Все живые существа планеты Земля вступают в тесную связь друг с другом и с окружающей средой, образуя тем самым экосистемы. Эти сообщества взаимодействующих организмов не изолированы одно от другого. Они связаны между собой различными взаимоотношениями, прежде всего пищевыми. Совокупность экосистем образует единую планетарную экосистему, которая называется биосферой. В этой статье будет рассмотрено строение биосферы, ее состав и основные функции.

Наука

Данное понятие было впервые введено в науку Ж. Б. Ламарком в далеком 1803 году и означало совокупность всех живых организмов планеты Земля . В конце девятнадцатого века термин " биосфера" использовал Ж. Зюсе , который включил неживую материю осадочных пород в строение биосферы. Учение о биосфере появилось в 1926 году, когда В. И. Вернадский обобщил огромное количество научных сведений, так или иначе иллюстрирующих взаимосвязь между живым и неживым веществом. Ученый смог показать, что наша планета не только заселена живыми организмами, но и активно ими преобразуется. Кроме того, по мнению Вернадского, вмешательство людей в природные процессы настолько существенно, что возможно говорить о ноосфере - новой фазе развития биосферы. На сегодняшний день наука о биосфере объединяет в себя данные из разных областей знания. Среди них можно отметить биологию, химию, геологию, климатологию, океанологию, почвоведение и прочие.

Строение биосферы таково, что живые организмы могут самостоятельно поддерживать необходимый состав почвы, атмосферы и гидросферы. Они играют ключевую средообразующую роль. На основании этого ученые выдвинули гипотезу о том, что почва и воздух были созданы самими живыми организмами на протяжении сотен миллионов лет эволюции. Изучив сходство в строении геологических пород, залегающих глубже кембрийских, с более поздними породами, Вернадский предположил, что в виде простейших организмов жизнь на планете существовала едва ли не изначально. Позже геологи доказали ошибочность этой гипотезы.

Так как солнце является энергетической основой существования всего живого на Земле, биосферу можно рассматривать как оболочку, структура и состав которой формируются за счет совместной деятельности живых организмов и определяются притоком солнечной энергии. Теперь давайте познакомимся со строением биосферы Земли.

Живое и неживое

Рассматривая состав и строение биосферы, прежде всего стоит отметить, что она состоит из живого и неживого вещества (инертной материи). Основная масса живых организмов сосредотачивается в трех геологических оболочках Земли: атмосфере (воздушный слой), гидросфере (океаны, моря и так далее) и литосфере (верхний слой породы). Однако распределяются эти оболочки в самой большой экосистеме неравномерно. Так, гидросфера представлена в строении биосферы полностью, а литосфера и атмосфера - частично (верхний и нижний слои соответственно).

Неживой компонент биосферы состоит из:

1. Биогенного вещества, которое является продуктом жизнедеятельности живых организмов. К нему относятся: каменный уголь, нефть, торф, природные известняки, газ и прочее.
2. Биокосного вещества, представляющего собой совместный результат жизнедеятельности организмов и небиологических процессов. Сюда входят: почва, ил, вода водоемов и так далее.
3. Косного вещества, которое входит в но не является продуктом жизнедеятельности живых организмов. К этой группе относятся: вода соли металлов, атмосферный азот и прочее.

Границы биосферы

Такие понятия, как состав, строение и границы биосферы, тесно связаны друг с другом. Несмотря на то что бактерии и споры были обнаружены на высоте до 85 километров, считается, что верхний предел биосферы составляет 20- 25 км. На больших высотах концентрация живого вещества ничтожно мала из-за сильного воздействия солнечного излучения.

В гидросфере жизнь присутствует повсюду. И даже в Марианской впадине, глубина которой составляет 11 км, ученый из Франции Ж. Пикар наблюдал не только беспозвоночных, но и рыб. Под более чем 400-метровой толщей антарктического льда живут бактерии, водоросли, фораминиферы и ракообразные. Бактерии встречаются под километровым слоем ила и в подземных водах. Тем не менее наибольшая концентрация живых существ наблюдается на глубине до 3 км. Таким образом, границы и строение биосферы в разных частях планеты могут быть разными.

Атмосфера, литосфера и гидросфера

Атмосфера состоит главным образом из кислорода и азота. В небольших количествах в ней содержатся аргон, углекислый газ и озон. От состояния атмосферы зависит жизнь как сухопутных, так и водных существ. Кислород необходим для дыхания живых организмов и минерализации отмирающих органических веществ. Ну а углекислый газ используется растениями для фотосинтеза.

Литосфера имеет толщину от 50 до 200 км, тем не менее основное количество видов живых организмов сосредотачивается в ее верхнем слое толщиной несколько десятков сантиметров. Распространение жизни вглубь литосферы ограничено в силу ряда факторов, главными из которых являются: отсутствие света, высокая плотность среды и высокая температура. Таким образом, нижней границей распространения жизни в литосфере является глубина в 3 км, на которой были обнаружены некоторые виды бактерий. Справедливости ради стоит отметить, что они жили не в грунте, а в подземных водах и нефтеносных горизонтах. Ценность литосферы состоит в том, что она дает жизнь растениям, питая их всеми необходимыми веществами .

Гидросфера является важнейшим компонентом биосферы. Порядка 90 % запаса воды приходится на Мировой океан, который занимает 70 % поверхности планеты. Он содержит 1,3 млрд км 3 , а реки и озера - 0,2 млн км 3 воды. Важнейшим фактором жизнедеятельности организма является содержание в воде кислорода и углекислого газа.

Увлекательные цифры

И состав, и строение, и функции биосферы удивляют своими масштабами. С некоторыми интересными фактами мы с вами сейчас познакомимся. В воде содержится в 660 раз больше углекислого газа, чем в воздухе. На суше преобладает разнообразие растительного мира, а в море - животного. 92 процента всей биомассы на суше приходится на зеленые растения. В океане же 94 % составляют микроорганизмы и животные.

В среднем раз в восемь лет биомасса Земли обновляется. Растениям суши для этого нужно 14 лет, океана - 33 дня. На то, чтобы вся вода земного шара прошла через живые организмы, понадобится 3000 лет, кислород - до 5000 лет, а углекислый газ - 6 лет. У азота, углерода и фосфора эти циклы еще более длительные. Биологический круговорот не замкнут - порядка 10 % живого вещества переходит в осадочные отложения и захоронения.

На биосферу приходится всего 0,05 % от массы нашей планеты. Она занимает порядка 0,4 % от объема Земли. Масса живых существ составляет всего 0,01- 0,02 % от массы косного вещества, тем не менее они играют весьма значительную роль в геохимических процессах.

Ежегодно продуцируется 200 млрд тонн сухого веса органики, а в процессе фотосинтеза поглощается 170 млрд тонн углекислого газа. В процессе жизнедеятельности микроорганизмов в биогенный круговорот каждый год вовлекается 6 млрд тонн азота и 2 млрд тонн фосфора, а также огромное количество железа, магния, серы, кальция и прочих элементов. За это время человечество добывает порядка 100 млрд тонн полезных ископаемых.

В процессе своей жизнедеятельности организмы делают существенный вклад в круговорот веществ, стабилизируя и преображая биосферу, свойства и строение которой заставляют задуматься о наличии высших сил.

Энергетическая функция

Познакомившись со строением и составом биосферы, переходим к ее функциям. Начнем с энергетической. Как известно, растения поглощают солнечное излучение и насыщают биосферу жизненно необходимой энергией. Примерно 10 % улавливаемого света продуценты используют для своих нужд (в основном для клеточного дыхания). Все остальное через пищевые цепи распространяется по всем экосистемам биосферы. Часть энергии консервируется в недрах земли, насыщая их своей силой (уголь, нефть и т. д.).

Даже рассматривая функции и строение биосферы кратко, всегда выделяют окислительно-восстановительную функцию как подвид энергетической. Будучи продуцентами, могут извлекать энергию из реакций окисления и восстановления неорганических соединений. В процессе окисления сероводорода энергией питаются серобактерии, а железа (из 2-валентного в 3-валентное) - железобактерии. Нитрифицирующие также не сидят без дела. Они окисляют аммонийные соединения до нитратов и нитритов. Именно для этого фермеры удобряют свои поля соединениями аммония, которые сами по себе растениями не усваиваются. При удобрении грунта непосредственно нитратами запасающие ткани растений перенасыщаются водой, что приводит к ухудшению их вкусовых качеств и увеличению опасности возникновения заболеваний пищеварительной системы у тех, кто употребляет их в пищу.

Средообразующая функция

Живые организмы формируют почву, а также регулируют состав воздушной и Если бы на планете не существовало фотосинтеза, запас атмосферного кислорода был бы израсходован за 2000 лет. Кроме того, буквально через один век, из-за увеличения концентрации углекислого газа в воздухе, организмы начали бы гибнуть. За один день лесной массив может поглотить из 50-метрового слоя воздуха до 25 % двуокиси углерода. Дерево среднего размера способно обеспечить кислородом четырех человек. Один гектар лиственного леса, расположенный около города, ежегодно задерживает порядка 100 тонн пыли. Озеро Байкал, которое славится своей кристальной чистотой, является таковым благодаря меленьким рачкам, которые трижды за год «процеживают» его. И это лишь несколько примеров того, как живые организмы регулируют состав веществ в биосфере.

Концентрационная функция

Живые существа, и в особенности микроорганизмы, способны концентрировать множество химических элементов, находящихся в биосфере. Практически 90 % почвенного азота являются результатом деятельности синезеленых водорослей. Бактерии могут концентрировать железо (к примеру, окисляя гидрокарбонат, растворимый в воде, до гидроксида, оседающего в среде их обитания), марганец и даже серебро. Эта удивительная особенность позволила ученым полагать, что именно благодаря микроорганизмам на земле столько месторождений металлов.

В некоторых странах такие элементы, как германий и селен добывают из растений. может накапливать в 10 тысяч раз больше титана, чем содержится в окружающей ее морской воде. В каждой тонне бурых водорослей содержится несколько килограмм йода. Австралийский дуб накапливает алюминий, сосна - бериллий, береза - барий и стронций, лиственница - ниобий и марганец, а торий концентрируется в осине, черемухе и пихте. Кроме того, некоторые растения даже «собирают» драгоценные металлы. Так, в 1 тонне золы полыни может быть до 85 граммов золота!

Деструктивная функция

Химическое строение биосферы Земли и ее окружения предполагает не только созидательные, но и разрушающие процессы. Впрочем, они также играют большую роль в регуляции веществ на планете. При активной жизнедеятельности живых организмов происходит минерализация органических остатков и выветривание горных пород. Бактерии, грибы, синезеленые водоросли и лишайники могут разрушать твердые породы за счет выделения угольной, азотистой и серной кислот. Разъедающие соединения также выделяют корни деревьев. Есть такие бактерии, которые даже могут разрушить стекло и золото.

Транспортная функция

Рассматривая строение и функции биосферы, нельзя упустить из виду перенос масс вещества. Дерево поднимает воду из земли в атмосферу, крот выбрасывает землю наверх, рыба плывет против течения, стая саранчи мигрирует - все это является проявлением транспортной функции биосферы.

Живое вещество может проделывать грандиозную геологическую работу, формируя новый облик биосферы и активно участвуя во всех ее процессах.

Отдельно стоит отметить процесс формирования осадочных пород. Первой стадией этого процесса является выветривание - разрушение верхних слоев литосферы под действием воздуха, солнца, воды и микроорганизмов. Внедряясь в породу, корни растений могут разрушать ее . Вода, которая просачивается в трещины, образованные корнями, растворяет и уносит вещество. Это происходит благодаря разъедающим компонентам растения. Особенно обильно органические кислоты выделяют лишайники. Таким образом, физическое выветривание происходит вместе с химическим.

Благодаря отмиранию организмов планктона на дне мирового океана ежегодно отлагается до 100 млн тонн известняков. Многие из них имеют химическое происхождение, находясь, к примеру, в области контакта кислотных и щелочных подземных вод. При отмирании одноклеточных водорослей и радиолярий формируются кремнийсодержащие илы, которые покрывают сотни тысяч км 2 морского дна.

Почвообразующая функция

Свойства и строение биосферы настолько всеобъемлющи, что все ее функции тесно связаны между собой. Так, почвообразование является одним из ответвлений обмена масс и средообразования, но рассматривается отдельно в силу свое важности. При разрушении и дальнейшей переработки горных пород микроорганизмами образуется рыхлая плодотворная оболочка земли, именуемая почвой. Корни крупных растений извлекают минеральные элементы из глубоких горизонтов, обогащая ими верхние слои грунта и повышая их плодотворность. Почва получает органические соединения из мертвых корней и стеблей растений, а также экскрементов и трупов животных. Эти соединения являются пищей для почвенных организмов, которые минерализуют органику, продуцирую углекислый газ, органические кислоты и аммиак.

Беспозвоночные животные, насекомые, а также их личинки, играют важнейшую структурообразующую роль. Они делают почву рыхлой и пригодной для жизни растений. Позвоночные животные (кроты, землеройки и прочие) разрыхляют землю, способствуя благополучному произрастанию в ней кустарников. Ночью в землю проникает охлажденный сжатый воздух, который необходим для дыхания корней и микроорганизмов.

Такое вот удивительно строение у биосферы.

1. Понятие, состав и структура биосферы

Биосфера - глобальная экологическая система планеты, включающая в себя все живые организмы вместе со средой их обитания.

Биосфера представляет собой совокупность частей земных оболочек (лито-, гидро- и атмосферы), которая заселена живыми организмами, находится под их влиянием и занята продуктами их жизнедеятельности.

В 20-е годы XX - го столетия учение о биосфере было развито и преобразовано выдающимся естествоиспытателем академиком В.И. Вернадским. Он впервые подчеркнул исключительную роль живых организмов в образовании биосферы. По его определению, биосфера - структурная оболочка Земли, созданная самой жизнью, где не только живут, но которая преобразована живыми организмами и связана с их жизнедеятельностью. Таким образом, биосфера - это и среда жизни, и результат жизнедеятельности организмов.

Размеры биосферы . По учению В.И. Вернадского, биосфера - это область нашей планеты, в которой существует или когда-либо существовала жизнь и которая постоянно подвергается воздействию живых организмов. Поэтому биосфера представляет собой область существования не только современных экосистем, но и включает области, где находятся вещества, возникшие в результате жизнедеятельности живых организмов. Такие вещества называют биогенными. Почти весь кислород атмосферы имеет биогенное происхождение. Биогенными являются также многие полезные ископаемые (нефть, уголь, газ и др.).

Благодаря такому подходу В.И. Вернадский существенно расширил границы биосферы, включив в нее всю гидросферу (глубиной до 11 км), нижние слои атмосферы (до озонового слоя, высотой 25-35 км), где сосредоточен практически весь кислород, и часть литосферы до глубины залегания полезных ископаемых биогенного происхождения (8-10 м, реже 3 км).

Структура биосферы. Биосфера имеет иерархическую структуру. Традиционно в структуре биосферы выделяют атмосферу, гидросферу и литосферу. Атмосфера делится на слои в зависимости от температуры воздуха: ниже 0°С -альтобиосфера, выше 0 "С - тропобиосфера. Гидросфера включает в себя океанобиосферу и аквабиосферу, т.е. солено- и пресноводную среду, и также делится на слои в зависимости от освещенности: фото-, дисфото- и афотосферы. Гео(био)сфера состоит из террабиосферы (твердо-водной среды) и литобиосферы (твердо-воздушной среды). Выделенные подсферы включают экосистемы различного иерархического уровня.

Состав биосферы включает 7 глубоко разнородных частей:

1) живое вещество;

2) биогенное вещество:

3) косное вещество:

4) биокосное вещество;

5) вещество в радиоактивном распаде:

6) вещество рассеянных атомов, не связанных химическими реакциями;

7) вещество космического происхождения.

Живое вещество совокупность организмов на планете (растительный и животный мир, микроорганизмы).

Биогенное вещество - совокупность веществ, возникших в результате жизнедеятельности организмов (торф, нефть, мел, природный газ и др.).

Косное вещество - совокупность веществ, в образовании которых живые организмы не участвуют, т.е. горные породы магматического, неорганического происхождения, вода,

Биокосное вещество - продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами (почва, природные воды).

2. Основные функции биосферы

Благодаря способности трансформировать солнечную энергию в энергию химических связей, растения и другие организмы выполняют ряд фундаментальных биологических функций планетарного масштаба.

Газов ая функция . Живые существа постоянно обмениваются кислородом и углекислым газом с окружающей средой в процессах фотосинтеза и дыхания. Растения сыграли решающую роль в формировании состава современной атмосферы. Они строго контролируют концентрации кислорода и углекислого газа, оптимальные для современной биоты.

Концентрационная функция . В процессе эволюции организмы научились извлекать из разбавленного водного раствора и других компонентов природной среды необходимые для них вещества, многократно увеличивая их концентрацию в своем теле.

Таким образом, пропуская через свое тело большие объемы воздуха и природных растворов, живые организмы осуществляют биогенную миграцию и концентрирование химических элементов и их соединений.

Окислительно-восстановительная функция. Многие вещества в природе крайне устойчивы и не подвергаются окислению при обычных условиях. Живые клетки обладают настолько эффективным катализатором - ферментами, что способны осуществлять многие окислительно-восстановительные реакции в миллионы раз быстрее, чем это может происходить в абиотической среде. Благодаря этому живые организмы существенно ускоряют процессы миграции химических элементов в биосфере.

Информационная функция . С появлением первых живых существ на планете появилась и активная ("живая") информация, отличающаяся от той "мертвой" информации, которая является простым отражением структуры. Организмы оказались способными к получению информации путем соединения потока энергии с активной молекулярной структурой, играющей роль программы. Способность воспринимать, хранить и передавать молекулярную информацию совершила опережающую эволюцию в природе и стала важнейшим экологическим системообразующим фактором.

Перечисленные функции живого вещества образуют мощную средообразующую функцию биосферы. Деятельность живых организмов обусловила современный состав атмосферы. Растительный покров существенно определяет водный баланс, распределение влаги и климатические особенности больших пространств. Живые организмы играют ведущую роль в самоочищении воздушной и водной сред. Благодаря растениям, животным и микроорганизмам создается почва и поддерживается ее плодородие. Таким образом, биота биосферы формирует и контролирует состояние окружающей среды.

Следует четко представлять, что окружающая нас среда - это не возникшая когда-то фиксированная и непреходящая физическая должность, а живое дыхание природы, каждое мгновение создаваемое работой множества живых существ.

3. Биогеохимические круговороты веществ в биосфере

Круговорот ве ществ - закономерный процесс многократного участия веществ в явлениях, протекающих в биосфере планеты. Вещество, вовлеченное в круговорот, не только перемещается, но и испытывает трансформацию и нередко меняет свое физическое и химическое состояния. Особенно активную роль в ускорении круговорота и трансформации играют живые организмы.

Солнечная энергия на Земле вызывает два вида круговоротов веществ:

1) большой (биогеохимический) - в пределах биосферы;

2) малый (биотический) - в пределах элементарных экологических систем.

Большой круговорот веществ - это безостановочный планетарный процесс закономерного циклического, неравномерного во времени и пространстве перераспределения вещества, энергии и информации, многократно входящих в непрерывно обновляющиеся экологические системы биосферы.

Малый круговорот веществ развивается на основе большого и заключается в круговой циркуляции веществ между почвой, растениями, микроорганизмами и животными.

Оба круговорота взаимосвязаны и представляют собой единый процесс, который обеспечивает воспроизводство живого вещества и оказывает активное влияние на облик биосферы.

На нашей планете всегда существовал геохимический круговорот веществ, но с появлением жизни на Земле геохимические связи стали биогеохимическими - более сложными и разнообразными. Поэтому говорят о биогеохимическом круговороте веществ или биогеохимическом цикле.

Различают три основных типа биогеохимических круговоротов:

1) круговорот воды;

2) круговорот элементов преимущественно в газовой фазе (кислорода, углерода, азота и др.);

3) круговорот элементов преимущественно в твердой и жидкой фазах (фосфора и др.).

Круговорот углерода на суше начинается с фиксации углекислого газа растениями в процессе фотосинтеза.

Из СО2 и НзО образуются углеводы и высвобождается кислород, Фиксированный в растениях углерод в некоторой степени потребляется животными. Отжившие животные и растения разлагаются микроорганизмами, в результате чего углерод мертвого органического вещества окисляется до углекислого газа и снова попадает в атмосферу. Кроме того, углерод частично выделяется на всех стадиях круговорота в составе CO 2 во время дыхания растений и животных. Подобный круговорот углерода совершается и в океане.

Круговорот азота (рис.5). Азот, которого очень много в атмосфере, усваивается растениями лишь после соединения его с водородом или кислородом. Это, как правило, происходит в результате различных физических явлений, протекающих в атмосфере (атмосферная фиксация) и производстве (промышленная фиксация), а также в результате действия азотфиксирующих бактерий или водорослей (биофиксация). Соединения азота используются растениями и через них по пищевым цепям попадают к животным. Растительные и животные отходы, мертвые организмы разлагаются, и с помощью денитрифицирующих бактерий происходит восстановление азота и возвращение его в атмосферу.

Рис. 5 - Круговорот азота

В настоящее время сельское хозяйство и промышленность дают почти на 60% больше фиксированного азота, чем естественные наземные экосистемы, что приводит к накоплению нитратов в почве и далее в трофических цепях.

Биогеохимические круговороты веществ и связанные с ними превращения энергии являются основой динамического равновесия и устойчивости биосферы. Нормальные, ненарушенные биогеохимические циклы имеют почти круговой, почти замкнутый характер. Этим поддерживается известное постоянство и равновесие состава, количества и концентрации компонентов в биосфере, например состава атмосферного воздуха, концентрации солей в воде океанов и т.п. В свою очередь, подобное постоянство обусловливает генетическую и физиологическую приспособленность живых организмов к существованию на Земле,

Биосфера и человек

Биосфера, ее структура и функции

Биосфера и человек

Природные ресурсы и их использование

Последствия хозяйственной деятельности человека для окружающей среды

Охрана природы и перспективы рационального природопользования

Заключение

I. Биосфера, ее структура и функции.

Около 60 лет назад выдающийся русский ученый академик В.И. Вернадский разработал учение о биосфере – оболочке Земли, населенной живыми организмами. В.И. Вернадский распространил понятие биосферы не только на организмы, но и на среду обитания. Он выявил геологическую роль живых организмов и показал, что их деятельность представляет собой важнейший фактор преобразования минеральных оболочек планеты. Он писал: “На земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а поэтому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом”. Более правильно, поэтому определять биосферу как оболочку Земли, которая населена и преобразуется живыми существами.

В составе биосферы различают:

живое вещество, образованное совокупностью организмов;

биогенное вещество, которое создается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, известняки и др.);

косное вещество, образующееся без участия живых организмов (основные породы, лава вулканов, метеориты);

биокосное вещество, представляющее собой совместный результат жизнедеятельности организмов и абиогенных процессов (почвы).

Эволюция биосферы обусловлена тесно взаимосвязанными между собой тремя группами факторов: развитием нашей планеты как космического тела и протекающих в ее недрах химических преобразований, биологической эволюции живых организмов и развитием человеческого общества.

Границы биосферы определяются факторами земной среды, которые делают невозможным существование живых организмов. Верхняя граница проходит примерно на высоте 20 км от поверхности планеты и отграничена слоем озона, который задерживает губительную для жизни коротковолновую часть ультрафиолетового излучения Солнца. Таким образом, живые организмы могут существовать в тропосфере и нижних слоях стратосферы. В гидросфере земной коры организмы проникают на всю глубину Мирового океана – до 10-11км. В литосфере жизнь встречается на глубине 3,5-7,5 км, что обусловлено температурой земных недр и уровнем проникновения воды в жидком состоянии.

Атмосфера . Газовая оболочка состоит в основном из азота и кислорода. В небольших количествах в ней содержится диоксид углерода (0,003 %) и озон. Состояние атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и биологические процессы на поверхности Земли и в водной среде. Для биологических процессов наибольшее значение имеют: кислород, используемый для дыхания и минерализации мертвого органического вещества, диоксид углерода, участвующий в фотосинтезе, и озон экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения. Азот, диоксид углерода, пары воды образовались в значительной мере благодаря вулканической деятельности, а кислород – в результате фотосинтеза.

Гидросфера . Вода – важный компонент биосферы и один из необходимых факторов существования живых организмов. Основная ее часть (95%) находится в Мировом океане, который занимает около 70 % поверхности Земного шара и содержит 1 300 млн. км.

Большое значение имеют газы, растворенные в воде: кислород и диоксид углерода. Их содержание широко варьируется в зависимости от температуры и присутствия живых организмов. В воде содержится в 60 раз больше диоксида углерода, чем в атмосфере.

Гидросфера формировалась в связи с развитием литосферы, которая в течение геологической истории Земли выделяла большое количество водяного пара.

Литосфера. Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, находится в почвенном слое, глубина которого не превышает нескольких метров. Почва включает минеральные вещества, образующиеся при разрушении горных пород, и органические вещества – продукты жизнедеятельности организмов.

Живые организмы (живое вещество). Хотя границы биосферы довольно узки, живые организмы в их пределах распределены очень неравномерно. На большой высоте и глубинах гидросферы и литосферы организмы встречаются относительно редко. Жизнь сосредоточена главным образом на поверхности земли, в почве и приповерхностном слое океана.

В распределении живых организмов по видовому составу наблюдается важная закономерность. Из общего числа видов 21 % приходится на растения, но их вклад в общую биомассу составляет 99 %. Среди животных 96 % видов беспозвоночные и только 4% позвоночные, из которых только десятая часть – млекопитающие.

Таким образом, в количественном отношении преобладают формы, состоящие на относительно низком уровне эволюционного развития.

Масса живого вещества составляет всего 0,01-0,02% от косного вещества биосферы, одна она играет ведущую роль в геохимических процессах. Вещества и энергию, необходимую для обмена веществ, организмы черпают из окружающей среды. Огромные количества живой материи воссоздаются, преобразуются и разлагаются.

Ежегодно благодаря жизнедеятельности растений и животных воспроизводится около 10 % биомассы.

Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов, который выражается в циркуляции веществ между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами.

Биосфера представляет собой многоуровневую систему, включающую подсистемы различной степени сложности. Границы биосферы определяются областью распространения организмов в атмосфере, гидросфере и литосфере (рис. 24.1). Верхняя граница биосферы проходит примерно на высоте 20 км. Таким образом, живые организмы расселены в тропосфере и в нижних слоях стратосферы. Лимитирующим фактором расселения в этой среде является нарастающая с высотой интенсивность ультрафиолетовой радиации. Практически все живое, проникающее выше озонового слоя атмосферы, погибает. В гидросферу биосфера проникает на всю глубину Мирового океана, что подтверждает обнаружение живых организмов и органических отложений до глубины 10-11 км. В литосфере область распространения жизни во многом определяет уровень проникновения воды в жидком состоянии - живые организмы обнаружены до глубины примерно 7,5 км.

Атмосфера. Эта оболочка состоит в основном из азота и кислорода. В меньших концентрациях она содержит углекислый газ и озон. Состояние атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и особенно биологические процессы на земной поверхности и в водной среде. Наибольшее значение для биологических процессов имеют кислород атмосферы, используемый для дыхания организмов и минерализации омертвевшего органического вещества, углекислый газ, расходуемый при фотосинтезе, а также озон, экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения. Вне атмосферы существование живых организмов невозможно. Это видно на примере лишенной жизни Луны, у которой нет атмосферы. Исторически развитие атмосферы связано с геохимическими процессами, а также жизнедеятельностью организмов. Так, азот, углекислый газ, пары воды образовались в процессе эволюции планеты благодаря (в значительной мере) вулканической активности, а кислород - в результате фотосинтеза.

Гидросфера. Вода является важной составной частью всех компонентов биосферы и одним из необходимых факторов существования живых организмов. Основная ее часть (95%) заключена в Мировом океане, который занимает примерно 70% поверхности Земного шара. Общая масса океанических вод составляет свыше 1300 млн. км 3 . Около 24 млн. км 3 воды содержится в ледниках, причем 90% этого объема приходится на ледяной покров Антарктиды. Столько же воды содержится под землей. Поверхностные воды озер составляют приблизительно 0,18 млн. км 3 (из них половина соленые), а рек-0,002 млн. км 3 .

Количество воды в телах живых организмов достигает примерно 0,001 млн. км 3 . Из газов, растворенных в воде, наибольшее значение имеют кислород и углекислый газ. Количество кислорода в океанических водах изменяется в широких пределах в зависимости от температуры и присутствия живых организмов. Концентрация углекислого газа также варьирует, а общее количество его в океане в 60 раз превышает его содержание в атмосфере. Гидросфера формировалась в связи с развитием литосферы, выделившей за геологическую историю Земли значительный объем водяного пара и так называемых ювенильных (подземных магматических) вод.

Рис. 24.1. Область распространения организмов в биосфере:

1 -уровень озонового слоя, задерживающего жесткое ультрафиолетовое излучение, 2- граница снегов, 3- почва, 4- животные, обитающие в пещерах, 5- бактерии в нефтяных скважинах

Литосфера. Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, сосредоточена в почвенном слое, глубина которого обычно не превышает нескольких метров. Почвы, будучи, по терминологии В.И. Вернадского, биокосным веществом, представлены минеральными веществами, образующимися при разрушении горных пород, и органическими веществами - продуктами жизнедеятельности организмов.

Живые организмы (живое вещество). В настоящее время описано около 300 тыс. видов растений и более 1,5 млн. видов животных. Из этого количества 93% представлено сухопутными, а 7% - водными видами животных. Суммарная биомасса организмов сухопутных видов образована на 99,2% зелеными растениями (2,4 10 12 т) и на 0,8% животными и микроорганизмами (0,2 10 11 т). В океане, напротив, на долю растений приходится 6,3% (0,2 10 9 т), а на долю животных и микроорганизмов - 93,7% (0,3 10 10 т) совокупной биомассы. Несмотря на то что океан покрывает немногим более 70% поверхности планеты, в нем содержится лишь 0,13% биомассы всех живых существ, обитающих на Земле.

Расчеты показывают, что растения составляют около 21% всех учтенных видов. Однако на их долю приходится более 99% биомассы, тогда как вклад животных в биомассу планеты (79% видов) составляет менее 1%. Среди животных 96% видов приходится на долю беспозвоночных и только 4% на долю позвоночных, среди которых млекопитающие составляют примерно 10%.

Приведенные соотношения иллюстрируют фундаментальную закономерность организации биосферы: в количественном отношении преобладают формы, достигшие в процессе эволюции относительно низких степеней морфофизиологического прогресса.

Живое вещество по массе составляет 0,01-0,02% от косного вещества биосферы, однако играет ведущую роль в биогеохимических процессах благодаря совершающемуся в живых организмах обмену веществ. Так как субстраты и энергию, используемые в обмене веществ, организмы черпают из окружающей среды, они преобразуют ее уже тем, что в процессе своего существования используют ее компоненты.

Ежегодная продукция живого вещества в биосфере составляет 232,5 млрд. т сухого органического вещества. За это же время в масштабе планеты в процессе фотосинтеза синтезируется 46 млрд. тонн органических углеродсодержащих веществ. Для этого требуется, чтобы 170 10 9 т С0 2 прореагировало с 68 10 9 т Н 2 0.

Таким образом, в результате фотосинтеза ежегодно образуется 115х х 10 9 т сухого органического вещества и 123 10 9 т 02. В течение года в процесс фотосинтеза вовлекаются также 6 10 9 т азота, 2 10 9 т фосфора и другие элементы, например калий, кальций, сера, железо. Приведенные цифры показывают, что живое вещество является наиболее активным компонентом биосферы. Оно производит гигантскую геохимическую работу, способствуя преобразованию других оболочек Земли в геологическом масштабе времени.

Биотический круговорот. Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговоротов химических элементов. Глобальный биотический круговорот осуществляется при участии всех населяющих планету организмов. Он заключается в циркуляции веществ между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Благодаря биотическому круговороту возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе доступных химических элементов. Используя неорганические вещества, зеленые растения за счет энергии Солнца создают органическое вещество, которое другими живыми существами (гетеротрофами - потребителями и деструкторами) разрушается, с тем чтобы продукты этого разрушения могли быть использованы растениями для новых органических синтезов.

Важная роль в глобальном круговороте веществ принадлежит циркуляции воды между океаном, атмосферой и верхними слоями литосферы. Вода испаряется и воздушными течениями переносится на многие километры. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делая их доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с растворенными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими частицами в океаны и моря. Подсчитано, что с поверхности Земли за 1 мин испаряется около 1 млрд. т Н 2 0 (на образование 1 г водяного пара необходимо 2,248 кДж). Энергия, затрачиваемая на испарение воды, возвращается в атмосферу (рис. 24.2). Циркуляция воды между Мировым океаном и сушей представляет собой важнейшее звено в поддержании жизни на Земле и основное условие взаимодействия растений и животных с неживой природой.

Рис. 24.2. Круговорот воды в биосфере

Под влиянием этого процесса происходит постепенное разрушение литосферы, перенос ее компонентов в глубины морей и океанов.

На создание органического вещества расходуется всего 0,1-0,2% солнечной энергии, достигающей поверхности планеты. Благодаря этой энергии осуществляется значительный объем работы по перемещению химических элементов.

В качестве примеров биотического круговорота рассмотрим круговороты углерода и азота в биосфере (рис. 24.3; 24.4). Круговорот углерода начинается с фиксации атмосферного диоксида углерода в процессе фотосинтеза. Часть образовавшихся при фотосинтезе углеводов используют сами растения для получения энергии, часть потребляется животными. Углекислый газ выделяется в процессе дыхания растений и животных. Мертвые растения и животные разлагаются, углерод их тканей окисляется и возвращается в атмосферу. Аналогичный процесс происходит и в океане.

Круговорот азота также охватывает все области биосферы (рис. 24.4). Хотя его запасы в атмосфере практически неисчерпаемы, высшие растения могут использовать азот только после соединения его с водородом или кислородом. Исключительно важную роль в этом процессе играют азотфиксирующие бактерии. При распаде белков этих микроорганизмов азот снова возвращается в атмосферу.

Показателем масштаба биотического круговорота служат темпы оборота углекислого газа, кислорода и воды. Весь кислород атмосферы проходит через организмы примерно за 2 тыс. лет, углекислый газ - за 300 лет, а вода полностью разлагается и восстанавливается в биотическом круговороте за 2 млн. лет (рис. 24.5).

Рис. 24.3. Круговорот углерода в биосфере

Рис. 24.4. Круговорот азота в биосфере

Благодаря биотическому круговороту биосфере присущи определенные геохимические функции: газовая - биогенная миграция газов в результате фотосинтеза и азотфиксации; концентрационная - аккумуляция в своих телах живыми организмами химических элементов, рассеянных во внешней среде; окислительно-восстановительная - превращение веществ, содержащих атомы с переменной валентностью (например, Fе, Mn); биохимическая - процессы протекающие в живых организмах.

Стабильность биосферы. Биосфера представляет собой сложную экологическую систему, работающую в стационарном режиме. Стабильность биосферы обусловлена тем, что результаты активности трех групп организмов, выполняющих разные функции в биотическом круговороте,- продуцентов (автотрофы), потребителей (гетеротрофы) и деструкторов (минерализующие органические остатки) - взаимоуравновешиваются. То, что в биосфере поддерживается постоянство ее главных характеристик (гомеостаз), не исключает способности ее к эволюции.

Рис. 24.5. Темпы циркуляции веществ в биосфере

Биосфера – место обитания живых существ. Зарождение жизни тесно связано с развитием оболочек земли. Она начала свое формирование около 4 миллиардов лет назад, затем появились первые признаки жизни на нашей планете.

Становление биосферы и ее поэтапное формирование обусловлено влиянием ряда факторов: действием на Землю космической энергии, развитием живых организмов и человечества.

Термин биосфера ввел австрийский ученый Зюсс еще в 19 столетии, он выделил все оболочки Земли, но подробное их описание совершил в 20 ст. отечественный ученый В.И. Вернадский (первый президент Украинской Академии Наук). Он описал границы биосферы, разработал единое учение о биосфере.

Свойства биосферы необходимые для возникновения и продолжения жизни

• Наличие CO 2 и кислорода;
• вода – источник жизни на земле, присутствие, как пресных водоемов, так и соленых;
• регуляция температуры: отсутствие резких перепадов, сверхвысоких и низких показателей;
• обеспечение всего живого продуктами питания;

До сих пор нет единого определения. Существует три версии, что такое биосфера:

1. Общая масса всех живых существ, которые обитают в оболочках земли, является биосферой.
2. Организмы и места их жизнедеятельности вместе составляют биосферу.
3. Это следствие продолжительной жизни существ, обитавших задолго до наших дней.

Ученые-геологи считают правильной первую точку зрения, так как другие не имеют теоретического подкрепления.

Биосфера простилается по всей поверхности Земли (горы, поля, реки, моря, океаны) и создает условия для жизнедеятельности всех организмов. Человек также является составляющим звеном.

Границы

Границы биосферы в км

Чем определяются границы распространения биосферы?

Поскольку Живое — главная составляющая биосферы, ее границы определяются возможностью выживать отдельных индивидуумов в условиях окружающей среды. В верхних слоях ультрафиолетовое излечение не дает развиваться живым организмам – это определяет верхнюю границу биосферы. Высокие температуры в земных глубинах устанавливают нижнюю черту жизни.

Атмосфера – воздушный слой земного шара, состоит из азота, кислорода, диоксида углерода и др. Она защищает Землю от перегрева, действия космической радиации, ультрафиолета, метеоритов. В составе атмосферы выделяют: тропосферу, стратосферу, ионосферу.

Тропосфера (озоновый слой земли) является верхней границей биосферы, находится на высоте 20 км.

Стратосфера – располагается на высоте 50 км над уровнем моря, воздух разжижается, нагревается, увеличивается концентрация озона, условия становятся непригодными для жизни.

Ионосфера – поверхностный слой атмосферы, поддается воздействию космического излучения, поэтому сильно ионизированный.

Литосфера – земная кора, твердый слой, который уходит на глубину 200км. К биосфере относится верхний шар, населенный живыми организмами. Нижняя граница по литосфере достигает 4км, глубина где были найдены бактерии. Опускаясь ниже, температура возрастает, достигая 100 градусов, что несовместимо с существованием живых организмов, происходит денатурация белка, все живое – гибнет.

Гидросфера – совокупность наземных и подземных вод. Это одна из оболочек нашей планеты, которая окружает материки и острова, составляет 70% поверхности земного шара. Нижняя граница биосферы расположена на глубине около 11 км. (в области Тихого океана).

Слои биосферы

Эубиосфера – основная прослойка биосфера. 99,9% живых существ постоянно населяют данный слой. Ширина эубиосферы 12-17км.

Парабиосфера, метабиосфера – соответственно верхний и нижний слои бисоферы, куда жизнь попадет случайно, заносится из эубиосферы.

Апобиосфера и абиосфера — самый верхний и самый нижний слои, куда жизнь не может попасть даже случайно.

В зависимости от среды обитания живых организмов выделяют:

• Аэробиосферу (жизнь осуществляется за счет атмосферной влаги и солнечной энергии, от верхушек деревьев до стратосферы);
• геобиосферу (организмы населяют почву, поверхность суши, деревья);
• гидробиосферу (все водные структуры заселенные гидробионтами, исключая подземные воды).

Структура биосферы и ее состав

Живое вещество Вернадский описывал как общее число всех живых организмов населяющих планету в данный период времени.

Основные свойства:

• В нем сосредоточено огромное количество энергии;
• скорость течения реакций в живом организме быстрее, чем в искусственно созданных условиях;
• составляющие живого вещества стабильны только в жизнеспособном организме;
• возможность существовать в разных условиях, заполняя все пространство. Это явление Вернадский назвал «всюдностью жизни»;
• отдельные особи всегда являются частью экосистемы;
• живое вещество эволюционирует, приобретает новые свойства, адаптируется к изменчивости внешней среды.

Биогенное вещество – продукты жизнедеятельности живого. В процессе жизни организмы пропускают через себя многократно все составляющие биосферы, так образуются залежи нефти, газа, угля, торфа и др.

Косное вещество – формируется без участия живой материи (небиогенные горные породы, минералы).

Биокосное вещество – создается при взаимодействии живого и неживого (вода, приземная атмосфера, почва).

Живое вещество распределено не равномерно на просторах земли, ее концентрация увеличивается возле экваториальной плоскости, на полюсах планеты жизни мало.

Скопление живых организмов находятся на границах слоев биосферы: на дне океана – проходит граница между литосферой и гидросферой, в поверхностных водах Мирового океана – рубеж между гидросферой и атмосферой, на границе литосферы и атмосферы находится почва – место обитания микроорганизмов, насекомых, других животных. В этих местах создаются благоприятные условия для существования: высокая концентрация кислорода, доступ к солнечному свету, влага, питательные вещества.

Соотношение видов живых организмов показывает преобладание растительности, она занимает 99% от всего живого, животные – 1%, люди – 0,0002%.

Функции биосферы

Энергетическая – аккумуляция солнечного излучения в процессе фотосинтеза (переход энергии солнечного света с помощью пигментов растений в органические связи) и ее трансформация, с последующим распределением между всеми живыми организмами.

Газообразующая – поддержание стабильного газового состава атмосферы (выделение кислорода, поглощение диоксида углерода).

Концетрационная – сосредотачивают в теле химические вещества, образуя в дальнейшем полезные ископаемые.

Круговорот вещества в биосфере

Растения в процессе роста и развития используют минеральные вещества из почвы, адсорбируют воду с помощью корня, перерабатывают энергию Солнца, образуют органические вещества из неорганических, из атмосферного воздуха листьями поглощается диоксид углерода и выделяется кислород посредством фотосинтеза.

Животные и человек дышат кислородом, используют органические вещества образованные растениями. После смерти, скопление органических веществ растений и животных разлагается под действием микроорганизмов, и переходят в неорганическое состояние.

Процесс преобразования энергии и вещества начинается сначала – это и есть жизненный круговорот.