Природне середовище і його основні компоненти. Кругообіг речовини і енергії в біосфері (реферат)

Реферат на тему:

Природне середовище і його основні компоненти. Кругообіг речовини і
енергії в біосфері

Природне середовище і його основні компоненти

Коротко зупинимося на питаннях походження та еволюції Землі як складової
Сонячної системи. На запитання: “Звідки взялась наша планета?” найлегше
було б відповісти традиційно — “Бог створив”. Але з чого, коли і як?
Відповіді на це ми не маємо.

Дещо складніше пояснити це явище з позицій наших знань як про планету,
так і про самих себе.

Земля є третьою за віддаленістю від Сонця планетою Сонячної системи.
Швидкість її обертання навколо світила становить 29,76 км/с. Орбіта
нашої планети еліптична, велика її піввісь дорівнює 149,6 млн км. Період
обертання навколо Сонця становить один зоряний рік — 365 діб, 9 хв і 10
с. За розрахунками фахівців, геологічний вік планети Земля — 4-5 млрд
років.

Екваторіальний радіус Землі дорівнює 6378,16 км, площа її поверхні — 510
млн км2, а об’єм — 1083 млрд км3. Загальна маса Землі (разом з
атмосферою) становить 5,98 • 1021 т. Площа суходолу, включаючи материки
і острови, дорівнює 149 млн км2, площа океанів — 360 млн км2. Загальна
маса води, зосередженої в океанах, дорівнює 1,45- 1018т.

Більшу частину земної кулі займають води (близько 70,8 % всієї
поверхні), які називаються гідросферою, або водяною оболонкою Землі.
Насамперед це чотири океани: Тихий, Індійський, Атлантичний і Північний
Льодовитий, які мають загальну назву Світовий океан, а також усі інші
поверхневі води. У Світовому океані переважають глибини 3-6 тис. м;
максимальну глибину — 11034 м — має Маріанська западина в Тихому океані.

Близько 29,2 % поверхні земної кулі займає суходіл — материки Євразія,
Африка, Північна та Південна Америка, Австралія, Антарктида та острови.
Середня висота суходолу над рівнем Світового океану — 875 м, найвища
вершина — Еверест — 8848 м. Зазвичай суходіл називають літосферою, але
літосфера — це лише незначна частина твердої оболонки земної кулі.

Внутрішня будова планети Земля відома лише в загальних рисах, тому що
досліджено лише поверхневі шари літосфери—до 25 км. Існує певний поділ
шарів Землі на власне літосферу — шар земної кори на глибину 30-75 км
під сушею і 3-10 км під океанами, мантію (або барисферу} — до глибини
близько 2500 км і ядро Землі. У напрямі до центру Землі збільшуються
тиск, густина речовини і температура. За розрахунками, в центрі Землі
тиск досягає 3,5 млн кг/см2, густина речовини в ядрі —12-17 г/см3,
температура—до кількох тисяч градусів. Щодо джерела температури
всередині Землі існує кілька гіпотез. За однією з них, це результат
природного розпаду радіоактивних елементів.

Літосфера і гідросфера вкриті газовою оболонкою — атмосферою, висота
якої над поверхнею Землі становить 1000-1300 км, проте сліди атмосфери
виявляють навіть на відстані до 6000 км від поверхні Землі.

Умовно атмосферу поділяють на п’ять шарів залежно від висоти:

• тропосфера — 8-18 км;

• стратосфера — до 40 км;

• мезосфера — 40-80 км;

• термосфера — 80-1000 км;

• екзосфера, або сфера розсіювання — понад 1000км; з цього шару молекули
газів розсіюються в космічний простір.

Цілком природно, що найважливішим для існування, зокрема людини, є
перший шар — тропосфера. У ній зосереджена майже вся водяна пара і 4/5
всієї маси атмосферного повітря. Саме тут формуються всі погодні явища,
що впливають на людину. Тропосфера—нижній шар атмосфери, який
простягається від поверхні Землі до висоти 16-18 км; при цьому слід
зауважити, що в північних широтах її висота обмежується 8-Ю км. Над
тропосферою розміщується тропопауза — перехідний прошарок, висота якого
залежить від географічної широти, пори року, циклонічної діяльності.
Наступний шар атмосфери — стратосфера — закінчується на висоті близько
40 км від поверхні Землі. Саме у стратосфері під впливом сонячної
радіації утворюється озоновий шар — своєрідний екран, який захищає живі
організми нашої планети від космічного випромінювання.

Характеристика Землі як планети буде неповною, якщо не згадати про
найважливішу і найунікальнішу її оболонку — біосферу. Біосфера — область
поширення життя на земній кулі — населена живими організмами поверхня
літосфери, майже вся товща гідросфери і нижній шар тропосфери.

За визначенням В. Вернадського, загалом біосфера, яка є оболонкою Землі,
де існують живі організми, — це певна частина земної кулі, зайнята
трансформаторами, за допомогою яких космічне випромінювання
перетворюється на дієву енергію Землі — електричну, хімічну, механічну,
теплову тощо.

Кругообіг речовини і енергії в біосфері

Життя на Землі було б неможливе, якби не було безперервного процесу
утворення органічних речовин з неорганічних з одночасним використанням
сонячної енергії. Таким процесом, як відомо, є фотосинтез, що
відбувається в зелених частинах рослин. Завдяки хлорофілу — складній
органічній сполуці, яка, зокрема, і зумовлює зелений колір більшості
рослин — з вуглекислого газу і води за допомогою сонячної енергії
утворюються органічні речовини, які дають початок усім подальшим
перетворенням речовин у живих організмах. У процесі фотосинтезу в
рослинах світлова енергія перетворюється на енергію хімічних зв’язків,
за рахунок якої рослини ростуть і розвиваються.

Не слід вважати, що цим рівнянням описується весь процес фотосинтезу.
Насправді він складається з розгалужених циклів світлових фотохімічних і
темпових ферментативних реакцій, що відбуваються в організмі рослин.
Процес фотосинтезу полягає в тому, що за допомогою енергії світла вода
розкладається з виділенням кисню, а водень витрачається на відновлення
вуглекислого газу. Отже, фотосинтез — це найважливіший біохімічний
процес живлення рослин, під час якого вони засвоюють енергію сонячної
радіації і за її допомогою з неорганічних речовин синтезують органічні
сполуки.

Грандіозність фотосинтетичного процесу вражає. Одне дерево з проекцією
крони 150 м2, тобто діаметром крони близько 14м, має приблизно 800 тис.
листків, площа внутрішньої фотосинтезуючої поверхні яких перевищує 150
тис. м2. Таке дерево переробляє за одну годину 2,5 кг вуглекислого газу
(така його кількість міститься у 5 тис. м3 повітря) і близько 1 кг води,
використовуючи при цьому 6075 кал сонячної енергії для синтезу 1600 г
вуглеводів (глюкози).

Листкова поверхня площею 25 м2 протягом сонячного дня виділяє таку
кількість кисню, яка потрібна одній людині на добу. Розраховано, що для
врожаю пшениці 40 ц/га рослини повинні утворити 10 т загальної біомаси і
при цьому засвоїти — з ґрунту близько 150 кг азоту і близько 500 кг
інших мінеральних речовин, з повітря — 20-25 т вуглекислого газу.

Як відомо, тварини і людина не здатні синтезувати органічні речовини з
мінеральних. Вони використовують для своїх енергетичних потреб (рухів,
дихання) органічну речовину, що була синтезована іншими живими
організмами, розкладаючи її до вуглекислого газу, води і мінеральних
сполук. У процесі живлення тварини синтезують білки, жири, вуглеводи
свого тіла, але цей синтез відбувається не за рахунок неорганічних
речовин, а за рахунок органічних речовин рослинного і тваринного
походження. Саме тому тварини є “руйнівниками” органічних речовин.

Крім рослинних і тваринних організмів у природі, зокрема у ґрунті, воді,
повітрі, та й у рослинах і тваринах, живуть мікроорганізми, які у
процесі життєдіяльності розкладають рослинні і тваринні рештки до
найпростіших сполук — СО2, Н2О, NH3 та ін. Мікроорганізмів в 1 г ґрунту
або озерного мулу мільярди. У процесі еволюції мікроорганізми
пристосувалися до життя в найрізноманітніших умовах. Одні з них
потребують для своєї життєдіяльності кисню, інші живуть у без-кисневому
середовищі. Існують організми, здатні жити у 10%-но му розчині сірчаної
кислоти і в лужному середовищі. Мікроорганізми витримують низьку
температуру, підвищену солоність води і ґрунту, підвищений атмосферний
тиск та інші несприятливі для складніше організованих рослин і тварин
умови. Тому вони здатні розкладати білки, жири, вуглеводи в будь-яких
середовищах, відіграючи тим самим значну роль у природі.

Мінеральні речовини, які утворюються під час розкладу живими організмами
органічних решток, недовго затримуються в ґрунті, воді тощо. Інші
мікроорганізми та вищі рослини і тварини перетворюють їх на органічні
сполуки. Саме так у природі відбувається біологічний кругообіг речовини
і енергії, коли живі організми, використовуючи сонячну енергію,
перетворюють її в енергію геохімічних процесів, зумовлюючи цим
особливості руху хімічних речовин у певних природних умовах і визначаючи
характер взаємозв’язку літосфери, гідросфери та атмосфери. У
біологічному кругообігу бере участь величезна кількість хімічних
елементів, особливо вуглець, кисень, азот, фосфор та сірка.

Рис. Кругообіг фосфору (згідно з Ф Рамад, 1981)

Біологічний кругообіг речовин і енергії відбувається в більшості
існуючих ландшафтів, але його інтенсивність для кожного ландшафту різна.
В одних може нагромаджуватися велика кількість живих організмів, а
кругообіг відбуватиметься повільно, в інших, навпаки, швидко.
Біологічний кругообіг речовин і енергії впливає на формування грунтів і
на всі геохімічні процеси, які відбуваються в грунті, воді, повітрі та
глибинних (до 2-3 км) шарах земної кори.

Поняття про еволюцію біосфери

Як зазначалося, вік Землі як планети становить 4-5 млрд років, проте
поки що сліди життя відомі лише з геологічних відкладів віком близько 3
млрд років.

У геохронологічному літописі Землі налічують п’ять ер і груп періодів:

• архейська ера — 3-2 млрд років тому;

• протерозойська ера — близько 1,5 млрд років тому;

• палеозойська ера — близько 365 млн років тому;

• мезозойська ера — близько 115 млн років тому;

• кайнозойська ера — від 70 млн років тому дотепер.

Усередині кожної ери виокремлюють певні періоди різної тривалості, а їх
визначення базується на наявності в геологічних відкладах тих чи інших
викопних решток живих організмів. За даними геохронології, рештки
багатоклітинних живих організмів на Землі достовірно відомі з шарів
віком близько 700-550 млн років тому. Проте цей вік не може претендувати
на остаточність, тому що викопні рештки з таких відкладів зберігаються
дуже погано і трапляються надто рідко. Не є винятком знахідки викопних
організмів, які жили в найдавніші часи. Водночас відомі людству викопні
свідчення про склад живих організмів у прадавні часи дають змогу уявити
основні компоненти біосфери в кожній ері.

Так, для протерозойської ери найхарактернішими були водорості і тварини,
що перебували у водяному середовищі, — губки, радіолярії, членистоногі.

Характерною для палеозойської ери була поява живих організмів на
суходолі. Спочатку, у кембрійському періоді, це були рослини, а пізніше
— в ордовицькому періоді — і наземні тварини.

У мезозойську еру на суходолі панували голонасінні рослини (предки наших
голчастих — ялини, модрини, сосни, смереки та інших

рослин) і поступово завойовували його перші покритонасінні рослини.
Мезозойську еру ще називають ерою гігантських рептилій. Саме на цей час
припадає розквіт відомої групи наземних тварин, різноманіття видів яких
сприяло завоюванню не лише суходолу, а й повітря і водного середовища.

Найзначнішою подією в кайнозойську еру була поява первісної людини. Тоді
ж досягли максимального розвитку покритонасінні рослини, а серед тварин
— птахи і ссавці. Саме наприкінці кайнозойської ери (в антропогеновому
періоді) — близько 2 млн років тому — з’явилася пралюдина в тому
вигляді, який характерний для всього роду Ното.

Зазначимо, що наведена схема розвитку біосфери є найзагальнішою, а над
її деталізацією працюють тисячі науковців в усьому світі.

З’явившись ще в архейську еру, живі організми безперервно змінювалися:
одні з них зникали, поступаючись місцем іншим групам рослин і тварин,
інші видозмінювалися відповідно до змін навколишнього середовища. Усі ці
зміни в біосфері відбувалися на тлі безперервних змін умов довкілля,
яке, за панівною нині думкою, і було першопричиною всіх відомих
перетворень у рослинному і тваринному світі планети Земля. Було б
неправильно стверджувати, що живі організми не впливали на навколишнє
середовище, а лише існували в ньому. Живі організми справляли і
справляють такий істотний вплив на умови свого існування, що науковці
вирізняють нині навіть окремий розділ екологічної науки — значення живих
організмів в утворенні навколишнього середовища.

Саме цей взаємовплив має назву еволюція — незворотний процес історичних
змін усього живого на Землі. З численних спонтанних мутацій шляхом
природного відбору формувались і формуються нині такі комбінації ознак і
властивостей, які сприяють адаптації організмів до умов навколишнього
середовища, що постійно змінюється за рахунок як абіотичних, так і
біотичних факторів. Насамперед еволюційні процеси виявляються на рівні
популяцій рослин, тварин, мікроорганізмів, грибів тощо у вигляді
адаптивних змін їх генотипного складу, що сприяє найбільш адекватному
пристосуванню живих організмів до існування. Крім мутаційного процесу
елементарними факторами еволюції є коливання чисельності особин у
популяції та ізоляція популяції (географічна, генетична, етологічна,
фізіологічна тощо), а також, можливо, так званий мейотичний драйв —
порушення випадковості у співвідношенні частот при розщепленні
гетерозигот.

Еволюційні перетворення в популяціях спричинюються до відособлення нових
видів живих організмів або до набування певним видом властивостей, що
дають йому можливість функціонувати в нових абіотичних або біотичних
умовах.

Існування біосфери, включаючи й еволюційні перетворення, було б
неможливе без взаємопов’язаних фізичних, хімічних та біологічних
процесів перетворення і переміщення речовини й енергії у природі.
Тривалий час у науці панувала думка про замкнуті цикли кругообігу
речовини і енергії в біосфері, які й забезпечують рівновагу в
навколишньому середовищі. Лише на початку XX ст. видатний учений В.
Вернадський довів розімкненість кругообігів окремих хімічних елементів і
енергії в біосфері. Саме ці положення стали основою вчення В.
Вернадського про біогеохімічні цикли і біосферу. Згідно з цим вченням,
обмін речовини і енергії між різними компонентами біосфери зумовлюється
життєдіяльністю організмів і має циклічний характер. Рушійними силами
біогеохімічних циклів є потоки енергії Сонця і діяльність живої
речовини, які спричинюються до переміщення величезних мас хімічних
елементів, концентрування і перерозподілу акумульованої у процесі
фотосинтезу енергії. Завдяки цим процесам виникає стійка організованість
біосфери Землі, здійснюється її нормальне функціонування. Нормальні (не
порушені) біогеохімічні цикли, на думку В. Вернадського, не є
замкнутими, хоча оборотність річних циклів найважливіших біогенних
елементів у них сягає 95-98 %. Наслідком цього стало те, що та невелика
частка речовини, яка виходить з біогеохімічного циклу, за всю історію
розвитку біосфери і зумовила біогенне нагромадження кисню і азоту в
атмосфері, різних елементів і сполук у земній корі. Так, за 600 млн
років за рахунок неповної оборотності вуглецю у викопних осадках
накопичились величезні запаси речовин, які містять вуглець (вапняки,
бітуми, вугілля, нафта та ін.), вони становлять 1017 т.