К глобальным изменениям биосферы относятся

Круговорот углерода и азота

Круговорот углерода в биосфере (см. рис. 5.3) обусловливают в основном процессы фотосинтеза и дыхания. Углерод в атмосфере содержится в основном в составе диоксида углерода СО₂. Первичный источник СО₂ — вулканическая деятельность.

Биосферный цикл углерода начинается с ассимиляции атмосферного диоксида углерода наземными и водными растениями и цианобактериями в процессе фотосинтеза. При этом образуются углеводы, часть которых используется самими растениями для получения энергии, а часть потребляется животными. Кроме того, соединения углерода используются морскими организмами для построения раковин и скелетных образований.

Углерод возвращается в среду в виде диоксида, выделяемого в процессе дыхания животных и растений. Второй путь возврата -разложение мертвых растений и животных, при котором углерод их тканей окисляется и в виде СО₂ поступает в атмосферу.

Цикл круговорота углерода замкнут не полностью. Часть углерода на продолжительное время выводится из круговорота, концентрируясь в залежах торфа, каменного угля, нефти и горючих сланцев, образующихся при разложении мертвых организмов без доступа кислорода, а также в мощных отложениях известняков на дне морей и океанов, образованных из остатков раковин и скелетов отмерших морских организмов.

Однако при сжигании ископаемого топлива, используемого человеком для получения энергии, образуется диоксид углерода, который возвращается в атмосферу. За счет этого за последние сто лет содержание СО₂ в атмосфере возросло на 25%, что нарушает отрегулированный круговорот углерода и может привести к усилению парникового эффекта. Один цикл круговорота диоксид углерода проходит за 300 лет.

Круговорот азота

Азот — один из важнейших компонентов белков, нуклеиновых кислот, АТФ и других органических веществ. Его основные запасы содержатся в атмосфере в форме недоступного для растений молекулярного азота N2. В небольших количествах атмосферный азот связывается с кислородом в процессе грозовых разрядов в атмосфере, а затем с дождями поступает на поверхность Земли.

Связывание атмосферного азота осуществляется цианобактериями, а также клубеньковыми азотфиксирующими бактериями, поселяющимися в клетках корней бобовых растений. Они синтезируют нитриты и нитраты, усваиваемые растениями. В растениях азот используется для построения нуклеиновых кислот и белков, которые затем употребляются в пищу животными и человеком.

В процессе жизнедеятельности белковые молекулы расщепляются до конечных продуктов — воды, диоксида углерода, аммиака, мочевины и мочевой кислоты, выделяющихся во внешнюю среду. При гниении погибших животных и растений также образуется аммиак.

Большая часть образующегося аммиака преобразуется нитрифицирующими бактериями в нитриты и нитраты, усваиваемые растениями. Небольшая часть аммиака уходит в атмосферу и вместе с СО₂, водяным паром и другими газообразными веществами выполняет функцию удержания тепла планеты.

Некоторые виды бактерий путем денитрификации могут восстанавливать нитриты и нитраты до газообразного азота, который поступает в атмосферу. В результате происходит обеднение почвы и воды соединениями азота и насыщение атмосферы молекулярным азотом.

Интенсивное использование человеком азотных минеральных удобрений в целях получения больших урожаев сельскохозяйственных растений приводит к разбалансировке процессов нитрификации и денитрификации.

Периоды развития биосферы

Следы обитаемой оболочки, окружающей Землю, обнаружены в осадочных породах архейского эона (около 3,5 млрд лет назад). Археологические находки той эпохи свидетельствуют о существовании древнейших органических остатков. Зарождение многогранной жизни на Земле началось с первых представителей биомассы, которыми можно считать:

одноклеточные водоросли;
простейшие прокариоты.

Простейшие органические формы обрели половое размножение только к концу архея, дав начало эволюционным процессам.

Мел-палеогеновое вымирание

Для эволюции биомассы характерна временная дестабилизация в результате масштабных катастроф (вымирание динозавров).

Непрерывное возобновление биомассы сформировало видовое разнообразие. Многочисленные животные и растения способствовали расширению биогенного круговорота и формированию геологического облика планеты. В процессе развития биосферы сложился основной принцип биомассы – в бионическом круговороте задействуются только живое и биокосное вещества.

Современное состояние и прогнозируемое будущее

Появление человека не сказывалось на развитии биосферы на ранних этапах. Деятельность человеческих существ и потребляемые ими ресурсы гармонично вписывались в круговорот веществ. С наступлением периода, когда люди научились менять условия среды обитания, равновесие в биосфере нарушилось. Стремление человека приспосабливать обитаемую оболочку под свои нужды постоянно дестабилизирует экосистему.

Негативными факторами для баланса обитаемой оболочки являются:

техногенное влияние на животный и растительный мир (вымирание растений, животных);
чрезмерное потребление биокосных и косных веществ.

Губительный подход человечества к экологии и условиям потребления ресурсов ведет к разрушению среды обитания жизненных форм. Биосфера не успевает восстанавливать компоненты, необходимые для поддержания жизненных процессов. Положение усугубляют загрязнение атмосферы, парниковые газы.

Биосферные заповедники

Группа конгони в саванне заповедника Мореми в Африке, Ботсвана

Сохранение биосферы – одна из важнейших экологических задач человечества. С этой целью в различных уголках планеты создаются резерваты глобальной экосферы – особо охраняемые природные зоны. Биосферные заповедники призваны решать следующие проблемы:

сохранение уникальных растений и животного генофонда при согласованном потреблении ресурсов;
мониторинг среды, изучение собранных данных.

Заповедные территории создаются под эгидой ЮНЕСКО. В список всемирного охраняемого наследия внесен 701 заповедник в 124 странах мира.

13.1. Биосфера как оболочка Земли

Кроме биосферы Зюсс выделил еще три оболочки – атмосферу, гидросферу и литосферу.

Атмосфера – самая наружная газообразная оболочка Земли, она простирается до высоты 100 км. Основные составляющие атмосферы – азот (78%), кислород (20,95%), аргон (0,93%), диоксид углерода (0,03%). Атмосфера является отчасти продуктом жизнедеятельности организмов, так как кислород атмосферы – это результат деятельности фотосинтезирующих организмов – цианобактерий и растений. На высоте 20‑45 км расположен озоновый слой, содержание озона в нем примерно в 10 раз выше, чем в атмосфере у поверхности Земли. Этот слой защищает поверхность планеты от избытка ультрафиолетовых лучей, неблагоприятно влияющих на живые организмы.

Между атмосферой и земной поверхностью происходит постоянный обмен теплом, влагой и химическими элементами.

На состояние атмосферы влияет хозяйственная деятельность человека, благодаря которой в ней появились метан, оксиды азота и другие газы, вызывающие атмосферные процессы – парниковый эффект, разрушение озонового слоя, кислые дожди, смог.

Гидросфера оказывается не сплошной оболочкой: моря и океаны покрывают Землю только на 2/3, остальное занято сушей. На суше гидросфера представлена фрагментарно – озерами, реками, грунтовыми водами (табл. 13).

Таблица 13 Распределение водных масс в гидросфере Земли (по Львовичу, 1986)

Гидросфера на 94% представлена солеными водами океанов и морей, а вклад рек в водный бюджет планеты в 10 раз меньше, чем количество водных паров в атмосфере. Три четверти пресной воды недоступны организмам, так как законсервированы в ледниках гор и полярных шапках Арктики и Антарктиды.

Гидросфера испытывает все возрастающее влияние хозяйственной деятельности человека, которая ведет к нарушению рассматриваемого ниже биосферного круговорота воды (ускорение процесса таяния ледников, уменьшение количества жидкой пресной воды и увеличение парообразной воды в результате испарений мелиорированных агроэкосистем.

Литосфера – это верхняя твердая оболочка Земли, мощность которой составляет 50‑200 км. Верхний слой литосферы называется земной корой. Вещества, слагающие литосферу, частично образованы за счет деятельности организмов, и это не только торф, каменный уголь, горючие сланцы, но и куда более распространенный карбонат кальция, образовавшийся из моллюсков и других морских животных. Совершенно особую среду представляет собой почва (см. 2.6), находящаяся на границе литосферы и атмосферы.

В настоящее время на литосферу оказывает сильнейшее техногенное влияние человек, особенно за счет развития процессов эрозии, увеличения твердого стока, сжигания ископаемого топлива и создания инженерных сооружений. Искусственные (техногенные) грунты уже покрывают более 55% площади суши Земли, а в ряде урбанизированных районов (Европа, Япония, Гонконг и др.) они покрывают 95‑100% территории и их мощность достигает нескольких десятков метров. Суммарная площадь, покрытая всеми видами инженерных сооружений (здания, дороги, водохранилища, каналы и т.п.) в 2000 г. достигла 1/6 площади суши.

Биосфера охватывает всю гидросферу, часть атмосферы и часть литосферы. Ее верхняя граница расположена на высоте 6 км над уровнем моря, нижняя – на глубине 15 км в толще земной коры (на такой глубине обитают бактерии в нефтяных водах) и 11 км в океане. По сравнению с диаметром Земли (13000 км) биосфера – это тонкая пленка на ее поверхности. Однако основная жизнь в биосфере сконцентрирована в значительно более узких пределах, охватывающих всего несколько десятков метров на континентах, в атмосфере и в океане (табл. 14).

Таблица 14 Структура биомассы биосферы (сухое вещество)

В биосфере происходит круговорот всех веществ, т.е. их многократное участие в процессах синтеза и разрушения органического вещества. В круговоротах в той или иной степени участвуют практически все химические элементы, однако наиболее важными для биосферы являются круговороты воды, кислорода, углерода, азота, фосфора.

Контрольные вопросы

1. С именами каких ученых связано рождение и развитие представления о биосфере?

2. Назовите оболочки Земли, которые выделил Э. Зюсс.

3. Расскажите о составе атмосферы.

4. Какова структура гидросферы?

5. Охарактеризуйте масштаб техногенных нарушений литосферы человеком.

6. Назовите верхнюю и нижнюю границы биосферы.

Меры по преодолению изменений

1. Сокращение выбросов углерода:

Для преодоления изменений биосферы важно сократить выбросы парниковых газов, особенно углекислого газа. Для этого необходимо ограничить использование ископаемых видов топлива и переключиться на возобновляемые источники энергии, такие как солнечная и ветряная энергия

Также важно повышать энергетическую эффективность производства и потребления.

2. Сохранение лесов и восстановление их площадей:

Леса играют ключевую роль в биосфере, и их сохранение или восстановление имеет большое значение для уравновешивания глобальных изменений. Леса поглощают углекислый газ и выделяют кислород, поэтому они являются естественными фильтрами и регуляторами климата. Необходимо принимать меры по запрету вырубки лесов, легализации и контролю заготовки древесины и организации проектов по восстановлению лесных площадей.

3. Устойчивое сельское хозяйство и питание:

Сельское хозяйство и производство пищи также оказывают значительное влияние на биосферу. Органическое сельское хозяйство, снижение потребления мясных продуктов и переход к растительной диете могут помочь снизить негативное воздействие на окружающую среду

Важно также применять инновационные методы сельского хозяйства, такие как утечкастая и гидропонная культуры, чтобы увеличить эффективность производства и снизить его негативные последствия

Принятие этих и других мер по преодолению глобальных изменений биосферы может способствовать сохранению природных ресурсов и обеспечению устойчивого развития нашей планеты.

Антропогенные факторы изменений

Антропогенные факторы изменений относятся к деятельности человека, которая негативно влияет на биосферу и вызывает глобальные изменения. Эти факторы включают:

1. Промышленность: Увеличение промышленного производства приводит к выбросу большого количества отходов, включая газы, токсичные вещества и отходы, которые в конечном счете загрязняют атмосферу, почву и водные ресурсы. Промышленные процессы также приводят к истощению природных ресурсов и разрушению экосистем.

2. Дефорестация: Вырубка лесов происходит для освоения новых территорий под жилища, сельское хозяйство, добычу древесины и увеличение гуманитарных потребностей. Это приводит к уничтожению биологического разнообразия, сокращению поглотителей CO2 и уменьшению кислородного баланса.

3. Расширение сельскохозяйственных угодий: Увеличение площадей под сельское хозяйство приводит к вырубке лесов и разрушению естественной растительности. Сельскохозяйственные деятельность также вызывает неконтролируемое применение удобрений и пестицидов, которые загрязняют почву и водные ресурсы и негативно влияют на биологическое разнообразие.

4. Истощение природных ресурсов: Использование природных ресурсов, таких как нефть, газ, уголь и минералы, приводит к их истощению и негативному воздействию на окружающую среду. Добыча этих ресурсов включает выработку отходов и выбросы, что вызывает загрязнение воздуха, воды и почвы.

5. Загрязнение окружающей среды: Выбросы вредных веществ в атмосферу, сбросы промышленных и бытовых отходов в воду и неправильное утилизация отходов приводят к загрязнению окружающей среды. Загрязнение окружающей среды негативно влияет на живые организмы, экосистемы и вызывает глобальные изменения климата и погодных условий.

Антропогенные факторы изменений являются одной из основных причин глобальных изменений биосферы. Они требуют серьезного внимания и принятия соответствующих мер для сохранения и охраны окружающей среды и природных ресурсов.

Кислотные дожди

Причина подкисления природных вод — выпадение осадков, содержащих капельки сернистой, серной, азотистой и азотной кислот. Причина — растворение в дождевой воде, росе оксидов серы и азота. В результате показатели рН изменяются с нейтральных до слабокислых.

Кислотные осадки усиливают эрозию почв, вызывают деградацию лесной, луговой и степной растительности. Выпадение кислотных дождей — одна из причин сокращения численности и исчезновения рыбы в пресных водоемах.

Повышение выбросов газообразных и твердых веществ в атмосферу происходит в промышленных районах и городах. Образуется смог — чрезмерно загрязненный воздух, вызывающий рост заболеваемости органов дыхания и кожи.

В состав смога входят следующие вещества:

продукты горения ископаемых видов топлива;
молекулы озона, возникшие в результате атмосферного электричества;
летучие органические вещества;
перекиси.

Соединения в составе смога легко окисляются, проявляют высокую химическую активность. Вероятность возникновения явления повышается в безветренную погоду, при высокой температуре воздуха, в городах, окруженных естественными ветрозащитными преградами.

Вещественный состав биосферы

Состав биосферы можно рассматривать с различных точек зрения. Если говорить о вещественном составе, то в нее входит семь различных частей:

Живое вещество – совокупность живых существ, населяющих нашу планету. У них элементарный состав, а в сравнении с остальными оболочками они имеют малую массу, питаются солнечной энергией, распределяя ее в среде обитания. Все организмы составляют мощную геохимическую силу, распространившись по земной поверхности неравномерно.
Биогенное вещество. Это те минерально-органические и чисто органические компоненты, которые были созданы живыми существами, а именно горючие полезные ископаемые.
Косное вещество. Это неорганические ресурсы, которые образовываются без участи живых существ, сами по себе, то есть кварцевый песок, различные глины, а также водные ресурсы.
Биокосное вещество, получаемое благодаря взаимодействию живых и косных компонентов. Это почва и породы осадочного происхождения, атмосфера, реки, озера и другие поверхностные акватории.
Радиоактивные вещества, такие как элементы урана, радия, тория.
Рассеянные атомы. Они образуются из веществ земного происхождения, когда на них влияет космическое излучение.
Космическое вещество. На землю попадает тела и вещества, образованные в космическом пространстве. Это могут быть как метеориты, так и осколки с космической пылью

Роль Вернадского в изучении биосферы

Впервые учение о биосфере разработал Владимир Иванович Вернадский. Он обособил эту оболочку от других земных сфер, актуализировал ее значение и представил, что это весьма активная сфера, которая изменяет и влияет на все экосистемы. Ученый стал основоположником новой дисциплины – биогеохимии, на основе которой и было обосновано учение о биосфере.

Изучая живое вещество, Вернадский сделал выводы, что все формы рельефа, климат, атмосфера, породы осадочного происхождения – это результат деятельности всех живых организмов. Одна из ключевых ролей в этом отводится людям, которые имеют огромное влияние на протекание многих земных процессов, являясь определенной стихией, владеющей некой силой, способной изменить лик планеты.

Теорию обо всем живом Владимир Иванович представил в труде «Биосфера» (1926), что способствовало зарождению новой научной отрасли. Академик в своей работе представил биосферу как целостную систему, показал ее компоненты и их взаимосвязи, а также роль человека. Когда живое вещество взаимодействует с косным, оказывается влияние на протекание ряда процессов:

геохимических;
биологических;
биогенных;
геологических;
миграции атомов.

Вернадский обозначил, что границы биосферы – это поле существования жизни. На ее развитие влияет кислород и температура воздуха, вода и минеральные элементы, грунт и энергия Солнца. Также ученый выделил основные компоненты биосферы, рассмотренные выше, и выделил основной из них – живое вещество. Еще он сформулировал все функции биосферы.

Среди основных положений учения Вернадского о живой среде можно выделить следующие тезисы:

биосфера охватывает всю водную среду до океанических глубин, включает поверхностный слой земли до 3 километров и воздушное пространство до границы тропосферы;
показал отличие биосферы от других оболочек ее динамичностью и постоянной деятельностью всех живых организмов;
специфика этой оболочки заключается в непрерывном обороте элементов живой и неживой природы;
деятельность живого вещества привела к существенным изменениям на всей планете;
существование биосферы обусловлено астрономическим положением Земли (дистанция от Солнца, наклон оси планеты), что определяет климат, протекание жизненных циклов на планете;
солнечная энергия является источником жизни всех существ биосферы.

Пожалуй, это ключевые понятия о живой среде, которые заложил Вернадский в своем учении, хотя его труды глобальны и нуждаются в дальнейшем осмыслении, актуальны и по сей день. Они стали основой для исследований других ученых.

Угрозы биоразнообразию

Изменение климата

Глобальное изменение климата является серьезной угрозой для биоразнообразия. Резкие изменения температур, увеличение количества осадков, затопление прибрежных зон и другие последствия климатических изменений оказывают негативное воздействие на многие виды животных и растений, что может привести к их исчезновению.

Разрушение природных сред

Хищническое использование природных ресурсов, отсутствие контроля за загрязнением окружающей среды и разрушением природных экосистем приводят к исчезновению многих видов животных и растений. В результате человеческой деятельности многие природные экосистемы становятся неспособными поддерживать биоразнообразие в исходном объёме, из-за чего оно сокращается.

Незаконный оборот животных и растительных видов

Незаконный оборот животных и растительных видов является непосредственной угрозой для их сохранения. Охота, ловля, незаконный сбор и транспортировка живых существ и растений, а также продуктов их жизнедеятельности, ведут к нарушению целостности экосистем и снижению биоразнообразия.

Генетические изменения

Генетические изменения, вызванные технологическим прогрессом и биотехнологиями, также могут оказывать отрицательное воздействие на биоразнообразие. Имеющиеся и развивающиеся технологии могут привести к необратимым изменениям в генетическом коде живых организмов и их окружении, что может негативно сказаться на биоразнообразии в целом.

Степень угрозы: Угрозы биоразнообразию являются серьезными и охватывают многие аспекты жизни нашей планеты. Масштабы угрозы требуют принятия срочных мер по сохранению природных ресурсов и баланса экосистем.

Топ вопросов за вчера в категории Биология

Биология 20.06.2023 09:12 1206 Пыжик Глеб

Вопросы 1. Какое значение имеют измерения в научных исследованиях? 2. Какие единицы измерения вы зна

Ответов: 2

Биология 04.06.2023 19:21 222 Кособуцький Микола

Задание №1 Постройте логическую цепочку из следующих понятий, расположив их в порядке усложнения:

Ответов: 2

Биология 02.07.2023 06:03 776 Коряковцев Егор

Лабораторная работа по биологии 5 класс измерение объектов

Ответов: 2

Биология 03.10.2023 14:35 858 Володин Александр

Какие фенологические исследования вы можете провести самостоятельно о природе. Подготовьте рассказ

Ответов: 3

Биология 20.06.2023 15:32 943 Гончар Настя

Лабораторная работа № 2. Обнаружение воды и минеральных веществ в клетках растений. Цель: обнаружи

Ответов: 1

Биология 29.06.2023 03:18 184 Шакибаева Гульмира

Задание №2. Лекарственный препарат встраивается между комплементарными азотистыми основаниями ДНК. К

Ответов: 2

Биология 17.07.2023 09:43 678 Шеленко Илья

Последовательность 2 и 3 отличается от последовательности 1 по мутационным заменам нуклеотидов. Найд

Ответов: 2

Биология 02.07.2023 20:21 323 Тастан Амина

Используя дополнительные источники информации научно-популярную литературу справочники статьи в том

Ответов: 2

Биология 27.07.2023 20:25 1104 Маринина Алёна

Напишите вывод по теме ткани Срочноооо Небольшой вывод напишите пожалуйста

Ответов: 3

Биология 14.06.2023 23:32 506 Барабаш Виктория

Какую гипотезу собирался проверить Алёша в своем исследовании? Алёша решил провести такое исследов

Ответов: 1

Связь биосферы с другими оболочками Земли

Все составляющие части биосферы находятся в тесной взаимосвязи с другими оболочками Земли. Это проявление можно увидеть в биологическом круговороте, когда животные и люди выделяют углекислый газ, он поглощается растениями, которые во время фотосинтеза выделяют кислород. Таким образом, эти два газа постоянно регулируются в атмосфере благодаря взаимосвязям различных сфер.

Одним из примеров является почва – результат взаимодействия биосферы с другими оболочками. В этом процессе принимают участие живые существа (насекомые, грызуны, пресмыкающиеся, микроорганизмы), растения, вода (подземные воды, атмосферные осадки, водоемы), воздушная масса (ветер), почвообразующие породы, солнечная энергия, климат. Все эти компоненты медленно взаимодействуют между собой, что способствует образованию почвы в среднем со скоростью 2 миллиметра в год.

Когда компоненты биосферы взаимодействуют с живыми оболочками, образуются горные породы. В результате влияния живых существ на литосферу образовываются залежи каменного угля, мел, торф и известняки. В ходе взаимовлияния живых существ, гидросферы, солей и минералов, определенной температуры образуются кораллы, а из них, в свою очередь, появляются коралловые рифы и острова. Также это позволяет регулировать солевой состав вод Мирового океана.

Различные виды рельефа являются прямым результатом связи биосферы с другими оболочками земли: атмосферой, гидросферой и литосферой. На ту или иную форму рельефа влияет водный режим местности и осадки, характер воздушных масс, солнечное излучение, температура воздуха, какие виды флоры здесь произрастают, какие животные населяют эту территорию.

Природные факторы изменений

Биосфера постоянно подвержена изменениям из-за действия различных природных факторов. Эти изменения могут происходить в течение короткого времени или занимать миллионы лет. Некоторые из природных факторов изменений биосферы включают:

Геологические процессы: вулканическая активность, горные процессы и движение плит Земли могут изменять физическую структуру земли и влиять на распределение живых организмов.
Климатические изменения: естественные климатические факторы, такие как изменение солнечной активности и вулканическая эрупция, могут вызывать изменения в температуре и осадках, что затем влияет на растительность и популяции животных.
Естественные катастрофы: природные явления, такие как наводнения, землетрясения и лесные пожары, могут иметь разрушительное влияние на биосферу, уничтожая или изменяя ее экосистемы.
Эволюция: через эволюцию живые организмы адаптируются к изменяющимся условиям в своей среде. Эта адаптация может приводить к изменениям в составе и структуре биосферы со временем.

Все эти природные факторы взаимодействуют друг с другом и могут вызывать крупномасштабные изменения в живых системах на Земле. Понимание этих изменений и их причин является важным для нашего понимания долгосрочных последствий глобальных изменений биосферы на планете.