Реферат: Біосфера - жива оболонка Землі

--PAGE_BREAK--Кругообіг кисню показаний на рис.

2.

Рис.
2.
Кругообіг кисню в біосфері


2.2 Кругообіг вуглецю
Джерела вуглецю в природі численні й різноманітні. Між тим, тільки вуглекислота, яка знаходиться в газоподібному стані та у воді, є тим джерелом, яке служить основою для переробки вуглецю в органічну речовину живих істот. Захоплена рослинами вуглекислота в процесі фотосинтезу перетворюється на вуглеводи. Під час інших процесів біосинтезу вона перетворюється на протеїни, ліпіди іт.д.

З іншого боку, всі організми дихають і виділяють в атмосферу вуглець у формі вуглекислоти. Коли ж настає смерть, то сапрофаги і редуценти розкладають і мінералізують трупи, утворюючи ланцюги живлення, у кінці яких вуглець знову надходить у кругообіг у формі вуглекислоти (рис. 3). Мертві рослинні і тваринні залишки, що накопичуються, сповільнюють кругообіг вуглецю. Тварини-сапрофаги і сапрофагічні мікроорганізми, які живуть у ґрунті, перетворюють накопичені на його поверхні залишки в нове утворення органічної матерії — гумус. Швидкість впливу організмів на гумус зовсім не однакова. Іноді ланцюг буває коротким і неповним: ланцюг сапрофагів позбавляється можливості функціонувати через нестачу кисню або внаслідок дуже високої кислотності; органічні залишки накопичуються у формі торфу і утворюють торф'яні болота. Тут призупинюється кругообіг вуглецю. Скупчення викопних органічних сполук у вигляді кам'яного вугілля і нафти свідчить про те саме, оскільки вуглекислота накопичується у вигляді карбонату кальцію (крейда, вапняки) хімічного чи біогенного походження. Часто ці маси вуглецю залишалися поза кругообігом упродовж цілих геологічних періодів, поки карбонат кальцію у вигляді гірських хребтів не піднімався над поверхнею моря. З цього моменту починалося надходження вуглецю і кальцію в кругообіг. Воно здійснювалося внаслідок вилужування вапняку атмосферними опадами чи під впливом лишайників, а також коренів квіткових рослин. Вуглець, який накопичився в ґрунті чи гірських породах, може бути звільнений і в процесі горіння, викликаного людською діяльністю—опалення, промисловість та ін.

Кругообіг вуглецю показаний на рис.3.

<img width=«551» height=«413» src=«ref-1_838611822-17093.coolpic» v:shapes="_x0000_s1032 _x0000_s1033 _x0000_s1034">


Рис. 3.
Кругообіг вуглецю в біосфері

2.3 Кругообіг азоту
Повітря містить більше 80% азоту, воно безперервно і в різних формах забезпечує його кругообіг. Електричні розряди, які супроводжують грози, синтезують (з атмосферного азоту і кисню) окисли азоту; ці окисли потрапляють у ґрунт разом з дощовою водою. Таким шляхом в екосистемі у формі селітри чи азотної кислоти накопичується від4до10кг азоту на1га за рік. Відбувається і фотохімічна фіксація азоту. Але найбільша кількість цього елементу надходить в екосистему в результаті діяльності мікроорганізмів — азотфіксаторів, які здатні використовувати енергію свого дихання для прямого засвоєння атмосферного азоту і синтезування протеїдів. Таким чином у ґрунт вноситься ще близько25кг азоту на1га. Найбільш ефективними в цьому відношенні є азотфіксуючі бактерії, які живуть у симбіозі з бобовими рослинами в бульбочках на коренях цих рослин.

Азот із різноманітних джерел надходить до коренів у формі нітратів, які абсорбуються і транспортуються в листя, де використовуються для синтезування протеїнів. Ці протеїни є основою азотного живлення тварин. Протеїни рослинного і тваринного походження також є продуктом харчування й різних мікроорганізмів. Трупи організмів розкладаютьсяредуцентами.Кожна група редуцентів спеціалізується на якійсь одній ланці цього процесу. Ланцюг закінчується діяльністю амоніфікуючих організмів, що утворюють аміак, який далі може ввійти в цикл нітрифікації — одні бактерії його окислюють у нітрити, а інші -нітрити в нітрати.

З іншого боку, бактерії-денітрифікатори постійно віддають азот в атмосферу: вони розкладають нітрати до азоту. Але вони активні лише в ґрунтах, які багаті азотом і вуглецем, і розкладають щонайбільше 20% загального азоту (щорічно в атмосферу його надходить до 50-60 кг з 1 га).

Азот може вийти з кругообігу, якщо досягне океану, де він акумулюється в глибоководних відкладеннях. Перш ніж азот потрапляє в абісальні відкладення, частина його захоплюється організмами морського фітопланктону, після чого він, як і фосфор, входить у цикл живлення м'ясоїдних, який закінчується рибами, що є кормом для птахів і ссавців. Ця частина азоту потрапляє з їхніми екскрементами на поверхню материка.

Втрати азоту, який залишається в абісальних відкладеннях, компенсуються азотом із вулканічних газів.

Кругообіг азоту показаний на рис.4.




<img width=«599» height=«398» src=«ref-1_838628915-19008.coolpic» v:shapes="_x0000_s1035 _x0000_s1036 _x0000_s1037">
Рис.

4.
Кругообіг азоту в біосфері

2.4 Кругообіг води

Вода не тільки джерело кисню, але й найбільш значна складова частина тіла живих організмів.

Великий кругообіг води на поверхні земної кулі добре відомий — випаровування, створюване сонячною енергією, дає атмосферну воду. Ця вода конденсується у формі хмар. Охолодження хмар викликає опади, які поглинаються ґрунтом або стікають по його поверхні. Таким шляхом вода повертається в моря і океани. У межах екосистем можна виділити такі фази кругообігу води: перехоплення, евакотранспірацію, інфільтрацію і стікання.

Рослинність виконує важливу екрануючу функцію, перехоплюючи частину опадів до того, як волога досягне ґрунту, і випаровуючи її в атмосферу. Це перехоплення, яке буває максимальним при слабких дощах, може в помірних широтах сягати до 25%від загальної суми опадів. Вода, яка проникає крізь крони у формі крапель з листя, або стікає по стеблах і стовбурах, сягає ґрунту, просочується в нього, або приєднується до поверхневого стоку. Частина інфільтраційної води затримується в ґрунті, причому тим сильніше, чим значнішим є ґрунтовий колоїдальний комплекс. Та частина води, яка промиває ґрунт на глибину 20-30см, може знову піднятися на його поверхню по капілярах і випаруватися. Корені рослин здатні всмоктувати ґрунтову воду зі значно більшої глибини, ніж20-30см; ця вода доставляється в листя і транспортується в атмосферу.

Евакотранспірацією називають віддавання екосистемою води в атмосферу; вона включає і фізично випаровувану воду, і воду, яка біологічно транспірується.

Кількість води, що транспірується рослинами, є досить великою. Одна береза випаровує за день75 лводи, бук— 100л, липа-200 л,а1га лісу-від20до50тис. л. Транспірація посилюється з покращанням водопостачання. Пшениця за період вегетації використовує з 1 га 3 750 т води, що відповідає 375 мм опадів, а продукує 12,5 тонн (сухої маси) рослинної речовини.

Величина евакотранспірації, яка складається з сумарної кількості води, що транспортується рослинами і випаровується ґрунтом, для Середньої Європи становить приблизно1тис. тонн на1га за рік.

Рослинність адаптується до місцевого кругообігу води. Якщо кількість дощової води, яка просочується в ґрунт, перевищує його максимальну вологоємкість, то вона досягає рівня ґрунтових вод. Об'єм води, що просочується, пропорційний вологості клімату і водопроникненості ґрунту, тобто збільшується в більш легких піщаних ґрунтах і зменшується в ґрунті, який сильно переплетений коренями рослин з підвищеною транспіраційною здатністю. Просочування атмосферних опадів до рівня ґрунтових вод сприяє видужуванню біогенних елементів і колоїдів ґрунту. Втрати, викликані поверхневим стоком, підвищуються при збільшенні крутизни схилу і при зменшенні щільності рослинного покриву.

Кругообіг води показаний на рис.5.

Відмінність циклів вуглецю і азоту від кругообігу води полягає в тому, що зазначені елементи в екосистемі накопичуються і зв'язуються, вода ж проходить через неї майже без втрат. Крім того, екосистема на формування біомаси щорічно використовує лише близько1%води, яка випадає у вигляді атмосферних опадів.
<img width=«619» height=«380» src=«ref-1_838647923-13966.coolpic» v:shapes="_x0000_s1038 _x0000_s1039 _x0000_s1040">
Рис.

5.
Кругообіг води в біосфері


2.5 Кругообіг фосфору
Кругообіг фосфору являє собою дуже простий незамкнений цикл. Фосфор здійснює кругообіг у наземних екосистемах як важлива і необхідна складова частина цитоплазми клітини. Редуценти мінералізують органічні сполуки фосфору з відмерлих організмів у фосфати, які знову споживаються коренями рослин. Величезні запаси фосфору, накопичені за минулі геологічні епохи, містять гірські породи. У процесі руйнування ці породи віддають фосфати наземним екосистемам, але значні кількості фосфатів виявляються залученими в кругообіг води, вилужуються і потрапляють у море. Тут вони збагачують солоні води, живлять фітопланктон і організми, які пов'язані з ними харчовими ланцюгами. Частина фосфатів використовується морськими екосистемами, інша частина накопичується в океанічних відкладеннях. Часткове повернення фосфатів на землю забезпечують морські птахи.

Кругообіг фосфору показаний на рис.6.
<img width=«466» height=«345» src=«ref-1_838661889-9368.coolpic» v:shapes="_x0000_s1041 _x0000_s1042 _x0000_s1043">


Рис. 6. Кругообіг фосфору в біосфері
Вважається, що кожного року повертається в кругообіг 60 тис. т фосфору, що зовсім не компенсує тих 2 млн. т фосфатів, які щорічно добуваються з покладів і швидко вилужуються при використанні у вигляді добрив.
2.6 Кругообіг сірки

Сірка, яка знаходиться в ґрунті, є продуктом розкладання материнських гірських порід, що містять пірити і халькопірити, а також продукт розкладання органічних речовин рослинного походження. Органічні речовини тваринного походження містять мало сірки. Корені адсорбують ґрунтову сірку, яка входить у створювані рослиною сірчані амінокислоти (цистин, цистеїн, метіонін).

Після відмирання рослин сірка повертається в ґрунт. Це здійснюється численними організмами. Деякі з них відновлюють сірку органічних сполук у сірководень і сірку, а інші організми окисляють ці продукти в сульфати, які поглинаються коренями рослин. Таким чином підтримується кругообіг сірки в природі. Крім сірки органічного походження, рослини можуть вводити в цикл значну кількість сірки, яка переноситься повітряними масами і дощовою водою з промислових районів (дими). Це джерело забезпечує від2,7до260кг сірки на1га за рік.
2.7 Перетворення енергії в біосфері
З кругообігом речовин тісно пов'язане перетворення енергії в біосфері. Як було вже згадано, первинним джерелом енергії будь-якої екосистеми є Сонце. Кількість сонячної енергії, яка досягає поверхні Землі, у районах з помірним або помірно жарким кліматом дорівнює в середньому 10 млрд. ккал на 1 га за рік. Але лише1%сонячної енергії, що надходить на поверхню Землі, використовується рослинами на фотосинтез, тобто на створення органічних речовин. Із цієї відносно невеликої кількості значна частина енергії (більше 50%) йде на процеси життєдіяльності рослин (дихання та ін.) і неминуче розсіюється.

Відповідно через екосистеми проходить безперервний потік енергії, який, на відміну від кругообігу речовин, не є замкненим.

Кількість розсіюваної енергії може дорівнювати отримуваній, і тоді система існує з нульовим балансом. Але звичайно частина її накопичується у вигляді приросту біомаси або відкладень органічних решток у ґрунті чи на дні водойм.

Визначено, що при переході від однієї ланки харчового ланцюга до іншої розсіюється до 90% енергії, яка міститься в біомасі тих чи інших організмів. Наприклад, трофічний ланцюг водної системи може бути представлений так: фітопланктон (мікроскопічні водорості) → зоопланктон (дрібні рачки) → молодь риб → дорослі хижі риби (наприклад, окунь). Відповідно, для отримання 1 кг окунів має бути витрачено приблизно 10 кг риб'ячої молоді, 100 кг зоопланктону чи 1000 кг фітопланктону. Тому з цього можна зробити важливий практичний висновок-економічно більш вигідно використовувати господарсько цінні види, які мають короткі трофічні ланцюги.

Графічно трансформацію енергії на кожному рівні зображують у вигляді пірамід енергії.

Таким чином, основа біосфери-кругообіг органічної речовини, який здійснюється за участі всіх організмів, що населяють біосферу.

У закономірностях біологічного кругообігу полягає основа тривалого існування і розвитку життя. Запаси доступних мінеральних елементів, необхідних для здійснення життєвих функцій, не можуть бути безкінечними. Коли б вони тільки споживалися, то життя б рано чи пізно припинилося.

Зелені рослини створюють органічну речовину, незелені рослини і тварини руйнують її. З мінеральних сполук, отриманих від розпаду органічної речовини, нові зелені рослини будують нову органічну речовину, і так без кінця. З цієї точки зору, кожний вид організмів є важливою ланкою в кругових процесах елементів, у міграціях атомів. Використовуючи як засоби існування тіла чи продукти розпаду одних організмів, кожний вид повинен віддавати в середовище те, що можуть використовувати інші.

Особливо велика роль у кругообігу речовин належить мікроорганізмам. Мінералізуючи органічні рештки тварин і рослин, мікроорганізми перетворюють їх у мінеральні солі і найпростіші органічні сполуки типу біогенних стимуляторів, які знову використовуються зеленими рослинами при синтезі нової органічної речовини.

Один із головних парадоксів життя полягає в тому, що його безперервність забезпечується процесами розпаду, деструкцією.

Руйнуються складні органічні сполуки, вивільнюється енергія, втрачається запас інформації, який властивий живим типам зі складною організацією. У результаті діяльності деструкторів, переважно мікроорганізмів, будь-яка форма життя неминуче буде залучена в біологічний кругообіг. Тому за їх допомогою здійснюється саморегуляція біосфери. Дві властивості дозволяють мікроорганізмам відігравати таку важливу роль: здатність швидко пристосовуватися до різних умов і здатність використовувати як джерело вуглецю й енергії будь-які субстрати. Вищі організми не мають такої властивості, тому вони можуть існувати лише як своєрідна надбудова на міцному фундаменті мікроорганізмів.

Антропогенна діяльність дуже впливає на природний біологічний кругообіг речовин та залучає до нього ті речовини, які давно були з нього вилучені. Можна відзначити небувале прискорення кругообігу деяких речовин. Швидко вичерпуються родовища багатьох елементів, іноді вони можуть накопичуватися в пропорціях, яких ніколи не було в природі. У цілому в біосфері під впливом людини знижується ентропія за рахунок збільшення ентропії земної кори (спалювання горючих корисних копалин, розсіювання металічних корисних копалин та ін.). Все це приводить до порушення рівноваги біосфери (Білявський та ін.,1993р.).


3
Природні ресурси біосфери та їх класифікація
Природні ресурси-найважливіший компонент оточуючого людину природного середовища; вони використовуються для створення матеріальних і духовних потреб суспільства. До природних ресурсів відносять: атмосферне повітря, воду, ґрунт, сонячну і космічну радіацію, корисні копалини, клімат, рослинний і тваринний світ. Багато природних ресурсів складається з ряду компонентів.

Природні ресурси виступають не тільки як компоненти природи, але й як економічна категорія. Для тривалого використання й охорони природних ресурсів необхідно знати їх класифікацію.

За походженням виділяють ресурси природних компонентів і ресурси природно-територіальних комплексів.

Ресурси природних компонентів.


Кожний вид природних ресурсів формується в одному з компонентів ландшафтної оболонки.

За належністю до компонентів ландшафтної оболонки виділяють такі ресурси:

а) мінеральні;

б) кліматичні;

в) водні;

г) рослинні;

ґ) земельні;

д) ґрунтові;

е) тваринного походження.

Ресурси природно-територіальних комплексів:


а) гірничопромислові;

б) сільськогосподарські;

в)водогосподарські;

г) лісогосподарські;

ґ) селітебні;

д) рекреаційні та ін.

Основний критерій класифікації природних ресурсів за видами господарчого використання-це віднесення їх до різних секторів матеріального виробництва. За цією ознакою природні ресурси поділяють на ресурси промислового і сільськогосподарського виробництва.

Природні ресурси промислового виробництва.


Сюди належать усі види природної сировини, яка використовується в промисловості:

а) енергетичні-горючі корисні копалини, гідроенергоресурси, джерела біоконверсійної енергії, ядерна сировина;

б) неенергетичні-корисні копалини, вода, землі, лісові ресурси, рибні ресурси (добування має промисловий характер).

Природні ресурси сільськогосподарського виробництва:

а) агрокліматичні-ресурси тепла і вологи, які необхідні для росту сільськогосподарських рослин та розвитку худоби;

б) ґрунтово-земельні-земля та її верхній шар з унікальними властивостями родючості;

в) водні ресурси-води, які використовуються в рослинництві для зрошення, у тваринництві-для напування і утримання худоби.

За ознакою вичерпності природні ресурси поділяють на дві категорії: вичерпні та невичерпні.

Вичерпні ресурси,у свою чергу, поділяються на невідновні і відновні.

До невідновних природних ресурсівналежать ті з них, які абсолютно не відновлюються (кам'яне вугілля, нафта, більшість корисних копалин) або відновлюються в сотні тисяч і мільйони разів повільніше, ніж відбувається їх використання (торф'яники, багато осадових порід). Використання цих ресурсів неминуче призводить до їх виснаження.

До відновних природних ресурсівналежать ґрунт, рослинний і тваринний світ (біологічні ресурси) та деякі мінеральні ресурси (наприклад, морська сіль). При раціональному використанні вони постійно відновлюються. Процес самовідновлення відбувається за певних природних умов, що необхідно враховувати при їх використанні. Темпи витрачання цих ресурсів повинні відповідати темпам їх відновлення. Порушення цієї відповідності приводить до виснаження ресурсів. Відновні природні ресурси внаслідок антропогенного впливу можуть стати невідновними (це стосується винищених видів тварин і рослин, втрачених внаслідок ерозії ґрунтів та ін.).

Невичерпні природні ресурсивключають водні, кліматичні та космічні ресурси.

Водні ресурсиє незмінними та невичерпними. Проте у зв'язку з різноманітною діяльністю людини кількість та якість води в окремих частинах Землі може дуже змінюватися, тому вона потребує охорони.

Кліматичні ресурсивключають атмосферне повітря, енергію вітру. Атмосферне повітря невичерпне, але під дією забруднення може суттєво змінюватися його склад і тому воно потребує охорони.

До космічних ресурсіввідносять сонячну радіацію, енергію морських припливів.

Як видно, дана класифікація природних ресурсів має умовний характер, але незважаючи на це, вона орієнтує на організацію правильної їх експлуатації та охорони.

Кожна з груп природних ресурсів вимагає відповідного ставлення до них на практиці. В основі охорони одних повинен бути ресурсооборот за принципом розширеного відтворення, других -економне використання, третіх-боротьба із забрудненням, втратами в процесі добування, перевезення, обробки та використання, пошук відповідних замінників.

Раціональне використання та охорона природних ресурсів потребують кількісного обліку. Ретельний і систематичний облік ресурсів дозволяє помітити наближення критичної межі їхньої кількісної зміни та вжити відповідних заходів щодо їх збереження.


4
Поняття про біорізноманіття і генофонд живих організмів
Розмаїтість природнокліматичних і геофізичних умов планети визначила унікальну за розмахом різноманітність форм життя.

Біорізноманіття — це варіабельність живих організмів на всіх рівнях організації: генетичному, видовому і більш високих таксономічних, включаючи різноманітність місцеперебувань і екосистем (ландшафтів).

Поняття «біологічне різноманіття» включає характеристики структури, організації і функцій живої речовини на всіх рівнях її організації (як суборганізмених, так і надорганізмених), всіх рівнів її хронологічної організації і просторової ієрархії (від парцел і біогеоценозів до біосфери в цілому).

Високе біологічне різноманіття зумовлене перш за все великою кількістю видів живих організмів. Іноді саме цей показник розглядається як головна характеристика біорізноманіття.

Форми біорізноманіття:

1. Таксономічне, або видове.

2. Екологічне (життєвих форм, екологічних і функціонально-трофічних груп, екологічних ніш та ін.).

3. Структурне (рівні організації життя).

4. Генетичне (генофонд диких живих організмів і культурних, створених людиною).

5. Інтенсивність і збалансованість біологічного кругообігу. Біорізноманіття є результатом тривалої еволюції біосфери.

Незважаючи на4 млрд.років еволюції, таксономічний склад систем ще не стабілізувався. Біорізноманіття біосфери продовжує вдосконалюватися за рахунок великого резерву в еволюції угруповань. На цьому рівні провідна роль належить коеволюції та груповому добору.

Історія розвитку біосфери показує, що людина абсолютно залежить від інших живих організмів, які населяють середовище, в якому вона живе. Тільки від їх життєдіяльності і від їх різноманітності залежить стійкість біосфери як глобальної екосистеми.

Генофонд живих організмів-
сукупність спадкових властивостей всіх існуючих на Землі організмів. Охорона генофонду необхідна з господарських, наукових, етичних і естетичних мотивів. Кожний біологічний вид неповторний, у ньому міститься інформація про філогенетичний розвиток рослинного і тваринного світу, яка має величезне наукове і прикладне значення. Це пов'язано з тим, що на майбутнє не можна передбачити всі можливості використання того чи іншого організму. Весь генофонд нашої планети, за винятком деяких особливо небезпечних патогенних мікроорганізмів, підлягає охороні.

Охорони потребує не тільки генофонд окремих видів, але також підвидів і навіть окремих популяцій. Як свідчить генетика, внаслідок рекомбінації генів жодна популяція не може складатися з повністю ідентичних особин. До складу екосистем входить значна кількість видів, що складаються з таких різноманітних особин.
    продолжение
--PAGE_BREAK--