Биосфера биология определение: Урок 16. состав и функции биосферы - Биология - 11 класс - Управленческое образование

Содержание

Биосфера

Биосфера (греч. bios — жизнь и sphaira — шар) — это оболочка Земли, заселенная живыми организмами и преобразованная ими. Она включает почти всю гидросферу, нижнюю часть атмосферы и верхнюю часть земной коры. Границы биосферы определяются наличием условий, необходимых для жизни различных организмов.

Верхняя граница биосферы простирается от поверхности Земли до озонового экрана. Выше этой границы организмы жить не могут, так как там на них будут губительно действовать ультрафиолетовые лучи Солнца и низкая температура. Нижняя граница проходит по дну гидросферы и на глубине 4-5 км в земной коре материков (это зависит от того, на какой глубине температура горных пород достигает +100°С). Наиболее обильна жизнью часть биосферы у земной поверхности и до глубины 200 м в гидросфере.

Однако жизнь не ограничена исключительно пределами биосферы. Микробы, споры и пыльца растений, органические молекулы обнаружены высоко в стратосфере. Не исключено, что они могут покидать Землю и уноситься в космическое пространство.

Но это не означает расширения биосферы, так как за ее пределами могут существовать только неактивные формы жизни, находящиеся в состоянии скрытой жизнедеятельности.

Биосфера — сравнительно молодая оболочка Земли. Ее образование связано с появлением жизни на нашей планете. Вопрос о происхождении жизни издавна интересовал человека. Выдвигались разные предположения. В настоящее время ученые считают, что жизнь зародилась в воде, так как на суше в то время были сильные перепады температур, активная вулканическая деятельность, землетрясения. Первые существа, появившиеся в воде, были несравненно проще даже самых примитивных из ныне живущих. Проходили миллионы лет, и живые организмы становились все сложнее и разнообразнее. Примерно 500 млн. лет назад организмы начали приспосабливаться к жизни на суше. Различные растения (еще очень примитивные) и животные (простейшие) постепенно заселяли и осваивали разные участки суши, вырабатывая различные приспособления для жизни в них.

Начинается их участие в образовании почвы. Таким образом, постепенно создавались условия для появления на суше высокоорганизованных растений (хвойных и цветковых). При этом в атмосферу начинает выделяться кислород, необходимый для дыхания. Постепенно все живые организмы расселялись во все сферы Земли. Живые организмы существенно изменили вид нашей планеты, преобразовали земную кору, гидросферу и нижние слои атмосферы. Важнейшим этапом в изменении облика нашей планеты является появление и расселение на Земле человека. Это произошло около 500 тыс. лет назад. По словам академика В.И.Вернадского, воздействие человека на природу превосходит многие природные процессы. Совокупность всех живых организмов на планете называется биомассой (греч. bios — жизнь), или живым веществом. Величина эта огромна, но в сравнении с массой земной коры ничтожна. Правда, биомасса имеет замечательную способность обновляться, так как организмы размножаются.

Обновляясь, живое вещество планеты производит в течение года около 250 млрд. тонн биологической массы в сухом весе. Подобные показатели называются продуктивностью биомассы. В глобальных масштабах эта величина сравнительно невелика. Но она способна возобновляться из года в год. За время существования живого вещества (более 3 млрд. лет) даже при его меньшей, чем теперь, средней продуктивности общая биомасса, выработанная живым веществом, в десятки и сотни раз превысила бы массу земной коры (ведь земной коре не свойственно самовоспроизведение). Такая активность жизни делает ее могучим геологическим и географическим фактором на планете.

Живое вещество перемещает, «пропускает сквозь себя» огромные массы воды, горных пород, газов. Это постоянное перемещение веществ, я точнее, химических элементов и молекул, называется биохимическим круговоротом. Наиболее активно вовлекается в него кислород, углерод (и их соединение — углекислый газ), азот, фосфор, сера, вода. И это понятно: ведь в живом веществе присутствуют эти газы (кислород составляет 70%, углерод — 18%, водород — 10,5%; на все другие элементы приходится всего 1,5%).

Биогеохимические круговороты действуют очень активно. Биомасса Земли пропускает через себя всю воду Земли за 2 млн. лет, весь кислород атмосферы — за 2 тыс. лет, а углекислый газ из атмосферы — за 300. Значит, за долгое время геологической истории живое вещество (биомасса) многократно переработало все главные газы атмосферы, всю воду планеты и значительную часть горных пород земной коры.

Биогеохимический круговорот — важнейший процесс, проходящий в биосфере. Благодаря ему происходит взаимосвязь всех оболочек Земли, населенных живыми существами.

Сила, движущая могучий биогеохимический круговорот в биосфере, — солнечная энергия. Ее ежегодно на Землю поступает столько, что она во много раз превышает мощность любого другого источника энергии Земли. Земные растения улавливают эту энергию в процессе фотосинтеза, но менее 1% от поступающей. Хотя и это количество очень велико. Оно в 10 раз больше, чем энергия ядерных реакций в недрах планеты. В результате фотосинтеза в растениях образуются органические вещества, идущие на питание их, а часть органических веществ откладывается. Вместе с зеленой массой эта отложенная часть может переходить в организм животных (сначала травоядных, а потом хищных) и там частично распадаться до более простых химических соединений. После гибели растений и животных микроорганизмы заканчивают разрушение органического вещества, что создает питательную среду, в том числе почвы, для возрождения и следующего цикла развития биомассы.

Охрана биосферы — комплекс мероприятий, действующих с пользой для живого вещества и всей биосферы. От успеха этих мероприятий во многом зависит судьба жизни на Земле и будущее человечества.

Основоположником учения о биосфере был В.И.Вернадский.

Биосфера — живая оболочка Земли. Биология, Общие биологические закономерности (9–11 класс): уроки, тесты, задания.

1.	Основные понятия по теме «Биосфера» Сложность: среднее	2
2.	Границы биосферы Сложность: среднее	1
3.	Примеры веществ биосферы Сложность: среднее	1
4.	Круговорот веществ и превращение энергии Сложность: среднее	3
5.	Утверждения В. И. Вернадского Сложность: среднее	1
6.	Живое вещество Сложность: сложное	4
7.	Микро- и макротрофные элементы в биосфере Сложность: сложное	5

Биосфера — это, что такое, какие, определение, значение, доклад, реферат, конспект, сообщение, вики — WikiWhat

Границы биосферы

Биосфера — это часть геологических оболочек Земли, где обитают живые организмы. Граница жизни на планете определяется границами биосферы. Живые организмы населяют в основном газообразную (атмосфера), жидкую (гидросфера) и твёрдую (литосфера) оболочки Земли (рис. 74).

Верхняя граница

Верхняя граница биосферы расположена на высоте 15—25 км над уровнем моря (и в разных регионах Земли различна) в нижнем слое атмосферы — тропосфере (рис. 75).

В этих пределах биосферы под влиянием энергии солнечных лучей кислород превращается в озон и образуется озоновый экран. Он не пропускает основную часть космических и ультрафиолетовых лучей, оказывающих вредное воздействие на живые организмы, поэтому они не достигают земной поверхности.

В самых верхних слоях биосферы встречаются споры очень устойчивых к неблагоприятным условиям бактерий, грибов, мхов и папоротников (их называют аэропланктоном). Некоторые птицы, бабочки и пауки могут подниматься на высоту 6—7 км.

Нижняя граница в гидросфере

Воды океанов, морей, озёр и рек образуют гидросферу, которая занимает около 70% площади земного шара. Во всех частях гидросферы, даже на больших её глубинах, доходящих до 11 км, встречается жизнь.

Нижняя граница в литосфере

В литосфере жизнь существует в её верхних слоях, достигающих глубины 3—4 км. При бурении нефтяных скважин в бассейне реки Миссисипи на глубине 7,5 км были обнаружены анаэробные бактерии.

Состав (структура) биосферы

Состав биосферы многообразен и подразделяется на четыре части.

Живое вещество.
Биогенные вещества.
Твёрдые тела.
Вещества биогенного и абиогенного происхождения.

Живое вещество

Совокупность всех живых организмов, обитающих на нашей планете, составляет живое вещество биосферы. Несмотря на то, что живое вещество по своей массе представляет весьма незначительную часть биосферы, его деятельность в течение геологических эпох оказывала огромное влияние на развитие Земли.

По утверждению В. И. Вернадского, жизнь зародилась на Земле некоторое время спустя после её появления и явилась одним из основных факторов, изменивших облик нашей планеты.

Биогенные вещества

Биогенные вещества есть результат деятельности живых организмов. К ним можно отнести нефть, каменный уголь, известняк и атмосферные газы.

Твёрдые тела

Твёрдые тела — горные породы, возникшие в результате природных процессов, например, извержения вулканов, и не связанные с деятельностью живых организмов.

Вещества биогенного и абиогенного происхождения

Вещества биогенного и абиогенного происхождения — это почвы, образовавшиеся в результате воздействия живых организмов и процессов неорганической природы. В составе биосферы встречаются также в небольших количествах радиоактивные вещества, рассеянные атомы, метеориты, частицы космической пыли.

Функции живого вещества в биосфере

Основными функциями биосферы являются: 1) газообменная; 2) окислительно-восстановительная; 3) концентрационная; 4) биохимическая.

Газообменная

Функция газообмена — результат процессов фотосинтеза и дыхания. При фотосинтезе и дыхании регулируется газовый состав атмосферы. Атмосфера, образованная в результате деятельности живых организмов, поддерживается их деятельностью.

Концентрационная

Концентрационная функция — накопление живыми организмами химических элементов, распространённых в окружающей среде. Растения, получая азот, калий, фосфор, водород и углерод из почвы и воздуха, вводят их в состав органических веществ. Осадочные породы, мел, известковые породы также являются продуктом концентрационной функции.

Окислительно-восстановительная

Окислительно-восстановительная функция обеспечивает круговорот химических элементов с переменной валентностью — железа, серы, марганца, азота и др. Например, в результате деятельности хемосинтезирующих бактерий образуются H₂S, некоторые виды железной руды, различные оксиды азота.

Биохимическая

Биохимические функции обеспечивают процессы, протекающие в живых организмах при их жизни и после смерти. Они неразрывно связаны с питанием, дыханием, размножением, распадом и гниением.

см. Биомасса Материал с сайта http://wikiwhat.ru

Общая масса живых организмов в биосфере называется биомассой, 93% которой приходится на сушу, а 7% — на водную среду. Живые организмы своей деятельностью оказывают большое влияние на биосферные процессы и обусловливают изменения биосферы.

Эволюция биосферы

см. Эволюция биосферы

Биосфера непрерывно развивается. Её развитие обусловливают такие факторы, как геологические и климатические изменения на нашей планете, воздействие живых организмов и человеческая деятельность.

Первый этап эволюции биосферы называется биогенезом, а второй — ноогенезом. В настоящее время в связи с тем, что основное влияние на биосферу оказывает человек, она носит название ноосферы.

Охрана биосферы

см. Охрана природы

Недопонимание человеком закономерностей развития биосферы и её неправильное использование обусловливают экологический кризис или критическое состояние биосферы. Каждому человеку необходимо сформировать экологическое мировоззрение и внести свой вклад в дело охраны природы.

Картинки (фото, рисунки)

Рис. 74. Геосфера Земли
Рис. 75. Границы распространения жизни в биосфере

На этой странице материал по темам:

Рассказ в схеме что такое биосфера
Схема границы биосферы
Картинки о биосфере
Биогенное 2) абиогенное
Биосфера доклад 6 класс

Вопросы к этой статье:

Что такое биосфера?
Как называется живая оболочка Земли?
Где находится верхняя граница биосферы и до какой высоты она доходит?
Какие вещества входят в состав биосферы?
Что относится к биогенным веществам?
Назовите основные функции живого вещества в биосфере.

1.1. Определение биосферы. Современное состояние биосферы и экологическая политика

О Вернадском

Владимир Иванович Вернадский (1863-1945 гг.) — блестящий минералог, кристаллограф, геолог, основоположник геохимии, биогеохимии, радиогеологии, учения о живом веществе и биосфере, о переходе биосферы в ноосферу, ученый-энциклопедист, глубоко интересовавшийся философией, историей религий и общественными науками.

В.И. Вернадский родился в Санкт-Петербурге 12 марта 1863 г. в семье известного экономиста, профессора Петербургского Александровского лицея Ивана Васильевича Вернадского.

После окончания гимназии в 1881 г. Владимир Вернадский стал студентом естественного отделения физико-математического факультета Петербургского университета. В те годы здесь преподавали Д.И. Менделеев, А.Н. Бекетов, В.В. Докучаев, И.М. Сеченов, А.М. Бутлеров.

Д.И. Менделеев открыл перед студентами мир науки, показал силу научной мысли и значение химии. В.В. Докучаев был его руководителем по геологии и минералогии, которые Вернадский выбрал своей специальностью.

В студенческие годы Вернадский приступил к изучению фундаментальных проблем наук о Земле. Под влиянием В.В. Докучаева у него складывались представления о взаимоотношении живых существ с окружающей средой с учетом их активного воздействия на процессы почвообразования. Под руководством В.В. Докучаева В.И. Вернадский участвовал в почвенных экспедициях в Нижегородскую и Полтавскую губернии, где прошел свой первый геологический маршрут и написал первую научную работу.

Наряду с научной работой Вернадского охватывает характерный для столичного студенчества дух свободомыслия. Он активно участвовал в общественной жизни университета, работал в студенческом Научно-литературном обществе, в кружке по изучению литературы для народа. Острые общественные события, в которые активно втягивалось студенчество, с тех пор уже никогда не оставляли Вернадского равнодушным. Он оказался их активным участником, регулярно публиковал статьи, в которых поднимал назревшие острые вопросы университетского образования и общего положения страны. Вернадский последовательно отстаивал автономию высшей школы, права Совета профессоров на руководство всем процессом университетской жизни, на широкую свободу академических Союзов. Отстаивая интересы университетской корпорации, В.И. Вернадский активно сотрудничал в начале XX века с газетой «Русские ведомости», как наиболее популярной в кругах русской интеллигенции.

В университете у него на всю жизнь завязалась крепкая дружба с будущими крупнейшими учеными: ботаником, почвоведом и географом А. Н. Красновым, историками братьями С.Ф. и Ф.Ф. Ольденбургами, А.А. Корниловым, И.М. Гревсом, Д.И. Шаховским и др. В 1886 году ближайшие друзья В.И. Вернадского объединяются в «Братство» — своеобразный просветительский кружок, девизом которого было: «Работай как можно больше, потребляй на себя как можно меньше, на чужие нужды смотри как на свои».

В 1885 г. со степенью кандидата Вернадский окончил Петербургский университет и занял должность хранителя минералогического кабинета университета. Через год он женился на Наталье Егоровне Старицкой, с которой они прожили вместе 56 лет «душа в душу и мысль в мысль». В их семье было двое детей: сын Георгий Владимирович Вернадский (1887—1973), известный исследователь русской истории, дочь Нина Владимировна Вернадская-Толль (1898—1985), врач-психиатр; оба скончались в эмиграции, в США.

В 1890 г. Вернадский был приглашен на кафедру кристаллографии и минералогии Московского университета, утверждается в должности хранителя минералогического кабинета. В 1891 г. в Петербургском университете состоялась защита магистерской диссертации, посвященной проблемам строения соединений кремния, а в 1897 г. В.И. Вернадский, защитив докторскую диссертацию, посвященную проблемам кристаллографии, а в следующем году утверждается в должности экстраординарного профессора.

В Московском университете В.И. Вернадский проработал 20 плодотворных лет. В методике преподавания минералогии В.И. Вернадский стал новатором: он разработал новый курс, в котором предложил генетическую классификацию минералов и их сообществ с учетом физико-химических условий их образования, а не свойств. Он отделил кристаллографию от минералогии, считая, что кристаллография опирается на математику и физику, в то время как минералогию он рассматривал как химию земной коры, связанную с геологией.

Вернадский со своими учениками в поле изучал природные процессы, совершая экскурсии почти каждое лето: несколько раз он был на Урале, в Крыму, на Украине, на Северном Кавказе и в Закавказье, в Домбровском бассейне Польши и в средней России. Кроме того, ученый часто ездил за границу. Он побывал в Рудных горах Германии, в Англии, во Франции, в окрестностях Неаполя, в Греции и в Швеции.

«Московский период моей научной жизни был чисто минералогический и кристаллографический. Но уже в это время зарождалась геохимия, и в изучении явлений жизни я подошел к биогеохимии. Уже в это время я сразу вошел в изучение радиоактивности. Много вдумывался благодаря влиянию Ле Шателье в термодинамику. История науки, особенно русской и славянской, и философия меня глубоко интересовали», — писал В.И. Вернадский в конце жизни.

В этот период В.И. Вернадский ведет серьезную научную работу. Б. Л. Личков так пишет о московском периоде работы Вернадского: «Время деятельности В. И. Вернадского с 1890 по 1911 г. в Москве — это один из замечательных периодов его жизни, полный глубокого творческого содержания и напряженной работы… В эти годы он создал минералогические музеи университета и Высших инженерных курсов. Кроме того, им был создан Научно-исследовательский минералогический институт. В эти же годы возникли и оформились его оригинальные представления в области учения о минеральных химических соединениях, создалась основа его минералогической системы и взглядов на генезис минералов… Он начинает заниматься проблемами, связанными не с химией соединений, а с химией элементов, в результате чего зародились первые начатки геохимии». Он подготовил целую плеяду учеников, среди которых академик А.Е. Ферсман, профессор Я.В. Самойлов, член-корреспондент К.А. Ненадкевич и многие другие выдающиеся ученые.

Кроме научной деятельности В.И. Вернадский активно занимался общественно-политической и государственной деятельностью, которая была тесно связана, прежде всего, с Тамбовским краем. Имение Вернадовка, расположенное в Тамбовской губернии, он посещал почти каждое лето с 1886 по 1910 год. В 1892 г. ученый был избран гласным Моршанского уездного и Тамбовского губернского земских собраний. В земстве он занимался преимущественно вопросами народного образования, работал в комиссиях по школам, выступал на земских собраниях. В.И. Вернадский активно участвовал в борьбе с голодом в Тамбовской губернии, создал комитет помощи крестьянам. Благодаря его усилиям были открыты 121 столовая на 50-55 человек каждая, в них кормилось 6 256 человек, в том числе были организованы 11 особых столовых для самых маленьких детей. В.И. Вернадский помогал созданию земских школ и больниц, открытию народных библиотек. Он посвятил себя общественному служению сознательно, исходя из чувства личной ответственности за судьбу страны, считая, что принципы земского самоуправления должны стать основой развития российской государственной жизни.

В начале XX в. входил в Бюро земских гласных, осуществлявших подготовку и организацию земских съездов. В ноябре 1904 г. как делегат Тамбовского земства В.И. Вернадский участвовал в работе второго общероссийского земского съезда в Петербурге, а в июле 1905 г. — в работе съезда земских гласных в Москве. Эти съезды изменили всю политическую атмосферу в стране, под их давлением царское правительство было вынуждено ввести в гражданские и политические свободы, издать новые Основные законы 1906 г. (конституция) и учредить первый русский парламент – Государственную думу, которая открылась в апреле 1906 г.

Активно включившись в политическую жизнь страны в рамках деятельности конституционно-демократической партии, В.И. Вернадский становится одним из лидеров либерального направления в борьбе за внедрение в России принципов европейской демократии.

Во время первой русской революции В.И. Вернадский принимает активное участие в подготовке и проведении Учредительного съезда Конституционно-демократической партии выступавшей за судебную защиту прав человека, необходимость создания государства с ограниченной монархией, необходимость культурной автономии для наций и отмена смертной казни. До 1919 г. он оставался членом ЦК кадетской партии.

Поддерживая борьбу профессоров за автономию университетов, в 1906 г. он избирается в Государственный Совет – верхнюю палату российского парламента и работает в нем до марта 1917 г.. В знак протеста против роспуска Думы В. И. Вернадский подал прошение о выходе из его состава, однако в марте 1907 г. повторно избирается в Госсовет.

В 1911 г. В.И. Вернадский в знак солидарности с увольняемыми профессорами подал в отставку. В Московский университет так и не вернулся и продолжил свою деятельность в системе Академии наук. В 1915 г. В.И. Вернадский вновь избирается в Государственный совет и участвует в последнем заседании, на котором от имени выборных членов совета царю в Ставку была отправлена телеграмма с предложением об отречении от престола и передаче власти Временному комитету Государственной думы.

Во время октябрьского большевистского переворота Вернадский возглавляет Министерство народного просвещения во Временном правительстве. Победу большевиков воспринимает как трагическое поражение демократии и под угрозой ареста вынужден уехать на Украину.

На Украине В.И. Вернадский организовал серьезную научную работу, стал главным идеологом, организатором и в 1918 г. первым избранным президентом Украинской академии наук. Современная Национальная академия наук Украины по сей день сохраняет в своей основе идеи и структуру, заложенные В.И. Вернадским. Созданная во время гражданской войны в Киеве библиотека – в настоящее время крупнейшая Национальная библиотека Украины, которая носит имя В.И. Вернадского.

После переезда в Крым в 1919 г. Вернадский читал лекции по геохимии в Таврическом университете, а будучи избран ректором, активно боролся за сохранение университетского образования в России. Он подчеркивал, что «при разрушении России, которое мы переживаем, существование сильного и активного центра русской культуры и мирового знания, каким бывает живой университет, является фактором огромной важности, помогающим восстановлению единого государства и устроению в нем порядка, организации нормальной жизни …»

В это время в мире физики, химии и техники после открытия и объяснения явления радиоактивности были отвергнуты представления о неизменности атома. С 1896 г. крупнейшие ученые мира начали усиленно изучать радиоактивность. В 1910 г. на общем собрании Академии наук В.И. Вернадский выступил с докладом «Задача дня в области радия», в котором изложил целую программу геологических и лабораторных исследований, направленных на поиски урановых руд и овладение энергией атомного распада. По предложению Вернадского при физико-математическом отделении Академии наук создается первая в России Радиологическая лаборатория. «Перед нами открываются в явлениях радиоактивности источники атомной энергии, в миллионы раз превышающие все те источники сил, какие рисовались человеческому воображению. …С надеждой и опасением всматриваемся мы в нового союзника и защитника», — пророчески пишет он.

В январе 1922 г. по инициативе В.И. Вернадского был создан Радиевый институт в Петрограде, директором которого он был назначен и занимал эту должность до 1939 г., после чего директором стал его ученик академик В.Г. Хлопин.

Ещё в 1906 г. В.И. Вернадский был избран адъюнктом по минералогии Академии наук, в 1912 г. – действительным членом Академии наук.

Вступив в первую мировую войну, Россия особенно остро начала испытывать нехватку стратегически важных видов сырья, и в 1915 г. В.И. Вернадский вместе с другими учеными создает и длительное время возглавляет Комиссию по изучению естественных производительных сил России при Академии наук (КЕПС), сыгравшую выдающуюся роль в изучении природных ресурсов страны и развитии науки и экономики государства. В журнале «Русская мысль» в 1916 г. он писал: «Эти запасы энергии, с одной стороны, слагаются из той силы, как физической, так и духовной, которая заключается в населении государства. Чем больше оно обладает знаниями, большей трудоспособностью, чем больше простота предоставлено его творчеству, больше свободы для развития личности, меньше трений и тормозов для его деятельности – тем полезнее энергия, вырабатываемая населением, больше, каковы бы ни были те внешние, вне человека, лежащие условия, которые находятся в среде природы, его окружающей. Духовная энергия человека так велика, что не было в истории случая, чтобы она не смогла выработать полезную энергию из-за недостатка природного материала».

Первоначально деятельность КЕПС была направлена на решение неотложных оборонных задач российского государства. К работе были привлечены ведущие научные силы страны, и планомерно стали появляться сборники основных сведений по всем видам сырьевых ресурсов. Ближайшим помощником Вернадского по КЕПС был А.Е. Ферсман. Постепенно из КЕПС выросли многочисленные научные институты.

С 1916 г. появляются первые работы В.И. Вернадского, посвященные «живому веществу». Исследования живого вещества c целью определения среднего химического состава растений и животных, их биомассы и продуктивности для последующей их количественной геохимической оценки были начаты В.И. Вернадским в декабре 1918 г. на Украине в лаборатории технической химии Киевского университета и продолжены в 1919 г. на Старосельской биостанции. В 1920 г. во время работы В. И. Вернадского в Таврическом университете биогеохимические исследования организуются на Салгирской плодоводческой станции, в университете создается лаборатория по проблеме «Роль живых организмов в минералогенезисе».

В 1928 г. из «отдела живого вещества» при КЕПС на базе Радиевого института появилась Биогеохимическая лаборатория Академии наук (БИОГЕЛ), где были заложены теоретические, методические и экспериментальные основы биогеохимического направления исследований. Став первым её директором, В.И. Вернадский оставался им до конца жизни – в течение 16 лет.

Ещё в конце 1921 года ректор Сорбонны П.Э. Аппель пригласил В.И. Вернадского прочитать в Сорбонне курс лекций по геохимии. Лекции принесли Вернадскому широкую известность в научных кругах. По инициативе слушателей они были изданы отдельной книгой на французском языке под названием «Геохимия» (La Géochimie, 1924), которая впоследствии неоднократно издавалась на разных языках. В «Геохимии» Вернадский раскрывает не просто строение земной коры в атомном разрезе, а историю атомов, судьбу химических элементов в вечном и закономерном согласованном круговороте, происходящем на Земле.

Кроме того в это время ученый экспериментально работал в Радиевом институте, который возглавляла Мария Кюри-Склодовская принимал участие в изучении радиоактивного минерала кюрита из Бельгийского Конго.

Ученый провел в командировке более трех очень плодотворных лет. Он оформил свои идеи о роли живого вещества в земной коре. Подготовлены к печати принципиально важные научные труды: монографии «Биосфера» (1926) на русском языке, «История минералов земной коры», статья «Живое вещество в химии моря», а также целая серия публикаций по проблемам геохимии, биогеохимии, радиогеологии. В это же время Вернадский впервые подходит к осознанию научной мысли как планетного явления, итогом чего явилась статья «Автотрофность человечества» (1925).

Основные идеи В.И. Вернадского о биосфере сложились к началу 20-х гг. и были опубликованы в 1926 г. в книге «Биосфера», состоящей из двух очерков: «Биосфера в космосе» и «Область жизни». По Вернадскому, биосфера — организованная, динамическая и устойчиво уравновешенная, самоподдерживающаяся и саморазвивающаяся система. Основной чертой ее организованности является биогенная миграция химических элементов, производимая силами жизни, источником энергии которой является лучистая энергия Солнца. Вместе с другими геосферами биосфера образует единую планетарную экологическую систему высшего порядка, в которой действует единая планетарная организованность.

В начале войны, в 1941 г. В.И. Вернадский с группой академиков был эвакуирован в Боровое Казахской ССР, где пробыл два года. Здесь умерла и похоронена Н.Е. Вернадская. Все последние годы ученый работал над большим трудом «Химическое строение биосферы Земли и её окружения». Работа вышла в свет только в 1965 г. После возвращения в Москву в 1944 г. выходит его статья «Несколько слов о ноосфере» о преобразовании облика нашей планеты под влиянием разума и труда человека.

В.И. Вернадский применяет понятие «ноосфера» с середины 30-х годов. Он пришел к выводу, что появление человека с его научной мыслью явилось естественным этапом эволюции биосферы. В результате человеческой деятельности биосфера неизбежно должна коренным образом изменяться и переходить в новое состояние, которая называется ноосферой – сферой разума (ноос – от греческого разум). Значит, ноосфера — это развивающаяся под контролем Разума, под влиянием сознательной человеческой деятельности геологическая оболочка планеты Земля.

В ноосфере человек преобразует Землю не только в соответствии со своими потребностями, но и с учетом законов биосферы; ноосфера — естественное тело, компонентами которого будут литосфера, гидросфера, атмосфера и органический мир, преобразованные разумной деятельностью человека (в последующем в ноосферу должно будет включено и космическое пространство). В соответствии с закономерностями ноосферы должна будет построена социальная и государственная жизнь, главными содержательными и конструктивными движущими силами станут научное творчество и инновации. В.И. Вернадский твердо верил в неизбежность именно такого развития биосферы и поэтому до конца своих дней с большим оптимизмом смотрел на будущее человечества.

Большая жизнь академика В.И. Вернадского, до конца дней наполненная напряженной творческой работой, помощью людям, благотворительностью, спасением науки и людей в условиях советского режима, закончилась в Москве 6 января 1945 г. Он похоронен на Новодевичьем кладбище в Москве.

Биосфера, подготовка к ЕГЭ по биологии

Биосфера (греч. bios — жизнь + sphaira — шар) — наружная оболочка Земли, населенная живыми организмами, составляющими в совокупности живое вещество планеты. Термин «биосфера» предложен австрийским геологом Э. Зюссом, учение о биосфере было создано и развито российским и советским ученым Вернадским Владимиром Ивановичем.

Биосфера — совокупность всех биогеоценозов, это открытая система, структура и свойства которой определяются деятельностью организмов в прошлом и настоящем. Биосферу можно рассматривать как часть лито-, гидро- и атмосферы, заселенную живыми существами.

Запомните, что наибольшая концентрация живого вещества сосредоточена на границе сред (к примеру, на границе литосферы и атмосферы).

Границы биосферы

Общая толщина биосферы приблизительно 17 км. Живые организмы проникают вглубь литосферы на расстояние до 6-7 км, заселяют всю толщу гидросферы (до самого дна мирового океана). В атмосфере живые организмы встречаются в нижней части — тропосфере, которую сверху ограничивает озоновый слой (часть стратосферы).

Выше «озонового экрана» существование жизни в привычном для нас виде невозможно, так как губительное УФ (ультрафиолетовое) излучение уничтожает все живое. Возникновению жизни в недрах Земли препятствует высокая температура, оказывающая разрушительное воздействие.

Вещество биосферы

Многокомпонентная сложная система биосферы включает несколько отдельных элементов. Вернадский В.И. создал учение, в соответствии с которым вещество биосферы состоит из:

Живое вещество

Совокупность всех живых организмов на нашей планете. Именно Вернадский показал, что деятельность живых существ — важнейший фактор геологических изменений планеты.

Косное вещество

Формируется без участия живых организмов. Базальт, гранит, песок, золотоносные руды. К косному веществу можно отнести горные породы магматического происхождения, образовавшиеся в результате извержения вулканов.

Биогенное вещество

Это вещество образуется живыми организмами в процессе их жизнедеятельности. Примерами биогенного вещества могут послужить залежи известняка, природный газ, кислород, нефть, каменный уголь, торф.

Биокосное вещество

Биокосное вещество создается одновременно деятельностью живых организмов и косными процессами. Таким образом, биокосное вещество объединяет в себе живое и косное вещества.

К биокосному веществу относятся пресная и соленая вода, почва, воздух. Почва является верхним наиболее плодородным слоем литосферы Земли. Почва — уникальный продукт совместной деятельности живых организмов, то есть биологических и геологических процессов, протекающих в живой природе.

Функции живого вещества

Важнейший компонент биосферы — живое вещество, то есть — живые организмы. Их деятельность приводит к наиболее значительным геологическим изменениям в биосфере, они обеспечивают круговорот веществ — главное условие зарождения новой жизни.

Перечислим важнейшие функции живого вещества:

Энергетическая

Живые организмы постоянно получают и преобразуют энергию. Растения преобразуют энергию солнечного света в энергию химических связей, а животные передают ее по цепочке. После смерти растений и животных энергия возвращается в круговорот благодаря бактериям и грибам — сапротрофам (греч. sapros – гнилой), разлагающим мертвое органическое вещество.

Газовая

Деятельность живых организмов обеспечивает постоянный газовый состав атмосферы. В ходе дыхания животные поглощают кислород и выделяют углекислый газ, а растения в ходе фотосинтеза поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Бактерии хемотрофы также выделяют в атмосферу некоторые газы, полученные окислением сероводорода, азота.

Концентрационная

Я никогда не перестану восхищаться этой функцией живого вещества. Вы только вдумайтесь: на одной и той же почве, рядом друг с другом, растут совершенно разные растения по форме, размеру и окраске плодов, цветков! Каждый раз задумываешься: как это возможно?

Это связано с тем, что каждое живое существо избирательно накапливает определенные химические элементы. К примеру, многие моллюски накапливают кальций, образуют известковый скелет — раковину. После их смерти раковины опускаются на дно, в результате чего создаются залежи полезных ископаемых — известняка (мела).

В результате жизнедеятельности мха сфагнума образуется полезное ископаемое — торф, а папоротниковидные образуют каменный уголь. Это концентрат углеродистых и кальциевых соединений в погибших растениях, которые тысячелетиями отмирали и образовали залежи ископаемых.

Окислительно-восстановительная

Живые организмы способны окислять и восстанавливать различные химические вещества. На реакциях окисления и восстановления основан метаболизм (обмен веществ) любого живого существа, подобные реакции протекают постоянно в ходе фотосинтеза, энергетического обмена.

Деструктивная

Без разрушения «старой» жизни, невозможно возникновение «новой». После смерти живых существ их останки подвергаются разрушению, из них высвобождается энергия, накопленная в связях химических веществ. Непрерывный круговорот должен продолжаться всегда — это главное условие жизни.

Теория биогенной миграции атомов Вернадского В.И.

При непосредственном участии живого вещества в биосфере непрерывно осуществляется биогенная миграция атомов. Даже сейчас, с каждым вашим вдохом, атомы кислорода соединяются с гемоглобином эритроцитов, доставляются по крови к клеткам тканей организма и становятся частью ваших клеток.

Откуда взялся кислород, которым мы дышим? Его в процессе фотосинтеза выделили растения. Для процесса фотосинтеза необходим углекислый газ, который в процессе дыхания выделяют животные, углекислый газ, который образуется при разложении останков растений и животных. Получается круговорот атомов.

Все атомы, которыми мы обладаем, которые стали частью наших рук, глаз, носа, языка — все эти атомы кому-то принадлежали до нас! За миллиарды лет существования Земли они успели побывать в мириадах растений, грибов и животных. То, что наши атомы сейчас с нами — великое чудо и немыслимая случайность.

Я искренне восхищаюсь этой теорией, она показывает непрерывность жизни, бесконечность нашего существования и единство всего живого.

Ноосфера

Ноосфера (греч. noos — разум и sphaira — шар) — термин введенный русским ученым В.И. Вернадским. Ноосфера подразумевает взаимодействие природы и общества, при котором человек является главным определяющим фактором эволюции. Человек становится крупнейшей геологической силой.

Споры о том, можно ли считать современный этап развития цивилизации ноосферой остаются открытыми. Основная идея ноосферы — разумное, рациональное поведение человека, при котором он сосуществует в гармонии со всеми другими формами жизни.

К сожалению, нынешняя ситуация напоминает старую поговорку: «Пока не потеряешь, не осознаешь ценность». Неужели растения должны исчезнуть с лица Земли, чтобы мы вспомнили о том, что благодаря фотосинтезу в их листьях мы дышим кислородом? В этом случае чувство нашего ложного величия может сильно пострадать.

Круговорот веществ

Углерод находится в природе в основном в составе углекислого газа, угольной кислоты и ее нерастворимых солей — карбоната кальция (из которого состоят раковины моллюсков). Отмирая, живые организмы образуют залежи полезных ископаемых: торф, древесину, каменный уголь, нефть. Известняк может надолго исключить углерод из круговорота веществ.

Подобно этому, долгое время нефть и уголь были почти полностью исключены из круговорота веществ, однако в настоящее время человек «вернул их в строй» вместе с выхлопными газами.

Азот находится в воздухе, которым мы дышим, и составляет 78% от его объема. Большая часть азота поступает в почву и воду благодаря деятельности микроорганизмов, бактерий и водорослей.

Широко известны клубеньковые бактерии на корнях бобовых растений, находящиеся с ними в симбиозе. Клубеньковые бактерии переводят атмосферный азот в нитраты, которые необходимы для роста и развития растения и могут быть усвоены им, в отличие от атмосферного азота (газа).

В листьях в процессе биосинтеза азот преобразуется в белки. Травоядные животные поедают растения, таким образом, белок включается в их состав. После смерти животных белки разлагаются сапротрофами, которые выделяют аммиак, нитраты. Часть нитратов усваивается растениями, а часть восстанавливается бактериями до атмосферного азота — цикл замыкается.

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Биосфера — Викизнание… Это Вам НЕ Википедия!

Биосфера (от био … и сфера), область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.

В биосфере живые организмы (живое вещество) и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую систему. Термин «биосфера» введен в 1875 Э. Зюссом.

Учение о биосфере как об активной оболочке Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов (в т. ч. человека) проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба и значения, создано В. И. Вернадским (1926). Важным этапом необратимой эволюции биосферы Вернадский считал её переход в стадию ноосферы, управляемую не только законами жизни, но и развитием человечества.

Характеристика Биосферы[править]

БИОСФЕРА
Область распространения живых существ с низкой плотностью		Область распространения живых существ с высокой плотностью

верхняя граница(озоновый слой)	нижняя граница(верхняя граница мантии)	верхняя граница в среднем несколько метров над сушей	нижняя граница-сотни метров в воде

Состав Биосферы[править]

—>

Эволюция Биосферы[править]

Живое вещество биосферы «в общем занимает ничтожное пространство в масштабе всего земного шара. Широкое распространение самого термина «живое вещество» связано с работами В.И. Вернадского. Он показал, что все живые организмы Земли образуют единое целое — живое вещество планеты. Жизнь на Земле — самый выдающийся процесс на ее поверхности, получающий живительную энергию Солнца и приводящий в движение едва ли не все химические элементы таблицы Менделеева. Биосфера есть часть земного пространства, охваченного жизнью с ее активным химическим проявлением. В биосфере возможно существование организмов в любых возможных концентрациях — от единичных бактерий и спор в 1 см3 атмосферного воздуха до мощных тропических лесов экваториальной зоны и следов жизни в пучинах Мирового океана. По своим требованиям к условиям внешней среды организмы расселяются в разных верхних горизонтах Земли: в нижней атмосфере, в гидросфере, в почвах, в глубинах литосферы, пропитанных природными водами и нефтяными месторождениями. Все живое вещество по своей массе занимает ничтожную долю по сравнению с любой из верхних оболочек земного шара. По современным вероятностным оценкам общее количество массы живого вещества в современную эпоху составляет порядка 2420 млрд. т.все живое вещество нашей планеты составляет ~1/10000000 часть массы земной коры. Однако в качественном отношении живое вещество представляет собой наиболее высокоорганизованную часть материи Земли. По своему активному воздействию на окружающую среду живое вещество занимает особое место и качественно резко отличается от других оболочек земного шара, так же, как живая материя отличается от мертвой. Оценка среднего химического состава живого вещества была произведена А.П. Виноградовым. Из данных табл. 10 видно, что главные составные части живого вещества — это элементы, широко распространенные в природе: в атмосфере, гидросфере, литосфере и космосе. Средний элементарный состав живого вещества отличается от состава земной коры высоким содержанием углерода. По содержанию других элементов организмы не повторяют состава среды своего обитания. Они избирательно поглощают элементы, необходимые для построения их тканей. В процессе жизнедеятельности организмы используют наиболее доступные атомы, способные к образованию устойчивых химических связей. Атомы углерода имеют способность создавать длинные цепи соединений с другими атомами, что приводит к построению бесчисленных полимеров и других сложных органических высокомолекулярных соединений. »

Науки изучающие предмет статьи — Общая биология,Геохимия
Структурирующая цепочка карты Знания 2Биосфера (от греч. pio<; — жизнь и ocpalpa — шар). Термин «В.», введённый в науку в 19 в., обозначал первоначально мир живых существ, населяющих Землю. Со временем понятие, вложенное вначале в термин «В.» и имевшее общий бно-логич. характер, изменялось и приобретало более определённый геологич. смысл.

Австрийский геолог Э. Зюс в 1875 выдвинул идею о концонтрич. оболочках, покрывающих земной шар, — о литосфере (см. Земная кора), гидросфере, атмосфере (см.) и биосфере, однако понятие о Б. как о среде жизни Зюс не развил. Точное геологич. определение Б. было дано впервые академиком В. И. Вернадским; им же впервые было начато и геохимич. изучение Б.

Б. — одна из земных оболочек, занятая совокупностью организмов, населяющих Землю (живым веществом). Она включает в себя: 1) нижнюю часть воздушной оболочки Земли (атмосферы), т. н. тропосферу, 2) всю водную оболочку (гидросферу) и 3) верхнюю часть твёрдой оболочки (литосферы), главным образом т. н. кору выветривания (см.). Верхняя граница Б. находится в тропосфере па высоте 10 — 15 км, где наблюдались живые организмы. Нижняя (подземная) граница Б. находится в литосфере, невидимому, на глубинах до 2 — 3 км, поскольку, напр., в нефтеносных водах с этих глубин находили живые микроорганизмы. В океанах нижняя граница простирается до дна (т. е. местами до глубины свыше 10 км).

Возникновение Б. на Земле, примерно около 1,5 млрд. лот тому назад, явилось результатом закономерного развития поверхности Земли.

Между неорганич. материей Б. и органическим её миром происходят разнообразнейшие и многочисленные процессы, связанные между собой общей историей химия, атомов.

Состав атмосферы, соловой массы гидросферы, осадочных пород твёрдой оболочки Земли изменяется под влиянием этих процессов жизни и от них зависит (см. Биогеохимия). До 90% всех полезных ископаемых добывается человеком в Б. Поэтому

изучение возможно полного состава Б.- её газов, вод, осадочных пород, организмов, а также гео-химич. процессов — представляет исключительно важную и первоочередную задачу геохимии.

Лит.: Вернадский В. И., Очерки геохимии, 2 изд., М.-Л., 1934; его же, Биосфера, Л., 1926.

Требуется проверка викификации!

Шаблон:Проверить источники

Статья из Большой советской энциклопедии

Эта статья подлежит модернизации и корректировке!

Если Вы заметили неточность — Вы можете исправить её с помощью ссылки редактировать (или править) на этой странице.

Требуется сведение текстов!

Эта статья фактически состоит из нескольких не связанных между собой фрагментов. Требуется исправить ее так, чтобы она была однородной! Вы можете сделать это с помощью ссылки редактировать или править.

Биосфера

Биотоп

биология

экология

Уровни организации живой материи

уровень в системе Уровни организации живой материи

Эволюция биосферы, энергетический аспект

Определение и примеры биосферы — Биологический онлайн-словарь

Биосфера
сущ. , [ˈbaɪəˌsfɪə)]
Определение: часть земли, где существуют живые существа.

Что такое биосфера? Биосфера — это та часть Земли, где процветают и живут живые существа. Это та часть планеты, которая может поддерживать жизнь. На Земле есть еще три сферы: атмосфера, литосфера и гидросфера. Однако не все они населены живыми существами.Части или регионы, где встречаются организмы, в совокупности называются биосферой. Таким образом, можно также сказать, что биосфера представляет собой сумму всех экосистем на Земле.

Слово биосфера произошло от греческого « bios» , что означает « Life » и « sphaira », что относится к форме Земли. Термин был впервые использован англо-австрийским ученым Эдуардом Зюссом в его четырехтомной книге под названием «Лицо Земли» . В этой книге он объяснил отношения живых существ, поддерживаемых Землей.

Определение биосферы

Биосфера — это термин, который охватывает все экосистемы на Земле. Следовательно, он включает в себя как неживые элементы (такие как солнечный свет и вода), так и живые организмы.

Что такое биосфера? Биосфера относится к областям или регионам Земли, на которых существует жизнь. Это одна из отличительных черт Земли от других планет.

Земля состоит из четырех сфер, а именно (1) биосферы, (2) атмосферы, (3) литосферы (геосферы) и (4) гидросферы.Биосфера – это часть Земли, включающая в себя все биологические сообщества и окружающую их среду. Это часть земли, где существует жизнь. Атмосфера Земли – это газообразная часть, окружающая литосферу. Литосфера, в свою очередь, представляет собой часть, состоящую из земной коры, и верхней мантии. В других источниках вместо литосферы наземная или наземная часть именуется геосферой , которая, в отличие от литосферы, помимо земной коры и мантии включает ядро.Гидросфера относится ко всем водам на поверхности Земли. В некоторых источниках термин считается синонимом экосферы , которая, строго говоря, относится ко всем этим сферам, взаимодействующим друг с другом в замкнутой системе.

Биологическое определение):
биосфера часть земли, где существуют живые существа. Он охватывает все живое, обитающее в литосфере, атмосфере и гидросфере. Существуют также искусственные биосферы, которые были созданы в основном для исследований и исследований, например, Биосфера 2 , которая на сегодняшний день является крупнейшей закрытой экологической системой, когда-либо созданной человечеством. Этимология: от биос- , смысл жизни + сфера .

Происхождение и эволюция биосферы

Около 3,8 миллиарда лет назад ранние прокариоты процветали в биосфере без кислорода. В конце концов, некоторые из этих организмов превратились в организмы, способные использовать свет, воду и углекислый газ для создания химических соединений, богатых энергией, при этом производя молекулы кислорода в качестве побочного продукта. Этот процесс производства пищи с использованием световой энергии теперь обычно называют фотосинтезом, а организмы, способные к этому, называются автотрофами.И так из одноклеточных, т.е. водорослей, многоклеточным автотрофам, таким как сосудистые растения, больше организмов, поэтому они были способны утилизировать углекислый газ в атмосфере и в конечном итоге снабжали атмосферу кислородом.

Вскоре увеличение содержания кислорода в атмосфере привело к увеличению биоразнообразия по мере существования и эволюции аэробных организмов. Это позволяет биосфере поддерживать более сложные жизни, такие как сосудистые растения, животные и люди, чтобы выжить в присутствии кислорода.И так, чтобы ответить на вопрос: «как биоразнообразие связано с биосферой» — ответ достаточно прост. Он создал биосферу « здоровых », изобилующую различными группами организмов. Под здоровыми понимаются различные группы, способные занимать разные экологические ниши.

Автотрофы действуют как производители пищевой цепи. Гетеротрофы, которые представляют собой организмы, неспособные производить пищу так же, как автотрофы, и поэтому должны потреблять другие организмы , берут на себя роль естественных биологических средств контроля .Гетеротрофы, питающиеся исключительно растениями, называются травоядными. Те, кто питается исключительно мясом животных, называются плотоядными, тогда как те, кто питается либо растениями, либо мясом животных, называются всеядными. Еще одна важная экологическая ниша — редуценты. Эти организмы разлагают мертвые организмы или разлагающиеся ткани или превращают органические вещества в более простые соединения или вещества, питающие Землю. Например, грибы разлагают отмершие растительные или животные остатки. Они расщепляют клетки мертвых растений и животных на более простые вещества, которые становятся органическими питательными веществами, доступными для экосистемы.

Компоненты биосферы

Из чего состоит биосфера? Из каких 3 частей состоит биосфера? Биосфера состоит из трех компонентов: (1) литосферы, (2) атмосферы и (3) гидросферы. Однако не на всех из них есть живые существа, процветающие или населяющие их. Части, где жизнь обнаружена и поддерживается, являются единственными, которые считаются частями биосферы. Например, часть неба, где летают птицы, является частью биосферы. Напротив, более высокие слои атмосферы, которые не могут поддерживать жизнь, не считаются частью биосферы.

Абиотические компоненты

Ниже приводится описание этих трех абиотических компонентов биосферы:

Литосфера

Литосфера известна как наземный компонент биосферы. Например, он содержит твердые массивы суши, такие как наши континенты и острова.
Та часть, которая не поддерживает никакой жизни и, следовательно, не является частью биосферы, является ее нижней мантией и ядром. Все остальные части, кроме этой, поддерживают жизнь, от мельчайших бактерий до крупных млекопитающих и высоких деревьев, предоставляя им кров и пищу.

Атмосфера

Атмосфера – это газовая оболочка над Землей. Он содержит различные газы, такие как углекислый газ, кислород и другие газы, которые помогают живым организмам, таким как растения, животные и люди, поддерживать жизнь. Однако верхняя часть атмосферы имеет низкий состав кислорода; поэтому можно найти летающих птиц в районе 200 метров от Земли. Атмосфера, входящая в состав биосферы, играет особую роль в защите живых организмов от вредного солнечного ультрафиолетового излучения, помимо обеспечения их газами для дыхания.

Гидросфера

Гидросфера относится ко всем водам на Земле. Поэтому его еще называют водным регионом. Однако он также включает твердые формы, такие как ледников . Гидросфера, в которой поддерживается жизнь, играет важную роль в регулировании температуры на Земле. Более того, она поставляет воду, необходимую для всего живого.

Биотические компоненты

Что касается биотических компонентов, то к ним относятся растения, животные и микроорганизмы. Эти биологические компоненты также являются строителями пищевой цепи экосистемы.

Растения

Растения являются первичными производителями. Они производят пищу посредством фотосинтеза. Кроме того, они также известны как автотрофы. Они также принимают участие в переработке отходов. Однако они являются единственным первоисточником для каждого живого организма, включая животных и человека.

Животные

Это потребители. Они не могут производить пищу из неорганических источников.Они зависят от других источников, таких как растения или другие мелкие животные. Они также известны как гетеротрофы . Пища, которую они потребляют, используется для высвобождения энергии и сохранения ее для будущего использования. Энергия используется для роста и развития.

Микроорганизмы

Микроорганизмы составляют основную часть экосистемы. К ним относятся грибы, водоросли, бактерии, вирусы и т. д. Кроме того, они служат редуцентами, разлагая количество отходов или мертвых материалов. Они используют этот процесс разложения в качестве источника пищи.

Организационная структура биосферы

Биосфера в основном описывается ссылкой на всю жизнь и живые организмы вокруг Земли. Он состоит из пяти уровней организационной структуры:

(1) Биомы

Большая биосфера делится на большие части биомов. Ученые классифицировали биомы на пять разных типов: тундра, луга, леса, пустыни, и водные биомы . Реки, озера, моря, океаны и другие водные среды обитания населены большим разнообразием растений и животных.И наоборот, десерты — это самые засушливые районы Земли с наименьшим количеством осадков в год. Луга покрывают зеленые зоны Земли. Тем не менее, здесь выпадает умеренное количество осадков, но их недостаточно для выращивания больших деревьев. Леса – это участки, где преобладают большие деревья. Тундры — это обширный безлесный арктический регион, где недра вечной мерзлоты.

(2) Экосистема

Рисунок 1: компоненты экосистемы.

Предоставлено: Мария Виктория Гонзага из BiologyOnline.com.

Экосистема состоит из биологического сообщества и физической среды.Таким образом, он включает в себя как биотических , так и абиотических факторов. Живые существа и их физическая среда функционируют вместе как единое целое. Четыре типа экосистем: наземные, пресноводные, морские, и искусственные . Наземная экосистема представляет собой экосистему, расположенную на суше, примером которой являются пастбищная экосистема и лесная экосистема. Пресноводная экосистема представляет собой водную экосистему, примером которой являются стоячие и лотические экосистемы. Морская экосистема представляет собой экосистему соленой воды и поэтому встречается в морях и океанах.Искусственная экосистема — это искусственная система, такая как террариум .

(3) Сообщество видов

Поскольку биосфера отличается большим разнообразием, различные виды составляют сообщество. Эти виды выживают в районах, где абиотические факторы, такие как температура, рН и питательные вещества, приемлемы или оптимальны. Однако биологическое сообщество определяется как совокупность взаимодействующих организмов (одного и того же или разных видов), сосуществующих в определенной области и в определенное время.

(4) Популяция

Все представители определенного вида, живущие в одном месте обитания, известны как популяция. Численность популяции может варьироваться от нескольких до тысяч человек. Перенаселенность — это состояние, при котором популяция вида превышает пропускную способность экологической ниши. Сокращение населения, наоборот, означает уменьшение размера. Сокращение численности популяции в течение короткого периода времени называется узким местом популяции .

Превышение численности населения может привести к борьбе за выживание. Виды будут конкурировать со всеми за ограниченные ресурсы. Таким образом, были установлены различные симбиотические отношения. Говорят, что те, кто склонен давать и брать в отношениях, находятся в мутуализме, тогда как те, кто имеет тенденцию причинять вред другим организмам, могут находиться в паразитическом или хищническом виде симбиоза. Здесь также вступает в действие естественный отбор. Виды, обладающие полезными или благотворными вариациями, называются « благоприятными » и, таким образом, способны процветать и размножаться по сравнению с теми, которые имеют менее благоприятных признаков.

(5) Организмы

Организмы – живые существа биосферы. Одной из особенностей, отличающих их от неживого материала, является наличие клеточной организации и системы, обеспечивающей различные жизненные процессы. Внутри клетки находится генетический материал, несущий код всех видов биологической активности и размножения. . Это могут быть эукариоты и прокариоты. Например, люди, растения и животные — эукариоты, а бактерии — прокариоты. Их можно идентифицировать по наличию эндомембранной системы и внутренней компартментализации, приводящей к образованию различных органелл.Эукариоты обладают такими свойствами, а прокариоты — нет.

Факторы, влияющие на биосферу

Биосфера вокруг Земли постоянно изменяется за счет живых и неживых существ. Различные факторы влияют на биосферу и деятельность живых организмов, охваченных экосистемой. Следующие три фактора по-разному влияют на биосферу:

Наклон Земли . Наклон Земли сильно влияет на биосферу.Поскольку это делает одну сторону Земли более прохладной в течение некоторого времени, тогда как другая сторона остается более теплой в течение определенного периода времени. Времена года являются одним из физических факторов, определяющих типы видов, которые будут процветать в конкретном регионе.
Стихийное бедствие с. Стихийные бедствия могут оказать огромное и долгосрочное воздействие на биосферу. Такие стихийные бедствия, как извержение вулкана, землетрясения, наводнения и т. д., разрушают биосферу. Камень, вода, лава и другие возможные вещи разрушают экосистему.
Некоторые более мелкие факторы . Другие более мелкие факторы, такие как изменение климата, воды, эрозия почвы или любые другие изменения, влияют на биосферу и нарушают жизнь различных видов.

Значение биосферы

Биосфера – это связь между здоровой жизнью живых организмов и их взаимодействием. Небольшие изменения в биосфере могут оказать большое влияние на жизнь живых организмов. Однако эта связь делает биосферу важной для всего живого.Некоторые из них перечислены ниже:

Содействие жизни на Земле. Основная причина и значение биосферы в том, что она способствует жизни на Земле. Приспосабливаясь к различным изменениям окружающей среды, благоприятным климатическим условиям и источнику энергии в качестве пищи, все живые организмы на Земле поддерживают жизнь на земной поверхности:
Органическое вещество:
Биосфера помогает в переработке питательных веществ , таких как кислород и азота для поддержания жизни на Земле.
Предоставление продуктов питания или сырья . Каждое живое существо нуждается в пище, чтобы выжить; таким образом, биосфера играет важную роль в обеспечении пищей различных животных и растений.

Факты о биосфере

Есть много интересных фактов и цифр о биосфере. Вот некоторые из них:

Эволюция биосферы в процессе биопоэза и биогенеза. Биопоэз известен как процесс эволюции жизни из неживого, тогда как биогенез относится к процессу эволюции жизни из живой материи.
Ученые подсчитали общее количество в 8,7 млн различных видов в биосфере. Около 2,2 миллиона живут под водой и 6,5 миллиона на суше.
Фактическая глубина биосферы остается неясной. Подсчитано, что некоторые из рыб живут на глубине менее 8300 метров.
Естественная биосфера Земли известна как биосфера 1. Однако некоторые искусственные или созданные человеком биосферы, такие как Биосфера 2 и Биосфера 3, были созданы в первую очередь для исследовательских целей.
Гидросфера – самая большая часть биосферы. Она покрывает 71% поверхности Земли.
По оценкам, биосфера простирается на 21 500 метров от поверхности Земли до глубин океана.

Биосферный заповедник

Жизнь и будущее биосферы зависят от деятельности и взаимодействия людей с окружающей средой или средой их обитания. Например, биосфера и жизнь видов могут нарушаться либо увеличением, либо уменьшением содержания кислорода или углекислого газа в атмосфере.Это также вызвано деятельностью человека, такой как сжигание лесов, загрязнение окружающей среды и другие.

Первая биосфера была обнаружена в Янгамби, Демократическая Республика Конго. Однако по всему миру насчитывается 563 различных биосферных заповедника. Более того, ученые обнаружили новую биосферу в Яю, Эфиопия. Кроме того, они будут использовать эти резервы для сельского хозяйства.

Некоторые примеры биосферных заповедников включают в себя:

Gran Arenal в AUTRALIA
Фуэртевентура в Испании
Биосферные заповедники ЮНЕСКО (см. Видео ниже, чтобы узнать об этом и как это работает)

Пример биосферы

Естественная биосфера Земли называется биосферой 1 . Однако из-за человеческого любопытства они построили искусственную биосферу, известную как biosphere2 . Биосфера 2 известна как искусственная лаборатория в Оракле, штат Аризона. Первоначальной целью проекта было изучение различных факторов и получение соответствующей информации. Это было сделано с 1991 по 1994 год. Они сделали его похожим на большую теплицу с точки зрения конструкции. Разные группы людей просто пытались жить под объектом и работать на нем.

«Биосфера-2» должна была стать миссией на 100 лет, но, к сожалению, через четыре года провалилась.Однако за эти четыре года пять биомов рассеялись по биосфере, и ученым предстоит столкнуться с трудностями и, к сожалению, закрыть проект.

Кроме того, он по-прежнему открыт для исследовательской работы и экскурсий. Вы можете легко совершить экскурсию по местности и исследовать различные части и факторы биосферы.

Попробуйте ответить на приведенный ниже тест, чтобы проверить, что вы уже узнали о биосфере.

Биосфера: определение и объяснение — видео и расшифровка урока

Чем не является биосфера

Поскольку Земля такая большая, существует почти безграничное количество способов ее изучения.Одним из простейших средств, с помощью которых наука классифицирует различные аспекты Земли, является ее разделение на «сферы»:

Литосфера состоит из земной коры и верхней части ее мантии.
атмосфера — это то, что мы называем «воздухом», или смесью газов, удерживаемых вокруг земли ее гравитационным притяжением.
Гидросфера — это сумма всей земной воды в любой форме, будь то на земле в виде жидкости или льда или в облаках в виде водяного пара.

Все эти сферы взаимодействуют друг с другом с помощью множества различных средств, таких как круговорот воды и биогеохимические циклы, такие как циклы углерода и азота.

Что такое биосфера

Биосфера — это четвертая сфера, состоящая из мест, где может быть найдена жизнь. Поскольку жизнь существует в воздухе, на земле и на земле, на воде и в воде, биосфера перекрывает, соединяет и влияет на все остальные сферы — и все они влияют на биосферу.

Однако, учитывая огромное количество организмов на Земле, биосфера на самом деле довольно мала по размеру. Большая часть жизни биосферы находится между 500 метрами ниже поверхности океана и шестью километрами над поверхностью земли, хотя есть организмы, особенно микроорганизмы, способные жить на гораздо больших и меньших глубинах. Биосфера довольно старая; его создание совпадает с появлением первых бактерий около 3,5 миллиардов лет назад. По мере того, как жизнь менялась и становилась более сложной, менялась и биосфера.

Биосфера в иерархии жизни

Какое место занимает биосфера в иерархии жизни? Поскольку он охватывает все места, где существует жизнь, можно было бы ожидать, что он находится на вершине пирамиды, и вы были бы правы:

Непосредственно под биосферой этой пирамиды находятся биомов , или больших сообществ организмов, определяемых определенным климатом. Ниже биомов в иерархии находятся экосистем , которые обычно определяются как еще более узкие и специализированные популяции организмов, взаимодействующие с неживыми частями окружающей среды.

Значение биосфер

Изучение биосферы является основой для экологии , изучения жизни и ее взаимодействия с физической средой. Например, на изображении здесь красный цвет символизирует высокую концентрацию водорослей и растительного планктона в океанах, а зеленый — большое количество наземных растений.

Биосфера визуализируется на основе расположения зеленых растений и водорослей.

Поскольку растения являются первичными производителями , то есть они находятся в нижней части пищевых сетей, они являются хорошим индикатором того, где можно найти другие формы жизни.Экологи отслеживают эти типы данных, чтобы попытаться предсказать, что произойдет с окружающей средой. Информация, которую они получают, может помочь нам подготовиться к событиям, затрагивающим людей, таким как засуха или сильные штормы.

Как меняются биосферы?

Поскольку Земля постоянно меняется, биосфера постоянно меняется.

Человек оказал огромное влияние на биосферу. Безудержное использование ископаемого топлива изменило состав атмосферы, так что она содержит больше парниковых газов.Это, в свою очередь, привело к повышению общей температуры земли, особенно за последние 100 лет. Две карты ниже температурных неоднородностей, которые произошли между 1970 и 1979 годами (внизу) и 2000 и 2009 годами (вверху). Красный означает более высокие температуры, чем обычно, а синий означает более низкие.

Повышение глобальной температуры за последние 40 лет.

Более высокие глобальные температуры могут означать все, от изменения моделей миграции птиц до увеличения цветения водорослей в океане. Другие факторы, такие как загрязнение, усиление кислотных дождей, вырубка лесов и все более пористый озоновый слой, оказали свое влияние на атмосферу, литосферу и гидросферу. В результате получается совсем другой взгляд на биосферу.

Резюме урока

Биосфера — это часть Земли, на которой существует жизнь — совокупность всех биомов Земли. Он расположен на вершине иерархии подобных, над общими группами, такими как биомов , которые представляют собой большие сообщества организмов, определяемые особым климатом, и экосистем , которые обычно определяются как еще более узкие и специализированные популяции организмов. которые взаимодействуют с неживыми частями окружающей среды.

Другими сферами на Земле являются литосфера , состоящая из земной коры и верхней части ее мантии, атмосфера , смесь газов, удерживаемая вокруг земли ее гравитационным притяжением, и гидросфера общая сумма всей земной воды в любой форме.

Все эти сферы взаимодействуют друг с другом, причем биосфера соприкасается и воздействует на них всех. Биосфера является основой изучения экологии , или изучения жизни, в котором ученым нравится изучать такие вещи, как первичных производителей , которые находятся на дне пищевых сетей, они являются хорошими индикаторами того, где другие можно найти формы жизни.

Люди оказали большое влияние на биосферу из-за нашей роли в изменении климата, загрязнении и вырубке лесов.

Биосфера: значение, примеры и факты

Биосфера также известна как экосфера. Это всемирная сумма всех экосистем, включающая все формы жизни и их взаимоотношения, в том числе их взаимодействие с элементами атмосферы, гидросферы и литосферы.

Проще говоря, биосфера — это пространство на поверхности Земли или вблизи нее, где земля, воздух и вода взаимодействуют друг с другом для поддержания жизни.Он колеблется от высот до 12500 метров над уровнем моря до глубин не менее 8000 метров в океане.

Считается, что биосфера сформировалась около 3,5 миллиардов лет назад. Есть множество других интригующих фактов об этой зоне, которые вы, возможно, захотите узнать. Но прежде чем мы рассмотрим некоторые факты, давайте рассмотрим важность биосферы .

Значение биосферы

Биосфера играет неотъемлемую роль в поддержании жизни организмов и их взаимодействий.Это жизненно важный элемент в регулировании климата. А именно, изменение биосферы вызывает изменение климата .

Более того, биосфера является неотъемлемым резервуаром углеродного цикла. Давайте разобьем все это на 7 пунктов, которые легче понять:

1. Способствует жизни на Земле

Для выживания организмов на Земле должны существовать различные условия окружающей среды, такие как благоприятная температура и влажность. Организмы также нуждаются в энергии и питательных веществах.Все минеральные и животные питательные вещества, необходимые для поддержания жизни, находятся в биосфере Земли.

Питательные вещества, присутствующие в мертвых организмах или продуктах жизнедеятельности клеток, снова превращаются в соединения, которые другие формы жизни могут использовать в качестве пищи. Эта рециркуляция питательных веществ важна, потому что вне биосферы нет источника пищи.

2. Производство органических веществ

Кислород и азот производятся в биосфере в результате кислородного фотосинтеза. Эти вещества ответственны практически за каждый биохимический процесс производства органических веществ.Органическое вещество образуется в ходе углеродного цикла, в котором участвуют как наземные, так и органические субстраты.

3. Обеспечивает сырьем и продуктами питания

Живые компоненты биосферы, также известные как биота, играют неотъемлемую роль в обеспечении нас сырьем, необходимым для выживания: пищей, топливом и клетчаткой.

4. Очищает Землю от токсичных веществ

Естественные циклы разложения и биологической модификации, происходящие в биосфере, помогают планете Земля выводить токсины и другие компоненты, которые могут быть опасны для жизни.Например, углекислый газ утилизируется в процессе фотосинтеза, а органические отходы повторно используются биотой.

5. Обеспечить фармацевтические соединения

Практически все вещества, используемые сегодня в фармацевтической промышленности, получены из соединений, которые естественным образом существуют в земной биосфере.

Продолжающиеся биологические исследования в регионах с высокой биологической плотностью, таких как Амазонка в Южной Америке и Юго-Восточной Азии, предоставили ученым новые элементы, которые использовались в фармацевтических целях, от химиотерапии до косметических процедур.

6. Может служить маркером загрязнения

Изучение и контроль состава биосферы могут служить эффективным маркером для контроля уровня загрязнения земли. Это также поможет установить, действительно ли международные договоры и государственная политика оказали реальное влияние на существующие уровни загрязнения планеты.

Таким образом, на основе информации, полученной в результате изучения биосферы, можно проводить исторические, а также межрегиональные сравнения, показывающие изменения и вариации уровней загрязнения в различных экосистемах.

7. Может помочь отслеживать загрязняющие вещества

Изучив состав биосферы, вы сможете точно сказать, что представляют собой загрязняющие вещества, вызванные деятельностью человека, и как они действуют.

Это помогло бы государствам и международному сообществу инициировать исследования и политику, направленные на борьбу с загрязнителями и сохранение физической окружающей среды.

Теперь давайте быстро взглянем на примеры биосферы, прежде чем мы закончим с фактами.

Примеры биосферы

Биосфера состоит из живых организмов и физической среды. Физическая среда состоит из неживых компонентов, таких как каменистое вещество земной коры, вода, свет и атмосферный газ.

Все формы жизни в биосфере подразделяются на разные уровни сложности. Слои варьируются от отдельного организма до популяций и экосистем. Экосистема включает в себя все живые существа в данной области, а также все неживые компоненты этой области.

Экосистемы можно разделить на несколько основных биомов. Каждый биом характеризуется определенным типом географии, климата и растительности. Примеры биомов в биосфере включают:

15 важных фактов о биосфере

Факт 1: Геологу Эдуарду Зюссу приписывают введение термина «биосфера» в 1875 году. Он определил биосферу как место на поверхности земли, где обитает жизнь.

Факт 2: Считается, что биосфера эволюционировала.Эта эволюция началась с процесса биопоэза или биогенеза по крайней мере 3,5 миллиарда лет назад. Биопоэз — это процесс, в ходе которого жизнь создается естественным образом из неживой материи, а биогенез — это процесс, в котором жизнь создается из живой материи.

Факт 3: Пока что биосфера — единственное место во Вселенной, где существует жизнь.

Факт 4: Многие элементы играют жизненно важную роль в существовании биосферы. К ним относятся наклон Земли, расстояние от Земли до Солнца и времена года.

Факт 5: По мнению ученых, Земле около 3,7 миллиарда лет. Это означает, что биосфера примерно того же возраста.

Факт 6: Точную внешнюю границу биосферы определить трудно. Это связано с тем, что некоторые птицы, стервятники Руппеля, могут летать на высоту до 11 300 метров.

Факт 7: Глубину биосферы также трудно определить. Известно, что некоторые рыбы обитают на глубине до 8300 метров в желобе Пуэрто-Рико.

Факт 8: Биосфера разделена на несколько биомов, населенных во многом сходной флорой и фауной. Широта — главный элемент, разделяющий биомы на суше. Биомы Арктического и Южного полярных кругов несколько лишены растительной и животной жизни. Большинство густонаселенных биомов находятся вблизи экватора.

Факт 9: Биосфера состоит больше из воды, чем из суши.

Факт 10: Помимо земной биосферы существуют еще и искусственные биосферы, к которым относятся Биосфера 2 и Биосфера 3.Биосфера 1 – это биосфера Земли.

Факт 11: Биосфера 2 находится в США в городе Оракл, штат Аризона. Это научно-исследовательский центр, крупнейшая в мире искусственная замкнутая экологическая система. Его первоначальная цель состояла в том, чтобы определить возможность такой системы поддерживать жизнь в космосе. Биосфера 2 использовалась только дважды, поскольку возникли проблемы, связанные с кислородом и едой, а также с проблемами управления.

Факт 12: Биосфера 3 базируется в России.Эта закрытая экосистема представляет собой подземную стальную конструкцию, в которой могут разместиться 3 человека. Самый продолжительный эксперимент в «Биосфере-3» длился 180 дней.

Факт 13: Ученые продолжают работу над созданием искусственной биосферы, которая сможет поддерживать жизнь на других планетах, таких как Марс.

Факт 14: Существование внеземных биосфер остается гипотезой. Еще предстоит доказать, что существуют другие биосферы за пределами Земли.

Факт 15: По всему миру существует множество биосферных заповедников, где предпринимаются согласованные усилия по сохранению окружающей среды. На самом деле существует 669 биосферных заповедников, расположенных в 120 странах мира.

Ссылки

https://www.nationalgeographic.org/encyclopedia/biosphere/

https://www.britannica.com/science/biosphere/The-importance-of-the-biosphere

Фото: Penstones

Биосфера — обзор | ScienceDirect Topics

11.2 Сравнительный анализ энергетики биосферы и техносферы

Биосфера как открытая термодинамическая система существует за счет постоянного потока солнечной энергии.Земля ежегодно получает 3,5×10 ²⁴ Дж солнечной энергии, что обеспечивает работу климатической машины. Результатом функции «зеленого покрова» является 5,5 × 10 ²¹ Дж/год новой биомассы. Таким образом, хотя растительность является основным концентратором и преобразователем солнечной энергии в биосфере, она использует только 0,16% солнечной энергии для создания новой биомассы. Остальное расходуется на процесс транспирации листьями, обеспечение транспорта воды и питательных веществ и т. д. Примерно 60 % его сразу используется на дыхание, а остальные 40 % составляют годовой мировой продукции , равной 2.3 × 10 ²¹ Дж/год (Свирежев, Свиреева-Хопкинс, 1998).

Энергетические характеристики биосферы существенно не изменились с начала эры сосудистых растений (около миллиарда лет назад). Коэффициент эффективности автотрофного звена, функционирование которого составляет энергетическую основу эволюции животных, равен η = 2,3 × 10 ²¹ /3,5 × 10 ²⁴ ≈ 0,66 %.

Стабильность биосферы поддерживается постоянным рассеянием энергии.Другими словами, биосфера представляет собой типичную диссипативную систему . Этот поток энергии обеспечивает стационарное состояние 1,84·10 ¹⁸ г живой биомассы (или 3,5·10 ²² Дж), а животная биомасса составляет всего 0,8% от нее, т.е. 1,46·10 ¹⁶ г. Животные потребляют всего 3% ЧПП (7,35 × 10 ¹⁹ Дж/год) (Смил, 1991), что обеспечивает как метаболизм живого вещества, так и его разнообразие. Последняя является информационной основой эволюции .

В настоящее время техносфера Земли (наша технологическая цивилизация) затрачивает около 3 × 10 ²⁰ Дж/год на обеспечение своего функционирования и эволюции (Свирежев, Свиреева-Хопкинс, 1998). В основном это энергия ископаемого топлива и ядерная энергия. Доля «чистой» энергии биосферы (ГЭС и дрова) в этом балансе невелика (~5%).

Очевидно, что Homo sapiens является составной частью как биосферы, так и техносферы. Если рассматривать человека как животное, то все энергетические потребности человека удовлетворяются за счет пищи, а годовая энергетическая потребность человека в пище составляет 4×10 ⁹ Дж.Для современной численности 90 007 Homo sapiens 90 008 (≈6 × 10 90 545 9 90 546 особей) годовая энергетическая потребность в пище равна 2,4 × 10 90 545 19 90 546 Дж/год. Сравнивая эти значения, мы видим, что потребность человечества в энергии ( как биологического вида ) в настоящее время равна одной трети всей биологической энергии биосферы, которая доступна животным (7,35 × 10 ¹⁹ Дж/год). На рис. 11.1 представлена динамика потребности человечества в пищевой энергии с использованием реконструкции роста населения с эпохи неолита.До неолитической революции, когда человек сменил свое поведение с собирательства на производство пищи, он был частью биосферы, ничем не отличавшейся от других животных.

Рис. 11.1. Энергетическая потребность человечества в пище, 1 ГДж = 10 ⁹ Дж.

На момент неолитической революции человеческая популяция насчитывала 4×10 ⁶ особей и требовала энергообеспечения 1,6×10 ¹⁶ Дж/год, что составляло 0,022% от общего потока энергии для всех животных.

Согласно физической теории флуктуаций (Ландау и Лифшиц, 1995) вероятность флуктуации, которая может привести к элиминации Homo sapiens , равна: ]=exp[-1,6×10167,35×1019]≈99,98%.

Со времен неолита и до начала промышленной революции (на рубеже XVIII и XIX веков) при наличии собственного источника энергии (ископаемого топлива) Человек был лишь частью биосферы. Люди конкурировали с другими видами и увеличили свою потребность в энергии до 4 × 10 90 545 18 90 546 Дж/год, так что вероятность их ликвидации уменьшилась до Pr’ = exp[–4 × 10 90 545 18 90 546 /7,35 × 10 ¹⁹ ] ≈ 94,8%. Глядя на эти цифры, можно сказать, что Homo sapiens как биологическому виду очень повезло, что он не был уничтожен до возникновения техносферы.

ЧПП биосферы, 2,3 × 10 ²¹ Дж/год, представляет собой поток энергии, поддерживающий разнообразие биоты.Даже сейчас поток энергии, используемый техносферой, 3 × 10 ¹⁹ Дж/год, составляет лишь около 13% биосферного NPP. В настоящее время биосфера и техносфера находятся в состоянии жесткой конкуренции за общие ресурсы, такие как площадь суши и пресная вода. Загрязнение окружающей среды и сокращение разнообразия биоты – последствия конкуренции.

Поскольку биосфера (рассматриваемая как открытая термодинамическая система) находится в состоянии динамического равновесия, то и все потоки энтропии должны быть уравновешены. Поэтому избыток энтропии, создаваемый техносферой, должен компенсироваться за счет двух процессов: (1) деградации биосферы и (2) изменения работы климатической машины Земли (в частности, увеличения средняя температура Земли).

Предположим, что вся энергия, потребляемая техносферой, превращается в тепло Q . Тогда годовая энтропия, производимая техносферой, равна Земля равна 14°C.Полное уничтожение биоты, которое, как мы полагаем, эквивалентно ее полному сгоранию, дает нам следующее значение энтропии: К. Если предположить, что энергоемкость техносферы не будет увеличиваться, то этого «антиэнтропийного запаса» биоты будет достаточно, чтобы компенсировать энтропию, производимую техносферой в течение следующих 120 лет. Если бы эта техногенная энтропия компенсировалась разрушением почвы, то агония продолжалась бы в течение 300–400 лет, так как запасы органического вещества в почве в 3–4 раза больше, чем в биоте.

Геобиология: изучение границы между биосферой и геосферой

РЕФЕРАТ

Коллоквиум был созван Американской академией микробиологии для обсуждения вопросов, касающихся пересекающихся областей биологических и геологических наук. Коллоквиум проходил в Тусоне, штат Аризона, 1–3 декабря 2000 г. Основные выводы коллоквиума кратко изложены ниже.

Может показаться, что живое от неживого отделяет широкая пропасть. Однако при ближайшем рассмотрении эти две сферы не располагаются на отдельных хребтах, а соединяются вместе, образуя единую пышную территорию.Геологическая и биологическая деятельность интегрированы, и они глубоко влияют друг на друга. Это взаимодействие сформировало Землю и всех существ на ней. Исследования геобиологии — настоящих и прошлых взаимодействий между жизнью и неживой материей — обещают раскрыть секреты жизни, ее происхождения и эволюции, а также ее нынешних функций на нашей планете. Подобные исследования имеют и огромный практический потенциал.

Давным-давно жизнь возникла из химических веществ. По мере появления новых существ их деятельность меняла окружающую среду.Измененное окружение, в свою очередь, привлекло различные типы организмов, которые снова изменили окружающий их мир. Геобиологические взаимодействия создали газы, которыми мы дышим, и почву в наших лесах. Они способствуют глобальному потеплению и некоторым формам загрязнения, однако знание геобиологических процессов предлагает стратегии решения некоторых из этих проблем и повышения качества жизни на нашей планете другими способами.

Новая дисциплина геобиология принесет множество захватывающих интеллектуальных и практических наград.Геобиологи надеются, например, понять, как зародилась жизнь и как она развивалась. Кроме того, они стремятся определить, как условия окружающей среды повлияли на эти процессы и, в свою очередь, были изменены жизнью. Понимание прошлого даст нам возможность предсказывать будущее. Земля уже провела много экспериментов в ходе своей эволюции, но из-за сложности геобиологических взаимодействий мы в настоящее время не можем расшифровать лабораторную тетрадь нашей планеты. Текущие и будущие исследования улучшат нашу способность читать соответствующие записи, интерпретировать их и делать прогнозы на основе прошлых результатов.

Многие геобиологические процессы влияют на качество окружающей среды и здоровье людей, что, в свою очередь, влияет на экономику и рабочую силу. В результате критические вопросы общественной и научной политики требуют участия в этой области. Изучение геобиологии предлагает значительные выгоды, которые во многих отношениях затрагивают общество. Чтобы использовать возможности, нам нужно сосредоточить разнообразные ресурсы на этой быстро развивающейся и чрезвычайно многообещающей новой области.

Спесьнная материя

Американская академия микробиологии желает выразить свою благодарность за щедрую поддержку этого проекта со следующих организаций:

Американское общество для микробиологии
Национальный научный фонд
U.S. ДЕПАРТАМЕНТ ЭНЕРГЕТИКИ
ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ СЛУЖБА США

Мнения, выраженные в данном отчете, принадлежат исключительно участникам коллоквиума.

СОВЕТ ГУБЕРНАТОРОВ, АМЕРИКАНСКАЯ АКАДЕМИЯ МИКРОБИОЛОГИИ

Юджин В. Нестер, доктор философии. (председатель) Вашингтонский университет

Джозеф М. Кампос, доктор философии. Детский национальный медицинский центр, Вашингтон, округ Колумбия

Р. Джон Коллиер, доктор философии. Гарвардская медицинская школа

Мари Б.Койл, доктор философии Медицинский центр Харборвью, Вашингтонский университет

Джеймс Э. Дальберг, доктор философии. Университет Висконсина, Мэдисон

Джулиан Э. Дэвис, доктор философии. Cubist Pharmaceuticals, Inc., Ванкувер, Британская Колумбия, Канада

Арнольд Л. Демен, доктор философии. Университет Дрю

Люсия Б. Ротман-Денес, доктор философии. Чикагский университет

Энн М. Скалка, доктор философии. Онкологический центр Fox Chase, Филадельфия, Пенсильвания

Абрахам Л.Соненшайн, к.т.н. Медицинский центр Университета Тафтса

Дэвид А. Шталь, доктор философии. Вашингтонский университет

РУКОВОДЯЩИЙ КОМИТЕТ КОЛЛОКИУМА

Кеннет Нилсон, доктор философии. (сопредседатель) Университет Южной Калифорнии

Уильям К. Гиорс, доктор философии. (сопредседатель) Корнельский университет

Эдвард Ф. Делонг, доктор философии. Монтерейский научно-исследовательский институт аквариумов залива, Монтерей, Калифорния

Эбигейл А. Сальерс, доктор философии.D. Университет Иллинойса

Джеймс Т. Стейли, доктор философии. Вашингтонский университет

УЧАСТНИКИ КОЛЛОКИУМА

Ариэль Анбар, доктор философии. Университет Рочестера

Энрикета Баррера, доктор философии. Национальный научный фонд

Деннис А. Базылински, доктор философии. Университет штата Айова

Терренс Дж. Беверидж, доктор философии. University of Guelph, Онтарио, Канада

Gordon E. Brown, Jr., Кандидат наук. Стэнфордский университет

Пан Конрад, доктор философии. Лаборатория реактивного движения НАСА, Пасадена, Калифорния

Эдвард Ф. Делонг, доктор философии. Научно-исследовательский институт аквариумов Монтерей-Бей

Давид Де Марэ, доктор философии. Исследовательский центр Эймса НАСА, Моффет Филд, Калифорния

Сюзанна Дуглас, доктор философии. Лаборатория реактивного движения НАСА, Пасадена, Калифорния

Катрина Дж. Эдвардс, доктор философии. Океанографический институт Вудс-Хоул, Вудс-Хоул, Массачусетс

F.Грант Феррис, доктор философии. Университет Торонто, Онтарио, Канада

Стивен Э. Финкель, доктор философии. Университет Южной Калифорнии

Брюс В. Фоук, доктор философии. Университет Иллинойса

Джеймс К. Фредриксон, доктор философии. Battelle Pacific Northwest National Lab, Richland, WA

E. Imre Friedmann, Ph.D. Университет штата Флорида

Томас Л. Кифт, доктор философии. Технологический университет Нью-Мексико

Уильям У.Меткалф, доктор философии. Университет Иллинойса

Элисон Э. Мюррей, доктор философии. Исследовательский институт пустыни, Рено, Калифорния

Кеннет Нилсон, доктор философии. Университет Южной Калифорнии

Юджин В. Нестер, доктор философии. Вашингтонский университет

Чарльз Полл, доктор философии. Монтерейский научно-исследовательский институт аквариумов залива, Монтерей, Калифорния

Эбигейл А. Сальерс, доктор философии. Университет Иллинойса

Дэвид А. Шталь, Ph.D. Вашингтонский университет

Джеймс Т. Стейли, доктор философии. Вашингтонский университет

Брэдли М. Тебо, доктор философии. Институт океанографии Скриппса, Ла-Хойя, Калифорния

Александр Цапин, доктор философии. Лаборатория реактивного движения НАСА и Калифорнийский технологический институт, Пасадена, Калифорния

ПЕРСОНАЛ

Кэрол А. Колган, директор Американская академия микробиологии

Элизабет Хьюстон, ассистент программы Американская академия микробиологии

Эвелин Штраус, Ph. D. Santa Cruz, CA

РЕЗЮМЕ

ВВЕДЕНИЕ

Живые существа и неодушевленные миры, в которых они обитают, танцуют сокровенное танго.Когда каждый партнер играет в такт Природе, другой отвечает в гармонии. Организмы изменяют свое окружение как часть своей обычной деятельности, и, в свою очередь, измененное окружение способствует развитию различных типов жизни и измененных способов жизни. Это взаимодействие Жизни с Землей сформировало нашу нынешнюю окружающую среду. Действительно, Жизнь и Земля посредством этого «Геобиологического Танго» продолжают хореографию совместной эволюции биосферы и геосферы. Понимание подробной истории и работы этих взаимодействий даст представление о происхождении и эволюции геобиологического мира.Изучение хореографического оформления танго поможет нам лучше управлять экологическими делами и прольет свет на пути к их будущему.

Окружающая среда порождает инновации в биологии с тех пор, как зародилась сама жизнь. Раньше на нашей планете грань между жизнью и не-жизнью была намного тоньше, чем кажется сегодня. В какой-то момент неодушевленные химические вещества и физические силы взаимодействовали по-новому, создавая соединения и реакции, которые сделали возможной жизнь. По мере того, как биология шевелилась, ее деятельность распространяла рябь по неодушевленному миру.Бактерии, водоросли и, в конце концов, растения накачивали кислород в воздух, например, коренным образом меняя состав атмосферы и способствуя развитию существ, дышащих этим газом. Микробы в почве захватывали важные минералы азота из горных пород и упаковывали их в формы, которые другие существа могли использовать для создания необходимых молекул, таких как белки. Такая деятельность изменила окружающую среду, сделав среду обитания более удобной для одних организмов и более суровой для других. Возникшие в результате потоки видов и их специализированная биохимическая активность, в свою очередь, оказали влияние на окружающую среду.Таким образом, интерактивный цикл между живыми существами и их геологическим окружением никогда не прекращается. Например, геологические материалы служат источниками энергии (донорами электронов) для литотрофного метаболизма и акцепторами электронов для многих типов анаэробного дыхания. Это часто приводит к непреднамеренному растворению и/или образованию минералов. Организмы, особенно более сложные эукариотические организмы, развили исключительную способность создавать структурные материалы, такие как кальцит, силикаты, целлюлоза и хитин.Эти «биоминералы» позволили организмам стать большими трехмерными структурами, например, для подавления гравитации, для повышения эффективности хищников и для использования в качестве защитных структур от других хищников. Возможно, не менее важно то, что они снабдили нас летописью окаменелостей, подробно описывающей большую часть недавней истории жизни на нашей планете.

Геобиологические исследования раскроют эти события и прояснят их детали. Расширение знаний в этой области улучшит наше понимание того, как планета Земля развивалась и продолжает развиваться.В дополнение к раскрытию основных механизмов природных процессов, сформировавших Землю, мы узнаем подробности и экологические последствия текущей деятельности человека. Такое понимание позволит нам изменить определенные виды деятельности таким образом, чтобы исцелить и сохранить окружающую среду.

Кроме того, мы можем разработать способы применения геобиологических явлений в поисках решений некоторых наших экологических проблем. Некоторые взаимодействия между живыми существами и материей, например, улучшают качество жизни других существ и указывают на дальнейшие изобретения, которые могут основываться на этих естественных историях успеха. Многие микробы превращают яды, такие как тяжелые металлы, в безвредные соединения или переупаковывают их так, что они становятся физиологически недоступными. Другие разлагают органические загрязнители, восстанавливают основные питательные вещества в истощенной почве или действуют как поглотители парниковых газов, таких как углекислый газ, из атмосферы. Понимание как биологии, так и геологии имеет решающее значение для решения многих важных социальных проблем, включая качество подземных вод, загрязнение окружающей среды, потерю продуктивных сельскохозяйственных угодий и глобальное потепление.

Геобиологические исследования могут принести и другие преимущества. Многие микробы производят химические вещества практического применения, такие как этанол, который напрямую влияет на цену бензина, более дешево и экономно, чем промышленные процессы. Одни производят уникальные комплексные соединения, которые пока не могут быть синтезированы промышленностью, а другие производят соединения с особыми свойствами, поддающимися конкретным инженерным задачам. Более глубокое понимание геомикробиологических процессов может легко привести к созданию новых продуктов.

Хотя ученые могут привести множество отдельных примеров того, как биология влияет на окружающую среду и наоборот, они не в полной мере понимают, как эти взаимодействия изменились с течением времени или как они все сочетаются друг с другом. Кроме того, большие пробелы затрудняют наше понимание критических событий прошлого, а гигантские пробелы мешают нашей способности объяснить, какие силы привели к конкретным событиям или почему определенные организмы и сообщества реагировали на обстоятельства именно так, как они это делали. Чтобы интерпретировать прошлую историю Земли или предсказать ее будущее, ученые должны раскрыть историю того, как геосфера и биосфера развивались совместно.Изучая современную геобиологию, ученые надеются заполнить ее историю и лучше предсказать траекторию движения Земли в будущем.

Этот коллоквиум был организован для разработки планов, в которых будут описаны проблемы, стоящие перед зарождающейся областью геобиологии, для разработки планов, направленных на решение проблем, и предложения некоторых решений. Хотя владения геологии и биологии созрели независимо друг от друга, пересечение этих двух областей остается относительно незрелым и недостаточно развитым.Под влиянием повышенного интереса к жизни в отдаленных и экстремальных условиях быстро расширяются границы геобиологии. Широта и охват этой расширяющейся дисциплины должны быть более четко определены и направлены. Интеллектуальные, экономические, социальные и образовательные проблемы, связанные с достижениями в этой области, должны быть предвидены, определены и проанализированы для создания плана действий. Необходимо составить и оценить список неотложных научных вопросов, чтобы направлять и адекватно финансировать научные исследования.Критическое вмешательство в это время экспертов в пересекающихся и смежных областях должно помочь направить развитие области и привести ее к ее полному потенциалу.

Взаимодействия между микробным и геологическим мирами представляют собой большую полосу взаимодействия между живыми организмами и геосферой, в которой они обитают. Таким образом, большинство примеров в этом документе посвящены геомикробиологии. Хотя общепризнано, что животные и растения в значительной степени взаимодействуют с геосферой, участники коллоквиума сосредоточили внимание на геомикробиологии по двум причинам: (i) она отражает их опыт и (ii) период времени, в течение которого геосфера и биосфера развивались совместно. Известно, что в нем преобладают микробы.Более сложные эукариотические организмы возникли относительно недавно. Участники коллоквиума признают, что деятельность животных, растений и других сложных организмов оказывает и будет оказывать огромное влияние на геобиосферу. Они прогнозируют и надеются, что будущие геобиологические исследования будут включать все больший вклад научных дисциплин, изучающих более сложные организмы. Между тем, примеры из области геомикробиологии наглядно иллюстрируют мощь и потенциал геобиологии в целом.

ЦЕННОСТЬ ГЕОБИОЛОГИИ/ВИДЕНИЕ БУДУЩЕГО

ПРОШЛОЕ, НАСТОЯЩЕЕ, БУДУЩЕЕ И ВОЗМОЖНОСТЬ ВНЕЗЕМНОЙ ЖИЗНИ

Область геобиологии предлагает ключи к широкому спектру практических и философских загадок. У него есть потенциал, чтобы глубоко изменить как качество, так и наше понимание жизни. Выводы в этой области повлияют на здоровье всего живого на Земле и самой планеты. Эта область обещает огромные экологические, экономические и интеллектуальные выгоды.

В то время как микробы исторически оказывали наибольшее влияние на Землю, люди сейчас оказывают огромное влияние. Сегодня общество сталкивается со сложными вопросами о том, как противодействовать тому ущербу, который мы наносим. Люди вторгаются в естественную среду обитания и быстро загрязняют и истощают окружающую среду посредством таких видов деятельности, как добыча полезных ископаемых, добыча нефти и газа, крупномасштабное сельское хозяйство, лесозаготовки и промышленное производство токсичных отходов. Этот ущерб охватывает континенты Земли, о чем свидетельствует, например, все больше свидетельств глобального потепления атмосферы и океана.Но у нас также есть возможность противодействовать некоторым разрушительным побочным продуктам урбанизированной цивилизации. Человечество может направить свои технологии в более конструктивное русло. Кроме того, у нас есть много ценных природных ресурсов, полученных в результате геобиологических процессов. Микробы, например, выполняют множество биогеохимических операций, которые можно найти с пользой, от циклического использования углерода, азота и серы до преобразования токсичных химических веществ, включая тяжелые металлы. В будущем мы должны разработать больше схем, ответственно использующих возможности, открывающиеся в сложном мире природы.

Ученые должны разобраться в сложности вклада различных организмов и реакций и использовать эту информацию, чтобы предсказать, как меняется окружающая среда. Чтобы справиться с этой задачей, мы должны узнать все, что возможно, о том, как взаимодействуют геология и биология. Например, как колебания температуры влияют на живые существа? Как микробы реагируют на долгосрочные и краткосрочные возмущения окружающей среды? Как биологические изменения, вызванные возмущениями окружающей среды, влияют на региональную геохимию? И как эти ответы изменятся со временем?

Изучение геобиологии позволяет нам смотреть назад и вперед. В зачаточном состоянии условия на Земле не приветствовали жизнь. Чтобы понять продолжающуюся эволюцию планеты, мы должны понять ее прошлое. Четкая картина того, как возникла и процветала жизнь, несомненно, приведет нас к ответам на вопрос, как успешно поддерживать жизнь на этой планете.

С самого начала научных исследований люди задавались вопросом, как зародилась жизнь и как зоопарк сложных существ на нашей планете возник из наших простых предшественников. Размышление над этими вопросами во время наблюдения за ночным небом вызывает вопрос о том, возникла ли жизнь где-то еще во Вселенной.Изучение геобиологии, несомненно, даст понимание и этого вопроса.

ПОТЕНЦИАЛ ГЕОБИОЛОГИИ

Взаимодействие между живыми существами и неживой материей формировало Землю и ее обитателей с тех пор, как жизнь возникла у наших сравнительно простых предков. Тем не менее, мы только начали оценивать степень его влияния. Обширный репертуар разнообразных микробных талантов до недавнего времени ускользал от ученых. Исследователи обнаружили микробы в отдаленных местах, таких как глубоководные термальные источники, которые сначала считались слишком враждебными для поддержания жизни.Организмы, которые выживают и даже процветают в этих экстремальных условиях температуры, давления или необычной химической среды, также совершают необычные и во многих случаях непредвиденные биохимические подвиги. Многие из них связаны с геохимическими реакциями — образованием или разрушением минералов, преобразованием элементов из одной формы в другую, образованием соединений, резко изменяющих непосредственное окружение и, таким образом, воздействующих на все местное сообщество организмов или накапливающихся в атмосфере и оказывающих воздействие. вся планета.

Открытие таких микробов и изучение их деятельности заставило ученых расширить свои представления о возможностях, ограничениях и последствиях жизни. В то время как список необычных микробиологических активностей увеличивается с каждым открытием, каждая «удивительная» находка намекает на увеличение списка неизвестных. Мы только начали копаться в богатстве этой информации и получать дразнящие проблески ее значения.

Микробы воздействуют на геосферу бесчисленным множеством способов, особенно через влияние на круговорот элементов, влияющих на качество всей жизни на этой планете; однако критические функции, контролирующие стихийные циклы, остаются неуловимыми.Ключи к глобальному потеплению, например, скорее всего, находятся внутри микробных клеток, потому что множество этих крошечных существ выделяют и истощают огромное количество газов, таких как углекислый газ и метан, которые удерживают тепло вокруг Земли. Несмотря на важность таких физиологических процессов, огромные пробелы в наших знаниях мешают попыткам собрать соответствующие части. Микробы и растения преобразуют углекислый газ, наиболее распространенный парниковый газ, из воздуха в сахара и другие органические молекулы или твердые карбонатные структурные элементы.Другие организмы потребляют органические химические вещества и в процессе их расщепления для получения энергии выделяют углерод в виде двуокиси углерода. Хотя эти события дают удовлетворительное качественное представление об углеродном цикле, они не объясняют все аспекты количественно. Например, до сих пор не удалось сбалансировать круговорот углерода в глобальном масштабе. Где-то на планете есть существенный поглотитель углекислого газа, который еще не обнаружен и, следовательно, не изучен. Понимание источников и поглотителей углерода, а также потоков в эти ящики и из них является ключом к пониманию и разумному решению проблем глобального климата.Аналогичная информация о круговороте других элементов, играющих ключевую геологическую и биологическую роль, также отсутствует и представляет большой интерес.

Геологический и биологический миры взаимодействуют и многими другими способами. Недавние исследования установили, что некоторые микробы получают энергию для роста, передавая электроны широкому кругу токсичных или вредных для окружающей среды металлов, таких как уран, хром, селен, мышьяк, технеций и плутоний. В некоторых случаях — для урана, хрома и технеция — эти действия приводят к образованию нерастворимых восстановленных металлов, эффективно удаляя их из пищевой цепи. В других возникают нежелательные эффекты. Например, оксиды железа и марганца являются поглотителями токсичных переходных (медь, никель, кобальт, цинк), радиоактивных (уран, платина, технеций) и тяжелых (свинец, ртуть) металлов. Когда происходит микробное восстановление железа или марганца, ужасные последствия могут означать, что эти токсичные металлы высвобождаются, эффективно концентрируясь в окружающей среде из-за удаления оксидов металлов. Знание того, что может произойти и произойдет, потребует обширных знаний об оксидах железа и марганца, степени токсической нагрузки, которую они несут, и способностях микробов в окружающей среде (или тех, которые могут быть добавлены в загрязненную систему). .

Помимо переупаковки или растворения минералов, микробы могут их производить. Магнитотактические бактерии, например, производят крошечные кристаллы магнетита, образующие микробные компасы. Эти крошечные кристаллы обладают свойствами, которые могут сделать их особенно полезными в электронике или производстве микрочипов. Другие бактерии создают извлекаемые кристаллические поверхности (S-слои), которые поддаются формированию наноразмерных электрических цепей после «легирования» атомами металла. Некоторые бактерии даже производят кристаллическую целлюлозу, обладающую необычными акустическими характеристиками.Инженеры уже включили этот материал в стереодинамики. Эти примеры подчеркивают не только способность микробов производить вещества, имеющие большое практическое значение, но и иллюстрируют их способность оставлять отчетливые геобиологические следы. Магнитотактические бактерии, например, производят сверхмелкозернистые частицы магнетита с уникальными формами и магнитными свойствами, которые используются в качестве доказательства прошлой жизни на Марсе.

Крошечные микробные клетки могут воздействовать как на большие — даже глобальные — среды, так и на локальные.Например, микробы в богатых органикой отложениях под дном океана производят огромное количество газообразного метана. По оценкам ученых, это хранилище метана примерно в два раза превышает извлекаемые запасы газа, нефти и угля на всей планете. Таким образом, он представляет собой огромный потенциальный энергетический ресурс. Кроме того, захваченный газ, который существует в кристаллической форме в сочетании с водой в виде «гидратов метана», имеет другое значение. Образование и разложение гидратов метана может изменить стабильность отложений с потенциально разрушительными последствиями.Многие ученые считают, что гидраты метана сыграли роль в возникновении некоторых огромных оползней, которые происходят под океаном рядом с континентами.

Поэтому некоторые ученые предполагают, что строительство нефтяных платформ поверх карманов гидрата метана рискованно. Перекачивание углеводородов приводит к выделению тепла, а повышение температуры приводит к плавлению гидратов метана, что ослабляет отложения и может вызвать подводные оползни. Помимо серьезных последствий для океана (и подводных нефтяных вышек), такие выбросы могут привести к выбросу огромного количества метана в океан и, возможно, в атмосферу.Действительно, ученые предполагают, что повышение температуры может спровоцировать каскад глобального потепления. Действительно, еще больше метана заключено в замороженном виде в огромных торфяных месторождениях канадской и российской Арктики. По мере того как Земля нагревается, метан — сам по себе мощный парниковый газ — испаряется, улетучивается и еще больше повышает температуру. События, подобные этим, могли оказать сильное влияние на глобальный климат, а не на развитие Земли. Несмотря на огромное потенциальное воздействие гидратов метана, произведенных микробами, на благополучие человека и окружающую среду, остается много важных вопросов о его образовании и рассеивании, а также о его возможном использовании в качестве источника энергии и его опасном потенциале.

В то время как многие геобиологические явления являются результатом естественных процессов, другие являются побочными продуктами индустриальной цивилизации. Например, горнодобывающие предприятия выбрасывают токсичные тяжелые металлы, такие как хром, медь, цинк, мышьяк, свинец и ртуть, в местную и региональную окружающую среду. Такие операции доставляют руду на поверхность Земли и значительно увеличивают площадь поверхности этих полезных ископаемых за счет дробления и измельчения. Эти процессы подвергают их воздействию воздуха и заставляют быстрее реагировать с водой, что повышает кислотность окружающей среды и высвобождает токсичные тяжелые металлы в естественные водоемы, почву и атмосферу.

Эти примеры намекают на широкий спектр интерактивных эффектов, возникающих на пересечении биосферы и геосферы. Если мы раскроем и поймем весь спектр этих возможностей, мы будем в состоянии использовать эти естественные процессы на благо человечества и, возможно, для омоложения планеты.

Изучение геобиологии может принести много потенциальных практических и интеллектуальных преимуществ, в том числе:

▪ Очистка разливов нефти и других экологических опасностей с помощью микробов.
▪ Производство полезных веществ более простым и чистым способом по сравнению с традиционными инженерными подходами.
▪ Предоставление информации о том, почему запасы воды во многих районах истощаются. Было бы полезно узнать, какую роль в таких событиях играют микробы, и определить, можно ли их использовать в качестве индикаторов источников и качества воды.
▪ Понимание условий, которые приводят к растворению и осаждению экономически важных полезных ископаемых.
▪ Экономичная защита от различных видов коррозии путем модификации или эксплуатации микробных сообществ. Как биологические, так и небиологические явления разрушают и иным образом повреждают здания, дороги, канализационные системы, корабли и даже скульптуры.
▪ Использование микробов для детоксикации промышленных ядов, таких как ПХБ, которые загрязняют воду, почву и другие части окружающей среды. Ученым уже известно, что некоторые микроорганизмы способны превращать опасные химические группы в этих соединениях в безвредные продукты.Однако мы пока не знаем, как лучше использовать эти возможности.
▪ Способность к переработке, являющаяся основной деятельностью микробов, должна использоваться для повышения эффективности и специфичности переработки антропогенных отходов.
▪ Понимание того, как определенные геобиологические процессы могут создавать среду, поддерживающую или подавляющую рост новых и потенциально опасных микробов.
▪ Очистка токсичных хвостовых фильтратов.Хотя такие ситуации пугают, они могут иметь и положительную сторону. Например, правильные методологии — возможно, те, которые учитывают особые способности определенных микробов — могут извлекать ценные металлы из таких очисток. Нам необходимо разработать методологии для превращения экологических катастроф в экономическое процветание.
▪ Лучше понять, как микробы участвуют в производстве энергии.
▪ Понимание истории Земли, включая происхождение жизни и эволюцию глобальных биогеохимических циклов.
▪ Более глубокое понимание того, как жизнь выживает в экстремальных условиях питания, химических и физических факторов.
▪ Улучшение наших знаний о том, как межклеточные коммуникации и взаимодействия микробных сообществ могут управлять глобальными биогеохимическими процессами.

Наконец, мы заглянем за пределы Земли. Обнаружение жизни на другой планете станет величайшим научным и, в конечном счете, общественным событием этого века, а возможно, и всех времен. Открытие микробов, которые процветают в экстремальных условиях, расширило представления о том, как зародилась жизнь на Земле, и усилило вероятность того, что подобные микробы могут жить на других планетах.

ЛОВИТЬ МОМЕНТ

Многие ученые, работающие в самых разных областях, активно размышляют о геобиологии и ее потенциале. Геохимия, геогидрология, океанография, астробиология, микробиология, экологические исследования, экология, молекулярная биология, геномика, палеобиология и минералогия представляют собой лишь некоторые из специальностей, подпадающих под широкий свод геобиологии.Этот огромный промежуток времени дает возможность заглянуть в обширную область и последствия геобиологии. Конечно, эта дисциплина больше, чем сумма ее частей.

Плодотворные новые начинания и новаторские исследования, скорее всего, возглавят и бросят вызов представителям этих перекрывающихся дисциплин. Многие исследования в фундаментальных науках движутся в направлении междисциплинарных исследований, и область геобиологии готова возглавить это движение и создать прецеденты для будущих совместных исследований, объединяющих различные специальности. Убедительные вопросы уже направляют исследователей в плодотворных направлениях, с энтузиазмом подпитывая прогресс. Надлежащее признание и поддержка этой растущей области обещает предоставить модель для других новых междисциплинарных научных дисциплин, в то же время, когда она затрагивает ключевые темы в области окружающей среды и фундаментальной науки, которые имеют огромное влияние на социальные и экономические проблемы.

ТЕКУЩЕЕ СОСТОЯНИЕ

Микроорганизмы жили на поверхности Земли на протяжении большей части (около 85%) земного возраста, и важность микробной активности в формировании земных океанов и атмосфер давно признана.Однако только недавно геологи, геогидрологи и геохимики осознали широкие последствия деятельности микробов. Микробы воздействуют и подвергаются воздействию практически всех геохимических процессов, происходящих на поверхности Земли, а также в глубине ее недр.

Наше невежество представляет возможные опасности и упущенные возможности. Экономический потенциал понимания того, как микроорганизмы функционируют в геосфере, огромен. Хотя этой области уделяется повышенное внимание, она остается в значительной степени незадействованной.Скрытые в настоящее время метаболические процессы могут предоставить нам новые возможности для превращения одного вещества в другое или для использования других полезных действий. Чтобы использовать потенциал микробов, мы должны лучше понять их естественные возможности. Кроме того, крупные неизвестные метаболические активности могут оказывать огромное влияние на геохимию планеты. Если эти неизвестные явления коснутся геобиологических систем, с которыми люди пытаются справиться, наше непонимание может помешать нашим усилиям; возможно, мы не включаем все соответствующие соображения и компоненты в наши планы.

Технологические и научные достижения последнего десятилетия укрепили междисциплинарные союзы между науками о Земле и жизни и позволили ученым исследовать геобиологические взаимодействия способами, которые ранее были невозможны. Например, теперь ученые могут обнаруживать микроэлементы, которые раньше оставались незамеченными, и наблюдать за микробами, которые невозможно вырастить в лаборатории в их естественной среде обитания. Прогресс в световой и электронной микроскопии позволяет проводить количественные исследования микробных взаимодействий на уровне сообщества в биопленках и с минеральными поверхностями в атомном масштабе.Прорывы в молекулярной биологии и, в частности, открытие геномного состава многих различных организмов вызвали бурный рост информации о возможностях живых существ. По большей части высокотемпературная геология объясняет то, что мы знаем о круговороте горных пород и минералов, потому что при высоких температурах горные породы плавятся. При низких температурах, характерных для поверхности и вблизи недр, где геологические процессы протекают медленно, жизнь вмешивается и ускоряет реакции в свою пользу.

По мере совершенствования таких методов сложность и богатство геобиологического мира становятся все более заметными на полотне земного шара. Нечеткие идеи оттачиваются по мере того, как ученые используют более совершенные инструменты и разрабатывают новые гипотезы. Эти идеи раскрывают все более глубокие связи между биологическим и геологическим мирами. Методологические усовершенствования позволили ученым точнее оценить геохимические и экологические последствия возмущений окружающей среды, вызванных как естественными биологическими процессами, так и техногенной деятельностью человека.

Этот прогресс представляет собой один из первых шагов к пониманию того, как живые существа и окружающая их среда влияют друг на друга, и обещает помочь решить многие экологические проблемы. Однако остается много проблем.

Хотя анализ генетических последовательностей выявил существование микроорганизмов, которые ранее не выращивались в лаборатории, эта информация не устанавливает, какие биохимические трюки эти микробы могут выполнять или какие условия окружающей среды вызывают эти подвиги.Кроме того, хотя теперь мы знаем, что ученые сильно недооценили степень микробного разнообразия, большинство микробов и их функции до сих пор не идентифицированы. Например, в то время как десятилетия интенсивных исследований предоставили информацию о том, как живые существа, особенно микроорганизмы, взаимодействуют с органическими соединениями в окружающей среде, взгляд на взаимодействие с неорганическими соединениями только сейчас начинает раскрываться.

Не менее важны и другие задачи. Например, ученым нужны инструменты и исследовательские программы, которые более точно документируют геобиологические процессы по мере их возникновения.Необходимы улучшения в методах обнаружения и инструментах мониторинга. В этой области возникают особые проблемы: как изучать, например, чрезвычайно медленно растущую или спящую жизнь и как распознавать и понимать значение тонких микробных сигнатур в горных породах.

Существует множество других примеров вопросов, на которые можно ответить только с помощью знаний и технологий, недоступных в настоящее время. Чтобы использовать огромный потенциал геобиологии, необходимо разработать новые методологии и интеллектуальные основы, которые решают все подобные вопросы.Для достижения этой цели ученым и инженерам может потребоваться использовать и адаптировать технологии из других дисциплин, отличных от их собственных.

Ученые разных дисциплин создают исследовательские союзы, чтобы углубиться в растущую область геобиологии, но образования в этой области недостаточно. Геологов обычно не обучают биологии, и наоборот. Можно ожидать, что по отдельности эти области будут развиваться в своих собственных направлениях, но они не сольются сами по себе. Настало время собрать их вместе.Дисциплина геобиологии нуждается в согласованных усилиях научных и информированных непрофессиональных сообществ для выявления важных проблем и пробелов в знаниях, а затем для разработки новых подходов к их решению. Результаты геобиологических исследований положительно повлияют на глобальные изменения, прольют свет на глубокую биосферу, демистифицируют астробиологию, раскроют сложности экстремальных условий и прояснят процессы эволюции. Это отразится на новых возможностях трудоустройства на всех уровнях. Таким образом, область должна набирать и готовить студентов для удовлетворения этого спроса.

С растущим пониманием масштабов геобиологических эффектов и улучшенных технологий ученые в самых разных областях готовы добиться огромных успехов в этой области. Однако имеющиеся средства в настоящее время слишком ограничены для поддержки междисциплинарных исследовательских программ, которые необходимо запустить и поддерживать. Будущие исследования должны не только углубляться в вопросы, которые уже были изучены, но и расширяться в области, которые подвергались сравнительно меньшему изучению.Наши предубеждения направляют нас в одних направлениях сильнее, чем в других. Например, космическое пространство мы исследовали более усердно, чем морское дно или недра Земли.

Мы живем в уникальное время в истории. Люди серьезно воздействуют на окружающую среду, но наши технологические и когнитивные возможности позволяют нам изменять условия для будущего. На данный момент огромная научная пропасть отделяет нас от полного понимания нашей планеты и ее глубоких резервуаров биохимических и геобиологических реакций, которые могут повлиять на Землю способами, которые мы в настоящее время не понимаем и не можем предсказать.Эта широкая зона невежества вынуждает исследовать следующий рубеж знаний.

КЛЮЧЕВЫЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ РЕШЕНИЯ

КАТАЛОГИЗАЦИЯ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЖИВЫХ СУЩЕСТВ

Мы только начали составлять карту разнообразия и потенциала наиболее распространенных и разнообразных биологических ресурсов Земли — микроорганизмов. Они составляют более половины всей живой материи на Земле, однако мы идентифицировали менее одного процента всех предсказанных микробных видов. Чтобы использовать естественные сообщества для получения экономической или социальной выгоды, нам потребуется отслеживать и разрабатывать новые средства для более глубокого изучения естественной активности микроорганизмов.Такое достижение должно помочь установить связи между процессами, связанными с жизнью и ее неживой средой.

Генетическое содержимое — или геном — организма можно использовать для предсказания его биохимических и физиологических возможностей или их отсутствия. По этой причине геномная последовательность дает массу информации о том, как живое существо может влиять на планету. Технологические достижения в этой области привели к тому, что объем информации о последовательности ДНК значительно превышает наше понимание ее смысла.Необходима большая работа, чтобы связать физиологические функции с постоянно накапливающимися массивами данных о последовательностях.

Ученые должны найти новые способы использования потенциала видового разнообразия с точки зрения генетики. С этой целью они должны разработать новые средства для раскрытия биологических процессов и продолжить расшифровку генетических последовательностей, определяющих такое поведение. Достижение этой цели требует достижений в лабораторных и вычислительных технологиях, связанных с последовательным и функциональным анализом. Это требование требует междисциплинарных исследований и инструментов.Например, ученые-компьютерщики должны разобраться в соответствующих биологических вопросах, чтобы создать программное обеспечение, использующее последовательность и функциональные данные, а биологи должны научиться ориентироваться в новом разрабатываемом программном обеспечении. Биологи должны выйти за рамки традиционного и расширить способы изучения, например, организмов, которые не растут в обычных лабораторных условиях. Геологи и биологи должны сотрудничать в проектах, изучающих влияние конкретных микробов на окружающую среду и наоборот.

Наконец, многие ученые-микробиологи изучают физиологию, но не могут поместить свои открытия в контекст эволюции планеты. Обратная связь между историей Земли и микробным метаболизмом важна для понимания развития как жизни, так и окружающей среды, того, как организмы в настоящее время поддерживают баланс систем Земли и как предвидеть и даже воздействовать на будущие события и тенденции.

Эти проблемы можно решить разными способами. Сильная поддержка должна стимулировать новые усилия в области геномики, особенно те, которые направлены на увязку биогеологической функции с данными о последовательностях.Финансирующие агентства и профессиональные организации должны поощрять сотрудничество между экспертами в области геномики и другими специалистами из различных областей наук о Земле. Например, следует поощрять проекты, которые исследуют геобиологические вопросы новыми способами, пересекая традиционные области специализации или используя нетрадиционные методы для ответа на геобиологические вопросы.

Геомикробиологов следует поощрять к выходу за рамки описательных исследований и переходу к более механистическому пониманию геобиологических явлений.Особое внимание следует уделить усилиям по культивированию новых микробов, чтобы можно было исследовать их биогеохимические функции. В связи с этим геохимикам следует сотрудничать с микробиологами в выяснении геохимических реакций, которые могут использовать микробы.

АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Несмотря на десятилетия исследований, основная информация о фундаментальных биологических и геологических процессах отсутствует. Например, хотя ученые понимают, что некоторые микробы могут сохраняться в течение длительного периода времени, многие механизмы долговременного выживания остаются загадочными.Никто не знает, выносят ли организмы явное отсутствие источника энергии, и если да, то каким образом, или же явно погребенные микробы получают энергию за счет очень медленного метаболизма источника, который не всегда очевиден. Газообразный водород может быть основным источником энергии, и, возможно, некоторые долгоживущие организмы используют это вещество для получения энергии, однако механизмы производства и распределения газообразного водорода в геологических образцах остаются неясными.

Экологическое и геологическое значение такого «медленного» метаболизма также остается неясным.Большинство микробиологов обучены проводить эксперименты с быстрорастущими клетками в лаборатории или даже в полевых условиях в течение нескольких часов, месяцев или лет; обычные научные гранты финансируют исследования продолжительностью от 3 до 5 лет. Изучение микробов, которые живут очень медленно, будет иметь важное значение для понимания геобиологических процессов, микробов, которые их катализируют, и функций сред, в которых они важны, таких как глубокие недра. Влияние таких медленноживущих организмов и связанной с ними биохимической активности на окружающую среду может быть очень значительным в течение длительных периодов времени, но становится очевидным только через десятилетия или дольше.Только путем долгосрочных исследований мы сможем определить, как постепенные изменения в местной среде могут привести к получению экологического преимущества, или как определить потенциальные источники энергии в окружающей среде и определить, как используется доступная энергия, или выяснить, является ли местная жительница микробы действительно могут развиваться в условиях голодания.

Приведенный выше пример с водородом иллюстрирует общий принцип, затрагивающий многие области геобиологических исследований: у ученых нет надежных способов измерения многих важных процессов, которые они хотели бы измерить.Помимо количественной оценки, существует острая необходимость в разработке более совершенных методов обнаружения конкретных процессов и определения того, как они происходят.

Сами микробы могут служить сенсорами окружающей среды. Например, некоторые организмы предсказуемым образом реагируют на определенные химические или физические условия; многие бактерии движутся к питательным веществам и удаляются от ядов. Микробы обладают сложными системами для обнаружения химических веществ в окружающей среде и реагирования на них. При достаточной изобретательности и применении новых методов молекулярной и аналитической микроскопии, доступных сегодня, мы должны быть в состоянии узнать их секреты.Понимая и используя такие явления микробного восприятия, мы можем использовать микробиологию, чтобы рассказать нам о геохимии.

В этой области также необходимо разработать датчики, которые можно развертывать и использовать удаленно для проведения измерений состояния окружающей среды в режиме реального или близкого к реальному времени в малоизученных или относительно недоступных районах планеты. Некоторые программы, направленные на разработку таких инструментов, существуют, но требуется гораздо больше разработок в этой области.

НАБЛЮДЕНИЕ В МАЛОМ И БОЛЬШОМ ФИЗИЧЕСКОМ МАСШТАБЕ

Чтобы задокументировать взаимодействие между организмами и их окружением, ученые должны измерять химические реакции и продукты в пространственных масштабах, которые варьируются от расстояний между молекулами до расстояний между горными хребтами.Существуют инструменты для выполнения этой задачи при некоторых обстоятельствах, но не во всех, и для одних целей, но не для других.

Анализ отдельных микробных клеток может идентифицировать организмы и химические вещества, которые они потребляют и производят. Кроме того, сделав небольшой шаг назад от одиночных клеток и посмотрев на их соседей и их непосредственное окружение, ученые также могут изучить последствия микробных процессов, отраженные в местной микросреде. Объемные измерения дают только средние значения для больших объемов и многих клеток, в то время как реальное действие происходит на уровне отдельной микробной клетки или небольших групп микробных клеток.Иногда, например, два или более специфических организма в тесной физической ассоциации должны сотрудничать, чтобы осуществить определенную биогеохимическую трансформацию. Детали таких процессов можно измерить только на уровне отдельных клеток или небольших групп клеток. Проблема аналогична попытке понять основные механизмы экологии леса, используя только спутниковые снимки без изучения отдельных деревьев или групп деревьев. Инструменты для решения этих проблем масштаба появляются только сейчас.

Методы анализа проб окружающей среды на нано- или микроуровне включают обычную, флуоресцентную и лазерную сканирующую световую микроскопию; ионный микрозондовый анализ; сканирующая зондовая микроскопия; сканирующая и/или просвечивающая электронная микроскопия; электронно-спектроскопическая визуализация и энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия; спектроскопия потерь энергии электронов; электронная дифракция на выбранной области; и рентгеновское изображение с использованием синхротронного излучения. Эти инструменты служат зондами и химическими анализаторами микроскопического мира, предоставляя подробную биологическую и геологическую информацию в масштабе от микронов до нанометров.Эти методы необходимо улучшить и расширить, чтобы проводить эти эксперименты с «одной клеткой», потому что их возможности в настоящее время ограничены лишь очень немногими специализированными объектами и из-за инструментальных ограничений. Многие перспективные нано- и микромасштабные методы еще недостаточно развиты. Они по-прежнему неуклюжи и неэффективны. Кроме того, они, как правило, используют большие дорогие инструменты, которые невозможно использовать в полевых условиях.

Хотя многие из этих инструментов позволяют ученым обрисовывать части геобиологической головоломки, многие части остаются неясными.Необходимы датчики, которые могут измерять более широкий спектр химических веществ и других факторов микросреды, таких как pH, температура и свет, которые играют центральную роль во взаимодействии между жизнью и неживой материей. Разработка таких методологий сталкивается с множеством проблем, таких как обнаружение и количественная оценка целевых факторов в естественной среде, где другие условия (например, присутствие минералов) могут мешать измерениям. Кроме того, ключевые геобиологические процессы часто происходят в труднодоступных местах — например, в отложениях и горных породах или глубоко в океане.Необходимы новые технологии, которые позволяют обнаруживать и картировать микробы, минералы, химические соединения и связанные с ними процессы во всех интересующих местах в трех измерениях.

Кроме того, ученые должны расширять свои знания, полученные в результате таких наблюдений за лилипутами, и извлекать значимую информацию для применения в гораздо больших масштабах. Столь же важными, как и концентрации конкретного соединения вокруг отдельного микроба, являются уровни его продуктов в окружающей среде.Действительно, некоторые процессы мелкомасштабного масштаба — например, образование парниковых газов и разрушение микробами — могут повлиять на всю планету. Глобальное потепление почти наверняка происходит в значительной степени из-за газов, которые контролируются микробиологической активностью. В дополнение к использованию микроскопии ученые должны собрать инструменты и перспективы, которые позволят им интегрировать эффекты микромасштабных процессов в глобальном масштабе. Они должны расширить репертуар доступных методов и разработать инструменты, которые объединяют наблюдения в очень малых или очень больших масштабах.

НАБЛЮДЕНИЕ В ТЕЧЕНИЕ ДЛИТЕЛЬНЫХ ПЕРИОДОВ ВРЕМЕНИ

Чтобы составить точное представление о том, как развивалась наша планета, мы должны измерить геобиологические взаимодействия на протяжении всей истории Земли. Ученые должны найти способы определить, какие типы метаболизма присутствовали в разные периоды времени, как популяции увеличивались и сокращались и почему. Геобиологи особенно заинтересованы в каталогизации изменений в формах жизни, поскольку они связаны с изменениями характера окружающей среды Земли.Большинство видов, когда-либо живших на Земле, сейчас вымерли. Геологическая летопись дает единственное окно в широкие физиологические изменения, которые произвела эволюция. Захороненные органические вещества, горные породы, окаменелости и захваченные газы (которые могут показать, чем питались и чем дышали древние организмы) представляют собой наилучшее свидетельство древней биологической деятельности.

Окаменелости также обеспечивают единственный прямой путь к пониманию условий окружающей среды, присутствующих во времена крупных биологических инноваций и массового вымирания.Материал, содержащий останки организма, предоставляет информацию об окружающей среде на момент смерти этого существа. Поскольку возраст горных пород определяется их химическим составом, любой сохранившийся в них биологический материал также может быть датирован.

Но отпечатки существ с панцирем или иным твердым телом, отложенные в скалах, являются лишь одним из видов окаменелостей и представляют собой лишь частичные записи прошлой жизни. Мягкотелые организмы, в том числе микробы, оставляют более тонкие следы, и ученые очень заинтересованы в раскрытии этих подсказок. Точно так же, как определенные формы и структуры показывают, какие виды животных жили в определенное время и в определенных условиях, присутствие определенных молекул может опровергать существование живых существ и давать информацию об их свойствах. Например, некоторые химические вещества — например, изопреноиды или липиды на основе фитанила — в древних отложениях могут пролить свет на то, как устроены клеточные мембраны, в то время как другие дают представление о других биологических характеристиках и процессах, которые происходили в процессе эволюции жизни.Дальнейшее изучение микропалеонтологии в сочетании с изучением современных микробно-минеральных взаимодействий предоставит дополнительные биогеохимические сигнатуры, которые можно использовать для определения того, какие типы микробной активности были важны не только в палеосредах древней Земли, но и в других малоизученных и трудно пробовать современные среды.

Точно так же такие молекулярные и химические отпечатки пальцев, или биомаркеры, должны позволять ученым делать выводы об условиях окружающей среды в то время, когда жил конкретный организм. Разработка новых и более чувствительных методов, которые обнаруживают следы жизни и соответствующие геологические процессы, необходима для исследования среды, в которой жизнь процветала и барахталась, и для определения того, как она изменилась под влиянием химического и физического окружения. Кроме того, ученые нуждаются в этих усовершенствованных аналитических инструментах для определения абсолютного и относительного возраста событий и видов с высоким разрешением за последние три миллиарда лет.

Существующие аналитические инструменты неадекватно оглядываются назад, что ограничивает способность ученых смотреть вперед.Биологи хотели бы обнаружить диагностические микробные сигнатуры в горных породах и повысить свою способность исследовать микробы и биогеохимические явления в крошечном масштабе. Улучшение этих методологий улучшит наше понимание прошлого и нашу способность предсказывать будущее. Кроме того, улучшенный каталог отпечатков пальцев жизни повысит нашу способность обнаруживать жизнь, если она существует где-то еще во Вселенной.

ПОИСКИ ВНЕЗЕМНОЙ ЖИЗНИ

Чтобы убедиться, что мы можем обнаружить жизнь на других планетах, если она существует, мы должны отточить нашу способность обнаруживать ее признаки здесь, на Земле.Но поиски внеземной жизни должны включать в себя идею о том, что живые существа на других планетах могут быть сфабрикованы и выглядеть и вести себя не так, как на Земле. Было бы глупо ограничивать наши определения жизни земными ограничениями. Ученым нужно держать свои умы открытыми и поддерживать идею о том, что, например, химическая основа жизни может быть другой на других планетах. Исследования геобиологии на этой планете должны включать в себя рассмотрение фундаментальных ограничений жизни здесь, которые могли бы помочь нам определить или искать ее в другом месте.Экстремальные исследования помогут этим усилиям, каталогизируя перестановки жизни в самых разнообразных средах, которые мы можем исследовать здесь, на Земле.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ

Для развития области геобиологии ученым требуется понимание широкого спектра процессов в большом количестве организмов в огромных масштабах пространства и времени. Прогресс зависит от разработки, обработки и интеграции огромных наборов данных. Вычислительные инструменты должны позволять исследователям комбинировать информацию из различных источников.К ним относятся базы данных, которые можно использовать для картирования микробов, минералов, геологических образований и температур в определенных местах на планете, для сравнения последовательностей геномной ДНК и для сбора информации, например, о круговороте определенных химических элементов. Эта информационная технология также должна быть достаточно мощной и удобной для пользователя, чтобы помочь ученым исследовать, какая жизнь существовала, где и при каких условиях и в какие периоды времени. Таким образом, это должно помочь исследователям задокументировать летопись окаменелостей, предоставить инструменты для анализа этих данных и связать эту информацию с другими соответствующими биологическими и геологическими базами данных.Новые информационные технологии должны способствовать распознаванию и установлению связей, тенденций и закономерностей, которые в противном случае могли бы остаться незамеченными. Кроме того, он должен подпитывать результаты исследователей, поднимая вопросы и предоставляя ответы, которые были бы невозможны без значительных вычислительных мощностей.

Ученые быстро раскрывают генетические секреты большого количества организмов, секвенируя их геномы. Сравнение этих последовательностей может выявить как общие, так и уникальные черты микробов, что может дать ключ к пониманию их физиологических возможностей.Например, последовательности ДНК, присутствующие во всех формах жизни, указывают на основные функции, в то время как те, которые несут только организмы, превращающие одно малоизвестное соединение в другое или выжимающие питательные вещества из горных пород, указывают на определенные биохимические способности и помогают связать последовательность ДНК с функцией. Несмотря на кажущуюся простоту, эта задача может потребовать огромных вычислительных мощностей из-за огромного количества изучаемых генов и организмов. Научному сообществу требуются новые и улучшенные инструменты информатики, чтобы справиться даже с таким, казалось бы, простым анализом.

Кроме того, недавно исследователи поставили перед собой гораздо более амбициозные цели. Некоторые собирают не только последовательности отдельных организмов, но и наборы последовательностей, которые представляют целые микробные сообщества из определенных сред. Учитывая дополнительную сложность сравнения целых сообществ, становится еще проще оценить огромную потребность в мощных вычислительных инструментах.

Информация, полученная в результате секвенирования, является важной частью геобиологической головоломки.Чтобы собрать полную картину, ученые хотели бы наложить физические и химические данные на данные секвенирования генома. В воображаемом примере они построили бы карты, которые показывали бы типы организмов, населяющих определенные области земного шара, и которые позволяли бы легко «увидеть» соответствующие среды. Кроме того, должен быть инструмент, показывающий важную информацию о содержании твердых веществ, жидкостей и газов в определенном месте, а также данные, например, о конкретных химических компонентах, температуре и давлении. Кроме того, фантастические компьютерные инструменты будут отображать эту информацию во времени, чтобы ученые могли изучить, как меняются различные параметры, и, таким образом, разработать гипотезы о том, как компоненты сложных геобиологических сетей влияют друг на друга. Они также могли бы узнать о том, как виды или даже конкретные вариации генетических последовательностей коррелируют с изменениями температуры, химическими веществами в окружающей среде и так далее.

Для достижения таких воображаемых целей следователям нужны новые способы интеграции соответствующих данных.Это потребует манипулирования и объединения огромных наборов данных из разных источников. Для выполнения этой задачи необходимо создавать и оттачивать новые и более мощные инструменты информатики по мере появления большего количества информации и новых вопросов.

Наконец, все научное сообщество выиграет, когда эти данные и инструменты будут доступны всем и когда эти инструменты легко смогут использовать ученые с разным опытом и подготовкой. В настоящее время нет центрального сайта, служащего центром и хранилищем геобиологической информации.Такая ситуация может привести к неэффективности и дублированию усилий. Необходимо также позаботиться о создании систем, обеспечивающих легкий доступ к данным в базах данных и возможность манипулирования ими для представителей всех секций геобиологического сообщества.

МЕТОДЫ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ

Способность выращивать микроорганизмы в лаборатории — единственный способ непосредственно проверить гипотезы об их физиологическом и биохимическом потенциале. В настоящее время считается, что более 99% всех микробов невозможно культивировать в лаборатории.Это число необходимо уменьшить. Поскольку разнообразие микробов, играющих важную роль в геобиологических процессах, огромно, геобиологи могут внести большой вклад в решение этой проблемы. В то время как методы идентификации микроорганизмов и их биологических возможностей в отсутствие чистых культур (например, расшифровка и сравнение их генетической последовательности) расцветают, геобиологам также необходимо будет приложить особые усилия для выращивания конкретных микробов в лаборатории.

Необходимо специальное финансирование для разработки новых методов культивирования.Ученым необходимо добиться значительного прогресса в расширении методов культивирования, чтобы включить больше организмов. Особый интерес представляют культуральные методы изучения интерактивных групп или консорциумов (а не только отдельных микробов) в условиях, максимально имитирующих естественную среду. Эта цель сопряжена с особыми трудностями, поскольку микробные сообщества состоят из множества различных микробов, каждый из которых выполняет в сообществе различные функции. Проблема заключается в том, что каждому человеку могут потребоваться разные условия для роста в лаборатории, а в консорциуме требования могут отличаться от требований для любого отдельного микроба.

ТЕХНОЛОГИИ ОТБОРА ПРОБ

Исследователям требуются новые способы отбора проб организмов и их окружения из окружающей среды для обнаружения и мониторинга биогеохимических процессов. Эти проблемы особенно остро стоят в отдаленных или экстремальных условиях, где жизнь и связанные с ней процессы недостаточно изучены или нанесены на карту. Требуются новые технологии, которые расширят доступ к этим районам и будут решать комбинированные биологические и геологические задачи. При разработке таких методологий ученые и инженеры сталкиваются с уникальными проблемами.

Вытягивание материала для геобиологических исследований из озера, океана или из-под земли требует осторожности, чтобы избежать загрязнения микробами и химическими соединениями на поверхности и обнаружить такую фальсификацию, если она произойдет. Стратегии отбора проб были разработаны для большинства этих приповерхностных сред, хотя все еще требуются улучшения. Также требуются усовершенствованные методы отбора проб и анализа экстремальных и удаленных мест (таких как глубоководные гидротермальные источники или недра Марса) для идентификации организмов и геобиологических процессов.Например, аналитические устройства, работающие внутри глубоких скважин, облегчат подповерхностный мониторинг геобиологических процессов. Однако особенности некоторых микробов могут не позволить им хорошо выживать в условиях на поверхности Земли. Микробы, развившиеся при высоких температурах и давлении или в других особых условиях окружающей среды, могут погибнуть на пути к окружающей среде, которую мы считаем нормальной. Точно так же газы, находящиеся под высоким давлением (и микробы, которые их метаболизируют), могут улетучиваться (или погибать), если их не перемещать в соответствующих условиях давления.

Еще одной серьезной проблемой является экологическая значимость конкретного геобиологического процесса. Тот факт, что процесс наблюдается, не означает, что он является основным процессом в окружающей среде или что он в той или иной степени действует в естественных условиях. Геобиологи должны разработать стратегии, чтобы определить, происходят ли геобиологические процессы, которые они наблюдают, под наблюдением так же, как и в ненарушенных природных условиях.

Приведенные выше примеры иллюстрируют лишь некоторые из проблем, возникающих при удаленном отборе проб для геобиологических исследований.Для исследования других планет на предмет их геобиологического потенциала потребуются специальные технологии. Нам нужны небольшие и легко переносимые машины, требующие минимального обслуживания. Кроме того, устройства для отбора проб других планет должны не только собирать пробы, но и анализировать их на месте, например, на месте . В некоторых случаях существующие технологии съемки могут быть адаптированы для геобиологических исследований. Например, радар, который проникает под землю, может обнаруживать подземную жидкую воду на Земле и будет полезен для дистанционного обследования других планет на наличие воды со спутников.Точно так же необходимо разработать методы дистанционного бурения для доступа к окружающей среде и извлечения геобиологических образцов из-под поверхности других планет.

Основной вопрос для геобиологов, изучающих внеземные объекты, заключается в том, существует ли там жизнь, и если существует, то на что она похожа, а если нет, то почему? Чтобы ответить на эти вопросы, ученым необходимо выяснить, как они будут определять такую жизнь, если она присутствует. Эта проблема состоит частично в поиске потенциальных форм жизни и частично в распознавании таких форм жизни, если они присутствуют.Если космический корабль вступит в контакт с существами, которые, очевидно, едят, двигаются, дышат и размножаются, мы узнаем, что это живые инопланетяне. Но более вероятно, что жизнь на других планетах будет в форме микробов, которые по определению невидимы невооруженным глазом и легче всего наблюдаются по их косвенным эффектам и следам, которые они оставляют в окружающей среде. В настоящее время бушуют споры о том, что именно представляет собой молекулярные сигнатуры жизни. Требуются более совершенные методы для различения продуктов чисто геохимических процессов от продуктов сугубо биологического происхождения.В дополнение к определению признаков жизни нам также нужны методы для обнаружения диагностических признаков жизни в отдаленных местах.

СИСТЕМЫ МОДЕЛЕЙ

В то время как основное внимание будет уделяться пониманию геобиологических процессов в естественной среде, лабораторные эксперименты, предназначенные для выделения и проверки эффектов отдельных физических, химических и биологических явлений, будут продолжать играть важную роль в программах геобиологических исследований. Это единственный способ проверить конкретные гипотезы о взаимодействии между жизнью и материей.Чтобы расширить эти виды исследований, необходимы новые технологии для точного лабораторного моделирования условий окружающей среды. Такие инструменты также должны моделировать условия, которые, как считается, существовали в раннюю эру жизни на Земле, что позволит ученым проверять сценарии возникновения жизни.

Ученые хотели бы проверить возможные пути, которые привели к химии жизни. Большой вопрос заключается в том, как добиотическая химия привела к воспроизведению организмов. Этим исследованиям присуща большая экспериментальная задача.На данном этапе развития планеты Земля настолько пропитана жизнью, что вычесть биологические продукты очень сложно. Эта ситуация создает трудности при моделировании условий гораздо более молодой Земли. В то время как очень простые представления могут быть возможны, другие более сложны. Например, некоторые ученые предполагают, что определенные глины могли обеспечить физическую структуру, на которой встречались и реагировали пребиотические химические вещества. Но на данный момент глины настолько сильно взаимодействуют с существующими природными биомолекулами, что их нельзя легко очистить от органического вещества для точных экспериментов с пребиотиками.

ПОЛЕВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

В то время как модельные системы позволяют ученым проводить контролируемые эксперименты, исследующие конкретные вопросы, полевые исследования необходимы для изучения естественной среды. Такие усилия показывают, как разные сообщества взаимодействуют друг с другом и с окружающей их средой в реальном мире. Изучение сложных экосистем может пролить свет на деятельность, которая осталась бы неясной, путем анализа отдельных организмов или наборов взаимодействий в лаборатории. Например, микробные консорциумы сотрудничают для выполнения задач и воздействуют на окружающую среду так, как это не делают отдельные микробы.

В настоящее время средства для достижения этой цели отсутствуют. Для подробного описания природных сообществ и местообитаний ученые сталкиваются с огромными трудностями. Организмы и химические вещества могут присутствовать в настолько низких концентрациях, что их трудно обнаружить, а идентификация отдельных молекул или видов микробов может быть сложной задачей, когда они погружены в суп вместе с другими. Кроме того, такие системы не статичны; поведение и химические реакции могут меняться в течение нескольких минут, дней или сезонов.Поскольку природная среда содержит большое количество химических веществ и живых организмов, аналитические методы in situ должны быть отточены таким образом, чтобы они измеряли интересующий объект — в интересующем масштабе — без помех. Ученым нужны улучшенные микросенсоры, способные обнаруживать небольшие количества химических веществ в небольших пространственных масштабах. Такие сенсоры позволят определять процессы, играющие ключевую роль в микробно-микробных и микробно-минеральных взаимодействиях. Кроме того, эти устройства должны работать в самых разных условиях, в том числе в труднодоступных или суровых местах глубоко под поверхностью земли или на дне океана.

Такие инструменты также должны иметь возможность брать пробы в микромасштабе и отображать результаты относительно друг друга. Ключевые геобиологические процессы часто протекают неравномерно, например, в отложениях и горных породах. Инструменты, которые документируют присутствие микробов и связанную с ними активность и геологические последствия в трех измерениях, в мелком масштабе, но на обширных территориях, были бы чрезвычайно ценными.

Выбор полевых площадок также важен. Установленные полевые участки ценны тем, что они позволяют ученым проводить долгосрочные исследования и использовать задокументированную геобиологическую историю.Однако участники коллоквиума также подчеркнули важность расширения и изучения новых областей и типов среды.

ЭТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ

Проведение геобиологических исследований требует этического, а также технологического и теоретического рассмотрения. Некоторые исследования могут нарушить естественные популяции или процессы, что может привести к нежелательным последствиям. Трудно предсказать, какие проблемы могут возникнуть, например, при транспортировке образцов из относительно закрытой среды в другую, более незащищенную.По этой причине следует направить усилия на разработку рекомендаций по обращению с материалом из удаленных мест отбора проб, таких как глубокие подземные зоны, которые не подвергались воздействию земной поверхности. Точно так же мы должны учитывать возможность того, что мы можем заразить другие планеты жизнью с Земли, когда мы их исследуем; Точно так же мы рискуем занести чужеродные формы жизни с других планет, когда возвращаем их на Землю. Такие возможности необходимо учитывать при разработке программ геобиологических исследований и новых методологий.Ученые, законодатели и общественность должны участвовать в дискуссиях об управлении природной вселенной и решать, как лучше всего заботиться о ней во время этих исследований.

ОБРАЗОВАНИЕ, ПЕРСОНАЛ И ОБУЧЕНИЕ

Ученым потребуется разный опыт, чтобы исследовать традиционно непересекающиеся области, составляющие новую дисциплину геобиологию. В дополнение к традиционным биологическим и геологическим университетским курсам необходимо разработать новые междисциплинарные курсы по геобиологии.Лучше всего этого можно достичь путем развития сотрудничества между преподавательским составом, а также исследовательским факультетом и студентами. Руководители ведомств и учреждений должны приложить особые усилия, чтобы помочь традиционным геологическим и биологическим факультетам работать вместе и создать новый геобиологический словарь, который они и их студенты могли бы согласовать. Учебные программы по геобиологии могут включать, например, углубленное изучение математики, численного моделирования и вычислительных методов. Помимо потребности в людях с сильными математическими и количественными способностями, существует также потребность в улучшении наблюдательных навыков и возвращении к подходам традиционных натуралистов.Необходимы как количественные, так и качественные подходы. В новой области будут работать специалисты, прошедшие перекрестную подготовку и обладающие опытом работы в обеих областях.

Чтобы ввести контроль качества и единообразие в этой области, для университетов следует разработать рекомендации о том, что в идеале может представлять собой требования к получению степени. Кроме того, активные усилия по набору студентов на уровне бакалавриата и магистратуры будут стимулировать интерес молодых ученых. В настоящее время вакансий в этой области больше, чем соискателей.Это справедливо как для научных кругов, так и для промышленности.

В то время как образовательные программы будут готовить студентов и докторантов к полноценному участию в этой новой области, необходимо приложить другие усилия, чтобы позволить опытным исследователям охватить разные дисциплины. Геобиология охватывает множество различных областей и нетрадиционными способами решает вопросы, охватывающие пространственные и временные масштабы. Такая междисциплинарная и нетрадиционная наука не обязательно совместима с академической инфраструктурой, такой как продвижение по службе и пребывание в должности преподавателей, разработка программ бакалавриата и магистратуры, а также федеральное и государственное финансирование академических учреждений. Как и другие новые и появляющиеся дисциплины, эта требует особого внимания на всех уровнях управления.

Необходимо приложить усилия для развития рабочего сотрудничества и установления общего языка между областями, чтобы эксперты из разных специальностей могли эффективно общаться для постановки и решения проблем. Необходима лучшая интеграция между учеными, занимающимися фундаментальными исследованиями в соответствующих дисциплинах, а также между учеными и инженерами для разработки соответствующих концептуальных и практических стратегий решения проблем в геобиологии.Различные подходы могут наводить мосты между исследователями, которые обычно не взаимодействуют друг с другом. Карьерные возможности и стимулы, например, могут способствовать междисциплинарным связям, возможностям обучения и образования в области геобиологии.

В то время как участники коллоквиума подчеркивали необходимость повышения широты научной подготовки, некоторые также были обеспокоены кончиной микробиологов, глубоко укоренившихся в микробной физиологии. Необходима мощная поддержка для серьезных исследовательских усилий, направленных на понимание физиологического и биохимического репертуара микроорганизмов.С этой целью лица, прошедшие подготовку в области традиционной микробиологии, будут продолжать играть решающую роль. Их следует поощрять к изучению вопросов, выходящих за рамки традиционных областей медицинской и промышленной микробиологии, и, насколько это возможно, к применению их хорошо развитых микробиологических наук к соответствующим геобиологическим проблемам.

Профессиональные общества активно поддерживают геобиологию. Это положительная тенденция, и их следует поощрять к дальнейшему развитию специальных образовательных программ, целенаправленных занятий на собраниях, сотрудничеству между членами и так далее.В частности, международным сообществам следует продолжать и увеличивать поддержку сессий конференций и других мероприятий, способствующих развитию геобиологии. Было бы полезно больше междисциплинарных журналов. Чтобы обеспечить успех в этой области, неспециалистам, а также научному сообществу необходимо признать геобиологию как самостоятельную научную дисциплину, которая обещает практические преимущества и понимание основных процессов, формирующих окружающую среду и ее формы жизни.

Участники коллоквиума предложили организовать просветительскую программу, чтобы донести до широкой публики возможности и перспективы этой области.Люди, участвующие в этом проекте, могут, например, предлагать идеи для статей средствам массовой информации или разрабатывать интернет-ресурсы, рассказывающие о том, как биология и геология сочетаются друг с другом.

Наконец, образование должно начинаться рано. Молодым (K-12) ученикам необходимо узнать об отношениях между Землей и ее обитателями, особенно с микробами. Вопросы окружающей среды могут особенно заинтересовать детей и могут быть использованы для иллюстрации некоторых общих концепций геобиологии. Кроме того, некоторые из основных вопросов геобиологии — как живые существа и окружающая среда влияют друг на друга и как развивалась жизнь — вполне могут быть привлекательными для детей и способствовать развитию любопытства и интереса к науке в целом.

ПОДДЕРЖКА ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБУЧЕНИЯ

Для решения проблем и реализации целей, обсуждаемых участниками коллоквиума, существует острая потребность в финансировании образования, исследований и технологических разработок. Эта поддержка обеспечит создание программ, способствующих обучению и исследованиям в области геобиологии на уровне выпускников и аспирантов. Кроме того, он будет привлекать и обучать старшеклассников и студентов. Финансовая поддержка необходима для проведения семинаров, практикумов, краткосрочных курсов и конференций.Междисциплинарные гранты, которые способствуют сотрудничеству между специалистами в разных областях, будут особенно важны для стимулирования области геобиологии, равно как и гранты, направленные на разработку новых аналитических и компьютерных инструментов. Короче говоря, в то время как ограниченное финансирование поддерживает некоторые специальные краткосрочные программы, необходимо больше финансирования для поддержки долгосрочных проектов, обучения и активного развития в этой области.

Биосферы в бутылках

Биосферы в бутылках
Введение : Нам известна только одна стабильная, долгоживущая биосфера.Это Земля. Вас не должно удивлять, что попытки людей создать герметичные системы, как правило, не увенчались успехом. Международная космическая станция, несмотря на попытки переработать все, что возможно (включая преобразование мочи в питьевую воду — вы все еще хотите быть астронавтом?) для снижения затрат, не могла поддерживать жизнь в течение длительного времени без стабильных поставок провизии из и вывоз мусора обратно на Землю. Вы знаете, что они очень стараются, потому что, если все пойдет по плану, доставка фунта полезной нагрузки (припасов) на околоземную орбиту будет стоить около 10 000 долларов.Проект «Биосфера-2» в Южной Аризоне был интересным и дорогостоящим мероприятием, но первоначальные исследования не были очень научными, и оказалось довольно сложно поддерживать жизнь лишь горстки людей в течение относительно короткого периода времени. Вы можете купить крошечные герметичные морские экосистемы, заключенные в стекло. Это красивые диковинки, но тот, который я купил для жены, продержался меньше года, прежде чем сломался. Среди самых безумных оправданий освоения космоса то, что когда (обратите внимание на предположение о неизбежности) мы разрушим Землю, нам понадобятся новые места для жизни (и, предположительно, руины). До тех пор, пока мы не сможем добиться большего успеха в создании автономных экосистем, было бы гораздо лучше использовать человеческие усилия, чтобы сосредоточиться на сохранении единственной, которая у нас есть. Мало того, если мы сделаем Землю непригодной для жизни, я не уверен, что мы заслуживаем жить где-то еще. Но сам по себе вызов интересен, и научные вопросы, которые вы можете задать в процессе понимания, создания и поддержки такой системы, имеют смысл. Мы попробуем. Удачи! За это Нобелевская премия.
экосфера морских креветок
Основная теория : В закрытой системе, такой как та, что в вашей бутылке, вам нужно будет установить экологический баланс, чтобы все ваши организмы могли выжить и размножаться. Выбор того, какие организмы использовать и сколько для начала, важен, потому что, например, если у вас слишком много животных, потребляющих кислород, и недостаточно растений, производящих его, животные умрут. Если у вас слишком много растений и мало животных, которые их едят, растения могут перенасытиться и погибнуть. Растения поглощают углекислый газ (CO ₂ ) из воздуха и в процессе, называемом фотосинтезом, используют энергию солнечного света, чтобы брать эти углероды и связывать их вместе для производства сахаров (пища для растений), высвобождая кислород (O ₂) как отходы. Животные используют кислород как часть процесса обмена веществ (высвобождая энергию из пищи). Следовательно, растения и животные мутуалистичны; при правильном балансе они помогают друг другу выжить, потому что каждый из них производит то, что нужно другому, и каждый из них расходует то, в чем другой не нуждается.(На самом деле все немного сложнее, потому что растения производят кислород только при свете, а потребляют кислород в темноте.) Растения также поглощают химические питательные вещества, такие как азот (белки в основном состоят из азота и углерода, поэтому мертвые животные обогащают кислород). почва для растений), фосфор и калий из почвы через их корни. Животные потребляют растения (или других животных) и производят отходы, которые бактерии расщепляют на питательные вещества, которые растения могут повторно использовать. Вода потребляется как растениями, так и животными, но также выделяется, очищается и используется повторно.Когда растения и животные умирают, они расщепляются организмами-редуцентами, такими как бактерии и грибы, а химические вещества, которые были частью их тел, перерабатываются обратно в новые живые существа. Единственными входами извне являются тепло и свет, и вся система должна иметь возможность перерабатывать все остальное и быть самоподдерживающейся на протяжении многих поколений. Земля — это самоподдерживающаяся экосистема, существующая миллиарды лет.
Я бы хотел, чтобы вы приступили к этому проекту в начале семестра, чтобы вы могли делать еженедельные наблюдения в течение всего семестра.Но есть одна загвоздка: как только вы его запечатаете, вы больше не сможете с ним возиться. Единственными допустимыми входами в систему являются тепло и свет. Для начала читайте дальше…
Здесь есть что рассказать. Начнем с материалов. Вам понадобятся три или четыре 2-литровых бутылки из-под газировки. Возможно, больше, если вы сделаете ошибки 🙂 Я хотел бы, чтобы вы построили что-то похожее на колонку «TerrAqua» на сайте «Биология бутылок» или PDF-файл «Создание эко-колонки», но вы собираетесь полностью его запечатать. Никаких отверстий для воздуха или других входов, кроме света и тепла.Вы можете использовать либо нетоксичный силиконовый герметик (пахнет уксусом во время высыхания, для полного отверждения требуется около 24 часов), либо клейкую ленту для герметизации бутылок. Мы пытаемся создать самоподдерживающуюся экосистему, которая просуществует какое-то время. Сбалансировать ситуацию очень сложно, но можно.

Первые шаги : Нарисуйте свой дизайн на бумаге. Составьте подробный план того, что вам понадобится. Соберите материалы. Нарисуйте пунктирные линии, где вы будете резать бутылки. Сначала установите его пустым, чтобы убедиться, что все плотно прилегает друг к другу.Используйте несколько небольших кусочков ленты, чтобы временно скрепить их. Обратитесь к примечаниям на ресурсных сайтах. У них есть много полезных советов по удалению этикеток, безопасному разрезанию бутылок, соединению их друг с другом и т. д. Например, подумайте, будете ли вы резать выше изгиба, по изгибу или ниже изгиба верхней и нижней части бутылки. Если одна секция искривляется, к ней легче подогнать другую секцию. Чтобы вставить крышку бутылки в середину бутылки, слегка наклоните ее, когда вы вдавливаете ее, чтобы прервать всасывание/давление.Я сделал свои первые надрезы канцелярским ножом, а затем обрезал края ножницами, чтобы сделать их более гладкими. Хорошо загерметизировать как можно больше стыков между секциями силиконом и дать им высохнуть и выйти из газов, прежде чем загружать в систему какие-либо живые существа.

Соедините бутылки, обрезав одну в самом широком месте и соединив с другой в месте изгиба.

Этапы сборки бутылки: Соедините детали вместе перед добавлением воды, почвы, растений, животных.
Есть много способов построить свою биосферу. Шаги выше, обозначенные буквами A-H, с использованием бутылок с номерами 1-4 дадут вам основную идею, но вы можете расширить или отклониться от этого дизайна, если хотите. Шаг А — разрез для бутылки 1, нижняя часть, в которой будут водные организмы. Шаг B — это вырез для бутылки 2, который сформирует крышу водной среды обитания и соединение с верхней камерой. Шаг C — это этап сборки, который соединяет бутыль 1 с бутылкой 2.Шаг D — разрез бутылки 3 для стенок сухопутной секции. Этапы E и F представляют собой этапы сборки для соединения бутылки 3 с бутылками 1 и 2. Этап G представляет собой разрез 4-й бутылки, который будет формировать крышу верхней камеры. Если у вас есть больше бутылок, вы можете продолжать строить вверх. Бутылка, показанная на фотографиях ниже, имеет 3 камеры, включая одну водную секцию и две наземные камеры. Обратите внимание, что между всеми секциями должно быть отверстие, чтобы воздух и влага могли перемещаться по всему комплексу бутылок.Тем не менее, временно удерживая крышку над водной секцией, пока вы загружаете почву, наземные растения, дождевых червей и т. д., вы не прольете что-либо в нижнюю секцию. Просто не забудьте снять крышку над водной частью, когда закончите с наземной средой обитания. Шаг H — завершенная двухкамерная биосфера.

Материалы собраны. Собраны растения и животные. Готов приступить к резке бутылок.

Собери свои живые существа.Примечание. Используйте воду из пруда или пресноводную аквариумную воду. В водопроводной воде не будет нужных бактерий. Вы можете использовать мелкий аквариумный гравий, песок и/или грунт. В аквариумном магазине или в местном пруду есть водные растения. Горшечная почва сложна, потому что поначалу она будет поглощать много влаги и может быть грязной в работе. Чем сложнее ваша биосфера, тем интереснее она может быть, но не перегружайте ее животными. Не селите в свою биосферу рыб, лягушек, рептилий и т.п.; они не выживут долго, потому что он слишком мал и не может их поддерживать.Немного прудового ила будет содержать несколько хороших микроскопических беспозвоночных. Попробуйте несколько маленьких улиток, может быть, несколько маленьких дождевых червей, немного дафнии или других пресноводных беспозвоночных, выловленных из пруда или ручья сачком. Сделайте его больше похожим на террариум. Попробуйте некоторые выносливые растения; желательно более одного вида. Оставьте компоненты открытыми на воздухе на неделю или две, пока вы регулируете уровень влажности и все устанавливается.

Водная секция частично загружена.Заделка пустых участков силиконом.

Пустые частично герметичные секции, собранные вместе для проверки соответствия.

Растения, загружаемые в наземные участки; регулировка уровня влажности перед окончательной герметизацией.
Легко случайно перенасытить почву водой, а потом это вызовет проблемы. Я добавил немного песка и крупного аквариумного гравия для дренажа на дно своих наземных участков и очень постепенно добавлял воду, следя за уровнем воды снаружи.Оставьте его открытым на неделю или две, прежде чем закрывать, чтобы лишняя вода испарилась. Вы хотите, чтобы почва была влажной, но не мокрой. Я также добавил в почву 2 маленьких дождевых червей, которых я собрал после ливня. Надеюсь, успеют!

Бутылка биосферы теперь герметична. Если повезет, у нас внутри будет самоподдерживающаяся экосистема.
Когда уровень влажности будет правильным и все будет загружено внутрь, запечатайте его навсегда и надейтесь на лучшее.Вы все еще можете регулировать положение своей биосферы относительно тепла и света. Если слишком много водорослей растет, это слишком ярко. Если растения начинают желтеть или коричневеть, попробуйте более светлое место. Следите за тем, чтобы он не нагревался слишком сильно и не становился слишком холодным. Подумайте о салоне вашего автомобиля в жаркий день. Даже если что-то начинает рушиться, продолжайте наблюдать. Плесень тоже живое существо. Подумайте о циклах, которые происходят внутри бутылки, когда она нагревается и охлаждается в течение дня и ночи, световых и темных циклов, а также когда вода, кислород и углекислый газ, углерод, азот и другие питательные вещества циркулируют в системе.Прочтите обо всем следующем, потому что они помогут вам понять, что происходит внутри вашей «закрытой системы».

Делайте еженедельные заметки, делайте еженедельные фотографии* и загружайте их в свой личный «Журнал». Может показаться, что изо дня в день ничего не происходит, но сравнение фотографий неделю за неделей может выявить более значительные изменения. Внутри вашей маленькой биосферы происходит много всего.
* Запрос фотографии : Ваши фотографии не обязательно должны быть в полном разрешении вашего модного смартфона или камеры с высоким разрешением.Уменьшите их, если сможете, чтобы они не были гигантскими. Так как я здесь придирчив, в фокусе тоже приятно! Графика выше уменьшена примерно до 100 килобайт каждая и все еще выглядит довольно хорошо. Используйте параметр «оптимизировать для электронной почты», если он доступен.

определение биосферы по The Free Dictionary
биосфера
(bī′ə-sfîr′) н.
1. Часть земли и ее атмосферы, в которой существуют живые организмы или которая способна поддерживать жизнь.
2. Живые организмы и среда их обитания, составляющие биосферу.
биосферный (-сфирьк, -сфирь-) прил.
Словарь английского языка American Heritage®, пятое издание. Авторские права © 2016, издательство Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. Опубликовано издательством Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. Все права защищены.
Биосфера
(Baɪɪˌsfɪɪ) (Baɪɪˌsfɪɪ) N
(Экологические науки) Часть поверхности Земли и атмосферы, населенные живыми существами
Коллинз Английский словарь — полное и неограниченное, 12-е издание 2014 © Harpercollins Publishers 1991, 1994, 1998, 2000 , 2003, 2006, 2007, 2009, 2011, 2014
би•о•сфера
(ˈbaɪ əˌsfɪər)
сущ.
1. часть земной коры, воды и атмосферы, поддерживающая жизнь.
2. экосистема, включающая всю землю и населяющие ее живые организмы.
биосферный (-ˈsfɛr ɪk) прил.
Рэндом Хаус Словарь колледжа Кернермана Вебстера, © 2010 K Dictionaries Ltd. Авторские права Random House, Inc., 2005, 1997, 1991. Все права защищены.
биосфера
(bī′ə-sfîr′) Части суши, моря и атмосферы, в которых живут организмы.
Студенческий научный словарь American Heritage®, второе издание. Авторские права © 2014, издательство Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. Опубликовано издательством Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. Все права защищены.
биосфера
та часть земли, где существует большинство форм жизни, в частности, где есть вода или атмосфера.
См. также: Биология
та часть земной поверхности, где существует большинство форм жизни, особенно те части, где есть вода или атмосфера.
См. также: Земля, Жизнь
-Ологи и -Измы. Copyright 2008 The Gale Group, Inc. Все права защищены.
биосфера
Земные живые существа и окружающая их среда.

Биосфера

Биосфера — живая оболочка Земли. Биология, Общие биологические закономерности (9–11 класс): уроки, тесты, задания.

Биосфера — это, что такое, какие, определение, значение, доклад, реферат, конспект, сообщение, вики — WikiWhat

Границы биосферы

Верхняя граница

Нижняя граница в гидросфере

Нижняя граница в литосфере

Состав (структура) биосферы

Живое вещество

Биогенные вещества

Твёрдые тела

Вещества биогенного и абиогенного происхождения

Функции живого вещества в биосфере

Газообменная

Концентрационная

Окислительно-восстановительная

Биохимическая

Эволюция биосферы

Охрана биосферы

Картинки (фото, рисунки)

Рис. 74. Геосфера Земли

Рис. 75. Границы распространения жизни в биосфере

Рассказ в схеме что такое биосфера

Схема границы биосферы

Картинки о биосфере

Биогенное 2) абиогенное

Биосфера доклад 6 класс

Что такое биосфера?

Как называется живая оболочка Земли?

Где находится верхняя граница биосферы и до какой высоты она доходит?

Какие вещества входят в состав биосферы?

Что относится к биогенным веществам?

Назовите основные функции живого вещества в биосфере.

1.1. Определение биосферы. Современное состояние биосферы и экологическая политика

Читайте также

Глава 10. Человек в циклах биосферы

3.3. Эволюция биосферы

Дыхание биосферы

Космические связи биосферы

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЗРАСТА

10.3. Стабильность биосферы

10.4. Развитие биосферы

Океан и тайны эволюции биосферы

ЭВОЛЮЦИЯ БИОСФЕРЫ

Глава 1 Введение в проблематику биосферы

1.2. Характеристика и состав биосферы

1.3. Физические условия формирования биосферы

Глава 5 Современное состояние биосферы Земли

5.1. Границы биосферы

5.2. Основные функции биосферы

8.4. Генетика и эволюция биосферы

О Вернадском

Биосфера, подготовка к ЕГЭ по биологии

Границы биосферы

Вещество биосферы

Функции живого вещества

Теория биогенной миграции атомов Вернадского В.И.

Ноосфера

Круговорот веществ

Биосфера — Викизнание… Это Вам НЕ Википедия!

Характеристика Биосферы[править]

Состав Биосферы[править]

Эволюция Биосферы[править]

Определение и примеры биосферы — Биологический онлайн-словарь

Определение биосферы

Происхождение и эволюция биосферы

Компоненты биосферы

Абиотические компоненты

Литосфера

Атмосфера

Гидросфера

Биотические компоненты

Растения

Животные

Микроорганизмы

Организационная структура биосферы

(1) Биомы

(2) Экосистема

(3) Сообщество видов

(4) Популяция