Наявність в біосфері механізмів, що забезпечують кругообіг речовин і пов’язаних з ним невичерпних окремих хімічних елементів і їх сполук
При відсутності кругообігу, наприклад, за короткий час був би вичерпаний основний «будівельний матеріал» живого – вуглець, який практично єдиний може утворювати міжелементні (вуглець-вуглеводні) зв’язки і створювати величезну кількість органічної речовини.
Структура та розподіл життя у біосфері
Біосфера охоплює три геологічні сфери — частини атмосфери й літосфери та всю гідросферу. Межі біосфери визначаються межами поширення й активної роботи живої речовини.
Основна маса живої речовини, наявність якої відрізняє біосферу від інших геосфер, зосереджена в порівняно невеликому прошарку – біостромі. Біострома лежить на поверхні суходолу та охоплює верхні шари водойм. У цій зоні зосереджено 98 % всієї живої речовини планети.
Загалом у структурі біосфери виділяють шість головних речовин(за Вернадським):
Жива речовина, що представлена організмами різних видів.
2. Біогенна речовина створюється і переробляється сукупністю живих організмів. Це джерело надзвичайно потужної потенційної енергії (кам'яне вугілля, бітуми, вапняки, нафта).
3. Косна (нежива) речовина, за Вернадським, - сукупність речовин в біосфері, в утворенні яких живі організми не беруть участь (гірські породи, мінерали та ін.).
4. Біокосна речовина, що вона «створюється в біосфері одночасно живими організмами і косною речовиною, представляючи систему динамічної рівноваги тих і інших». Організми в біокосній речовині відіграють провідну роль. Біокосна речовина планети - це грунт, кора вивітрювання, усі природні води, властивості яких залежать від діяльності на Землі живої речовини.
Радіоактивна речовина.
6. Космічна речовина (наприклад, метеорити).
Жива речовина є основою біосфери, яка складає незначну її частину. Якщо виокремити її в чистому виді і розподілити рівномірно по поверхні Землі, то це буде шар приблизно висотою 2 см [Воронков, с.34].
До класифікації живої речовини Вернадський підходив з геохімічних позицій. При цьому Володимир Іванович спирався на поділ організмів за способом живлення, розроблений в 80-х роках минулого століття німецьким біологом Вільгельмом Пфеффером (1845-1920).
Вернадський писав: «Ми будемо називати автотрофними всі організми, які беруть всі потрібні їм для життя хімічні елементи в сучасній біосфері з навколишнього їх відсталої матерії і не вимагають для побудови свого тіла готових органічних сполук іншого організму». «Автотрофи» означає «ті що самі себе кормлять» (від грец. «авт» - сам і «троф» - годуватися, харчуватися). Це - годувальники біосфери. Вони не тільки годуються самі, а й годують інших.
Автотрофи (продуценти) - організми, що створюють органічну речовину з води, вуглекислого газу й мінеральних солей, використовуючи для цього сонячну енергію (наприклад, зелені рослини).
До автотрофних організмів відносяться водорості, наземні рослини, бактерії, здатні до фотосинтезу, а також деякі бактерії, здатні окисляти неорганічні речовини. Автотрофи є первинними продуцентами органічної речовини в біосфері.
Гетеротрофними В. Пфеффер назвав організми, які потребують для свого харчування органічну речовину, утворену іншими організмами. Це відображено в їх назві: «гетер» по-грецьки означає «інший», і отже, гетеротрофи - це «харчуються іншими».
Отже, Гетеротрофи (консументи) - організми, що отримують життєву енергію, харчуючись рослинами та іншими тваринами. Гетеротрофи здатні розкладати всі речовини, утворені автотрофами. Це травоїдні тварини, хижаки паразити, хижі рослини та гриби.
Існують організми із змішаним типом харчування, які Пфеффер називав міксотрофи (від грец. «мікс» - змішувати). Нарешті, є в біосфері і сімбіотрофние організми, про які ми розповімо наприкінці цієї глави.
Автотрофні організми, які в якості джерела енергії використовують сонячне світло, називають фотоавтотрофами (від грецького «фот» - світло). Крім світла, вуглекислого газу і води, для здійснення фотосинтезу їм необхідні і інші елементи мінерального живлення: азот, фосфор, калій, кремній та інші елементи. Наземні рослини споживають їх своїм корінням з ґрунту, водорості і фотосинтезуючі бактерії - з води. Першим, хто довів необхідність мінерального живлення рослин, був знаменитий німецький хімік, основоположник агрохімії Юстус Лібіх (1803-1873).
Однак фотосинтез, як виявилося, не єдиний спосіб утворення первинної органічної речовини з неорганічної матерії. Великий російський мікробіолог Сергій Миколайович Виноградський (1856-1953) в 1889-1890 рр. довів, що існують особливі мікроорганізми, що одержують енергію в результаті окислення неорганічних речовин. Нітрифікатори – це перші автотрофні мікроорганізми, що були виявлені Виноградським, які живуть за рахунок енергії, яка виділяється при здійсненні ними процесів окислення аміаку до азотної кислоти. Це явище, отримало назву хемосинтезу, а організми, що його здійснюють стали називати хемоавтотрофними. Згодом були виявлені різноманітні бактерії, які здатні отримувати енергію в результаті окислення найрізноманітніших речовин: водню, метану, чадного газу, деяких сполук заліза, сірки і навіть сурми. Таким чином, вже встановлено цілий ряд хемоавтотрофних бактерій, що відіграють істотну роль у кругообігу речовини в біосфері.
Гетеротрофи і міксотрофи, як уже говорилося, самостійно не можуть синтезувати органічну речовину - вони використовують її в готовому вигляді.
Серед гетеротрофів за сучасною класифікацією Дж. М. Андерсона виділяється три категорії організмів:
- некротрофи (від грец. «некр» - мертвий) - вбивають об'єкт харчування. Людина як біологічний вид належить до числа некротрофов.
- біотрофи (від грец. «біос» - життя) - харчуються за рахунок інших організмів: паразити , кровососи і ін.,
- сапротрофи (від грец. «сапр» - гниль) - харчуються відмерлою органікою.
Крім того, організми, що живляться мертвими залишками рослин і тварин - детритом, додатково виділяють в групу детритофагів.
У розвинених екосистемах існує складний харчовий ланцюг (інакше його називають трофічним), і споживачі автотрофів – гетеротрофи, самі стають жертвами інших гетеротрофів.
Організми будь-якого рівня трофічної піраміди харчуються живою речовиною нижчого рівня.
Нижчий трофічний рівень (або, інакше кажучи, основу трофічної піраміди) складають автотрофи. З одного рівня на інший передається в середньому тільки 10 % енергії. Інша енергія або перетворюється в тепло і розсіюється або (найчастіше) просто не засвоюється. Завдяки втратам енергії трофічний ланцюг не може бути нескінченним і включає невелике число ланок – не більше 4-6.
У сучасних наземних екосистемах біомаса гетеротрофів становить зазвичай десяті частки відсотка від біомаси автотрофів.
Редуценти – організми, що розкладають органічну речовину продуцентів і консументів до простих сполук – води, вуглекислого газу й мінеральних солей, замикаючи кругообіг речовин у біосфері.
До редуцентів відносяться багато видів бактерій і грибів, розкладаючих в процесі метаболізму мертву органічну речовину (трупи тварин, перегнивші рослини, фекалії) до мінеральних складових. Саме вони (редуценти) завершують біологічний цикл речовини в біосфері, повертаючи в грунт, воду і повітря біогени (С02, мінеральні солі, воду, сірководень, азот і ін.), які знову можуть бути використані рослинами.
Отже, біосфера - це та область Землі, яка охоплена впливом живої речовини. Біосферу як місце сучасного проживання організмів разом із самими організмами можна розділити на три підсфери (рис. 2):
аеробіосферу, населену аеробіонтами, субстратом життя яких служить волога повітря;
гідробіосферу - глобальний світ води (водна оболонка Землі без підземних вод), населений гідробіонтами;
геобіосферу - верхню частину земної кори (літосфери), населену геобіонтами.
Гідробіосфера поділяється на світ континентальних, головним чином прісних, вод - аквабіосферу (з аквабіонтами) і область морів і океанів -марінобіосферу (з марінобіонтами).
Геобіосфера складається з:
- террабіосфери (з террабіонтами) – області життя на поверхні суші -яка поділяється на фітосферу (від поверхні землі до верхівок дерев) і педосферу (ґрунту і лежачим під ним підґрунтям, нерідко сюди включають всю кору вивітрювання) з педобіонтами;
- літобіосфери - життя в глибинах Землі (з літобіонтами, що живуть в порах гірських порід).
Подібні шари існують і в гідробіосфері, але вони пов'язані головним чином з інтенсивністю світла. Виділяють три шари:
- фотосферу - яскраво освітлену,
- дісфотосферу - спостерігаються сутінки (до 1% сонячної інсоляції),
- афотосферу - абсолютна темрява, де неможливий фотосинтез.
Лімітуючим фактором розвитку життя в аеробіосфері служить наявність крапель води і позитивних температур, а також твердих аерозолів, що піднімаються з поверхні Землі. Від вершин дерев до висоти найбільш частого розташування купчастих хмар простягається тропобіосфера (з тропобіонтамі). Вище тропобіосфери лежить шар мікробіоти - альтобіосфера (з альтобіонтами). Над нею тягнеться простір, куди життя проникає лише випадково і не часто, де організми не розмножуються - парабіосфера.
На великих висотах в горах, там, де вже неможливе життя вищих рослин і взагалі організмів-продуцентів, але куди вітри приносять з більш низьких вертикальних поясів органічну речовину і де при від’ємних температурах повітря ще досить тепле від прямої сонячної інсоляції для існування життя, розташована висотна частина террабіосфери - еолова зона. Це царство членистоногих і деяких мікроорганізмів - еолобіонтів.
Життя в океані досягає його дна. У глибинах літосфери є два теоретичних рівня поширення життя - ізотерма 100 °С, нижче якої при нормальному атмосферному тиску вода кипить, а білки згортаються, і ізотерма 460 ° С, де при будь-якому тиску вода перетворюється на пару. Життя в глибинах Землі фактично не існує нижче 3-4 км, максимум 6-7 км і лише випадково в неактивних формах може проникнути глибше - в гіпобіосферу(«під-біосферу» - аналог парабіосфери в атмосфері). Слід зазначити, що де залягають біогенні породи, розташована метабіосфера. Метабіосфера, починається з поверхні Землі, простягається далеко в глиб літосфери та плавно зникає в тих місцях, де процеси метаморфозу гірських порід стирають ознаки життя.
Між верхньою межею гіпобіосфери і нижньою парабіосфери лежить власне біосфера - еубіосфера. Її найбільш насичений життям шар називають біофільмом, або, за В. І. Вернадського (1926), «плівкою життя».
Вище парабіосфери розташована апобіосфера, або «над-біосфера», де спостерігаються надмірні біогенні речовини (її верхню межу важко визначити). Під метабіосферою розташована абіосфера («небіосфера»).
Весь шар сучасного або минулого впливу життя на природу Землі називають мегабіосферою, а разом з артебіосферою (простором людської експансії в навколоземному космосі) - панбіосферою.
Таким чином, «поле існування життя», особливо активного, за новітніми даними, обмежене у вертикальному відношенні до висоти близько 6 км над рівнем моря, до якої зберігаються плюсові температури в атмосфері і можуть жити хлорофільні рослини (6,2 км в Гімалаях, 10 км над рівнем моря), на думку інших, — досягає нижніх шарів стратосфери (30 км), де ще трапляються вдосить великій кількості спори й навіть клітини бактерій, грибів і деяких водоростей, що активно вегетують. Іноді верхньою межею біосфери вважають озоновий шар (25-30 км над поверхнею планети), вище від якого живе зазвичай гине під дією космічних випромінювань. Вище, в еоловій зоні, мешкають лише жуки, деякі кліщі, які харчуються зернами рослинного пилку, спорами рослин, мікроорганізмами та іншими органічними частинками, занесеними вітром та ін. Ще вище живі організми потрапляють лише випадково (мікроорганізми можуть зберігати життя у вигляді спор).
Нижня межа існування активного життя традиційно обмежують дном океану і ізотермією 100 °С в літосфері, розташованою відповідно на позначках близько 11 км (10 км на рівнинах і 7—8 км у горах) і, за даними надглибокого буріння на Кольському півострові, близько 6 км. Фактично життя в літосфері поширене до глибини 3-4 км. Починаючи з глибин 0,5-2 м від земної поверхні кількість живої речовини зменшується в логарифмічній послідовності. На глибинах понад 10 м породи, як правило, вже стерильні. Та навіть у товщі стерильної породи іноді трапляються острівці життя. Найбільші глибини, де знайдено живу речовину — 2-3 км. У нафтових родовищах на цих глибинах виявлено свою, «нафтову», мікрофлору. Нафта залягає також і на значно більших глибинах — до 5-7 км. Припускають, що й у таких глибинних родовищах можна знайти «нафтові» бактерії. Таким чином, вертикальна потужність біосфери в океанічній області Землі сягає більше 17 км, в сухопутній - 12 км.
Парабіосфера ще більш асиметрична, оскільки верхню її межу визначає озоновий екран. Більш значні коливання товщі мегабіосфери, що охоплює осадові породи, але вона не опускається на материках глибше відміток найбільших глибин океану, тобто 11 км (тут температура досягає 200 °С), і не піднімається вище найбільшої щільності озонового екрана (22-24 км), отже, її максимальна товщина 33-35км.
Жива речовина біосфери.