Что такое биосфера. Ее границы, структура и функции. Биосфера: границы биосферы. Состав и границы биосферы. Верхняя граница биосферы
) и твёрдую (лито-сфера ) оболочки Земли (рис. 74).
Верхняя граница
Верхняя граница биосферы распо-ложена на высоте 15—25 км над уровнем моря (и в разных регионах Земли различна) в нижнем слое атмосферы — тропо-сфере (рис. 75).
В этих пределах био-сферы под влиянием энер-гии солнечных лучей кис-лород превращается в озон и образуется озоновый эк-ран. Он не пропускает ос-новную часть космических и ультрафиолетовых лучей, оказывающих вредное воздействие на живые орга-низмы, поэтому они не достигают земной поверх-ности.
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
Состав биосферы многообразен и подраз-деляется 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
Общая масса живых организмов в биосфере называется био-массой, 93% которой приходится на сушу, а 7% — на водную среду. Живые организмы своей деятельностью оказывают большое влияние на биосферные процессы и обусловливают изменения 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
По В. И. Вернадскому биосфера, охватывающая весь земной шар, небеспредельна, ее границы в значительной мере обусловлены существованием в ней живого вещества и определяют границы распространения жизни по земному шару, как по горизонтали, так и по вертикали. Однако, поскольку Земля имеет форму геоида, говорить о горизонтальных границах следует с некоторыми допущениями. Ведь если в экваториальных тропических и умеренных широтах жизнь распространена повсеместно, то в отношении циркумполярных областей, т.е. расположенных вокруг Северного и Южного полюсов, следует сделать уточнения.
Воды Северного Ледовитого океана с постоянным ледовым покровом на большей его части в точение круглого года довольно обильно заселены морскими животными. Низкие температуры не служат препятствием для распространения живых организмов и над ледовым покровом. Даже в Верхоянске, который до недавнего времени считался полюсом холода и где абсолютный минимум достиг -71 °С, растут лиственничные северотаежные леса. Занесение спор мхов, грибов, лишайников и водорослей, которые могут выдержать еще более низкие температуры, вполне вероятно вплоть до Северного полюса. Там, где есть каменистый субстрат, например на северных побережьях островов Северная Земля и Шпицберген, поселяется, хотя и разреженно, мохово-лишайниковая растительность. В Антарктиде лишайники встречаются даже в 360 км от Южного полюса на высоте 2000 м над уровнем моря. Поэтому можно утверждать, что хотя концентрация и разнообразие живых организмов на различных по природным условиям территориях и акваториях изменяются в довольно значительных пределах, жизнь существует на всем земном шаре. Следовательно, горизонтальных границ у биосферы нет и речь следует вести только о ее вертикальной размерности, верхнем, атмосферном, и нижнем, литосферном, пределах.
В физической географии используется понятие, предложенное А. А. Григорьевым в 1937 г.,- географическая оболочка», которым обозначается область взаимодействия лито-, гидро-, био- и атмосферы. Верхнюю границу оболочки обычно определяют несколько ниже слоя максимальной концентрации озона - в стратосфере на высоте 20-25 км. Иногда ее вертикальное простирание сужают или расширяют до мезопаузы на высоте 70-80 км. Нижняя граница географической оболочки находится в подкоровом слое несколько ниже «поверхности Мохоровича».
В географических работах, посвященных географической оболочке, биосфера долго рассматривалась как совокупность живых организмов или органической материи. При таком подходе недостаточно полно учитывались особенности биосферы как планетного образования. В современном представлении географов понятие «биосфера» отражает лишь частный, биоцентрический взгляд на географическую оболочку, которая представляет собой единственную на Земле геосистему планетного уровня (Исаченко, 1991).
Верхняя граница распространения жизни в атмосфере определяется, по всей видимости, не столько низкими температурами, сколько губительным действием радиации. Так, пыльца цветковых и голосеменных растений, споры грибов, мхов, папоротников и лишайников, бактерии и простейшие животные организмы постоянно или с сезонной ритмикой присутствуют в воздухе. Над сушей и акваторией в дожде, снеге, облаках и туманах кроме пыльцы и спор обнаружены микроорганизмы. Вся воздушная среда представляет собой суспензию жизнеспособных пыльцы, спор и микроорганизмов, содержание которых уменьшается с высотой. Интенсивность радиации, создаваемой космическими лучами, на высоте 9 км в десятки раз больше, чем на уровне моря, а на высотах 15-18 км возрастает уже в сотни раз. Высотное распространение микроорганизмов ограничивается потоком жесткой ультрафиолетовой радиации Солнца, убивающей все живое.
Главное значение в защите жизни на Земле от радиации принадлежит озону, основная масса которого расположена в виде слоя озоносферы на высоте от 10 до 50 км с максимумом концентрации на высоте 20-25 км (так называемый озоновый экран). В озоносфере озон содержится в ничтожном количестве: толщина его слоя при давлении 101,3 мПа и температуре 0 °С в среднем для всей Земли составляет 2,5-3 мм, экваториальных областей - около 2, а высоких широт - до 4 мм. Озон весьма интенсивно поглощает радиацию на участке спектра с длиной волны менее 290 нм. Поэтому наиболее активная в биологическом отношении часть солнечного излучения не достигает земной поверхности.
В. И. Вернадский отмечал, что границы биосферы обусловлены прежде всего полем существования жизни, т. е. полем, где возможно размножение организмов. Можно утверждать, что вся тропосфера, высота которой 8-10 км в полярных широтах и 16-18 км у экватора, в большей или меньшей степени населена живыми организмами, которые находятся в ней либо временно, либо постоянно. Уже в тропопаузе резко изменяются физические и температурные характеристики биосферы, в частности прекращается интенсивное турбулентное перемешивание воздушных масс. Стратосфера, находящаяся выше тропопаузы, вряд ли пригодна для существования микроорганизмов. Верхний предел биосферы, или поля существования жизни, довольно ясно просматривается в тропопаузе. Однако верхний предел занесения спор и микроорганизмов, определяющий «поле устойчивости жизни» (живые организмы существуют, но не размножаются), возможен до верхней границы стратосферы.
Таким образом, область распространения живых организмов ограничена в основном тропосферой. Например, верхняя граница полета орлов находится на высоте 7 км; растения в горных системах и насекомые в воздушной среде не распространены выше 6 км; верхняя граница постоянного обитания человека - 5, обрабатываемых им земель - 4,5 км, леса в горных системах тропиков не растут выше 4 км.
Тропосфера - это воздушная среда, в которой осуществляется только передвижение организмов, нередко при помощи своеобразно приспособленных для этого органов. Настоящего аэропланктона, постоянно обитающего и размножающегося в воздушной среде, видимо, нет. В противном случае тропосфера представляла бы собой «кисель», максимально насыщенный микроорганизмами. Весь цикл своего развития, включая размножение, организмы осуществляют только в литосфере и гидросфере, а также на границе воздушной среды с этими оболочками.
Верхние слои атмосферы и стратосферы, в которые возможно занесение микроорганизмов, а также наиболее холодные и жаркие районы земного шара, где организмы могут существовать лишь в покоящемся состоянии, называются парабиосферой (по Дж. Хатчинсону).
В состав биосферы полностью включается гидросфера - озера, реки, моря и океаны. В морях и океанах наибольшая концентрация жизни приурочена к эвфотической зоне, куда проникает солнечный свет. Обычно ее глубина не превышает 200 м в морях и континентальных пресноводных бассейнах. Именно в этой зоне, где возможен фотосинтез, сосредоточены все фотосинтезирующие организмы и продуцируется первичная биологическая продукция.
Дисфотическая зона, начинающаяся с глубины 200 м, характеризуется полной темнотой и отсутствием фотосинтезирующих растений. Она представляет собой водную среду обитания активно перемещающихся животных. Вместе с тем через нее непрерывным потоком опускаются на дно морей и океанов отмершие растения, выделения и трупы животных.
О нижнем, литосферном, пределе биосферы ясного представления пока нет. В большинстве работ, посвященных биосфере, указывается, что нижний предел биосферы на континентах составляет в среднем 2-3 км. Здесь в условиях низких по сравнению с более глубокими слоями температуры и давления, но при участии живых организмов (микроорганизмов) и воды прекращается миграция химических элементов. Микробиологические исследования свидетельствуют о том, что микроорганизмы присутствуют также в пластовых водах, омывающих нефть, хотя сама нефть стерильна. Под океанами литосферный предел биосферы распространяется на 0,5- 1,0 км и, возможно, на 3,0 км ниже их дна! О более глубоком проникновении жизни в литосферу, несмотря на интенсивные буровые работы, достоверной информации пока нет.
В тропосфере и литосфере взаимодействуют твердая, жидкая и газовая фазы вещества, живое вещество непосредственно влияет на все природные процессы. Оболочка земного шара на границе атмо-, гидро-, литосферы, на которой сконцентрировано живое вещество планеты, получила название биогеосферы (синонимы: «пленка жизни» (В. И. Вернадский), «эпигенема», «витасфера»- сфера жизни (А. И. Тюрюканов и В. Д. Александрова), «фотогеосфера» (Е. М. Лавренко), «фитосфера» (В. Б. Сочава)). Понятие «биогеосфера» по своему содержанию близко к понятию «ландшафтная оболочка» Ф. Н. Милькова. Только в биогеосфере возможны постоянное нахождение человека и всесторонняя его деятельность.
Населенную живыми организмами, которые в процессе своей жизнедеятельности активно ее преобразуют.
История изучения
Понятие биосферы как области жизни ввел в науку Жан Батист де Ламарк в первой половине XIX века. Именно он ближе всех подошел к ее пониманию. Но сам термин был предложен австрийским ученым Эдвардом Зюссом. Он трудился в области геологии и понимал под биосферой совокупность всех организмов. Сейчас же такой смысл вкладывается в термин «биота». Зюсс изложил свои гипотезы и результаты исследований в знаменитом научном труде «Лик Земли», в котором описывал геологию Альп.
Современное понятие биосферы сформулировал русский ученый геохимик, обладающий энциклопедическими знаниями во многих отраслях науки - Владимир Иванович Вернадский. Будучи профессором минералогии в Московском университете, он стал автором великого труда «Биосфера», изданного в 1926 году. Именно в этой работе он впервые дал развернутое определение данному термину.
В. М. Вернадский справедливо считал, что биосфера - это большая концентрическая область Земли, которая играет роль главной геохимической силы. Таким образом, она является пространством, в котором жизнь существует на данный момент или существовала когда-либо, то есть для биосферы характерно наличие живых организмов или продуктов их жизнедеятельности.
Типы веществ в биосфере
В. И. Вернадский выделял несколько типов веществ, составляющих основу биосферы.
- Собственно живое вещество, которое образовано совокупностью организмов.
- Биогенное вещество, которое образуется в ходе и остается после жизнедеятельности организмов. Речь идет о газах атмосферы, каменном угле, нефти и прочем.
- которое образуется без вмешательства организмов.
- - это соединения, являющиеся результатом жизнедеятельности организмов в совокупности с абиогенными процессами.
Границы биосферы определяются в соответствии с наличием совокупности вышеперечисленных веществ в оболочках Земли.
Живое вещество в биосфере
Очевидно, что основные геохимические и энергетические процессы протекают при обязательном участии В. И. Вернадский так сформулировал понятие о нем. Живое вещество - все существующие на данный момент, составляющие единую совокупность, которая выражается в элементарном химическом составе, весе, энергии.
Главным свойством живого вещества является его активность, обусловленная связью с окружающей средой постоянным биогенным потоком. Поток формируется при дыхании, питании, размножении. В этом контексте можно рассматривать жизнедеятельность организмов в качестве мощного геологического процесса планетарного характера.
Постоянные миграции химических элементов между организмом и окружающей средой в обоих направлениях происходят непрерывно. Осуществление этого процесса возможно благодаря близости элементарного химического состава организмов к химическому составу земной коры.
Растения, осуществляя фотосинтез, создают в биосфере сложные органические молекулы, имеющие большой запас энергии. Таким образом, живое вещество аккумулирует и трансформирует связанную лучистую энергию Солнца. Перемещение энергии становится возможным по причине постоянного роста и развития организма. Скоростью размножения, как справедливо считал В. И. Вернадский, это скорость, при которой в биосфере передается геохимическая энергия.
Границы
Часть биосферы, в которой в настоящее время есть живые организмы, принято называть необиосферой. Иначе говоря, современной. А то пространство, которое было местом обитания древних организмов, это палеобиосферы.
Общая масса геосфер планеты равна примерно 2420 миллиардам тонн. Эта величина в 200 раз больше массы атмосферы. Таким образом, можно сделать вывод, что слой живого вещество в общей массе геосфер ничтожно мал.
Диапазон потенциальных возможностей и масштаб приспособляемости организмов обуславливают «всюдность жизни». Живые существа постепенно обосновались в морях и океанах, затем освоились на суше. По мнению Вернадского, состав и границы биосферы меняются и сейчас.
Следует отметить, что, в отличие от других земных оболочек, только биосферу можно считать комплексной. Она выполняет и функцию «покрова» из живой сущности и является средой обитания множества организмов, в число которых входит и человек.
Границы биосферы определяются следующим образом. Она включает в себя нижнюю зону атмосферы, верхнюю зону литосферы и всю гидросферу. И высоты атмосферы, характеризующиеся холодом, низким давлением, и глубины океана, давление в которых может достигать 12 000 атмосфер, - все это биосфера. Границы биосферы настолько широки по причине очень широких пределов температурной толерантности организмов.
Следует отметить, что есть и такие бактерии, которые могут существовать в вакууме. Пределы адаптации к химическим условиям также очень широки. Реальным является существование организмов, например, под постоянным воздействием ионизирующей радиации. Исследования показывают, что некоторые живые существа настолько выносливы, что по отдельным критериям их возможности находятся даже за пределами биосферы.
Помимо основных перечисленных условий, жизнь организмов обусловлена постоянством биогенного тока атомов.
Верхняя граница биосферы
В разных частях планеты жизнь в атмосфере существует на разной высоте. В зонах Южного и Северного полюсов эта величина составляет 8-10 км, вблизи экватора - 17-18 км, над всеми остальными территориями - 20-25 км. Таким образом, жизнью наполнена только тропосфера - нижняя часть атмосферы
Физический предел распространения жизни в атмосфере находится на нижней границе
Гидросфера
Гидросфера образована океанами, морями, озерами, реками и ледяными покровами. На всех глубинах есть жизнь. Подавляющее большинство живых организмов заняли поверхностные слои и прибрежье. Но даже на глубине 11 022 м, в самой глубокой впадине Мирового океана (Мариинской), есть обитатели. Необиосфера также включает в себя донные отложения, которые когда-то были местом обитания древних существ.
Нижняя граница биосферы
Если говорить о литосфере, то почва, безусловно, является самым густонаселенным ее слоем, но существование жизни замечено гораздо глубже - примерно 6-7 километров под землей. Это касается, прежде всего, глубоких трещин и пещер.
Организмы, населяющие биосферу
Живые организмы делятся на две группы в зависимости от способа получения энергии, необходимой для жизнедеятельности: автотрофные и гетеротрофные. Местом обитания представителей обеих групп является биосфера. Границы биосферы определяются их распространением.
Представители в своем питании не связаны ни с какими другими живыми существами. Им для этого требуется солнечный свет или энергия химических связей соединений неорганического происхождения. И то, и другое может использоваться в качестве источника энергии, тогда как питание они получают из минеральных веществ.
Автотрофы делятся на две подгруппы. Это фототрофы (зеленые) и хемотрофы (бактерии). Первые способны существовать только в области проникновения солнечных лучей. А вот вторые, за счет использования химических соединений органической природы в качестве источника энергии, распространены намного шире.
Гетеротрофам, напротив, в качестве источников энергии и питания требуются органические вещества, произведенные другими организмами. То есть без предварительной работы автотрофов их существование было бы невозможным. Животные и человек, как житель биосферы, относятся к гетеротрофным организмам.
«Пленки жизни»
Неравномерность распределения жизни - это один из важных признаков, которым характеризуется биосфера. Границы биосферы имеют наименьшую плотность жизни. Наибольшая же наблюдается на стыках сред обитания. В целом же распределение жизни в биосфере носит резко неравномерный характер. В. И. Вернадский ввел термин «Пленки жизни», описывая с его помощью наиболее плотно населенные области биосферы. Граница контакта «почва-воздух» - это первая из таких пленок, ее толщина составляет от 2 до 3 см. Вторая представлена зоной контакта «воздух-почва» -прибрежная полоса и зона апвелинга. Третья представлена эуфотической зоной океана (до 200 м), т. е. областью свободного проникновения солнечного луча.
Таким образом, жизнь, преобразующая «лик Земли», неразрывно связана с понятием «биосфера». Границы биосферы - это границы жизни.
Пространственно-функциональная организация - это механизм, обеспечивающий «геологическую вечность всего живого». Человек, как житель биосферы, наряду с другими гетеротрофными организмами является непосредственным участником энергетического круговорота, обеспечивающего жизнь на Земле.
Биосфера — это оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются прошлой и современной деятельностью живых организмов.
■ Термин «биосфера» ввел Э. Зюсс (Австрия, 1875 г.), учение о биосфере было создано В.И. Вернадским (Россия, 1926 г.).
■ Биосфера — наиболее крупная экосистема, объединяющая все биогеоценозы планеты и осуществляющая глобальный круговорот веществ.
Компоненты биосферы: живое вещество (см. ниже), биогенное вещество, биокосное вещество, косное вещество, радиоактивное вещество, космогенное вещество.
Биогенное вещество — соединения и полезные ископаемые, создаваемые и перерабатываемые живыми организмами в процессе их жизнедеятельности (нефть, газ, уголь, известняк и др.).
Биокосное вещество — вещество, образующееся в результате совместной деятельности живых организмов и абиогенных процессов (почва, грунт водоемов).
Косное вещество — соединения, образующиеся без участия живых организмов (горные породы, минералы и др.).
Радиоактивное вещество — радиоактивные руды и конечные продукты их распада.
Космогенное вещество — метеориты, космическая пыль.
Область жизни определяется наличием условий, необходимых для существования тех или иных живых организмов.
Жизнь на Земле распространена в трех геологических оболочках — атмосфере, гидросфере и литосфере . Эти оболочки объединены в единую целостную систему посредством непрерывного обмена друг с другом веществом и энергией, обусловленного не только абиогенными процессами, но и деятельностью живых организмов.
Атмосфера — воздушная оболочка Земли. Плотность воздуха быстро уменьшается с высотой: 75% массы атмосферы сосредоточено в слое ниже 10 км, 90% — ниже 15 км, 99% — ниже 30 км. Сухой воздух состоит из азота (78,08%), кислорода (20,95%), аргона (0,93%), углекислого газа (0,03%) и примесей других газов.
Тропосфера — нижний слой атмосферы высотой от 8-10 км в полярных широтах до 16-18 км в экваториальной зоне. Выше тропосферы расположена стратосфера.
Озоновый слой — область с повышенным содержанием озона О 3 — находится в стратосфере на высотах 15-25 км. Он поглощает губительное для живых организмов коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца.
Водяной пар , присутствующий в атмосфере, участвует в природном круговороте воды;
■ конденсируясь, он выпадает в виде дождей, обеспечивая влажностный режим земных территорий;
■ вместе с СО 2 он вносит главный вклад в парниковый эффект : удерживает отраженные от поверхности планеты длинноволновые тепловые лучи, благодаря чему нижние слои атмосферы оказываются теплыми.
Гидросфера — это водная оболочка Земли, образованная водами ее океанов, морей, озер, рек, подземных и ледяных покровов.
■ Средняя глубина Мирового океана — 3,8 км, максимальная (Марианская впадина в Тихом океане) — 11,034 км. 97% массы гидросферы составляют соленые океанические воды, 2,2% — воды ледников, 0,8% — подземные, озерные и речные пресные воды.
Литосфера — внешняя твердая оболочка (кора) планеты. Состоит из трех слоев: верхнего — слоя осадочных пород, среднего -гранитного и нижнего, наиболее плотного — базальтового.
Границы биосферы проходят там, где начинают преобладать природные факторы, делающие существование живых организмов невозможным.
Верхняя граница биосферы определяется высокой интенсивностью ультрафиолетового солнечного излучения, низкой температурой среды, дефицитом кислорода и воды и проходит в атмосфере на высоте 25-27 км (у нижней границы озонового слоя).
■ Отдельные споры бактерий и грибов найдены в тропосфере на высоте до 40 км.
Нижняя граница биосферы в литосфере для большинства форм жизни определяется высокой плотностью, прочностью и высокой сопротивляемостью среды, отсутствием света, недостатком кислорода и проходит на глубине нескольких десятков метров.
■ Неактивные формы жизни (споры, цисты) и нефтебактерии зарегистрированы на глубинах до 4 км. Эта граница, помимо перечисленных выше факторов, определяется также высокими давлением и температурой горных пород и подземных вод (на глубине 3 км температура около +100 °С).
В гидросфере жизнь простирается на всю глубину Мирового океана. Здесь ограничивающими факторами являются давление толщи воды и отсутствие света (температура воды на дне океанических впадин — около 0 °С).
■ По В.И. Вернадскому, нижняя граница биосферы проходит на 1-2 км глубже дна Мирового океана, в постепенно накапливающейся в океане толще осадочных пород, происхождение которых связано с деятельностью живых организмов.
Живое вещество
Живое вещество — совокупность всех существующих в данный момент живых организмов планеты, численно выраженная в элементарном химическом составе, массе или энергии.
■ Количественные меры живого вещества — биомасса и продукция.
Особенности живого вещества. Живое вещество:
■ является главным компонентом биосферы;
■ распределено по Земле неравномерно; его концентрация максимальна на границах раздела основных сред — в почве, в поверхностных слоях океана, на дне водоемов, в так называемых «пленках жизни»;
■ по своему элементарному химическому составу близко к составу земной коры;
■ является наиболее активным компонентом биосферы, обеспечивающим глобальный круговорот химических элементов;
■ является гигантским аккумулятором и уникальным преобразователем энергии Солнца, связывая ее в химических связях сложных органических молекул в процессе фотосинтеза.
Общее количество биомассы на Земле — 2423,2 млрд. т. Основная ее часть сосредоточена на континентах (свыше 99,8%) в зеленых растениях суши (более 99,2%). Организмы, не способные к фотосинтезу, составляют 1%.
Распределение биомассы по континентальной и океанической частям биосферы (приведенное к сухому органическому веществу) представлено в таблице.
Распределение по продукции и количеству образуемого кислорода: около половины продукции и объема кислорода создают растения суши (главным образом влажные тропические леса), другую половину — микроскопические водоросли гидросферы — фитопланктон (при этом биомасса фитопланктона примерно в 10 000 раз меньше биомассы растений суши). Причина — в значительно большей скорости образования продукции фитопланктоном по сравнению с растениями суши.
Биогеохимический цикл — более или менее замкнутый путь, по которому осуществляется непрерывная циркуляция химических элементов в биосфере.
Основные процессы круговорота воды, углерода и азота приведены в таблице; подробнее они рассмотрены ниже.
Целостность биосферы: каждый ее компонент, развиваясь по своим законам, существует не изолированно, а постоянно испытывает влияние других и сам оказывает влияние на другие компоненты. Поэтому изменение любого компонента биосЛеры вызывает изменение других.
Ряд компонентов биосферы, расположенных в порядке убывания скорости изменения: животный мир → растительность → почва → вода → климат → рельеф → литосфера.
Круговорот воды и кислорода
Круговорот воды
Вода испаряется с поверхности водоемов (океанов, морей и т.д.) и суши и воздушными течениями переносится на различные расстояния. Большая часть испарившейся воды выпадает в виде осадков в океан, меньшая — на сушу. Выпавшая на поверхность суши вода способствует разрушению горных пород, размывает верхний слой почвы и возвращается вместе с растворенными и взвешенными в ней веществами в реки, моря и океаны.
Растения извлекают воду из почвы и испаряют ее в атмосферу. Масса испаряемой при этом воды может быть весьма значительна (гектар леса испаряет 20-50 т воды в сутки), и в крупных лесных зонах основное количество осадков образуется из водяного пара, поступающего в атмосферу благодаря суммарному испарению с этих же зон.
Растительный покров также удерживает воду путем замедления ее стока, поддерживает постоянным уровень грунтовых вод и др.
Часть воды в процессе фотосинтеза расщепляется на водород и кислород. Водород используется для синтеза органических соединений, а кислород выделяется в атмосферу.
Животные потребляют воду для поддержания осмотического давления и выделяют ее с продуктами диссимиляции.
Вода полностью разлагается и восстанавливается в биотическом круговороте примерно за 2 млн. лет.
Круговорот кислорода
Практически весь атмосферный кислород имеет биогенное происхождение. Свободный кислород используется аэробными организмами при дыхании для окисления органических соединений. Один из конечных продуктов окисления — диоксид углерода, поступающий в атмосферу. Пополнение содержания кислорода в атмосфере происходит при разложении воды в процессе фотосинтеза. Весь кислород атмосферы проходит через организмы примерно за 2000 лет.
Круговорот углерода и азота
Круговорот углерода в биосфере (см. рис. 5.3) обусловливают в основном процессы фотосинтеза и дыхания. Углерод в атмосфере содержится в основном в составе диоксида углерода СО 2 . Первичный источник СО 2 — вулканическая деятельность.
Биосферный цикл углерода начинается с ассимиляции атмосферного диоксида углерода наземными и водными растениями и цианобактериями в процессе фотосинтеза. При этом образуются углеводы, часть которых используется самими растениями для получения энергии, а часть потребляется животными. Кроме того, соединения углерода используются морскими организмами для построения раковин и скелетных образований.
Углерод возвращается в среду в виде диоксида, выделяемого в процессе дыхания животных и растений. Второй путь возврата -разложение мертвых растений и животных, при котором углерод их тканей окисляется и в виде СО 2 поступает в атмосферу.
Цикл круговорота углерода замкнут не полностью. Часть углерода на продолжительное время выводится из круговорота, концентрируясь в залежах торфа, каменного угля, нефти и горючих сланцев, образующихся при разложении мертвых организмов без доступа кислорода, а также в мощных отложениях известняков на дне морей и океанов, образованных из остатков раковин и скелетов отмерших морских организмов.
Однако при сжигании ископаемого топлива, используемого человеком для получения энергии, образуется диоксид углерода, который возвращается в атмосферу. За счет этого за последние сто лет содержание СО 2 в атмосфере возросло на 25%, что нарушает отрегулированный круговорот углерода и может привести к усилению парникового эффекта. Один цикл круговорота диоксид углерода проходит за 300 лет.
Круговорот азота
Азот — один из важнейших компонентов белков, нуклеиновых кислот, АТФ и других органических веществ. Его основные запасы содержатся в атмосфере в форме недоступного для растений молекулярного азота N2. В небольших количествах атмосферный азот связывается с кислородом в процессе грозовых разрядов в атмосфере, а затем с дождями поступает на поверхность Земли.
Связывание атмосферного азота осуществляется цианобактериями, а также клубеньковыми азотфиксирующими бактериями, поселяющимися в клетках корней бобовых растений. Они синтезируют нитриты и нитраты, усваиваемые растениями. В растениях азот используется для построения нуклеиновых кислот и белков, которые затем употребляются в пищу животными и человеком.
В процессе жизнедеятельности белковые молекулы расщепляются до конечных продуктов — воды, диоксида углерода, аммиака, мочевины и мочевой кислоты, выделяющихся во внешнюю среду. При гниении погибших животных и растений также образуется аммиак.
Большая часть образующегося аммиака преобразуется нитрифицирующими бактериями в нитриты и нитраты, усваиваемые растениями. Небольшая часть аммиака уходит в атмосферу и вместе с СО 2 , водяным паром и другими газообразными веществами выполняет функцию удержания тепла планеты.
Некоторые виды бактерий путем денитрификации могут восстанавливать нитриты и нитраты до газообразного азота, который поступает в атмосферу. В результате происходит обеднение почвы и воды соединениями азота и насыщение атмосферы молекулярным азотом.
Интенсивное использование человеком азотных минеральных удобрений в целях получения больших урожаев сельскохозяйственных растений приводит к разбалансировке процессов нитрификации и денитрификации.
Превращение энергии
Биологический круговорот веществ возможен только при постоянном притоке и преобразовании солнечной энергии , поскольку полученная от Солнца энергия связывается в органических веществах и при движении по ступеням пищевой цепи уменьшается (большая ее часть тратится на осуществление процессов жизнедеятельности организмов и рассеивается в виде тепла).
Биосфера — открытая система, постоянно получающая солнечную энергию. В процессе фотосинтеза эта энергия превращается в энергию химических связей органических веществ. Живым веществом Земли ежегодно создается 4,2 * 10 17 Дж энергии.
Накопленная энергия частично расходуется растениями в процессах жизнедеятельности, а частично переходит к растительноядным организмам. Эти организмы также используют часть энергии в процессах жизнедеятельности, а оставшаяся ее часть поступает к плотоядным животным и т.д. Таким образом, энергия запасается в тканях растений и животных в виде органических соединений. Запас энергии в биосфере Земли оценивается в 4,2 * 10 18 Дж. Часть энергии законсервирована в нефти, угле, сланцах, торфе.
Выделение энергии происходит при разрушении органических веществ в процессах дыхания, брожения и гниения. В настоящее время живым веществом Земли ежегодно выделяется 4,2 10 17 Дж энергии - столько же, сколько и создается, т.е. в биосфере поддерживается баланс энергии.
Эволюция биосферы
Биосфера — сложная, относительно стабильная, но не застывшая, а развивающаяся, эволюционирующая экологическая система.
Доказательством и источником знаний о развитии биосферы служат ископаемые остатки древних организмов.
■ Считают, что за время существования биосферы ее населяли около 500 млн. видов организмов.
♦ Причины относительной стабильности биосферы:
■ непрерывное поступление солнечной энергии, используемой фототрофными организмами;
■ многообразие живых организмов;
■ адаптация организмов к жизни в разнообразных условиях четырех сред;
■ поддержание непрерывного биогенного круговорота веществ;
■ постепенно сложившийся в течение сотен миллионов лег баланс жизнедеятельности всего многообразия организмов -продуцентов, консументов и редуцентов.
❖ Основная причина эволюции биосферы — первичная химическая эволюция (приведшая к появлению органических макромолекул и первых живых организмов — прокариот) и геологические и климатические процессы, изменявшие условия жизни на Земле (приведшие к изменению содержания кислорода в атмосфере, формированию озонового слоя, изменению содержания воды на планете и влажности атмосферы и г.д.).
❖ Два основных исторических этапа эволюции биосферы:
■ биогенез;
■ ноогенез.
Биогенез — первый и самый длительный этап эволюции биосферы от появления прокариот до формирования человеческого общества.
Ноогенез — второй этап развития биосферы, начавшийся с момента становления человеческого общества и продолжающийся в настоящее время; характеризуется значительным и все возрастающим влиянием деятельности человечества на биосферу.
Ноосфера — «оболочка разума, сфера разумной жизни» (В.И. Вернадский), сфера, охваченная взаимодействием человеческого общества и природы.
Ноосфера — это новое состояние биосферы, при котором разумная деятельность человека становится главным, определяющим фактором ее развития
Границы биосферы – это границы существования жизни. Верхняя граница проходит на высоте около 20 км. Она обусловлена, в первую очередь, существованием озонового слоя, который поглощает губительное для жизни ультрафиолетовое излучение Солнца. Нижняя граница в литосфере определяется проникновением влаги и доходит до 3 км (в нефтяных месторождениях были найдены бактерии на глубине до 3 км).
В гидросфере жизнь существует на всех глубинах Мирового океана, и поэтому простирается до 10 – 11 км. Таким образом, биосфера Земли включает в себя гидросферу, нижнюю часть атмосферы и верхние слои литосферы.
В настоящее время наша планета рассматривается как единая самоорганизующаяся система, состоящая из внутренних и внешних сфер: ядра, мантии, земной коры, гидросферы, атмосферы, биосферы.
Жизнь распространена по земной поверхности крайне неравномерно и в различных природных условиях принимает вид относительно независимых комплексов – биогеоценозов, или экосистем. Живая часть биогеоценоза носит название биоценоза. Разнообразные процессы и явления, протекающие в биосфере, являются объектом исследований различных наук. Особое место при этом отводится экологии (греч. ойкос – дом, жилище, логос – наука). Впервые этот термин применил Эрнст Геккель. Экология – наука, изучающая сложные взаимоотношения в природе. Человеческое общество с его производством и созданной им искусственной средой – техносферой – также является частью биосферы.
Компоненты биосферы
В биосфере можно выделить несколько составляющих компонент.
1. Живое вещество, под которым Вернадский подразумевал всю совокупность организмов на планете (растения, животные, микроорганизмы). По некоторым оценкам, общая биомасса живых организмов в биосфере составляет около 2,2·10 12 т.
2. Биогенное вещество, представляющее собой не сами организмы, а продукты их жизнедеятельности, в частности, нефть, известняки и т.д.
3. Косное вещество, образование которого не связано с жизнедеятельностью организмов (результат процессов, проходящих в недрах планеты, метеориты). Косное вещество в биосфере в десять тысяч раз превосходит по объему живое вещество.
4. Биокосное вещество, которое является совместным результатом процессов в живой неживой природе (почвы).
Согласно учению Вернадского, живое вещество является наиболее важной составной частью биосферы, поскольку в результате своей жизнедеятельности живые организмы активно преобразуют окружающую среду.
Иерархия живой материи
Иерархия живой материи включает в себя несколько уровней организации.
1. Молекулярный уровень. Он представлен биологическими молекулами, самыми важными из которых являются белки, нуклеиновые кислоты, липиды и углеводы. На этом уровне реализуются наследственность и изменчивость организмов, обмен веществами и энергией и другие важнейшие свойства живых организмов.
2. Клеточный уровень. Вместе с тем, отдельно взятые органические молекулы еще не являются живыми. Жизнь начинается со следующего уровня – клеточного. Клетка является структурной и функциональной единицей живых организмов, поскольку она способна к росту и размножению. Она может входить в состав живого многоклеточного организма или быть самостоятельным одноклеточным организмом.
3. Тканевый уровень. В ткань объединяются сходные по строению клетки, выполняющие одну функцию. Например, нервная ткань образована нервными клетками – нейронами.
4. Óрганный уровень. В свою очередь функциональное объединение нескольких типов тканей формирует органы, и соответствующий уровень называется органным. Он характерен для животных организмов. В частности, органами животных является кожа, сердце, легкие и т.д. Органы могут объединяться в системы органов, например, система органов кровообращения.
5. Организменный уровень. Он включает в себя целостные организмы, как одноклеточные, так и многоклеточные.
6. Популяционно-видовой уровень. Организмы одного вида, принадлежащие к одному ареалу обитания, объединяются в популяции. Начиная с этого уровня могут протекать элементарные эволюционные процессы.
7. Биогеоценотический уровень. Он включает в себя организмы разных видов вместе со средой их обитания.
8. Биосферный уровень. Он представлен всей биосферой в целом.
