Биосфера. Границы биосферы

1. Биосфера

2.

• Биосфера - это совокупность частей земных оболочек
(лито, гидро и атмосфер), которая заселена живыми
организмами, находится под их воздействием и занята
продуктами их жизнедеятельности.
• Биосфера - или сфера жизни Земли, не занимает
обособленного положения, а располагается в пределах
других оболочек, охватывая гидросферу, тропосферу и
верхнюю часть земной коры - ее приповерхностный и
почвенный слои. Живые организмы встречаются и ниже
почвенного слоя - в глубоких трещинах, пещерах,
подземных водах и даже в нефтеносных слоях на глубине
в сотни и тысячи метров.
• В состав живых организмов входят не менее 60
химических элементов, главные из которых (биогенные
элементы) - это C, O, H, N, S, P, K, Fe, Ca и некоторые
другие.

3. Границы биосферы

В 1926 г. В. И. Вернадский впервые поставил вопрос о границах биосферы; он
вернулся к нему в специальной статье "О пределах биосферы" в 1937 г.
Однако вопрос, как тогда, так и сейчас, не имеет однозначного ответа.
Какие же физико-химические условия наиболее благоприятны для
существования жизни?
• Достаточное количество углекислого газа и кислорода.
• Достаточное количество воды (причем обязательно - в жидком
состоянии).
• Температурный режим, исключающий как слишком высокие
температуры (вызывающие свертывание белков), так и слишком низкие
(прекращающие работу ферментов).
• Наличие "прожиточного минимума" элементов минерального питания.
• Определенная соленость водной среды.

4.

Жизнь появилась локально в
водоемах, а затем
распространилась все шире и шире,
заняв все материки.
Крайние пределы температур,
которые выносят некоторые формы
жизни, - от практически
абсолютного нуля до +180°С.
Давление, при котором существует
жизнь, - от долей атмосферы на
большой высоте до тысячи и более
атмосфер на больших глубинах.

5.

Совокупная биомасса Земли составляет примерно 2,4 ∙ 1012 т (около 0,01%
массы всей биосферы). 97 % из этого количества занимают растения, 3 %
– животные. В настоящее время на Земле известно несколько миллионов
видов живых организмов.
Биосфера, ее биохимическая деятельность обеспечивает планетарное
равновесие на Земле - равновесное состояние газов, состава природных
вод, круговорот вещества.
Образование живого вещества и аккумуляция им энергии сопровождается
одновременным протеканием диаметрально противоположных процессов
– фотосинтез - процесс превращения углекислого газа и воды в
углеводы и кислород под действием энергии солнечного света.
– распад органических соединений и превращение их в простые
минеральные соединения - СО2, воду, аммиак (NH4) с освобождением
энергии; в этом и состоит сущность биологического круговорота
вещества.

6. Черные курильщики

• Живые организмы
приспосабливаются к
жизни при экстремальных
условиях.
• Споры некоторых низших
растений выдерживают
температуры до -100 - 200°С.
• Бактерии встречаются в
горячих источниках при
Т=100°С и даже в
океанских гидротермах
при Т=200-250°С.

7.

Возраст 4,6 млрд. лет.
Появление жизни - 3,5-4 млрд. лет
назад.
Внутри, как предполагается, состоит из
внутреннего ядра (железо, никель,
диаметр около 2600 км),
внешнего ядра (расплавленные железо
и никель, толщина около 2250 км) и
мантии из твердых пород (толщина
около 2900 км), отделенной от земной
коры поверхностью Мохоровичича.
Поверхность Мохоровичича - граница
раздела между земной корой и
мантией Земли; выявлена в 1909
югославским сейсмологом А.
Мохоровичичем (1857-1936).
Скорость продольных сейсмических
волн при переходе через поверхность
Мохоровичича возрастает скачком с
6,7-7,6 до 7,9-8,2 км/с, а плотность с
2,9-3,0 до 3,1-3,5 т/м3.
Кора и верхний слой мантии состоят из
12 основных постоянно движущихся
плит, некоторые из которых несут
континенты.

8. Гидросфера

В общем виде принято деление гидросферы на
• Мировой океан,
• континентальные воды и
• подземные воды.
Большая часть воды сосредоточена в океане, значительно
меньше — в континентальной речной сети и подземных
водах.
Также большие запасы воды имеются в атмосфере, в виде
облаков и водяного пара. Свыше 96 % объёма гидросферы
составляют моря и океаны, около 2 % — подземные воды,
около 2 % — льды и снега, около 0,02 % — поверхностные
воды суши.
Часть воды находится в твёрдом состоянии в виде
ледников, снежного покрова и в вечной мерзлоте,
представляя собой криосферу.

9.

10.

11.

ЭКОЛОГИЯ - наука о взаимоотношениях между живыми организмами и
средой их обитания.
Основополагающим объектом изучения экологии является взаимодействие
пяти уровней организации материи:
* живые организмы, * популяции, * сообщества, * экосистемы,*экосфера.
Живой организм – это любая форма жизнедеятельности.
Популяция – это группа организмов одного вида, проживающих в
определенном районе (местообитании).
Популяция минимальная самовоспроизводящаяся группа особей одного вида,
достаточно долго (в течение многих поколений) населяющая определенную
территорию (ареал), постоянно изолированная, свободно скрещивающаяся и в
определенной степени изолированная от других популяций того же вида той
или иной формой изоляции.
Примерами популяций являются все окуни в пруду, белки в лесах Московской
области, население в отдельной стране или население Земли в целом.
Вид – это совокупность популяций особей, представители которых фактически
или потенциально скрещиваются друг с другом в естественных условиях.

12.

Биоценоз (сообщество) – совокупность популяций и особей, длительное
время обитающих на одной и той же территории и характеризующиеся
тесными, устойчивыми взаимосвязями друг с другом, в которых происходит
передача веществ и энергии.
Большинство естественных биоценозов формируются в процессе
эволюционного развития.
Каждая популяция, входящая в биоценоз, выполняет в нем определенную
функцию. Эта функция называется экологической нишей данного вида.
В состав любого биоценоза входят фитоценоз (совокупность растений),
зооценоз (совокупность животных), микоценоз (совокупность грибов), ми
кробоценоз (совокупность бактерий).
Группировки совместно обитающих и взаимно связанных организмов
называют биоценозами (от латинского bios - жизнь, cenos - общий).

13.

Экосистема – это совокупность сообществ, взаимодействующих с химическими и физическими факторами, создающими
неживую окружающую среду. Другими словами, экосистема это система, образуемая биотическим сообществом и
абиотической средой.
Экосистема - понятие очень широкое и применимо как к
естественным (тундра, океан), так и к искусственным
комплексам (аквариум).
Поэтому для обозначения элементарной природной экосистемы
экологи также используют термин "биогеоценоз".
Биогеоценоз - это составная часть природного ландшафта и
элементарная биотерриториальная единица биосферы.
Все экосистемы Земли составляют экосферу.
Экосфера – совокупность живых и неживых организмов
(биосфера), взаимодействующих друг с другом и со своей
неживой средой обитания (энергией и химическими
веществами) в планетарном масштабе.

14. Абиотические компоненты экосистем

АБИОТИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ ЭКОСИСТЕМ
• Экосистема состоит из различных живых и неживых
компонентов. Неживые, или абиотические, компоненты
экосистемы включают различные физические и химические
факторы. К важным физическим факторам относятся:
солнечный свет; тень; испарение; ветер; температура; водные
течения.
• Главными химическими факторами являются питательные
элементы и их соединения в атмосфере, гидросфере и земной
коре, необходимые в больших или малых количествах для
существования, роста и размножения организмов:
– наиболее важные для жизни химические элементы, необходимые
в больших количествах, называются макроэлементами (С, О, Н, N,
P, S, Ca, Mg, K, Na).
– элементы, необходимые для жизни в малых или следовых
количествах – микроэлементы (Fe, Cu, Zn, Cl).

15. Изменения в составе атмосферы Земли

16. Биотические компоненты экосистем

БИОТИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ ЭКОСИСТЕМ

17.

Основные типы организмов, которые формируют живые, или биотические, компоненты экосистемы,
принято подразделять по преобладающему способу питания на продуцентов, консументов и редуцентов.
Продуценты - это организмы, производящие органические соединения из неорганических. Продуценты (в
большинстве своем зеленые растения) создают органические вещества в процессе фотосинтеза или
хемосинтеза. Эти органические вещества используются продуцентами как источник энергии и как
строительный материал для клеток и тканей организма.
Фотосинтез может быть представлен следующим образом:
Хемосинтез – преобразование неорганических соединений в питательные органические вещества в
отсутствие солнечного света, за счет энергии химических реакций.
Хемосинтез — способ автотрофного питания, при котором источником энергии для синтеза органических
веществ из CO2 служат реакции окисления неорганических соединений. Подобный вариант получения
энергии используется только бактериями или археями. Явление хемосинтеза было открыто в 1887 году
русским учёным С. Н. Виноградским.
Консументы – организмы, получающие питательные вещества и необходимую энергию, питаясь живыми
организмами - продуцентами или другими консументами.
Редуценты – организмы, получающие питательные вещества и необходимую энергию питаясь останками
мертвых организмов (животных, растений).
Только продуценты способны сами производить для себя пищу. Более того, они непосредственно или
косвенно обеспечивают питательными элементами консументов и редуцентов.

18.

Только продуценты способны сами производить для себя пищу. Более того, они
непосредственно или косвенно обеспечивают питательными элементами
консументов и редуцентов.
По типу питания все продуценты являются автотрофами - сами производят
органические вещества из неорганических. Консументы и редуценты по типу
питания являются гетеротрофами - питаются органическим веществом,
произведенным другими живыми организмами.
В зависимости от источников питания консументы подразделяются на три
основных класса:
- фитофаги (растительноядные) – это консументы 1-го порядка, питающиеся
исключительно живыми растениями. Например, птицы едят семена, почки и
листву.
- хищники (плотоядные) – консументы 2-го порядка, которые питаются
исключительно растительноядными животными (фитофагами), а также
консументы 3-го порядка, питающиеся только плотоядными животными.
- эврифаги (всеядные), которые могут поедать как растительную, так и животную
пищу. Примерами являются свиньи, крысы, лисы, тараканы, а также человек.
Существует два основных класса редуцентов:
1. Детритофаги – напрямую потребляют мертвые организмы или органические
остатки. (пример: шакалы, грифы, дождевые черви).
2. Деструкторы – разлагают мертвую органическую материю на простые
неорганические соединения (процесс гниения и разложения). Примером могут
служить грибы и микроскопические одноклеточные бактерии.

19. Пример пищево

Пример пищевой сети.

20. Потоки энергии в экосистемах 

ПОТОКИ ЭНЕРГИИ В ЭКОСИСТЕМАХ
• Химическая энергия, накопленная в глюкозе и других
углеводородах,
используется
продуцентами,
консументами и редуцентами для поддержания
жизнедеятельности,
что
является
частью
одностороннего движения энергии через организмы в
экосистеме.
• Преобразование органических соединений в энергию
происходит за счет клеточного дыхания в митохондриях
клетки.
Получение
органических
соединений
происходит в основном за счет фотосинтеза:

21.

22. Пищевые цепи и пищевая сеть

ПИЩЕВЫЕ ЦЕПИ И ПИЩЕВАЯ СЕТЬ
• В функционирующей природной экосистеме не
существует отходов. Все организмы, живые или
мертвые, потенциально являются пищей для других
организмов: гусеница ест листву, дрозд питается
гусеницами, ястреб способен съесть дрозда. Когда
растения, гусеница, дрозд и ястреб погибают, они в
свою очередь перерабатываются редуцентами.
• Пищевая цепь – последовательность организмов, в
которой каждый из них съедает или разлагает
другой. Пищевые цепи – это также движение
питательных веществ от продуцентов, консументов
(травоядных, плотоядных и всеядных) к редуцентам
и обратно к продуцентам.

23.

Все организмы, пользующиеся одним типом пищи, принадлежат к
одному трофическому уровню (от греческого слова trophos –
«питающиеся»).

24.

• Организмы природных экосистем вовлечены в сложную
сеть многих связанных между собой пищевых цепей.
Такая сеть называется пищевой сетью.

25.

Движение энергии в экосистемах происходит посредством двух
связанных типов пищевых сетей: пастбищной и детритной.
В пастбищной пищевой сети
живые
растения
поедаются
фитофагами, а сами фитофаги
являются пищей для хищников и
паразитов.
В детритной пищевой сети
отходы
жизнедеятельности
и
мертвые
организмы
разлагаются
детритофагами и деструкторами до
простых неорганических соединений,
которые
вновь
используются
растениями.

26. Поток энергии через пастбищную пищевую цепь

Все цифры даны в кДж/м кв.·год.

27. Пирамиды энергетических потоков

ПИРАМИДЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
ПОТОКОВ
С каждым переходом из одного трофического уровня в другой
в пределах пищевой цепи или сети совершается работа и в
окружающую среду выделяется тепловая энергия, а количество
энергии высокого качества, используемой организмами
следующего трофического уровня, снижается.
Правило 10%: при переходе с одного трофического уровня на
другой 90% энергии теряется, и 10% передается на следующий
уровень.
Чем длиннее пищевая цепь, тем больше теряется полезной
энергии. Поэтому длина пищевой цепи обычно не превышает 4
- 5 звеньев.

28. Пирамиды численностей и биомасс

Мы можем собрать все образцы организмов в
экосистеме и подсчитать численность всех видов,
обнаруженных на каждом трофическом уровне.
Такая информация необходима для создания
пирамиды численностей для экосистем.
Рис. Обобщенные пирамиды численностей в экосистемах.

29. Упрощенный вариант экологической пирамиды

30.

Сухой вес всех органических веществ, содержащихся в организмах
экосистемы, называется биомассой.
Каждый трофический уровень пищевой цепи или сети содержит
определенное количество биомассы. Ее можно вычислить, если
собрать все живые организмы с различных произвольно выбранных
участков. Собранные экземпляры необходимо рассортировать по
трофическим уровням, высушить и взвесить. Полученные данные в
дальнейшем используются для построения пирамиды биомасс для
определенной экосистемы.
Рис. Обобщенные пирамиды биомасс в экосистемах. Размер каждого слоя
пропорционален сухой массе на квадратный метр всех организмов на данном трофическом
уровне.

31. КРУГОВОРОТЫ ВЕЩЕСТВ В ЭКОСИСТЕМАХ

32. I. Круговорот углерода

Рис. Упрощенная диаграмма части углеродного цикла, показывающая круговорот
вещества и однонаправленный поток энергии в процессах фотосинтеза и аэробного
дыхания.

33.

34.

Углерод является основным «строительным материалом»
молекул углеводов, жиров, белков, нуклеиновых кислот (таких
как ДНК и РНК) и других важных для жизни органических
соединений.
Вмешательство человека в круговорот углерода резко
возрастает, особенно начиная с 1950-х годов, из-за быстрого
роста населения и использования ресурсов, и происходит оно в
основном двумя способами:
- сведение лесов и другой растительности без достаточных
лесовосстановительных работ, в связи с чем уменьшается
общее количество растительности, способной поглощать СО2.
- сжигание углеродосодержащих ископаемых видов топлива и
древесины. Образующийся при этом углекислый газ попадает в
атмосферу.

35. II. Круговорот азота

Рис. Упрощенная диаграмма круговорота азота.

36.

37.

Вмешательство человека в круговорот азота состоит в
следующем:
Сжигание древесины или ископаемого топлива (NO).
Оксид азота затем соединяется в атмосфере с кислородом
и образует диоксид азота (NO2), который при
взаимодействии с водяным паром может образовывать
азотную кислоту (HNO3).
Производство
применение.
азотных
удобрений
и
их
широкое
Увеличение количества нитрат-ионов и ионов аммония в
водных экосистемах при попадании в них загрязненных
стоков с животноводческих ферм, смытых с полей азотных
удобрений, а также очищенных и неочищенных
коммунально-бытовых канализационных стоков.

38. III. Круговорот фосфора

• Рис. Упрощенная диаграмма круговорота фосфора.

39.

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
разработка недр
разработка недр
сток и эрозия
выщелачивание
выщелачивание и эрозия
речной сток
разложение
отходы и разложение
птицы, питающиеся рыбой.
Вмешательство человека в круговорот фосфора сводится в основном к двум
вариантам:
добыча больших количеств фосфатных руд для производств минеральных
удобрений и моющих средств,
увеличение избытка фосфат-ионов в водных экосистемах при попадании в них
загрязненных стоков с животноводческих ферм, смытых с полей фосфатных
удобрений, а также очищенных и неочищенных коммунально-бытовых стоков.

40. IV. Круговорот серы

Рис. Упрощенная диаграмма круговорота серы.

41.

Около трети всех соединений серы и 99%
диоксида серы, попадающих в атмосферу,
имеют антропогенное происхождение.
• Сжигание серосодержащих углей и нефти для
производства электроэнергии дает примерно
две трети всех антропогенных выбросов
диоксида серы в атмосферу.
• Оставшаяся треть выделяется во время таких
технологических процессов, как переработка
нефти, выплавка металлов из серосодержащих
медных, свинцовых и цинковых руд.

42. V. Круговорот воды

Круговорот воды или гидрологический цикл, в процессе которого происходит
накопление, очистка и перераспределение планетарного запаса воды.
Человек вмешивается в круговорот воды двумя способами:
1.
Забор больших количеств пресной воды из рек, озер и водоносных
горизонтов. В густозаселенных или интенсивно орошаемых районах
водозабор привел к истощению запасов грунтовых вод или к вторжению
соленой океанической воды в подземные водоносные горизонты.
2.
Сведение растительного покрова суши в интересах развития сельского
хозяйства, при добыче полезных ископаемых, строительстве дорог,
автостоянок, жилья и других видах деятельности. Это приводит к
уменьшению просачивания поверхностных вод под землю, что сокращает
пополнение запасов грунтовых вод, увеличивает риск наводнений и
повышает интенсивность поверхностного стока, тем самым, усиливая эрозию
почв.

43.

44.

45. Роли и взаимодействия видов  в экосистемах

Роли и взаимодействия видов
в экосистемах

46.

• Экологическая ниша – это комплекс всех физических, химических и
биологических факторов среды, которые необходимы тому или иному
биологическому виду для жизни, роста и размножения в данной
экосистеме. Понятие ниши включает в себя и роль организма в
экосистеме.
• Известная аналогия утверждает, что местообитания организма – это
его «адрес» в экосистеме, тогда как его экологическая ниша – его «род
занятий» и «стиль жизни». Например, местообитание
дрозда
включает в себя леса, парки, луга, сады, огороды и дворы. Его же
экологическая ниша включает такие факторы, как гнездование и
высиживание птенцов на деревьях, питание насекомыми, земляными
червями и плодами, перенос плодово-ягодных семян со своими
экскрементами.
• Каждый биологический вид играет определенную роль в своей
экосистеме. Экологи доказали, что некоторые виды, называемые
ключевыми видами, кардинально влияют на многие другие
организмы в экосистеме. Исчезновение ключевого вида из
экосистемы может спровоцировать целый каскад резких падений
численности популяции и даже вымирание тех видов, которые
зависели от него в той или иной форме.

47. Специализированные и общие ниши

Экологические ниши всех организмов можно разделить на
специализированные и общие – в зависимости от их основных
источников
питания,
размеров
местообитания
и
чувствительности к температуре и другим физико-химическим
факторам среды.
Специализированные ниши: большинство видов растений и
животных.
Общие ниши: мухи, тараканы, мыши, крысы и люди.
Чем более узко специализирована экологическая ниша, тем
уязвимее вид.
Два вида не могут продолжительное время занимать одну
экологическую нишу.

48. Взаимодействие видов

Межвидовая конкуренция
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
ВИДОВ
Пока
экосистема
обладает
достаточным
количеством ресурсов общего пользования, разные
виды потребляют их сообща. Однако если два или
более видов в одной экосистеме начнут потреблять
один и тот же дефицитный ресурс, они окажутся в
отношениях межвидовой конкуренции.
К основным способам
взаимодействия видов
относятся
•межвидовая
конкуренция,
• хищничество,
•паразитизм,
•мутуализм и
•комменсализм.
Вид получает преимущество в межвидовой
конкуренции, если для него характерны:
более интенсивное размножение;
адаптация к более широкому диапазону
температуры, освещенности, солености воды или
концентрации определенных вредных веществ;
лишение конкурента доступа к ресурсу.
Способы снижения межвидовой конкуренции:
переселение в другой район;
переход на более труднодоступную или трудно
усваиваемую пищу;
смена времени и места добычи корма.

49. Хищничество

Наиболее характерной формой взаимодействия видов в пищевых цепях и
сетях является хищничество, при котором отдельная особь одного вида
(хищник) питается организмами (или частями организмов) другого вида
(жертвы), причем хищник живет отдельно от жертвы. Эти два вида
организмов вовлечены в отношения типа хищник – жертва.
Виды-жерты пользуются целым рядом защитных механизмов, чтобы не
стать легкой добычей для хищников:
умение быстро бегать или летать;
обладание толстой кожей или панцирем;
обладание защитной окраской или способом изменять цвет;
умение выделять химические вещества с запахом или вкусом, отпугивающим
хищника или даже отравляющим его.
У хищников тоже есть несколько способов добычи жертвы:
умение быстро бегать (например, гепард);
охота стаями (например, пятнистые гиены, львы, волки);
отлов в качестве жертв, преимущественно больных, раненых и прочих
неполноценных особей;
четвертый путь обеспечения себя животной пищей – это путь, по которому
пошел человек разумный, путь изобретения орудий охоты и ловушек, а также
одомашнивания животных.

50.

Еще один тип взаимодействия видов – паразитизм.
Паразиты питаются за счет другого организма, называемого хозяином,
однако в отличие от хищников они живут на хозяине или внутри его
организма на протяжении значительной части их жизненного цикла. Паразит
использует для своей жизнедеятельности питательные вещества хозяина, тем
самым постепенно ослабляя и нередко даже убивая его.
Например, ленточные черви, болезнетворные бактерии и другие паразиты
живут внутри своих хозяев. Вши, клещи и такие растения-паразиты, как омела
белая, прикрепляются к своим хозяевам снаружи.
Мутуализм
Нередко случается, что два различных вида организмов непосредственно
взаимодействуют таким образом, что приносят друг другу взаимную пользу.
Такие
взаимовыгодные
межвидовые
взаимодействия
называются
мутуализмом. Например, цветы и насекомые-опылители.
Комменсализм
Комменсализм характеризуется тем, что один из двух видов извлекает из
межвидового взаимодействия пользу, тогда как на другом это практически
никак не отражается (ни положительно, ни отрицательно). Например, рачки в
челюстях кита.