Эволюция живых организмов земли и их отражение в географической оболочке. Строение и свойства географической оболочки

24.09.2019

ЛЕКЦИЯ 4. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ

Общие особенности географической оболочки. Географическая оболочка - это материальная система, возникшая на земной поверхности в результате взаимодействия и взаимопроникновения насыщенных организмами литосферы, атмосферы и гидросферы. Природные тела географической оболочки (горные породы, вода, воздух, растительность, живое вещество) имеют различное агрегатное состояние (твердое, жидкое, газообразное) и разные уровни организации вещества (неживое, живое и биокосное - результат взаимодействия живой и неживой субстанций).

Географическая оболочка образована двумя принципиально разными типами материи: атомарно-молекулярным «неживым» веществом и атомарно-организменным «живым» веществом. Первое может участвовать только в физико-химических процессах, в результате которых могут появляться новые вещества, но из тех же химических элементов. Второе обладает способностью воспроизводить себе подобных, но различного состава и облика. Взаимодействия первых требуют внешних энергетических затрат, тогда как вторые обладают собственной энергетикой и могут ее отдать при различных взаимодействиях. Оба типа вещества возникли одновременно и функционируют с момента начала формирования земных сфер. Между частями географической оболочки наблюдается постоянный обмен веществом и энергией, проявляющийся в форме атмосферной и океанической циркуляции, движения поверхностных и подземных вод, ледников, перемещения организмов и живого вещества и др. Благодаря движению вещества и энергии все части географической оболочки оказываются взаимосвязанными и образуют целостную систему.

Разнообразный состав и состояния вещества, формы энергии и взаимодействия природных тел в географической оболочке в ходе длительной эволюции привели к ее сложной пространственной дифференциации. Возникли разнородные части географической оболочки - природно-территориальные и аквальные комплексы, или ландшафты различного ранга: от географических стран и зон до урочищ и фаций. Таким образом, будучи единым целым, географическая оболочка в то же время состоит из относительно самостоятельных, но всегда взаимосвязанных и взаимообусловленных частей. Географическая оболочка является колыбелью жизни, которая в разных формах и проявлениях сопровождает ее с начальных этапов возникновения. Живые организмы всегда оказывали влияние на формирование компонентов географической оболочки. С течением времени при совершенствовании форм жизни, ее распространенности и обильности роль живого вещества возрастала и все более изменяла и совершенствовала облик географической оболочки.

Большинство исследователей вслед за С. В. Калесником называет взаимосвязанное и взаимообусловленное вещественное тело, повсеместно обрамляющее планету Земля, географической оболочкой. Существуют и другие названия - наружная земная оболочка (П. И. Броунов), эпигеосфера (А. Г. Исаченко), эпигенема (Р. И. Аболин), физико-географическая оболочка (А. А. Григорьев), биогеносфера (И. М. Забелин), ландшафтная сфера (Ю. К. Ефремов, Ф. Н. Мильков), но они не получили широкого применения.

Составные части географической оболочки. Географическая оболочка, или глобальная геосфера, состоит из неразрывного комплекса частных геосфер, занятых преимущественно одним компонентом определенного состояния и совместно функционирующих в присутствии биоты. Литосфера, атмосфера и гидросфера образуют практически непрерывные оболочки. Биосфера как совокупность живых организмов в определенной среде обитания не занимает самостоятельного пространства, а осваивает вышеназванные сферы полностью (гидросферу) или частично (атмосферу и литосферу). В землеведении понятие «географическая оболочка» включает в себя все живые организмы (каждая частная сфера имеет свою биоту, которая является ее неразрывным компонентом), поэтому самостоятельное выделение биосферы вряд ли необходимо. В биологии, напротив, выделение биосферы правомерно. Специфическое положение занимают криосфера (сфера холода) и педосфера (почвенный покров).

Для географической оболочки характерно выделение зонально-провинциальных обособлений, которые называют ландшафтами, или геосистемами. Эти комплексы возникают при определенном взаимодействии и интеграции геокомпонентов. Простейшие геосистемы формируются при взаимодействии вещества косного уровня организации. Например, ледники вместе с вмещающим их ложем и прилегающими слоями воздуха, речной бассейн, как система водных потоков вместе с частью земной поверхности и грунтовыми водами и др. Более сложные взаимоотношения существуют в таких геосистемах, как природные территориальные, или ландшафтные комплексы. Они соответствуют блокам географической оболочки, включающим участок земной коры с почвой, биоценоз и часть тропосферы определенной мощности. В океанах выделяют Подводные ландшафты и аквальные комплексы.

Вещество географической оболочки. Каждая из геосфер обладает различными, только ей присущими свойствами и отличается особенностями строения. Гравитационная дифференциация вещества Земли привела к сосредоточению значительной части наиболее тяжелых элементов в ядре, тогда как в земной коре доминируют кислород (около 50 %) и кремний (26 %). Распределение основных химических элементов по геосферам дано в табл. 4.1.

Химические элементы в географической оболочке находятся в свободном состоянии (в воздухе), в виде ионов (в воде) и сложных соединений (живые организмы, минералы и др.).

Наиболее распространенными веществами в географической оболочке являются горные породы и минералы, природные воды, лед, воздух, живое вещество, почва и кора выветривания.

Границы географической оболочки. Большинство ученых считает, что верхняя граница географической оболочки соответствует уровню наибольшей концентрации озонового слоя, расположенного на высоте 25-28 км. Другие исследователи, отождествляющие географическую оболочку с ландшафтной, проводят ее внешнюю границу по верхней границе тропосферы, учитывая, что тропосфера активно взаимодействует с земной поверхностью.

Таблица 4.1. Состояние и состав оболочек Земли (по В.А.Вронскому и Г.В. Войткевичу, 1997, с изменениями)

Оболочка	Химический состав	Физическое состояние
Атмосфера	N 2 , О 2 , СО 2 , (Н 2 О), инертные газы
Гидросфера	Соленые и пресные воды, снег и лед (растворенные Na, Mg, Са, Cl, SO 4 , НСО 3)	Жидкое, частично твердое
Живое вещество	Углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты, скелетный материал (Н 2 О, N, Н, С, О)	Твердое, жидкое частично коллоидальное
Литосфера	Магматические, осадочные и метаморфические породы (О, Si, Al, Fe, Са, Mg, Na, К)	Твердое, частично расплавленное
	Минералы оливин-пироксенового состава и их эквиваленты высоких давлений (О, Si, Mg, Fe)
	Железо-никелевый сплав (Fe, FeS, Ni)	Верхняя часть жидкая, нижняя, вероятно, твердая

Нижнюю границу часто проводят по разделу Мохоровичича, т.е. по подошве земной коры. Некоторые исследователи считают, что в географическую оболочку следует включать лишь часть земной коры, непосредственно взаимодействующую с другими компонентами - водой, воздухом, живыми организмами. Зона активного преобразования минерального вещества в термодинамической обстановке земной поверхности имеет мощность до нескольких сотен метров на суше и десятки метров под океаном. Причина отсутствия единой точки зрения заключается в том, что в географической оболочке отсутствуют силы, которые формируют четко выраженные границы, подобные, например, граням кристаллов.

Считается, что оптимальными границами географической оболочки являются верхняя граница озонового слоя и подошва земной коры, в пределах которых находятся основная часть атмосферы, вся гидросфера и верхний слой литосферы с живущими или жившими в них организмами и следами человеческой деятельности.

Землеведение базируется на общих физических законах, которые действуют в окружающем мире. Среди них законы: всемирного тяготения И.Ньютона, сохранения массы и энергии, Стефана-Больцмана, Архимеда, Гука, Ома и др.

Основополагающим является понятие «система» - совокупность элементов, находящихся в определенном отношении. Все то, с чем данная система взаимодействует, называют средой. Географические системы взаимодействуют между собой территориально и функционально. Каждая система состоит из конечного числа элементов. С некоторой долей условности системы географической оболочки (геосистемы) и ее внешнего окружения можно подразделить на механические, термодинамические, биокосные, биологические, этнические и социальные.

Механические системы характеризуются силовым взаимодействием образующих их тел, имеющих массу. К ним относятся космические тела, воздушные и морские течения и др. Механическую систему рассматривают как систему равновесия сил. В случае его отсутствия система направленно изменяется и вскоре разрушается.

Термодинамические системы связаны с движением вещества, обусловленным преобразованием или переносом энергии. В отличие от изолированных систем, исследуемых классической термодинамикой, геосистемы относятся к числу открытых, т. е. обменивающихся веществом и энергией с внешней средой. Это чрезвычайно важное обстоятельство, так как открытые системы способны, накапливая превращаемую энергию, поддерживать и совершенствовать свою структуру. Совокупность таких свойств называется самоорганизацией. Благодаря самоорганизации мир географических систем усложняется во времени, совершенствуется (в большей степени способен противостоять внешним воздействиям) или направленно эволюционирует.

Рис 4.1. Состояние системы: а - устойчивое; б - метаустойчивое; в - неустойчивое

Термодинамическими системами являются различные термические циркуляции вещества, если с ними связаны переходы или потоки энергии. Например, круговорот воды в природе. При изучении термодинамических систем широко используется метод балансов (радиационный и тепловой баланс). В отдельных случаях можно ограничиться рассмотрением термодинамической системы как изолированной, т.е. пренебречь энергообменом системы с окружающей средой (адиабатический процесс в атмосфере).

Биокосными называют системы, в которых неразрывно связаны и взаимодействуют живое и неживое вещества. Примером биокосной системы является почва, представляющая собой единство минерального вещества (порода, вода, воздух), живых организмов и мертвого биоорганического вещества (гумус и др.). Если изъять из почвы один из этих компонентов, то она утратит свои характерные свойства (прежде всего плодородие), т.е. станет другой системой.

Система имеет связи, которые подразделяют на прямые (причинно-следственные, вещественно-энергетические) и обратные (информационно-регулирующие). Систему с обратными связями называют саморегулируемой. Обратные связи бывают отрицательными и положительными. Отрицательная связь уменьшает интенсивность процесса в системе при увеличении ее «выхода». Она характерна для нормально функционирующих систем и направлена на поддержание их динамического равновесия, устойчивости, неизменности. Положительная связь усиливает процесс по мере увеличения «выхода» системы, т. е. приводит к лавинообразному нарастанию процесса, в результате чего система переходит в новое состояние или разрушается. Чаще всего такой ход изменений провоцируется внешними причинами, но механизм саморазвития заложен в природе системы.

Состояние системы описывается параметрами, среди которых выделяют интенсивные и экстенсивные. Интенсивные параметры (температура, абсолютная и относительная влажность, биопродуктивность) не зависят от размеров системы, экстенсивные (запасы тепла, влагосодержание в воздушной массе, запасы органического вещества и др.) определяются величиной системы (температура есть и в Арктике, и на экваторе, но в Арктике она ниже, а на экваторе выше). Следовательно, первые не меняются при делении системы на части, а вторые убывают.

Если интенсивные параметры системы однородны, т.е. не различаются в ее частях, то такая система находится в состоянии устойчивого равновесия по данным параметрам. Устойчивым называют равновесие, которое самопроизвольно восстанавливается, если систему из него вывести. Систему в устойчивом состоянии можно уподобить шарику, находящемуся в ямке (рис. 4.1, а). Метаустойчивым называют состояние, являющееся одним из вариантов устойчивого (рис. 4.1, б): шар мог бы занять любое из трех понижений (1 , 2, 3), но из них абсолютно устойчиво только положение 2. Неустойчивым называют состояние, когда малый импульс воздействия выводит систему из равновесия, в которое она не может возвратиться (рис. 4.1, в). Неустойчивость характерна для развивающихся систем. Она увеличивает разнообразие природы (создаются новые системы), но может иметь и отрицательное экологическое значение. Системы в неустойчивом состоянии подвержены флуктуациям - хаотическим колебаниям параметров, эффект которых непредсказуем.

В большинстве случаев системы географической оболочки являются открытыми. Открытые системы не стремятся к минимуму потенциальной энергии и максимуму энтропии (мера рассеяния энергии). Географические системы способны совершенствоваться, уменьшая (или концентрируя) энтропию за счет внешней среды. Этот процесс можно представить как образование порядка из хаоса. Он наблюдается в географической оболочке эволюционно.

В географической оболочке существуют системы, которые имеют два и более устойчивых состояний, называемых триггерными (переключающими). Например, ледниковое и безледное состояние земной поверхности, функционирование гейзера (покой - выброс). Понятие триггерности важно для оценки возможных экологических последствий: энергетически легче удержать явление в определенном состоянии, чем вернуть его в прежнее, если начался переходный процесс.

Механические взаимодействия в планетарных физико-географических процессах, имеющих материальную основу, подчинены закону всемирного тяготения, согласно которому, две любые материальные частицы с массами М 1 и М 2 притягиваются по отношению друг к другу с силой Р, пропорциональной произведению масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния R между ними:

где G - коэффициент пропорциональности (гравитационная постоянная), равный 6,672510 -11 Нм 2 /кг 2 . Согласно этому закону, сила тяготения зависит только от положения частиц в данный момент времени, т.е. гравитационное взаимодействие распространяется мгновенно. Отсюда - выражение для силы тяжести:

где g - ускорение свободно падающей точки, равное 9,7805 х т - масса материальной точки; φ - географическая широта; h - высота точки над уровнем моря.

В мире макротел, которыми являются небесные тела, закон всемирного тяготения играет основополагающую роль, определяя их взаимодействие и эволюцию. На Земле проявлениями этого закона являются:

гравитационное поле Земли (поле силы тяжести);

гравитационная дифференциация земного вещества, приводящая к образованию геосфер, изостатическому уравновешиванию литосферы, тепловой конвекции в ядре и мантии, океане и атмосфере;

движения земных масс и их перемещения внутри планеты и на ее поверхности;

образование приливов.

Гравитационное поле Земли представляет собой поле силы тяжести - равнодействующей силы тяготения и центробежной силы вращения Земли (рис. 4.2). Так как сила тяготения зависит от радиуса Земли, который наименьший на полюсах, то она наибольшая на полюсах. Центробежная сила, зависящая (при одинаковой скорости вращения) от радиуса орбиты, наибольшая на экваторе. Результирующая этих сил возрастает от экватора к полюсам соответственно от 978 до 983 галов. Сила тяжести убывает от земной поверхности вверх и несколько возрастает в глубь Земли в пределах литосферы .

Гравитационное поле - потенциальное. Точки с одинаковым потенциалом силы тяжести образуют изопотенциальные (или эквипотенциальные) поверхности. На каждой такой поверхности невозможно самопроизвольное перемещение массы, так как горизонтальная составляющая силы тяжести равна нулю. Наиболее важной изопотенциальной поверхностью Земли является поверхность геоида. Сечения изопотенциальными поверхностями рельефа образует горизонтали (изогипсы суши или изобаты морского дна).

Рис. 4.2. Сила тяжести (Р о ) - равнодействующая сил тяготения (P N ) и центробежной (Р δ )

Движения тел, имеющих массу, происходят в поле силы тяжести в соответствии с направлением градиента этого поля, т.е. по нормали к изопотенциальным поверхностям. При наличии препятствий (например, рельеф) движение происходит таким образом, чтобы потенциальная энергия уменьшалась. Например, по закону сообщающихся сосудов уровень воды в соединенных резервуарах соответствует одной потенциальной поверхности.

Значения поля силы тяжести Земли отображаются изогонами (линиями равных значений силы тяжести).

Гравитационная дифференциация. По существующим представлениям, сила тяготения была одной из главных при образовании Земли из протопланетного облака. В соответствии с разными гипотезами, Земля возникла как гетерогенное тело (ядро Земли образовалось на более ранней стадии, мантия - на более поздней) или как гомогенная масса. В последнем случае считается, что главным в истории планеты с геофизической точки зрения является процесс гравитационной дифференциации вещества - расслоение в соответствии с плотностью вещества в поле силы тяжести. В результате такого расслоения возникли геосферы, каждая из которых сложена веществом одного агрегатного состояния и сходной плотности. Подсчеты показывают, что количества тепла, которое выделилось в процессе гравитационного расслоения Земли на ядро и мантию, хватило бы для того, чтобы расплавить изначально твердое вещество нашей планеты.

С гравитационной дифференциацией связано множество процессов, в том числе вертикальные тектонические движения блоков литосферы. В атмосфере гравитационная дифференциация приводит к неустойчивости воздушного столба вследствие различных температур и влажности. В тропосфере воздух нагревается от земной поверхности и испытывает импульс движения, направленный вверх («всплывает»). Гравитационная неустойчивость атмосферы обычна, поэтому в метеорологии уменьшение температуры от земной поверхности вверх считают нормой, тогда как увеличение температуры называется инверсией. В гидросфере гравитационная дифференциация зависит как от температуры, так и от солености водных масс, что также приводит к их перемещению и размещению в соответствии с плотностью (процесс подъема вод называется апвеллинг, опускания - даунвеллинг).

Изостазия. Процессы плотностной дифференциации проявляют себя также в виде изостатического уравновешивания литосферы. Это хорошо иллюстрируют модели изостатического уравновешивания тел, плавающих на водной поверхности (рис. 4.3). На рис. 4.3, б показаны кубики различной плотности при их одинаковом размере, вследствие чего они погружаются в воду пропорционально отношению собственной плотности воды. На рис. 4.3, а показаны кубики одинаковой плотности, но различных размеров, поэтому каждый кубик погружен в воду на величину, равную отношению масс (как в предыдущем случае), умноженному на сечение кубика. Стрелками показаны пары сил тяжести и Архимедовой. Каждый кубик находится в состоянии изостатического равновесия в соответствии с плотностью вещества и толщиной (мощностью) тела.

Обычно понятие изостатического равновесия употребляется по отношению к литосфере, но эффект проявляется в любых средах. Так, из принципиальной схемы (рис. 4.4) изостатического уравновешивания блоков литосферы видно, что материковая кора всплывает вместе с частью верхней мантии, поскольку сложена веществом менее плотным, чем океаническая, и имеет большую мощность. Океаническая кора погружается относительно материковой по тем же причинам, ибо плотность ее выше, а мощность меньше. Благодаря изостазии поддерживается закономерное соотношение высот суши и глубин океана, которое отображает гипсографическая кривая.

Рис. 4.3. Модели изостазии (по Ф. Стейси): а - уравновешивание на субстрате блоков по мощности литосферы; б - уравновешивание на субстрате блоков по плотности вещества (цифры даны в единицах условной плотности)

Рис. 4.4. Изостатическое равновесие литосферы

Изостатическое уравновешивание литосферы является важным системообразующим свойством географической оболочки. Оно определяет конфигурацию континентов и океанов, распределение высот и глубин, а через них - поступление и перераспределение тепла, циркуляцию водных и воздушных масс и другие закономерности пространственной дифференциации географической оболочки.

Движения земных масс. Взаимодействия гравитационных и иных сил внутри планеты и влияние космического окружения приводят к движению земных масс, старающихся занять наиболее устойчивое положение в пространстве. Непосредственным выражением этих смещений являются вулканические процессы - выбросы в географическую оболочку глубинных масс вещества, сейсмические явления - резкие смещения внутриземных масс, сопровождаемые обычно подземными толчками и разрывами сплошности земной коры, тектонические движения - перемещения земных масс внутри планеты или проявляющихся на земной поверхности (неотектонические). Все они активно влияют на функционирование географической оболочки. Основная причина их проявления заключается в необходимости уравновешивания результатов взаимодействий внутри Земли и на ее поверхности. Движения земных масс являются важной характеристикой планеты, так как свидетельствуют об активности ее недр и способности к развитию и совершенствованию.

Приливы. Океанские приливы зависят главным образом от взаимодействия Земли, Луны и Солнца. Ведущую роль при этом играет близкорасположенная Луна, притяжение которой в 2,17 раза превосходит солнечное. Весь приливоотливной цикл по продолжительности соответствует лунным суткам (24 ч 51 мин), которые не совпадают с солнечными, за счет чего образуются приливные неравенства. Однако в действительности наблюдаются суточные, полусуточные и смешанные приливы .

Луна обращается вокруг Земли по эллиптической орбите со средним радиусом 384 тыс. км. Система Земля-Луна имеет общий центр масс, расположенный в теле Земли на расстоянии 2/3 от ее центра, так как массы взаимодействующих сил сильно различаются (земная в 81 раз больше, чем лунная). Оба небесных тела перемещаются таким образом, что любая точка одного из них описывает одинаковую орбиту. В каждой такой точке возникает одинаковая центробежная сила, не зависящая от широты места.

Кроме центробежной на каждую точку Земли действует направленная к Луне сила тяготения, которая зависит от расстояния до возмущающей массы (рис. 4.5). Если расстояние от центра массы Луны до центра массы Земли составляет 60 земных радиусов (R ), то до ближайшей к Луне точке Z (зенит) оно равно только 59R , а до самой дальней точки N (надир) - 61R . По закону всемирного тяготения, величина силы тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния между центрами масс. Следовательно, в точке Z сила тяготения больше, чем в точке О 3 , а в точке N - меньше, чем в любой из точек тела Земли. Таким образом, в центре массы Земли имеет место равенство сил тяготения и центробежной, а в точках Z и N равенства нет: в точке Z сила тяготения больше центробежной, а в точке N - больше центробежная сила. Это приводит к образованию приливных деформаций - выпуклостей или стоячих волн.

Расчеты показывают, что в центре массы Земли абсолютное значение силы тяготения, обусловленное влиянием Луны, составляет 3,38 мг на 1 кг массы, в точке Z сила тяготения равна уже 3,49 мг/кг, а в точке N - только 3,27 мг/кг. Суммируя эти значения в каждой точке земной поверхности с векторными значениями центробежной силы, получим равнодействующую, которая направлена в точке Z к Луне, а в точке N от Луны. Эту силу называют приливообразующей. Ее величина в обоих случаях составляет 0,11 мг/кг массы, но противоположна по знаку. В других точках, не лежащих на оси системы Земля - Луна, силы окажутся несоосными и образуют параллелограммы, в которых равнодействующая направлена по диагонали параллелограмма.

Рис. 4.5. Образование приливообразующей силы под воздействием Луны в различных точках поверхности Земли

Рис 4.6. Приливы, образующиеся при взаимодействии Земли с Луной (Л) и Солнцем (С): а - сизигийный; б - квадратурный

Вследствие вращения Земли приливные выступы образуются в каждый следующий момент уже в новых местах земной поверхности, поэтому за промежуток времени между двумя последовательными верхними или нижними кульминациями Луны приливные выступы обойдут вокруг Земного шара и за это время в каждом месте произойдут два прилива и два отлива.

Аналогичное взаимодействие происходит между Землей и Солнцем (а также другими небесными телами), но оно незначительное. Масса Солнца несопоставимо велика по сравнению с массой Луны и расстояние от Земли до Солнца также значительно больше, чем до Луны, поэтому величина солнечного прилива приблизительно в 2,2 раза меньше, чем лунного. Так как взаимное положение Земли, Луны и Солнца постоянно меняется, то изменяются и величины солнечных и лунных приливов. Солнечные приливы изменяют величину лунных приливов. Если приливные волны лунного и солнечного происхождения суммируются, а три светила располагаются по одной прямой, то прилив называется сизигийным, если вычитаются, а Солнце и Луна относительно Земли образуют прямой угол - квадратурным (рис. 4.6). Высота сизигийного прилива в океане приблизительно в 1,5 раза выше лунного, а квадратурного вполовину меньше.

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

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

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

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

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

Функции живого вещества:

1. Энергетическая функция

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

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

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

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

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

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

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

2. Деструктивная функция

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

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

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

3. Концентрационная функция

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

4. Средообразующая функция

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

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

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

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

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

До появления жизни на Земле внешнюю, единую оболочку ее составляли три взаимосвязанные оболочки: литосфера, атмосфера и гидросфера. С появлением живых организмов - биосферы, эта внешняя оболочка значительно изменилась. Изменились и все ее составные части - компоненты. Оболочка, Земли, в пределах которой взаимно проникают друг в друга и взаимодействуют нижние слои атмосферы, верхние части литосферы, вся гидросфера и биосфера, называется географической (земной) оболочкой. Все компоненты географической оболочки существуют не изолированно, они взаимодействуют друг с другом. Так, вода и воздух, проникая по трещинам и порам вглубь горных пород, участвуют в процессах выветривания, изменяют их и в то же время меняются сами. Реки и подземные воды, перемещая минеральные вещества, участвуют в изменении рельефа. Частицы горных пород высоко поднимаются в атмосферу при извержении вулканов, сильных ветрах. Много солей содержится в гидросфере. Вода и минеральные вещества входят в состав всех живых организмов. Живые организмы, отмирая, образуют огромные толщи горных пород. Верхнюю и нижнюю границы географической оболочки разные ученые проводят по-разному. Резких границ она не имеет. Многие ученые считают, что ее мощность составляет в среднем 55 км. По сравнению с размерами Земли это тонкая пленка.

В результате взаимодействия компонентов географическая оболочка обладает присущими только ей свойствами.

Только здесь присутствуют вещества в твердом, жидком и газообразном состоянии, что имеет огромное значение для всех процессов, происходящих в географической оболочке, и прежде всего для возникновения жизни. Только здесь у твердой поверхности Земли возникла сначала жизнь, а затем появились человек и человеческое общество, для существования и развития которого имеются все условия: воздух, вода, горные породы и полезные ископаемые, солнечное тепло и свет, почвы, растительность, бактериальный и животный мир.

Все процессы в географической оболочке происходят под воздействием солнечной энергии и в меньшей степени внутренних земных источников энергии. Изменение солнечной активности сказывается на всех процессах географической оболочки. Так, например, в период повышения солнечной активности увеличиваются магнитные бури, изменяется скорость роста растений, размножения и миграции насекомых, ухудшается состояние здоровья людей, особенно детей и пожилых. Связь между ритмами солнечной активности и живыми организмами показал русский биофизик Александр Леонидович Чижевский еще в 20-30-х гг. ХХ в.

Географическую оболочку иногда называют природной средой или просто природой, имея в виду главным образом природу в границах географической оболочки.

Все компоненты географической оболочки связаны в единое целое посредством круговорота веществ и энергии, благодаря которому осуществляется обмен веществ между оболочками. Круговорот веществ и энергии - это важнейший механизм природных процессов географической оболочки. Существуют различные круговороты веществ и энергии: воздушные круговороты в атмосфере, земной коре, круговороты воды и др. Для географической оболочки большое значение имеет круговорот воды, который осуществляется благодаря движению воздушных масс. Вода, одно из наиболее удивительных веществ природы, отличающееся большой подвижностью. Способность переходить из жидкого в твердое или газообразное состояние при незначительных изменениях температуры позволяет воде ускорять различные природные процессы. Без воды не может быть и жизни. Вода, находясь в круговороте, вступает в тесные взаимодействия с другими компонентами, связывает их между собой и является важным фактором формирования географической оболочки.

Огромная роль в жизни географической оболочки принадлежит биологическому круговороту. В зеленых растениях, как известно, на свету из углекислого газа и воды образуются органические вещества, которые служат пищей для животных. Животные и растения после отмирания разлагаются бактериями и грибами до минеральных веществ, которые затем вновь поглощаются зелеными растениями. Одни и те же элементы многократно образуют органические вещества живых организмов и многократно снова переходят в минеральное состояние.

Ведущая роль во всех круговоротах принадлежит круговороту воздуха в тропосфере, который включает всю систему ветров и вертикальное движение воздуха. Движение воздуха в тропосфере втягивает в глобальный круговорот и гидросферу, образуя мировой круговорот воды. От него зависит и интенсивность других круговоротов. Наиболее активно круговороты происходят в экваториальном и субэкваториальном поясах. А в полярных областях наоборот, они протекают особенно медленно. Все круговороты взаимосвязаны между собой.

Каждый последующий круговорот отличается от предыдущих. Он не образует замкнутого круга. Растения, например, берут из почвы питательные вещества, а отмирая, отдают их значительно больше, так как органическая масса растений создается в основном за счет углекислого газа атмосферы, а не за счет веществ, поступающих из почвы. Благодаря круговоротам происходит развитие всех компонентов природы и географической оболочки в целом.

Что делает нашу планету неповторимой? Жизнь! Трудно представить себе нашу планету без растений и животных. В самых разнообразных формах она пронизывает не только водную и воздушную стихии, но и верхние слои земной коры. Возникновение биосферы является принципиально важным этапом развития географической оболочки и всей Земли как планеты. Главная роль живых организмов - обеспечение развития всех жизненных процессов, в основе которых лежит солнечная энергия и биологический круговорот веществ и энергии. Жизненные процессы состоят из трех главных этапов: создания в результате фотосинтеза органического вещества первичной продукции; превращения первичной (растительной) продукции во вторичную (животную); разрушения первичной и вторичной биологической продукции бактериями, грибами. Без этих процессов жизнь невозможна. Живые организмы включают: растения, животные, бактерии и грибы. Каждая группа (царство) живых организмов выполняет определенную роль в развитии природы.

Жизнь на нашей планете возникла 3 млрд. лет назад. Все организмы в течение миллиардов лет развивались, расселялись, изменялись в процессе развития и в свою очередь воздействовали на природу Земли - среду своего обитания.

Под влиянием живых организмов в воздухе стало больше кислорода и уменьшилось содержание углекислого газа. Зеленые растения - основной источник атмосферного кислорода. Другим стал состав Мирового океана. В литосфере появились горные породы органического происхождения. Залежи угля и нефти, большинство отложений известняков - результат деятельности живых организмов. Результатом деятельности живых организмов является также образование почв, благодаря плодородию которых возможна жизнь растений. Таким образом, живые организмы являются мощным фактором преобразования и развития географической оболочки. Гениальный русский ученый В. И. Вернадский считал живые организмы самой могущественной по своим конечным результатам силой на земной поверхности, преобразующей природу.

Компоненты географической оболочки и их взаимодействие.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Зональность и секторность географической оболочки.

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 45. Основные биозоны Земли

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

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

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

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

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

Введение.

Глава 1. Живое вещество как биологическая форма движения материи …

1.1.Биосфера: понятие, границы и структура.

1.2.Происхождение жизни на Земле.

1.3.Эволюция живых организмов.

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

2.1. Абиотические факторы среды

2.2. Биотические факторы среды

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

3.1. Своеобразие жизни в компонентных оболочках

3.2. Этапы развития географической оболочки под влиянием

Биоценозов.

Заключение.

Литература.

Эволюция живых организмов Земли и их отражение в географической оболочке

ВВЕДЕНИЕ

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

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

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

Достижение цели предполагало постановку и решение следующих задач:

Выяснение сущности понятия «биосфера»;

Рассмотрение факторов и процесса эволюции биосферы;

Выявление роли биосферы в развитии географической оболочки.

ГЛАВА 1. ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО КАК БИОЛОГИЧЕСКАЯ ФОРМА ДВИЖЕНИЯ МАТЕРИИ

1.1. Биосфера: понятие, границы и структура

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

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

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

Рисунок 1. Границы биосферы

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

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

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

2) нектон — активно передвигающиеся в толще воды;

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

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

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

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

1.2 Происхождение жизни на Земле

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

Рисунок 2. Происхождение первых простейших организмовна на Земле

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

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

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

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

1.3 Эволюция живых организмов

Таблица 1

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

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

Рисунок 3.Схема эволюции органического мира .

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

Протерозойская эра.

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

Палеозойская эра.

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

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

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

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

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

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

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

Мезозойская эра.

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

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

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

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

Кайнозойская эра.

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

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

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

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

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

2.1 Абиотические факторы среды

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

Рисунок 4. Основные абиотические факторы среды .

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

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

. <150 нм - зона ионизирующей радиации,

150 - 400 нм - ультрафиолетовая радиация,

400 - 800 нм - видимый свет

800 - 1000 нм - инфракрасная радиация

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2.2 Биотические факторы среды

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

Рисунок 5. Биотические факторы среды .

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

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

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

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

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

ГЛАВА 3. ЗНАЧЕНИЕ И РОЛЬ БИОСФЕРЫ В РАЗВИТИИ ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ

3.1. Своеобразие жизни в компонентных оболочках

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

Рисунок 6.Граница биосферы Земли .

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

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

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

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

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

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

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

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

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

3.2. Этапы развития географической оболочки под влиянием биоценозов

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

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

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