Биосфера, ее состав, строение и границы

 

Впервые понятие «биосфера» введено в научный обиход в 1875 году австрийским геологом Э. Зюссом.

Учение о биосфере как об активной оболочке Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов (в т. ч. человека) проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба и значения, создано В. И. Вернадским (1926). По его определению биосфера – наружная оболочка Земли, область распространения жизни.

Она включает все живые организмы планеты и элементы неживой природы, составляющие среду их обитания.

Биосфера состоит из нижней части атмосферы (тропосферы), гидросферы (вод рек, морей, океанов), литосферы (верхней части земной коры).

Биосфера представляет собой единое целое, где все процессы и явления взаимосвязаны, взаимообусловлены и сбалансированы.

Биосфера – цельная система, состоящая из подсистем – биогеоценозов. Но каждый биогеоценоз, в свою очередь, – самостоятельная система, в нем подсистемы – популяции, а далее идут следующие подсистемы – отдельные организмы (особи). Но и каждый организм – отдельная биологическая система. С организма и начинается цепь взаимоотношений живой материи и ни на одном уровне эту цепь нельзя прервать, ибо все они связаны между собой функционально.

Следовательно, биосфера – это та область Земли, которая охвачена влиянием живого вещества. С современных позиций биосферу рассматривают как наиболее крупную, глобальную экосистему, поддерживающую планетарный круговорот веществ.

Современная жизнь распространена в верхней части земной коры, в нижних слоях воздушной оболочки Земли и в водной оболочке Земли.

Вглубь Земли живые организмы проникают на небольшое расстояние. В литосфере жизнь ограничивает, прежде всего, температура горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает с глубиной и на уровне 1,5–15 км превышает 100 °С. Наибольшая глубина, на которой в породах земной коры были обнаружены живые бактерии, составляет 4 км. В нефтяных месторождениях на глубине 2–2,5 км бактерии регистрируются в значительном количестве.

В океане жизнь распространена до более значительных глубин и встречается даже на дне океанических впадин в 10–11 км от поверхности.

Верхняя граница жизни в атмосфере определяется уровнем УФ – радиации. На высоте 25–30 км большую часть ультрафиолетового излучения Солнца поглощает находящийся здесь относительно тонкий слой озона – озоновый экран. Если живые организмы поднимаются выше защитного слоя озона, они погибают. Атмосфера над поверхностью Земли насыщена многообразными живыми организмами, которые передвигаются в воздухе активным или пассивным способом. Споры бактерий и грибов обнаруживают до высоты 20–22 км, но основная часть аэропланктона сосредоточена в слое до 1–1,5 км. В горах грани­ца распространения наземной жизни – около 6 км над уровнем моря.

Крайние пределы температур, которые выносят некоторые формы жизни (в латентном состоянии) – от практически абсолютного нуля до 180 °С. Давление, при котором существует жизнь, – от малых долей атмосферы на большой высоте до тысячи и более атмосфер на больших глубинах. Для ряда бактерий верхние критические точки давления лежат в области 12 тыс. атм. Споры бактерий и мицелий некоторых грибов не теряют жизнеспособности в условиях высокого вакуума, достигающего 10^-13–10^{-11 мм рт. ст. (вакуум кос}мического пространства составляет 10^{-16 мм рт. ст.). Бактерии обна}ружены в водах атомных реакторов, некоторые из них выдерживают облучение порядка 2–3 млн рад. При температурах жидкого воздуха (–192°С), гелия (–268,9°С), водорода (–259,1 °С) ряд бактерий остаются живыми.

На основании приведенных данных можно сделать важный вывод: выносливость жизни в целом к отдельным факторам среды шире диапазонов тех условий, которые существуют в границах современной биосферы. Следовательно, жизнь обладает значительным «запасом прочности», устойчивости к воздействию среды и потенциальной спо­собностью к еще большему распространению.

Атмосфера состоит из трех слоев: тропосферы, стратосферы, и ионосферы.

В тропосфере (на высоте 10–20 км от поверхности Земли) сосредоточено 75% всей массы атмосферы. Это водяные пары и примеси, способствующие образованию облаков. Именно в тропосфере формируются климатические условия, тропосфера – это «кухня погоды», здесь идет интенсивное перемешивание воздуха в различных направлениях. По мере удаления от земной поверхности происходит понижение температуры (t = 56°С) – тропопауза.

Стратосфера располагается за тропопаузой до 50 км от поверхности Земли и характеризуется слабыми воздушными потоками и малым количеством облаков. Верхняя граница стратосферы – стратопауза, где температура равна 0°С.

Выше стратопаузы, на высоте более 50 км, располагается ионосфера, в которой газы находятся в ионизированном состоянии вследствие солнечного излучения.

Назначение атмосферы:

1. Атмосфера является поглотителем тепла и лучистой энергии Солнца. Как своеобразное одеяло Земли атмосфера предохраняет ее от резких перепадов температур.

2. Поглощая и рассеивая ультрафиолетовые, рентгеновские, космические излучения, атмосфера защищает от их гибельного воздействия все живущее на Земле.

3. Атмосфера защищает Землю от «звездных осколков». Метеориты, величиной с горошину, летят со скоростью до 60 км/с, но, врезаясь в атмосферу, раскаляются за счет трения о воздух и сгорают.

4. Атмосфера создает равномерное, рассеянное освещение, разбивая солнечные лучи на миллионы мелких. В стратосфере цвет воздуха черно-фиолетовый.

5. Атмосфера является средой распространения звуков. Без воздуха на Земле царила бы тишина, человеческая речь не была бы возможна.

Состав атмосферного воздуха. Воздух – один из основных элементов среды, необходимый всему живому на Земле. Без пищи человек может обходиться 5 недель, без воды – 5 дней, без воздуха – 5 минут.

В ХVIII в. Лавуазье установил, что воздух является механической смесью газов в объемных процентах: азот – 78%, кислород – 21%, аргон – 0,9%, углекислый газ – 0,03%, неон, гелий, криптон, водород, ксенон – от 1,8·10^-3 до 8,7·10^-6 %. В воздухе также имеется водяной пар (до 4%), количество которого варьируется.

Азот – основная часть атмосферы. Человек обитает в азотной среде. Растения усваивают атмосферный азот.

Кислород (эликсир жизни) является обязательным участником окислительно – восстановительных реакций, в результате которых образуется энергия жизнедеятельности организмов.

Углекислый газ (СО₂) играет важную роль в фотосинтезе, в котором участвуют наземные растения и водоросли, улавливающие энергию солнечного света и использующие ее для превращения диоксида углерода и воды в органические соединения с выделением кислорода. На фотосинтез 1 т органики затрачивается 1,8–1,5 т СО₂, при этом выделяется 1,1–1,3 т кислорода.

С круговоротом в биосфере важнейших компонентов атмосферы вы познакомитесь в разд. 2.6.5.

Водород, инертные газы содержатся в атмосферном воздухе в ничтожном количестве. Присутствие инертных газов связано с непрерывными процессами естественного радиоактивного распада. Это биологически индифферентные газы.

Самоочищение атмосферы. Воздушный бассейн обладает способностью к самоочищению от загрязняющих веществ. Аэрозоли (твердые и жидкие частицы, обладающие малыми скоростями осаждения) вымываются из атмосферы осадками, ионы оседают под влиянием электрического поля атмосферы. Воздушные потоки, переносящие загрязнения, очищаются лесами, деревьями.

Всякое загрязнение вызывает у природы защитную реакцию, направленную на его нейтрализацию.

Однако имеется предел такой нагрузки. Все увеличивающиеся объемы вредных выбросов в атмосферу вызывают неблагоприятные последствия в различных местах планеты.

Гидросфера – прерывистая водная оболочка Земли, совокупность океанов, морей, рек, ледниковых отложений, подземных и атмосферных вод. Общая площадь океанов и морей в два раза превышает территорию суши, но объем пресных вод составляет всего 2,5% от общего объема водных запасов; 97,5% – вода соленая или значительно минерализованная. Большая часть пресных вод (68,0%) сосредоточена в ледниках и снежном покрове.

Велико значение водных ресурсов. Вода регулирует тепловой баланс планеты, задерживая тепловое излучение Земли. Вода – основа жизни на Земле. Все биофизические и биохимические процессы, связанные с обменом веществ в живых организмах, протекают лишь при наличии водной среды. Вода входит во все ткани и клетки живых организмов и человека. Вода – важнейший фактор, определяющий распределение производственных сил, важнейшее средство производства. Водопотребление в промышленности – 27%, в сельскохозяйственном производстве – 66%, жилищно-коммунальном хозяйстве –7% от общего потребления. Водоемы являются поставщиками рыбы, местами отдыха людей, позволяют использовать водный транспорт.

Подавляющая часть массы природных вод (94%) составляет мировой океан объемом 1,37 млрд км³. Подземные воды – 4% от общего объема воды; ледники – 1,7%; речные воды – 10^-4%; озера – 0,05%; пары атмосферы – 10^-3%.

Литосфера – верхняя каменная оболочка Земли, толщиной 30–40 км. Наибольшее значение имеет поверхностный слой литосферы, обладающий способностью обеспечивать рост и развитие растений, т. е. плодородием, и называемый почвой. Почва относится к воспроизводимым ресурсам природы, однако для формирования слоя почвы в 2–3 см требуется 100 и более лет. На долю суши приходится 1/3 поверхности Земли, но плодородным слоем обладает лишь 10% суши.

Почва состоит из твердой, жидкой, газообразной и живой частей.

В твердой части почвы преобладают минеральные вещества (кремний, алюминий, железо, калий, магний, кальций, фосфор, сера, фтор, бор, молибден и др.), определяющие ее плодородие. Органические вещества, входящие в твердую часть почвы и образующиеся за счет разложения растительных и животных остатков и продуктов жизнедеятельности, называются гумусом (перегноем). В составе гумуса – клетчатка, лигнин, белки, сахар, смолы, жиры, дубильные вещества и другие, являющиеся основным источником питания растительных организмов.

Жидкая часть (почвенный раствор) осуществляет перенос веществ внутри почвы и снабжение растений водой и растворенными элементами питания.

Газообразная часть – почвенный воздух.

 

Живая часть (микроорганизмы) почвы – бактерии, грибы, водоросли, а также беспозвоночные (простейшие, черви, моллюски, насекомые и их личинки).

Учение В. И. Вернадского