БИОСФЕРА, оболочка Земли, в пределах которой существует жизнь. Биосфера включает нижнюю часть атмосферы (15–20 км), верхнюю часть литосферы и всю гидросферу. Нижняя граница опускается в среднем на 2–3 км на суше и на 1–2 км ниже дна океана. Термин «биосфера» ввел австрийский геолог Э.Зюсс в 1875, тогда как основы учения о биосфере, которые актуальны и в современной науке, были разработаны В.И.Вернадским .
Биосфера состоит из живого, или биотического, и неживого, или абиотического, компонентов. Биотический компонент – это вся совокупность живых организмов (по Вернадскому – «живое вещество»). Абиотический компонент – сочетание энергии, воды, определенных химических элементов и других неорганических условий, в которых существуют живые организмы.
Жизнь в биосфере зависит от потока энергии и круговорота веществ между биотическим и абиотическим компонентами. Круговороты веществ называются биогеохимическими циклами. Существование этих циклов обеспечивается энергией Солнца. Земля получает от Солнца ок. 1,3ґ10 24 калорий в год. Около 40% этой энергии излучается обратно в космос; 15% поглощается атмосферой, почвой и водой; остальная энергия – это видимый свет, первичный источник энергии для всей жизни на Земле.
Жизнь невозможна без воды. Вода – источник водорода , одного из важнейших элементов, входящего в состав живых организмов. Метаболические реакции в организмах происходят в жидкой фазе, и вода является той средой, с которой организмы потребляют биогенные элементы и с которой удаляются конечные продукты метаболизма (шлаки). Вода составляет от 50 до 95% веса живых организмов. В круговороте воды важную роль играет процесс испарения в растениях. Через корни растения поглощают воду и получают растворенные в ней соли. Через листья происходит испарение воды. В течение вегетационного периода зерновые культуры на площади 1 га испаряют ок. 4 000 000 л воды, но только 0,4% этого количества используется непосредственно в процессе фотосинтеза. Для получения 1 кг зерна требуется ок. 500 л воды. Очевидно, что растениям необходимо громадное количество воды, а поскольку консументы питаются растениями, их суммарные потребности в воде намного выше того количества, которое они поглощают непосредственно. Например, человеку для физиологических нужд требуется ок. 2,1 л воды в день, но для получения съедаемого им за день количества пищи нужны еще 10 000 л воды.
Поддержание динамического равновесия между биотическим и абиотическим компонентами биосферы является необходимым условием существования всех форм жизни. Воздействие человека на биосферу, сопровождающееся ухудшением качества воды, сведением лесов или выбросом в атмосферу загрязняющих веществ, может создать угрозу жизни на Земле.
Под биосферой понимают совокупность всех живых организмов на планете. Они населяют любые уголки Земли: от глубин океанов, недр планеты до воздушного пространства, поэтому многие ученые называют эту оболочку сферой жизни. В ней же обитает и сам человеческий род.
Состав биосферы
Биосфера считается самой глобальной экосистемой нашей планеты. Она состоит из нескольких сфер. К ней относится , то есть все водные ресурсы и водоемы Земли. Это Мировой океан, подземные и поверхностные воды. Вода – это и жизненное пространство многих живых существ, и необходимое вещество для жизни. Она обеспечивает протекание многих процессов.
В составе биосферы есть атмосфера. В ней существуют различные организмы, а сама она насыщенна различными газами. Особую ценность представляет кислород, необходимый для жизни всем организмам. Также атмосфера играет важнейшую роль в в природе, влияет на погоду и климат.
Литосфера, а именно верхний слой земной коры, входит в биосферу. Он населен живыми организмами. Так, в толще Земли обитают насекомые, грызуны и другие животные, произрастают растения, а на поверхности живут люди.
Мир и – это важнейшие обитатели биосферы. Они занимают огромное пространство не только на земле, но и неглубоко в недрах, населяют водоемы и встречаются в атмосфере. Формы растений различны: от мхов, лишайников и трав до кустарников и деревьев. Что касается животных, то наименьшие представители – одноклеточные микробы и бактерии, а наибольшие – наземные и морские существа (слоны, медведи, носороги, киты). Все они отличаются широким разнообразием, и каждый вид важен для нашей планеты.
Значение биосферы
Биосферу изучали разные ученые во все исторические эпохи. Этой оболочке много внимания уделял В.И. Вернадский. Он считал, что биосфера определяется границами, в которых обитает живое вещество. Стоит отметить, что все ее компоненты связаны между собой, и изменения в одной сфере приведет к изменениям во всех оболочках. Биосфера играет важнейшую роль в распределении энергетических потоков планеты.
Таким образом, биосфера – это жизненное пространство людей, животных и растений. В ней содержатся важнейшие вещества и природные ресурсы, такие как вода, кислород, земля и другие. На нее значительное влияние оказывают люди. В биосфере происходит круговорот элементов природе, кипит жизнь и осуществляются важнейшие процессы.
Влияние человека на биосферу
Влияние человека на биосферу является неоднозначным. С каждым столетием антропогенная деятельность становится более интенсивной, разрушительной и масштабной, поэтому люди способствуют возникновению не только локальных экологических проблем, но и глобальных.
Одним из результатов влияния человека на биосферу является сокращение численности флоры и фауны на планете, а также исчезновение многих видов с лица земли. Например, ареалы растений уменьшаются в связи с земледельческой деятельностью и вырубкой лесов. Множество деревьев, кустарников, трав являются вторичными, то есть вместо первичного растительного покрова были посажены новые виды. В свою очередь, популяции животных уничтожаются охотниками не только ради добычи пропитания, но и с целью продажи ценных шкур, костей, плавников акул, бивней слонов, рогов носорогов, различных частей тела на черном рынке.
Довольно сильно антропогенная деятельность влияет на процесс почвообразования. Так, и распашка полей приводит к ветровой и водной эрозии. Изменение состава растительного покрова приводит к тому, что другие виды участвуют в процессе образования почв, а, значит, образуется иной тип грунта. Из-за использования в земледелии различных удобрений, сброса в землю твердых и жидких отходов, изменяется физико-химический состав почвы.
Демографические процессы оказывают негативное влияние на биосферу:
- возрастает численность населения планеты, которое все больше потребляет природных ресурсов;
- увеличиваются масштабы промышленного производства;
- появляется больше отходов;
- увеличиваются площади сельскохозяйственных угодий.
Стоит отметить, что люди способствуют загрязнению всех слоев биосферы. Источников загрязнения на сегодняшний день существует огромное многообразие:
- выхлопные газы автотранспорта;
- частицы, выделяющиеся при сгорании топлива;
- радиоактивные вещества;
- нефтепродукты;
- выбросы химических соединений в воздушную среду;
- твердые бытовые отходы;
- пестициды, минеральные удобрения и агрохимия;
- грязные стоки как промышленных, так и коммунальных предприятий;
- электромагнитные приборы;
- ядерное топливо;
- вирусы, бактерии и чужеродные микроорганизмы.
Все это приводит не только к изменению экосистем и сокращению биоразнообразия на земле, но и к климатическим изменениям. Из-за влияния человеческого рода на биосферу происходит и , таяние ледников и , изменение уровня океанов и морей, выпадение кислотных осадков и т.п.
Со временем биосфера становится все более неустойчивой, что приводит к разрушению многих экосистем планеты. Многие ученые и общественные деятели выступают за то, чтобы снизить влияние человеческого сообщества на природу, с целью сохранить биосферу Земли от уничтожения.
Вещественный состав биосферы
Состав биосферы можно рассматривать с различных точек зрения. Если говорить о вещественном составе, то в нее входит семь различных частей:
- Живое вещество – совокупность живых существ, населяющих нашу планету. У них элементарный состав, а в сравнении с остальными оболочками они имеют малую массу, питаются солнечной энергией, распределяя ее в среде обитания. Все организмы составляют мощную геохимическую силу, распространившись по земной поверхности неравномерно.
- Биогенное вещество. Это те минерально-органические и чисто органические компоненты, которые были созданы живыми существами, а именно горючие полезные ископаемые.
- Косное вещество. Это неорганические ресурсы, которые образовываются без участи живых существ, сами по себе, то есть кварцевый песок, различные глины, а также водные ресурсы.
- Биокосное вещество, получаемое благодаря взаимодействию живых и косных компонентов. Это почва и породы осадочного происхождения, атмосфера, реки, озера и другие поверхностные акватории.
- Радиоактивные вещества, такие как элементы урана, радия, тория.
- Рассеянные атомы. Они образуются из веществ земного происхождения, когда на них влияет космическое излучение.
- Космическое вещество. На землю попадает тела и вещества, образованные в космическом пространстве. Это могут быть как метеориты, так и осколки с космической пылью
Слои биосферы
Стоит отметить, что все оболочки биосферы находятся в постоянном взаимодействии, поэтому порой бывает трудно выделить границы того или иного слоя. Одной из важнейших оболочек является аэросфера. Она достигает уровня примерно 22 км над землей, где еще есть живые существа. В целом это воздушное пространство, где обитают все живые организмы. В составе этой оболочки есть влага, энергия Солнца и атмосферные газы:
- кислород;
- озон;
- аргон;
- азот;
- водяной пар.
Численность атмосферных газов и их состав зависит от влияния живых существ.
Геосфера – это составляющая часть биосферы, к ней относится совокупность живых существ, которые населяют земную твердь. Эта сфера включает литосферу, мир флоры и фауны, грунтовые воды и газовую оболочку земли.
Значительным слоем биосферы является гидросфера, то есть все водоемы без подземных вод. В эту оболочку входит Мировой океан, поверхностные воды, атмосферная влага и ледники. Вся водная сфера населена живыми существами – от микроорганизмов до водорослей, рыб и животных.
Если детальнее говорить о твердой оболочке Земли, то она состоит из почвы, горных пород и минералов. В зависимости от среды расположения, бывают различные типы грунта, которые отличаются по химическому и органическому составу, зависят от факторов окружающей среды (растительности, водоемов, животного мира, антропогенного влияния). Литосфера состоит из огромного количества минералов и пород, которые в неодинаковом количестве представлены на земле. В данный момент открыто более 6 тысяч минералов, но лишь 100-150 видов больше всего распространены по планете:
- кварц;
- полевой шпат;
- оливин;
- апатиты;
- гипс;
- карналлит;
- кальцит;
- фосфориты;
- сильвинит и др.
В зависимости от количества горных пород и их хозяйственного использования, некоторые из них являются ценными, особенно топливные ископаемые, руды металлов и драгоценные камни.
Что касается мира флоры и фауны – то это оболочка, которая включает в себя по различным источникам от 7 до 10 миллионов видов. Предположительно около 2,2 млн. видов обитает в водах Мирового океана, а около 6,5 млн. – на суше. Представителей животного мира на планете обитает приблизительно 7,8 млн., а растений – около 1 млн. Из всех известных видов живых существ описано не более 15%, поэтому человечеству потребуются сотни лет, чтобы исследовать и описать все существующие виды на планете.
Связь биосферы с другими оболочками Земли
Все составляющие части биосферы находятся в тесной взаимосвязи с другими оболочками Земли. Это проявление можно увидеть в биологическом круговороте, когда животные и люди выделяют углекислый газ, он поглощается растениями, которые во время фотосинтеза выделяют кислород. Таким образом, эти два газа постоянно регулируются в атмосфере благодаря взаимосвязям различных сфер.
Одним из примеров является почва – результат взаимодействия биосферы с другими оболочками. В этом процессе принимают участие живые существа (насекомые, грызуны, пресмыкающиеся, микроорганизмы), растения, вода (подземные воды, атмосферные осадки, водоемы), воздушная масса (ветер), почвообразующие породы, солнечная энергия, климат. Все эти компоненты медленно взаимодействуют между собой, что способствует образованию почвы в среднем со скоростью 2 миллиметра в год.
Когда компоненты биосферы взаимодействуют с живыми оболочками, образуются горные породы. В результате влияния живых существ на литосферу образовываются залежи каменного угля, мел, торф и известняки. В ходе взаимовлияния живых существ, гидросферы, солей и минералов, определенной температуры образуются кораллы, а из них, в свою очередь, появляются коралловые рифы и острова. Также это позволяет регулировать солевой состав вод Мирового океана.
Различные виды рельефа являются прямым результатом связи биосферы с другими оболочками земли: атмосферой, гидросферой и литосферой. На ту или иную форму рельефа влияет водный режим местности и осадки, характер воздушных масс, солнечное излучение, температура воздуха, какие виды флоры здесь произрастают, какие животные населяют эту территорию.
Значение биосферы в природе
Значение биосферы как глобальной экосистемы планеты трудно переоценить. Исходя из функций оболочки всего живого, можно осознать ее значимость:
- Энергетическая. Растения являются посредниками между Солнцем и Землей, и, получая энергию, часть ее распространяется между всеми элементами биосферы, а часть используется для образования биогенного вещества.
- Газовая. Регулирует количество разных газов в биосфере, их распределение, превращение и миграцию.
- Концентрационная. Все существа выборочно извлекают биогенные компоненты, поэтому они могут быть как полезными, так и опасными.
- Деструктивная. Это разрушение минералов и горных пород, органических веществ, что способствует новому обороту элементов в природе, в ходе чего появляются новые живые и неживые вещества.
- Средообразующая. Влияет на условия окружающей среды, состав атмосферных газов, пород осадочного происхождения и земельного слоя, качество водной среды, а также на баланс веществ на планете.
Долгое время роль биосферы была недооцененной, так как в сравнении с иными сферами масса живого вещества на планете очень мала. Несмотря на это, живые существа являются могучей силой природы, без которой были бы невозможны многие процессы, а также сама жизнь. В процессе деятельности живых существ, их взаимосвязей между собой, влияния на неживую материю, формируется сам мир природы и облик планеты.
Роль Вернадского в изучении биосферы
Впервые учение о биосфере разработал Владимир Иванович Вернадский. Он обособил эту оболочку от других земных сфер, актуализировал ее значение и представил, что это весьма активная сфера, которая изменяет и влияет на все экосистемы. Ученый стал основоположником новой дисциплины – биогеохимии, на основе которой и было обосновано учение о биосфере.
Изучая живое вещество, Вернадский сделал выводы, что все формы рельефа, климат, атмосфера, породы осадочного происхождения – это результат деятельности всех живых организмов. Одна из ключевых ролей в этом отводится людям, которые имеют огромное влияние на протекание многих земных процессов, являясь определенной стихией, владеющей некой силой, способной изменить лик планеты.
Теорию обо всем живом Владимир Иванович представил в труде «Биосфера» (1926), что способствовало зарождению новой научной отрасли. Академик в своей работе представил биосферу как целостную систему, показал ее компоненты и их взаимосвязи, а также роль человека. Когда живое вещество взаимодействует с косным, оказывается влияние на протекание ряда процессов:
- геохимических;
- биологических;
- биогенных;
- геологических;
- миграции атомов.
Вернадский обозначил, что границы биосферы – это поле существования жизни. На ее развитие влияет кислород и температура воздуха, вода и минеральные элементы, грунт и энергия Солнца. Также ученый выделил основные компоненты биосферы, рассмотренные выше, и выделил основной из них – живое вещество. Еще он сформулировал все функции биосферы.
Среди основных положений учения Вернадского о живой среде можно выделить следующие тезисы:
- биосфера охватывает всю водную среду до океанических глубин, включает поверхностный слой земли до 3 километров и воздушное пространство до границы тропосферы;
- показал отличие биосферы от других оболочек ее динамичностью и постоянной деятельностью всех живых организмов;
- специфика этой оболочки заключается в непрерывном обороте элементов живой и неживой природы;
- деятельность живого вещества привела к существенным изменениям на всей планете;
- существование биосферы обусловлено астрономическим положением Земли (дистанция от Солнца, наклон оси планеты), что определяет климат, протекание жизненных циклов на планете;
- солнечная энергия является источником жизни всех существ биосферы.
Пожалуй, это ключевые понятия о живой среде, которые заложил Вернадский в своем учении, хотя его труды глобальны и нуждаются в дальнейшем осмыслении, актуальны и по сей день. Они стали основой для исследований других ученых.
Вывод
Подводя итоги, стоит отметить, что жизнь в биосфере размещается по-разному и неравномерно. Большое количество живых организмов обитает на земной поверхности, будь то водная среда или суша. Все существа соприкасаются с водой, минералами и атмосферой, находясь с ними в непрерывной связи. Именно это обеспечивает оптимальные условия для жизни (кислород, вода, свет, тепло, питательные вещества). Чем глубже в толщу воды океана или под землю, тем жизнь более однообразна. Живое вещество также распространяется и по площади, и стоит отметить разнообразие форм жизни по всей земной поверхности. Чтобы понять эту жизнь, нам понадобиться еще не один десяток лет, а то и сотен, но ценить биосферу и уберечь ее от нашего вредного, человеческого, влияния нужно уже сегодня.
Биосфера Земли - это сложная глобальная совокупность, объединяющая все живые организмы и ту часть неживой природы, которая обменивается энергией с живым веществом, влияет на него и сама подвергается его влиянию. Термин «биосфера» появился в науке благодаря Ж. Ламарку и Э. Зюссу еще в XIX веке. Однако учение о биосфере было создано только в начале XX века, и огромный вклад в его разработку принадлежит выдающемуся советскому ученому В. И. Вернадскому. Он впервые рассмотрел функционирование всего живого и взаимодействие его с планетой как комплексный динамический процесс.
Вернадский также уделил внимание эпохе, когда возникла биосфера, то есть наиболее ранним этапам истории Земли.
Границы распространения жизни на Земле
Границы биосферы определяются пригодностью физико-химических условий для существования живых организмов. Нижней границей распространения жизни принято считать изотерму 100 °C в литосфере, расположенную на глубине около 6 км, либо дно океана (около 11 км). Однако эти оценки могут оказаться заниженными, поскольку существуют глубоководные организмы-экстремофилы, переносящие температуры свыше 200 °C (при высоком давлении вода там не кипит). Так что литосфера теоретически может быть населена значительно глубже, но в целом ниже 3-4 км вряд ли возможна активная жизнедеятельность.
Верхние границы биосферы определяются высотой озонового слоя и не поднимаются выше 15-20 км. Фактически же живые организмы могут быть активны на высотах до 8-9 км. В общем, жизнь весьма разнообразна и умеет приспосабливаться к самым разным условиям. Но когда и как возникло все это богатство?
Лаборатория на молодой планете
Первичный органический синтез вполне мог идти в газопылевом протопланетном облаке на ранних этапах формирования Солнечной системы. Так что новорожденная Земля, вероятно, уже имела в своем составе достаточное количество простой органики.
Есть также геологические свидетельства того, что температурный режим Земли с самого начала (возраст нашей планеты составляет 4,5-4,6 млрд лет) позволял существование воды в жидкой фазе. Дегазация недр должна была проходить достаточно активно, поскольку мощной коры планета еще не имела. Вулканы создавали первичную атмосферу и гидросферу, поставляли химически активные вещества. На поверхность выпадали метеориты и кометы. В геохимический круговорот было вовлечено множество веществ, которые непрерывно вступали в реакции, превращались в новые соединения, а те, в свою очередь, реагировали друг с другом.
Автокатализ - двигатель прогресса
Но как все-таки из подобной смеси ингредиентов могла получиться хотя бы самая примитивная живая система? Долгое время поиски ответа на этот вопрос многие ученые вообще считали бесперспективными. Проблема сдвинулась с мертвой точки только в начале 1980-х годов, когда к решению ее подключили теорию самоорганизующихся систем.
Пусть на одном субстрате идет несколько реакций. Тогда более медленные из них станут затухать и прекратятся, то есть будут вытеснены быстротекущими. Так, уже на самых ранних стадиях предбиологической эволюции начинает действовать естественный отбор. Преимущество получают цепные (автокаталитические) реакции, ускоряемые собственными продуктами. На следующих уровнях организации - автокаталитических циклах и гиперциклах - процессы также отбираются на эффективность и сложность, поскольку по достижении определенного уровня сложность системы становится самоподдерживающейся и может возрастать.
Следует заметить, что классическая термодинамика бессильна помочь в вопросе о том, как и когда возникла биосфера, и все эти выводы сделаны учеными в рамках неравновесной, пригожинской термодинамики. В этом контексте жизнь определяется как процесс химической самоорганизации на основе автокатализа высокомолекулярных соединений углерода в неравновесных условиях, и можно считать живой первобытную среду - лужу, в которой протекают упомянутые реакции. Это в буквальном смысле живое вещество - без существ. Такая первичная биосфера - практически ровесница Земли. Во всяком случае, если она моложе нашей планеты, то не намного.
Мир РНК и первые живые существа
Согласно очень перспективной и успешно развиваемой в последнее время теории, первые организмы, обособленные от внешней среды, появились на основе РНК-циклов. Ни ДНК, ни белков они еще не имели.
ДНК в современных организмах хранит наследственную информацию, белки выполняют в клетке активную работу, РНК в общем случае служит неким посредником - считывает информацию и обеспечивает синтез белка. И ДНК, и белок беспомощны друг без друга и без РНК, а вот она умеет делать все - правда, похуже, чем «узкие специалисты», но поначалу это могло и не быть критическим недостатком. В противном случае придется признать, что на каком-то этапе химическая эволюция создала сразу ДНК, РНК, белки, заключила их в первые клетки и строго распределила функции - вероятность этого действительно исчезающе мала.
Первые примитивные РНК, во всяком случае, гораздо эффективнее синтезировались из низкомолекулярной органики, чем сложная «двойная спираль». Параллельно шел процесс образования коацерватов - водно-липидных капель, предшественников клеточной мембраны. И как только «живой раствор» РНК обернулся коацерватной оболочкой, возник первый автономный организм. Пленка мембраны сохраняла химический градиент между внутренней полостью и средой, не давала живому веществу рассеяться - это стало огромным преимуществом.
В ходе дальнейшего развития биосферы эстафету в деле хранения наследственной информации перехватила ДНК, обеспечивающая большую точность, каталитическую активность взяли на себя белки, наштампованные той же РНК, но последняя без дела не осталась. Ведь без нее клетка мертва.
Следы древней жизни в камне и генах
Ответы на вопросы о том, как и когда возникла биосфера, какова ее ранняя история, ученые вынуждены искать в теоретических моделях и лабораторных экспериментах, поскольку первичная поверхность Земли давно уничтожена последующими геологическими процессами.
Древнейшие на сегодняшний день следы жизни обнаружены в Гренландии, Канаде, Австралии. Наиболее достоверные из них датируются временем 3,7 млрд лет назад и свидетельствуют о том, что уже тогда существовали сложные сообщества микроорганизмов, некоторые из них были фотосинтезирующими (цианобактерии или их предшественники).
Другое направление исследований лежит в области молекулярной биологии. Поскольку все ныне существующие виды - родственники, можно, построив филогенетическое дерево видов, приблизительно установить время, когда существовал «последний универсальный общий предок» (англ. Last Universal Common Ancestor, LUCA). Это не первый организм на Земле, но жил он очень давно - по оценкам ученых, около 4 млрд лет назад. Для этого организма определен набор точно имевшихся у него генов, но не известно, был ли «Лука» отдельным видом микроорганизмов или же сообществом видов, обменивающихся наследственным материалом.
Жизнь преобразует планету
Биосфера и на ранних этапах своего существования активнейшим образом участвовала в эволюции Земли. Самой главной заслугой древних докембрийских одноклеточных является, конечно, создание устойчиво-окислительной атмосферы. Но жизнь оказала огромное влияние также на характер осадконакопления и рудообразования. Например, важнейшие железорудные месторождения, такие как Курская магнитная аномалия, образовались благодаря деятельности фотосинтезирующих бактерий в океанах палеопротерозойской эры 2,5-2 млрд лет назад.
Выйдя на сушу, жизнь принялась за работу над ландшафтами. Собственно, сушу как таковую создала именно биосфера. Ведь пока не возникли почвы и не распространились высшие растения, не существовало четкой границы «суша-водоем», сток воды в океаны был площадным, не было устойчивых русел рек.
Про нефть и уголь знают все. Но вот горные цепи Гималаев, Альп, Кавказа - они сложены известняками, а большая часть этой породы имеет биогенное происхождение. Эти горы когда-то были морскими животными. Их раковины, от мельчайших до крупных, образовали одну из самых распространенных осадочных пород.
Функции биосферы
Мы рассмотрели несколько примеров того, как жизнь меняет лик планеты. Обобщим то, что известно о функциях биосферы.
В-первых, она участвует в изменении и поддержании состава атмосферы и природных вод. Во-вторых, переносит, а также накапливает или рассеивает, то есть перераспределяет различные вещества. В-третьих, исполняет средообразующую функцию. Все это можно суммировать как процесс упорядочения и стабилизации геохимических циклов Земли. Осуществляется он за счет поглощения, преобразования, аккумуляции и высвобождения солнечной энергии структурными составляющими, выделенными еще Вернадским в его учении о биосфере: совокупностью живых организмов, биогенным, биокосным и косным веществом.
Неотделима от Земли
С момента, когда возникла биосфера (хотя точного момента, скорее всего, не было), все компоненты ее тесно взаимодействуют между собой и с остальными геологическими оболочками планеты - атмосферой, гидросферой, литосферой. Система «Земля - биосфера» охвачена множеством положительных и отрицательных обратных связей на самых разных уровнях - от отдельных биогеоценозов до глобальных процессов в масштабах геологического времени.
Земли.
Биосфера - оболочка Земли, заселённая живыми организмами и преобразованная ими. Биосфера начала формироваться не позднее, чем 3,8 млрд лет назад, когда на нашей планете стали зарождаться первые организмы. Она проникает во всю гидросферу , верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы , то есть населяет экосферу . Биосфера представляет собой совокупность всех живых организмов. В ней обитает более 3 000 000 видов растений, животных, грибов и бактерий. Человек тоже является частью биосферы, его деятельность превосходит многие природные процессы и, как сказал В. И. Вернадский: «Человек становится могучей геологической силой».
Французский учёный-естествоиспытатель Жан Батист Ламарк в начале XIX в. впервые предложил концепцию биосферы, ещё не введя даже самого термина. Термин «биосфера» был предложен австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом в 1875 году .
Целостное учение о биосфере создал советский биогеохимик и философ В. И. Вернадский . Он впервые отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля , учитывая их деятельность не только в настоящее время, но и в прошлом.
Существует и другое, более широкое определение: Биосфера - область распространения жизни на космическом теле. При том, что существование жизни на других космических объектах , помимо Земли пока неизвестно, считается, что биосфера может распространяться на них в более скрытых областях, например, в литосферных полостях или в подлёдных океанах. Так, например, рассматривается возможность существования жизни в океане Европы - спутника Юпитера .
Местоположение биосферы
Биосфера включает в себя верхние слои литосферы, в которых живут организмы, гидросферу и нижние слои атмосферы.
Границы биосферы
Состав биосферы
- Живое вещество - вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, физико-химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности. Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4…3,6⋅10 12 (в сухом весе) и составляет менее одной миллионной части всей биосферы (ок. 3⋅10 18 т), которая, в свою очередь, представляет собой менее одной тысячной массы Земли. Но это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты», поскольку живые организмы не просто населяют земную кору, а преобразуют облик Земли. Живые организмы населяют земную поверхность очень неравномерно. Их распространение зависит от географической широты.
- Биогенное вещество - вещество, создаваемое и перерабатываемое живым организмом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь большую часть атмосферы, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля , нефти , карбонатных пород и т. д.
- Косное вещество - продукты, образующиеся без участия живых организмов.
- Биокосное вещество - вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва , ил , кора выветривания и т. д. Организмы в них играют ведущую роль.
- Вещество, находящееся в радиоактивном распаде.
- Рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений.
- Вещество космического происхождения.
Слои биосферы
Весь слой воздействия жизни на неживую природу называется мегабиосферой, а вместе с артебиосферой - пространством человеческой экспансии в околоземном пространстве - панбиосферой.
Аэросфера
Субстратом для жизни в атмосфере микроорганизмов (аэробионтов) служат водные капельки - атмосферная влага, источником энергии - солнечная энергия и аэрозоли. Примерно от верхушек деревьев до высоты наиболее частого расположения кучевых облаков простирается тропобиосфера (с тропобионтами; это пространство - более тонкий слой, чем тропосфера). Выше простирается слой крайне разреженной микробиоты - альтобиосфера (с альтобионтами). Выше простирается пространство, куда организмы проникают случайно и не часто и не размножаются - парабиосфера. Выше расположена апобиосфера.
Геосфера
Геобиосферу населяют геобионты, субстратом, а отчасти и средой жизни для которых служит земная твердь. Геобиосфера состоит из области жизни на поверхности суши - террабиосферы (с террабионтами), разделяемой на фитосферу (от поверхности земли до верхушек деревьев) и педосферу (почвы и подпочвы; иногда сюда включают всю кору выветривания) и жизнь в глубинах Земли - литобиосферу (с литобионтами, живущими в порах горных пород, главным образом в подземных водах). На больших высотах в горах, где уже невозможна жизнь высших растений, расположена высотная часть террабиосферы - эоловая зона (с эолобионтами). Литобиосфера распадается на слой, где возможна жизнь аэробов - гипотеррабиосферу, и слой, где возможно лишь обитание анаэробов - теллуробиосферу. Жизнь в неактивной форме может проникать глубже - в гипобиосферу. Метабиосфера - все биогенные и биокосные породы. Глубже расположена абиосфера.
Гидросфера
Гидробиосфера - весь глобальный слой воды (без подземных вод), населённый гидробионтами - распадается на слой континентальных вод - аквабиосферу (с аквабионтами) и область морей и океанов - маринобиосферу (с маринобионтами). Выделяют 3 слоя - относительно ярко освещённую фотосферу , всегда очень сумеречную дисфотосферу (до 1 % солнечной инсоляции) и слой абсолютной темноты - афотосферу .
Между верхней границей гипобиосферы и нижней границей парабиосферы лежит собственно биосфера - эубиосфера.
История развития биосферы
Развитие наблюдается лишь в живом веществе и связанным с ним биокосном. В косном веществе нашей планеты эволюционный процесс не проявляется .
Зарождение жизни
Жизнь на Земле зародилась ещё в архее - примерно 3,5 млрд. лет назад в гидросфере. Такой возраст имеют найденные палеонтологами древнейшие органические остатки. Возраст Земли как самостоятельной планеты Солнечной системы оценивается в 4,5 млрд. лет. Таким образом, можно считать, что жизнь зародилась ещё в юношескую стадию жизни планеты. В архее появляются первые эукариоты - одноклеточные водоросли и простейшие организмы. Начался процесс
Границы биосферы определяются наличием условий, необходимых для жизни различных организмов.
Верхняя граница биосферы простирается от поверхности Земли до озонового экрана. Выше этой границы организмы жить не могут, так как там на них будут губительно действовать ультрафиолетовые лучи Солнца и низкая температура. Нижняя граница проходит по дну гидросферы и на глубине 4-5 км в земной коре материков (это зависит от того, на какой глубине температура горных пород достигает +100°С). Наиболее обильна жизнью часть биосферы у земной поверхности и до глубины 200 м в гидросфере.
Однако жизнь не ограничена исключительно пределами биосферы. Микробы, споры и пыльца растений, органические молекулы обнаружены высоко в стратосфере. Не исключено, что они могут покидать Землю и уноситься в космическое пространство. Но это не означает расширения биосферы, так как за ее пределами могут существовать только неактивные формы жизни, находящиеся в состоянии скрытой жизнедеятельности.
Сравнительно молодая оболочка Земли. Ее образование связано с появлением жизни на нашей планете. Вопрос о происхождении жизни издавна интересовал человека. Выдвигались разные предположения. В настоящее время ученые считают, что жизнь зародилась в воде, так как на суше в то время были сильные перепады температур, . Первые существа, появившиеся в воде, были несравненно проще даже самых примитивных из ныне живущих. Проходили миллионы лет, и живые организмы становились все сложнее и разнообразнее. Примерно 500 млн. лет назад организмы начали приспосабливаться к жизни на суше. Различные растения (еще очень примитивные) и животные (простейшие) постепенно заселяли и осваивали разные участки суши, вырабатывая различные приспособления для жизни в них. Начинается их участие в образовании . Таким образом, постепенно создавались условия для появления на суше высокоорганизованных растений (хвойных и цветковых). При этом в атмосферу начинает выделяться кислород, необходимый для дыхания. Постепенно все живые организмы расселялись во все сферы Земли. Живые организмы существенно изменили вид нашей планеты, преобразовали земную кору, гидросферу и нижние . Важнейшим этапом в изменении облика нашей планеты является появление и на Земле человека. Это произошло около 500 тыс. лет назад. По словам академика , воздействие человека на природу превосходит многие природные процессы. Совокупность всех живых организмов на планете называется биомассой (греч. bios - жизнь), или живым веществом. Величина эта огромна, но в сравнении с массой земной коры ничтожна. Правда, биомасса имеет замечательную способность обновляться, так как организмы размножаются.
Обновляясь, живое вещество планеты производит в течение года около 250 млрд. тонн биологической массы в сухом весе. Подобные показатели называются продуктивностью биомассы. В глобальных масштабах эта величина сравнительно невелика. Но она способна возобновляться из года в год. За время существования живого вещества (более 3 млрд. лет) даже при его меньшей, чем теперь, средней продуктивности общая биомасса, выработанная живым веществом, в десятки и сотни раз превысила бы массу земной коры (ведь земной коре не свойственно самовоспроизведение). Такая активность жизни делает ее могучим геологическим и фактором на планете.
Живое вещество перемещает, «пропускает сквозь себя» огромные , газов. Это постоянное перемещение веществ, я точнее, химических элементов и молекул, называется биохимическим круговоротом. Наиболее активно вовлекается в него кислород, углерод (и их соединение - углекислый ), азот, фосфор, сера, вода. И это понятно: ведь в живом веществе присутствуют эти газы (кислород составляет 70%, углерод - 18%, водород - 10,5%; на все другие элементы приходится всего 1,5%). Биогеохимические круговороты действуют очень активно. Биомасса Земли пропускает через себя всю воду Земли за 2 млн. лет, весь кислород атмосферы - за 2 тыс. лет, а углекислый газ из атмосферы - за 300. Значит, за долгое время геологической истории живое вещество (биомасса) многократно переработало все главные газы атмосферы, всю воду планеты и значительную часть горных пород земной коры.
Биогеохимический круговорот - важнейший процесс, проходящий в биосфере. Благодаря ему происходит взаимосвязь всех , населенных живыми существами.
Сила, движущая могучий биогеохимический круговорот в биосфере , - солнечная энергия. Ее ежегодно на Землю поступает столько, что она во много раз превышает мощность любого другого источника энергии Земли. Земные растения улавливают эту энергию в процессе фотосинтеза, но менее 1% от поступающей. Хотя и это количество очень велико. Оно в 10 раз больше, чем энергия ядерных реакций в недрах планеты. В результате фотосинтеза в растениях образуются органические вещества, идущие на питание их, а часть органических веществ откладывается. Вместе с зеленой массой эта отложенная часть может переходить в организм животных (сначала травоядных, а потом хищных) и там частично распадаться до более простых химических соединений. После гибели растений и животных микроорганизмы заканчивают разрушение органического вещества, что создает питательную среду, в том числе почвы, для возрождения и следующего цикла развития биомассы.
Охрана биосферы - комплекс мероприятий, действующих с пользой для живого вещества и всей биосферы. От успеха этих мероприятий во многом зависит судьба жизни на Земле и будущее человечества.
Основоположником учения о биосфере был В.И.Вернадский.
Загрузка...
