімічно виражаються у складних процесах збільшення кількості живої речовини, яка, врешті-решт, призводить до закономірного максимального збільшення його маси на нашій планеті і території, їм на ній зайнятою. Обидва ці процесу, складно залежні один від одного, відбуваються в біосфері з яскраво вираженим тиском на навколишнє середовище. Цей тиск є найбільш яскравим вираженням біохімічної енергії росту і розмноження, може бути точно кількісно виражено і є різним і характерним видовою ознакою для кожного виду, раси, роду.
Біогеохімічні функції живої речовини поширюються на всю планету, можуть виражатися у вигляді геосфер і явно не залежать від територіальних умов геосфери. Вони визначають у планетному масштабі основні хімічні прояви життя і є основними хімічними реакціями живої речовини, оскільки вони хімічно відображаються на навколишнього організм зовнішньому середовищі. Такі функції можуть бути розділені на п'ять груп:
1. Газові функції
2. Концентраційні функції
3. Окислювально-відновні функції
4. Біохімічні функції
5. Біогеохімічні функції
Разом узяті вони визначають основні хімічні прояви живої речовини в біосфері.
Закон біогенної міграції атомів стверджує: биогенное походження всієї земної поверхні свідчить про те, що життя - творча сила на планеті. Серйозні порушення цієї сили, в тому числі знищення видів, можуть призвести до непередбачуваних наслідків.
Міграція атомів різко по швидкості різна для мікробів і одноклітинних організмів, з одного боку, і багатоклітинних - з іншого. Ми повинні розрізняти в зв'язку з цим при явищах розмноження і зростання дві різні біогенні міграції атомів:
1. Біогенну міграцію атомів першого роду для мікроскопічних одноклітинних і мікробів величезної інтенсивності, пов'язану з малим їх обсягом і вагою.
2. Біогенну міграцію атомів 2 роди для багатоклітинних організмів.
Нижчі організми - не якийсь випадковий пережиток минулого, вони - необхідна складова частина цілісної системи органічного світу, основа його існування та розвитку, без якої неможливий внутрішній обмін між членами цієї системи. Органічний світ представляється у вигляді мережі взаємодіючих видів, що охоплює практично всю земну кулю.
Вищі організми виділяються як згустки живого речовини, концентратори продуктів синтезу нижчих форм. Багатоклітинні стають як би «коморами органічного синтезу», в силу чого вони набувають функцію своєрідних ініціаторів нових форм біохімічної активності нижчих організмів (поставляючи все нові і нові субстрати). Вони створюють передумови для проникнення одноклітинних в біотопи, раніше ними не освоєні.
Якщо виразити окремо біогеохімічної енергії розмноження і росту одноклітинних і біогеохімічної енергії розмноження і росту багатоклітинних, виходять величини незрівнянні. Одноклітинні домінували на нашій планеті до останнього часу. На наших очах це явище починає змінюватися в нашу псіхозойскую еру, коли людина опанувала нової біогенної міграцією атомів третього роду, що йде під впливом його життя, волі, розуму в навколишньому середовищі. У житті кожного живого організму є прояв цієї форми біохімічної енергії.
Ця біогенна енергія знаходиться в стані, здатному робити роботу. Вона виражається в біогенної міграції атомів. Пасивна енергія концентрується в біогенних мінералах, серед яких тверді і рідкі каустобиолитов грають основну роль.
Всі біогенні міграції можуть бути узагальнені як перший біогеохімічний принцип. Цей принцип свідчить:
1. Біогенна міграція атомів хімічних елементів у біосфері завжди прагне до максимального свого прояву. Все живе речовина планети, взяте в цілому, таким чином, є джерелом дієвої вільної енергії, може виконувати роботу.
2. Друга біогеохімічна функція пов'язана з руйнуванням тіла живих організмів після їх вмирання, пов'язана з хімічним перетворенням живої речовини після його вмирання у відсталу. Цей перехід у відсталу тіло відбувається не відразу. Проміжним є біокосна тіло протягом якогось геологічного часу, так як перша переробка відбувається біогенним шляхом мікробами, бактеріями і грибами. А в кінці наступають реакції, в яких мікроби відсутні або грають другорядну роль.
В біогеохімічних функціях першого і другого роду ми вперше зустрічаємося в яскравій формі з різким відзнакою відсталого і живої речовини в ході геологічного часу. У той самий час як жива речовина, охоплене еволюційним процесом, змінюється до невпізнанності в своїх формах і дає мільйони нових видів організмів і безліч нових хімічних сполук, відстала матерія планети залишається інертною, нерухомою і за характером змін, що відбуваються тільки в еони століть закономірно змінює свій атомний склад закономірним радіоактивним процесом. У геологічний час вона практично залишається незмінною у своєму морфологічному характері. У зв'язку з цим біохімічні функції можуть бути зведені до другого біогеохімічному принципом. Він вказує, що еволюція видів у ході геологічного часу, що призводить до створення форм життя, стійких у біосфері, йде в напрямі, що збільшує біогенну міграцію атомів біосфери.
Стійкість біосфери Вернадський пов'язував з тією обставиною, що «функції життя в біосфері - біогеохімічні функції - незмінні протягом геологічного часу, і жодна з них не з'явилася знову з ходом геологічного часу». Всі функції живих організмів у біосфері (утворення газів, окисні і відновні процеси, концентрація хімічних елементів тощо) не можуть виконуватися організмами якогось одного виду, а лише їх комплексом. Звідси випливає надзвичайно важливе положення, розроблене Вернадським: біосфера Землі сформувалася з самого початку як складна система, з великою кількістю видів організмів, кожен з яких виконував свою роль у загальній системі. Без цього біосфера взагалі не могла б існувати. Звідси випливає, будь-яка трактування ноосферогенезу може мати на увазі тільки якісна зміна відносин людини з біосферою, але не якісна зміна самої біосфери, ні, тим більше, її «скасування».
Вернадському належить відкриття основного закону біосфери: «Кількість живої речовини є планетної константою з часів архейської ери, тобто за все геологічний час». Протягом цього періоду живий світ морфологічно змінився невпізнанно, але такі зміни помітно не вплинули ні на кількість живої речовини, ні на його середній валовий склад. Справа тут в тому, як вважає Вернадський, що «в складній організованості біосфери відбувалися в межах живої речовини лише перегруповування хімічних елементів, а не корінні зміни їх складу та кількості».
Постійно підкреслюючи, що його позиція - це позиція натураліста, В. І. Вернадський говорив про біосферу як про «природний тілі», як про «моноліті», що вбирає в себе всю сукупність живої речовини планети. Очевидно, що і людина, як жива істота, включений в біосферу, що розуміється в якості природно-біологічної освіти. У такому випадку антропогенні фактори еволюції біосфери стають в один ряд з іншими природними параметрами.
Разом з тим, В.І. Вернадський говорив про те, що поняття «природного тіла» змінює своє значення в залежності від контексту. У цьому відношенні істотно, що «початок» ноосфери відлічується з того, умовно кажучи, моменту, коли з'явився розум: «З появою на нашій планеті обдарованої розумом живої істоти, - писав Вернадський, - планета переходить в нову стадію своєї історії. Біосфера переходить в ноосферу ». Вироблена в соціальному середовищі наукова думка створює в біосфері нову геологічну силу. Біосфера переходить тим самим у новий еволюційний стан.
Наукова думка як прояв живої речовини по суті не може бути оборотним явищем, стверджує В.І. Вернадський. Зростання наукової думки, тісно пов'язаний із зростанням заселення людиною біосфери, повинен обмежуватися чужої живому речовини середовищем і чинити на неї тиск, оскільки він пов'язаний зі зростаючою кількістю живої речовини, прямо або побічно бере участь у науковій роботі. Це зростання і пов'язане з ним тиск постійно збільшуються завдяки тому, що в них різко проявляється дія маси створюваних технічних засобів, експансія яких в ноосферу підкоряється тим же законам, що й розмноження живої речовини, тобто, виражається в геометричній прогресії.
Крім цього формування ноосфери, згідно В.І. Вернадському, визначається наступними умовами і передумовами:
1. Людство стало єдиним цілим. Хід світової історії охопив всю земну кулю, включивши в єдиний процес, різні культурні області, що колись існували ізольовано.
2. Перетворення засобів зв'язку та обміну зробило регулярним і систематичним обмін речовиною, енергією та інформацією між різними елементами ноосфери.
3. Оволодіння новими джерелами енергії дало людині можливість корінного перетворення навколишнього середовища.
4. Зростає добробут народних мас, працею і розумом яких створюється ноосфера.
5. Усвідомлені рівність всіх людей і важливість виключення війн з життя суспільства.
Ми спростимо саме розуміння еволюції, якщо будемо вважати, що тільки перебуваємо на порозі ноосферогенезу, що «ноосфера» - це чи не те саме світле майбутнє людства, яке зовсім недавно позначалося словом «комунізм». Не точніше говорити про сучасність як про якісно новому щаблі розвитку ноосфери, зберігши ту «початкову» точку відліку її еволюції, коли з появою цивілізації на Землі біосфера стала природно-соціальною системою.
2. Концепція сучасного природознавства: Під ред. професора С.І. Самигіна. Вид. третє. Ростов н / Д: «Фенікс», 2001 - 576 с.
3. Алексєєв В.П. Становлення людства. М., 1984. Бор Н. Атомна фізика і людське пізнання. М., 1961 Борн М. ейнштейнівської теорія відносності. М., 1964.
4. Вайнберг С. Перші три хвилини. Сучасний погляд на походження Всесвіту. М., 1981.
5. Дорфман Я.Г. Всесвітня історія фізики з початку 19 століття до середини 20 століття. М., 1979.
6. Кемпфер Ф. Шлях в сучасну фізику. М., 1972.
7. Меріон Дж. Б. Фізика і фізичний світ. М., 1975
8. Найдиш В.М. Концепції сучасного природознавства. Навчальний посібник. М., 1999.
1. Склад речовини біосфери .. 3
2. Особливості основних біосферних циклів. 7
3. Біосферний цикл вуглецю. 8
4. Біосферний цикл азоту. 8
5. Біосферний цикл фосфору. 9
6. Біохімічні функції живої речовини. 11
7. Біогенна міграція атомів і біогеохімічні принципи .. 12
8. В.І. Вернадський про перехід біосфери в ноосферу. 15
Список літератури .. 19
1. Склад речовини біосфери
Якщо говорити про біосферу в цілому, то біогеохімічні цикли можна розділити на два основних типи: кругообіг газоподібних речовин із резервним фондом в атмосфері або гідросфері (океан) і осадовий цикл із резервним фондом в земній корі.Поділ біогеохімічних циклів на кругообіги газоподібних речовин і осадові цикли заснований на тому, що деякі кругообіги, наприклад ті, в яких беруть участь вуглець, азот і кисень, завдяки наявності великих атмосферних або океанічних (або ж і тих і інших) фондів досить швидко компенсують різноманітні порушення . Наприклад, надлишок СО 2, що накопичився в якому-небудь місці в зв'язку з посиленим окисленням або горінням, зазвичай швидко розсіюється атмосферними потоками. Крім того, посилене утворення вуглекислоти компенсується її споживанням рослинами і перетворенням у карбонати - у морях. Тому, цикли газоподібних речовин із їх величезними атмосферними фондами можна вважати в глобальному масштабі добре «забуференной», так як їх здатність повертатися до вихідного стану велика.
Самоконтроль циклів із резервним фондом у літосфері утруднений - вони легко порушуються в результаті місцевих флуктуацій, що пов'язано з малою рухливістю резервного фонду. Явище «забуференной» в цьому випадку не виражене.
Біосфера не тільки сфера життя. Це видно зі складу речовини біосфери, що складається з глибоко різнорідних геологічно не випадкових частин. Воно представлене сукупністю живих організмів, живої речовини, розсіяного в міріадах особин, безперервно вмираючих і народжуваних, що володіють колосальною дієвої енергією і є могутньою геологічною силою, ніде на планеті більше не існуючої, пов'язаної з іншою речовиною біосфери тільки біогенної міграцією атомів. Концентрація живою речовиною певних хімічних елементів у біосфері є, мабуть, її панівний біогенний геологічний процес.
Також ми маємо речовини, утворені процесами, в яких жива речовина не бере участь: відсталу речовину, тверде, рідке і газоподібне. З них тільки газоподібний і рідкий (і дисперсне тверде) є на поверхні біосфери носіями вільної енергії.
v биокосное речовина, - яке створюється одночасно живими організмами і відсталими процесами, представляючи динамічні рівноважні системи тих і інших (вода, нафта, грунт і т. д.). Організми в їх утворенні грають провідну роль. Ці біокосні організовані маси є складними динамічними рівноважними системами, в яких різко проявляється геохімічна енергія живої речовини - біогеохімічна енергія.
v Речовина, що знаходиться в радіоактивному розпаді. Ця речовина в такій формі (дисперсно-розсіяне) є однією з найпотужніших сил, яка змінює всю енергію біосфери.
v Речовина космічного походження, атоми, молекули з електромагнітного потоку Сонця, витік окремих атомів і молекул, що приходять з космічного простору.
У всякій екосистемі можна виділити наступні компоненти:
Неорганічні речовини: вуглець, азот, вуглекислий газ, вода і т. д.
Органічні сполуки: білки, вуглеводи, ліпіди, гумінові речовини і т.д.
Фактори, що зв'язують біотичних та абіотичних частини екосистеми; кліматичний режим, температура й інші фізичні фактори;
Продуценти: автотрофні організми, головним чином зелені рослини, які здатні створювати їжу з простих неорганічних речовин;
Консументи: гетеротрофні організми, головним чином тварини, які поїдають інші організми або частки органічної речовини;
Редуценти (деструктори, декомпозітори): гетеротрофні організми, переважно бактерії і гриби, які розщеплюють складні з'єднання до простих, придатних для використання продуцентами.
Перші три групи - неживі компоненти, а інші становлять живу вагу (біомасу). Розташування трьох останніх компонентів щодо потоку енергії, що надходить представляє собою структуру екосистеми.
1. Продуценти вловлюють сонячну енергію і переводять її в енергію хімічних зв'язків.
2. Консументи, поїдаючи продуцентів, розривають ці зв'язки. Вивільнена енергія використовується консументами для побудови власного тіла.
3. Нарешті, редуценти рвуть хімічні зв'язки розкладається органічної речовини і будують своє тіло.
У результаті вся енергія, збережена продуцентами, виявляється використаною.
Органічні речовини розкладаються на неорганічні і повертаються до продуцентів. Таким чином, структуру екосистеми утворюють три рівні (продуценти, консументи, редуценти) трансформації енергії і два кругообігу - твердих і газоподібних речовин.
У структурі і функції екосистеми втілені всі види активності організмів, що входять в дане біотичне співтовариство: взаємодії з фізичним середовищем і один з одним. Однак організми живуть для самих себе, а не для того, щоб грати якусь роль в екосистемі. Властивості екосистеми складаються завдяки діяльності входять до неї рослин і тварин.
Здатність екосистеми до самопідтримки і саморегулювання реалізується через гомеостаз. В основі гомеостазу лежить принцип зворотного зв'язку, який можна продемонструвати на прикладі залежності щільності популяції від харчових ресурсів. Зворотній зв'язок виникає, якщо «продукт» впливає на «датчик»
У результаті відхилення щільності популяції від оптимуму в ту чи іншу сторону збільшується народжуваність або смертність, результатом чого буде приведення щільності до оптимуму. Такий зворотній зв'язок, тобто зв'язок, зменшує відхилення від норми, називається негативним зворотним зв'язком. Позитивна ж зворотний зв'язок збільшує це відхилення.
Зовнішність біотичного співтовариства визначається не тільки різноманітністю видів та іншими показниками, які відображають зв'язки між видами, що входять до складу біотичного співтовариства. Функціонування спільноти та її стабільність залежать також від популяційних зв'язків, від розподілу організмів у просторі і характеру їх взаємодії з зовнішнім середовищем. Все це становить поняття внутрішньої організації спільноти. Про неї можна судити на підставі наступних параметрів:
1. Стратифікація (зональність): рослини і тварини розподілені не рівномірно по всій екосистемі, а плямами, в яких щільність може бути максимальною або, навпаки, мінімальною.
2. Активність (періодичність): періодичність співтовариства є результатом синхронної активності протягом дня і ночі цілих груп організмів. Для всіх спільнот характерна також сезонна періодичність, що нерідко призводить до майже повної зміни структури угрупування протягом року.
Зміна екосистем може відбуватися під впливом різних причин. У залежності від вектора діючих сил розрізняють:
1. Алогенних зміни, які обумовлені впливом геохімічних сил, що діють на екосистему ззовні. В якості таких можуть виступати кліматичні та геологічні чинники.
2. Автогенні зміни, які обумовлені впливом процесів, що протікають всередині екосистеми.
У більшості випадків, однак, важко розмежувати процеси, що знаходяться під впливом зовнішніх і внутрішніх факторів. Наприклад, евтрофікація озер відбувається під дією населяють їх спільнот, поштовхом до зміни яких є надходження в озеро поживних речовин ззовні, з водозбору.
Тим не менш, ступінь участі співтовариства в перетворенні екосистеми, як правило, встановлюється без особливих зусиль і, крім того, автогенні зміни характеризуються рядом помітних специфічних ознак.
2. Особливості основних біосферних циклів
Цикли функціонують під дією біологічних і геологічних факторів. Існування біогеохімічних циклів створює можливість для саморегуляції системи, що надає їй стійкість - постійний кількісний склад по різним хімічним елементам в ній.У зв'язку з господарською діяльністю людства і залученням у навколишнє середовище техногенних продуктів цієї діяльності, виникають проблеми, зумовлені порушенням природних біогеохімічних циклів. Ці порушення пов'язані як зі зміною балансу в циклах, так і з появою нових хімічних сполук, раніше відсутніх в природних процесах. Цикли деяких елементів (наприклад, азоту, сірки, фосфору, калію, важких металів) перетворилися на даний час в природно-антропогенні, які характеризуються значною незамкнутість, що призводить до їх накопичення і, відповідно, до впливу на екосистеми.
3. Біосферний цикл вуглецю
Кругообіг вуглецю пов'язаний з використанням СО при фотосинтезі; в процесі дихання рослина повертає СО в атмосферу. Тварини, поїдаючи рослини, повертають в повітря додаткові кількості СО. Після своєї смерті вони, так само як і рослини, служать субстратом для росту бактерій і грибів, які в кінцевому рахунку розщеплюють органічна речовина до СО. Ерозія і розчинення вапняку призводять до звільнення карбонатів, а потім і СО. Деякі організми, поховані в опадах, виводять з кругообігу великі кількості вуглецю, накопичені у вигляді нафти, газу, кам'яного вугілля і торфу. Але при спалюванні цих горючих матеріалів вуглець знову звільняється у вигляді СО. Організми, що володіють вапняними раковинами, при своїй загибелі також тимчасово пов'язують вуглець, беручи участь в утворенні вапняків або коралових рифів.4. Біосферний цикл азоту
Цикл азоту - приклад складного кругообігу газоподібних речовин, здатних до швидкої саморегуляції. Схема циклу може бути представлена наступним чином:Атмосферний азот зв'язується при розрядах блискавок і в результаті життєдіяльності азотфіксуючих бактерій і водоростей, які перетворюють його в розчинні нітрати. Нітрати потрапляють у грунт або у воду, де вони можуть бути використані рослинами. Деяка кількість азотистих сполук виділяють у грунт рослини і тварини, решті азот, врешті-решт, вивільняється при розщепленні рослинного і тваринного матеріалу бактеріями, які перетворюють його азотисті речовини в аміак. Аміак утворюється також при вулканічних процесах. Нитрифицирующие бактерії 1 фази перетворюють аміак у нітрити, з яких нитрифицирующие бактерії 2 фази утворюють нітрати. Денітрифікуючі бактерії повертають азот в атмосферу, такий же кругообіг відбувається й у морських місцепроживання.
Азот найбільш поширений на Землі у формі газоподібного N 2. І хоча азот найважливіший компонент білків і нуклеїнових кислот, рослини не можуть безпосередньо брати його з атмосфери. Вони здатні засвоювати лише пов'язаний з киснем або воднем азот, тобто переведений в інші хімічні форми - аміак, іони амонію, нітрат - і нітрит-іони. Найважливіша частина циклу - зв'язування азоту відбувається азотфіксуючими бактеріями, зв'язуванням в атмосферних процесах та промислової фіксацією.
Інший важливий процес циклу азоту - відновлення нітрат-іонів до атмосферного азоту. Здійснюється грунтовими анаеробними бактеріями - денітрифікатори.
Денітрифікація - головна причина втрат азоту в землеробстві (до половини пов'язаного в добривах азоту йде в атмосферу). Велика роль антропогенного фактору в циклі азоту. Перш за все - промислова фіксація азоту (обсяги порівнянні з природними). Основний метод фіксації - виробництво аміаку. Це токсичний газ з різким запахом. Взаємодіє з кислотними опадами, утворюючи щільні тумани.
5. Біосферний цикл фосфору
У той час як резервуаром азоту є повітря, резервуар фосфору - це гірські породи, з яких він вивільняється при ерозії. Більша частина фосфору при цьому знову втрачається, так як вода змиває його в море, де він пов'язаний в морських опадах і може стати доступним тільки тоді, коли тут відбудеться підняття земної кори. У мілководних морських опадах фосфор доступний для риб, яких у свою чергу поїдають птахи. Вони повертають фосфор в круговорот зі своїми екскрементами (гуано), знову змивається в море, де їх використовують планктонні організми і риби. Є підстави вважати, що фосфор повертається в кругообіг не повністю і що доступні ресурси його, врешті-решт, вичерпаються. Виснаження цих ресурсів сприяє людина, яка видобуває і, в кінцевому рахунку, безповоротно втрачає більше фосфору, ніж повертає в обіг.Фосфор є одним з найважливіших біогенів. Він входить до складу генів і молекул, що переносять енергію всередині клітин. Цикл фосфору - приклад простого осадового циклу з вельми недосконалої регуляцією. Особливістю циклу фосфору є відсутність природних токсичних його сполук. Головним резервуаром фосфору служать гірські породи. У різних мінералах фосфор міститься у вигляді неорганічного фосфат-іона. Фосфати розчиняються у кислих розчинах і в безкисневих середовищах, нелетких. Рослини поглинають фосфат-іони з водного розчину і включають до складу різних органічних сполук. У них фосфор виступає у формі органічного фосфату. Особливістю цих сполук є наявність зв'язку Р-О-Р. При їх гідролізі звільняється велика кількість енергії.
Наприклад, при гідролізі подібної молекули - пірофосфату виділяється 29 кДж / моль, що значно більше, ніж, якби гідролізу піддалася будь-яка інша молекула, яка не містить Р-О-Р - зв'язків. За харчових ланцюгах фосфор надходить від рослин до всіх інших організмам екосистеми. При кожному переході можливо окислення або гідроліз сполук фосфору для отримання організмом енергії. Продукти окислення та гідролізу (фосфати) надходять у навколишнє середовище, після чого можуть знову поглинатися рослинами.
Особливість кругообігу фосфору можна розглянути при порівнянні з кругообігом вуглецю. Значна частина фонду вуглецю знаходиться в газоподібному фазі, і він здатний вільно поширюватися в атмосфері. У випадку фосфору газової фази і вільного перерозподілу в екосистемі немає. Потрапляючи в закриті водойми, фосфор насичує і пересищает систему. Фосфор і інші мінеральні біогени циркулюють в системі в тому випадку, якщо містять їх відходи життєдіяльності відкладаються в місцях поглинання цього елемента. У природних екосистемах подібне рівновагу дотримується. Це стосується і чисто мінеральної форми фосфору.
Діяльність людини призводить до порушення природного циклу фосфору. Вона характеризується поділом місць споживання та утилізації біогени, зокрема, фосфору. Урожай, разом з витягнутими з грунту біогенами, різні продукти харчування, перевозяться на великі відстані до споживачів. Продукти життєдіяльності людини, містять фосфор, скидаються у водойми і, пересичений їх цим біогенному, викликають евтрофікацію. Найважливішим джерелом накопичення фосфору у навколишньому середовищі є фосфатвмісними детергенти. Підраховано, що людські екскременти дають тільки 30% фосфату стічних вод, а 60% надходять до них з детергентами.
6. Біохімічні функції живої речовини
Біохімічні функції в межах живої речовини розпадаються на дві частини:1. Біохімічна функція, пов'язана з харчуванням, диханням, розмноженням організмів.
2. Біохімічна функція, пов'язана з руйнуванням тіла відмерлих організмів, тобто з руйнуванням тіла живої речовини і переходом його у відсталу стан.
Для живої речовини з планетної точки зору основним явищем повинна вважатися функція розмноження і росту організмів. Обидві функції виявляються всередині тіл живої речовини. Але джерела цих проявів лежать в навколишньому дане жива речовина середовищі, і ці явища можуть бути представлені в атомній формі як закономірна біогенна міграція певних хімічних елементів (атомів) із зовнішнього середовища в живе речовина і з живої речовини у навколишнє середовище.
Ріст і розмноження хімічно виражаються у складних процесах збільшення кількості живої речовини, яка, врешті-решт, призводить до закономірного максимального збільшення його маси на нашій планеті і території, їм на ній зайнятою. Обидва ці процесу, складно залежні один від одного, відбуваються в біосфері з яскраво вираженим тиском на навколишнє середовище. Цей тиск є найбільш яскравим вираженням біохімічної енергії росту і розмноження, може бути точно кількісно виражено і є різним і характерним видовою ознакою для кожного виду, раси, роду.
Біогеохімічні функції живої речовини поширюються на всю планету, можуть виражатися у вигляді геосфер і явно не залежать від територіальних умов геосфери. Вони визначають у планетному масштабі основні хімічні прояви життя і є основними хімічними реакціями живої речовини, оскільки вони хімічно відображаються на навколишнього організм зовнішньому середовищі. Такі функції можуть бути розділені на п'ять груп:
1. Газові функції
2. Концентраційні функції
3. Окислювально-відновні функції
4. Біохімічні функції
5. Біогеохімічні функції
Разом узяті вони визначають основні хімічні прояви живої речовини в біосфері.
7. Біогенна міграція атомів і біогеохімічні принципи
Закон біогенної міграції атомів В.І. Вернадського свідчить - «міграція хімічних елементів на земній поверхні і в біосфері в цілому здійснюється або за безпосередньої участі живої речовини (біогенна міграція), або ж вона протікає в середовищі, геохімічні особливості якого (О2, СО2, Н2 і т. д.) зумовлені живою речовиною, як тим, що в даний час населяє біосферу, так і тим, яке діяло на Землі протягом всієї геологічної історії ».Закон біогенної міграції атомів стверджує: биогенное походження всієї земної поверхні свідчить про те, що життя - творча сила на планеті. Серйозні порушення цієї сили, в тому числі знищення видів, можуть призвести до непередбачуваних наслідків.
Міграція атомів різко по швидкості різна для мікробів і одноклітинних організмів, з одного боку, і багатоклітинних - з іншого. Ми повинні розрізняти в зв'язку з цим при явищах розмноження і зростання дві різні біогенні міграції атомів:
1. Біогенну міграцію атомів першого роду для мікроскопічних одноклітинних і мікробів величезної інтенсивності, пов'язану з малим їх обсягом і вагою.
2. Біогенну міграцію атомів 2 роди для багатоклітинних організмів.
Нижчі організми - не якийсь випадковий пережиток минулого, вони - необхідна складова частина цілісної системи органічного світу, основа його існування та розвитку, без якої неможливий внутрішній обмін між членами цієї системи. Органічний світ представляється у вигляді мережі взаємодіючих видів, що охоплює практично всю земну кулю.
Вищі організми виділяються як згустки живого речовини, концентратори продуктів синтезу нижчих форм. Багатоклітинні стають як би «коморами органічного синтезу», в силу чого вони набувають функцію своєрідних ініціаторів нових форм біохімічної активності нижчих організмів (поставляючи все нові і нові субстрати). Вони створюють передумови для проникнення одноклітинних в біотопи, раніше ними не освоєні.
Якщо виразити окремо біогеохімічної енергії розмноження і росту одноклітинних і біогеохімічної енергії розмноження і росту багатоклітинних, виходять величини незрівнянні. Одноклітинні домінували на нашій планеті до останнього часу. На наших очах це явище починає змінюватися в нашу псіхозойскую еру, коли людина опанувала нової біогенної міграцією атомів третього роду, що йде під впливом його життя, волі, розуму в навколишньому середовищі. У житті кожного живого організму є прояв цієї форми біохімічної енергії.
Ця біогенна енергія знаходиться в стані, здатному робити роботу. Вона виражається в біогенної міграції атомів. Пасивна енергія концентрується в біогенних мінералах, серед яких тверді і рідкі каустобиолитов грають основну роль.
Всі біогенні міграції можуть бути узагальнені як перший біогеохімічний принцип. Цей принцип свідчить:
1. Біогенна міграція атомів хімічних елементів у біосфері завжди прагне до максимального свого прояву. Все живе речовина планети, взяте в цілому, таким чином, є джерелом дієвої вільної енергії, може виконувати роботу.
2. Друга біогеохімічна функція пов'язана з руйнуванням тіла живих організмів після їх вмирання, пов'язана з хімічним перетворенням живої речовини після його вмирання у відсталу. Цей перехід у відсталу тіло відбувається не відразу. Проміжним є біокосна тіло протягом якогось геологічного часу, так як перша переробка відбувається біогенним шляхом мікробами, бактеріями і грибами. А в кінці наступають реакції, в яких мікроби відсутні або грають другорядну роль.
В біогеохімічних функціях першого і другого роду ми вперше зустрічаємося в яскравій формі з різким відзнакою відсталого і живої речовини в ході геологічного часу. У той самий час як жива речовина, охоплене еволюційним процесом, змінюється до невпізнанності в своїх формах і дає мільйони нових видів організмів і безліч нових хімічних сполук, відстала матерія планети залишається інертною, нерухомою і за характером змін, що відбуваються тільки в еони століть закономірно змінює свій атомний склад закономірним радіоактивним процесом. У геологічний час вона практично залишається незмінною у своєму морфологічному характері. У зв'язку з цим біохімічні функції можуть бути зведені до другого біогеохімічному принципом. Він вказує, що еволюція видів у ході геологічного часу, що призводить до створення форм життя, стійких у біосфері, йде в напрямі, що збільшує біогенну міграцію атомів біосфери.
8. В.І. Вернадський про перехід біосфери в ноосферу
Узагальнивши результати досліджень в галузі геології, палеонтології, біології та інших природничих наук, В.І. Вернадський прийшов до висновку, що біосфера - це стійка динамічна система, рівновага, якої встановилося в основних своїх рисах з археозоя і незмінно діє протягом 1.5-2 мільярдів років ». Він довів, що стійкість біосфери за цей час виявляється в сталості її загальної маси (близько 10 19 т), маси живої речовини (10 18 т), енергії, пов'язаної з живою речовиною (10 18 ккал), і середнього хімічного складу всього живого.Стійкість біосфери Вернадський пов'язував з тією обставиною, що «функції життя в біосфері - біогеохімічні функції - незмінні протягом геологічного часу, і жодна з них не з'явилася знову з ходом геологічного часу». Всі функції живих організмів у біосфері (утворення газів, окисні і відновні процеси, концентрація хімічних елементів тощо) не можуть виконуватися організмами якогось одного виду, а лише їх комплексом. Звідси випливає надзвичайно важливе положення, розроблене Вернадським: біосфера Землі сформувалася з самого початку як складна система, з великою кількістю видів організмів, кожен з яких виконував свою роль у загальній системі. Без цього біосфера взагалі не могла б існувати. Звідси випливає, будь-яка трактування ноосферогенезу може мати на увазі тільки якісна зміна відносин людини з біосферою, але не якісна зміна самої біосфери, ні, тим більше, її «скасування».
Вернадському належить відкриття основного закону біосфери: «Кількість живої речовини є планетної константою з часів архейської ери, тобто за все геологічний час». Протягом цього періоду живий світ морфологічно змінився невпізнанно, але такі зміни помітно не вплинули ні на кількість живої речовини, ні на його середній валовий склад. Справа тут в тому, як вважає Вернадський, що «в складній організованості біосфери відбувалися в межах живої речовини лише перегруповування хімічних елементів, а не корінні зміни їх складу та кількості».
Постійно підкреслюючи, що його позиція - це позиція натураліста, В. І. Вернадський говорив про біосферу як про «природний тілі», як про «моноліті», що вбирає в себе всю сукупність живої речовини планети. Очевидно, що і людина, як жива істота, включений в біосферу, що розуміється в якості природно-біологічної освіти. У такому випадку антропогенні фактори еволюції біосфери стають в один ряд з іншими природними параметрами.
Разом з тим, В.І. Вернадський говорив про те, що поняття «природного тіла» змінює своє значення в залежності від контексту. У цьому відношенні істотно, що «початок» ноосфери відлічується з того, умовно кажучи, моменту, коли з'явився розум: «З появою на нашій планеті обдарованої розумом живої істоти, - писав Вернадський, - планета переходить в нову стадію своєї історії. Біосфера переходить в ноосферу ». Вироблена в соціальному середовищі наукова думка створює в біосфері нову геологічну силу. Біосфера переходить тим самим у новий еволюційний стан.
Наукова думка як прояв живої речовини по суті не може бути оборотним явищем, стверджує В.І. Вернадський. Зростання наукової думки, тісно пов'язаний із зростанням заселення людиною біосфери, повинен обмежуватися чужої живому речовини середовищем і чинити на неї тиск, оскільки він пов'язаний зі зростаючою кількістю живої речовини, прямо або побічно бере участь у науковій роботі. Це зростання і пов'язане з ним тиск постійно збільшуються завдяки тому, що в них різко проявляється дія маси створюваних технічних засобів, експансія яких в ноосферу підкоряється тим же законам, що й розмноження живої речовини, тобто, виражається в геометричній прогресії.
Крім цього формування ноосфери, згідно В.І. Вернадському, визначається наступними умовами і передумовами:
1. Людство стало єдиним цілим. Хід світової історії охопив всю земну кулю, включивши в єдиний процес, різні культурні області, що колись існували ізольовано.
2. Перетворення засобів зв'язку та обміну зробило регулярним і систематичним обмін речовиною, енергією та інформацією між різними елементами ноосфери.
3. Оволодіння новими джерелами енергії дало людині можливість корінного перетворення навколишнього середовища.
4. Зростає добробут народних мас, працею і розумом яких створюється ноосфера.
5. Усвідомлені рівність всіх людей і важливість виключення війн з життя суспільства.
Ми спростимо саме розуміння еволюції, якщо будемо вважати, що тільки перебуваємо на порозі ноосферогенезу, що «ноосфера» - це чи не те саме світле майбутнє людства, яке зовсім недавно позначалося словом «комунізм». Не точніше говорити про сучасність як про якісно новому щаблі розвитку ноосфери, зберігши ту «початкову» точку відліку її еволюції, коли з появою цивілізації на Землі біосфера стала природно-соціальною системою.
Список літератури
1. Горєлов А.А. Концепції сучасного природознавства: Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів, що навчаються за гуманітарними спеціальностями. - М.: Гуманит. вид. центр ВЛАДОС, 2002.2. Концепція сучасного природознавства: Під ред. професора С.І. Самигіна. Вид. третє. Ростов н / Д: «Фенікс», 2001 - 576 с.
3. Алексєєв В.П. Становлення людства. М., 1984. Бор Н. Атомна фізика і людське пізнання. М., 1961 Борн М. ейнштейнівської теорія відносності. М., 1964.
4. Вайнберг С. Перші три хвилини. Сучасний погляд на походження Всесвіту. М., 1981.
5. Дорфман Я.Г. Всесвітня історія фізики з початку 19 століття до середини 20 століття. М., 1979.
6. Кемпфер Ф. Шлях в сучасну фізику. М., 1972.
7. Меріон Дж. Б. Фізика і фізичний світ. М., 1975
8. Найдиш В.М. Концепції сучасного природознавства. Навчальний посібник. М., 1999.