Биосфера

Содержание:

• 1. Биосфера и ее границы
• 2. Живое вещество
• 3. Круговорот воды и кислорода
• 4. Круговорот углерода и азота
• 5. Превращение энергии
• 6. Эволюция биосферы

Биосфера и ее границы

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 О₃ — 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 СО₂ 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 СО₂. Первичный источник СО₂ — 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 СО₂ 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 СО₂ 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 СО₂, 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 * 10¹⁷ 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 * 10¹⁸ 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 • 10¹⁷ 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