Биосфера: свойства, структура

Совокупность всех биогеоценозов (экосистем) нашей планеты создаёт гигантскую глобальную экосистему, называемуюбиосферой. Термин “биосфера” впервые ввёл в научную литературу в 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс, понимая под ним область взаимодействия основных оболочек Земли: атмо-, гидро- и литосферы, где встречаются живые организмы.

Позднее выдающийся русский геохимик академик В.И. Вернадский ввёл понятие “живое вещество” - совокупность всех живых организмов, а также отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля. При этом учитывается преобразующая деятельность организмов не только в настоящее время, но и в прошлом.

Поэтому биосфера- это совокупность пространства, где существует или когда-либо существовала жизнь и живых организмов или продуктов их жизнедеятельности.

Та часть биосферы, где живые организмы встречаются в настоящее время, обычно называют современной биосферой, или необиосферой, а древние биосферы относят к былым биосферам, иначе палеобиосферам или мегабиосферам. Примерами последних являются безжизненные скопления органических веществ (залежи угля, нефти, газа и др.) или запасы иных соединений, образовавшихся при непосредственном участии живых организмов (известняки, ракушечники, образования мела, ряда руд и многое др.).

Границы биосферы можно определить лишь условно. Большинство авторов в качестве верхней теоретической границы биосферы указывают озоновый слой в атмосфере. Нижней границей биосферы традиционно считают нижний предел существования активной жизни - дно океана (максимум 11022 м - глубина Марианской впадины) и глубину литосферы, характеризующейся температурой 100^ОС (около 6000 м, по данным сверхглубокого бурения на Кольском полуострове). Однако в литосфере жизнь в основном распространена лишь на несколько метров вглубь, ограничиваясь почвенным слоем

Как всякое образование биосфера обладает некоторым набором свойств.

Биосфера — это система с прямыми и обратными (отрицательными и положительными) связями, которые в конечном счете обеспечивают механизмы ее функционирования и устойчивости. Центральным звеном биосферы выступают живые организмы (или, как мы только что назвали, живое вещество). Это свойство и его роль в биосфере всесторонне раскрыто еще В. И. Вернадским, но, к сожалению, часто недооценивается человеком и в настоящее время: в центр биосферы ставятся интересы только одного вида — человека, что в конечном итоге отрицательно сказывается на нем же самом.

Биосфера — открытая система. Ее существование немыслимо без поступления энергии извне. Она испытывает воздействие космических сил, прежде всего солнечной активности. Солнечная активность оказывает воздействие на многие геологические процессы (катаклизмы, катастрофы), на численность отдельных видов или популяций, а также на социальную активность человеческого общества или отдельных его этносов.

Биосфера — саморегулирующаяся система, для которой характерно состояние гомеостаза, т.е. способность возвращаться в исходное состояние, гасить возникающие возмущения включением ряда механизмов. Гомеостатические механизмы связаны в основном с живым веществом, его свойствами и функциями. Биосфера за свою историю пережила ряд таких возмущений, многие из которых были значительны по масштабам, но справлялась с ними благодаря действию гомеостатических механизмов.

Биосфера — система, характеризующаяся большим разнообразием. Последнее обуславливается многими причинами и факторами. Это и разные среды жизни (водная, наземно-воздушная, почвенная, организменная); и разнообразие природных зон, различающихся по климатическим, гидрологическим, почвенным, биотическим и другим свойствам; и наличие регионов, различающихся по химическому составу (геохимические провинции); и, самое главное, объединение в рамках биосферы большого количества элементарных экосистем со свойственным им видовым составом.

В настоящее время описано приблизительно 2 млн. видов. Полагают, однако, что число видов на Земле в 2-3 раза больше, чем их описано. Кроме того, современный видовой состав — это лишь небольшая часть видового разнообразия, которое принимало участие в процессах биосферы за период ее существования. Дело в том, что каждый вид имеет определенную продолжительность жизни (10-30 млн. лет), и поэтому с учетом постоянной смены и обновления видов, число их, принимавших участие в становлении биосферы, исчисляется сотнями миллионов. Считается, что к настоящему времени из биосферы выбыло более 95% видов, когда-либо существовавших на Земле.

Для любой природной системы разнообразие — одно из важнейших ее свойств. С ним связана возможность дублирования, подстраховки, замены одних звеньев другими (например, на видовом или популяционном уровнях), степень сложности и прочности пищевых и других связей. Поэтому разнообразие рассматривается как основное условие устойчивости любой экосистемы и биосферы в целом. Это свойство настолько универсально, что сформулировано в качестве закона, получившего название закона Эшби.

Биосфера — система, обладающая механизмами, обеспечивающими круговорот веществ и связанную с этим неисчерпаемость отдельных химических элементов и их соединений. При отсутствии круговорота, например, за 6-7 лет был бы исчерпан весь запас свободной углекислоты. Только благодаря круговоротам обеспечивается непрерывность процессов в биосфере.

Ну а теперь немного подробнее рассмотрим отдельные компоненты биосферы. О живом веществе поговорим позже, а сейчас уделим внимание компонентам природной среды – атмосфере, гидросфере, литосфере.

Атмосфера - газовая оболочка Земли, характеризующаяся резко выраженной неоднородностью строения и высокой динамической подвижностью. Масса атмосферы – 5*10¹⁵ т. Девять десятых этой массы сосредоточено в самом нижнем слое толщиной в 17 км, хотя в целом ее признаки фиксируются и на высоте 20 тыс. км от поверхности Земли.

Атмосферу принято делить на пять сфер: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу (рисунок 1). Наиболее существенное значение для жизнедеятельности человека и биосферы в целом имеют две первые из них.

Мощность тропосферы 8-10 км в полярных областях и 16-18 км у экватора. Это самая плотная часть атмосферы, и она непосредственно граничит с поверхностью океана и суши. Температура здесь понижается с высотой (на 6 °С на каждый километр), верхняя граница тропосферы называется тропопаузой, температура здесь составляет примерно 220 °К.

Для планеты значение тропосферы исключительно велико. Именно здесь зарождаются облака, выпадают осадки, происходят интенсивные горизонтальные и вертикальные передвижения воздушных масс. Из-за не­прерывного перемешивания воздуха газовый состав атмосферы во всей толще тропосферы остается практически постоянным. Состав сухого вещества (в процентах по объему): азот -78,09; кислород - 20,95; аргон - 0,93; углекислый газ - 0,033. Кроме названных компонентов воздух обычно содержит следы водорода, перекиси азота, озона, сернистого ангидрида, оксида углерода, аммиака и т.д.

Рис. 2 Структура атмосферы

Стратосфера разделена на 2 зоны: нижнюю до высоты 25 км, с температурой, характерной для тропопаузы, и верхнюю, которая называется область инверсии и простирается до высоты 50 км. В области инверсии температура начинает возрастать и достигает 273 К. Эта температура остается неизменной в стратопаузе, которая располагается между высотами 50 и 55 км. Важно отметить, что в стратосфере на высоте в пределах 24-29 км содержание озона превышает содержание этого газа у поверхности почти на порядок. Эту часть стратосферы принято называть озоновым слоем. Реально в атмосфере никакого “отдельного” слоя озона нет. Это лишь название достаточно широкой области, где концентрация озона максимальна. Благодаря наличию озонового слоя атмосфера защищает биоту суши от губительного для нее ультрафиолета.

Далее, до высоты 80 км простирается мезосфера, опять характеризующаяся понижением температуры с высотой. Верхней границей мезосферы является мезопауза, в зоне которой температура опускается до 190°К.

После мезопаузы температура в атмосфере вновь возрастает. Эта область до высоты 600 км называется термосферой (ионосферой), в ее верхней части температура достигает 1000 "К.

Верхней оболочкой атмосферы является экзосфера, которая постепенно переходит в межпланетное пространство.

Газы, входящие в состав атмосферы, можно разделить на три группы: постоянные (азот, кислород, инертные газы), переменные (углекислый газ, вода) и случайные (определяются местными условиями).

В настоящее время на состав и функционирование атмосферы большое влияние оказывают антропогенные факторы, причем как в самых нижних, так и в высотных ее частях. Техногенный выброс различных веществ в атмосферу является наиболее очевидным из нарушений равновесия в окружающей среде, производимых человеком.

Гидросферой называется непрерывная водная оболочка земного шара, расположенная над поверхностью, на поверхности земной коры и в ее толще, представляющая совокупность вод атмосферы, океанов, морей и водных объектов суши (рек, озер, болот, подземных вод), включая снежный покров и ледники, а также воду живых организмов.

Гидросфера охватывает весь комплекс земных оболочек. Гидросфера проникает, с одной стороны, в твердую каменную оболочку Земли в виде подземных вод, с другой - в атмосферу в виде водяных паров. Поэтому гидросфера тесно связана как с атмосферой, так и с литосферой. Гидросфера непрерывна и едина. Ее единство заключается в общности происхождения всех природных вод из мантии Земли, в единстве их эволюции, взаимосвязи всех видов вод и способности перехода одного вида вод в другой, в единстве их функций в природе.

Гидросфера содержат около 1390 млн. км³ воды, при этом на долю Мирового океана приходится 96,4%. Из водных объектов суши наибольшее количество воды содержат ледники - 25,8 млн. км³ (1,86% всех вод на Земле). Из этого количества на долю ледников Антарктиды, Гренландии и островов Арктики приходится соответственно 89,8; 9,7; 0,3%. На горные ледники остается всего 0,2%. Подземных вод на Земле около 23,4 млн. км³ (1,68%). Подземных вод зоны многолетней мерзлоты около 300 тыс. км³ (0,022%). В живых организмах биосферы содержится порядка 1000 км³ воды. В атмосфере в среднем находится около 13 тыс. км³ воды в виде водяного пара, капель, кристаллов льда. При этом 90% воды находится в самом нижнем слое атмосферы - 0-5 км.

Большое значение имеет оценка количества пресной воды. Всего на планете 36,7 млн. км³ пресной воды (2,64% всей воды), из них 71% находится в твердой фазе, остальная - жидкость и пар. В озерах заключено 91 тыс. км³ пресной воды (0,007% всей воды и 0,25% пресной), в реках соответственно - 2; 0,0002; 0,005, в болотах - 11; 0,0008; 0,03.

Характерной чертой гидросферы является ее подвижность, движущей силой которой служит круговорот воды. В океанах и морях наблюдаются приливы и отливы, штормы и течения; в озерах вода перемешивается под действием ветра и температуры; в водотоках вода движется под уклон под действием силы тяжести. Вода легко переходит из одного агре­гатного состояния в другое, выделяя или поглощая большое количество энергии. Вода в атмосфере в виде пара перемещается на значительные расстояния, а затем выпадает на поверхность в виде осадков. Основная масса испарившейся воды, равная 4,5*10⁵ млрд. т в год, выпадает на поверхность Мирового океана, так и не попав на континенты. Эта часть круговорота называется океанической.

Вынесенная же на сушу часть испарившейся океанической влаги включается в круговорот воды на суше, где влага испаряется с поверхности всех водоемов – рек, озер, болот и других. Воду испаряют и растения, откачивая её корнями из грунта, причем порой с покрытой растительностью суши может испаряться больше, чем с водной поверхности.

На суше вода неоднократно выпадает в виде осадков, образуя местные круговороты. Общая масса осадков на суше за год составляет 1,2*10⁵ млрд. т. Перемещаясь по поверхности суши, пресная вода образует водные потоки и пресные водоемы, фильтруется в грунт, питая подземные воды. При этом совместно с Солнцем, ветрами и живыми организмами она участвует в разрушении горных пород суши, то есть в эрозии.

Обмен водой между океаном и сушей через атмосферу в виде пара и осадков и в виде стока по склонам под действием силы тяжести является весьма сложным процессом, включающим частные круговороты и разветвленный каскад фильтров, в том числе биосферный и имеет исключительно важное явление, ибо обеспечивает сушу пресной водой, которая всё время возобновляется.

Благодаря круговороту воды гидросфера является планетарной транспортной системой, которая перемещает продукты эрозии с более высоких на более низкие уровни, в конечном итоге с суши в океан и другие водоёмы. Вместе с нерастворимыми продуктами эрозии вода переносит растворенные вещества и органику. За миллиарды лет транспортная система гидросферы вынесла с суши в океан на каждый килограмм воды почти 0,6 кг разрушенных горных пород.

Гидросфера служит также планетарным аккумулятором неорганического и органического вещества, которое приносится в океан и другие водоемы реками, атмосферными потоками, а также образуется в самих водоёмах.

Таким образом, вода является центром большинства взаимодействий в природе, что делает ее поистине незаменимым компонентом окружающей среды от состояния которого зависит состояние всей биосферы.

Литосфера - верхняя “твёрдая” (каменная) оболочка Земли, постепенно переходящая с глубиной в сферы с меньшей прочностью вещества. Она включает в себя земную кору и часть верхней мантии Земли.

Верхнюю часть земной коры, постоянно видоизменяемую под влиянием механического и химического воздействия погодноклиматических факторов, растений и животных, принято называть корой выветривания.

На долю земной коры приходится 1,5% всего объема Земли и 0,8% ее массы. Земная кора делится на материковую и океаническую. Толщина земной коры не одинакова - от 70-75 км под горами до 6-8 км под морским дном.

Характерной особенностью верхней мантии является её расслоённость. На глубине около 100 км под материками и 50 км под океанами ниже подошвы земной коры находится слой мантии, называемый астеносферой, вещество которого находится в твёрдожидком состоянии; Выше астеносферы породы мантии находятся в твердом состоянии и совместно с земной корой и образуют литосферу.

Таким образом считается, что мощность литосферы составляет 50- 200 км, в том числе земной коры - до 75 км на континентах и 8 км под дном океана.

Химические элементы земной коры образуют естественные однородные по составу, внутренней структуре и свойствам твердые химические соединения, называемые минералами.

В земной коре минералы группируются в естественные ассоциации - горные породы. Выделяют магматические, осадочные и метаморфические породы.

Магматические (изверженные) горные породы образуются при остывании расплавленных магм, поднимающихся из глубин Земли к её поверхности. Различают глубинные породы, если магма застыла на глубине, и излившиеся, если остывание произошло уже на поверхности. Магматические породы состоят преимущественно из силикатов и алюмосиликатов, наиболее важными компонентами которых являются кремнезём (SiО₂) и глинозём (Аl₂О₃).

Осадочные горные породы образуются путём отложения на поверхности Земли или на дне морей, озер, болот, рек продуктов разрушения различных горных пород. Ими покрыто более 75 % поверхности континентов. С ними связаны, такие важнейшие полезные ископаемые, как нефть и природный газ, уголь, железо, алюминий, золото и др.

Метаморфические горные породы образуются путём глубокого преобразования магматических и осадочных пород, под действием огромных давлений и высоких температур на большой глубине. В результате получаются породы, отличающиеся от исходных минералогическим составом. Кроме того, под влиянием давления исходная порода приобретает новые признаки, например, сланцеватость, а под воздействием температуры - перекристаллизовывается.

В пределах верхних оболочек Земли происходит непрерывная, постепенная замена одних пород другими, называемая большим круговоротом вещества. Геологические процессы образования и разрушения гор являются величайшими энергетическими процессами в биосфере Земли.

В пределах литосферы горные породы постоянно, хотя очень медленно, перемещаются, образуя геологические циклы. Наиболее быстро движение в геологическом цикле происходит при извержении вулканов и излиянии лав в районах рифтовых долин. Круговорот осадочного вещества осуществляется за десятки и сотни миллионов лет. В экологическом масштабе времени минералы, отложившиеся в глубоководных осадках, можно считать полностью выведенными из круговорота.

На поверхности коры выветривания формируется почвенный покров - основа земельного фонда биосферы. Почвенный покров представляет собой самостоятельную земную оболочку - педосферу.

Почвой называется поверхностный слой коры выветривания, обладающий свойством плодородия, т.е. способностью обеспечивать растение необходимой ему водой и пищей в усвояемой форме. Плодородие - качественный признай почвы, отличающий ее от бесплодной горной породы, не способной производить урожай растений. В то же время почва не может существовать без горной породы, поскольку лишь на горной породе возможно возникновение почвы.

Плодородие почвы играет первостепенную роль в жизни человека, но её уникальная ценность не ограничивается сферой сельскохозяйственного производства. Почва является важнейшим звеном всех наземных биоценозов и биосферы Земли в целом.

В почве происходит жизненно необходимый обмен минеральными веществами между биосферой и неорганическим миром. Растения получают воду и питательные вещества из почвы. Листья и ветки, отмирая, возвращаются в почву, где они разлагаются, освобождая содержащиеся в них минеральные вещества. В поверхностных слоях почвы, куда поступает свежее мертвое органическое вещества, обитает множество организмов-разрушителей – бактерии и грибы, мельчайшие членистоногие и черви, термиты и многоножки. Их активность обеспечивает развитие почвы сверху, тогда как физическое и химическое разрушение коренной породы способствует образованию почвы снизу.

Там, где роют котлованы, можно увидеть на вертикальном разрезе почвы ясно выраженные слои, называемые горизонтами. Рассматривая их сверху вниз, перечислим эти горизонты и укажем основные черты:

1) главным образом, мертвая органическая подстилка, в этом горизонте обитает большинство почвенных организмов;

2) гумусный слой, состоящий из частично разложившегося органического материала, перемешанного с минеральными компонентами почвы;

3) горизонт, в котором происходит усиленное вымывание минеральных ионов из почвы. В этом слое сосредоточены корни растений, поскольку здесь минеральные вещества растворены в воде (мобилизованы) и их ионы более доступны;

4) горизонт, содержащий мало органического материала и очень сходный по химическому составу с подстилающей породой. Здесь иногда накапливаются минеральные ионы, вымываемые из лежащего выше горизонта № 3;

5) главным образом слабо выветрелый материал, очень сходный с материнской породой.

Свойства почвенных горизонтов показывают, как с увеличением глубины уменьшается влияние климата и возрастает влияние материнской породы.

Почвообразование - высоко динамичный процесс. В почве происходит непрерывное превращение одних веществ в другие и непрерывное перемещение веществ из почвы в растения, из растений в почву, а внутри почвы - от слоя к слою и вдоль слоев, т.е. вверх, вниз и в стороны. Превращение органической материи с первую очередь связано с живыми организмами, а перемещение связано с движением воды. При этом вещества переносятся либо в виде обычного раствора, либо в виде коллоидного. При пере­движении растворов происходит ряд физико-химических процессов, в результате которых появляются новые соединения.

Почва обладает способностью задерживать различные вещества. Всякое вещество, в том числе и антропогенного происхождения, при переходе из атмосферы и гидросферы в литосферу и обратно с неизбежностью встречает на своем пути преграду в виде почвы, в которой оно может быть подвергнуто различным превращениям.

И, наконец, главный компонент биосферы – живое вещество.

Как писал В.И. Вернадский “На земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом”.

Живое вещество характеризуют определённые свойства.

Стремление заполнить собой всё окружающее пространство - “давление жизни” по Н.Ф. Реймерсу или “всеюдность жизни” по В.И. Вернадскому. Способность быстрого освоения пространства связана как с интенсивным размножением (некоторые простейшие формы организмов могли бы освоить весь земной шар за несколько часов или дней при отсутствии факторов, ограничивающих их потенциальные возможности размножения), так и со способностью организмов интенсивно увеличивать поверхность своего тела или образуемых ими сообществ. Так, площадь листьев растений на 1 га составляет 8 ... 10 га и более.

Возможность произвольного перемещения в пространстве, например, против течения воды, силы тяжести, ветра и т.п.

Наличие специфических химических соединений (белков, ферментов и других), устойчивых при жизни и быстро разлагающихся после смерти.

Исключительное разнообразие форм, размеров, составов, а также высокая способность адаптироваться к условиям существования, значительно превышающие контрасты в неживом (косном) веществе. Так, некоторые организмы существуют при температурах, близких к абсолютному нулю (- 273 ^ОС), а другие - до + 250 ^ОС, иные микроорганизмы встречаются в охлаждающих водах атомного реактора, в ледовых панцирях планеты, в бескислородной среде и т.д.

Феноменально высокая скорость протекания реакций на несколько порядков (в сотни, тысячи и даже миллионы раз) быстрее, чем в неживой природе планеты. Косвенно это свойство можно оценить по скорости переработки веществ организмами в процессе жизнедеятельности, например у наиболее активных организмов грунтоедов. Так, весь однометровый слой почвы планеты проходит через организмы дождевых червей (масса которых в 10 раз больше массы всего человечества) всего за 150 - 200 лет. Колоссальна работа организмов с фильтрационным типом питания, они очищают весь океан от взвеси каждые 4 года, а веслоногий рачок эпишура за год процеживает воду озера Байкал трижды.

Высокая скорость обновления живого вещества. В среднем для биосферы она составляет 8 лет, причём для суши это 14 лет, а для океана, где преобладают организмы с коротким сроком жизни (например, планктон) - 33 дня. Таким образом, за всю историю существования жизни общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу, примерно в 12 раз превышает массу Земли.

Деятельность живого вещества в биосфере в определённой степени условно можно свести к нескольким основополагающим функциям.

Живое вещество контролирует все основные химические превращения в биосфере. Различают восемь основных функций живого вещества на нашей планете.

Энергетическая функция заключается в осуществлении связи биосферно-планетарных явлений с космическим излучением, преимущественно солнечной радиацией. В основе этой функции лежит фотосинтетическая деятельность зеленых растений, в процессе которой происходит аккумуляция солнечной энергии и ее перераспределение между отдельными компонентами биосферы. За счет накопленной солнечной энергии протекают все жизненные явления на Земле.

Газовая функция обуславливает миграцию газов и их превращение, обеспечивает газовый состав биосферы. Преобладающая масса газов на Земле имеет биогенное происхождение. В процессе функционирования живого вещества появляются основные газы: кислород, азот, углекислый газ, сероводород, метан и др.

Концентрационная функция проявляется в извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов окружающей среды. Состав живого вещества существенно отличается от состава косного вещества планеты, что объясняет неоднородность химического состава биосферы.

Окислительно-восстановительная функция заключается в химическом превращении в основном веществ, содержащих атомы с переменной степенью окисления (соединения железа, марганца и др.). В результате происходит превращение большинства химических соединений. При этом на поверхности Земли преобладают биогенные процессы окисления и восстановления.

Деструктивная функция обуславливает процессы, связанные с разложением организмов после их смерти, вследствие которой происходит минерализация органического вещества, т.е. превращение живого вещества в косное. В результате образуются также биогенное и биокосное вещества биосферы.

Транспортная функцияпроявляется в перемещении больших количеств биогенных веществ в составе тела животных. Животные являются и причиной появления у живого вещества и рассеивающей функцииживого вещества.

Средообразующая функция.Живые организмы создают среду для жизни других живых организмов.

Контрольные вопросы по теме:

1. Что такое биосфера, кто автор термина «биосфера»?

2. Назовите компоненты биосферы.

3. Какими свойствами обладает биосфера?

4. Каковы основные функции живого вещества биосферы?

5. Какими свойствами характеризуется живое вещество?