Эволюция живых организмов земли и их отражение в географической оболочке. Биосфера. Ее границы и роль в географической оболочке

Введение.

Глава 1. Живое вещество как биологическая форма движения материи …

1.1.Биосфера: понятие, границы и структура.

1.2.Происхождение жизни на Земле.

1.3.Эволюция живых организмов.

Глава 2. Влияние абиотических и биотических факторов среды на живые организмы.

2.1. Абиотические факторы среды

2.2. Биотические факторы среды

Глава 3.Значение и роль биосферы в развитии географической оболочки.

3.1. Своеобразие жизни в компонентных оболочках

3.2. Этапы развития географической оболочки под влиянием

Биоценозов.

Заключение.

Литература.

Эволюция живых организмов Земли и их отражение в географической оболочке

ВВЕДЕНИЕ

На всё протяжении тысячелетий людям казалось соврешенно очевидным, что живая природа была создана такой, какой мы ее знаем сейчас, и всегда оставалась неизменной. Но это не так, на самом деле Земля имеет свое начало развития. В данной курсовой работе нами рассматривается процесс эволюции живых организмов на протяжении всей геологической истории Земли на предмет его отражения в развитии географической оболочки.

В процессе эволюции живых организмов важным является время формирования первых живых организмов и время их бурного развития. Эволюция живых организмов определила и развитие географической оболочки. Напр., появление в биогенном этапе развития географической оболочки фотосинтезирующих растений, способствовало накоплению в атмосфере кислорода и появлению озонового слоя. А в антропогенном периоде, когда возникли люди, существование географической оболочки стоит под вопросом, потому что человек оказывает негативное влияние на географическую оболочку. К негативному влиянию людей относится: загрязнение атмосферы, истребление каких либо животных и др.

Рассматриваемая мною тема очень актуальна, так как человек должен знать, благодаря чему он возник и существует.

Достижение цели предполагало постановку и решение следующих задач:

Выяснение сущности понятия «биосфера»;

Рассмотрение факторов и процесса эволюции биосферы;

Выявление роли биосферы в развитии географической оболочки.

ГЛАВА 1. ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО КАК БИОЛОГИЧЕСКАЯ ФОРМА ДВИЖЕНИЯ МАТЕРИИ

1.1. Биосфера: понятие, границы и структура

Биосфера - населенная жизнью оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой в существенных чертах обусловлены прошлой или современной деятельностью живых организмов.

По В. И. Вернадскому , биосфера, охватывающая весь земной шар, небеспредельная, ее границы в значительной мере обусловлены существованием в ней живого вещества и определяют границы распространения жизни по земному шару, как по горизонтали, так и по вертикали. При этом, поскольку Земля имеет форму геоида, говорить о горизонтальных границах следует с некоторыми допущениями. Ведь если в экваториальных, тропических и умеренных широтах жизнь распространена повсеместно, то в отношении циркумполярных областей, т. е. территорий, расположенных вокруг Северного и Южного полюсов, следует сделать уточнения.

Воды Северного Ледовитого океана с постоянным ледовым покровом на большой его части в течение круглого года обильно заселены морскими животными. Низкие температуры не служат препятствием для распространения живых организмов и над ледовым покровом. Даже в Верхоянске, который до недавнего времени считался полюсом холода, где абсолютный минимум достиг -71°С, растут лиственничные северотаежные леса. Занесение спор мхов, грибов, лишайников и водорослей, которые могут выдержать еще более низкие температуры, вполне вероятно вплоть до Северного полюса. Там, где есть каменистый субстрат, напр., на северных побережьях островов Северная Земля и Шпицберген, поселяется, хотя и разреженно, мохово-лишайниковая растительность. В Антарктиде лишайники встречаются даже в 360 км от Южного полюса на высоте 2000 м над уровнем моря . Поэтому можно утверждать, что хотя концентрация и разнообразие живых организмов на различных по природным условиям территориях и акваториях изменяются в довольно значительных пределах, жизнь существует на всем земном шаре. Следовательно, горизонтальных границ у биосферы нет, и речь следует вести только о ее вертикальной размерности, она включает - верхнюю часть литосферы, всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы.

Рисунок 1. Границы биосферы

Литосфера - это верхняя твердая оболочка Земли. Ее толщина колеблется в пределах 50-200 км . Распространение жизни в ней ограничено и резко уменьшается с глубиной. Подавляющее количество видов сосредоточено в верхнем слое, имеющем толщину в несколько десятков сантиметров. Некоторые виды проникают в глубину на несколько метров или десятков метров (роющие животные — кроты, черви; бактерии; корни растений). Наибольшая глубина, на которой были обнаружены некоторые виды бактерий, составляет 3-4 км (в подземных водах и нефтеносных горизонтах). Распространению жизни в глубь литосферы препятствуют различные факторы. Проникновение растений невозможно из-за отсутствия света. Для всех форм жизни существенными препонами служат и возрастающие с глубиной плотность среды и температура. В среднем температурный прирост составляет около 3 °С на каждые 100 м. Именно поэтому нижней границей распространения жизни в литосфере считают трехкилометровую глубину, (где температура достигает около +100 °С).

Гидросфера - водная оболочка Земли, представляет собой совокупность океанов, морей, озер и рек. В отличие от литосферы и атмосферы она полностью освоена живыми организмами. Даже на дне Мирового океана, на глубинах около 12 км, были обнаружены разнообразные виды живых существ (животные, бактерии). При этом основная масса видов обитает в гидросфере в пределах 150-200 м от поверхности . Это связано с тем, что до такой глубины проникает свет. А, следовательно, в более низких горизонтах невозможно существование растений и многих видов, зависящих в питании от растений. Распространение организмов на больших глубинах обеспечивается за счет постоянного «дождя» экскрементов, остатков мертвых организмов, падающих из верхних слоев, а также хищничества. Гидробионты обитают как в пресной, так и в соленой воде и по месту обитания делятся на 3 группы:

1) планктон — организмы, живущие на поверхности водоемов и пассивно передвигающиеся за счет движения воды;

2) нектон — активно передвигающиеся в толще воды;

3) бентос — организмы, обитающие на дне водоемов или зарывающиеся в ил.

Атмосфера - газовая оболочка Земли, имеющая определенный химический состав: около 78 % азота, 21 — кислорода, 1 — аргона и 0,03 % углекислого газа .В биосферу входят лишь самые нижние слои атмосферы. Жизнь в них не может существовать без непосредственной связи с литосферой и гидросферой. Крупные древесные растения достигают нескольких десятков метров в высоту, располагая вверх свои кроны. На сотни метров поднимаются летающие животные — насекомые, птицы, летучие мыши. Некоторые виды хищных птиц поднимаются на 3-5 км над поверхностью Земли, высматривая свою добычу. Наконец, восходящими воздушными потоками пассивно заносятся на десятки километров вверх бактерии, споры растений, грибов, семена. При этом все перечисленные летающие организмы или занесенные бактерии лишь временно находятся в атмосфере. Нет организмов, постоянно живущих в воздухе.

Верхней границей биосферы принято считать озоновый слой, располагающийся на высоте от 30 до 50 км над поверхностью Земли . Он защищает все живое на нашей планете от мощного ультрафиолетового солнечного излучения, в значительной мере поглощая эти лучи. Выше озонового слоя существование жизни невозможно.

Таким образом, основная часть видов живых организмов сосредоточена на границах атмосферы и литосферы, атмосферы и гидросферы, образуя относительно «тонкую пленку жизни» на поверхности нашей планеты.

1.2 Происхождение жизни на Земле

После образования Земли как планеты долгое время на ней не было никаких химических соединений. Материя существовала в виде разрозненных атомов водорода и гелия. Постепенно образовывались новые элементы, простейшие химические соединения и водяные пары. Простейшие химические соединения под воздействием электрических разрядов и ультрафиолетового излучения могли образовывать сложные органические соединения - аминокислоты.

Рисунок 2. Происхождение первых простейших организмовна на Земле

Новейшие исследования показывают, что 3 млрд. лет назад в атмосфере Земли было много свободного кислорода, который мог появляться только в результате жизнедеятельности растений. Возраст жизни на Земле, таким образом, определяется в 3 млрд. лет. С того времени как жизнь начала продуцировать огромное количество кислорода, на высоте 20—40 км под влиянием солнечной радиации его молекулы превращались в озон 03. Слой озона образовал экран, который стал задерживать ультрафиолетовую часть солнечной радиации.

Первоначально органические соединения находились в атмосфере, и только когда температура земной коры понизилась до 100° и ниже, пары воды излились дождями. Образовался первичный океан, в который вместе с потоками воды попали и органические соединения. Жизнь начала зарождаться в воде. По теории акад. Л. И. Опарина , путем сложных химических реакций в воде возникли высокомолекулярные соединения, давшие сложные белковые молекулы — коацерваты. Последние со временем стали увеличиваться в размерах, делиться на части. На протяжении многих миллионов лет коацерваты все более и более развивались. Начался естественный отбор, который неминуемо приводил зародившиеся живые вещества к более высокой организации. У коацерватов появились новые качества: они стали питаться, дышать, расти и размножаться, передавая эти свойства последующим поколениям.

Первые живые организмы существовали за счет органических соединений, имевшихся вокруг них. Они могли существовать и раз-множаться до тех пор, пока в водах первичного океана имелся до-статочный запас пищи. После завоевания всего пространства они должны были бы погибнуть. Но прежде чем это произошло, какая- то, вначале небольшая часть организмов в процессе мутации превратилась в способных синтезировать необходимые им органические вещества из неорганической материи. Образовались молекулы хлорофилла. Возникли зеленые растения. Начался процесс фотосинтеза. Биогенный круговорот веществ стал приобретать современный характер. Выделявшийся свободный кислород стал активно вступать в соединения с другими веществами в биосфере. Появились сапрофиты, способные минерализовать органическое вещество отмиравших организмов. Эти организмы, разлагая трупы других организмов, начали возвращать вещество в его исходное неорганическое состояние. С этого момента биогенный круговорот веществ замкнулся. Возникли условия для бурного развития разнообразной жизни. Органический мир разделился на три царства, или мира: растений, животных и микроорганизмов. Все это происходило в океане. Затем растения и животные вышли на сушу. Растения сделали это раньше и подготовили условия для выхода на сушу животных.

В течение геологической жизни Земли состав населявших ее живых существ непрерывно менялся. Относительно примитивные формы сменялись более совершенными и высокоорганизованными, лучше приспособившимися к внешней среде и более стойкими и активными в борьбе за существование. В отдельные эпохи происходила почти полная смена крупных систематических групп животных и растений. Эволюция совершалась с нарастающей скоростью. Если всю историю Земли принять за один год (365 дней), то космическая эра будет иметь продолжительность 183 дня, архейская 83, протерозойская - 69, палеозойская - 18, мезозойская, кайнозойская - 3 дня и 14 час. Человек существует 1 ч 15 мин. В этом масштабе на земледелие, которым люди занимаются около 8000 лет, приходится около полминуты

1.3 Эволюция живых организмов

Таблица 1

Эра	Период	Время, млн. лет	Основные эволюционные события
	Четвертичный	2,4	Вымирание многих видов растений, упадок древесных форм, расцвет травянистых. Эволюция человека. Вымирание крупных видов млекопитающих.
Кайнозойская	Неоген	25	Преобладание покрытосеменных и хвойных, увеличение площади степей. Расцвет плацентарных млекопитающих. Появление человекообразных обезьян.
	Палеоген	66	Расцвет покрытосеменных, млекопитающих, птиц.
	Мел	136	Развитие млекопитающих, птиц, цветковых растений. Вымирание многих рептилий.
Мезозойская	Юра	196	Господство рептилий на суше, в воде и воздухе. Возникновение покрытосеменных и птиц.
	Триас	240	Появление млекопитающих. Расцвет рептилий, распространение голосеменных
	Пермь	285	Великое вымирание морских организмов. Появление голосеменных, распространение рептилий.
	Карбон	345	Появление рептилий.
	Девон	410	Появление древних амфибий, насекомых. Господство рыб. Появление лесов из папоротников и плаунов.
Палеозойская	Силур	435	Выход растений и беспозвоночных на сушу.
	Ордовик	500	Обилие морских водорослей. Появление первых позвоночных (бесчелюстных).
	Кембрий	570	Жизнь сосредоточена в морях. Развитие беспозвоночных. Появление высших растений.
	Поздний протерозой	1650	Развитие эукариот, многоклеточных растений и животных.
Протерозойская	Ранний протерозой	2600	Развитие низших растений.
Археозойская		4000	Зарождение жизни, появление прокариот. Господство бактерий и сине-зеленых, появление зеленых водорослей.

Палеонтологические данные древнейших осадочных пластов свидетельствуют, что доорганизменный этап эволюции продолжался 1,5—1,6 млрд. лет после образования Земли как планеты.

Рисунок 3.Схема эволюции органического мира .

Архейская эра. Наиболее древние следы жизнедеятельности организмов обнаружены в породах архея, возраст которых от 2,6 до 3,5 млрд.лет и более. Они представлены остатками бактерий и сине-зеленых водорослей, относящихся к прокариотам - организмам, в клетках которых отсутствует ядро.

Протерозойская эра.

В протерозойскую эру бактерии и водоросли достигли расцвета, с их участием интенсивно происходят процессы отложения осадков. В результате жизнедеятельности железобактерий в протерозое образовались крупнейшие залежи железных руд. Большинство из первичных растений свободно плавало в морской воде (диатомовые, золотистые водоросли), часть прикреплялась ко дну. А в позднем протерозое (600-650 млн. лет назад) уже существовали губки, кишечнополостные, плоские и кольчатые черви

Палеозойская эра.

Кембрийский период. В кембрийском периоде жизнь была сосредоточена в воде. Кроме одноклеточных водорослей, растения были представлены многоклеточными водорослями. Благодаря расчлененному слоевищу они активно синтезировали органические вещества. Многоклеточные водоросли явились исходной ветвью для наземных листостебельных растений. А так же в этом периоде в морях были широко распространены беспозвоночные, в том числе плеченогие моллюски, а из членистоногих трилобиты. Самостоятельным типом двухслойных животных того периода были археоциаты, формировавшие рифы в древних морях. Они вымерли, не оставив потомков. На суше обитали лишь бактерии и грибы. К концу кембрия появляется большинство известных типов многоклеточных животных.

Ордовикский период. В ордовикском периоде пышного развития достигли разнообразные кораллы из типа кишечнополостных, трилобиты, моллюски, иглокожие. Появляются первые представители бесчелюстных позвоночных щитковые.

Выход беспозвоночных на сушу был обусловлен поиском новых мест обитания, отсутствием конкурентов и хищников. Первые наземные беспозвоночные были представлены многоножками и паукообразными. Эти группы произошли от каких-то трилобитов, часто оказывавшихся на отмелях во время отливов.

Силурийский период. В конце периода горообразовательные про-цессы и сокращение площади морей подготовили возможность выхода растений на сушу. В новых условиях многие виды водорослей погибли. Другие дали начало первым наземным споровым растениям - псилофитам. Как адаптация к жизни на суше появляются покровные, механические и проводящие ткани. Формируются споры с толстой оболочкой, предохраняющие организм от высыхания. Из животного происхождения в морях были распространены силура трилобиты.

Девонский период. В девоне численность псилофитов резко сократилась, на смену им пришли плауновидные, хвощевидные и папорот-никовидные растения. Возникновение вегетативных органов повысило эффективность функционирования отдельных частей растений и их жиз-недеятельность как гармонически целостной системы. В конце этого периода древовидные хвощи, плауны и папоротники образовали низинные леса, чему способствовали интенсивные почвообразовательные процессы и особые климатические условия. В этот же период появились и первые голосеменные, возникшие от древних папоротников и унаследовавшие от них внешний древовидный облик. Возникшие семенные растения могли поселяться в более сухих местообитаниях, так как их размножение уже не зависело от наличия влажной среды. В этом периоде от панцирников происходят примитивные челюстноротые - панцирные хрящевые рыбы. Возникновение челюстей объясняется необходимостью активного захвата пищи и перехода к активно плавающему образу жизни. В девоне появились настоящие акулы, а также кистеперые, двоякодышащие и лучеперые рыбы. Эволюция кистеперых и двоякодышащих происходила в пересыхающих и бедных кислородом водоемах. В верхнем девоне на сушу выходят позвоночные. Это обусловлено изменением климата и пересыханием мелких водоемов. От кистеперых рыб, способных дышать атмосферным воздухом и переползать из водоема в водоем, используя плавники, произошли первые земноводные - стегоцефалы. Стегоцефалы обитали в болотистой местности, выходили на сушу, но размножались только в воде.

Каменноугольный период. Среди древовидных широко распростран- -ялись плаунообразные и сигилляриевые, достигавшие в высоту 30 м и более. Из первичных голосеменных господствовали разнообразные птеридоспермы и кордаиты, напоминавшие стволами хвойных и имевшие длинные лентовидные листья.

Пермский период. Исчезли обширные болотные леса карбона. На смену древовидным споровым растениям пришли голосеменные, имеющие развитую стержневую корневую систему и размножающиеся семенами. В пермском периоде вымерли крупные морские моллюски, трилобиты, крупные рыбы, панцирники, крупные насекомые и паукообразные. Погибли и многие амфибии, до наших дней сохранились лишь мелкие земноводные (тритоны, лягушки, жабы).Вымерших земноводных сменила более прогрессивная группа животных, произошедшая от сцегоцефалов - пресмыкающиеся. У них сухая ороговевшая кожа, более плотные ячеистые легкие и более эффективный тип дыхания, при котором воздух втягивается в легкие и выталкивается обратно путем расширения и сужения грудной клетки. У них внутреннее оплодотворение, яйцо имеет запас питательных веществ и защитные яйцевые оболочки. У пресмыкающихся произошло обособление шейного отдела позвоночника, что позволило им свободно двигать головой и. следовательно, быстро реагировать на внешние со-бытия. У них более совершенные, чем у земноводных, конечности, поднимающие тело над землей и обеспечивающие быстрое передвижение . В это же время возникли терапсиды (вероятные предки млекопитающих, сочетавшие в своем строении признаки амфибий, рептилий и млекопитающих).

Мезозойская эра.

Триасовый период. В триасе из растений широко распространены голосеменные, особенно хвойные, занявшие господствующее положение. В морях большого разнообразия достигли аммониты, кораллы, иглокожие и др., на суше насекомые, в том числе летающие. В этот период широко расселились рептилии: в морях обитали ихтиозавры, плезиозавры, в воздухе летающие ящеры, разнообразно были представлены они и на земле. В самом начале триаса от пресмыкающихся отделилась группа мелких животных с более совершенным строением скелета и зубов. Эти животные приобрели способность к живорождению, постоянную темпера-туру тела, у них было четырехкамерное сердце и целый ряд других прог-рессивных черт организации. Это были первые примитивные млекопи-тающие, близкие к однопроходным.

Юрский период. В юрском периоде образовались обширные болота и озера. По-прежнему были широко распространены голосеменные. В этом периоде рептилии процветали и покорили воду, сушу и воздух. Среди них были гигантские болотные бронтозавры и диплодоки, летающие ящеры и ихтиозавры. От предков птицетазовых динозавров произошли археоптериксы предки птиц.

Меловой период. В середине этого периода появились первые цветковые растения, берущие начало от голосеменных. Первые представители покрытосеменных были кустарниками или низкорослыми деревьями с мелкими листьями. Затем довольно быстро цветковые достигли огромного разнообразия форм со значительными размерами и крупными листьями (например, возникли семейства магнолиевых, платановых, лавровых). Параллельно с ними развивались насекомые, которые, будучи опылителями цветковых растений, в большой мере спо-собствовали их прогрессивной эволюции. Опыление насекомыми и внутреннее оплодотворение создали значительные преимущества цветковых над голосеменными. В настоящее время число видов покрытосеменных составляет около 250 тысяч, т. е. почти половину всех известных ныне видов растений. В конце мелового периода большинство голосеменных.

В меловом периоде господство рептилий до сих пор продолжалось. Появились настоящие птицы и плацентарные млекопитающие. Признаками высокой степени организации у них являлись постоянная температура тела, полное разделение артериального и венозного токов крови, повы-шенная интенсивность обмена веществ, совершенная терморегуляция, а у млекопитающих, кроме того, живорождение и выкармливание детенышей молоком, развитие коры головного мозга . Прогрессивные черты организации позволили этим группам постепенно занять господствующее положение.

Кайнозойская эра.

Палеоген. В палеогене были распространены леса тропического и субтропического типа. В это время млекопитающие, приспособившись к различным условиям существования, заняли господствующее положение на суше, в воздухе и в воде. Появились хищные млекопитающие, от которых первыми ответвились современные группы хищных: медвежьи, куньи, кошачьи, псовые. От них также произошли примитивные копытные.

Неоген. В конце неогена начался процесс остепенения суши. В связи с иссушением климата тропические и саванные леса во многих местах Земли сменились открытыми ландшафтами. Эти изменения привели к развитию злаковых растений, приспособленных к существованию в сухом или сезонно-засушливом климате. Питательные и легко перевариваемые стебли, листья и семена травянистых злаков стали идеальной пищей для быстро развивающейся группы травоядных млекопитающих.

А так же появились хоботные, парнокопытные и непарнокопытные и китообразные. От насекомоядных независимо произошли рукокрылые, приматы и грызуны. В это время чрезвычайно разнообразен и богат мир птиц, костистых рыб и насекомых.

Четвертичный период. Важнейшее событие четвертичного периода — появление и становление человека (Homo sapiens), который оказывает огромное влияние на динамику растительного покрова и животного населения в последние несколько тысячелетий . В послеледниковое время произошло окончательное формирование современного природно-зонального распределения растительного покрова и животного населения Земли.

ГЛАВА 2. ВЛИЯНИЕ АБИОТИЧЕСКИХ И БИОТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ СРЕДЫ НА ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ

2.1 Абиотические факторы среды

Абиотические факторы среды - это комплекс условий внешней среды, оказывающих прямое или косвенное влияние на растения. К абиотическим факторам относятся химические и физические факторы. Xимическими абиотическими факторами являются газовые составляющие атмосферного воздуха и химический состав водоемов, почв. К физическим абиотическим факторам относятся: температура, влажность, интенсивность солнечного излучения. В отдельную группу в некоторых классификациях выделяют такие абиотические факторы, как орографические, включающие рельеф, геологические различия земной поверхности. Влияние на организм абиотических факторов разнообразно и зависит от интенсивности воздействия каждого отдельно взятого фактора и сочетания их между собой. Численность и распределение определенного вида растений в пределах данной территории обусловлены воздействием лимитирующих абиотических факторов, которые жизненно необходимы, но значения их минимальны (как отсутствие воды в пустынных местностях).

Рисунок 4. Основные абиотические факторы среды .

Свет. Свет, с одной стороны, служит для организмов первичным источником энергии, без которого невозможна жизнь. С другой стороны, прямое воздействие света на клетку смертельно для организмов. Эволюция биосферы в целом была направлены на «укрощение» поступающего солнечного излучения, использование его полезных составляющих и защиту от вредных. Следовательно, свет - это не только жизненно важный, но и лимитирующий фактор, как на минимальном, так и максимальном уровнях.

Солнечный свет представляет собой электромагнитное излучение с различными длинами волн от 0,05 до 3000 нм и более. Этот поток можно разделить на несколько областей, различающихся физическими свойствами и экологическим значением для различных групп организмов. Границы этих областей приближенно можно представить следующим образом:

. <150 нм - зона ионизирующей радиации,

150 - 400 нм - ультрафиолетовая радиация,

400 - 800 нм - видимый свет

800 - 1000 нм - инфракрасная радиация

. >1000 нм - зона т.н. дальней инфракрасной радиации - мощного фактора теплового режима среды.

Жесткий ультрафиолет с длиной волны менее 290 нм губительный для живых клеток, до поверхности Земли не доходит, так как отражается озоновым экраном. Мягкий ультрафиолет с длиной волны от 150 до 400 нм несет много энергии и вызывает образование витамина D в коже человека, он же воспринимается органами зрения многих насекомых; эти лучи в умеренных дозах стимулируют рост и размножение клеток, повышают содержание витаминов, увеличивают устойчивость к болезням. Видимый свет с длиной волны от 400 до 800 нм используется для фотосинтеза фото- трофными организмами (растениями, фотосинтезирующими бактериями, сине-зелеными) и животными для ориентации. Инфракрасная часть солнечного спектра (тепловые лучи) с длиной волны более 750 нм вызывает нагревание предметов, особенно важна эта часть спектра для животных с непостоянной температурой тела - пойкилотермных.

На биосферу из космоса падает солнечный свет с энергией 2 кал. на 1см2 в 1 мин. Эта так называемая солнечная постоянная. Этот свет, проходя через атмосферу, ослабляется и до поверхности Земли в ясный полдень может дойти не более 67% его энергии. Проходя через облачный покров, воду и растительность, солнечный свет еще больше ослабляется, и в нем значительно изменяется распределение энергии по разным участкам спектра.

Лучистая энергия, достигающая земной поверхности в ясный день, состоит примерно на 10% из ультрафиолетового излучения, на 45%— из видимого света, на 45% — из инфракрасного излучения. Меньше всего при прохождении через облака и воду ослабляется видимый свет. Следовательно, фотосинтез может идти и в пасмурные день, и под слоем чистой воды некоторой толщины. Свет необходим всем живым организмам. Но, некоторые организмы могут развиваться в полной темноте. Например, многие грибы и бактерии.

Особое значение в жизни всех организмов имеет видимый свет. С участием света у растений и животных протекают важнейшие процессы: фотосинтез, транспирация, фотопериодизм, движение, зрение и т.д. На свету происходит образование хлорофилла и осуществляется процесс фотосинтеза, т.е. синтез органических веществ из неорганических. Фотосинтезирующая деятельность зеленых растений обеспечивает планету органическим веществом. Все организмы зависят в питании от земных фотосинтезирующих растений. Растения для фотосинтеза используют, в основном, синие и красные лучи. По отношению к свету их принято делить на светолюбивые (растения степей), теневыносливые (большинство лесообразующих пород) и теневые (мхи, папоротники).

Движение Земли вокруг Солнца вызывает закономерные изменения длины дня и ночи по сезонам года. Сезонная ритмичность в жизнедеятельности организмов определяется, в первую очередь, сокращением световой части суток осенью и увеличением весной. Продолжительность светового дня является важным регулирующим фактором в жизни живых организмов. Сезонные изменения физиологической активности живых организмов в ответ на изменение продолжительности дня и ночи называют фотопериодизмом. Длина светового дня, в отличие от других абиотических факторов, для каждой местности изменяется строго закономерно (самый короткий день 22 декабря, а самый длинный - 22 июня, известна продолжительность любого дня года). В результате естественного отбора выживали организмы, чьи физиологические функции регулировались продолжительностью светового дня. Приспособленность к сезонному изменению продолжительности светового дня привела к появлению длиннодневных и короткодневных растений. Длиннодневные зацветают в начале лета, до осени успевают созреть плоды и семена - это растения средней полосы и северных зон (рожь, пшеница, овес), короткодневные (астры, георгины, хризантемы) - растения южного происхождения, где продолжительность светового дня около 12 часов, поэтому они у нас зацветают при коротком дне осенью. Уменьшение светового дня в конце лета ведет к прекращению роста, стимулирует отложение запасных питательных веществ организмом, вызывает у животных осенью линьку, определяет сроки группирования в стаи, миграции, переход в состояние покоя и спячки. Увеличение длины светового дня стимулирует половую функцию у птиц, млекопитающих, определяет сроки цветения растений.

Температура. Тепловой режим - важнейшее условие существования всех живых организмов, так как все физиологические процессы в них возможны при определенных условиях. Пределы, в которых может существовать жизнь, очень узки - около 300 °С, от -200 °С до +100 °С. На самом деле большинство видов и большая часть активных физиологических процессов приурочены к более узкому диапазону температур. Как правило, это температуры, при которых возможно нормальное строение и функционирование белков, от 0 до 50 0С. При этом существуют организмы, обладающие специализированными ферментными системами, что обеспечивает им возможность активного существования при температуре тела, выходящей за указанные пределы.

Значение температуры заключается в том, что она изменяет скорость протекания биохимических процессов в клетках, и это отражается на жизнедеятельности организма в целом. По отношению к температуре как к экологическому фактору все организмы подразделяются на две группы: холодолюбивые и теплолюбивые.

Холодолюбивые организмы, способны жить в условиях относительно низких температур и не выносят высоких. Так, древесные и кустарниковые породы Якутии не вымерзают при -70°С, в Антарктиде при такой же температуре обитают лишайники, ногохвостки, пингвины.

У теплолюбивых, жизнедеятельность приурочена к условиям довольно высоких температур. Это преимущественно обитатели жарких тропических районов Земли. Они не переносят низких температур и нередко гибнут уже при 0 °С, хотя физического замораживания их тканей и не происходит. Причиной их гибели, как правило, является нарушение обмена веществ, приводящее к образованию в растениях несвойственных им продуктов, в том числе и вредных, вызывающих отравление.

Живые организмы в процессе эволюции выработали различные формы адаптации к температуре, среди них морфологические, биохимические, физиологические, поведенческие и т.д. Одно из важнейших приспособлений к температуре у растений - форма их роста. Там, где мало тепла - в Арктике, в высокогорье, - много подушковидных растений, много подушковидных растений, растений с прикорневыми розетками листьев, стелющихся форм. Стелющиеся побеги зимуют под снегом и не подвергаются губительном действию низких температур.

У животных морфологические адаптации к температуре также четко прослеживаются. Под действием температурного фактора у животных формируются такие морфологические признаки, как отражательная способность тела, пуховой, перьевой и шерстяной покровы, жировые отложения. Большинство насекомых в Арктике и высоко в горах имеют темную окраску. Это способствует усиленному поглощению солнечного тепла. Эндотермные животные, обладающие в холодных областях (полярные медведи, киты и т.д.), имеют, как правило, крупные размеры, тогда как обитатели жарких стран (например многие насекомоядные млекопитающие) обычно меньше по размерам. Это явление носит название правило Бергмана. Согласно этому правилу, при продвижении на север средние размеры тела в популяциях эндотермных животных увеличиваются.

У животных есть разнообразные поведенческие адаптации к температуре. Они проявляются в миграциях животных в места с более благоприятными температурами, в изменении сроков активности и т.д. В пустынях, где днём поверхность может нагреваться до 60-70 С, на раскаленном песке животных почти не увидишь. Насекомые, рептилии и млекопитающие проводят жаркое время, спрятавшись в норы. В глубине почвы температура не так резко колеблется и сравнительно невысокая. При понижении температуры большинство животных переходит на питание более калорийной пищей. Белки в теплое время года поедают более 100 видов кормов, зимой же питаются, главным образом, семенами хвойных, богатых жирами. У видов, живущих в более холодном климате, различные выступающие части тела (хвост, уши, конечности) меньше, чем у родственных видов из более теплых мест

Газовый состав атмосферы также является важным климатическим фактором. Примерно 3-3,5 млрд. лет назад атмосфера содержала азот, аммиак, водород, метан и водяной пар, а свободный кислород в ней отсутствовал. Состав атмосферы в значительной степени определялся вулканическими газами. Из-за отсутствия кислорода не существовало озонового экрана, задерживающего ультрафиолетовое излучение Солнца. С течением времени за счет абиотических процессов в атмосфере планеты стал накапливаться кислород, началось формирование озонового слоя. Примерно в середине палеозоя потребление кислорода сравнялось с его образованием, в этот период содержание О2 в атмосфере было близко к современному около 20 %. Интересно, что концентрации кислорода и углекислого газа являются лимитирующими для многих высших растений. У многих растений удается повысить эффективность фотосинтеза, повысив концентрацию углекислого газа, однако малоизвестно, что снижение концентрации кислорода также может приводить к увеличению фотосинтеза. В опытах на бобовых и многих других растениях было показано, что понижение содержания кислорода в воздухе до 5 % повышает интенсивность фотосинтеза на 50 % . Крайне важную роль играет также азот. Это важнейший биогенный элемент, участвующий в образовании белковых структур организмов. Ветер оказывает лимитирующее воздействие на активность и распространение организмов.

Влажность в некоторых местах обитания является ограничивающим абиотическим фактором для живых организмов и определяет состав флоры и фауны данной местности, например, в пустыне. Растение поглощает питательные вещества, в основном, в растворенном состоянии. Также вода необходима для осуществления других жизненных процессов растений, а для множества организмов еще и является средой обитания . По потребности в воде различают разные экологические группы растений. К водной растительности относятся растения, которые вне водной среды жить не могут (элодея, ряска). Околоводные (наземно-водные) растения произрастают вдоль побережья водоемов и могут быть частично погруженными в воду во влажных лесах, болотах (кукушкин лен, тростник, сфагнум). Эти растения существуют только при условии высокой увлажненности почвы, и даже при кратковременной нехватке воды эти растении вянут и могут погибнуть. Наземные растения произрастают на суше и могут быть засухоустойчивыми (кактус, ковыль, верблюжья колючка) или способными выдерживать недлительную засуху, произрастающими в условиях умеренной влажности (береза, рожь, дуб). Засухоустойчивые растения имеют приспособления для жизни в засушливых местах, такие как видоизмененные листья, хорошо развитая корневая система.. К примеру, сочные растения-суккуленты накапливают воду в тканях своего организма, к примеру, кактусы.

2.2 Биотические факторы среды

Влияние биотических факторов окружающей среды проявляется в виде воздействия разных живых организмов на растения и всех вместе - на окружающее пространство. Взаимодействия между организмами могут быть прямыми и косвенными.

Рисунок 5. Биотические факторы среды .

Комменсализм - это совместное проживание разных организмов, когда один организм, поселяясь внутри тела другого и питаясь за его счет, не причиняет вреда носителю (бактерии в кишечнике человека). При аменсализме один из сосуществующих организмов несет ущерб, а другому воздействие первого безразлично (пеницилл убивает бактерий, которые не могут повлиять на него).

Симбиоз - это все формы сожительства организмов разных видов. А взаимовыгодное сосуществование организмов, относящихся к различным видам, называется мутуализм. В качестве примера можно привести факт взаимоотношений между бобовыми растениями и азотфиксирующими клубеньковыми бактериями, которые обитают на их корневой системе. Аналогично взаимодействуют корни высших растений с грибницей шляпочных грибов. И те, и другие организмы получают друг от друга необходимые для жизнедеятельности вещества.

Конкуренция - это тип взаимодействия, при котором растения одного либо разных видов могут соперничать между собой за ресурсы окружающего пространства - воду, освещение, питательные вещества, местоположение, т.д. В этом случае потребление определенных ресурсов одними организмами снижает их доступность для других.

Пример внутривидовой конкуренции - искусственный сосновый лес, где деревья одного возраста соперничают за свет. Те деревья, которые не успевают за растущими быстрее, в тени значительно хуже развиваются, и многие из них погибают. Межвидовая конкуренция прослеживается среди близких по потребностям видов и родов растений, которые входят в состав одной группы, к примеру, в смешанных лесах между грабом и дубом.

Многие животные, питающиеся растениями, растительноядные, а их связь с растениями - поедание. Так, на пастбищах животные поедают только определенные виды растений, не притрагиваясь к другим, ядовитым или имеющим неприятный вкус. С течением времени это приводит к коренным изменениям видового состава растительности на данном участке. Некоторые растения имеют защитные приспособления от поедания животными, например, выделение ядовитых веществ, видоизмененные листья-колючки) .

ГЛАВА 3. ЗНАЧЕНИЕ И РОЛЬ БИОСФЕРЫ В РАЗВИТИИ ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ

3.1. Своеобразие жизни в компонентных оболочках

Географическая оболочка включает в себя три основные компонентные оболочки это атмосфера, гидросфера и литосфера. И в каждой из этих компонентных оболочек жизнь проявляется по-своему.

Рисунок 6.Граница биосферы Земли .

Верхняя граница распространения жизни в атмосфере определяется, по всей видимости, не столько низкими температурами, сколько губительным действием радиации. Так, пыльца цветковых и голосеменных растений, споры грибов, мхов, папоротников и лишайников, бактерии и простейшие животные организмы постоянно или с сезонной ритмикой присутствуют в воздухе. Над сушей и акваторией в дожде, снеге, облаках и туманах кроме пыльцы и спор обнаружены микроорганизмы. Вся воз-душная среда представляет собой суспензию жизнеспособных пыльцы, спор и микроорганизмов, содержание которых уменьшается с высотой. Интенсивность радиации, создаваемой космическими лучами, на высоте 9 км в десятки раз больше, чем на уровне моря, а на высотах 15— 18 км возрастает уже в сотни раз. Высотное распространение микроорганизмов ограничивается потоком жесткой ультрафиолетовой радиации Солнца, убивающей все живое.

В. И. Вернадский отмечал, что границы биосферы обусловлены прежде всего полем существования жизни, т. е. полем, где возможно размножение организмов. Можно утверждать, что вся тропосфера, высота которой 8—10 км в полярных широтах и 16—18 км у экватора, в большей или меньшей степени населена живыми организмами, которые находятся в ней либо временно, либо постоянно. Уже в тропопаузе резко изменяются физические и температурные характеристики биосферы, в частности прекращается интенсивное турбулентное перемешивание воздушных масс. Стратосфера, находящаяся выше тропопаузы, вряд ли пригодна для существования микроорганизмов. Верхний предел биосферы, или поля существования жизни, довольно ясно просматривается в тропопаузе. При этом верхний предел занесения спор и микроорганизмов, определяющий «поле устойчивости жизни» (живые организмы существуют, но не размножаются), возможен до верхней границы стратосферы.

Таким образом, область распространения живых организмов ограничена в основном тропосферой. Например, верхняя граница полета орлов находится на высоте 7 км; растения в горных системах и насекомые в воздушной среде не распространены выше 6 км; верхняя граница постоянного обитания человека — 5, обрабатываемых им земель — 4,5 км, леса в горных системах тропиков не растут выше 4 км.

Тропосфера — это воздушная среда, в которой осуществляется только передвижение организмов, нередко при помощи своеобразно приспособленных для этого органов. Настоящего аэропланктона, постоянно обитающего и размножающегося в воздушной среде, видимо, нет. В противном случае тропосфера представляла бы собой «кисель», максимально насыщенный микроорганизмами. Весь цикл своего развития, включая размножение, организмы осуществляют только в литосфере и гидросфере, а также на границе воздушной среды с этими оболочками.

Верхние слои атмосферы и стратосферы, в которые возможно занесение микроорганизмов, а также наиболее холодные и жаркие районы земного шара, где организмы могут существовать лишь в покоящемся состоянии, называются парабиосферой (по Дж. Хатчинсону).

В состав биосферы полностью включается гидросфера — озера, реки, моря и океаны. В морях и океанах наибольшая концентрация жизни приурочена к эвфоти- ческой зоне, куда проникает солнечный свет. Обычно ее глубина не превышает 200 м в морях и континентальных пресноводных бассейнах. Именно в этой зоне, где возможен фотосинтез, сосредоточены все фотосинтезирующие организмы и продуцируется первичная биологическая продукция.

Дисфотическая зона, начинающаяся с глубины 200 м, характеризуется полной темнотой и отсутствием фотосинтезирующих растений. Она представляет собой водную среду обитания активно перемещающихся животных. Вместе с тем через нее непрерывным потоком опускаются на дно морей и океанов отмершие растения, выделения и трупы животных.

О нижнем, литосферном, пределе биосферы ясного представления пока нет. В большинстве работ, посвященных биосфере, указывается, что нижний предел биосферы на континентах составляет в среднем 2—3 км. Здесь в условиях низких по сравнению с более глубокими слоями температуры и давления, но при участии живых организмов (микроорганизмов) и воды прекращается миграция химических элементов. Микробиологические исследования свидетельствуют о том, что микро-организмы присутствуют также в пластовых водах, омывающих нефть, хотя сама нефть стерильна. Под океанами литосферный предел биосферы распространяется на 0,5— 1,0 км и, возможно, на 3,0 км ниже их дна. О более глубоком проникновении жизни в литосферу, несмотря на интенсивные буровые работы, достоверной информации пока нет.

В тропосфере и литосфере взаимодействуют твердая, жидкая и газовая фазы вещества, живое вещество непосредственно влияет на все природные процессы. Оболочка земного шара на границе атмо-, гидро-, литосферы, на которой сконцентрировано живое вещество планеты, получила название биогеосферы Понятие биогеосфера по своему содержанию близко к понятию «ландшафтная оболочка» .Только в биогеосфере возможны постоянное нахождение человека и всесторонняя его деятельность. .

3.2. Этапы развития географической оболочки под влиянием биоценозов

Географическая оболочка — целостная материальная система, образованная при взаимодействии взаимопроникновении атмосферы, гидросферы, литосферы, живого вещества.

В жизни географической оболочки выделяют несколько этапов. Самый ранний - добиосфсрный, затем биосферный этап развития. В настоящее время все чаше ученые начали говорить, что в жизни географической оболочки начинается новый этап - ноосферный. Развитие шло по пути усложнения структуры, в процессе взаимодействия образовывались новые компоненты и комплексы. Каждый новый этап характеризуется возникновением новых круговоротов вещества и энергии.

Добиосферпый (геологический) этап развития продолжался с 4,5 млрл лет до 570 млн лет. В это время произошло формирование материков и океанических впадин, образовались атмосфера и гидросфера. На добиосфсрном этапе взаимодействовали атмосфера, гидросфера, литосфера. Живое вещество существовало, но сплошного распространения не имело. В это время целостность оболочки поддерживали круговороты воды и химических элементов. В результате взаимодействия первичных компонентов — воды, воздуха, горных пород — формировались компоненты географической оболочки. Образовались природные вола и воздух, г с. компоненты несут в себе результаты взаимодействия оболочек. Природным воздух — это уже не только газы атмосферы, он содержит волу гидросферы и твердые частицы литосферы. В природной воде су-ществуют соли и газы, сформировались осадочные горные породы. На добиосферном этапе верхняя граница географической оболочки вероятно располагалась на высоте 80 км (в этом слое существуют серебристые облака, состоящие из смерзшихся газов и льда, т.с. пары воды при круговоротах заносились па эту" высоту"). Кроме того, на этой высоте проходит граница гомосферы. Нижняя граница проходила по границе осадочного слоя: осадочные горные породы являются результатом воздействия на горные породы волы и воздуха, кроме того, именно здесь располагаются горизонты подземных вод.

Биосфера – сфера жизни, оболочка Земли, населенная живыми организмами. Область распространения живых организмов и определяет границы биосферы. Термин «биосфера» был предложен австрийским геологом Эдуардом Зюссом, понимавшим ее как тонкую пленку жизни на земной поверхности. Учение о биосфере разработал выдающийся отечественный ученый В.И. Вернадский.

За верхнюю границу биосферы принимаю слой озона (озоновый экран), находящийся на высоте 20–25 км. Нижняя граница биосферы проходит в литосфере. Биосфера включает в себя нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу, верхнюю часть земной коры и живое вещество. Живое вещество планеты представлено растениями, животными микроорганизмами и человеком. Считают, что зарождение жизни на Земле произошло свыше 3 млрд лет тому назад в мелководных водоемах в условиях теплого и влажного климата.

Жизнь на Земле в геологически обозримый период всегда существовала в фор­ме сложно организованных комплексов разнообразных организмов (биоценозов). Вместе с тем живые организмы и среда их обитания тесно связаны, взаимодействуют друг с другом, образуя целостные динамические системы – биогеоценозы. Питание, дыхание и размножение орга­низмов и связанные с ними процессы создания, накопления и распада органического вещества обеспечивают постоянный кру­говорот вещества и энергии. С этим круговоротом связана миграция ато­мов химических элементов биогенных – их биогеохимические циклы. В ходе биогеохимических циклов атомы большинства химических элементов проходили бесчисленное число раз через живое вещество. Так, весь кислород атмосферы оборачивается через живое вещество за 2000 лет, углекислый газ – за 200 (300) лет, а вся вода Биосферы – за 2 млн лет.

Широкому распространению живых организмов на Земле помогала их способность приспосабливаться к самым разнообразным условиям среды, поразительно широкие физические пределы жизни живого вещества а также высокая потенциальная возможность к размножению. В настоящее время по составу в биосфере преобладают животные над растениями, а по массе вещества растения во много раз превышают массу животных. Подавляющая часть биомассы сосредоточена на суше: она превышает биомассу Океана в 1000 раз. Живые организмы распространены в биосфере крайне неравномерно. Наибольшая их концентрация наблюдается на поверхности суши (включая почву и приземные слои атмосферы), поверхностные слои Мирового океана, а также его дно в мелководной зоне. Масса живого вещества по сравнению с массой их геосфер весьма незначительна (0,01% массы всей биосферы). Однако роль живого вещества в биосфере огромна.

В атмосфере большинство организмов не поднимается выше нескольких сотен метров. В литосфере бактерии обнаружены на глубине более 2000 м. Особенно богата жизнью почва. На суше биомасса в целом увеличивается от полюсов к экватору, в этом же направлении возрастает количество видов растений и животных.

Результаты деятельности живых организмов сказались на всех оболочках Земли. Живые организмы в значительной мере определяют современный солевой состав вод океана, разрушают, ви­доизменяют и создают горные породы, а также некоторые фор­мы рельефа (коралловые острова). Почти весь кислород атмосфе­ры имеет биогенное происхождение, благодаря организмам уравновешивается приход и расход углекислого газа.

Растения – это организмы, создающие в процессе фотосинтеза из неорганического вещества органическое, которое животные используют для питания. В настоящее время в биосфере по видовому составу преобладают животные (1,5 млн) над растениями (около 500 тыс.) видов. Однако биомасса растений в 1000 раз превышает биомассу животных.

Животные составляют лишь небольшую часть биосферы нашей планеты; их масса не превышает 2% всего живого. Однако роль их в биосфере и географической оболочке Земли чрезвычайно велика: питаясь растениями и друг другом, животные участвуют в биологическом круговороте веществ и превращении энергии – основном процессе биосферы. Велика роль животных в образовании почвы, их разностороннем влиянии на жизнь растений, в жизни человека.

Значительную роль играют организмы в образовании почв.

Почва – верхний тонкий слой земной коры, обладающий плодородием – способностью обеспечивать растения необходимыми им питательными веществами и влагой. Это сложный органоминеральный комплекс, образующийся в результате взаимодействия факторов почвообразования: материнских горных пород, рельефа, климата, вод, растений и животных. В зависимости от сочетания этих факторов формируются разные почвы.

Образование того или иного типа почв зависит от поступления в почву органического вещества (в основном остатков растений) и увлажнения. По механическому составу (соотношению различных по величине минеральных частиц) почвы подразделяются на песчаные, супесчаные, суглинистые и глинистые. Размещение почв на Земле зависит прежде всего от климата. На равнинах наблюдается смена почв от полюсов к экватору:

Вмешательство человека в естественные процессы биосферы приводит к разнообразным последствиям. Так, человек создает новые сорта растений и пород животных, ускоряет эволюцию видов в природе, обогащает природные сообщества путем акклиматизации живых организмов, повышает плодородие почвы. Идет интенсивное использование природных ресур­сов. В настоящее время темпы потребления биоресурсов превышают скорость их восстановления, что ведет к уничтожению естествен­ной растительности и животного мира, ухудшению условий обита­ния живых организмов, разрушению почвы и т.д.

В то же время хозяйственная деятельность человека влияет и на животных. Влияние может быть прямым и косвенным, положительным и отрицательным, вызывать увеличение численности одних, сокращение других, полное вымирание третьих видов. Отрицательное воздействие принимает настолько крупные и все возрастающие масштабы, что требует безотлагательных мер охраны животных. Все редкие и исчезающие виды животных и растений заносятся в Международную Красную книгу, изданную в 1976 г.

В современном мире особое внимание уделяется также снижению уровня загрязнения биосферы в соответствии с документами конференции ООН по устойчивому развитию, которая состоялась в Рио-де-Жанейро в 1992 году.В зависимости от назначения охраняемые территории делят на заповедники, заказники, природные (национальные) парки, памятники природы.

Заповедник – особо охраняемый законом природный участок, целиком исключенный из хозяйственной деятельности для охраны и изучения типичных или уникальных природных комплексов.

Биосферный заповедник – строго охраняемый значительный природный участок, практически не испытывающий антропогенных воздействий. Это территория, на которой производится постоянное слежение (мониторинг) за всеми изменениями биогенных составляющих природы заповедника.

Заказники – это территории, где запрещены отдельные виды и формы хозяйственной деятельности (распашка, рубка леса, сенокошение, охота, рыболовство, туризм и др.). В пределах заказников под охраной находится не весь природный комплекс, а лишь отдельные его компоненты (виды животных, растений).

Национальные парки – обширные территории, на которых сочетается охрана живописных ландшафтов с интенсивным использованием их в целях туризма.

Памятники природы – уникальные, редкие и выдающиеся объекты как живой, так и неживой природы, в том числе связанные с какими-либо историческими событиями или лицами.

К природоохранным мероприятиям относится также разра­ботка методов разведения редких и исчезающих видов животных и растений и их переселение на охраняемые территории, новые места обитания, а также в зоопарки и ботанические сады.

В целом, охрана растительного и животного мира – это комплекс международных, государственных, региональных административно-хозяй­ственных и общественных мероприятий, направленных на сохранение популяционно-видового состава и поддержание численности видов растений и животных на уровне, обеспечивающем их существование.

Охрана и рациональное использование растительного и животного мира в Российской Федерации определяется конституцией РФ, федеральными законами, постановлениями и другими законодательными актами, Экологической доктриной Российской Федерации.

Компоненты географической оболочки и их взаимодействие.

Атмосфера, литосфера, гидросфера и биосфера - четыре оболочки земного шара находятся в сложном взаимодействии, взаимопроникают друг в друга. Все вместе они составляют географическую оболочку.

В географической оболочке развивается жизнь, проявляется деятельность воды, льда, ветра, образуются почвы, осадочные горные породы.

Географическая оболочка - это область сложного взаимопроникновения, взаимодействия космических и земных сил. Она продолжает развиваться и усложняться в результате взаимодействия живой и неживой природы.

Верхняя граница географической оболочки соответствует тропопаузе - переходному слою между тропосферой и стратосферой. Над экватором этот слой располагается на высоте 16-18 км, а на полюсах - 8-10 км. На этих высотах затухают и прекращаются процессы, порождаемые взаимодействием геосфер. В стратосфере практически отсутствует водяной пар, нет вертикального перемещения воздуха, изменение температур не связано с влиянием земной поверхности. Невозможна здесь и жизнь.

Нижняя граница на суше проходит на глубине 3-5 км, т. е. там, где изменяются состав и свойства горных пород, отсутствуют вода в жидком состоянии и живые организмы.

Географическая оболочка Земли представляет собой целостную материальную систему, качественно отличную от других геосфер Земли. Ее целостность определяется непрерывным взаимодействием твердых, жидких и газообразных, а с возникновением жизни - и живых веществ. Все составные части географической оболочки взаимодействуют, используя солнечную энергию, поступающую на Землю, и энергию внутренних сил Земли.

Взаимодействие между геосферами Земли в пределах географической оболочки происходит в результате круговорота веществ (воды, углерода, кислорода, азота, углекислого газа и др.).

Все компоненты географической оболочки находятся в сложных взаимосвязях. Изменение одного компонента непременно вызывает изменение и других.

Ритмичность явлений в географической оболочке. Географическая оболочка Земли постоянно изменяется, усложняются взаимосвязи между ее отдельными компонентами. Эти изменения происходят во времени и в пространстве. В природе существуют ритмы разной продолжительности. Короткие, суточные и годовые ритмы особенно важны для живых организмов. Их периоды покоя и активности согласуются с этими ритмами. Суточный ритм (смена дня и ночи) обусловлен вращением Земли вокруг своей оси; годовой ритм (смена времен года) - обращением Земли вокруг Солнца. Годовая ритмика проявляется в существовании периодов покоя и вегетации у растений, в линьке и миграции животных, в некоторых случаях - в спячке, размножении. Годовая ритмика в географической оболочке зависит от широты мест: в экваториальных широтах она выражена слабее, чем в умеренных или полярных.

Суточные ритмы протекают на фоне годовых, годовые - на фоне многолетних. Существуют также вековые, многолетние ритмы, например изменения климата (похолодание - потепление, иссушение - увлажнение).

Изменения в географической оболочке происходят и в результате движения материков, наступления и отступления морей, в ходе геологических процессов: при эрозии и аккумуляции, работе моря, вулканизме. В целом географическая оболочка развивается поступательно: от простого к сложному, от низшего к высшему.

Зональность и секторность географической оболочки.

Важнейшая структурная особенность географической оболочки - ее зональность. Закон зональности был сформулирован великим русским ученым-естествоиспытателем В. В. Докучаевым, который писал, что расположение нашей планеты относительно Солнца, ее вращение и шарообразность влияют на климат, растительность и животных, которые распределяются по земной поверхности по направлению с севера на юг в строго определенном порядке.

Зональность лучше выражена на обширных равнинах. Однако границы географических зон редко совпадают с параллелями. Дело в том, что на распределение зон оказывают влияние многие другие природные факторы (например, рельеф). В пределах зоны могут наблюдаться значительные различия. Это объясняется тем, что зональные процессы накладываются на азональные, обусловленные внутренними факторами, не подчиненными законам зональности (рельеф, распределение суши и воды).

Самые крупные зональные подразделения географической оболочки - географические пояса, их выделяют по радиационному балансу (приходу-расходу солнечной радиации) и характеру общей циркуляции атмосферы. На Земле существуют следующие географические пояса: экваториальный, субэкваториальные (северный и южный), тропические (северный и южный), субтропические (северный и южный), умеренные (северный и южный), субполярные (субарктический и субантарктический), полярные (арктический и антарктический).

Географические пояса не имеют правильной кольцевой формы, они расширяются, сужаются, изгибаются под воздействием материков и океанов, морских течений, горных систем.

На материках и океанах географические пояса качественно отличны. На океанах они хорошо выражены на глубинах до 150 м, слабо - до глубины 2000 м.

Под влиянием океанов на материках внутри географических поясов образуются долготные секторы (в поясах умеренных, субтропических и тропических), приокеанические и континентальные.

На равнинах в пределах географических поясов выделяют природные зоны (рис. 45). В континентальном секторе умеренного пояса в пределах Восточно-Европейской равнины это зоны лесов, лесостепей, степей, полупустынь, пустынь. Природными зонами называют подразделения земной поверхности, характеризующиеся сходными почвенно-растительными и климатическими условиями. Основной фактор формирования почвенно-растительного покрова - соотношение температур и увлажнения.

Рис. 45. Основные биозоны Земли

Вертикальная поясность. По вертикали природные компоненты изменяются иными темпами, чем по горизонтали. При подъеме вверх в горах изменяются количество атмосферных осадков и световой режим. Эти же явления по-иному выражены на равнине. Разная экспозиция склонов - причина неодинакового распределения температуры, увлажнения, почвенно-растительного покрова. Причины широтной зональности и вертикальной поясности различны: зональность зависит от угла падения солнечных лучей и соотношения тепла и влаги; вертикальная поясность - от понижения температуры с высотой и степени увлажнения.

Почти каждая горная страна на Земле имеет свои особенности вертикальной поясности. Во многих горных странах пояс горной тундры выпадает и замещается поясом горных лугов.

Рис. 46. Изменение растительности в зависимости от широты и высоты местности

Высотная поясность начинается с зоны, расположенной у подошвы горы (рис. 46). Важнейшим фактором в распределении высоты поясов является степень увлажнения.

| |
§ 40. Круговорот веществ и энергии в биосфере § 42. Природные зоны россии

Работа живого вещества в биосфере достаточно многообразна. По Вернадскому, работа живого вещества в биосфере может проявляться в двух основных формах:

а) химической (биохимической) – I род геологической деятельности; б) механической – II род транспортной деятельности.

Биогенная миграция атомов I рода проявляется в постоянном обмене вещества между организмами и окружающей средой в процессе построения тела организмов, переваривания пищи. Биогенная миграция атомов II рода заключается в перемещении вещества организмами в ходе его жизнедеятельности (при строительстве нор, гнезд, при заглублении организмов в грунт), перемещении самого живого вещества, а также пропускание неорганических веществ через желудочный тракт грунтоедов, илоедов, фильтраторов.

Для понимания той работы, которую совершает живое вещество в биосфере очень важными являются три основных положения, которые В. И. Вернадский назвал биогеохимическими принципами:

1. Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению.
2. Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов.
3. Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с космической средой, его окружающей, и создается и поддерживается на нашей планете лучистой энергией Солнца.

Функции живого вещества:

1. Энергетическая функция

Поглощение солнечной энергии при фотосинтезе и химической энергии при разложении энергонасыщенных веществ, передача энергии по пищевым цепям.

В результате осуществляется связь биосферно-планетарных явлений с космическим излучением, преимущественно с солнечной радиацией. За счет накопленной солнечной энергии протекают все жизненные явления на Земле. Недаром Вернадский назвал зеленые хлорофилльные организмы главным механизмом биосферы.

Поглощенная энергия распределяется внутри экосистемы между живыми организмами в виде пищи. Частично энергия рассеивается в виде тепла, а частично накапливается в отмершем органическом веществе и переходит в ископаемое состояние. Так образовались залежи торфа, каменного угля, нефти и других горючих полезных ископаемых.

Кислород выделяется из пород литосферы в процессе происходящих в них геохимических процессов. Его содержится 2,8·1014 т. Последние 200 млн. лет, содержание кислорода в воздухе остается постоянным за счет фотосинтеза растений. Появление кислорода изменило многие свойства Земли. Озоновый слой стал задерживать ультрафиолетовые лучи, губительные для живых организмов. Усилились процессы выветривания пород, так как кислород – сильный окислитель. При отсутствии его в атмосфере состав литосферы на Земле был совершенно иным. Так, железистые кварциты КМА, а также железорудные месторождения Сибири образовывались в докембрийское время. Это закисные формы железа, которые формируются при малом количестве кислорода. В последующие геологические эпохи таких скоплений железных руд на Земле не было. В атмосфере появился кислород и стали образовываться окисные формы железа, которые более подвижны и крупных месторождений создавать не могут9.

Азот атмосферы усваивается растениями, а животные получают его из растительной пищи. Но главная роль в фиксации азота принадлежит почвенным бактериям. Его содержание в атмосфере составляет 3,8·1015 т. Возвращается в атмосферу азот благодаря деятельности других бактерий – денитрификаторов. Без них большая часть атмосферного азота оказалась бы в связанном состоянии в океане и в осадочных горных породах.

Углерод. За время существования на Земле фотосинтезирующих организмов их атмосферы в земную кору перешло большое количество углерода. В современной атмосфере его содержится 7·1011 т. Баланс углерода связан с деятельностью организма, поглощающих и выделяющих углекислый газ. Однако этот баланс местами нарушается хозяйственной деятельностью организма и выбросами в окружающую среду больших объемов углерода.

Таким образом, современная атмосфера – это продукт жизнедеятельности организмов, в том числе человека, определяющих, регулирующих и изменяющих ее состав.

2. Деструктивная функция

Эта функция состоит в разложении, минерализации мертвого органического вещества, химическом разложении горных пород, вовлечении образовавшихся минералов в биотический круговорот, т.е. обусловливает превращение живого вещества в косное. В результате образуются также биогенное и биокосное вещество биосферы.

Особо следует сказать о химическом разложении горных пород. «Мы не имеем на Земле более могучего дробителя материи,чем живое вещество», - писал Вернадский.

Пионеры жизни на скалах - бактерии, синезеленые водоросли, грибы и лишайники - оказывают на горные породы сильнейшее химическое воздействие растворами целого комплекса кислот - угольной, азотной, серной и разнообразных органических. Разлагая с их помощью те или иные минералы, организмы избирательно извлекают и включают в биотический круговорот важнейшие питательные элементы - кальций, калий, натрий, фосфор, кремний, микроэлементы.

3. Концентрационная функция

Так называется избирательное накопление в ходе жизнедеятельности определенных видов веществ для построения тела организма или удаляемых из него при метаболизме. В результате концентрационной функции живые организмы извлекают и накапливают биогенные элементы окружающей среды. В составе живого вещества преобладают атомы легких элементов: водорода, углерода, азота, кислорода, натрия, магния, кремния, серы, хлора, калия, кальция. Концентрация этих элементов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде. Этим объясняется неоднородность химического состава биосферы и ее существенное отличие от состава неживого вещества планеты. Наряду с концентрационной функцией живого организма вещества выделяется противоположная ей по результатам - рассеивающая. Она проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, гибели организмов при разного рода перемещениях в пространстве, смене покровов. Железо гемоглобина крови рассеивается, например, через кровососущих насекомых.

4. Средообразующая функция

Преобразование физико-химических параметров среды (литосферы, гидросферы, атмосферы) в результате процессов жизнедеятельности в условиях, благоприятных для существования организмов. Эта функция является совместным результатом рассмотренных выше функций живого вещества: энергетическая функция обеспечивает энергией все звенья биологического круговорота; деструктивная и концентрационная способствуют извлечению из природной среды и накоплению рассеянных, но жизненно важных для живых организмов элементов. Очень важно отметить, что в результате средообразующей функции в географической оболочке произошли следующие важнейшие события: был преобразован газовый состав первичной атмосферы, изменился химический состав вод первичного океана, образовалась толща осадочных пород в литосфере, на поверхности суши возник плодородный почвенный покров. «Организм имеет дело со средой, к которой не только он приспособлен, но котораяприспособлена к нему», - так характеризовал Вернадский средообразующую функцию живого вещества.

Рассмотренные четыре функции живого вещества являются главными, определяющими функциями. Можно выделить еще некоторые функции живого вещества, например10:

Газовая функция обусловливае т миграцию газов и их превращения, обеспечивает газовый состав биосферы. Преобладающая масса газов на Земле имеет биогенное происхождение. В процессе функционирования живого вещества создаются основные газы: азот, кислород, углекислый газ, сероводород, метан и др. Хорошо видно, что газовая функция является совокупностью двух основополагающих функций - деструктивной и средообразующей;

Окислительно- восстановительная функция закл ючается в химическом превращении главным образом тех веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисления (соединения железа, марганца, азота и др.). При этом на поверхности Земли преобладают биогенные процессы окисления и восстановления. Обычно окислительная функция живого вещества в биосфере проявляется в превращении бактериями и некоторыми грибами относительно бедных кислородом соединений в почве, коре выветривания и гидросфере в более богатые кислородом соединения. Восстановительная функция осуществляется при образовании сульфатов непосредственно или через биогенный сероводород, производимый различными бактериями. И здесь мы видим, что данная функция является одним из проявлений средообразующей функции живого вещества;

Транспортная функция - перенос вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении. Еще со времен Ньютона известно, что перемещение потоков вещества на нашей планете определяется силой земного тяготения. Неживое вещество само по себе перемещается по наклонной плоскости исключительно сверху вниз. Только в этом направлении движутся реки, ледники, лавины, осыпи.

Термин биосфера был предложен в 1875 г. австрийским геологом Э. Зюссом. А в 1926 г. В. И. Вернадский создал учение о биосфере, как активной оболочке Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов (в том числе и человека) проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба и значения. И сейчас, вслед за Вернадским, биосферой называют область активной жизни, оболочку Земли, населенную живыми организмами, охватывающую нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.

Вопрос о вертикальных границах биосферы решается неоднозначно. Наиболее насыщен живыми организмами только нижний слой атмосферы - менее 100 метров над землей, но птица кондор способна подняться на высоту 7 км, а токи воздуха уносят микроорганизмы, бактерии, споры грибов вверх до 10 км. И, принимая во внимание принципиальную возможность существования живых существ, верхнюю границу биосферы проводят на высоте от 20-25 км (озоновый слой) до 30 км; нижнюю от нескольких сот метров (зона гипергенеза) до нескольких километров (где встречаются еще анаэробные бактерии), а в Мировом океане - до самых глубоких впадин. Такое понимание термина биосфера близко к понятию географическая оболочка . При более узкой трактовке этого термина, биосфера - это совокупность всех живых организмов, населяющих географическую оболочку, то есть органический мир или живое вещество.

Живые организмы и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом, образуя динамические системы глобального, регионального и локального уровней. Видовой состав растений, произрастающих на определенной территории, называется флорой ; растительность же - это растительные сообщества (фитоценозы) определенной территории или Земли в целом. Аналогично, видовой состав животных - называют фауной , а всех животных, обитающих на какой-либо территории, - животным миром.

Биосфера, как особая оболочка Земли сформировалась в процессе эволюции. Миллиарды лет геологической истории увеличивалось разнообразие живых организмов, усложнялась их организация, возрастала их общая масса и влияние на все оболочки. Растения изменили состав атмосферы: обогатили её кислородом и уменьшили содержание углекислого газа. Химический состав океанских вод сформирован и в значительной степени при фильтрации воды живыми организмами. Большое влияние оказали живые организмы на литосферу. Они принимают активное участие в процессах выветривания, в создании органогенных горных пород (известняков, каменного угля, торфа, по одной из теорий, нефти и др.), а также некоторых форм рельефа, например коралловых островов (атоллов), термитников. Велика роль живых организмов в создании особого природного образования - почвы.

Развитие жизни шло неравномерно. Некоторые виды (например, сине-зеленые водоросли) сохранились с архея до наших дней; другие дали начало возникновению сложных форм живого, вплоть до человека; многие вымерли, не сумев приспособится к меняющимся условиям среды. За всю историю биосферы существовало примерно 500 млн. видов, а в настоящее время их только около 2 млн. видов. Удивительно высока потенциальная возможность размножения живых организмов, и приспособляемость их к условиям среды. Микроорганизмы были обнаружены в исландских гейзерах, имеющих температуру 93 °c. Споры некоторых бактерий сохраняют жизнеспособность при температуре -253 °c. Чтобы захватить всю поверхность планеты, холерной бактерии при благоприятных условиях хватило бы 1,2 суток, комару - 203 дня, а крысе - 8 лет; потомство одного одуванчика через 10-12 лет покрыло бы всю сушу.

Максимальная плотность живого вещества (свыше 90 % общей биомассы) отмечается на поверхности суши, главным образом в тропических лесах (до 500 т/га); минимальная - в высокогорьях, пустынях и полярных областях; в пределах гидросферы биомасса концентрируется в поверхностном (планктонном) слое зоны морского мелководья. Число видов животных (1,5 млн) много больше, чем растений (около 500 тыс.), но по массе вещества растения в тысячу раз превышают массу животных. На суше биомасса растений значительно больше биомассы животных, в океане, наоборот, по массе преобладают животные.

По условиям обитания в органическом мире океана выделяют планктон - пассивно плавающие в воде и не имеющие двигательного аппарата растения (фитопланктон - 70 % биомассы) и животные (зоопланктон); нектон - активно плавающие животные (рыбы, плавающие моллюски, китообразные и др.) и бентос - растения и животные живущие на дне. Общие закономерности географического распределения живого вещества в Мировом океане таковы: в тропиках мала биомасса (менее 0,01 кг/т 2), поскольку в теплой воде содержится недостаточное количество кислорода, но велико видовое разнообразие. Повышенная биопродуктивность и биомасса (до 0,5 кг/м 2) свойственны районам подъема холодных глубинных вод (зоны апвеллинга) у западных побережий материков; районам расходимости поверхностных течений (зоны дивергенции) в восточных частях Атлантического, Индийского и Тихого океана в умеренных и субтропических широтах. В холодных водах на севере Тихого океана, на стыке Атлантического и Северного Ледовитого биомасса достигает 2 кг/м 2 , но видовое разнообразие невелико.

Распределение биомассы на суше , в целом, обратно океаническому и важнейшими определяющими факторами здесь являются - количество приходящей солнечной энергии и соотношение тепла и влаги. Количественно это соотношение выражается различными коэффициентами, например, радиационным индексом сухости (отношением радиационного баланса к количеству тепла, необходимому для испарения годовой суммы осадков). Максимум биомассы и видовое разнообразие приходится на влажные экваториальные леса, по мере движения к полюсам биомасса и видовое разнообразие снижается. Однако на этом пути наблюдается еще два пика повышения биомассы (вечнозеленые субтропические леса и смешанные и широколиственные леса умеренного пояса), приуроченных к районам, где тепло и влага сбалансированы, т. е. индекс сухости близок к единице.

Биомасса Земли составляет 1,8 х 10 12 т сухого вещества и неизмеримо мала по сравнению с массой Земли (около 6 х 10 27 т). Однако роль живого вещества огромна. Основные его функции - использование солнечной энергии фотосинтезирующими организмами и биологический круговорот вещества и энергии, который обеспечивает динамику всех жизненных процессов. Сущность круговорота сводится к двум противоположным процессам: созданию органического вещества и его превращению в дальнейшем в простые минеральные вещества. Эти процессы состоят из трех главных этапов: создания в результате фотосинтеза с использованием солнечной энергии органического вещества первичной продукции (при этом выделяется кислород), превращения первичной (растительной) продукции во вторичную (животную), разрушения первичной и вторичной биологической продукции. По способу участия в биологическом круговороте организмы делятся на 3 большие группы: 1) продуценты - производящие органическое вещество из неорганического, в основном это растения; 2) консументы - питающиеся органическим веществом - все животные, грибы, часть дробянок; 3) редуценты - микроорганизмы и грибы, превращающие продукты жизнедеятельности организмов и погибшие организмы в простые неорганические соединения, которые усваиваются из почвы высшими растениями. Ряды видов растений, животных, микроорганизмов и грибов, связанных друг с другом отношениями "пища - потребитель" образуют пищевые цепи или цепи питания. По этим цепям передаются вещество и энергия, а в ряде случаев и вредные и опасные химические соединения, концентрация которых на каждом следующем уровне увеличивается. Иногда это порождает экологические проблемы, а порой приводит и к гибели людей, потребляющих в пищу организмы, накопившие токсины.

Воздействие человека на биосферу возрастает и существенно затрагивает все ее составляющие. Человек создал десятки тысяч новых сортов растений и пород животных, ускоряет эволюцию видов в природе, обогащает природные сообщества путем акклиматизации живых организмов, повышает плодородие почв. В 30-40 годы XX века В. И. Вернадским выдвинуто понятие о ноосфере как о новом состоянии биосферы, при котором главным определяющим фактором ее развития становится разумная деятельность человека. Однако последствия этой деятельности неоднозначны, часто приводят к интенсивному уничтожению естественной растительности, животных, ухудшению условий обитания живых организмов, разрушению почв в результате эрозии и т. д.

В Красную книгу внесено более 320 видов млекопитающих, около 500 видов птиц и около 200 видов рыб, более 680 видов сосудистых растений, находящихся под угрозой исчезновения. Многие виды истреблены полностью. Это, например, странствующий голубь, морская корова, птица дронт. Около 4,5 млн. км 2 или 3% территории планеты занято сейчас так называемым антропогенным бедлендом - землями, подверженными эрозии, засолению, заболачиванию и другим негативным процессам, спровоцированным деятельностью человека. Все это в конечном счете ухудшает условия жизни самого человека, порою делая их просто непригодными. Поэтому охрана биосферы, разумное использование ее богатств - одна из важнейших проблем современности.