Биосфера

При охлаждении воды ниже 0'С и образовании льда, выделяющееся тепло тормозит дальнейшее понижение температуры.

По сравнению  с воздухом вода гораздо менее  прозрачна, и падающий в нее свет довольно быстро поглощается и рассеивается.

Основной запас  воздуха находится в тонком слое атмосферы – тропосфере. Воздух представляет собой смесь газов (а не соединение) и является источником кислорода, необходимого для обеспечения  процессов жизнедеятельности всех живых организмов на Земле. Кислород необходим для дыхания растениям  и животным. Следует заметить, что  современная атмосфера содержит двадцатую часть кислорода, имеющегося в биосфере. Главные запасы кислорода  сосредоточены в карбонатах, в  некоторых органических веществах  и в окислах железа.

Биосфера- глобальная экосистема, особая оболочка Земли, сфера  распространения жизни, границы  которой определяются наличием пригодных  для организмов абиотических условий: температуры, жидкой воды, состава газов, элементов минерального питания.  
 
 
 
 
 
 
 

     4. Причины и характер загрязнения биосферы

            Загрязнение биосферы - одна из древнейших проблем человеческой цивилизации.

          Опасность для биосферы состоит в следующем:

     •   использование человеком преимущественно  внутренних по отношению к биосфере источников энергии (органическое топливо);

     •   использование   нерациональных   хозяйственных   циклов, приводящих к появлению отходов;

     •   использование  вредных для  природы  синтетических  веществ;

     •   уничтожение человеком структурного многообразия биосферы, что разрушает экосистемы.

        Появление новых болезней - реакция биосферы на вмешательство человека.

     По  характеру возникновения загрязнения  подразделяют на естественные и антропогенные. Естественные загрязнения возникают в результате природных, как правило, катастрофических процессов (например, мощное извержение вулкана, селевой поток и т.п.), вне всякого влияния человека на эти процессы, антропогенные - в результате хозяйственной деятельности человека. Интенсивность антропогенных загрязнений непосредственно связана с ростом численности населения земного шара и в первую очередь с развитием крупных промышленных центров.

          Антропогенные загрязнения подразделяются на промышленные, сельскохозяйственные и военные. Промышленные загрязнения вызываются отдельно взятым предприятием или их совокупностью, а также транспортом.      Сельскохозяйственные загрязнения обусловлены применением пестицидов, дефолиантов и других агентов, внесением удобрений в количествах, не усваиваемых культурными растениями, сбросом отходов животноводства и другими действиями, связанными с сельскохозяйственным производством. Военные загрязнения возникают в результате работы предприятий военной промышленности, транспортировки военных материалов и оборудования, испытания образцов оружия, функционирования военных объектов и всего комплекса военных средств в случае ведения военных действий. Последствия войны с применением атомного оружия могут привести к апокалипсису - «ядерной зиме».

         Загрязнение атмосферы - привнесение в воздух или образование в нем химическими веществами или организмами физических агентов, неблагоприятно воздействующих на среду жизни или наносящих урон материальным ценностям, а также образование антропогенных физических полей.

          Загрязнение гидросферы - поступление в воду загрязнителей в количествах и концентрациях, способных нарушить нормальные условия среды в значительных по размерам водных объектах.

     Загрязнение почвы - привнесение и возникновение в почве новых, обычно не характерных для нее физических, химических или биологических агентов, которые меняют ход почвообразовательного процесса (тормозят его), резко снижают урожайность, вызывают накопление загрязнителей в растениях (например, тяжелых металлов), из которых эти загрязнения прямо или косвенно (через растительные или животные продукты питания) попадают в организм человека.

          Загрязнение космического пространства - общее засорение околоземного и ближнего космического пространства космическими объектами. Наиболее опасно радиоактивное загрязнение из-за вывода на орбиты и разрушения ядерных реакторов, кроме того «космического мусора», который вносит помехи в нормальное функционирование наземных радиотехнических и астрономических приборов. По характеру воздействия загрязнения подразделяют на первичные и вторичные.

          Первичное загрязнение - поступление в окружающую среду непосредственно загрязнителей, образуемых в ходе естественных природно-антропогенных и чисто антропогенных процессов.

         Вторичное загрязнение - образование (синтез) опасных загрязнителей в ходе физико-химических процессов, идущих непосредственно в окружающей среде. Так, из нетоксичных составляющих в некоторых условиях образуются ядовитые газы - фосген; фреоны, химически инертные у поверхности Земли, вступают в стратосфере в фотохимические реакции, вырабатывая ионы хлора, служащие катализатором при разрушении озонового слоя (экрана) планеты. Отдельные реагенты такого взаимодействия могут быть неопасными.

         По механизму воздействия загрязнения подразделяются на механические, физические (тепловые, световые, акустические, электромагнитные), химические, радиационные, биологические.

        Механические загрязнения - засорение среды агентами, оказывающими главным образом неблагоприятное механическое воздействие на естественные и искусственные объекты.

        Физические загрязнения связаны с изменением физических параметров среды: температурно-энергетические (тепловые), волновые (световые, акустические, электромагнитные), радиационные (радиационные, радиоактивные).

         Тепловые (термальные) загрязнения обусловлены повышением температуры среды, главным образом в связи с промышленными выбросами нагретого воздуха, отходящих газов (продукты сгорания, выбрасываемые в дымовую трубу) и вод. Могут возникать и как вторичный результат изменения химического состава среды (например, парниковый эффект - постоянное потепление климата на планете в результате накопления в атмосфере углекислого и других газов (метана, фтор- и хлоруглеродов), которые аналогично покрытию теплицы, пропуская солнечные лучи, препятствуют длинноволновому тепловому излучению уходить с поверхности Земли).

            Световые загрязнения вызваны нарушением естественной освещенности местности в результате действия искусственных источников света и могут приводить к аномалиям в жизни растений и животных.

          Акустические загрязнения связаны с превышением естественного уровня шума и ненормальным изменением звуковых характеристик в населенных пунктах и других местах вследствие работы транспорта, промышленных установок, бытовых приборов, поведения людей или других причин.

           Электромагнитные загрязнения возникают в результате изменения электромагнитных свойств среды (от линий электропередачи, радио и телевидения, работы некоторых промышленных установок и т.п.), приводят к изменениям в тонких клеточных и молекулярных биологических структурах.

          Радиоактивные загрязнения обусловлены превышением естественного уровня содержания радиоактивных веществ в среде. Их последствием является радиационное загрязнение, вызванное действием ионизирующих излучений.

          Биологические загрязнения вызваны проникновением (естественным или благодаря деятельности человека) в эксплуатируемые экосистемы и технологические установки видов организмов, чуждых данным сообществам и установкам и обычно там отсутствующих. Выделяют биотические и микробиологические загрязнения.

         Микробиологические (микробные) загрязнения возникают из-за появления в среде необычно большого количества микроорганизмов, связанного с массовым их размножением в средах, измененных в ходе хозяйственной деятельности человека. 
 
 
 
 

5. Биосфера и космос 

     Земля - уникальная планета, она находится на единственно возможном расстоянии от Солнца, которое определяет такую температуру поверхности Земли, при которой вода может находиться в жидком состоянии.

       Земля получает от солнца огромное  количество энергии и сохраняет  при этом примерно постоянную температуру. Значит наша планета излучает в космос почти такое же количество энергии, какое получает из космос: приход и расход должны быть сбалансированы, иначе система однажды потеряет устойчивость. Земля либо нагреется, либо замерзнет и превратится в безжизненное тело.

По существу, биосфера может быть рассматриваема как область земной коры, занятая  трансформаторами, переводящими космические  излучения в действенную земную энергию - электрическую, химическую, механическую, тепловую и т.д.  
Космические излучения, идущие от всех небесных тел, охватывают биосферу, проникают всю ее и все в ней.  
Мы улавливаем и сознаем только ничтожную часть этих излучений, и среди них мы изучали почти исключительно излучения Солнца.  
Но мы знаем, что существуют и падают на биосферу волны иных путей, идущие от отдаленнейших частей космоса. Так, звезды и туманности непрерывно шлют на нашу планету световые излучения.  
Все говорит за то, что открытые В. Гессом в верхних слоях атмосферы проникающие излучения возникают вне границ нашей солнечной системы. Их возникновение ищут в Млечном Пути, в туманностях, в звездах типа Мира Цети (Mira Ceti). Может быть, из Млечного Пути (В. Нернст) происходят загадочные проникающие радиации, столь яркие в высоких слоях нашей атмосферы.  
Их учет и их понимание - дело будущего. Но, несомненно, не они, а лучи Солнца обусловливают главные черты механизма биосферы. Изучение отражения на земных процессах солнечных излучений уже достаточно для получения первого, но точного и глубокого представления о биосфере как о земном и космическом механизме. Солнцем в корне переработан и изменен лик Земли, пронизана и охвачена биосфера. В значительной мере биосфера является проявлением его излучений; она составляет планетный механизм, превращающий их в новые разнообразные формы земной свободной энергии, которая в корне меняет историю и судьбу нашей планеты.  
Для нас уже ясно огромное значение в биосфере коротких ультрафиолетовых волн солнечной радиации, длинных красных тепловых, и промежуточных лучей видимого светового спектра. В строении биосферы мы уже сейчас можем выделить ее части, играющие роль трансформаторов для этих трех различных систем солнечных колебаний.  
Медленно и с трудом выявляется нашему уму механизм превращения солнечной энергии в биосфере в земные силы. Мы привыкли видеть другие черты в отвечающих ему явлениях; он скрыт для нас в бесконечном разнообразии красок, форм, движений природы - мы сами составляем его часть нашей жизнью. Века и тысячелетия прошли, пока человеческая мысль могла отметить черты единого связного механизма в кажущейся хаотической картине природы.  
 
Превращение трех систем солнечных излияний в земную энергию происходит отчасти в одних и тех же участках биосферы, но местами в ней выделяются области, в которых резко преобладают превращения одного какого-нибудь рода, Природные тела - носители превращений - всегда резко различны для ультрафиолетовых, световых и тепловых солнечных волн.  
Короткие ультрафиолетовые излучения в известной части своей целиком, в других -в значительной мере задерживаются в верхних разреженных частях газовой земной оболочки - в стратосфере и, может быть, в еще более высокой и более бедной атомами - свободной атмосфере. Это задерживание, поглощение, связано с трансформацией лучевой энергии коротких волн. В этих областях под влиянием ультрафиолетовых излучений наблюдаются изменения электромагнитных полей, распадения молекул, разнообразные явления ионизации, новообразования газовых молекул новых химических соединений. Лучистая энергия частью превращается в разные формы электрических и магнитных проявлений, частью в связанные с ней молекулярные, атомные и своеобразные химические процессы разреженных газообразных состояний вещества.  
Нашему взору эти области и эти тела являются в форме северных сияний, зарниц, зодиакального света, свечения небесного свода, который становится заметным лишь в темные ночи, но все же составляет значительную часть освещения ночного неба, в форме светящихся облаков и других разнообразных отражений стратосферы и внешних пределов планеты в картине нашего земного мира. Нашим инструментам этот таинственный мир явлений раскрывается в электрических, магнитных, радиоактивных, химических, спектроскопических отражениях в его непрерывном движении и в превышающем мысль разнообразии.  
Эти явления не являются следствием изменения земной средой одних ультрафиолетовых лучей Солнца. Мы должны считаться здесь со сложным процессом. Здесь задерживаются, т.е. превращаются в новые явления - уже земные - все формы лучистой энергии Солнца за пределами тех 4 с половиной ее октав, которые попадают в биосферу . За эти пределы едва ли заходят и те мощные потоки частиц - электронов, которые непрерывно исходят из Солнца, или те материальные части - космическая пыль и газовые тела, - столь же непрерывно захватываемые земным притяжением и несущие Земле новые источники энергии.  
Мало-помалу входит в общее сознание значение этих явлений в истории нашей планеты. Так, несомненной стала связь их с другой формой превращения космической энергии, с областью живого вещества. Короткие световые волны - 180-200 mu - разрушают все живые организмы. Задерживая короткие волны нацело, стратосфера охраняет от них нижние слои земной поверхности - область жизни.  
Чрезвычайно характерно, что главное поглощение этих лучей связано с озоном, образование которого обусловлено существованием свободного кислорода - продукта жизни.  
 
Если значение превращения ультрафиолетовых лучей только начинает сознаваться, роль солнечной теплоты - главным образом инфракрасных излучений - была понята давно. Она обращает на себя главное внимание при изучении влияния Солнца на геологические, и даже геохимические процессы. Ясна и бесспорна роль лучистой солнечной теплоты и для существования жизни. Несомненно и превращение тепловой лучистой энергии Солнца в энергию механическую, молекулярную (испарение и т.п.), химическую.  
Проявления таких превращений наблюдаются нами на каждом шагу и не требуют разъяснений; мы видим их в жизни организмов, в движении и деятельности ветров или морских течений, в морской волне и морском прибое, в разрушении скал и деятельности ледников, в движении и образовании рек и в колоссальной работе снежных и дождевых осадков...  
Обычно менее сознается собирающая и распределяющая тепло роль жидких и газовых частей биосферы - переработка ею этим путем лучистой тепловой энергии Солнца. Атмосфера, океан, озера и реки, дождевые и снеговые осадки являются тем аппаратом, который производит эту работу. Мировой океан благодаря совершенно особым, исключительным среди всех соединений тепловым свойствам воды может быть связанным с характером ее молекул, является регулятором тепла, огромная роль которого на каждом шагу сказывается в бесчисленных явлениях погоды и климата и в связанных с ними процессах жизни и выветривания. Быстро нагреваясь благодаря своей большой теплоемкости, океан медленно отдает собранное тепло благодаря характеру своей теплопроводности. Он превращает поглощенную лучистую теплоту в молекулярную энергию при испарении, в химическую - через проникающее его живое вещество, в механическую - в своих морских течениях и прибое. Того же направления и, пожалуй, сравнимого масштаба термическая роль рек, осадков, воздушных масс и их нагреваний и охлаждений.  
 
Ультрафиолетовые и инфракрасные лучи Солнца влияют на химические процессы биосферы только косвенным путем. Не они являются главным источником их энергии. Химическая энергия биосферы - в ее действенной форме - выявляется из лучистой энергии Солнца совокупностью живых организмов Земли - ее живым веществом. Создавая фотосинтезом - солнечным лучом - бесконечное число новых в биосфере химических соединений - многие миллионы различных комбинаций атомов, оно непрерывно с уму непостижимой быстротой покрывает ее мощной толщей молекулярных систем, чрезвычайно легко дающих новые соединения, богатые свободной энергией в термодинамическом поле биосферы, в нем неустойчивые и неуклонно переходящие в новые формы устойчивого равновесия.  
Эта форма трансформаторов является совершенно особым механизмом по сравнению с телами Земли, в которых идет превращение в новые формы энергии коротких и длинных волн солнечной радиации. Мы объясняем превращение ультрафиолетовых лучей их воздействием на материю, на ее независимым от них путем полученные атомные системы; превращения же тепловых излучений связываем с созданными помимо их непосредственного влияния молекулярными строениями. Но фотосинтез, как он наблюдается в биосфере, связан с особыми чрезвычайно сложными механизмами, создаваемыми им самим при условии одновременного проявления и превращения в окружающей среде ультрафиолетовых и закрасных радиаций Солнца.  
Создаваемые этим путем механизмы превращения энергии - живые организмы - представляют совершенно особого рода образования, резко отличные от всех атомных, ионных или молекулярных систем, которые строят материю земной коры вне биосферы и часть вещества биосферы.  
Живые организмы составлены из структур того же рода, правда более сложных, как и те, которые строят косную материю. Однако по производимым ими изменениям в химических процессах биосферы они не могут быть рассматриваемы, как простые совокупности этих структур. Энергетический их характер, как он проявляется в их размножении, с геохимической точки зрения не сравним с инертными структурами, строящими и косную, и живую материю.  
Механизм химического действия живого вещества нам неизвестен. По-видимому, однако, начинает выясняться, что с точки зрения энергетических явлений, в живом веществе фотосинтез происходит не только в особой химической среде, но и особом термодинамическом поле, отличном от термодинамического поля биосферы. После умирания организма соединения, устойчивые в термодинамическом поле живого вещества, попадая в термодинамическое поле биосферы, оказываются в нем неустойчивыми и являются в нем источником свободной энергии

     Биосфера  тесно связана с космосом. Потоки энергии, поступающие к Земле, создают  условия, обеспечивающие жизнь. Магнитное  поле и озоновый экран защищают планету  от излишних космических излучений  и интенсивной солнечной радиации. Космические излучения, достигающие  биосферы, обеспечивают фотосинтез и  влияют на активность живых существ.  
 
 
 
 
 
 
 
 

     6. Пищевые цепи и трофические уровни 

     Каждый  вид использует лишь часть содержащейся в органическом веществе энергии. Непригодные  для данного вида, но еще богатые  энергией вещества используют другие организмы. Таким образом, в процессе эволюции в биогеоценозах сложились  цепи взаимосвязанных видов, последовательно  извлекающих материалы и энергию  из исходного пищевого вещества. Такие  связи между особями видов  называются пищевыми. Примеры пищевых цепей можно видеть всюду. Самый простой пример: травоядные животные поедают растения, а выделениями животных и их трупами питаются различные навозные и трупоядные насекомые и гнилостные бактерии. Но в естественной обстановке цепи состоят из большего числа звеньев, так как в них включаются плотоядные животные - хищники и паразиты. Органические остатки образуются в результате жизнедеятельности всех членов цепи.

     Биогеоценозы  очень сложны. В них всегда имеется  много параллельных и сложно переплетенных  цепей питания, а общее число  видов часто измеряется сотнями  и даже тысячами. Почти всегда разные виды питаются несколькими разными  объектами и сами служат пищей  нескольким членам экосистемы. В результате получается сложная сеть пищевых  связей.

     Каждое  звено пищевой цепи называется трофическим  уровнем. Первый трофический уровень  занимают автотрофы, или так называемые первичные продуценты. Организмы  второго трофического уровня называются первичными консументами, третьего –  вторичными консументами и т. д. Обычно бывает четыре или пять трофических  уровней и редко больше шести.

     Первичными  продуцентами являются автотрофные  организмы, в основном зеленые растения. Некоторые прокариоты, а именно сине-зеленые  водоросли и немногочисленные виды бактерий, тоже фотосинтезируют, но их вклад относительно невелик. Фотосинтетики  превращают солнечную энергию (энергию света) в химическую энергию, заключенную в органических молекулах, из которых построены ткани. Небольшой вклад в продукцию органического вещества вносят и хемосинтезирующие бактерии, извлекающие энергию из неорганических соединений.