Реферат: Биосфера

План

Введение.......................................................................................................... 2

1. Структура и функции биосферы................................................................ 3

2. История формирования сообществ живых организмов........................... 9

3. Биогеоценозы и биоценозы....................................................................... 11

4. Абиотические факторы среды.................................................................. 12

5. Интенсивность действия факторов среды................................................ 15

6. Биотические факторы среды..................................................................... 17

7. Взаимоотношения между организмами................................................... 21

Заключение.................................................................................................... 27

Список литературы....................................................................................... 28

Введение

Животные и растения, грибы и бактерии существуют не сами по себе, независимо друг от друга, а в тесном взаимодействии - влияют на проявления жизнедеятельности одних и сами зависят от других организмов.

С момента своего появления, около 3,5 млрд. лет назад, живые организмы стали оказывать значительное влияние на эволюцию земной коры и атмосферы.

Около 60 лет назад выдающийся русский ученый, академик В.И. Вернадский разработал учение о биосфере - оболочке Земли, населенной живыми организмами. В.И. Вернадский выявил геологическую роль живых организмов и показал, что их деятельность представляет собой важнейший фактор преобразования минеральных оболочек планеты. Правильнее определять биосферу как оболочку Земли, которая населена и преобразуется живыми организмами.

В буквальном переводе термин «биосфера» обозначает сферу жизни и в таком смысле он впервые был введен в науку в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831-1914). Однако задолго до этого под другими названиями, в частности «пространство жизни», «картина природы», «живая оболочка Земли» и т.п., его содержание рассматривалось многими другими естествоиспытателями.

Первоначально под всеми этими терминами подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом скорее обращалось внимание на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической природы.

1. Структура и функции биосферы

В составе биосферы различают:

· живое вещество, образованное совокупностью организмов;

· биогенное вещество, которое создается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, известняки и др.);

· косное вещество, образующееся без участия живых организмов (основные породы, лава вулканов, метеориты);

· биокосное вещество, представляющее собой общий результат жизнедеятельности организмов и абиогенных процессов, например почвы.

Эволюция биосферы обусловлена тесно взаимосвязанными между собой тремя группами факторов: 1) развитием нашей планеты как космического тела и протекающими в ее недрах химическими преобразованиями, 2) биологической эволюцией живых организмов и 3) развитием человеческого общества. Изучение биосферы, ее свойств и закономерностей развития становится актуальной задачей нашего времени.

Структура биосферы

Границы биосферы определяются факторами земной среды, которые делают невозможным существование живых организмов (рис. 1). Верхняя граница проходит примерно на высоте 20 км от поверхности планеты и отграничена слоем озона, который задерживает губительную для жизни коротковолновую часть ультрафиолетового излучения Солнца. Таким образом, живые организмы могут существовать в тропосфере и нижних слоях стратосферы. В гидросфере земной коры организмы проникают на всю глубину Мирового океана - до 10-11 км. В литосфере жизнь встречается на глубине 3,5-7,5 км, что обусловлено температурой земных недр и уровнем проникновения воды в жидком состоянии.

Атмосфера. Газовая оболочка состоит в основном из азота и кислорода. В небольших количествах в ней содержатся диоксид углерода (0,03%) и озон. Состояние атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и биологические процессы на поверхности Земли и в водной среде. Для биологических процессов наибольшее значение имеют: кислород, используемый для дыхания и минерализации мертвого органического вещества, диоксид углерода, участвующий в фотосинтезе, и озон, экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения. Азот, диоксид углерода, пары воды образовались в значительной мере благодаря вулканической деятельности, а кислород - в результате фотосинтеза.

Рис. 1. Распространение организмов в биосфере:

1 – уровень озонового слоя, задерживающего жесткое ультрафиолетовое излучение; 2 – граница снегов; 3- почва; 4 – животные, обитающие в пещерах; 5 – бактерии в нефтяных скважинах; 6 – придонные организмы

Гидросфера. Вода - важный компонент биосферы и один из необходимых факторов существования живых организмов. Основная ее часть (95%) находится в Мировом океане, который занимает около 70% поверхности земного шара и содержит 1300 млн. км3 воды.

Поверхностные воды (озера, реки) включают всего 0,182 млн. км3, а количество воды в живых организмах составляет ничтожное количество по сравнению с этими цифрами — всего 0,001 млн. км3. Значительные запасы воды (24 млн. км3) содержат ледники.

Большое значение имеют газы, растворенные в воде: кислород и диоксид углерода. Их содержание широко варьирует в зависимости от температуры и присутствия живых организмов. В воде содержится в 60 раз больше диоксида углерода, чем в атмосфере.

Гидросфера формировалась в связи с развитием литосферы, которая в течение геологической истории Земли выделяла большое количество водяного пара.

Литосфера. Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, находится в почвенном слое, глубина которого не превышает нескольких метров. Почва включает минеральные вещества, образующиеся при разрушении горных пород, и органические вещества— продукты жизнедеятельности организмов.

Живое вещество на Земле строго организовано. В настоящее время выделяют несколько уровней организации живой материи.

1. Молекулярный. Любая живая система, как бы сложно она ни
была организована, проявляется на уровне функционирования биополимеров (сложных органических соединений, отличающихся крупными молекулами), построенных из большого количества единиц - мономеров (исходных, повторяющихся, более просто устроенных соединений). На этом уровне начинаются важнейшие процессы жизнедеятельности организма: обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации и др.

2. Клеточный. Клетка является структурной и функциональной
единицей, а также единицей развития живых организмов. Она представляет собой саморегулирующуюся, самовоспроизводящуюся живую систему. Свободноживущих неклеточных форм жизни на Земле не существует.

3. Тканевый. Ткань представляет собой совокупность сходных по
строению клеток и межклеточного вещества, объединенных выполнением общей функции.

4. Органный. Органы - это структурно-функциональные объёдинения нескольких типов тканей. Например, печень человека как орган включает эпителии и соединительную ткань, которые вместе выполняют целый ряд функций, в том числе синтез белков крови, желчных кислот, обезвреживание ядовитых веществ, поступающих из кишечника, накопление животного крахмала - гликогена.

5. Организменный. Многоклеточный организм представляет собой целостную систему органов, специализированных для выполнения различных функций. Одноклеточный организм - это целостная
живая система, способная к самостоятельному существованию.

6. Популяционно-видовой. Совокупность организмов одного и то
го же вида, объединенных общим местом обитания, называется популяцией. Популяция - система надорганизменного уровня. Именно здесь протекают простейшие эволюционные преобразования.

7. Биогеоценотический (экосистемный). Биогеоценоз - совокупность организмов разных видов и факторов среды их обитания, объединенных обменом веществ и энергии в единый природный комплекс.

8. Биосферный. Биосфера - система высшего порядка. На этом
уровне происходят круговорот веществ и превращение энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов, обитающих на нашей планете.

Функции биосферы

Деятельность живых организмов служит основой круговорота
веществ в природе. Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов, который выражается в циркуляции веществ между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами.

Круговорот воды. Вода испаряется и воздушными течениями переносится на большие расстояния. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делает их доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с растворенными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими частицами в моря и океаны (рис. 2). Циркуляция воды между океаном и сушей представляет собой важнейшее звено в поддержании жизни на Земле. Благодаря этому процессу происходит постепенное разрушение литосферы, компоненты которой переносятся в моря и океаны.

Рис. 2. Круговорот воды в биосфере

Круговорот углерода. Углерод входит в состав разнообразных органических веществ, из которых состоит все живое. В процессе фотосинтеза зеленые растения используют углерод диоксида углерода и водород воды для синтеза органических соединений, а освободившийся кислород поступает в атмосферу. Им дышат различные животные и растения, а конечный продукт дыхания - СО2 - выделяется в атмосферу.

Круговорот азота. Атмосферный азот включается в круговорот благодаря деятельности азотфиксирующих бактерий и водорослей, синтезирующих нитраты, пригодные для использования растениями. Часть азота фиксируется в результате образования оксидов во время электрических разрядов в атмосфере. Соединения азота из почвы поступают в растения и используются для построения белков. После отмирания живых организмов гнилостные бактерии разлагают органические остатки до аммиака. Хемосинтезирующие бактерии превращают аммиак в азотистую, затем в азотную кислоту. Некоторое количество азота, благодаря деятельности денитрифицирующих бактерий, поступает в воздух. Часть азота оседает в глубоководных отложениях и на длительный срок выключается из круговорота; эта потеря компенсируется поступлением азота в воздух с вулканическими газами.

Круговорот серы. Сера входит в состав ряда аминокислот и также представляет собой жизненно важный элемент. Находящиеся глубоко в почве и в морских осадочных породах соединения серы с металлами - сульфиды - переводятся микроорганизмами в доступную форму - сульфаты, которые и поглощаются растениями. С помощью бактерий осуществляются отдельные реакции окисления - восстановления. Глубоко залегающие сульфаты восстанавливаются до H2S, который поднимается вверх и окисляется аэробными бактериями до сульфатов.

Круговорот фосфора. Фосфор сосредоточен в отложениях, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. Постепенно он вымывается из них и попадает в экосистемы. Растения используют только часть этого фосфора; много его уносится реками в моря и снова отлагается в осадках. Хотя запасы фосфорсодержащих пород велики, придется предпринимать меры для возвращения фосфора в круговорот веществ.

2. История формирования сообществ живых организмов

Вся суша подразделяется на крупные области, называемые материками или континентами: Евразию, Африку, Северную Америку, Южную Америку, Австралию, Антарктиду. Растительный и животный мир континентов сильно различается. Известно несколько факторов, обусловливающих несходство растительного и животного населения в тех или иных областях земного шара.

Первый из них - геологическая история материков. Сотни миллионов лет назад континентов не было и суша представляла собой единый массив. Около 200 млн. лет назад, в триасовый период мезозойской эры, этот единый суперматерик раскололся и часть его двинулась на юг. Эта часть включала будущие Антарктиду, Австралию, Индию, Африку и Южную Америку. Продолжающиеся подвижки и разломы земной коры на протяжении юрского и мелового периодов привели к выделению отдельных континентов. Северная Америка и Евразия составляли единый материк. Такое расположение континентов сложилось к началу кайнозойской эры, т.е. около 60 млн. лет назад. Изоляция материков не могла не отразиться на ходе дальнейшей эволюции животных и растений. В то же время фауна и флора Евразии и Северной Америки очень сходны. Это объясняется тем, что Берингов пролив на месте перешейка возник сравнительно недавно.

Второй фактор - различие климатических условий в широтном направлении. К числу важнейших показателей, характеризующих климатические условия в данной местности, относятся температурные. Другим важным показателем служит годовое количество осадков. В зависимости от количества солнечной энергии, падающей на единицу земной поверхности, и, следовательно, температурных условий, а также от количества осадков формируются специфические сообщества растений и животных.

В высоких широтах расстилается тундра. В этой климатической зоне флора представлена лишайниками, мхами, осоками, карликовыми деревьями, кустарничками, некоторыми водорослями. Фауна бедна и включает в себя небольшое количество видов насекомых, птиц, из млекопитающих - оленей, овцебыков, росомах, песцов, леммингов. Млекопитающие и птицы появляются здесь главным образом летом вследствие сезонных миграций. В среднем в высоких широтах на 100 км2 обнаруживается около 20 видов организмов, южнее, в лесотундре – 70-80 видов.

К югу от тундры располагается тайга, где хвойные (ель обыкновенная, ель сибирская, пихта сибирская) занимают огромные территории. В тайге обитает 400-500 видов на 100 км2. При более высокой среднегодовой температуре и большем количестве осадков развиваются леса умеренной зоны. Биоценозы этой зоны включают 600-700 видов растений и животных.

При уменьшении годового количества осадков и повышении летних температур возникает степь умеренной зоны. Основные компоненты ее флоры - злаки, фауна представлена в основном грызунами и копытными. Всего около 800-900 видов на 100 км2.

Повышение среднегодовой температуры и значительное уменьшение количества осадков приводят к появлению пустыни. В районе экватора в условиях высоких среднегодовых температур и очень большом количестве осадков (в пределах 200-400 см в год) развиваются тропические леса, характеризующиеся наибольшим видовым разнообразием и самыми высокими показателями образования биомассы.

Третий фактор - изоляция. Это относится главным образом
к островным популяциям. Острова заселяются видами, способными
преодолеть морские просторы и зачастую попадающими туда случай
но. Поэтому видовой состав

Живые организмы находятся в постоянном взаимодействии друг с другом. Основные отношения между организмами - пищевые. По типу питания живые существа делятся на две группы: автотрофы, использующие в качестве пищи неорганические соединения (зеленые растения и некоторые виды бактерий), и гетеротрофы, нуждающиеся в пище органического происхождения (большинство бактерий, грибы и все животные).

3. Биогеоценозы и биоценозы

Биогеоценоз - это устойчивое сообщество растений, животных и микроорганизмов, находящихся в постоянном взаимодействии друг с другом и с компонентами атмосферы, гидросферы и литосферы. В это сообщество поступают энергия Солнца, минеральные вещества почвы и газы атмосферы, вода, а выделяются из него теплота, кислород, диоксид углерода, продукты жизнедеятельности организмов. Основные функции биогеоценоза - аккумуляция и перераспределение энергии и круговорот веществ.

Биогеоценоз - целостная саморегулирующаяся и самоподдерживающаяся система. Он включает следующие обязательные компоненты: 1) климатические условия, неорганические (кислород, азот, диоксид углерода, вода, минеральные соли) и органические (белки, углеводы, липиды и др.) вещества; 2) автотрофные организмы — продуценты органических веществ; 3) гетеротрофные организмы - потребители готовых органических веществ растительного (потребители первого порядка) и животного (потребители второго и следующих порядков) происхождения; к гетеротрофным организмам относятся и разрушители - деструкторы, которые разлагают остатки мертвых растений и животных, превращая их в простые минеральные соединения.

Биоценозы, в отличие от биогеоценозов, включают только взаимосвязанные между собой живые организмы, обитающие в данной местности. Они характеризуются видовым разнообразием, т.е. числом видов растений и животных, образующих данный биоценоз; плотностью популяций, т.е. числом особей данного вида, отнесенным к единице площади или к единице объема (для водных и почвенных организмов); биомассой - общим количеством живого органического вещества, выраженным в единицах массы.

4. Абиотические факторы среды

Температура. Большинство видов приспособлено к довольно узкому диапазону температур. Некоторые организмы, особенно в стадии покоя, способны выдерживать очень низкие температуры. Например, микроорганизмы выдерживают охлаждение до -200°С. Отдельные виды бактерий и водорослей могут жить и размножаться в горячих источниках при температуре +80...88°С. Диапазон колебаний температуры в воде значительно меньше, чем на суше, соответственно и пределы выносливости к колебаниям температуры у водных организмов уже, чем у наземных. Хотя наземные организмы приспособились к значительным колебаниям температуры среды, оптимальная температура для их жизнедеятельности находится в сравнительно узких пределах: 15-30°С.

Различают организмы с непостоянной температурой тела и организмы с постоянной температурой тела. Температура тела у первых зависит от температуры окружающей среды. Ее повышение вызывает у них интенсификацию жизненных процессов и ускорение (в известных пределах) развития. Это рыбы, амфибии, рептилии.

В природе температура непостоянна. Резкие колебания температуры - сильные морозы или зной - также неблагоприятны для организмов. Различные виды живых организмов выработали много приспособлений для борьбы с охлаждением или перегревом.

В значительно меньшей степени зависят от температурных условий среды животные с постоянной температурой тела - птицы и млекопитающие. Ароморфные изменения строения позволили представителям этих двух классов сохранять активность при очень резких перепадах температур и освоить практически все места обитания. Однако и у млекопитающих некоторые особенности строения связаны с температурными условиями. У мамонта, обитавшего в суровом климате, уши были невелики, а у африканского слона уши служат органом терморегуляции и достигают поэтому больших размеров.

Свет. Свет в форме солнечной радиации обеспечивает все жизненные процессы на Земле. Для организмов важны длина волны воспринимаемого излучения, его интенсивность и продолжительность воздействия (длина дня, или фотопериод). Ультрафиолетовые лучи с длиной волны более 0,3 мкм составляют примерно 10% лучистой энергии, достигающей земной поверхности. В небольших дозах они необходимы животным и человеку. Под их воздействием в организме образуется витамин D. Насекомые зрительно различают ультрафиолетовые лучи и пользуются этим для ориентации на местности в облачную погоду. Наибольшее влияние на организм оказывает видимый свет с длиной волны 0,4-0,75 мкм. Энергия видимого света составляет около 45% общего количества лучистой энергии, падающей на Землю. Видимый свет менее всего ослабляется при прохождении через плотные облака и воду. Поэтому фотосинтез может идти и при пасмурной погоде, и под слоем воды определенной толщины.

Синий (0,4-0,5 мкм) и красный (0,6-0,7 мкм) свет особенно сильно поглощается хлорофиллом.

В зависимости от условий обитания растения адаптируются к тени (теневыносливые растения) или, напротив, к яркому солнцу (светолюбивые растения). Но и у светолюбивых растений увеличение интенсивности освещения сверх оптимальной подавляет фотосинтез, поэтому в тропиках трудно получить высокие урожаи культур, богатых белком.

Чрезвычайно важную роль в регуляции активности живых организмов и их развития играет продолжительность воздействия света - фотопериод. В умеренных зонах, выше и ниже экватора, цикл развития растений и животных приурочен к сезонам года, и сигналом для подготовки к изменению температурных условий служит продолжительность светового дня, которая, в отличие от других сезонных факторов, в определенное время года в данном месте всегда одинакова. Фотопериод представляет собой как бы пусковой механизм, включающий физиологические процессы, последовательно приводящие к росту и цветению растений весной, плодоношению летом и сбрасыванию ими листьев осенью, а также к линьке и накоплению жира, миграции и размножению у птиц и млекопитающих, наступлению стадии покоя у насекомых. Изменение длины дня воспринимается органами зрения у животных или специальными пигментами в листьях растений.

Инфракрасное излучение составляет 45% от общего количества лучистой энергии, падающей на Землю. Инфракрасные лучи повышают температуру тканей растений и животных, хорошо поглощаются объектами неживой природы, в том числе водой. Так как любая поверхность, имеющая температуру выше нуля, испускает длинноволновые тепловые лучи, то растение или животное воспринимает тепловую энергию также от окружающих предметов.

Влажность. Вода - необходимый компонент клетки, поэтому количество ее в тех или иных местах обитания служит ограничивающим фактором для растений и животных и определяет характер флоры и фауны в данной местности. Избыток воды в почве приводит к развитию болотной растительности. В зависимости от влажности почвы (и годового количества осадков) видовой состав растительных сообществ меняется. Широколиственные леса южнее сменяются мелколиственными, которые переходят в лесостепь. При дальнейшем повышении сухости почвы высокотравье уступает место низкотравью. При годовом количестве осадков 250 мм и менее развивается пустынный ландшафт. Неравномерное распределение осадков по временам года также представляет собой важный ограничивающий фактор для организмов. В этом случае растениям и животным приходится переносить длительные засухи. В короткий же период увлажнения почвы происходит накопление первичной продукции для сообщества в целом. Им определяется размер годового запаса пищи для животных и сапрофагов - организмов, разлагающих органические остатки.

5. Интенсивность действия факторов среды

Некоторые свойства среды на протяжении длительных периодов времени остаются относительно постоянными. Таковы сила тяготения, интенсивность солнечного излучения, солевой состав океана, газовый состав и свойства атмосферы. Большинство же экологических факторов - температура, влажность, интенсивность перемещения воздушных масс - ветер, количество и частота выпадения осадков, укрытия, хищники, паразиты, конкуренты и пр. - очень изменчиво как в пространстве, так и во времени. Степень изменчивости каждого из этих факторов зависит от особенностей среды обитания. Например, температура сильно колеблется на поверхности суши, но почти постоянна на дне океана или в пещерах. Паразиты живут в условиях избытка пищи, тогда как свободноживущие хищники часто испытывают голод.

Популяции организмов, обитающие в какой-то определенной среде, приспосабливаются к этому непостоянству путем естественного отбора, у них вырабатываются те или иные морфологические и физиологические особенности, позволяющие существовать именно в этих и ни в каких других условиях. Для каждого вида существует оптимальная интенсивность действия любого фактора, называемая зоной оптимума экологического фактора (или просто его оптимумом), отклонение от которой в сторону уменьшения или увеличения угнетает жизнедеятельность данного вида. Пограничные значения фактора, за пределами которых наступает гибель организма, называют верхним и нижним пределами выносливости.

На организм одновременно влияют многочисленные и разнообразные факторы среды. По отношению к одним организмы обладают широким диапазоном выносливости и выдерживают значительные отклонения интенсивности фактора от оптимальной величины. Другие факторы могут меняться только в узком диапазоне, поскольку организмы выдерживают лишь небольшие отклонения их значений от оптимума. Например, для некоторых антарктических видов рыб, адаптированных к холоду, диапазон переносимых температур составляет всего 4°С (от -2 до 2 °С). С повышением температуры до 0°С активность обмена веществ возрастает, но при дальнейшем ее увеличении интенсивность метаболизма падает, и при 1,9 °С рыбы перестают двигаться, впадая в тепловое оцепенение. В то же время рыбы, обитающие в водоемах пустынь, свободно переносят колебания температур в диапазоне от 10 до 40 °С. Широким диапазоном выносливости к изменениям температуры обладают животные, обитающие в высоких широтах.

По отношению к факторам среды различают виды теплолюби