Границы распространения жизни на земле. Биосфера, ее структура и границы

Крупнейшим обобщением в комплексе наук о Земле (геология, география, геохимия, биология) стало учение о биосфере, созданное русским ученым В. И. Вернадским. Начав свою научную деятельность (как геолог) с изучения осадочных пород земной коры, В. И. Вернадский выявил огромную роль живых организмов в сложных геохимических процессах нашей планеты. В 1926 г. вышла его книга «Биосфера». В этом произведении глубоко анализируются сложные взаимоотношения живых организмов и неживой природы Земли. Его работа несколько опередила время. Лишь во второй половине ХХ в., на фоне обострения экологических проблем, его учение о биосфере получило широкое распространение.

Важным элементом учения В. И. Вернадского о биосфере является идея тесной зависимости биосферы от деятельности человека и сохранности ее в результате разумного отношения человека к природе. Ученый писал:

Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. Перед ним, перед его мыслью и трудом становится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть ноосфера. 1

В настоящее время учение о биосфере представляет собой важнейшую часть экологии, непосредственно связанную с проблемами регулирования взаимодействия человека и природы.

Впервые термин «биосфера» был употреблен Ж. Б. Ламарком в начале XIX в. Позднее он был упомянут в работе австрийского геолога Э. Зюсса в 1875 г. Однако это понятие не было детально разработано названными учеными, а использовано вскользь для обозначения области жизни на Земле. Лишь в работах В. И. Вернадского оно анализируется детально и тщательно и под ним понимается «оболочка жизни» на нашей планете.

Биосферой называют совокупность всех живых организмов нашей планеты и те области геологических оболочек Земли, которые заселены живыми существами и подвергались в течение геологической истории их воздействию.

Границы биосферы. Живые организмы неравномерно распространены в геологических оболочках Земли: литосфере, гидросфере и атмосфере (рис. 1). Поэтому биосфера сейчас включает верхнюю часть литосферы, всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы.

Рис. 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 это верхняя твердая оболочка Земли. Ее толщина колеблется в пределах 50–200 км. Распространение жизни в ней ограниченно и резко уменьшается с глубиной. Подавляющее количество видов сосредоточено в верхнем слое, имеющем толщину в несколько десятков сантиметров. Некоторые виды проникают в глубину на несколько метров или десятков метров (роющие животные - кроты, черви; бактерии; корни растений). Наибольшая глубина, на которой были обнаружены некоторые виды бактерий, составляет 3–4 км (в подземных водах и нефтеносных горизонтах). Распространению жизни в глубь литосферы препятствуют различные факторы. Проникновение растений невозможно из-за отсутствия света. Для всех форм жизни существенными препонами служат и возрастающие с глубиной плотность среды и температура. В среднем температурный прирост составляет около 3 °С на каждые 100 м. Именно поэтому нижней границей распространения жизни в литосфере считают трехкилометровую глубину, (где температура достигает около +100 °С).

Гидросфера - водная оболочка Земли, представляет собой совокупность океанов, морей, озер и рек. В отличие от литосферы и атмосферы она полностью освоена живыми организмами. Даже на дне Мирового океана, на глубинах около 12 км, были обнаружены разнообразные виды живых существ (животные, бактерии). Однако основная масса видов обитает в гидросфере в пределах 150–200 м от поверхности. Это связано с тем, что до такой глубины проникает свет. А следовательно, в более низких горизонтах невозможно существование растений и многих видов, зависящих в питании от растений. Распространение организмов на больших глубинах обеспечивается за счет постоянного «дождя» экскрементов, остатков мертвых организмов, падающих из верхних слоев, а также хищничества. Гидробионты обитают как в пресной, так и в соленой воде и по месту обитания делятся на 3 группы:

1) планктон - организмы, живущие на поверхности водоемов и пассивно передвигающиеся за счет движения воды;

2) нектон - активно передвигающиеся в толще воды;

3) бентос - организмы, обитающие на дне водоемов или зарывающиеся в ил.

Атмосфера - газовая оболочка Земли, имеющая определенный химический состав: около 78 % азота, 21 - кислорода, 1 - аргона и 0,03 % углекислого газа. В биосферу входят лишь самые нижние слои атмосферы. Жизнь в них не может существовать без непосредственной связи с литосферой и гидросферой. Крупные древесные растения достигают нескольких десятков метров в высоту, располагая вверх свои кроны. На сотни метров поднимаются летающие животные - насекомые, птицы, летучие мыши. Некоторые виды хищных птиц поднимаются на 3–5 км над поверхностью Земли, высматривая свою добычу. Наконец, восходящими воздушными потоками пассивно заносятся на десятки километров вверх бактерии, споры растений, грибов, семена. Однако все перечисленные летающие организмы или занесенные бактерии лишь временно находятся в атмосфере. Нет организмов, постоянно живущих в воздухе.

Верхней границей биосферы принято считать озоновый слой, располагающийся на высоте от 30 до 50 км над поверхностью Земли. Он защищает все живое на нашей планете от мощного ультрафиолетового солнечного излучения, в значительной мере поглощая эти лучи. Выше озонового слоя существование жизни невозможно.

Таким образом, основная часть видов живых организмов сосредоточена на границах атмосферы и литосферы, атмосферы и гидросферы, образуя относительно «тонкую пленку жизни» на поверхности нашей планеты.

Строение и функционирование биосферы. Биосфера - это глобальная экологическая система , состоящая из множества экосистем более низкого ранга, биогеоценозов, взаимодействием которых друг с другом и обусловлена ее целостность. Действительно, биогеоценозы существуют не изолированно - между ними существуют непосредственные связи и отношения. Например, в водные биогеоценозы ветром, дождями, талыми водами выносятся из наземных экосистем минеральные и органические вещества. Может происходить перемещение организмов из одного биогеоценоза в другой (например, сезонные миграции животных). И наконец, всех объединяет атмосфера Земли, служащая общим резервуаром для живых существ. В нее поступают кислород (выделяемый растениями в процессе фотосинтеза) и углекислый газ (образуемый в процессе дыхания аэробных организмов). Из атмосферы же растения всех экосистем черпают углекислый газ, необходимый им в процессе фотосинтеза, а все дышащие организмы получают кислород.

Существование биосферы базируется на непрерывно осуществляющемся круговороте веществ, энергетической основой которого является солнечный свет (рис. 2).

Рис. 2. Схема биогеохимической цикличности в биосфере. Справа на схеме разрез дерново-подзолистой почвы под хвойным лесом

Круговорот веществ в природе между живой и неживой материей - одна из наиболее характерных особенностей биосферы. Биологический круговорот - это биогенная миграция атомов из окружающей среды в организмы и из организмов в окружающую среду. Биомасса выполняет и другие функции:

1) газовая - постоянный газообмен с внешней средой за счет дыхания живых организмов и фотосинтеза растений;

2) концентрационная - постоянная биогенная миграция атомов в живые организмы, а после их отмирания - в неживую природу;

3) окислительно-восстановительная - обмен веществом и энергией с внешней средой. При диссимиляции окисляются органические вещества, при ассимиляции используется энергия АТФ;

4) биохимическая - химические превращения веществ, составляющие основу жизнедеятельности организма.

Существуют различные предположения о том, как появилась жизнь на нашей планете: от гипотезы самозарождения до гипотезы её занесения из космоса. Среди планет только Земля населена живыми организмами и имеет оболочку, в которой распространена жизнь.

Все живые организмы составляют живое вещество Земли. «Непрерывный слой живого вещества», по определению В. И. Вернадского, занимает , включает в свой состав почву с находящимися в ней корнями растений, грибницами, микроорганизмами и почвенными животными, часть , где встречаются микроорганизмы, и приземную часть тропосферы, где ветром переносятся пыльца, споры и семена растений. Этот слой и составляет биосферу Земли, сформировавшуюся в области взаимодействия воздуха, воды и горных пород.

Живые организмы могут существовать только при определённых условиях. В атмосфере такие условия наблюдаются до высоты 7-8 километров, где в основном сосредоточены живые организмы. Выше существование жизни ограничено низкой температурой и низким давлением. Верхней границей распространения живых организмов в атмосфере служит «озоновый экран». В гидросфере организмы распространены во всей толще вод суши и Мирового океана. В литосфере нижнюю границу биосферы проводят на глубине от сотен метров до нескольких километров. Здесь встречаются бактерии, для жизни которых не нужен воздух.

Живые организмы встречаются в самых необычных и очень суровых условиях: во льдах на вершинах высочайших гор, в безводных пустынях, в солёных озёрах и даже в подземных нефтяных пластах.

Разнообразие живого

Живые организмы представлены царствами растений, животных, грибов и бактерий. Растения и животные весьма разнообразны по форме и размерам. Принято выделять одноклеточные и многоклеточные организмы. Среди животных наиболее распространены насекомые, а среди растений - покрытосеменные.

По видовому разнообразию животные преобладают над растениями, но по массе живого вещества, наоборот, растений больше, чем животных. Некоторые виды растений и животных сохранились на нашей планете, пережив глобальные климатические изменения и оледенения. Это реликты (от латинского слова relictum - остаток) - древние виды, сумевшие приспособиться к новым условиям обитания.

Жизнь распределена в очень неравномерно. Большая часть организмов сосредоточена на суше. Здесь их масса в 800 раз превышает массу всего живого вещества в Мировом океане. При этом масса живого вещества растений на суше примерно в 1000 раз больше массы животных.

) и твёрдую (лито-сфера ) оболочки Земли (рис. 74).

Верхняя граница

Верхняя граница биосферы распо-ложена на высоте 15—25 км над уровнем моря (и в разных регионах Земли различна) в нижнем слое атмосферы — тропо-сфере (рис. 75).

В этих пределах био-сферы под влиянием энер-гии солнечных лучей кис-лород превращается в озон и образуется озоновый эк-ран. Он не пропускает ос-новную часть космических и ультрафиолетовых лучей, оказывающих вредное воздействие на живые орга-низмы, поэтому они не достигают земной поверх-ности.

В самых верхних слоях биосферы встречаются споры очень устойчивых к неблагоприятным условиям бактерий, грибов , мхов и папоротников (их называют аэропланктоном ). Некоторые птицы , бабочки и пауки могут подниматься на высоту 6—7 км.

Нижняя граница в гидросфере

Состав биосферы многообразен и подраз-деляется на четыре части.

• Живое вещество.
• Биогенные вещества.
• Твёрдые тела.
• Вещества биогенного и абиогенного происхождения.

Живое вещество

Совокупность всех живых организмов, обитающих на нашей планете , составляет живое вещество биосферы. Несмотря на то, что живое вещество по своей массе представляет весьма незначительную часть биосферы, его деятельность в течение геологических эпох оказывала огромное влияние на развитие Земли .

По утверждению В. И. Вернадского, жизнь зародилась на Земле некоторое время спустя после её появления и явилась одним из основных факторов, изменивших облик нашей планеты.

Биогенные вещества

Биогенные вещества есть результат деятельности живых организмов. К ним можно отнести нефть, каменный уголь, известняк и атмосферные газы.

Твёрдые тела

Общая масса живых организмов в биосфере называется био-массой, 93% которой приходится на сушу, а 7% — на водную среду. Живые организмы своей деятельностью оказывают большое влияние на биосферные процессы и обусловливают изменения биосферы.

Биосфера непрерывно развивается. Её развитие обусловливают такие факторы, как геологические и климатические изменения на нашей планете, воздействие живых организмов и человеческая деятельность.

Первый этап эволюции биосферы называется биогенезом, а второй — ноогенезом. В настоящее время в связи с тем, что основное влияние на биосферу оказывает

Биосфера в переводе с греческого языка сфера жизни или оболочка, где есть жизнь. Считается, что организмы, взаимодействуя друг с другом и выделяя продукты своей жизнедеятельности, преобразовывают эту оболочку. С точки зрения живого организма, которым является и человек, именно он главный в этой сфере Земли. Он все преобразовывает и изменяет. Так ли это? Какова его роль? А для начала надо понять, как границы биосферы определяются и каковы они?

Наличие жизни – вот главный критерий при ответе на эти вопросы. По последним, но неокончательным, научным сведениям она на Земле существует в границах до 20 км над нею и до 8 км вглубь. В водах Мирового океана есть на глубине в 11 км.

Верхняя граница биосферы — слой, который защищает все живое от ультрафиолетовых лучей. Нижняя граница под поверхностью Земли определяется температурой. Между границами расположились несколько слоев. Это атмосфера или воздушное пространство, гидросфера или водная оболочка и литосфера или земная кора.

Эти оболочки представляют три фазы существования вещества. Твердую – земная кора, жидкую – вода и газообразную – воздух. Они между собой тесно связаны, переходят и влияют одна в другую. А живые организмы существуют во всех этих оболочках — состояниях. Мигрируют из одной в другую, пронизывают их и связывают.

Кроме того, состав биосферы обладает определенной структурой. В нее входит живое, биогенное, косное и биокосное вещество, атомы и вещества космического происхождения, а также, находящееся в стадии радиоактивного распада. Живое вещество – это вся совокупность живых организмов. Биогенное – это то, что получается в результате их жизнедеятельности. Косное образуется без участия живых организмов. Биокосное – продукт их «совместного» труда. Остальные несущественны и что собой представляют понятно из их названия.

Масса коры Земли составляет примерно 28,46Х10 18 тонн, воды – 1,47Х10 18 , воздуха – 0,005Х10 18 , а живого вещества – 0,00001% массы земной коры.

Границы биосферы, ее слои и структура – это ее «внешние» характеристики. «Внутренний» состав биосферы — химический.

Литосфера

В земной коре присутствуют еще два вида газа – водород и гелий. Но их содержание очень низко, за счет инертности, то есть летучести. Кислород присутствует практически во всех видах соединений, составляющих литосферу. Их называют макроэлементами. Элементы, которых в коре менее доли процента, соответственно, микроэлементами. Причем элементы наименее распространённые, имеют наибольшую популярность в хозяйственной деятельности человека. Цирконий востребование меди, а ртуть — других редкоземельных металлов. Некоторые элементы не нашли своего применения, хотя в земле их присутствие довольно велико. Например, рубидий, ванадий, гафний или скандий.

Гидросфера

Гидросфера или водная оболочка Земли. В нее входят океаны, моря, реки и другие водоемы, расположенные на суше. Толщина этого слоя неравномерно распределена по планете. В океанах она до 5 км, а «сухопутных» водоемов — несколько десятков метров. Тем не менее, вода покрывает 71% площади Земли. Основные ее химические элементы — это водород и кислород. Вода в гидросфере бывает соленой и пресной. Причем соленой – 98%, а пресной только 2%. По состоянию – жидкой, твердой и газообразной. Пресной воды в жидком состоянии всего лишь 0,025%, льда — 1,6%.

Самая распространенная на Земле жидкость – вода имеет уникальные качества и отличается от всех других известных видов жидкостей. Например, у всех жидкостей их твердое состояние тяжелее жидкого. А лед плавает на поверхности воды. Такие аномальные качества относят за счет строения ее молекулы – трехатомного. Все имеющиеся на Земле водные объекты разделяют на поверхностные, подземные и глубинные. По составу содержащегося в них газа на: кислородные, углекислые, метановые, азотные, сероводородные, водородные и другие. Несмотря на разные качества и место пребывания, водные объекты находятся в постоянной взаимосвязи и водообмене.

Основная масса воды соленая, потому за среднюю плотность воды принимают ее показатели. Он составляет 1,028. Соленость воды выражается в промилях, то есть количестве граммов соли на один килограмм воды. Средняя соленость океана 35 0 / 00 .

Вода в своем составе содержит, кроме основных, множество других веществ и соединений. Как правило, это хлориды щелочных или щелочноземельных элементов. Меньше в воде присутствуют сульфаты и гидрокарбонаты. Среди элементов выделяется существенное содержание брома, стронция, бора, фтора, йода и бария. В отличие от земной коры, в воде незначительное количество железа и алюминия. В воде есть концентрации некоторых газов. Таких как кислород, азот, углекислый газ, гелий, неон и сероводород.

Атмосфера

Атмосфера или шар из пара, укрывающий нашу планету. Его высота от поверхности Земли около 1300 км. «Около», потому что четкой границы атмосфера Земли с космосом не имеет. Воздух – основа атмосферы. В его состав входит: азот, кислород, углекислый газ, водяной пар, аэрозоли, пыль, солевые частицы и так далее. Такой состав воздуха сложился в результате биогенных процессов, вулканической и техногенной деятельности.

Атмосфера по мере удаленности от поверхности Земли делится на несколько слоев: тропосфера, стратосфера и ионосфера.

Верхняя граница тропосферы около 15 км от Земли. В ее газовый состав входит, прежде всего, азот. Его содержание 78%. А также кислород – 21%, аргон – до 1% и углекислый газ – 0,03%. Есть в нем также гелий, водород, криптон, ксенон и озон. Каждый составляющий атмосферу газ, независимо от объемов его содержания, играет свою значимую роль. Углекислый газ – источник жизни растений, озон – защищает все живое от ультрафиолетового излучения и так далее.

Кроме «постоянных» компонентов, атмосферу наполняют «временные». Например, водяные пары. Их содержание может достигать 4%. Его основная функция – регулировать климат. Он поглощает тепло и тем смягчает колебания температуры. Еще одним «временным» компонентом является хлорид натрия. Он попадает на Землю с осадками. Испаряясь, он попадает в воздух. Наибольшее его количество на морском побережье. С поверхности океана испаряются фтор, бром и йод, которые также попадают в атмосферу.

Источниками несвойственных для состава атмосферы газов являются техногенные выбросы. Доля техногенных газов в атмосфере пока невелика, но они уменьшают в ней количество кислорода. Особенно следует отметить сернистый газ, сероводород, окиси углерода и соединения свинца. Их количество постоянно возрастает.

Процесс изменения состава атмосферы явление не новое. Он происходил постоянно на протяжении многих лет. Однако, это были естественные изменения, к которым природа адаптировалась и приспосабливалась. Изменения, которые наблюдаются сейчас, носят неприродный характер. Справиться ли она с ними – вопрос.

Вот каковы биосферы границы, структура, «внутренние» и «внешние» характеристики.

Живые организмы также входят в состав биосферы, потому необходимо рассмотреть их роль в ее существовании.

Живые организмы

Определение биосферы говорит о том, что живые организмы ее преобразовывают.

Они состоят из органического вещества, хотя оно, в свою очередь, необязательно живое. Главным свойством живых организмов является непрерывный обмен химическими элементами. По поверхности Земли живые организмы распределены неравномерно. Границы своего существования, как вертикальные, так и горизонтальные, живые организмы пытаются расширить и все пустоты заполнить. Воздействие живых организмов на окружающую среду началось с их появлением около 4 млрд. лет назад. Они разнообразны по видам, морфологии, физиологии и так далее. И, тем не менее, во всех них присутствуют нескольких основных химических элементов – кислорода, углерода, водорода и азота. А состоят они из воды и органического вещества.

Если химический состав живых организмов аналогичен все остальной окружающей среде, то какая их роль и почему без них природа не смогла обойтись? А все очень просто. Живые организмы являются носителями энергии, без которой перемещение химических элементов и их переход из одной стадии в другую невозможен.

Видео — Биография Планеты

Биосфера — это оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются прошлой и современной деятельностью живых организмов.

■ Термин «биосфера» ввел Э. Зюсс (Австрия, 1875 г.), учение о биосфере было создано В.И. Вернадским (Россия, 1926 г.).

■ Биосфера — наиболее крупная экосистема, объединяющая все биогеоценозы планеты и осуществляющая глобальный круговорот веществ.

Компоненты биосферы: живое вещество (см. ниже), биогенное вещество, биокосное вещество, косное вещество, радиоактивное вещество, космогенное вещество.

Биогенное вещество — соединения и полезные ископаемые, создаваемые и перерабатываемые живыми организмами в процессе их жизнедеятельности (нефть, газ, уголь, известняк и др.).

Биокосное вещество — вещество, образующееся в результате совместной деятельности живых организмов и абиогенных процессов (почва, грунт водоемов).

Косное вещество — соединения, образующиеся без участия живых организмов (горные породы, минералы и др.).

Радиоактивное вещество — радиоактивные руды и конечные продукты их распада.

Космогенное вещество — метеориты, космическая пыль.

Область жизни определяется наличием условий, необходимых для существования тех или иных живых организмов.

Жизнь на Земле распространена в трех геологических оболочках — атмосфере, гидросфере и литосфере . Эти оболочки объединены в единую целостную систему посредством непрерывного обмена друг с другом веществом и энергией, обусловленного не только абиогенными процессами, но и деятельностью живых организмов.

Атмосфера — воздушная оболочка Земли. Плотность воздуха быстро уменьшается с высотой: 75% массы атмосферы сосредоточено в слое ниже 10 км, 90% — ниже 15 км, 99% — ниже 30 км. Сухой воздух состоит из азота (78,08%), кислорода (20,95%), аргона (0,93%), углекислого газа (0,03%) и примесей других газов.

Тропосфера — нижний слой атмосферы высотой от 8-10 км в полярных широтах до 16-18 км в экваториальной зоне. Выше тропосферы расположена стратосфера.

Озоновый слой — область с повышенным содержанием озона О 3 — находится в стратосфере на высотах 15-25 км. Он поглощает губительное для живых организмов коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца.

Водяной пар , присутствующий в атмосфере, участвует в природном круговороте воды;

■ конденсируясь, он выпадает в виде дождей, обеспечивая влажностный режим земных территорий;

■ вместе с СО 2 он вносит главный вклад в парниковый эффект : удерживает отраженные от поверхности планеты длинноволновые тепловые лучи, благодаря чему нижние слои атмосферы оказываются теплыми.

Гидросфера — это водная оболочка Земли, образованная водами ее океанов, морей, озер, рек, подземных и ледяных покровов.

■ Средняя глубина Мирового океана — 3,8 км, максимальная (Марианская впадина в Тихом океане) — 11,034 км. 97% массы гидросферы составляют соленые океанические воды, 2,2% — воды ледников, 0,8% — подземные, озерные и речные пресные воды.

Литосфера — внешняя твердая оболочка (кора) планеты. Состоит из трех слоев: верхнего — слоя осадочных пород, среднего -гранитного и нижнего, наиболее плотного — базальтового.

Границы биосферы проходят там, где начинают преобладать природные факторы, делающие существование живых организмов невозможным.

Верхняя граница биосферы определяется высокой интенсивностью ультрафиолетового солнечного излучения, низкой температурой среды, дефицитом кислорода и воды и проходит в атмосфере на высоте 25-27 км (у нижней границы озонового слоя).

■ Отдельные споры бактерий и грибов найдены в тропосфере на высоте до 40 км.

Нижняя граница биосферы в литосфере для большинства форм жизни определяется высокой плотностью, прочностью и высокой сопротивляемостью среды, отсутствием света, недостатком кислорода и проходит на глубине нескольких десятков метров.

■ Неактивные формы жизни (споры, цисты) и нефтебактерии зарегистрированы на глубинах до 4 км. Эта граница, помимо перечисленных выше факторов, определяется также высокими давлением и температурой горных пород и подземных вод (на глубине 3 км температура около +100 °С).

В гидросфере жизнь простирается на всю глубину Мирового океана. Здесь ограничивающими факторами являются давление толщи воды и отсутствие света (температура воды на дне океанических впадин — около 0 °С).

■ По В.И. Вернадскому, нижняя граница биосферы проходит на 1-2 км глубже дна Мирового океана, в постепенно накапливающейся в океане толще осадочных пород, происхождение которых связано с деятельностью живых организмов.

Живое вещество

Живое вещество — совокупность всех существующих в данный момент живых организмов планеты, численно выраженная в элементарном химическом составе, массе или энергии.

■ Количественные меры живого вещества — биомасса и продукция.

Особенности живого вещества. Живое вещество:

■ является главным компонентом биосферы;

■ распределено по Земле неравномерно; его концентрация максимальна на границах раздела основных сред — в почве, в поверхностных слоях океана, на дне водоемов, в так называемых «пленках жизни»;

■ по своему элементарному химическому составу близко к составу земной коры;

■ является наиболее активным компонентом биосферы, обеспечивающим глобальный круговорот химических элементов;

■ является гигантским аккумулятором и уникальным преобразователем энергии Солнца, связывая ее в химических связях сложных органических молекул в процессе фотосинтеза.

Общее количество биомассы на Земле — 2423,2 млрд. т. Основная ее часть сосредоточена на континентах (свыше 99,8%) в зеленых растениях суши (более 99,2%). Организмы, не способные к фотосинтезу, составляют 1%.

Распределение биомассы по континентальной и океанической частям биосферы (приведенное к сухому органическому веществу) представлено в таблице.

Распределение по продукции и количеству образуемого кислорода: около половины продукции и объема кислорода создают растения суши (главным образом влажные тропические леса), другую половину — микроскопические водоросли гидросферы — фитопланктон (при этом биомасса фитопланктона примерно в 10 000 раз меньше биомассы растений суши). Причина — в значительно большей скорости образования продукции фитопланктоном по сравнению с растениями суши.

Биогеохимический цикл — более или менее замкнутый путь, по которому осуществляется непрерывная циркуляция химических элементов в биосфере.

Основные процессы круговорота воды, углерода и азота приведены в таблице; подробнее они рассмотрены ниже.

Целостность биосферы: каждый ее компонент, развиваясь по своим законам, существует не изолированно, а постоянно испытывает влияние других и сам оказывает влияние на другие компоненты. Поэтому изменение любого компонента биосЛеры вызывает изменение других.

Ряд компонентов биосферы, расположенных в порядке убывания скорости изменения: животный мир → растительность → почва → вода → климат → рельеф → литосфера.

Круговорот воды и кислорода

Круговорот воды

Вода испаряется с поверхности водоемов (океанов, морей и т.д.) и суши и воздушными течениями переносится на различные расстояния. Большая часть испарившейся воды выпадает в виде осадков в океан, меньшая — на сушу. Выпавшая на поверхность суши вода способствует разрушению горных пород, размывает верхний слой почвы и возвращается вместе с растворенными и взвешенными в ней веществами в реки, моря и океаны.

Растения извлекают воду из почвы и испаряют ее в атмосферу. Масса испаряемой при этом воды может быть весьма значительна (гектар леса испаряет 20-50 т воды в сутки), и в крупных лесных зонах основное количество осадков образуется из водяного пара, поступающего в атмосферу благодаря суммарному испарению с этих же зон.

Растительный покров также удерживает воду путем замедления ее стока, поддерживает постоянным уровень грунтовых вод и др.

Часть воды в процессе фотосинтеза расщепляется на водород и кислород. Водород используется для синтеза органических соединений, а кислород выделяется в атмосферу.

Животные потребляют воду для поддержания осмотического давления и выделяют ее с продуктами диссимиляции.

Вода полностью разлагается и восстанавливается в биотическом круговороте примерно за 2 млн. лет.

Круговорот кислорода

Практически весь атмосферный кислород имеет биогенное происхождение. Свободный кислород используется аэробными организмами при дыхании для окисления органических соединений. Один из конечных продуктов окисления — диоксид углерода, поступающий в атмосферу. Пополнение содержания кислорода в атмосфере происходит при разложении воды в процессе фотосинтеза. Весь кислород атмосферы проходит через организмы примерно за 2000 лет.

Круговорот углерода и азота

Круговорот углерода в биосфере (см. рис. 5.3) обусловливают в основном процессы фотосинтеза и дыхания. Углерод в атмосфере содержится в основном в составе диоксида углерода СО 2 . Первичный источник СО 2 — вулканическая деятельность.

Биосферный цикл углерода начинается с ассимиляции атмосферного диоксида углерода наземными и водными растениями и цианобактериями в процессе фотосинтеза. При этом образуются углеводы, часть которых используется самими растениями для получения энергии, а часть потребляется животными. Кроме того, соединения углерода используются морскими организмами для построения раковин и скелетных образований.

Углерод возвращается в среду в виде диоксида, выделяемого в процессе дыхания животных и растений. Второй путь возврата -разложение мертвых растений и животных, при котором углерод их тканей окисляется и в виде СО 2 поступает в атмосферу.

Цикл круговорота углерода замкнут не полностью. Часть углерода на продолжительное время выводится из круговорота, концентрируясь в залежах торфа, каменного угля, нефти и горючих сланцев, образующихся при разложении мертвых организмов без доступа кислорода, а также в мощных отложениях известняков на дне морей и океанов, образованных из остатков раковин и скелетов отмерших морских организмов.

Однако при сжигании ископаемого топлива, используемого человеком для получения энергии, образуется диоксид углерода, который возвращается в атмосферу. За счет этого за последние сто лет содержание СО 2 в атмосфере возросло на 25%, что нарушает отрегулированный круговорот углерода и может привести к усилению парникового эффекта. Один цикл круговорота диоксид углерода проходит за 300 лет.

Круговорот азота

Азот — один из важнейших компонентов белков, нуклеиновых кислот, АТФ и других органических веществ. Его основные запасы содержатся в атмосфере в форме недоступного для растений молекулярного азота N2. В небольших количествах атмосферный азот связывается с кислородом в процессе грозовых разрядов в атмосфере, а затем с дождями поступает на поверхность Земли.

Связывание атмосферного азота осуществляется цианобактериями, а также клубеньковыми азотфиксирующими бактериями, поселяющимися в клетках корней бобовых растений. Они синтезируют нитриты и нитраты, усваиваемые растениями. В растениях азот используется для построения нуклеиновых кислот и белков, которые затем употребляются в пищу животными и человеком.

В процессе жизнедеятельности белковые молекулы расщепляются до конечных продуктов — воды, диоксида углерода, аммиака, мочевины и мочевой кислоты, выделяющихся во внешнюю среду. При гниении погибших животных и растений также образуется аммиак.

Большая часть образующегося аммиака преобразуется нитрифицирующими бактериями в нитриты и нитраты, усваиваемые растениями. Небольшая часть аммиака уходит в атмосферу и вместе с СО 2 , водяным паром и другими газообразными веществами выполняет функцию удержания тепла планеты.

Некоторые виды бактерий путем денитрификации могут восстанавливать нитриты и нитраты до газообразного азота, который поступает в атмосферу. В результате происходит обеднение почвы и воды соединениями азота и насыщение атмосферы молекулярным азотом.

Интенсивное использование человеком азотных минеральных удобрений в целях получения больших урожаев сельскохозяйственных растений приводит к разбалансировке процессов нитрификации и денитрификации.

Превращение энергии

Биологический круговорот веществ возможен только при постоянном притоке и преобразовании солнечной энергии , поскольку полученная от Солнца энергия связывается в органических веществах и при движении по ступеням пищевой цепи уменьшается (большая ее часть тратится на осуществление процессов жизнедеятельности организмов и рассеивается в виде тепла).

Биосфера — открытая система, постоянно получающая солнечную энергию. В процессе фотосинтеза эта энергия превращается в энергию химических связей органических веществ. Живым веществом Земли ежегодно создается 4,2 * 10 17 Дж энергии.

Накопленная энергия частично расходуется растениями в процессах жизнедеятельности, а частично переходит к растительноядным организмам. Эти организмы также используют часть энергии в процессах жизнедеятельности, а оставшаяся ее часть поступает к плотоядным животным и т.д. Таким образом, энергия запасается в тканях растений и животных в виде органических соединений. Запас энергии в биосфере Земли оценивается в 4,2 * 10 18 Дж. Часть энергии законсервирована в нефти, угле, сланцах, торфе.

Выделение энергии происходит при разрушении органических веществ в процессах дыхания, брожения и гниения. В настоящее время живым веществом Земли ежегодно выделяется 4,2 10 17 Дж энергии - столько же, сколько и создается, т.е. в биосфере поддерживается баланс энергии.

Эволюция биосферы

Биосфера — сложная, относительно стабильная, но не застывшая, а развивающаяся, эволюционирующая экологическая система.

Доказательством и источником знаний о развитии биосферы служат ископаемые остатки древних организмов.

■ Считают, что за время существования биосферы ее населяли около 500 млн. видов организмов.

♦ Причины относительной стабильности биосферы:
■ непрерывное поступление солнечной энергии, используемой фототрофными организмами;
■ многообразие живых организмов;
■ адаптация организмов к жизни в разнообразных условиях четырех сред;
■ поддержание непрерывного биогенного круговорота веществ;
■ постепенно сложившийся в течение сотен миллионов лег баланс жизнедеятельности всего многообразия организмов -продуцентов, консументов и редуцентов.

❖ Основная причина эволюции биосферы — первичная химическая эволюция (приведшая к появлению органических макромолекул и первых живых организмов — прокариот) и геологические и климатические процессы, изменявшие условия жизни на Земле (приведшие к изменению содержания кислорода в атмосфере, формированию озонового слоя, изменению содержания воды на планете и влажности атмосферы и г.д.).

❖ Два основных исторических этапа эволюции биосферы:
■ биогенез;
■ ноогенез.

Биогенез — первый и самый длительный этап эволюции биосферы от появления прокариот до формирования человеческого общества.

Ноогенез — второй этап развития биосферы, начавшийся с момента становления человеческого общества и продолжающийся в настоящее время; характеризуется значительным и все возрастающим влиянием деятельности человечества на биосферу.

Ноосфера — «оболочка разума, сфера разумной жизни» (В.И. Вернадский), сфера, охваченная взаимодействием человеческого общества и природы.

Ноосфера — это новое состояние биосферы, при котором разумная деятельность человека становится главным, определяющим фактором ее развития