Биосфера и её общая характеристика

На высшей ступени иерархии биосистем находится глобальная экосистема –биосфера – совокупность всех живых организмов и их экологической среды в пределах планеты.

Термин «биосфера» впервые применил австрийский геолог Э. Зюсс (1873), определяя им пространство органической жизни на Земле.

Выдающаяся роль в развитии учения о биосфере принадлежит русскому ученому В.И. Вернадскому. В своем классическом труде «Биосфера» (1926 г.) он по существу переоткрыл это понятие, придав ему смысл и статус глобальной системы, в которой все живые организмы так взаимодействуют между собой и с окружающей средой, что оказывают определяющее влияние на планетарные геохимические и энергетические превращения.

Биосфера – это часть земного шара, в пределах которой существует жизнь. Она представляет собой оболочку Земли, состоящую из атмосферы, гидросферы и верхней части литосферы, которые взаимно связаны сложными биохимическими циклами миграции вещества и энергии.

Выдающийся русский учёный В.И. Вернадский (1868-1945), один из создателей современного взгляда на биосферу, определил её как наружную оболочку Земли, область распространения жизни, основа которой - взаимодействие живого и косного вещества.

Согласно современным представлениям, биосфера – это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. В очень сложной по составу, строению и организованности биосфере можно выделить сравнительно небольшое число основных компонентов:

  • живое вещество – это совокупность тел живых организмов, населяющих Землю вне зависимости от их систематической принадлежности. Общий вес живого вещества оценивается в 2400 млрд. т (в сухом виде). По определению В.И Вернадского, живое вещество является одной из самых могущественных геохимических сил нашей планеты;
  • биогенное вещество – это химические соединения, возникшие в результате жизнедеятельности организмов. При этом образующиеся химические соединения могут и не входить в состав тел организмов (каменный уголь, торф, гумус, мел, известняк, нефть и т. д.);
  • косное вещество – это вещество, которое образуется без участия живого вещества (горные породы земной коры неорганического происхождения, вода, компоненты воздуха);
  • биокосное вещество – это продукты переработки горных и осадочных пород организмами;
  • вещество космического происхождения.

Биосфера в главных своих чертах может быть охарактеризована по отдельным оболочкам, которые она охватывает: нижняя часть атмосферы, гидросфера и верхняя часть литосферы.

Атмосфера – это газовая оболочка, окружающая Землю. Атмосферой принято считать ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землёй как единое целое. Через атмосферу осуществляется обмен вещества Земли с космосом. Земля получает космическую пыль и метеоритный материал, теряет самые легкие газы: водород и гелий. Атмосфера Земли насквозь пронизывается мощной радиацией Солнца, которая определяет тепловой режим поверхности планеты, вызывает диссоциацию молекул атмосферных газов и ионизацию атомов.

Атмосфера имеет слоистую структуру, которая в первую очередь определяется особенностями вертикального распределения температуры: тропосфера (до 10 км), стратосфера (10-47 км), мезосфера (47-80 км), термосфера (80-1000 км). На высотах свыше 1000 км находится экзосфера, откуда атмосферные газы рассеиваются в мировое пространство.

Все структурные параметры атмосферы (температура, давление и плотность) обладают значительной пространственно-временной изменчивостью: широтной, годовой, сезонной и суточной.

В состав атмосферы входят: азот (78,08 % по объёму), кислород (20,95 %), аргон (0,93 %), углекислый газ (0,03 %), неон, гелий, метан, криптон, водород, ксенон, водяной пар, озон и др.

Важная переменная составляющая часть атмосферы – водяной пар. Пространственно-временная изменчивость его концентрации колеблется от 3 %  в тропиках до 2·10-5 % в Антарктиде (у земной поверхности). Основная масса водяного пара сосредоточена в тропосфере, и его концентрация быстро убывает с высотой. Среднее содержание водяного пара в вертикальном столбе атмосферы в умеренных широтах составляет около 15-17 мм «слоя осаждённой воды», то есть такую толщину будет иметь слой сконденсированного водяного пара.

Одним из важнейших компонентов атмосферы является озон О3. Озон в основном сосредоточен в стратосфере, где его образование и разложение связано с поглощением губительной для живых организмов ультрафиолетовой радиации Солнца: О + О2 = О3. Основное количество озона сконцентрировано в высотах 20-25 км. Средние месячные значения общего содержания озона изменяются в зависимости от широты и времени года и составляют толщину слоя озона в пределах 2,3-5,2 мм при наземных значениях давления и температуры. Озоновый слой – «экран» имеет исключительно важное значение для сохранения жизни на Земле.

Гидросфера – водная оболочка Земли. Вследствие высокой подвижности, воды проникают повсеместно в различные природные образования. Они находятся в виде паров и облаков в земной атмосфере, формируют океаны и моря, существуют в замороженном состоянии в высокогорных районах континентов и в виде мощных ледяных панцирей покрывают полярные участки суши. Атмосферные осадки проникают в толщи осадочных пород, образуя подземные воды. Вода способна растворять в себе многие вещества, поэтому любые воды гидросферы можно рассматривать в качестве естественных растворов различной степени концентрации. Наиболее чистые атмосферные воды содержат 10-50 мг/л растворённых веществ, а морская вода – до 35 г/л.

Гидросфера находится в тесной  взаимосвязи с литосферой (подземные воды), атмосферой (парообразная влага) и живым веществом биосферы, в которое она входит в качестве обязательного компонента (человек на 70 % состоит из воды). По выражению В.И. Вернадского, вода стоит особняком в истории нашей планеты, но ей принадлежит важнейшая роль в геологической истории Земли. Вода является одним из факторов формирования физической и химической среды, климата на нашей планете, возникновения жизни на Земле.

Если воду гидросферы равномерно распределить по поверхности планеты, то она покроет её слоем толщиной 3000 м. Но средняя толщина земной коры в десять раз больше средней толщины гидросферы, а радиус нашей планеты – в 2100 раз.

Подавляющая часть природных вод слагает Мировой океан (94 %), который представляет собой уникальную природную систему биосферы. В ней происходит грандиозный процесс обмена и трансформации энергии и вещества нашей планеты. При этом различные физические, химические и биологические процессы объединяются, образуя единую природу океана. Со времени образования океана протекало изменение его природы под воздействием различных природных процессов: солнечного излучения, геологических и геохимических факторов и, что особенно важно, под влиянием биологических процессов. Биологические процессы проявлялись и проявляются в развитии живых организмов, в биологической продуктивности и осадкообразовании на всей площади дна мирового океана, в формировании различного рода органогенных илов.

Морская (океаническая) вода представляет собой природный раствор, содержащий в среднем 35 г растворённых веществ в 1 литре воды. В общем, можно считать, что в морской воде присутствуют все химические элементы таблицы Д.И. Менделеева. Однако преобладающая часть растворённых веществ сложена немногими химическими элементами: О, Н, Cl, Na, Mg, S, Са, K, Br, С, Sr, B, F, Si, Rb, Li, N, P, J. Некоторые из элементов, несмотря на низкую концентрацию, играют важную роль в химических процессах океана и в морских организмах. В этом отношении ведущая роль принадлежит азоту, фосфору и кремнию, которые усваиваются живыми организмами, и их концентрация в морской воде контролируется ростом и размножением морских животных и растений.

Следует отметить одну особенность океанической воды – главные ионы характеризуются постоянным соотношением во всем объёме Мирового океана. Это указывает на устойчивость динамического равновесия между количеством растворённых веществ, поступающих с поверхности континентов в океан, и их осаждением.

В океанической воде находятся растворённые газы, которые образуются при обмене газами с земной атмосферой, при участии биохимических процессов в океане и на его дне, при дегазации мантии в районах рифтовых долин и подводных вулканов. Так, если в атмосфере Земли больше всего по массе азота и кислорода и немного углекислого газа, то в растворённой атмосфере океана основу по массе составляет углекислый газ, которого почти в 100 раз больше, чем в земной атмосфере. Кислорода же в океане почти в 100 раз меньше и совсем мало азота. В заметных количествах растворены и другие газы, такие как сероводород, аргон, метан. В целом масса растворённых в океане газов примерно в 30 раз меньше массы атмосферы Земли.

Вода является самым мощным поглотителем солнечного тепла на поверхности Земли (теплоёмкость воды в 3300 раз больше теплоёмкости воздуха). Поэтому решающая роль в поглощении солнечной энергии на нашей планете принадлежит Мировому океану. Способность Мирового океана поглощать солнечную энергию в 2-3 раза больше, чем у поверхности суши. От поверхности океана отражается лишь 8 % солнечной радиации. Из-за особых тепловых свойств воды океан выступает накопителем солнечной энергии на планете. Нагревается он в основном в экваториальном поясе (от 15о южной широты до 30о  северной широты), а в более высоких широтах обоих полушарий отдаёт тепло.

Основными переносчиками накопленного в океане солнечного тепла являются поверхностные течения. Средняя температура поверхности океана равняется 17,8 оС, самая «горячая» поверхность у Тихого океана (+19,4 оС), а самая «холодная» подо льдом Северного Ледовитого океана (- 0,75 оС). Температура поверхности Мирового океана в среднем на 3 оС выше, чем температура воздуха у поверхности Земли.

Воды Мирового океана всё время находятся в активном движении. Этому способствует атмосферная циркуляция, неравномерный нагрев поверхности, контрасты солёности, возникающие в связи с изменчивостью испарения и осадков по акватории, температурные контрасты, силы притяжения Луны и Солнца.

Общие запасы пресной воды составляют 2,5 % или 35 млн.км3, т. е. на каждого жителя планеты приходится около 8 млн. м3 пресной воды. Однако подавляющая часть пресной воды труднодоступна. Примерно 70 % пресной воды сосредоточено в ледниках, общий объём которых оценивается в 27 млн.км3.

Пресные подземные воды залегают, обычно, до глубины 150 – 200 м, ниже они переходят в солоноватые и рассолы. Объём пресных подземных вод оценивается примерно в 100 раз большим, чем объём пресных вод всех озёр, рек и болот.

Наименьшее количество воды на поверхности Земли находится в такой важной для человека составляющей гидросферы, как реки. Но реки, в отличие от других составляющих гидросферы, являются быстрыми транспортёрами воды. Вода в реках возобновляется намного быстрее, чем в любой другой составляющей гидросферы. Поэтому, несмотря на сравнительно небольшой мгновенный запас воды в руслах (1200 км3), реки в течение года доставляют к устьям 45000 км3воды.

С поверхности Мирового океана и континентов ежегодно испаряется 577 км3воды, которая перемещается вместе с воздушными массами, участвуя в круговороте воды в природе. Круговорот воды обеспечивает единство всех видов воды в гидросфере.

Занимая большую часть поверхности планеты, гидросфера обладает очень большим разнообразием природных условий. Значительное разнообразие создаётся одновременным существованием воды в трёх фазах, резко различающихся составляющими, большим набором растворённых в ней веществ и газов, формированием разнообразных статических и динамических структур. Даже на первый взгляд однородный океан на самом деле представляет анизотропную среду, в которой неоднородности в масштабах от микрометров до сотен километров создаются физико-химическими процессами, деятельностью живых организмов и под воздействием деятельности человека.

Гидросфера Земли как компонент экосистемы представляет собой глобальную термодинамически открытую систему со своим «входом» и «выходом». Вход – это поток солнечной энергии, который приводит в движение гидросферу, а выход – вещества, накапливающиеся в результате потоков энергии и вещества в сообществах. На вход этой системы поступает также энергия из недр нашей планеты и энергия гравитационного притяжения Луны и Солнца, но эти величины намного меньше потока солнечной радиации.

Литосфера – это верхняя твёрдая оболочка Земли. В состав биосферы входят верхние горизонты литосферы (литобиосфера), подвергающиеся ныне или подвергавшиеся в прошлом воздействию живых организмов. К биосфере, например, относятся некоторые полезные ископаемые, в частности, каменный уголь – продукт фотосинтеза растений в прошлые геологические эпохи.

Общий химический состав литобиосферы определяют немногие элементы (О, Si, Al, Fe, Са, Mg, Na, К), которые слагают основную её массу. При этом наиболее распространённым элементом является кислород, который прочно связан хиически с другими элементами.

В литосферу живые организмы проникают на ничтожную глубину. Основная их масса сосредоточена в верхнем слое - почве мощностью в несколько десятков сантиметров, и редко кто проникает на несколько метров или десятки метров вглубь (корни растений, дождевые черви). По трещинам земной коры, колодцам, шахтам и буровым скважинам животные и бактерии могут опускаться на глубину до 3 км. Проникновение зеленых растений в глубь литосферы невозможно из-за отсутствия света, а животные не находят там питания. Механические свойства горных пород, слагающих литосферу, также препятствуют распространению в них жизни. Наконец, с продвижением в недра Земли температура возрастает и на глубине 3 км достигает 100 оС.

Почва – это особое природное образование, обладающее рядом свойств, присущих живой и неживой природе, которыми она отличается от материнской (почвообразующей) породы.  Почва – это трёхфазная среда, включающая твёрдые, жидкие и газообразные компоненты. Она является продуктом физико-химического и биологического преобразования (выветривания) горных пород, то есть представляет собой продукт сложного взаимодействия неживой природы, климата, растений, микроорганизмов и животных. Самый верхний горизонт (гумус), содержащий продукты перегнивания органики, является наиболее плодородным. Его мощность по глубине  - 10 – 15 см. Избыток или недостаток гумуса определяет плодородие почвы. Именно в нём происходят сложные физико-химические процессы, определяющие образование элементов питания растений. В гумусе содержатся основные элементы питания растений. Над гумусовым горизонтом располагается слой растительного опада, который принято называть подстилкой. Он состоит из ещё не разложившихся растительных остатков.

В состав твёрдой части почвы входит органическое вещество, состоящее из соединений растительного, животного и микробного происхождения и промежуточные продукты их разложения.

Жидкая часть – почвенный раствор является активным компонентом почвы, который осуществляет перенос веществ внутри неё, вынос из почвы и снабжение растений водой и растворёнными элементами питания. Обычно он содержит ионы, молекулы, коллоиды и более крупные частицы, превращаясь иногда в суспензию.

Газообразная часть или почвенный воздух заполняет поры, не занятые водой. Количество и состав почвенного воздуха, в который входят N2, O2, CO2, летучие органические соединения и прочие, не постоянны и определяются характером множества протекающих в почвах химических, биохимических, биологических процессов.

Под влиянием факторов почвообразования (климат, материнская порода, растительный и животный мир, рельеф и геологический возраст территории, хозяйственная деятельность человека) в почве протекают разнообразные процессы, которые объединяют в три основные группы:

  • обмен веществами и энергией между почвой и другими природными телами;
  • процессы превращения веществ и энергии, происходящие в самом почвенном теле без перемещения веществ;
  • процессы передвижения веществ и энергии в почве.

Почвенные процессы протекают в тесной взаимосвязи и взаимозависимости, охватывая всю почвенную толщину или сосредотачиваясь в отдельных частях.

Соотношение твердой, жидкой, газообразной и живой частей в почвах весьма разнообразно. Но для всех почв характерно уменьшение содержания органических веществ и живых организмов от верхних горизонтов к нижним.

Почва служит естественной средой обитания для различных групп микроорганизмов - почвенных микроорганизмов. Эти микроорганизмы играют важную роль в почвообразовании, формировании плодородия почвы и в круговороте веществ в природе. Они могут развиваться не только непосредственно в почве, но и в разлагающихся растительных остатках. В почве встречаются также некоторые болезнетворные микробы, водные микроорганизмы и другие, которые случайно попадают в почву. Но они, как правило, быстро погибают в почве. Однако некоторые из них сохраняются в почве длительное время, например сибиреязвенные бациллы, возбудители столбняка и др., и могут служить источниками инфекции для растений, животных и человека.

По общей массе почвенные микроорганизмы составляют большую часть микроорганизмов нашей планеты. Обработка почвы, внесение удобрений, изменение водных режимов почвы также существенным образом влияют на число почвенных микроорганизмов. Важнейшая планетарная функция, которую выполняют почвенные микроорганизмы, состоит в круговороте веществ, в том числе в процессе превращения важнейших биогенных элементов О, С, N, Р, S, Fe и др. Почвенные микроорганизмы способны разрушать все природные органические соединения, а также ряд неприродных органических соединений. Они выполняют важную роль в очистке окружающей среды и загрязнителей.

Исключительная роль почвы заключается в том, что почва представляет собой основной источник продовольствия, обеспечивающий 95 – 97 % продовольственных ресурсов планеты.


Лекция добавлена 22.05.2012 в 02:14:56