1. Учение Вернадского о биосфере

Биосфера – оболочка Земли, населенная живыми организмами.

Академик В.И. Вернадский посвятил ее изучению основную часть своих научных трудов. Разбирая основные положения его теории, рассмотрим главные теоретические аспекты темы, необходимые для экзамена.

Основные положения теории В. И. Вернадского:

1. Солнце – источник энергии. Главнейшую роль в жизни на Земле играет непрерывно поступающий поток энергии.

Биосфера – открытая система, она не может существовать без энергии, поступающей извне. Основным поставщиком этой энергии является Солнце. Растения способны аккумулировать солнечную энергию и переводить ее в энергию химических связей глюкозы, таким образом, делая ее доступной для всех остальных живых организмов.

2. Живое вещество играет основную роль в биохимическом круговороте веществ и энергии.

В соответствии с учением Вернадского живое вещество – главный отправной пункт в развитии биосферы. Оно контролирует ее развитие и управляет ей. Живые организмы участвует в круговороте всех химических элементов (круговорот основных элементов, необходимых для экзамена, см. ниже).

З. Элементарной структурной единицей биосферы является биогеоценоз.

Биосфера является высшим уровнем организации жизни на Земле. Она включает в себя все нижестоящие элементы и частично подчиняется их законам: биосфера тем устойчивее, чем устойчивее ее компоненты. Известно, что устойчивость экосистемы определяется количеством видов, населяющих ее. Соответственно для устойчивости биосферы важно поддерживать биологическое разнообразие видов, населяющих Землю.

4. Необходимым условием существования биосферы является круговорот веществ.

Круговорот веществ позволяет повторно использовать одни и те же элементы. Например, минеральные соли, которые растения поглощают из почвы, проходят по всей пищевой цепи и возвращаются обратно в почву при помощи редуцентов. Если бы этот процесс не происходил, растения бы исчерпали запас этих веществ и в итоге бы погибли.

5. Живое вещество в биосфере распределено неравномерно.

В океане обитает менее 1% живых организмов, населяющих планету. Оставшиеся организмы живут на суше. На суше 99% живых существ – растения, животные составляют менее 1%.

6. Биосфера имеет границы.

Биосфера распространяется на нижний слой атмосферы, верхний слой литосферы и часть гидросферы.

7. Под влиянием деятельности человека биосфера переходит в ноосферу – «сферу разума».

Ноосфера – «разумная оболочка Земли» - высшая стадия развития биосферы, в которой проявляется деятельность человека как главный, определяющий фактор развития.

8. Все вещества биосферы подразделяются на четыре группы: живое, косное, биокосное, биогенное.

Живое вещество – совокупность всех живых элементов биосферы.

Косное вещество – неживые компоненты биосферы, в своем происхождении никак не связанные с деятельность живого. Примеры: гранит, базальт, мрамор, песок.

Биокосное вещество – элементы, образованные в результате совместной деятельности живого и косного. К нему относят воду, почву, глину, ил и другие элементы (глину иногда относят и к косному веществу).

Биогенное вещество – вещество, на протяжении истории развития планеты образуемое живыми веществами – нефть, газ, каменный уголь.

Закон биогенной миграции атомов В. И. Вернадского:

Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время составляет биосферу, так и тем, которое существовало на Земле в течение всей геологической истории.

2. Функции живого вещества

Живое вещество – совокупность биомассы Земли. Оно представляет собой открытую систему, для которой характерны рост, размножение, распространение, обмен веществ и энергии с внешней средой, накопление энергии и передача ее в цепях питания.

Функции живого вещества:

- энергетическая -  связана с запасанием энергии в процессе фотосинтеза, передачей ее по цепям питания, рассеиванием

- газовая – поддержание постоянного газообмена с окружающей средой, влияние на газовый состав атмосферы

- концентрационная – участие в биогенной миграции атомов, которые концентрируются в живых организмах, а после их отмирания переходят в неживую природу

- окислительно-восстановительная – обмен веществ и энергии, фотосинтез

- иногда выделяют транспортную функцию – перенос веществ против силы тяжести и в горизонтальном направлении

3. Круговорот веществ

Круговорот веществ - естественное циклическое движение химических элементов от одного компонента биосферы (или биоценоза) к другому, поддерживаемое потоком солнечной радиации. Основным средством этого круговорота служат пищевые связи живых организмов. В воздушный круговорот включается 98,3% веществ (02, Н2, N, С и др.), в водный -1,7% (Na, Mg, Fe, S, CI, К и др.).

Для экзамена необходимо представлять круговорот следующих веществ:

1. Круговорот углерода.

Углерод в природе находится в горных породах в виде известняка и мрамора. Большая часть углерода находится в атмосфере в виде углекислого газа. Из воздуха углекислый газ поглощается зелеными растениями, при фотосинтезе превращается в органические вещества, которые затем переходят по цепям питания, и снова углерод возвращается в атмосферу в виде углекислого газа, образующегося в результате метаболизма (дыхание, брожение), благодаря деятельности бактерий, разрушающих мертвые остатки растений и животных.

2. Круговорот азота — биогеохимический процесс в биосфере, в котором участвуют организмы-редуценты, а также нитрифицирующие и клубеньковые бактерии. Азот — важный химический элемент, входящий в состав белков и нуклеиновых кислот. Основная масса азота поступает из атмосферы благодаря азотфиксирующим бактериям. Они усваивают его и переводят в химические соединения, способные усваиваться растениями. Затем азот передается по цепям питания и возвращается в свободном виде в атмосферу.

Аммонификация — разложение (гниение) белков с образованием аммиака (минерализация органического вещества) — осуществляется редуцентами.

Нитрификация — процесс окисления солей аммиака в соли азотной кислоты: I этап — превращение аммиака в нитриты; II этап — превращение нитритов в нитраты. Осуществляется почвенными нитрифицирующими бактериями (нитрозомонас, нитрозабактер).

Денитрификация — разложение солей азотной кислоты до образования газообразного азота — осуществляется почвенными денитрифицирующими бактериями.

Азотфиксация — образование азотистых соединений путем фиксации атмосферного азота свободноживущими почвенными бактериями (азотобактер) или бактериями, живущими в симбиозе с корнями бобовых растений (клубеньковые бактерии ризобиум).

3. Круговорот воды в биосфере.

Вода выпадает на поверхность Земли в виде осадков, образующихся из водяного пара атмосферы. Определенная часть выпавших осадков испаряется прямо с поверхности, возвращаясь в атмосферу водяным паром. Другая часть проникает в почву, всасывается корнями растений и затем, пройдя через растения, испаряется в процессе транспирации. Третья часть просачивается в глубокие слои подпочвы до водоупорных горизонтов, пополняя подземные воды. Четвертая часть в виде поверхностного, речного и подземного стока стекает в водоемы, откуда также испаряется в атмосферу. Наконец, часть используется животными и потребляется человеком для своих нужд. Вся испарившаяся и вернувшаяся в атмосферу вода конденсируется и вновь выпадает в качестве осадков.

4. Экологические проблемы и охрана окружающей среды.

За время всей истории своего развития человек постоянно взаимодействовал с окружающей средой и зависел от нее. Затем он сам превратился в важнейший фактор природы – антропогенный.

К сожалению, чаще человек оказывает на биосферу отрицательное влияние: разрушение мест обитания многих животных, вытеснение их из естественных мест обитания, вытаптывание растений, вырубка леса, расселение людей и осваивание все больших территорий, загрязнение окружающей среды, увеличение площади городов, рост промышленного производства.

Следствием этого воздействия является изменение как животного, так и растительного сообществ. Эти факторы ведут к изменению природы в целом.

Охрана окружающей среды – комплекс мер, направленных на сохранение и восстановление компонентов биосферы.

Основные направления ООС: борьба с опустыниванием, охрана Мирового океана, почвенного покрова, дождевых тропических лесов, источников пресной воды и тд.

Основные экологические проблемы:

1. нарушение озонового экрана

В стратосфере, на уровне около 20 км над поверхностью Земли, кислород (О2) получает дополнительный атом и превращается в озон. Сравнительно большая концентрация озона в этом слое поглощает вредное для всего живого ультрафиолетовое излучение, спасая от развития вредных мутаций. В самом начале развития жизни озоновый слой позволил выйти организмом из воды на сушу.

Однако озоновый слой (экран) постоянно подвергается негативному воздействию со стороны человека. Фреон в холодильниках, многие газы, входящие в состав современных аэрозолей, газы, выделяющиеся при сжигании ракетного топлива, дым, образуемый промышленными предприятиями – все эти вещества взаимодействуют с озоном, разрушая его.

О нарушении озонового слоя свидетельствуют «дыры», появляющиеся в зимние и весенние месяцы над Антарктидой. Особое распределение воздуха в атмосфере приводит к тому, что в определенные периоды именно в этой зоне скапливаются такие вещества как хлор, фтор, оксиды азота, метан и так далее. Эти вещества приводят к формированию локальных разрывов экрана. Однако последствия у этого события глобальные, и это понимать очень важно. Озоновый экран не зонирован, поэтому при недостатке его в одном месте происходит перераспределение его из других мест. Поэтому в итоге истончается озоновый слой над всей планетой и все живое испытывает негативное влияние ультрафиолета все больше и больше.

2. парниковый эффект

Земля постоянно получает тепло от Солнца и отдает в атмосферу часть этого тепла. Раньше это тепло рассеивалось в космосе, то есть происходила нормальная его циркуляция. Но в последнее время тепло стало задерживаться в атмосфере, как будто его что-то держит. Ученые считают, что активная деятельность человека (особенно развитие автомобильного транспорта и промышленности) ведет к повышению содержания в воздухе Земли, прежде всего углекислого газа, также паров воды. Эти вещества как будто создают своеобразное стекло парника, которое не выпускает тепло наружу. В результате повышается температура Земли, тают ледники, повышается уровень Мирового океана.

3. кислотные дожди - дожди, которые характеризуются повышенным содержанием кислот вследствие наличия в воздухе таких загрязняющих веществ, как оксиды серы, азота и др. У кислотного дождя рН может составлять до 2, 8(обычно – около 6). Кислотные дожди могут нанести значительный ущерб и растениям, и животным. Например, в некоторых озерах вследствие кислотных дождей исчезла полностью и рыба, и водоросли.

Ниже представлена картинка, вы можете проследить процесс формирования кислотного дождя в соответствии с цифрами по ходу текста.

Сера по большей части выбрасывается из заводских дымовых труб в виде газообразного диоксида серы (1) , а азот — в форме оксидов азота (N0 или N02 )•также газообразных (2). Газы могут быть поглощены непосредственно почвой, озерами или поверхностной растительностью (3). Если же они какое-то время находятся в атмосфере, газы превращаются в растворы кислот (4). Оксиды серы дают серную кислоту, а оксиды азота — азотную. Кислоты обычно растворяются в каплях дождя и могут перемещаться на большие расстояния, прежде чем выпадут в виде кислотного дождя. Образованию кислот в облаках способствуют катализаторы: перекись водорода, озон и аммоний(5). Количество аммония (NN4) может возрасти, когда некоторые кислоты частично нейтрализуются (6) аммиаком, содержащимся в воздухе. Окисление усиливается пропорционально количеству активных ионов водорода, растворенных в кислоте (7). Выбрасываемые, например, с выхлопами автомобиля углеводороды (8) при солнечном свете реагируют с оксидами азота и дают озон (9). Хотя он необходим в атмосфере (см выше), он также ускоряет формирование кислотных дождей. При выпадении на почву кислотный дождь вызывает растворение и высвобождение тяжелых металлов и алюминия (10). Когда он попадает в озера, у рыб появляются химические повреждения. Леса страдают от кислотных дождей, потому что повреждаются листья (за счет потери необходимых питательных веществ, а также из-за увеличения количества токсичных металлов, высвобожденных кислотами — это повреждает корни и губит содержащиеся в почве микроорганизмы)

4. вырубка лесов

Леса обогащают атмосферу столь необходимым для жизни кислородом, поглощают диоксид углерода, выделяемый животными и человеком в процессе дыхания, а также промышленными предприятиями в процессе работы. Они играют основную роль в круговороте воды. Деревья забирают воду из почвы, фильтруют ее, очищая от примесей, и выделяют в атмосферу, повышая влажность климата. Леса влияют на круговорот воды. Деревья поднимают подземные воды, обогащая почвы и удерживая их от опустынивания и эрозии – недаром при обезлесении моментально мелеют реки.

Согласно докладам Организации по продовольствию и сельскому хозяйству ООН, обезлесение продолжается во всем мире с большой скоростью. Ежегодно теряется 13 миллионов гектаров леса, тогда как вырастает только 6 Га.

Это значит, что каждую секунду с лица планеты исчезает лес размером с футбольное поле.

5. сокращение биоразнообразия

По оценкам специалистов ежегодно исчезает 10-15 тысяч разновидностей организмов. Это означает, что за грядущие 50 лет планета потеряет, по разным оценкам, от четверти до половины своего биологического разнообразия. Обеднение видового состава флоры и фауны существенно снижает устойчивость экосистем и биосферы в целом, что так же представляет серьезную опасность для человечества. Процесс сокращения биоразнообразия характеризуется лавинообразным ускорением. Чем менее биоразнообразие планеты, тем хуже условия выживания в ней.

Человечество как вид с огромной численностью и ареалом обитания не оставляет пригодного местообитания для других видов. Необходимо интенсивное расширение площади особо охраняемых природных территорий для сохранения видов находящихся под угрозой исчезновения, а так же жесткое регулирование истребления промыслово-ценных видов.

6. опустынивание

Опустынивание - деградация земель в аридных, полуаридных и засушливых областях земного шара, вызванная как деятельностью человека (антропогенными причинами), так и природными факторами и процессами.

Деградация земель — снижение или потеря биологической и экономической продуктивности пахотных земель или пастбищ в результате землепользования. Характеризуется маленьким количеством земли, увяданием растительности, снижением связанности почвы, в результате чего становится возможной быстрая ветровая эрозия. Опустынивание относится к трудно компенсируемым последствиям климатических изменений, так как на восстановление одного условного сантиметра плодородного почвенного покрова уходит в аридной зоне в среднем от 70 до 150 лет.

На Земле происходит деградация биосферы, вызванная следующими факторами вмешательства человека в природу:

- съеданием домашними животными растительного покрова,

- истощением земель в результате их чрезмерного использования,

- вырубкой лесов,

- неправильными методами ирригации.

Наиболее частым видом вмешательства человека в природу является съедание домашними животными растительного покрова. Вследствие выпаса животных растительный покров становится все более редким, и происходит разрыхление почвы. Это приводит к усилению эрозии почвы, что еще больше ухудшает условия для роста растений.

Следующим по своей пагубности видом вмешательства в природу является непомерное использование пахотных угодий. Условия обитания в почве ухудшаются под действием химических веществ, таких как удобрения или пестициды, а также вследствие её механического уплотнения сельскохозяйственными машинами, что может привести к истреблению многих видов животных, обитающих в почве (например, дождевых червей).

И, наконец, существенной причиной опустынивания также является вырубка лесов в засушливых областях. Вырубка лесов под пахотные земли и потребность в древесине для отопления и строительства привели к катастрофическому сокращению лесов во многих аридных областях Земли, в частности во многих густонаселенных регионах Африки, где древесина до сих пор является важнейшим энергоносителем.

Однако вести борьбу с дезертификацией чрезвычайно сложно. Чрезмерное использование пахотных земель и климатические изменения могут иметь одинаковые последствия и быть взаимосвязанными, что очень усложняет задачу определения причин наступления пустыни и принятия адекватных контрмер.

7. Нефтяное загрязнение

Нефть - природная маслянистая горючая жидкость, распространенная в осадочной оболочке Земли; важнейшее полезное ископаемое. Сложная смесь алканов, некоторых циклоалканов и аренов, а также кислородных, сернистых и азотистых соединений. В наши дни нефть, как энергетический ресурс, является одним из основных факторов развития экономики. Но добыча нефти, ее транспортировка и переработка неизменно сопровождается ее потерями, выбросами и сбросами вредных веществ, последствием которых является загрязнение окружающей среды. По масштабам и степени токсичности нефтяное загрязнение представляет собой общепланетарную опасность. Нефть и нефтепродукты вызывают отравление, гибель организмов и деградацию почв. Естественное самоочищение природных объектов от нефтяного загрязнения - длительный процесс особенно в условиях низких температур. Предприятия топливно-энергетического комплекса крупнейший в промышленности источник загрязнителей окружающей среды. На их долю приходится около 48% выбросов вредных веществ в атмосферу, 27% сброса загрязненных сточных вод, свыше 30% твердых отходов и до 70% общего объема парниковых газов.

8. Перенаселение

Перенаселение — вид демографического кризиса, который характеризуется избытком населения по отношению к средствам существования (нехватка ресурсов для поддержания гигиенических норм жизни) или избытком населения по отношению к спросу на рабочую силу.

Перенаселение — относительное понятие, зависящее от ресурсной базы и уровня экономического развития территории проживания данного населения, а также включает в себя оценку возможностей пополнения и расширения источников средств существования.

5. Виды ресурсов

Природные ресурсы – полезные ископаемые, источники энергии, почва, водоемы, минералы, леса, животный и растительный мир – все то, с чем взаимодействует человек и чем он пользуется.

Ресурсы делят на 2 основных категории: исчерпаемые и неисчерпаемые. Исчерпаемые ресурсы в свою очередь включают в себя возобновимые и невозбновимые.

Неисчерпаемые ресурсы – космическая энергия, климатические условия, водные ресурсы.

Исчерпаемые:

- возобновимые ресурсы — природные ресурсы, запасы которых или восстанавливаются быстрее, чем используются, или не зависят от того, используются они или нет. Примеры: почва, растения, животные, осадочные породы.

- невозобновимые - ресурсы земных недр. Строго говоря, многие из них могут возобновляться в ходе геологических циклов, но длительность этих циклов, определяемая сотнями миллионов лет, несоизмерима с этапами развития общества и скоростью расходования минеральных ресурсов. К невозобновимым ресурсам относится: полезные ископаемые, топливо (нефть, газ, уголь), минеральное сырье.

Одной из глобальных экологических проблем человечества является нерациональное использование ресурсов, сокращение их количества. Особенно опасно уменьшение объема невозобновимых ресурсов.