Курсовая работа: Біосфера - жива оболонка Землі
ЗМІСТ
Вступ
1 Вчення В.І. Вернадського про біосферу
2 Біологічний кругообіг речовин і енергії в біосфері
2.1 Генезис і кругообіг кисню
2.2 Кругообіг вуглецю
2.3 Кругообіг азоту
2.4 Кругообіг води
2.5 Кругообіг фосфору
2.6 Кругообіг сірки
2.7 Перетворення енергії в біосфері
3 Природні ресурси біосфери та їх класифікація
4 Поняття про біорізноманіття і генофонд живих організмів
5 Народонаселення планети Земля
Висновки
Література
Вступ
Тема курсової роботи «Біосфера - жива оболонка Землі».
Біосфера (від гр. bios - життя і sfere — куля) - область активного життя оболонки Землі, яка включає частини атмосфери, гідросфери і літосфери, заселені живими організмами.
Мета роботи – розглянути вчення В.І. Вернадського про біосферу, біологічний кругообіг речовин і енергії в біосфері, зробити класифікацію природних ресурсів біосфери, розкрити поняття про біорізноманіття і генофонд живих організмів, розкрити тему народонаселення на планеті Земля, зробити висновки.
1 Вчення В.І. Вернадського про біосферу
Вперше термін «біосфера» вжив австрійський учений Е. Зюсс у 1875 році, але поширився він після праць нашого вітчизняного вченого, засновника та першого президента АН України, академіка В.І. Вернадського (1864-1945р.р.). Основи його вчення викладені в книзі «Біосфера» (1926р.). Він довів, що живі організми відіграють дуже важливу роль у процесах, які відбуваються у всіх сферах Землі. «Якби на Землі було відсутнє життя, - писав учений, - обличчя її було б таким же незмінним і хімічно інертним, як нерухоме обличчя Місяця, як інертні уламки небесних світил.» За мільярди років існування Землі живі істоти рішуче змінили склад її атмосфери, гідросфери й літосфери, створивши, по суті, зовсім нове середовище життя.
В.І. Вернадський визначив біосферу як термодинамічну оболонку з температурами +50...-50°С і тиском приблизно 10 000 Па, що відповідає межам життя для більшості організмів.
За В.І. Вернадським, верхня межа біосфери знаходиться на висоті 15-22 км, охоплюючи тропосферу і нижню частину стратосфери. Знизу біосфера обмежена відкладеннями на дні океанів (до глибини 11 км) і глибиною проникнення в надра Землі організмів і води в рідкому стані (2-3 км).
Нижня межа біосфери в рамках літосфери обумовлена тепловим бар'єром і, як правило, не опускається нижче 5 км. Загальна протяжність біосфери - 40 км. Від усіх геосфер вона відрізняється енергійним перебігом хімічних перетворень.
В.І. Вернадський розглядав біосферу як царину життя, яка включає поряд з організмами і середовище їх існування. Горизонти біосфери, які найбільш інтенсивно заселені живими організмами, називаються «плівкою життя» або плетобіосферою.
Біосфера на нашій планеті виконує ряд важливих функцій, які обумовлюють властивості й відносну стабільність природи Землі:
- закріплення рухомих елементів поверхні літосфери (пісок, глина, гравій, дрібна галька, ліси, ґрунти різних типів);
- регуляція кругообігу води шляхом сповільнення поверхневого стоку і переведення його в підземний, зволоження повітря, зниження випаровуваності з поверхні внаслідок затемнення і зменшення швидкості вітру;
- зв'язування вуглекислоти, що виділяється тваринами та в ході хімічних перетворень у неживій природі;
- виділення кисню в процесі фотосинтезу наземними і водними рослинами;
- переведення в прості хімічні речовини величезної маси відмерлих організмів і їх виділень;
- участь в утворенні і відновленні ґрунтів, в очищенні атмосфери і води від різноманітних забруднень, в утворенні місцевого клімату і погоди;
- переміщення по планеті (суша, річки, моря і океани) маси різноманітних хімічних елементів і речовин;
- участь в утворенні багатьох гірських порід, частина яких є корисними копалинами (кам'яне вугілля, крейда, вапняки та ін.);
- акумуляція і трансформація сонячної енергії, яка в трансформованому вигляді включається в кругообіг енергії Землі.
Основними поняттями біосфери В.І. Вернадський вважає живу речовину (організми, біогенну речовину - створені живими організмами органо-мінеральні або органічні продукти і кам'яне вугілля, сапропель, торф, лісову підстилку, гумус ґрунту тощо), біокосну речовину, створену живими організмами за участі неживої природи (приземна атмосфера, осадові породи, глинисті мінерали, вода та інше) і косну речовину - гірські породи магматичного, неорганічного походження, воду, а також значно перероблені і видозмінені живими організмами речовини космічного походження (космічний пил, метеорити тощо). Крім того, до складу біосфери входять радіоактивні речовини, які виникають у результаті розпаду радіоактивних елементів, і розсіяні атоми, не зв'язані хімічними реакціями (рис. 1).
Рис. 1. Склад біосфери та її межі
В.І. Вернадський називає живу речовину основною рухомою силою біосфери. Бути живим - значить бути організованим, зазначав Вернадський, і в цьому полягає суть поняття біосфери як організованої оболонки Землі. Протягом мільярдів років існування біосфери організованість створюється і зберігається діяльністю живої речовини - сукупності всіх живих організмів^ Живі організми, - писав В.І. Вернадський, - є функцією біосфери і найтіснішим чином матеріально і енергетично з нею пов'язані, є величезною геологічною силою, що її визначає. Для того, щоб у цьому переконатися, ми повинні виразити живі організми як щось ціле і єдине. Виражені таким чином живі організми складають живу речовину, тобто сукупність усіх живих організмів, існуючих на даний момент, чисельно виражену в елементарному хімічному складі, у вазі, в енергії. Вона пов'язана з навколишнім середовищем біогенним потоком атомів: своїм диханням, живленням і розмноженням».
Жива речовина розподілена в біосфері досить нерівномірно. Більша її частина знаходиться в приповерхневих ділянках суші (особливо великою є біомаса тропічних лісів) і гідросфери, де масово розвиваються зелені рослини та гетеротрофні тварини, що живляться ними. Більше 90% усієї живої речовини, утвореної, головним чином, вуглецем, киснем, азотом і воднем, припадають на наземну рослинність (97-98% біомаси суші). За підрахунками В.І. Вернадського, біомаса всіх організмів Землі сягає 1015 тонн, що складає лише 0,25% маси всієї біосфери. Але, незважаючи на це, В.І. Вернадський вважав живу речовину найбільш потужним геохімічним і енергетичним фактором, провідною силою планетарного розвитку.
Форма діяльності живого, його біохімічна робота в біосфері (нове поняття, введене В.І. Вернадським), полягає в здійсненні незворотних і незамкнених кругообігів речовин і потоків енергії між основними структурними компонентами біосферної цілісності: гірськими породами і природними водами, горами і ґрунтами, рослинністю, тваринами і мікроорганізмами. Цей безперервний процес руху кругообігу складає одне зі спірних питань і носить назву біогеохімічної циклічності.
Основне джерело біогеохімічної активності живих організмів - сонячна енергія, яка використовується в процесі фотосинтезу зеленими рослинами і деякими мікроорганізмами для створення органічної речовини, яка забезпечує їжею та енергією всі інші організми. Діяльність фотосинтезуючих організмів близько 2 млрд. років тому спричинила накопичення в атмосфері вільного кисню, потім утворився озоновий екран, який захищає живі організми від жорсткого космічного випромінювання, фотосинтез і дихання зелених рослин підтримують сучасний газовий склад атмосфери.
Саме надзвичайно високою активністю, зокрема дуже швидким кругообігом речовин, жива речовина відрізняється від неживої.
Уся жива маса біосфери оновлюється за 33 доби, а фітомаса (тобто маса рослин) - щодня.
В.І. Вернадський говорив, що, концентруючи сонячну космічну енергію і трансформуючи її в активну (вільну) енергію земних процесів, живі організми виявляють прагнення до максимального прояву цієї діючої енергії в процесах обміну, у кругообігах і біохімічних циклах.
Жива та нежива речовина на Землі становлять гармонійне ціле, що, власне, й називається біосферою. Крім тих живих істот, що живуть сьогодні на Землі, В.І. Вернадський включав у біосферу істоти минулих епох, від яких до нашого часу дійшли товщі гірських порід органічного походження (такі, як вапняки чи вугілля), їх вчений називав «палеобіосферами».
Узагальнюючи результати досліджень у галузі геології, палеонтології, біології та інших природничих наук, В.І. Вернадський дійшов висновку, що біосфера - це «стійка динамічна система, рівновага в якій встановилася в основних своїх рисах... з археозою й незмінно діє протягом 1,5-2 млрд. років». Стійкість біосфери, за Вернадським, виявляється в сталості її загальної маси (1019 т), маси живої речовини (1015 т), енергії, пов'язаної з живою речовиною (1018 ккал) і середнього хімічного складу всього живого.
Оскільки всі функції живих організмів у біосфері не можуть виконуватись організмами якогось одного виду, а лише їх комплексом (подібно до того, як якась клітина в організмі не може діяти сама по собі, а лише в складі всього організму), то звідси випливає важливе положення, розроблене Вернадським: біосфера Землі від самого початку сформувалася 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, тобто стійкість біосфери була з самого початку обумовлена її складністю.
Величезна кількість живих істот (2 млн. видів) знаходиться в надзвичайно складних взаємовідносинах між собою й неживою речовиною.
Біосферні зв'язки складалися протягом тривалого часу, у природі немає видів небажаних, непотрібних. Система зв'язків у біосфері поки розшифрована лише в загальних рисах. Найголовнішою ланкою управління біосферою є енергія Сонця, другорядною - енергія Землі, енергія радіоактивного розпаду елементів. Неживою речовиною біосфери керують продуценти, ними - консументи, діяльність яких визначають зворотні зв'язки, що йдуть від продуцентів, і т.д. У цілому біосфера схожа на єдиний гігантський суперорганізм, в якому автоматично підтримується гомеостаз - динамічна сталість фізико-хімічних та біологічних властивостей внутрішнього середовища та стійкість основних його функцій.
В.І. Вернадському належить відкриття й такого основного закону біосфери: «Кількість живої речовини є планетною константою з часів архейської ери, тобто за весь геологічний час». За цей час живий світ Землі морфологічно змінився невпізнанно, але ці зміни не впливали ні на загальну кількість живої речовини, ні на її валовий склад.
Однією з найважливіших особливостей біосфери є різноманітність живих організмів, яка утворилась протягом тривалої еволюції і привела біосферу до стабільності в часі. У природі живі організми перебувають у постійній взаємодії як всередині одного роду, так і в біоценозі. Другою особливістю біосфери є нерівномірність, мозаїчність її структури, так би мовити, її абсолютна асиметрія. Асиметричним є розподіл і співвідношення материків та океанів, гірських хребтів, великих водоакумуляторних рівнин і гідрографічної системи; розподіл життя i живої речовини на суходолі та в океані також нерівномірний. Найбільша концентрація живої речовини характерна для мілководних зон і поверхневих шарів води, які включають нашарування планктону в морях і океанах, а також вологі, помірні субтропічні і тропічні пояси на суші. Найменшою концентрація живої речовини є в полярних і субполярних та посушливих районах і в пустелях, високо в горах і в океанських глибинах. Життя в атмосфері, як правило, зустрічається дуже рідко. На континентах жива і біогенна речовина в основному сконцентрована в низинах та рівнинах, у заплавах і гирлах річок, у мілких озерах, вологих лісах, преріях, степах та ін.
Розрізняють кілька рівнів організації живої речовини на Землі. Рівень - це сфера дії специфічних законів, що виражаються у вигляді різних біосистем, що якісно відрізняються одна від одної. В усьому різноманітті живої матерії виділяють шість основних рівнів її організації: молекулярний, клітинний, організменний, популяційно-видовий, біогеоценотичний (екосистем-ний) і біосферний. Деякі автори називають основними тільки три структурні підрозділи: клітинні, організмені і популяційно-біоценотичні. Інші вважають за необхідне виділити не шість, а більше рівнів, додавши до них ще такі, як тканинний, органний, популяційний окремо від видового і біоценотичний окремо від біогеоценотичного. Рівнева ієрархія, яка склалася в результаті тривалої еволюції біосфери, обумовлює стійкість і цілісність органічного світу.
Зазначимо головні особливості основних шести рівнів організації життя.
1.Молекулярний рівень життя.
Елементарні структурні одиниці цього рівня - хімічні речовини. Серед них ті, що несуть спадкову інформацію молекули ДНК, РНК, ферменти, амінокислоти, високоенергетичні речовини (АТФ, цукри) та ін. Основні явища молекулярного рівня життя - біосинтез, реплікації, мутації, передача інформації, фізико-хімічні реакції, акумуляція в хімічних зв'язках енергії. Виявлення суті процесів, що відбуваються на цьому рівні, допомагає зрозуміти деякі явища на наступних рівнях організації-живого. Основна стратегія життя на молекулярному рівні - здатність створювати живу речовину і кодувати інформацію, набуту в умовах навколишнього середовища, що змінюються.
2.Клітинний рівень життя.
Структурними елементами тут виступають різні органоїди. Здатність до самовідтворення собі подібних, включення різних хімічних елементів Землі у вміст клітини, регуляція хімічних реакцій, запасання і витрачення енергії - основні процеси даного рівня. Функціональна специфікація клітини (нервової, видільної, провідної, покривної чи іншої тканини) є регулятором функціонування даної біосистеми. Основна стратегія життя клітинного рівня - залучення хімічних елементів Землі і енергії сонячного випромінювання до живих біосистем.
Клітина є цілісною системою, яка має специфічні властивості даного рівня. Разом з тим, вона в усьому розмаїтті форм і функцій є частиною багатоклітинного організму і виступає основним структурним елементом організменного рівня організації живого.
3.Організменний рівень організації життя.
Притаманний багатоклітинним біосистемам. Тут життя представлене у вигляді рослин, тварин, у тому числі людини, грибів і різноманітних мікроорганізмів. Всі вони є структурними одиницями цього рівня.
У будь-якого представника організменного рівня виявляються такі «нові» властивості порівняно з попереднім рівнем, які завжди ототожнювалися з поняттям живої матерії. До цих властивостей належать живлення, дихання, подразнення, рухомість, виділення, розмноження, ріст, розвиток, поведінка, тривалість життя, плодючість, спосіб життя, взаємовідносини з навколишнім середовищем. Всі названі процеси характеризують організм як цілісну саморегульовану біосистему. В основі процесів управління (регулювання) організмів лежить біологічна (вірніше, генетична) інформація, яка визначає тенденцію функціонування і розвитку в онтогенезі, забезпечуючи гармонійну відповідність особини і середовища існування.
Всі процеси управління в організмі мають подвійну спрямованість: стратегічну (еволюційну) і оперативну (адаптаційну). Це зумовлює подвійність основної стратегії життя: 1) орієнтація організму (особини) на виживання в умовах навколишнього середовища, що постійно змінюються; 2) орієнтація на забезпечення тривалого існування його популяції, виду.
4.Популяційно-видовий рівень організації життя.
Об'єднання споріднених особин у популяції, а популяцій у види приводить до виникнення нових властивостей системи, які відрізняються від попередніх рівнів організації живого. На цьому рівні властивості індивідуумів лише пояснюють, ілюструють картину групової форми життя популяції та виду. Основні ознаки виражаються в «надорганізменних» характеристиках: народжуваність, смертність, структура (статева, етологічна, вікова, просторова та ін.), щільність, чисельність, функціонування в природі.
Основна стратегія життя популяційно-видового рівня виявляється:
1) у більш повному використанні можливостей середовища існування і накопиченні у зв'язку з цим «досвіду» в інформаційній системі;
2) у прагненні до якнайдовшого (до нескінченності) існування у світі;
3) у збереженні властивостей виду і самостійного розвитку з урахуванням «досвіду».
5.Біогеоценотичний рівень організації життя.
Популяції та види - цілісні природні утворення. Але вони як частини, як структурні одиниці органічно включаються в біосистеми більш високого рангу - біогеоценози. Даний рівень характеризується багатьма надорганізменними властивостями. До них належать структура екосистеми, видовий і кількісний склад населення, типи біотичних зв'язків, харчові ланцюги, біомаса, трофічні рівні, продуктивність, енергетика, стійкість та багато іншого. Організуючі властивості виявляються в кругообігу речовин і потоці енергії, саморегулюванні й динамічній стійкості, автономності, відкритості (замкненості) системи, сезонних змінах, історичності. Основними функціональними одиницями тут виступають популяції (види), харчові зв'язки і піраміди енергії.
Основна стратегія життя біогеоценотичного рівня - активне використання всього різноманіття можливостей навколишнього середовища і створення сприятливих умов розвитку і процвітання життя в усьому його розмаїтті.
6.Біосферний рівень організації життя.
Основними структурними елементами тут виступають біогеоценози, оточуюче їх середовище, тобто географічна оболонка Землі (атмосфера, ґрунт, гідросфера, сонячна радіація, космічне випромінювання та ін.), антропогенний вплив. У загальному вигляді В.І. Вернадський основними структурними компонентами біосфери назвав живу, косну і біокосну речовину з їх унікальними життєво важливими функціями. Для цього рівня організації характерні: активна взаємодія живої і неживої речовин планети; біологічний кругообіг речовин і потоки енергії з геохімічними циклами, що входять до нього; активна матеріально-енергетична і біогеохімічна участь живої речовини в усіх ланках кругообігу; господарська і етнокультурна діяльність людини.
Основна стратегія життя біосферного рівня - прагнення забезпечити динамічну стійкість біосфери як найбільшої екосистеми на планеті Земля.
Різноманіття форм і рівнів організації життя виявляється не тільки в їх різному складі, будові і функціональних зв'язках. Головна відмінність між рівнями організації живої матерії полягає в їх основних стратегічних властивостях. У них відбивається, з одного боку, принципова відмінність істотних якостей окремих рівнів, з іншого - глибоке взаємопроникнення структурних рівнів.
2 Біологічний кругообіг речовин і енергії в біосфері
Пізнання екосистем полягає, перш за все, у дослідженні великих біогеохімічних циклів (кругообігів). Мова йде про циркуляцію хімічних елементів абіотичного походження, які потрапляють із навколишнього середовища в живі організми і з організмів у навколишнє середовище. Неорганічні елементи вносяться в тканини рослин і тварин у процесі їх росту і розвитку і там входять до складу органічних речовин. Після смерті організму ці елементи зазнають складних перетворень, після чого потрапляють у нові організми.
В.І. Вернадський зазначав, що біогенна міграція атомів зумовлюється трьома різними процесами життя:
1) метаболізмом живого організму - його диханням, живленням, різними відходами;
2) ростом організмів;
3) розмноженням, збільшенням кількості організмів.
Усі три процеси взаємопов'язані, проте кожен із них вносить у біосферу різний для кожного виду організмів запас геохімічної енергії.
Розрізняють біогенні міграції атомів: 1-го роду - для мікроорганізмів і 2-го роду - для багатоклітинних організмів. Біогенна міграція одноклітинних незрівнянно більша за міграцію атомів багатоклітинних організмів. Із появою людини на Землі виникла міграція атомів 3-го роду, яка відбувається внаслідок її діяльності.
До головних циклів, що мають місце в біогеоценозах (екосистемах), відносять біогеохімічні цикли кисню, вуглецю, води, азоту, фосфору, сірки, біогенних катіонів. Розглянемо детальніше ці цикли.
2.1 Генезис і кругообіг кисню
Приблизно четверта частина атомів усієї живої матерії припадає на частку кисню. Він не завжди входив до складу живої атмосфери. Кисень з'явився одночасно з першими хлорофіловими організмами. По мірі утворення під дією ультрафіолетової радіації кисень трансформувався в озон. Шар озону швидко став достатнім, щоб хлорофілові організми (головним чином, фітопланктон) могли рости і вивільнювати кисень.
На наявність кисню на земній поверхні вже приблизно два мільярди років тому вказує присутність залізистих окислів у відповідних геологічних відкладеннях. Але лише в останні двадцять мільйонів років вміст його в атмосфері Землі досяг приблизно 20%.
Вільний кисень у великих кількостях поглинається при диханні, використовується для підтримання горіння та застосовується в різних технологічних процесах. Вільний кисень регенерується в процесі фотосинтезу зелених рослин. Джерелом кисню є вода і вуглекислий газ, його утворення відбувається за допомогою сонячної енергії.Існує відносна рівновага між киснем, що утворюється, і киснем, який витрачається для забезпечення життєдіяльності і виробництва.