Тема: Біосфера як глобальна екосистема, її структура та межі. Біосфера, основні положення вчення В.І.Вернадського про біосферу.

Мета: розглянути основні особливості складних систем, звернути увагу на те, що ряд їх властивостей не є властивостями окремих елементів, а виникає лише внаслідок взаємодії всіх елементів системи; дати уявлення про біосферу та її місце серед оболонок Землі, ознайомити з основними положеннями вчення В. І. Вернадського про біосферу; розвивати навички аналізу в процесі порівняння живих і неживих складних систем.

План

1.             Які соціальні аспекти пов’язані із сучасними екологічними проблемами?

2.             Які економічні проблеми виникають унаслідок спроб розв’язання екологічних проблем?

3.             Які організації займаються міжнародною координацією екологічних заходів?

4.             Яка роль громадськості в розв’язанні екологічних проблем?

Великі складні системи — складаються з численних взаємозалежних і таких, що взаємодіють між собою, різнорідних елементів і підсистем. Складні системи мають принципово нові властивості, яких не має жодний зі складових елементів. Приклади складних систем: живий організм, екосистема, підприємство, галузь економіки тощо. Такі системи характеризуються високим рівнем невизначеності свого поводження.

Однією з основних функціональних одиниць екології є екосистема. Цей термін уперше був уведений англійським біологом А. Тенслі в 1935 р.

Екологічна система — складна ієрархічна структура організованої матерії, в якій унаслідок об’єднання компонентів у більші функціональні одиниці виникають нові якості, що відсутні на попередньому рівні; є єдиним стійким природним комплексом живих організмів і природного середовища, в якому вони існують; відкритою термодинамічною системою, що існує за рахунок надходження з навколишнього середовища енергії та речовини й має здатність до саморозвитку та саморегуляції.

Екологічній системі властиві ознаки систем:

•  Емерджентність —     виникнення          нових          властивостей,       які

характеризують систему, за рахунок взаємодії її окремих елементів. Якісно нові емерджентні властивості екологічного рівня не можна передбачити, виходячи з властивостей компонентів, що становлять цей рівень. Дійсно, окремі лісові дерева, кущі, трави, гриби, птахи, комахи, звірі мають свої якісні характеристики, але всі разом вони творять нову якість — ліс.

•  Сукупність — сума властивостей кожної системи, тобто наявність сукупних властивостей (наприклад, народжуваність для популяції — сума індивідуальної плодючості особин виду).

•  Гетерогенність системи (або принцип різноманіття) — полягає в тому що система не може складатися з абсолютно ідентичних елементів. Проте, не всяка комбінація «життя — середовище» може бути екосистемою. Нею може стати лише середовище, де має місце стабільність і чітко функціонує внутрішній кругообіг речовин.

Поняття «біосфера» (від грецького біос — життя) запропонував 1875 році австрійський геолог Е. Зюсс. Учення про біосферу як особливу частину Землі, населену живими організмами, створив український учений В. І. Вернадський, хоча, на його думку, вперше до цієї ідеї наблизився французький біолог Ж. Б. Ламарк. Біосфера не утворює окремої оболонки Землі, а є частиною геологічних оболонок земної кулі, заселених живими організмами. Вона займає верхню частину літосфери, всю гідросферу й нижній шар атмосфери. Це сукупність усіх біогеоценозів Землі, єдина глобальна екосистема вищого порядку.

Межі біосфери

Літосфера Область життя не опускається переважно температура і тиск. нижче 2 -3 км. Обмежувальні чинники –

Повністю входить до складу біосфери. Живі організми

Гідросфера населяють усю товщу Світового океану аж до максимальних її глибин. Життя спостерігається на 1— 2  км нижче дна океану.

Атмосфера Має протяжність 3 тис. тропосферу, до озонового екрану (20  км, але область біосфери охоплює лише – 25 км).

нижній її шар –

Речовини, що наявні в біосфері (за В.І. Вернадським)

•            Жива речовина;

•            біогенна речовина (речовина створена і перероблювана живими організмами: горючі викопні поклади, вапняки тощо);

•            косна речовина (утворюється процесами, в яких живі організми не беруть участі, наприклад, вивержені гірські породи);

•            біокосна речовина (створюється одночасно живими організмами та процесами неорганічної природи, наприклад, ґрунт);

•            радіоактивна речовина;

•            розсіяні атоми;  речовина космічного походження (метеорити, космічний пил).

Усі ці типи речовин геологічно пов’язані між собою.

Жива речовина (за В.І. Вернадським) – це сукупність усіх живих організмів планети на момент її існування.

Властивості живої речовини

•  Жива речовина характеризується величезною енергією, яка міститься в ній і здатна виробляти роботу.

•  Швидкість перебігу хімічних реакцій у живій речовині завдяки участі ферментів у тисячі, а іноді в мільйони разів більша, ніж при виробництві речовин суто хімічними методами.

•  Індивідуальні хімічні сполуки, які входять до складу живої речовини (білки, нуклеїнові кислоти тощо), стійкі тільки в живих організмах.

•  Живій речовині притаманна рухливість. Завдяки різним формам руху (розтіканню) жива речовина здатна заповнити собою увесь можливий простір («всюдність» життя). Цей процес В.І. Вернадський назвав тиском («напором») життя.

•  Жива речовина має значно більше морфологічне та хімічне різноманіття, ніж нежива. Відомо понад 2 млн органічних речовин, що входять до складу живої речовини, тоді як кількість природних сполук (мінералів) складає лише близько 2 тис.

•  Жива речовина представлена у біосфері у вигляді окремих організмів (індивідумів), розміри яких коливаються від 20 нм до 100 м у рослин (діапазон більше 10⁹).

•  Індивідууми ніколи не знаходяться на Землі у вигляді окремих популяцій організмів одного виду, вони завжди входять до складу екосистем.

•  Жива речовина існує на Землі у формі безперервного чергування поколінь, що сприяє її оновленню.

•  Жива речовина здатна до еволюційного процесу (спадковість та мінливість), завдяки якому відбувається порушення абсолютного копіювання попередніх поколінь. Ця здатність дозволяє живій речовині пристосуватися до зміни умов існування.

•  Жива речовина, на відміну від неживої, постійно виробляє роботу, виконує певну функцію. Так, 1 г архейського граніту й дотепер залишається 1 г цієї самої речовини. Маса живої речовини, залишаючись 1 г протягом мільярдів років, існувала за допомогою зміни поколінь, і увесь цей час проводила геологічну роботу. Відповідно і маса речовини, переробленої живими організмами, набагато перевищує їхню власну масу.

На земній поверхні немає хімічної сили, яка б мала більшу постійну дію, а тому була б більш могутньою за своїми кінцевими наслідками, ніж живі організми, узяті в цілому. (В.І. Вернадський)

Головні біохімічні функції живої речовини на планеті Земля

Закон глобальності життя (перший закон В.І. Вернадського)

•  Завдяки здатності живих організмів розмножуватись та розселятись життя на Землі поширене скрізь, де є умови для його існування. Органічний світ утворює тонку планетарну оболонку біомаси живих організмів і середовища їхнього існування – біосферу, яка зумовила геологічну історію земної кори, еволюцію рослин, тварин, мікроорганізмів, появу та існування людини.

•  Біосфера тісно взаємодіє з атмосферою, гідросферою і літосферою, обумовлюючи їхню еволюцію, забезпечуючи міграцію і колообіг речовин та енергії на планеті.

•  Біологічний колообіг речовин на Землі визначається взаємодією рослин, тварин і мікроорганізмів, глобальна роль яких зумовлена особливостями їхніх відносин з навколишнім середовищем.

•  Зелені рослини забезпечують атмосферу Землі молекулярним киснем та виконують космічну роль як акумулятори світлової енергії Сонця, здійснюючи первинний біосинтез органічних речовин на Землі. Рослини – початкова ланка трофічних ланцюгів у екосистемах.

•  Біосферна роль тварин пов’язана переважно з їхньою участю в екосистемах як проміжних, так і вищих ланок трофічних ланцюгів, які визначають переміщення речовин і енергії в біосфері. Тверді рештки викопних тварин входять до складу осадових порід.

•  Глобальна роль мікроорганізмів проявляється у таких процесах, як мінералізація органічних речовий, утворення низки гірських порід, ґрунтоутворення, а також у патогенній дії на інші організми.

Основне ядро закону глобальності життя – концепція біосфери як визначального чинника геологічної історії Землі.

Закон біосферної ролі розуму (другий закон В.І. Вернадського)

•  У процесі розвитку людського суспільства закономірно поглиблювався і підсилювався вплив людини на екосистеми та біосферу в цілому. Розчищались ліси під поля, осушувались болота, зрошувались землі.

•  3 розвитком промисловості та інтенсифікації сільського господарства вплив людини на біосферу зріс. Часто цей вплив супроводжується погіршенням екологічної ситуації у зв’язку із забрудненням природного середовища промисловими відходами і хижацьким використанням природних багатств.

•  Погіршення екологічної ситуації призводить до деградації екосистем: знижується їх біологічна продуктивність, зникають рідкісні біологічні види. Це спричиняє порушення крихкої структури біосфери з негативними наслідками для людини й природи.

•  Для збереження та розвитку цивілізації необхідно перевести біосферу в якісно новий стан – ноосферу, тобто сферу розумової діяльності людини. Цьому будуть сприяти такі заходи:

•  розумно організована система охорони природи та відновлення

біологічних ресурсів;

•  раціональне ведення й природоохоронне регулювання усіх галузей господарства;

•  застосування у промисловості безвідходних технологій тощо. Формування ноосфери – об’єктивний закон розвитку природи та суспільства, однак у його реалізації дуже важливу роль відіграє суб’єктивний чинник.

Розвиток Землі має тривалу геологічну історію. За цей час виникли її оболонки: літосфера, гідросфера, атмосфера.

Літосфера (від грец. літа— камінь та сфера — куля) — зовнішня тверда оболонка завглибшки 50-200 км. Вона складається з поверхневого шару осадових порід, які формуються з участю живих істот (вапняк, крейда, кремнезем тощо), а також з граніту та нижнього базальтового шару.

Сукупність усіх водойм (океанів, морів, річок, озер тощо) утворює водяну оболонку — гідросферу, яка займає близько 71% поверхні планети. Товщина цієї оболонки в деяких місцях досягає понад 11000 км.

Газова оболонка, розміщена над поверхнею літосфери та гідросфери, називається атмосферою, її нижня частина (15-18 км) має назву тропосфера. Тут міститься зважена у повітрі водяна пара, що пересувається на значні відстані, формуються хмари, виникають опади. Над тропосферою розташована стратосфера, яка досягає 80 км заввишки. Біля верхньої межі цього шару виникає північне сяйво(свічення газів, спричинене потоком електроннозаряджених частинок, що випромінює Сонце).

У стратосфері на відстані 50 км сформувався особливий озоновий екран. Він має підвищену концентрацію молекул озону (О₃), який утворюється під дією сонячної радіації з кисню (О,). Озоновий екран відбиває короткохвильове ультрафіолетове випромінювання Сонця, яке згубно діє на живу матерію.

Біосфера та її межі.

Поняття біосфера запропонував у 1875 році австрійський геолог Е. Зюсс. Учення про біосферу як особливу частину Землі, населену живими організмами, створив український учений В.І. Вернадський, хоч вперше до цієї ідеї в своїх працях наблизився французький біолог Ж.-Б. Ламарк.

Біосфера не утворює окремої оболонки Землі, а є частиною геологічних оболонок земної кулі, заселених живими організмами. Вона займає верхню частину літосфери, всю гідросферу та нижній шар атмосфери.

Углиб літосфери організми можуть проникати на відносно незначні глибини, наприклад, на глибинах 2-4 км мешкають лише деякі групи бактерій. Проникнення живих істот углиб літосфери обмежене високою температурою (понад 100°С) гірських порід і підземних вод на глибинах 1,5-15 км. У гідросфері життя трапляється на будь-яких глибинах.

Поширення організмів у атмосфері (переважно спор і цист у стані анабіозу) обмежене озоновим екраном, бо вище нього все живе гине під дією космічного випромінювання. Максимальна висота, на якій виявлено спори бактерій і грибів, становить близько 22 км. Найвища концентрація біомаси спостерігається там, де найсприятливіші і різноманітніші умови існування організмів — на межах окремих оболонок Землі: літосфери та атмосфери, атмосфери, атмосфери та гідросфери, гідросфери та літосфери.

Еволюція (від лат. еvolysio – розгортання, розвертання) – необоротний процес історичної зміни живого.

Еволюційне вчення, теорія еволюції – наука про причини, рушійні сили, механізми та загальні закономірності еволюції живих організмів.

Всю сукупність організмів на планеті Земля В. І. Вернадський називав живою речовиною. Основними її характеристиками є сумарна більшість, хімічні склад та енергія. Енергія живої речовини біосфери насамперед проявляється у здатності організмів до розмноження і поширення. Однією з властивостей живої речовини є її постійний обмін з довкіллям. Унаслідок цього через організм проходить значна кількість хімічних елементів.

Живим організмам для здійснення біохімічних процесів необхідні речовини та енергія, які вони дістають з навколишнього середовища, при цьому значно перетворюючи останнє. У результаті постійного й безперервного обміну речовин та енергії в довкіллі різні хімічні елементи надходять у живі істоти, можу у них накопичуватись, виходячи з організму лише через певний час або зберігаючись у ньому протягом усього життя. Постійний кругообіг речовин і  енергії забезпечує функціонування біосфери як цілісної системи.

У процесі діяльності біосфери жива речовина (продуценти) здатна накопичувати сонячну світлову енергію, перетворюючи її на енергію хімічних зв’язків  Сумарна первинна продукція автотрофних організмів визначає біомасу біосфери в цілому.

IV. Узагальнення, систематизація знань  Зробити висновки:

1.            Що таке біосфера?

2.            Які особливості притаманні живій речовині?

3.            Які властивості притаманні складним системам?

4.            Чому в живій і неживій природі хімічні елементи поширені в різних пропорціях?

5.            V. Домашнє завдання Опрацювати конспект уроку

 Презентація Біосфера і її властивості