Биосфера. Круговорот веществ и энергии

Биосфера (от греч. биос – жизнь, сфера – шар) – это наружная оболочка Земли, область распространения жизни, которая включает все живые организмы и все элементы неживой природы, образующие среду обитания живых. Биосфера содержит всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы (аэробиосферу); гидросферу (гидробиосферу) – океаны, моря, поверхностные воды суши и литосферу (литобиосферу) – верхние горизонты твердой земной оболочки. В пределах биосферы выделяют две категории слоев: собственно биосферу, где живое вещество локализовано постоянно (эубиосфера), а также расположенные выше (парабиосфера) и ниже ее (метабиосфера). В эти слои живые организмы могут попадать лишь случайно. Общая протяженность эубиосферы по вертикали составляет 12-17 км, хотя у разных авторов эти оценки несколько варьируют.

Верхней границей биосферы (включая парабиосферу) является так называемый озоновый экран (или слой). Озоновый экран – это слой атмосферы в пределах стратосферы, расположенный на разной высоте от поверхности Земли и имеющий наибольшую концентрацию молекул озона на высоте 22-26 км. Высота озонового слоя у полюсов оценивается в 7-8 км, у экватора – 17-18 км, а максимальная высота присутствия озона – 45-50 км. Озоновый экран защищает живые организмы от жесткого ультрафиолетового излучения. Ограничивающими факторами распространения жизни выше этого предела служат излучение, недостаток влаги, кислорода и низкое давление. Наиболее плотно населен нижний слой тропосферы до высоты 50 м. Выше озонового слоя жизни нет.

С современных позиций биосферу рассматривают как наиболее крупную экосистему планеты, поддерживающую глобальный круговорот вещества. По сравнению с атмосферой биосфера выглядит тонкой поверхностной пленкой. Благодаря постоянному взаимодействию живых организмов с минеральными элементами среды на протяжении всех геологических периодов литосфера, гидросфера и атмосфера приняли современный облик. В биосфере в результате жизнедеятельности микроорганизмов в больших масштабах осуществляется окисление и восстановление элементов (азот, сера, железо, марганец и др.). Геологические результаты деятельности этих организмов проявляются в образовании осадочных месторождений серы, сульфитов, металлов, железных и железомарганцевых руд.

Современная жизнь распространена в верхней части земной коры – литосфере, в нижних слоях атмосферы и в гидросфере. Вглубь Земли живые организмы проникают на небольшие расстояния. В литосфере жизнь ограничена температурой горных пород (на уровне от 1,5 до 15 км температура превышает 100 ºС). Самая большая глубина, на которой в породах земной коры обнаружены бактерии – 4 км.

В океане жизнь распространена до значительной глубины – до 11 км в океанских впадинах, так как температура там 0 ºС.

Верхняя граница жизни в атмосфере определяется нарастанием ультрафиолетовой радиации. На высоте 25-27 км большую часть радиации поглощает озоновый слой. Споры бактерий обнаружены на высоте 20-22 км, а основная часть сосредоточена на высоте 1-1,5 км. В горах наземная жизнь распространена на высоте до 6 км над уровнем моря.

Рисунок 29 – Границы биосферы и ее составляющие

Вся совокупность живых организмов планеты – живое вещество, обладающее способностью расти, размножаться и расселяться по планете, – составляет биомассу Земли.Вес биомассы составляет 2423 10⁹ т сухой массы, из которой 97 % составляют растения, а 3 % – животные и микроорганизмы. Плотность жизни неодинакова в различных средах и на поверхности Земли. Хотя 71 % всей поверхности земного шара покрыто водой, основная биомасса сосредоточена на суше – 99,8 %. Биомасса поверхности суши – это все живые организмы, обитающие в наземно-воздушной среде на поверхности Земли. Причем на долю растительных организмов приходится 99 %, а животные и микроорганизмы составляют лишь около 1 %. Плотность жизни на континентах зональна, хотя и с многочисленными аномалиями, связанными с местными природными условиями. Так, в пустынях или в высокогорьях она значительно меньше, а в местах с благоприятными условиями – больше, чем зональная. Самая высокая плотность жизни на экваторе, а по мере приближения к полюсам уменьшается, что связано с низкими температурами.

Биомасса почвы – это совокупность живых организмов, обитающих в почве. Они играют важную роль в почвообразовании. В почве живет огромное количество бактерий (до 500 т на 1 га), в ее поверхностных слоях распространены зеленые водоросли и цианобактерии (иногда их называют синезелеными водорослями). Толща почвы пронизана корнями растений, грибами. Она является средой обитания для многих животных: инфузорий, насекомых, млекопитающих и др.

Биомасса Мирового океана – это совокупность живых организмов гидросферы. Как уже упоминалось, ее биомасса значительно меньше биомассы суши, причем отношение растительных и животных организмов здесь прямо противоположное. В Мировом океане на долю растений приходится лишь 6,3 %, а животные составляют 93,7 %. Это связано с тем, что использование солнечной энергии в воде составляет всего 0,04 %, тогда как на суше – до 1 %.