Тема: Термодинамика биосферы Биосфера   (от греч. bios – жизнь, sphaira – шар)

область обитания живых организмов (живая оболочка Земли), состав, ее структура

и энергетика определяются и контролируются планетарной совокупностью живых организмов – биотой.
Термин «биосфера» впервые ввел австрийский геолог Эдуард Зюсс (1875). В. И. Вернадский развил учение о биосфере.

о существовании суперконтинента Гондваны (1861) и океана Тетис (1893).

Антарктиду, Австралию, Новую Зеландию, Аравию, Мадагаскар и Индию. Образовалась в конце

докембрия (750-530 млн. л.н.) в результате раскола суперконтинента Родинии. В эпоху каменноугольного периода (360 млн. л.н.) континент начал обратное движение на север и соединился с Лавразией в гигантский протоконтинент Пангея.

Разделение Пангеи

лет назад). Земля состояла из одной гигантской части суши и

одного гигантского океана - Мировия. Возможно, до Родинии существовали и другие суперконтиненты: Кенорленд - ~2,75 млрд лет назад, Нуна - ~1,8 млрд. После распада Родинии континенты объединились в суперконтинент Паннотия. После распада Паннотии - в суперконтинент Пангея и снова распались. Предполагается, что в будущем континенты ещё раз соберутся в суперконтинент - Пангея Ультима.

эволюции (Вернадский В. И., 1909)
Пангея (греч. «вся земля») –

единый материк в карбоне, затем расколовшийся на Лавразию и Гондвану (Вегенер А., 1915).
- 135 млн. лет назад Африка отделилась от Ю. Америки;
- 85 млн. лет назад С. Америка – от Европы;
- 40 млн. лет назад Индийский материк столкнулся с Азией и появились Тибет и Гималаи.
Теория дрейфа континентов: континенты расходятся под влиянием глубинных конвективных течений, направленных вверх и в стороны и тянущих за собой плиты, на которых плавают континенты.

мыслитель и общественный деятель. Представитель русского космизма; создатель науки биогеохимии.

и руководитель экспедиций в Гренландию. Создатель теории дрейфа материков: континенты - независимые плато,

легкие по сравнению с глубокими слоями земной коры. Из-за этого они как льдины, дрейфуют по земной коре. В ходе истории континенты изменили положение и передвигаются до сих пор. Так, африканский континент «подползает» под плато Евразии, образуя Альпы.

Почтовая марка Западного Берлина, посвящённая А. Вегенеру, 1980

– один из наиболее авторитетных в Европе и во всем

мире метеорологов, особенно среди исследователей физики атмосферы, и пионером в изучении верхних её слоев. Вегенер изучал смерчи и оптические явления атмосферы - гало, миражи. Гало́ (др.-греч. - круг, диск) – оптический феномен, светящееся кольцо вокруг источника света.
Мира́ж (фр. видимость) —оптическое явление в атмосфере: преломление потоков света на границе между резко различными по плотности и t слоями воздуха. 

совокупность теорий о рождении и эволюции Вселенной: концепции Канта-Лапласа (XVIII век) об образовании

Солнечной системы конденсацией пылевых масс, теории расширяющейся вселенной Фридмана, разлетающихся галактик Хаббла (XX век), теории относительности Энштейна и др.
Русский космизм – осознание взаимообусловленности и всеединства; необходимости соизмерять человеческую деятельность с целостностью мира.

стоящий на грани эпох Просвещения и Романтизма.

Пьер-Симо́н Лапла́с (1749-1827) – французский математик и астроном; известен работами в области небесной механики, дифференциальных уравнений, один из создателей теории вероятностей.

физической космологии. Космоло́гия – раздел астрономии, изучающий свойства и эволюцию Вселенной в

целом. Основу этой дисциплины составляют математика, физика и астрономия. Ранние формы космологии – религиозные мифы о сотворении (космогония) и уничтожении (эсхатология) существующего мира.

Вселенная со строго подогнанной средней плотностью - расширение замедляется.
3 -

Равномерно расширяющаяся по инерции Вселенная. 4 - Мир, расширяющийся со все большей скоростью. Доминирующая модель в наше время. Эдвин Па́уэлл Хаббл (1889-1953) – один из наиболее влиятельных астрономов и космологов XX в. В 1929 г. установил линейную зависимость между расстояниями до галактик и скоростью их удаления - «закон всеобщего разбегания галактик». Согласно закону Хаббла, расстояние (D) до галактик равно скорости света (c), умноженной на величину красного смещения (относительное увеличение длин волн спектральных линий в спектрах галактик, ∆λ/λ) и деленной на постоянную Хаббла (Н0): D = (c∆λ/λ)/Н0.

условная область в космосе, в которой условия на поверхности находящихся

в ней планет будут близки к земным. Такие планеты и луны благоприятны для возникновения жизни, похожей на земную. Нахождение планеты в обитаемой зоне и ее благоприятность для жизни необязательно связаны: первое описывает условия в звездной системе в целом, а второе - на поверхности небесного тела. Вероятность возникновения жизни наиболее велика в обитаемой зоне в окрестностях звезды (CHZ, circumstellar habitable zone) и в обитаемой зоне галактики (GHZ, galactic habitable zone). В англоязычной литературе обитаемую зону называют зоной Златовласки (Goldilocks Zone). Подобно сказке Goldilocks and the Three Bears (Три медведя). Златовласка пытается использовать несколько наборов из трех однородных предметов, в каждом из которых один из предметов оказывается чересчур большим (твердым, горячим и т. п.) другой - чересчур маленьким (мягким, холодным…), а третий, промежуточный между ними, оказывается «в самый раз». Аналогично, планета не должна находиться ни слишком далеко от звезды, ни слишком близко к ней, а на «правильном» удалении.

планете (микроорганизмов, растений, животных).

вещество не участвует (магматические руды, продукты их абиогенного преобразования и

т. д.). Газы, твердые частицы и водяные пары, выбрасываемые вулканами, гейзерами.

(острова и берега Тихого и Атлантического океанов). Действующие: Ключевская и

Авачинская Сопка (Камчатка, Россия), Этна и Везувий (Италия), Гекла и Эйяфьятлайокудль (юг Исландии), Сент-Хеленс - гора Святой Елены (Северная Америка), Мауна-Лоа (Гавайские острова), Мерапи (Индонезия), кратеры в Конго (Африка) и другие вулканы. В качестве показателя силы извержения вулкана, применяют «шкалу вулканических извержений» (VEI - Volcanic Explosivity Index), основанную на объёме извергнутых продуктов и высоте столба пепла. Диапазон шкалы: 0 - минимальные, 8 - максимально сильные извержения, выбрасывающие в атмосферу более 1000 км3 вулканического материала и высотой столба пепла – выше 25 км.

уголь, битумы, известняки, нефть и т. д.); химические соединения или

элементы для поддержания жизни.

на дне болот или заболоченных озер, предшественник генетического ряда углей. Состоит из

не полностью разложившихся растений (осоки, тростника, камыша, болотного разнотравья, мха), остатков деревьев (ели, ольхи, березы), продуктов полного разложения растительных остатков - гумуса, и мин. веществ - песка, глины, ила. Гос.балансом в Кировской области учтены 484 торфяных месторождения с промышленно значимыми запасами (А+В+С1), составляющими 379,4 млн.т. Наиболее крупными из разрабатываемых - Дымное и Лычное в Верхнекамском районе. Крупнейший добытчик торфа в России – ЗАО «ВяткаТорф» разрабатывает торфяные месторождения в Кировской области.

организмы играют ведущую роль (вода, почвы, илы).

влиянием космического излучения.
7. Вещество космического происхождения (космическая пыль, обломки метеоритов и

т. д.). Косми́ческая пыль образуется в космосе частицами размером от нескольких молекул до 0,2 мкм. 40 000 тонн космической пыли каждый год оседает на планете Земля.

2; 3; 4?

Генетическая информация о самовоспроизведении закодирована в молекулах ДНК.
Наследственность обладает

изменчивостью под влиянием спонтанных или индуцированных изменений генетического аппарата – мутаций. Наследственность и изменчивость создают материал для эволюции организмов.

или внутренней среды (мутагенов). Термин предложен Гуго де Фризом. Процесс возникновения

мутаций - мутагенез. Мутация в соматической клетке многоклеточных приводит к злокачественным или доброкачественным новообразованиям, в половой клетке - к изменению свойств организма-потомка. В очень редких случаях мутация приводит к появлению новых полезных признаков, положительные мутации; средство адаптации организма к окружающей среде  адаптационными.

Главный мутаген табачного дыма - бензпирен - связанный с одним из нуклеотидов молекулы ДНК.

ткани, ткани – в органы, органы – в системы органов.

Организмы организованы в популяции, популяции – в биоценозы, которые совместно с абиотическими факторами формируют биогеоценозы (экологические системы).
Выделяют шесть основных уровней организации живой материи: молекулярный; клеточный; организменный; популяционный; экосистемный; биосферный.

локомоции. Одноклеточные организмы двигаются с помощью жгутиков, ресничек, псевдоподий и

др. Клетки многоклеточных организмов также способны к движению (лейкоциты, фагоциты).

с сохранением общих черт строения.

энергию и вещества из окружающей среды и отдает в нее

те вещества и энергию, которые не может использовать.
Обеспечивается постоянство внутренней среды организмов и их связь с окружающей средой, что является условием для поддержания жизни организмов.

основе изменения поведения и приспособления к меняющимся условиям среды. Сопровождается

изменениями в ОВ, состояния клеток, нервную деятельность (в том числе рефлексы) и сознание (у человека).

из относительно независимых взаимодействующих элементов. В результате система приобретает новые свойства,

которых нет у ее элементов. Эмерджентность экосистем – свойства системы как целого не являются просто суммой свойств слагающих ее частей или элементов.
Пример: автомобиль. Его агрегаты (двигатель, шасси, подвеска, рулевое управление) не могут двигаться по дороге самостоятельно. Объединив их, мы получаем автомобиль со свойством – способен двигаться по дороге.

системы возникает в ответ на изменение каких-либо факторов.
Адаптация – свойство

биологических систем любого уровня. Одноклеточные поддерживают постоянство цитоплазмы. Гомойотермные организмы сохраняют t тела.
Сезонные циклы – пример самоорганизации экосистем: летом растения активного развиваются, зимой – в состоянии покоя.

преобразуют энергию Солнца в химическую энергию ковалентных связей орг. соединений.

В конечном счете, энергия рассеивается в процессе деятельности организмов (дыхание, движение, нагрев тела и т.п.), либо «консервируется» в биогенных осадочных породах. Необходимость во внешнем источнике энергии следует из законов термодинамики:
сохранения энергии – энергия может превращаться из одной формы в другую, но не может быть создана или уничтожена;
потери энергии – при совершении работы энергия не может быть использована на 100%, т. к. часть ее неизбежно превращается в тепло – результат случайного движения молекул, а работа – неслучайное (упорядоченное) использование энергии.

необходимые для существования вещества из окружающей среды, а после использования

возвращает их обратно в среду обитания. Этот круговорот действует и на уровне крупных структур – экосистем и биосферы.
Основным источником энергии для биосферы является излучение Солнца, а литосфера, гидросфера и атмосфера служат источником веществ, необходимых биоте, и резервуарами, в которые возвращаются продукты жизнедеятельности и остатки организмов.

заново. Для этого в них создается и поддерживается химическое и физическое

неравновесие, на котором основана работоспособность живой системы, направленная на поддержание высокой упорядоченности своей структуры.
Живая система, благодаря свойству открытости, достигает стационарности – постоянства своего неравновесного состояния.

распаду. Энтропия этих процессов положительна (возникает неупорядоченность).
Для компенсации распада (неупорядоченности)

совершается внутренняя работа в форме процессов синтеза элементов взамен распавшихся. Эта внутренняя работа – процесс с отрицательной энтропией (негэнтропия), а процессы – негэнтропийные.
Негэйнтропийный процесс противодействует увеличению энтропии системы, связанной с распадом, и создает упорядоченность.

к распаду, к равновесному состоянию с минимальной свободной энергией и

максимальной энтропией (левая часть схемы) и означают смерть живой материи, превращение в неживую.

Живая материя остается неравновесной, структурированной, высоко упорядоченной. В ней имеется свободная, готовая совершить работу энергия, а энтропия минимальна. Такое состояние поддерживается за счет притока внешней энергии и ее трансформации в энергию химических связей макромолекул. Концентрация вещества и поля, то есть повышение внутренней свободной энергии материи происходит в процессе разнообразных биосинтезов (образования сложных веществ из простых), сопряженных с поглощением внешней энергии (правая часть схемы на рисунке).

пищей – энергия в виде химических связей и низкая энтропия

поглощаемых высокоструктурированных орг. веществ.
Поглощаемые пищевые вещества обладают большей упорядоченностью (меньшей энтропией), чем выделяемые продукты обмена. Организмы гетеротрофы переносят упорядоченность (негэнтропию) из питательных веществ в самих себя.

из неорганических соединений с участием солнечного излучения, представляющего электромагнитное излучение

с низкой энтропией.

и углекислым газом с окружающей средой в процессе фотосинтеза и

дыхания. Растения сыграли решающую роль в формировании состава современной атмосферы. Появление органов фотосинтеза у водорослей обусловило увеличение содержания кислорода в атмосфере, появление животных.
Концентрационная: живые организмы, пропуская через своё тело большие объёмы воздуха и природных растворов, осуществляют биогенную миграцию и концентрирование химических элементов. Например, строительство раковин и скелетов, образование коралловых островов, известняков, месторождений серы, биосинтез органики.

и островов. Расположен в Коралловом море, вдоль северо-восточного побережья Австралии.

Большой Барьерный риф - самая большая в мире экосистема, колония коралловых полипов. Его даже хорошо видно из космоса.

функции защиты и опоры. Секретирует раковину мантийный эпителий нарастающего края.

Ниже мантийного эпителия благоприятная среда для биоминерализации Ca2+ и HCO3-  и образования углекислого кальция (CaCO3) – минерального составляющего раковины.  

в океанах и морях тропического пояса, большинство в Тихом океане. Атолл – это

тоже коралловый остров, но в виде сплошного или разорванного кольца.

из кристаллов кальцита различного размера (карбонат кальция; CaCO3). Ракушечник –

известняк из раковин морских животных и их обломков. Различают нуммулитовые (одноклеточные отряда фораминифер), мшанковые (колониальные первичноротые) и мраморовидные известняки – массивнослоистые и тонкослоистые. При метаморфизме происходит перекристаллизация известняка и образуется мрамор.

Рис. Известняк с останками беспозвоночных

и не окисляются. В живых клетках благодаря ферментам окислительно-восстановительные реакции

протекают в миллионы раз быстрее, чем в неживой среде.
Например, молекула азота N2 очень устойчива, поэтому соединение азота с другими элементами требует больших затрат энергии. Наиболее эффективная фиксация азота в природе осуществляется клубеньковыми бактериями бобовых растений.

меняют форму
Клубеньковые бактерии внутри клубенька

информация, связанная с ОВ и энергии.  С появлением первых живых

существ появилась активная («живая») информация, отличающаяся от «мертвой» информации, которая есть простое отражение структуры. Организмы способны к получению информации путем соединения потока энергии с активной молекулярной структурой, играющей роль программы. Способность воспринимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию совершила опережающую эволюцию в природе и стала важнейшим экологическим системообразующим фактором. Великую формулу ДНК->РНК->белок Фрэнсис Крик назвал центральной догмой молекулярной биологии. 

постоянном уровне важные параметры окружающей среды.
Энергетическая: выполняется зелёными растениями, в

основе процесс фотосинтеза. Растения аккумулируют солнечную энергию и перераспределяют её между остальными компонентами биосферы.
Средообразующая: все перечисленные функции живого вещества биосферы в совокупности.

биологический закон) – между живыми организмами и окружающей их средой существуют

тесные взаимоотношения, взаимозависимости и взаимовлияния, обуславливающие их единство.
В экосистеме органические вещества синтезируются автотрофами из неорганических веществ. Затем они потребляются гетеротрофами.
Выделенные в процессе жизнедеятельности или после гибели организмов (автотрофов, гетеротрофов) орг. вещества подвергаются минерализации – превращению в неорганические вещества, кот. могут быть вновь использованы автотрофами для синтеза органических веществ. Так происходит биологический круговорот веществ.

из одной формы в другую. Так, на первом трофическом уровне зелеными

растениями солнечная энергия в процессе фотосинтеза преобразуется в энергию химических связей орг. веществ – валовая первичная продукция. 
По II закону термодинамики, любые превращения энергии сопровождаются переходом части ее в такое состояние, когда она уже не может быть использована для работы. 
Так, большая часть поглощенной растениями, но не усвоенной энергии, рассеивается в окружающую среду в виде тепловой энергии. Часть образованных орг. веществ окисляется, а высвобождающаяся энергия расходуется на поддержание всех метаболических процессов – траты на дыхание. Эта энергия, в конечном счете, также рассеивается в виде тепла.
Оставшаяся часть новообразованных орг. веществ составляет прирост биомассы растений и называется чистой первичной продукцией. В нее превращается только 1% поглощенной растением энергии.

Некоторая ее часть не используется консументами первого порядка. Она может

накапливаться или экспортироваться за пределы системы.
Та часть, которую ассимилировали (потребили) консументы, частично тратится на дыхание, частично выделяется с экскрементами, а остальное накапливается в виде вторичной продукции.

трофико-динамическое направление исследований в экологии.
Правило десяти процентов 
(Р. Линдеман, 1942) –

на каждый следующий трофический уровень переходит примерно 10% вещества и энергии предыдущего уровня.
Вторичная продукция на каждом последующем трофическом уровне консументов составляет около 10% предыдущей (на уровне хищников может быть выше – до 20%). Поэтому число трофических уровней никогда не бывает слишком большим.

каждом трофическом уровне определенное количество энергии теряется, и на следующий

уровень переходит 10-20% энергии. Значительная часть энергии расходуется в виде тепла, поэтому число звеньев цепи ограничено.

экологических пирамид.
1. Пирамида чисел (пирамида Элтона) отражает уменьшение численности организмов от продуцентов

к консументам.
2. Пирамида биомасс показывает изменение биомасс на каждом следующем трофическом уровне: для наземных экосистем пирамида биомасс сужается кверху, для экосистемы океана – имеет перевернутый характер (сужается книзу), что связано с быстрым потреблением фитопланктона консументами.
3. Пирамида энергии (продукции) универсальна и отражает уменьшение количества энергии, содержащейся в продукции, создаваемой на каждом следующем трофическом уровне.

(продуктивностью). Выделяют:
Первичная продукция – биомасса, созданная за единицу времени продуцентами. Делится на валовую

и чистую.
Валовая первичная продукция (общая ассимиляция) – это общая биомасса, созданная растениями в ходе фотосинтеза. Часть ее расходуется на поддержание жизнедеятельности растений – траты на дыхание (40-70 %). Оставшаяся часть – чистая первичная продукция (чистая ассимиляция), используется консументами и редуцентами, или накапливается в экосистеме.

следующего трофического уровня.
Биомасса – масса организмов определенной группы (продуцентов, консументов,

редуцентов) или сообщества в целом. Самой высокой биомассой и продуктивностью обладают тропические дождевые леса, самой низкой – пустыни и тундры.

1 – ареал вида; 2 – географическая популяция; 3 –

экологическая (местная) популяция; 4 – микропопуляция (элементарная популяция).

воздействие
Социальная система: переэксплуатация биологических ресурсов; нарушение естественных трофических связей; повышение

доли вещества не возвращаемого в кругооборот – невозобновимость ресурсов. Антропогенное воздействие

Кризисная ситуация: человечество как социальная система функционирует намного шире, чем как биологическая, что ведет к ухудшению качества среды.
Биологический императив (принцип, Т. Сутт, 1988): выживание человека возможно лишь при сохранении жизни на Земле.
Решение проблемы: формирование искусственных экосистем: 1) Изучение устойчивости биосистем к антропогенным факторам. 2) Сознательное управление экологическими системами с целью повышения продуктивности.

сформулированных в виде афоризмов в книге «Замыкающийся круг», 1974:

1)

Все связано со всем;
2) Все должно куда-то деваться (энергия не исчезает, а куда-то переходит) загрязнители, попадающие в реки, в конечном счете оказываются в моря и океанах и с их продуктами возвращаются к человеку;
3) Природа знает лучше. Любое действие человека не остается бесследным. (Мы должны приспосабливаться к природе);
4) Ничто не дается даром (человек пытается выкачать из природы все).

президенты США в 1980 г. от гражданской партии, набравший 0,27%

голосов.

Афоризмы Б. Коммонера в книге «Замыкающийся круг», 1974:
1. Все связано со всем;
2. Все должно куда-то деваться;
3. Природа знает лучше;
4. Ничто не дается даром.

работами по квантовой физике, философии и нейропсихологии. В начале 1970-х разработал голографическую модель В теории Бома

«голодвижение» (holomovement) каждый пространственно-временной участок мира содержит весь порядок вселенной, включая прошлое, настоящее и будущее. Как в голограмме, где каждый сегмент содержит информацию о целом объекте, каждый участок воспринимаемого нами мира содержит в себе полную информацию о структуре вселенной или целого мира. В этой холистской концепции все, включая мысли и поступки, произрастает из единой основы, приводя к тому, что любое изменение в одной части мира немедленно сопровождается или отражается в изменениях во всех остальных частях. Эта теория Бома использована американским нейропсихологом Карлом Прибрамом, который рассматрил мозг как голографическую структуру.

похоронен на кладбище Пулковской обсерватории. Маргинальная наука - научное направление в установившейся научной

области, которое значительно отклоняется от ортодоксальных теорий, считается «пограничной» частью академической дисциплины. Причинная механика (теория времени) - гипотеза о физических свойствах времени и объективном отличии причин от следствий, предложена Козыревым в 1958 г. Время, по Козыреву, кроме пассивного свойства длительности активно влияет на события мира. Эти свойства проявляются в причинно-следственных связях и выражаются в противодействии обычному ходу процессов, ведущему к увеличению энтропии. В 1970 г. награждён золотой медалью Международной академии астронавтики. Предположение Н. Козырева о возможности создания двигателя, использующего для своей работы энергию хода времени, использовано братьями Стругацкими в создании рассказа  «Забытый эксперимент» (1959). В рассказе впервые появилось понятие «кибер», широко применяемое Стругацкими к жизни Мира Полудня, а также зоны поражения, развитое в повести «Пикник на обочине».