Биосферы основные законы

Функции биосферы (по Вернадскому и основные биосферные законы по Реймерсу) (стр. 2 из 2)

Всего растительный покров земного шара ежегодно фиксирует 687 х 1018 кал. солнечной энергии, в том числе растительность континентов v 426 х 1018 кал.(52,8млрд.т углерода в год), а растения океана v 26 х 1018 кал.(24,8 млрд.т углерода в год).

На поверхность Земли поступает за год 510 х 1018 ккал. солнечной энергии. Из этой энергии растениями связывается — только 0,13%. Растительность суши использует солнечную энергию 0,3%, а растения океана на 0,07%.

Живые организмы и биосфера в целом состоят из тех же химических элементов, которые встречаются в окружающей среде. Во всех живых организмах преобладают в основном 14 элементов, их называют биогенными: Н2 ;С ;02. Они составляют 99,9% веса живых организмов, образуют 99% веса всей земной коры нашей планеты и тем самым обеспечивают устойчивость жизни на Земле. Все остальные химические элементы находятся в рассеянном состоянии. Большую часть веса живых организмов дают 02 и С. Они составляют от 50 до 90% их сухого абсолютного веса. «Совокупность живых организмов v писал В.И.Вернадский, образует лишь малую долю всей массы вещества биосферы, вес этого вещества представляет много триллионов метрических тонн (1012 ), вес биосферы несколько квинтиллионов тонн(1018).

Человечество производит по крайней мере в 2000 раз больше отбросов органического происхождения, чем вся остальная биосфера. Отходами или отбросами условимся называть вещества, которые надолго исключаются из биогеохимических циклов биосферы, то есть из кругооборота веществ в Природе. Другими словами, человечество кардинальным образом меняет характер функционирования основных механизмов биосферы.

Первичная продукция, доступная гетеротрофам (человеку) составляет максимум 4% от общей лучистой энергии Солнца, в оптимальном среднем — 0,5% и в общем для биосферы — 0,1%. Это чистая первичная продукция. Если же говорить об урожае полезных для человека растений (зерна пшеницы), то это не более трети чистой первичной продукции, т.е. 1% поступающей солнечной энергии (максимально -0,15% для биосферы — 0,03%. Это абсолютные лимиты естественной урожайности.) Более высокого урожая можно достигнуть вложив дополнительную энергию мин. удобрений, сельхозмашин, топлива и т.п. Но превысить природный максимум невозможно. Большее вложение энергии ведет к разрушению экосистем.

Собирательство давало от 0,4 до 20 кг/га сухого вещества в год; сельское хозяйство без минерального горючего — 50-200 кг/га сухого вещества в год; увеличение вложения энергии привело к 2 000- 20 000 кг/га сухого вещества. Теоретический предел при максимальном использовании энергии — 80 000 кг/га в год.

(Рисунки продуктивности и турбинной модели биосферы.)

Чистая первичная продуктивность в среднем в год по основным типам экосистем в г х м2 в год:

Заросли водорослей и рифы 2 500

Влажные тропические леса 2 200

Тропические сезонно-зеленые леса 1 600

Вечнозеленые леса умеренного пояса 1300

Листопадные леса умеренного пояса 1 200

Культивируемые земли 650

Первичная продукция живого вещества планеты в экосистемах основных типов (Одум, 1986.)

Тип экосистем Продуктивность в тыс. ккал/кв.м

mirznanii.com

Биосфера Земли — часть космической системы, которой присущи определенные функции, свойства, оговариваются законами Вселенной — законами химии, физики, механики. Они обусловливают самоорганизацию Вселенной, его частей — галактик, звездных систем. Где из элементарных частиц образуются атомы, из них — молекулы, которые, усложняясь, образуют основу жизни — клетки, из которых само-организуются организмы.

В.И. Вернадский писал, что жизнь — основа Вселенной — вечный, как сама материя и энергия. Он утверждал, что «Космос без материи, без энергии не может существовать». И далее: «Для нас становится понятным, что жизнь — явление космическое, а не сугубо земное». Существует принцип Ф. Реди (1626-1698): «Все живое — только от живого». Подтверждением этому служат труды известного ученого Чижевского, который доказал в 20-х гг. XX в., Ритмы солнечной активности влияют на земные процессы — с ними совпадают всплески стихий — землетрясений, извержения вулканов, эпидемий, войн, революций, рождение гениальных, талантливых человек. Биоэкология формирует не только теоретические основы познания структуры, свойств биосферы, но и изучает прежде всего реальные взаимосвязи, возникающие в растительном и животном мирах. От свойств окружающего их среды зависят их строение, биохимические, физиологические функции, которые обусловливают основные свойства биосферы.

Газовая — большинство газов атмосферы — кислород, водород, метан, углекислый газ — результат биогеохимической функции биосферы, деятельности в основном растений.

Концентрационный — за счет жизнедеятельности организмов накопились органические виды топлива — уголь, нефть, торф, образовались месторождения полезного ископаемого — карбонаты (мел, мрамор, известняк, ракушечник), железные руды, в атмосфере накопился кислород за счет фотосинтеза растений.

Окислительно-восстановительная — обеспечивает единство всех химических процессов, происходящих в биосфере и обусловливают их осуществления в веществах органического или неорганического происхождения.

Биохимическая или биогеохимическая — за счет деятельности человека, всех других организмов, которые определяют структуру и свойства биосферы.

Впервые на эти функции обратил внимание В.И. Вернадский. Они определяют обмен веществ, их круговороты, происходящих даже в самой маленькой совокупности организмов, которые взаимодействуют со средой. Существуют большой — биосферный и разного уровня малые круговороты — в капле воды, озере, в любом участке биосферы. Под термином «круговорот» понимают такое развитие объекта, когда он возвращается в исходное положение, но не состояние. Круговороты, изменения в биосфере характеризуются определенными зависимостями, законами, которые постепенно устанавливают ученые.

Любое учение является научным, если в нем отражаются определенные закономерности, выраженные аксиомами, постулатами, законами, которые отражают реальные характеристики, связи, функции определенного объекта, системы. Это, например, аксиома Ч. Дарвина о адаптированности. Согласно ей каждый организм или вид адаптирован к определенным, специфичных для него, условиям существования. Адаптация организма обусловлена генетически, а также с помощью физиологических, поведенческих, эмбриональных механизмов. Следовательно, нарушение этих механизмов разрушает адаптивные возможности организма, что может способствовать исчезновению. Теоретическую основу современной экологии составляют 129 теорем, 57 законов, 40 правил, 36 принципов.

Важны постулаты, принципы, в частности феноменологический постулат Хинчина (1983) и Брилюена (1956), согласно которому степень упорядоченности системы возрастает, если мера хаоса (энтропии) уменьшается, и наоборот. Это важно для характеристики любого биоценоза как совокупности популяций различных организмов — растений, животных, микроорганизмов, населяющих определенный биотоп.

Постулат Моисеева (1988) об экономии энергии указывает на то, что наибольшая вероятность на сохранение стабильности и развитие имеет экосистема, утилизирует внешнюю вещество и энергию, накопившуюся в ней в оптимальных количествах и наиболее эффективно.

Понятие энтропии, которое предложил Р. Клаузиус в 1865 г.. Для характеристики термодинамических процессов, является одним из важнейших в современной науке, в экологии. В окружающей среде энтропия (мера хаоса, беспорядка) значительно выше, чем в организме, системе, которые находятся в определенном окружающем их среде. За счет автоматического уменьшения энтропии возникают и какие-либо системы — живые, неживые.

Время существования системы-объекта зависит от его энтропийной устойчивости. Энтропия характеризует количество энергии, используемой для повышения уровня высокой самовпорядкованости, для длительного существования организма, вида. В живом объекте увеличен порядок, уменьшенная энтропия за счет среды. При этом система приобретает более высокой организации, структурированности, чем окружающая среда. Энтропию (Б) системы можно определить уравнением Шеннона (1948): S = ?Р к lnР к, где ?Р к = 1, k — количество элементов-носителей информации (растений, животных); Р — вероятность явления. Чем больше значение S, тем меньше устойчивость системы во времени и пространстве. Наибольшие значения энтропии характерные для деградированных экосистем, наименьшие — для устойчивых, например для экваториальных тропических лесов. Уровень энтропии определяется количеством полученной информации, а следовательно, энергии, структурирует, формирует организм, биологическую, физическую систему.

Информация (лат. — Объяснение), в отличие от энтропии, отражает степень упорядоченности системы. Это одно из основных понятий кибернетики, в частности экологической кибернетики. По Н. Винером (1984), от количества информации зависит состояние, благосостояние любой системы. Информация тесно связана с энтропией, измеряемой в джоулях на Кельвин (Дж / град), то есть это энергетический показатель любой системы — живой, неживой. Она влияет на ритмичность, цикличность процессов в биосфере — тектонические, магматические, осадко- и гороформуючи процессы, изменения климата, экосистем.

Основу любой науки, и прежде всего фундаментальной, составляют принципы (лат. — Начало, основа), которые являются ее основными положениями, в том числе экологии. Одним из основных из них является принцип Гаузе (1934), или конкурентного исключения — принцип экологической несовместимости, согласно которому два вида с подобными экологическими требованиями не могут долгое время занимать одну экологическую нишу. Важно принцип экологического дублирования, характеризующий относительную функциональную взаимозависимость популяций определенной трофической группы в биоценозе. При экологическом дублировании истреблен или исчезнувший вид замещается функционально близким, или его место количественно заменяется экологически аналогичными, близкими по функциям видами. Например паразиты заменяют хищников, грызуны — копытных. Принцип Тышлера (1955) характеризует состав и размер ареала вида или местонахождение популяции, обусловленные их биологическими характеристиками, особенностями. Принцип минимального размера популяции указывает на то, что любая популяция имеет определенную минимальную численность особей, дальнейшее уменьшение которой приводит к ее исчезновению, или даже вида в целом. Принцип экологического соответствия — существование организма всегда зависит от его условий жизни. Это основной принцип органической эволюции, потому что организм для своего выживания и развития должен приводить свои жизненные процессы в соответствие с особенностями и характеристиками окружающей среды. Принцип территориальной близости — основа физико-географического районирования — одно и то же физико-географическая единица (район, провинция) не могут быть представлены различными, удаленными друг от друга участками. Этот принцип отражает неповторимость в пространстве индивидуального характера структуры региона, например индивидуального ландшафта, для которого только ему характерны определенные соотношения между растениями, животными, рельефом, погодно-климатическими условиями, отличающие его от соседних ландшафтов.

Экология, как и любая современная наука, обнаруживает законы и оперирует ими, нарушение которых вызывает негативные результаты в биосфере, а следовательно, и в организме человека. Законы биосферы, которые изучает экология, составляют основу рационального взаимодействия общества, каждого человека с природой.

Первый закон В.И. Вернадскогобиогенная миграция элементов происходит в биосфере под влиянием ее компонентов — животных, растенийживого вещества. Антропогенные факторы, влияя на состояние биосферы, меняют ее физический, химический состав, условия эволюционно-сбалансированной миграции веществ. Люди стали движущей силой изменений в биосфере, а это может быть опасным при их неразумных действиях.

Второй закон В.И. Вернадского, или закон константности — количество живого вещества за определенное время (как правило эра, период) является постоянной величиной. Согласно этому закону увеличение количества живого вещества в одной части биосферы сопровождается ее уменьшением в другой. Это следствие вселенского закона сохранения вещества, а следовательно энергии и информации. Согласно этому закону и закону самосовершенствования любой системы — от атома до общества — более организованные системы (человек, общество) возникают, существуют за счет менее организованных.

Третий закон В.И. Вернадского — закон физической, химической единства живого вещества. Все живое имеет общую физическую, химическую основу, то есть в основе живых систем находятся одинаковые химические, биохимические, физические процессы, обусловленные общими законами химии, физики и действуют они независимо от состояния системы — живой или неживой.

Закон Вернадского-Бауэра, в соответствии с которым любая биологическая система, находящаяся в состоянии динамического подвижного равновесия с окружающей средой, развиваясь, увеличивает свое давление на среду. Этот закон связан с принципом Ле-Шателье, который управляет химическими равновесными обратными процессами, системами и экологическим законом внутреннего динамического равновесия. Энерго-информационные, энтропийные, вещественные и динамические характеристики системы изменяются так, чтобы общая устойчивость системы была постоянной. Это один из важных законов природопользования, определяет процессы саморегулирования и самовосстановления биосферы, ее экосистем.

Закон В.И. Вернадского о превращении биосферы в ноосферу (1944). В результате разумной, рациональной взаимодействия человека с биосферой обязательно возникает ноосфера — часть биосферы, где проявляются последствия разумной деятельности человека — антропосфера.

Закон Сент-Илер (1772-1824) — жизнь на Землеестественная таксономическая система, которая состоит из иерархических групптаксонов различного ранга и является результатом постепенного, эволюционного развития. Разнообразие форм живого является исторической, эволюционной последовательностью их возникновения и развития — от простого к сложному, носит уклоняющийся (разветвленный) и адаптивный характеры.

Закон Долло (1893) — о необратимости эволюционных процессов. Виды, популяции, исчезли, уже никогда не смогут появиться в том же состоянии, виде. Об этом писал еще в 1859 Ч. Дарвин.

Закон М. Кренке (1892-1939) — существование любого организма ограничено во времени. Временные характеристики организмов изучает хроноекология. В современной биологии понятие времени имеет такое же фундаментальное значение, как и в физике. Об этом, выступая в 1931 г.. На общем собрании Академии наук СССР, говорил В. И. Вернадский в докладе «Проблемы времени в современной науке».

Закон Уоддингтоназакон информационной обусловленности биологических явлений. Системно-регуляторные факторы, влияющие на развитие и жизнь организма, контролируют процессы обмена веществ, а следовательно, энергии, информации — генетической (внутренняя) и экологической (внешняя). В результате генетических и биохимических исследований выявлены вещества, близкие к нуклеиновых кислот, которые являются носителями биологической информации — информатиды или семантиды.

Общий закон развития природы — совершенно изолированное саморазвитие невозможно, так как любая естественная система может развиваться только за счет обмена веществ, энергии, информации с другими системами. Не является исключением биосфера Земли, которая связана с окружающим Космосом, его объектами, например Солнцем, планетами. Последствия этого закона — абсолютно безотходные антропогенные производства невозможны, кроме самой биосферы; любая высокоорганизованная система в своем развитии несет потенциальную угрозу существованию менее организованным. Из этого следует, что повторное самозарождения жизни невозможно — оно будет уничтожено уже существующими организмами; эволюция биосферы Земли происходит за счет внутренних и космических ресурсов.

Закон оптимальностиникакая система не может сужаться или расширяться бесконечно. Этот закон обусловливает оптимальные размеры сельскохозяйственных полей, количество выращиваемых животных, растений. Игнорирование этого закона привело к созданию огромных площадей монокультур, изменений ландшафтов и вызвало нарушения в функционировании экосистем, возникновения экологического кризиса. Человечество своим экспансивным развитием нарушило этот и многие другие законы биосферы.

Закон экологической корреляциив любой экосистеме все биотические, абиотические компоненты функционально связаны. Исчезновение любой части системы неизбежно ведет к исчезновению с ней связанных других ее компонентов, к появлению функциональных изменений, ее разрушения как единого целого.

Закон максимизации энергии, информациивыживает, стабильно существует, эволюционирует и система, которая максимально эффективно накапливает и использует, вещество, энергию и информацию. Этот закон сформулировали экологи — братья Герберт и Одум, а дополнил его М. Реймерс. Он отражает ход круговоротов веществ, механизмы регулирования, поддержания устойчивости системы, ее способности приспосабливаться к изменениям.

Закон уменьшения энергоотдаче в природопользовании — при получении из экосистем продукции затраты энергии возрастают во времени. Например, затраты энергии на одного человека в сутки теперь примерно в 60 раз больше, чем во времена далеких предков. Увеличение энергетических затрат не может происходить бесконечно, что важно знать при планировании взаимоотношений с природой.

Закон Линдемана (1942), или закон пирамиды энергийс более низкого трофического уровня экологической пирамиды на более высокий передается в среднем 10% энергии, накопленной в органическом веществе. Закон устанавливает трофические соотношение между различными группами организмов.

Закон однонаправленности потоков энергии. Он характеризует ее распределение между консументами (потребителями) первого, второго, третьего и других порядков и редуцентами. Обратный поток энергии — от редуцентов к продуцентов составляет только 0,25% от исходного количества.

Закон Митчерлиха-Тинемана-баулы характеризует совокупное действие природных факторов, которые влияют на биологическую продуктивность системы, которая зависит не от одного, даже лимитирующего, фактора, а от их совокупности.

Закон ограниченности природных ресурсов. Все природные ресурсы, как вещественные концентраторы энергии, в условиях Земли исчерпывающие, так как сама планета является естественно ограниченным телом и поэтому на ней не могут существовать бесконечные составляющие — ресурсы.

Закон дансер (1957), или двусторонней связи при взаимодействии человека с биосферой, согласно которому любое изменение в природе вызывает соответствующие реакции. Например, вырубка лесов в Месопотамии привело к изменениям в климате и появления пустыне, строительство оросительных систем — до засоление земель (например, на юге Украины); современное загрязнение атмосферы — к возникновению парникового эффекта, образование кислотных осадков, разрушение озоносферы.

Закон Пратта (1965), или закон лимитированной урожайности, согласно которому при необоснованном увеличении количества минеральных удобрений уменьшается урожайность. Закон утомление почвы, или уменьшение плодородия: почва, как один из ресурсов планеты, является исчерпывающим ресурсом. Нарушение природных процессов почвообразования является следствием нерационального ведения сельского хозяйства — внедрение системы монокультур, применение токсичных веществ, обладающие свойствами ксенобиотиков.

Закон Шелфорда — каждый организм эволюционно-унаследованные верхний и нижний пределы устойчивости или толерантности к любому экологического фактора.

Закон Берталанфи (1969) — любой организм, как и биосфера, открытая система, которая способна саморегулироваться, самовосстанавливаться и совершенствоваться. Открытость живой системы проявляется в ее обмене веществами, энергией и информацией с окружающей средой.

Законы Барри Коммонера — американский эколог, сформулировал их в 1974 г. .: «Все связано со всем» — отражают внутреннюю динамическое равновесие в биосфере, обусловливают ее структуру. «Все должно куда-то деваться» — характеризует развитие любой части природной системы за счет другой. «Природа знает лучше» — независимо от воли, желаний людей в природе постоянно действуют законы, обусловливающие результат любой их действия и поэтому природа (биосфера) исправляет неправильные действия человека, общества. «Ничто не проходит бесследно», или — за все надо платить — в природе действует один из Всемирных законов — сохранения массы вещества, количества энергии, а следовательно, информации. Согласно этому закону общество должно возвращать природе все, что было с ней изъято. Многие биосферных процессов теперь охарактеризованы математическими формулами, то есть появилась математическая экология. Она создала прогнозные основы для научного учета изменений в биосфере, основы для современной инвентаризации и экологического мониторинга.

Вопрос

1. Что является основой любой науки, ее выражением?

2. Что Вы знаете о аксиомы, постулаты экологии?

3. Охарактеризуйте основные принципы, законы современной экологии и укажите их значение.

studbooks.net

Биосфера. Основные ее отличия от других оболочек земли. Свойства биосферы. Состав и границы биосферы.

Биосфера – оболочка Земли, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхние слои литосфе6ры, состав, структура и энергетика которых в значительной степени обусловлены прошлой и современной жизнедеятельностью организмов.

2)большое многообразие организмов;

4)проявление геологической деятельности живых существ.

1) Биосфера — централизованная система. Центральным звеном ее выступают живые организмы.

2) Биосфера – открытая система. Ее существование невозможно без поступления энергии извне.

3) Биосфера — саморегулирующаяся система. Способная возвращаться в исходное состояние.

4) Биосфера — система, характеризующаяся большим разнообразием. Разнообразие рассматривается как основное условие устойчивости биосферы.

5) наличие в ней механизмов, обеспечивающих круговорот в-в и связанную с ним неисчерпаемость отдельных химических элементов и их соединений. Биосфера включает в себя:

• аэробиосферу — нижнюю часть атмосферы;

• гидробиосферу — всю гидросферу;

• литобиосферу — верхние горизонты литосферы.

Верхняя граница теоретически определяется озоновым слоем (около 20 км). Нижняя граница существования определяется дном океана 11 022 м (Марианская впадина) и глубиной литосферы, характеризующейся температурой 100 °С (около 6000 м).

Учение в.И.Вернадского о биосфере.

Биосфера представляет собой оболочку Земли, состав структура и свойства которой в той или иной степени определяются настоящей или прошлой деятельностью живых организмов.

Учение о биосфере заключается в след.:

1) признание роли живого вещества;

2)представление о согласованном взаимодействии живого и неживого вещества в биосфере;

3) идея о возникновении и развитии биосферы.

Основные идеи об эволюции биосферы:

1)вначале сформировалась литосфера, а позже, после формирования жизни на Земле – биосфера. В течение всей истории Земли никогда не наблюдались эпохи, лишенные жизни.

2)живые организмы – главный фактор миграции живых организмов (веществ). 3)грандиозный геологический эффект деятельности организмов обусловлен тем, что действует практически бесконечно и их много;

4) на определенном этапе развития биосфера вступает в сферу ноосферы.

Типы вещества в биосфере:

1) живое вещество-совокупность всех живых организмов в биосфере;

2)косное вещество — неживые тела, образованные в результате процессов, не связанных с деятельностью живых организмов (базальт, гранит)

3) биогенное вещество – неживые вещества, образованные в результате деятельности живых организмов (мел, известняк);

4)биокосное вещество – тела, представляющие собой результат совместной деятельности живых организмов и биологических процессов (почва); 5)радиоактивное вещество (уран); 6)рассеянные атомы.

Круговороты веществ в природе. Функции живого вещества в биосфере.

Солнечная энергия на Земле вызывает два круговорота веществ: большой, или геологический (круговорот воды и циркуляции атмосферы), и малый, биологический (биотический) (перераспределения вещества, энергии и информации в пределах экологических систем различного уровня организации). Оба круговорота взаимно связаны и представляют как бы единый процесс. Продуценты и редуценты обеспечивают круговорот веществ в экосистеме: окисленные формы углерода и минеральных веществ превращаются в восстановленные и наоборот; происходит превращение неорганических веществ в органические, а органических – в неорганические. Функции:

1)Энергетическая – аккумуляция солнечной энергии в ходе фотосинтеза. 2)Газовая – состав современной атмосферы сложился, в значительной мере, под воздействием жизнедеятельности организмов.

3) Концентрационная – в результате жизнедеятельности организмов сложились все виды ископаемого топлива, многих руд, органическое вещество почвы и т.д. 4)Окислительно-восстановительная – в ходе жизнедеятельности живых организмов постоянно протекают окислительно-восстановительные реакции, обеспечивающие круговорот и постоянные превращения углерода, водорода, кислорода, азота, фосфора, серы, железа и других элементов.

5)Деструкционная – в результате разрушения погибших организмов и продуктов их жизнедеятельности происходит превращение живого вещества в косное, биогенное и биокосное.

6)Средообразующая – организмы различным образом преобразуют физико-химические факторы среды.

7)Транспортная – перенос вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении.

studfiles.net

Функции биосферы (по Вернадскому и основные биосферные законы по Реймерсу)

Функции (от лат. Functio — исполнение, совершение)

«Живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей».

Приведем пять постулатов В.И.Вернадского, относящихся к функции биосферы.

Постулат первый: «С самого начала биосферы жизнь, в нее входящая, должна была быть уже сложным телом, а не однородным веществом, поскольку связанные с жизнью ее биогеохимические функции по разнообразию и сложности не могут быть уделом какой-нибудь одной формы жизни». Смысл сказанного однозначен: первобытная биосфера изначально была представлена богатым функциональным разнообразием.

Постулат второй: «Организмы проявляются не единично, а в массовом эффекте. «. И далее: «Первое появление жизни. должно было произойти не в виде появления одного какого-нибудь вида организмов, а их совокупности, отвечающей геохимической функции жизни. Должны были сразу появиться биоценозы».

Третий постулат: «В общем монолите жизни, как бы не менялись его составные части, их химические функции не могли быть затронуты морфологическим изменением». Смысл приведенных постулатов таков: первичная биосфера была представлена «совокупностями» организмов типа биоценозов, которые и были главной «действующей силой» геохимических преобразований, а морфологические изменения компонентов этих «совокупностей» не отражались на их «химических функциях».

Постулат четвертый: «Живые организмы. своим дыханием, своим питанием, своим метаболизмом. непрерывной сменой поколений. порождают одно из грандиознейших планетных явлений. миграцию химических элементов в биосфере», поэтому «на всем протяжении протекших миллионов лет мы видим образование тех же минералов, во все времена шли те же циклы химических элементов, какие мы видим и сейчас».

И пятый постулат: «Все без исключения функции живого вещества в биосфере могут быть исполнены простейшими одноклеточными организмами».

Какие же именно «геохимические функции» имел в виду Вернадский? Он определил их такими терминами: газовая, кислородная, окислительная, кальциевая, восстановительная, концентрационная, разрушение органических соединений, восстановительное разложение, метаболизм и дыхание. Функций этих было достаточно, чтобы «былая биосфера» сыграла свою определяющую роль в становлении оболочек Земли — атмосферы, гидросферы, литосферы и геосферы. Современная наука о биосфере те же функции классифицирует по пяти категориям:

энергетическая (накопление свободной энергии — связывание и запасание солнечной энергии);

концентрационная (акапливание химических элементов в телах живых организмов в масштабах биосферы (формирование атмосферы, залежей органических и неорганических веществ);

транспортная (закон биоигенной миграции атомов, биогеохимические круговороты);

деструктивная (разложение органики и замыкание круговоротов, выветривание v разрушение земной коры, формирование почвы);

Естественно возникает вопрос, какой же механизм функционировал и продолжает обеспечивать способность биосферы выполнять? Деятельность живого вещества, живых организмов.

Функции биосферы системный подход.

Функция биологических систем — свойство направлять свою деятельность к достижению определенных полезных для них результатов приспособительного значения.

ФУНКЦИЯ БИОСФЕРЫ — выражается как специфика направления развития жизни на Земле.

Если направление превращений вещества и энергии в НЕЖИВОЙ природе характеризуется общим снижением уровня организации и качества энергии, приближением к устойчивому равновесию, возрастанием термодинамической и структурной энтропии, то в ЖИВОЙ природе направление этих превращений оказывается прямо противоположным. ЭТИМ И ОПРЕДЕЛИЛАСЬ ВЕДУЩАЯ РОЛЬ БИОСФЕРЫ НА ЗЕМЛЕ.

Общее направление превращений биосферы в целом или ее ФУНКЦИЮ можно определить как повышение уровня структурной организации, накопление свободной энергии устойчивого неравновесия, появление и возрастание НЕГЭНТРОПИИ, которые достигаются за счет энергетических и материальных ресурсов неживой природы и реализуются в синтезе первичной биомассы и эволюции ее форм. При этом разные подсистемы биосферы играют разную роль.

1.Общее направление превращений в РАСТИТЕЛЬНОЙ ПОДСИСТЕМЕ биосферы или ее функцию можно определить как первичный синтез биомассы из неорганических источников, создание исходного негэнтропийного материала.

2.Общее направление превращений в ЖИВОТНОЙ ПОДСИСТЕМЕ биосферы или ее функцию можно определить как прогрессивные преобразования биомассы, повышающие ее структурную организацию и уровень негэнтропии.

3.Функцию ЧЕЛОВЕЧЕСКОЙ ПОДСИСТЕМЫ биосферы можно определить как производство все новых орудий труда, позволяющих создавать небиологическим техническим путем свободную энергию негэнтропии в искусственных высокоорганизованных системах, воспроизводящих прямо или косвенно некоторые процессы, осуществлявшиеся до того только живой материей.

«Постоянство внутренней среды есть условие свободного поведения», — так определил Клод Бернар основной принцип взаимодействия живого организма с внешней средой, названный в последствии ГОМЕОСТАЗОМ.

Гомеостазис (греч. подобное состояние) — способность системы сохранять относительное постоянство, относительную замкнутость, устойчивость с помощью приспособительных механизмов, устраняющих или ограничивающих воздействие на систему факторов внешней и внутренней среды.

Продуктивность как показатель функционирования биосферы.

Продуктивность биологическая — биомасса, производимая популяцией или сообществом на единице площади за единицу времени.

Продуктивность первичная чистая — наблюдаемый фотосинтез или чистая ассимиляция.

Продуктивность энергетическая абсолютная — количество энергии, заключенной в продуктах питания, получаемых с единицы площади возделываемых земель при культивировании определенного растения, за вычетом произведенных энергозатрат.

Биологическая продуктивность биосферы, всего живого вещества Земли составляет 1,7*1015 МДж/год. По абсолютному своему значению она сопоставима, в пределах одного порядка величин, с такими глобальными геологическими процессами, как энергия приливно-отливных течений 2,3*1015 MДж/год, энергия движения воздушных масс атмосферы — 1,3*1015 МДж/год и величина теплового потока из недр Земли, равная 1,3*1015 МДж/год; на порядок выше энергии землетрясений Земли и на два порядка выше энергии речного стока и вулканических извержений.

Сопоставляя приведенные цифры, необходимо иметь в виду, что значение биологической продуктивности отвечает энергии, накопленной в массе сухого вещества. Однако хорошо известно, что накопление какой то массы органического вещества, требует поглощения солнечной энергии на два порядка выше. Следовательно, реальное поглощение солнечной энергии биосферой Земли по своим масштабам превышает не меньше чем на порядок любой из глобальных геологических процессов, формирующих Лик Земли.

Вернадский попpобовал более понятно выpазить вес одной тучи саpанчи, наблюдавшейся доктоpом Кpаутеpом над Кpасным моpем в 1889 г. до оpганизации междунаpодной боpьбы с саpанчей. Вес этой тучи отвечал 4,4*107 т. Он был почти pавен весу меди, цинка и свинца вместе взятых, выpаботанных человечеством в течение (XIX в. прим. авт.) столетия. Туча саpанчи — как бы Lгоpная поpода в движении¦. Добавим к этому, масса, обладающая колоссальным потенциалом биологического обмена!

Часть солнечной энергии поглощенная биосферой и вторично освобождающаяся при дыхании, испарении и обмене веществ всех живых организмов, фактически расходуется на ход :

процессов стабилизации состава атмосферы и водных масс,

биогеохимической миграции атомов,

биогеохимической переработки горных пород приповерхностной части Земной коры,

формирования термовлажностного режима приземного слоя тропосферы.

Однако энергия развития живого вещества, биогенная энергия, не есть нечто постоянное. Любая биологическая или биокосная система, находясь в состоянии «устойчивой неравновесности», т.е. подвижного динамического равновесия с окружающей ее средой, и эволюционно развиваясь, увеличивает свое воздействие на среду. Эти позиции закреплены в биогеохимических принципах В.И.Вернадского:

Геохимическая биогенная энергия стремиться в биосфере к максимальному проявлению (первый биогеохимический принцип) и

При эволюции видов выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают биогенную геохимическую энергию (второй биогеохимический принцип).

Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с космической средой, его окружающей и поддерживается на нашей планете космической энергией Солнца (третий биогеохимический принцип)

Сравнение масс оболочек Земли.

Оболочки Земли Масса, т Отношение к массе живого вещества

Живое вещество 2,4 . 1012 1

Атмосфера 5,15 .1015 2 146

Гидросфера 1,5 х 1018 602 500

Земная кора 2,8 х 1019 1 670 000

Биосфера не находится и никогда не находилась в состоянии равновесия. Она получает энергию Солнца и, в свою очередь, излучает определенное количество энергии в космос. Эти энергии разного свойства (качества). Получает Земля коротковолновое излучение — свет, который, трансформируясь, нагревает Землю. А в космос от Земли уходит длинноволновое тепловое излучение. И баланс этих энергий не соблюдается: Земля излучает в космос несколько меньше энергии, чем получает от Солнца. Эту разность — небольшие доли процента — и усваивает Земля, точнее, ее биосфера, которая все время накапливает энергию. Этого небольшого количества накапливаемой энергии оказывается достаточно для того, чтобы поддерживать все грандиозные процессы развития планеты. Этой энергии оказалось достаточно для того, чтобы однажды на поверхности нашей планеты вспыхнула жизнь и возникла биосфера, чтобы в процессе развития биосферы появился человек и возник Разум.

Всего растительный покров земного шара ежегодно фиксирует 687 х 1018 кал. солнечной энергии, в том числе растительность континентов v 426 х 1018 кал.(52,8млрд.т углерода в год), а растения океана v 26 х 1018 кал.(24,8 млрд.т углерода в год).

На поверхность Земли поступает за год 510 х 1018 ккал. солнечной энергии. Из этой энергии растениями связывается — только 0,13%. Растительность суши использует солнечную энергию 0,3%, а растения океана на 0,07%.

Живые организмы и биосфера в целом состоят из тех же химических элементов, которые встречаются в окружающей среде. Во всех живых организмах преобладают в основном 14 элементов, их называют биогенными: Н2 ;С ;02. Они составляют 99,9% веса живых организмов, образуют 99% веса всей земной коры нашей планеты и тем самым обеспечивают устойчивость жизни на Земле. Все остальные химические элементы находятся в рассеянном состоянии. Большую часть веса живых организмов дают 02 и С. Они составляют от 50 до 90% их сухого абсолютного веса. «Совокупность живых организмов v писал В.И.Вернадский, образует лишь малую долю всей массы вещества биосферы, вес этого вещества представляет много триллионов метрических тонн (1012 ), вес биосферы несколько квинтиллионов тонн(1018).

Человечество производит по крайней мере в 2000 раз больше отбросов органического происхождения, чем вся остальная биосфера. Отходами или отбросами условимся называть вещества, которые надолго исключаются из биогеохимических циклов биосферы, то есть из кругооборота веществ в Природе. Другими словами, человечество кардинальным образом меняет характер функционирования основных механизмов биосферы.

Первичная продукция, доступная гетеротрофам (человеку) составляет максимум 4% от общей лучистой энергии Солнца, в оптимальном среднем — 0,5% и в общем для биосферы — 0,1%. Это чистая первичная продукция. Если же говорить об урожае полезных для человека растений (зерна пшеницы), то это не более трети чистой первичной продукции, т.е. 1% поступающей солнечной энергии (максимально -0,15% для биосферы — 0,03%. Это абсолютные лимиты естественной урожайности.) Более высокого урожая можно достигнуть вложив дополнительную энергию мин. удобрений, сельхозмашин, топлива и т.п. Но превысить природный максимум невозможно. Большее вложение энергии ведет к разрушению экосистем.

Собирательство давало от 0,4 до 20 кг/га сухого вещества в год; сельское хозяйство без минерального горючего — 50-200 кг/га сухого вещества в год; увеличение вложения энергии привело к 2 000- 20 000 кг/га сухого вещества. Теоретический предел при максимальном использовании энергии — 80 000 кг/га в год.

(Рисунки продуктивности и турбинной модели биосферы.)

Чистая первичная продуктивность в среднем в год по основным типам экосистем в г х м2 в год:

Заросли водорослей и рифы 2 500

Влажные тропические леса 2 200

Тропические сезонно-зеленые леса 1 600

Вечнозеленые леса умеренного пояса 1300

Листопадные леса умеренного пояса 1 200

Культивируемые земли 650

Первичная продукция живого вещества планеты в экосистемах основных типов (Одум, 1986.)

Тип экосистем Продуктивность в тыс. ккал/кв.м

Луга, пастбища,глубокие озера, горные леса 0,5-3,0

Влажные леса, мелководные озера 3-10

Эстуарии, коралловые рифы 10-25

Воды на шельфе 0,5-3,0

Основные законы определяющие функционирование биосферы (и других экосистем)

Принцип устойчивого неравновесия живых систем Э.Бауэра: все и только живые системы никогда не бывают в равновесии и используют за счет своей свободной энергии постоянную работу против равновесия, требуемого законами физики и жизни при существующих внешних условиях.

Закон биогенной миграции атомов В.И.Вернадского утверждает, что миграция химических элементов во всех экосистемах, включая биосферу в целом, осуществляется при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом живущим сейчас и жившим ранее.

Закон физико-химического единства живого вещества В.И.Вернадского: все живое вещество Земли физико-химически едино.

Закон константности живого вещества: количество живого вещества (для данного геологического периода) есть константа.

Закон сохранения структуры биосферы (первый закон экодинамики Ю.Голдсмита): в живой природе наблюдается постоянное сохранение информационной и соматической структуры, хотя она и несколько меняется с ходом эволюции.

Закон стремления к климаксу (второй закон экодинамики Ю.Голдсмита): для сохранения структуры биосферы живое стремится к достижению состояния зрелости, или экологического равновесия.

Принцип экологической комплементарности (дополнительности): никакая функциональная часть экосистемы не может существовать без других функционально дополняющих частей.

Принцип экологической конгруэнтности (соответствия): функционально дополняя друг друга, живые составляющие экосистем вырабатывают для этого соответствующие приспособления, скоординированные с условиями абиотической среды.

Оба эти правила объединяются в рамках третьего закона экодинамики Ю.Голдсмита — принцип экологического порядка или экологического мутуализма (взаимопомощи).

Закон самоконтроля и саморегуляции живого (четвертый закон экодинамики Ю.Голдсмита): живые системы и системы под управляющим воздействием живого способны к самоконтролю и саморегулированю в процессе их адаптации к изменениям в окружающей среде.

Правило автоматического поддержания глобальной среды обитания: живое вещество в ходе саморегуляции и взаимодействия с абиотическими факторами автоматически поддерживает среду жизни, пригодную для ее развития.

xreferat.com

Основные законы эволюции живого вещества в биосфере

Перечисленные законы являются эмпирическими и предложенными в период развития экологии, когда она была большей частью наблюдательной наукой.

Закон необратимости эволюционных процессов

Закон необратимости эволюционных процессов (Луи Долло) — эволюционные процессы необратимы. Организм не может вернуться хотя бы частично к предшествующему состоянию.

Закон ускорения темпов эволюции

Закон ускорения темпов эволюции — в течение геологического времени происходит ускорение биологической эволюции. Наблюдается закономерное сокращение протяжённости геологических эр (так, палеозойская эра длилась 340 млн лет, мезозойская эра — 170 млн лет, кайнозойская эра — 60 млн лет), что отражает ускорение темпов эволюции. Между началом и концом каждой эры наступали кардинальные изменения в составе фауны и флоры.

Закон неравномерности эволюционного развити

Закон неравномерности эволюционного развития — эволюция отдельных групп организмов протекает с разной скоростью. Существуют консервативные группы, практически не изменившиеся в ходе геологического времени. Наиболее консервативными оказались некоторые бактерии, по существу не изменившиеся со времени раннего докембрия. К «живым ископаемым» (термин Ч.Дарвина) относятся древовидные папоротники, головоногий моллюск наутилус и другие. Консервативные формы составляют небольшую часть известных организмов.

Закон увеличения разнообразия организмов

Закон увеличения разнообразия организмов — в ходе эволюции биосферы количество видов организмов возрастало по экспоненте и достигло современного значения, которое оценивается разными специалистами от 5 до 10 млн видов.

Закон скачкообразного характера эволюции

Закон скачкообразного характера эволюции — на фоне общей тенденции ускорения эволюции наблюдались отдельные эпохи повышенного видообразования. Промежутки между этими эпохами характеризовались затуханием видообразования и вымиранием организмов.

Закон цефализации — в ходе геологического времени происходит необратимое развитие головного мозга. Цефализация особенно ярко наблюдается в ряду позвоночных животных — от рыб до человека.

Этот закон эмпирически вывел североамериканский геолог и биолог Д. Д. Дана (1813-1895). Его соотечественник, Д. Ле-Конт (1823-1901), назвал этот закон «психозойской эрой» [1] .

В.И.Вернадский вывел два фундаментальных закона (сам он назвал их «принципами») развития биосферы.

Первый биогеохимический закон — биогенная миграция химических элементов в биосфере стремится к своему максимальному проявлению. Анализ геологических данных показывает, что распространение жизни, живых существ (давление жизни) неуклонно нарастает. Живые организмы способны занимать самые различные экологические ниши, сохраняться в самых неблагоприятных условиях (в горячих и серных источниках, на дне океанов, на ледниках). Это дало основание говорить о «всюдности» жизни (термин Вернадского).

Второй биохимический закон — эволюция видов, приводящая к созданию форм жизни, устойчивых в биосфере, должна идти в направлении, увеличивающем проявление биогенной миграции атомов в биосфере. Согласно этому закону, в биосфере право на жизнь получают только виды, необходимые самой биосфере для выполнения определённых функций и усиления тем самым биогенной миграции химических элементов.

По законам Вернадского, биосфера на определённой стадии своего развития преобразуется в сферу разума — ноосферу.

Биогенетический закон Геккеля-Мюллера: каждое живое существо в своем индивидуальном развитии (онтогенез) повторяет в известной степени формы, пройденные его предками или его видом (филогенез).

  1. ^Вернадский В.И.Несколько слов о ноосфере//Успехи современной биологии. — 1944 г., № 18, стр. 113-120.
  1. Камишлов М. М. Эволюция биосферы. — М.:Наука, 1979
  2. Справочник школьника: 5-11 классы. — СПб.: Сова; М.:ЭКСМО-Пресс, 2001.
  • Викифицировать статью.
  • Исправить статью согласно стилистическим правилам Википедии.
  • Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое «Основные законы эволюции живого вещества в биосфере» в других словарях:

Живое вещество — вся совокупность тел живых организмов в биосфере, вне зависимости от их систематической принадлежности. Это понятие не следует путать с понятием «биомасса», которое является частью биогенного вещества. Термин введён В. И. Вернадским[1].… … Википедия

Биосфера — У этого термина существуют и другие значения, см. Биосфера (значения). Биосфера (от др. греч. ???? жизнь и ?????? сфера, шар) оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их … Википедия

Биогенетический закон — Геккеля Мюллера (также известен под названиями «закон Геккеля», «закон Мюллера Геккеля», «закон Дарвина Мюллера Геккеля», «основной биогенетический закон»): каждое живое существо в своем индивидуальном развитии (онтогенез) повторяет в известной… … Википедия

Система «хищник-жертва» — Система «хищник жертва» сложная экосистема, для которой реализованы долговременные отношения между видами хищника и жертвы, типичный пример коэволюции. Отношения между хищниками и их жертвами развиваются циклически, являясь иллюстрацией… … Википедия

Медицина — I Медицина Медицина система научных знаний и практической деятельности, целями которой являются укрепление и сохранение здоровья, продление жизни людей, предупреждение и лечение болезней человека. Для выполнения этих задач М. изучает строение и… … Медицинская энциклопедия

СССР. Естественные науки — Математика Научные исследования в области математики начали проводиться в России с 18 в., когда членами Петербургской АН стали Л. Эйлер, Д. Бернулли и другие западноевропейские учёные. По замыслу Петра I академики иностранцы… … Большая советская энциклопедия

ЖИЗНЬ — ЖИЗНЬ. Содержание: Определение понятия «жизнь» . 292 Проблема возникновения жизни на земле . . 296 Жизнь с точки зрения диалектического материализма. 299 Жизнь, основное понятие, выработанное первобытным… … Большая медицинская энциклопедия

Земля — I Земля (от общеславянского зем пол, низ) третья по порядку от Солнца планета Солнечной системы, астрономический знак ? или, +. I. Введение З. занимает пятое место по размеру и массе среди больших планет, но из планет т … Большая советская энциклопедия

Земля (планета) — Земля (от общеславянского зем пол, низ), третья по порядку от Солнца планета Солнечной системы, астрономический знак A или, +. I. Введение З. занимает пятое место по размеру и массе среди больших планет, но из планет т. н. земной группы, в… … Большая советская энциклопедия

Земля — (Earth) Планета Земля Строение Земли, эволюция жизни на Земле, животный и растительный мир, Земля в солнечной системе Содержание Содержание Раздел 1. Общая о планете земля. Раздел 2. Земля как планета. Раздел 3. Строение Земли. Раздел 4.… … Энциклопедия инвестора

dic.academic.ru