Характеристика и состав биосферы

В буквальном переводе термин “биосфера” обозначает сферу жизни, и в таком смысле он впервые был введен в науку в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831 – 1914). Однако задолго до этого под другими названиями, в частности “пространство жизни”, “картина природы”, “живая оболочка Земли” и т. п., его содержание рассматривалось многими другими естествоиспытателями.

Первоначально под всеми этими терминами подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом скорее обращалось внимание на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической природы. Даже автор самого термина “биосфера” Э. Зюсс в своей книге “Лик Земли”, опубликованной спустя почти тридцать лет после введения термина (1909 г.), не замечал обратного воздействия биосферы и определял ее как “совокупность организмов, ограниченную в пространстве и во времени и обитающую на поверхности Земли”.

Биосфера (в современном понимании) – своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.

Атмосфера – наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с космическим пространством; через атмосферу осуществляется обмен вещества и энергии с космосом.

Атмосфера имеет несколько слоев.

Первый слой – тропосфера. Это нижний слой, примыкающий к поверхности Земли (высота 9 – 17 км). В нем сосредоточено около 80% газового состава атмосферы и весь водяной пар. Температура в тропосфере понижается с высотой со средним градиентом 0,6ºС/100 м.

На границе тропосферы расположен относительно тонкий переходный слой – тропопауза. Затем следует стратосфера, верхняя граница которой проходит на высоте около 55 км. В этом слое температура воздуха повышается с градиентом 0,1-0,2 ºС/100м, а у поверхности границы достигает положительных значений В стратосфере воздух также перемещается, его количество составляет около 19% всей массы атмосферы, содержание водяных паров очень мало. Стратосфера заканчивается стратопаузой.

Следующий слой атмосферы – мезосфера, заканчивается мезопаузой. Выше находится термосфера, которую часто называют ионосферой, т.к. газы здесь находятся в ионном состоянии. Наиболее интенсивно процесс ионизации происходит в диапазоне высот от 60-80 до 220-400 км. Эти слои оказывают влияние на распространение радиоволн. Самая верхняя часть атмосферы – экзосфера.

Преобладающие элементы химического состава атмосферы: (78%), (21%), (0.03%).

Самый активный в биосферных процессах газ атмосферы – кислород . Кислород поглощают животные в процессе дыхания и выделяют растения в процессе фотосинтеза.

Азот в газообразном состоянии инертен, а в соединениях в виде нитратов он играет важную роль в биологическом обмене веществ.

Диоксид углерода существенно влияет на погоду и климат. Содержание в атмосфере не постоянно. Он поступает в атмосферу из вулканов, горячих ключей, при дыхании человека и животных, при лесных пожаврах, потребляется растениями, хорошо растворяется в воде. Количество растворенного углекислого газа в океане 1.3. 10 14.

В небольших количествах в атмосфере содержится оксид углерода (СО). Инертных газов, таких, как аргон, гелий, неон, ксенон, криптон, также немного. В состав атмосферы входят также водород и метан. Инертные газы попадают в атмосферу в процессе непрерывного естественного радиоактивного распада урана, тория, радона.

В верхних слоях стратосферы расположен в небольшой концентрации озон. Поэтому эту часть тропосферы часто называют озоновым экраном. Озон играет большую роль в формировании температурного режима нижележащих слоев атмосферы и, следовательно, воздушных течений. Над различными участками земной поверхности и в разное время года содержание озона неодинаково. Его больше в высоких широтах, меньше в средних и низких. Весной озона больше, чем осенью.

Озон является продуктом соединения молекулярного кислорода с атомарным, образующимся под воздействием ультрафиолетовых солнечных лучей. Общее содержание озона в атмосфере невелико- 2,10%, но он отражает до 95% ультрафиолетовых лучей, что предохраняет живые организмы от их губительного воздействия. Задерживая до 20%инфракрасных излучений, достигающих Земли, озон повышает утепляющее действие атмосферы. На формирование озонового экрана влияет наличие в стратосфере хлора, оксидов азота, фтора, брома, метана, обеспечивающих фотохимические реакции разрушения озона.

Гидросфера – водная оболочка Земли. Вода-составная часть биосферы, от которой зависит состояние животного и растительного мира. На поверхности планеты, равной 510 км2, вода занимает 70,8%. Объем воды Мирового океана равен примерно 1400млн. км3. Вследствие высокой подвижности вода проникает повсеместно в различные природные образования, даже наиболее чистые атмосферные воды содержат от 10 до 50 мгр/л растворимых веществ.

Преобладающие элементы химического состава гидросферы: , , , , , . Концентрация того или иного элемента в воде еще ничего не говорит о том, насколько он важен для растительных и животных организмов, обитающих в ней. В этом отношении ведущая роль принадлежит N, P, Si, которые усваиваются живыми организмами. Главной особенностью океанической воды является то, что основные ионы характеризуются постоянным соотношением во всем объеме мирового океана. Более 98% всех водных ресурсов планеты представлены водами с повышенной минерализацией, которые малопригодны для хозяйственной деятельности.

На долю пресных вод планеты приходится около 28 млн. км3, из которых 4.2 млн.км3 доступны для хозяйственного использования, что составляет 0,3% объема всей гидросферы. Распространены ресурсы пресной воды неравномерно, большая их часть находится в малоосвоенных районах, это создает дефицит пресных вод в развитых регионах.

Подземные воды составляют 14% запасов пресных вод.

Мировой океан является практически неисчерпаемым водным резервуаром.

Литосфера – внешняя твердая оболочка Земли, состоящая из осадочных и магматических пород. В настоящее время земной корой принято считать верхний слой твердого тела планеты, расположенный выше сейсмической границы Мохоровичича. Поверхностный слой литосферы, в котором осуществляется взаимодействие живой материи с минеральной (неорганической), представляет собой почву. Остатки организмов после разложения переходят в гумус (плодородную часть почвы). Составными частями почвы служат минералы, органические вещества, живые организмы, вода, газы.

Преобладающие элементы химического состава литосферы: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K.

Ведущую роль выполняет кислород, на долю которого приходится половина массы земной коры и 92% ее объема, однако кислород прочно связан с другими элементами в главных породообразующих минералах. Т.о. в количественном отношении земная кора – это “царство” кислорода, химически связанного в ходе геологического развития земной коры.

Постепенно идея о тесной взаимосвязи между живой и неживой природой, об обратном воздействии живых организмов и их систем на окружающие их физические, химические и геологические факторы все настойчивее проникала в сознание ученых и находила реализацию в их конкретных исследованиях. Этому способствовали и перемены, произошедшие в общем, подходе естествоиспытателей к изучению природы. Они все больше убеждались в том, что обособленное исследование явлений и процессов природы с позиций отдельных научных дисциплин оказывается неадекватным. Поэтому на рубеже XIX – XX вв. в науку все шире проникают идеи холистического, или целостного, подхода к изучению природы, которые в наше время сформировались в системный метод ее изучения.

Результаты такого подхода незамедлительно сказались при исследовании общих проблем воздействия биотических, или живых, факторов на абиотические, или физические, условия. Так, оказалось, например, что состав морской воды во многом определяется активностью морских организмов. Растения, живущие на песчаной почве, значительно изменяют ее структуру. Живые организмы контролируют даже состав нашей атмосферы. Число подобных примеров легко увеличить, и все они свидетельствуют о наличии обратной связи между живой и неживой природой, в результате которой живое вещество в значительной мере меняет лик нашей Земли. Таким образом, биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы, от которой она, с одной стороны зависит, а с другой – сама воздействует на нее. Поэтому перед естествоиспытателями возникает задача – конкретно исследовать, каким образом и в какой мере живое вещество влияет на физико-химические и геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в земной коре. Только подобный подход может дать ясное и глубокое представление о концепции биосферы. Такую задачу как раз и поставил перед собой выдающийся российский ученый Владимир Иванович Вернадский (1863 – 1945).

5.2. В. И. Вернадский о биосфере и “живом веществе”

Центральным в этой концепции является понятие о живом веществе, которое В. И. Вернадский определяет как совокупность живых организмов. Кроме растений и животных, В.И. Вернадский включает сюда и человечество, влияние которого на геохимические процессы отличается от воздействия остальных живых существ, во-первых, своей интенсивностью, увеличивающейся с ходом геологического времени; во-вторых, тем воздействием, какое деятельность людей оказывает на остальное живое вещество.

Это воздействие сказывается, прежде всего, в создании многочисленных новых видов культурных растений и домашних животных. Такие виды не существовали раньше и без помощи человека либо погибают, либо превращаются в дикие породы. Поэтому Вернадский рассматривает геохимическую работу живого вещества в неразрывной связи животного, растительного царства и культурного человечества как работу единого целого.

По мнению В.И. Вернадского, в прошлом не придавали значения двум важным факторам, которые характеризуют живые тела и продукты их жизнедеятельности:

* открытию Пастера о преобладании оптически активных соединений, связанных с дисимметричностью пространственной структуры молекул, как отличительной особенности живых тел;

* явно недооценивался вклад живых организмов в энергетику биосферы и их влияние на неживые тела. Ведь в состав биосферы входит не только живое вещество, но и разнообразные неживые тела, которые В.И. Вернадский называет косными (атмосфера, горные породы, минералы и т.д.), а также и биокосные тела, образованные из разнородных живых и косных тел (почвы, поверхностные воды и т.п.). Хотя живое вещество по объему и весу составляет незначительную часть биосферы, но оно играет основную роль в геологических процессах, связанных с изменением облика нашей планеты.

Поскольку живое вещество является определяющим компонентом биосферы, постольку можно утверждать, что оно может существовать и развиваться только в рамках целостной системы биосферы. Не случайно, поэтому В.И. Вернадский считает, что живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей.

Исходной основой существования биосферы и происходящих в ней биогеохимических процессов является астрономическое положение нашей планеты и в первую очередь ее расстояние от Солнца и наклон земной оси к эклиптике, или к плоскости земной орбиты. Это пространственное расположение Земли определяет в основном климат на планете, а последний в свою очередь – жизненные циклы всех существующих на ней организмов. Солнце является основным источником энергии биосферы и регулятором всех геологических, химических и биологических процессов на нашей планете. Эту ее роль образно выразил один из авторов закона сохранения и превращения энергии Юлиус Майер (1814 – 1878), отметивший, что жизнь есть создание солнечного луча.

Решающее отличие живого вещества от косного заключается в следующем:

* изменения и процессы в живом веществе происходят значительно быстрее, чем в косных телах. Поэтому для характеристики изменений в живом веществе используется понятие исторического, а в косных телах – геологического времени. Для сравнения отметим, что секунда геологического времени соответствует примерно ста тысячам лет исторического;

* в ходе геологического времени возрастают мощь живого вещества и его воздействие на косное вещество биосферы. Это воздействие, указывает В.И. Вернадский, проявляется, прежде всего “в непрерывном биогенном токе атомов из живого вещества в косное вещество биосферы и обратно”;

* только в живом веществе происходят качественные изменения организмов в ходе геологического времени. Процесс и механизмы этих изменений впервые нашли объяснение в теории происхождения видов путем естественного отбора Ч. Дарвина (1859г.);

* живые организмы изменяются в зависимости от изменения окружающей среды, адаптируются к ней и, согласно теории Дарвина, именно постепенное накопление таких изменений служит источником эволюции.

В.И. Вернадский высказывает предположение, что живое вещество, возможно, имеет и свой процесс эволюции, проявляющийся в изменении с ходом геологического времени, вне зависимости от изменения среды.

По мнению В.И. Вернадского, живое вещество аккумулирует энергию космоса и трансформирует ее в энергию земных процессов (химическую, механическую, тепловую, электрическую), обеспечивает образование нового живого вещества, которое не только замещает отмирающие массы, но и привносит новые качества, определяя тем самым эволюцию органического мира.

Различают пять главных функций живого вещества на планете – энергетическую, газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную и деструкционную.

Энергетическая функция заключается в осуществлении связи биосферно-планитарных явлений с космическим излучением, преимущественно с солнечной радиацией. В ее основе лежит фотосинтетическая деятельность зеленых растений, благодаря которой происходит аккумуляция солнечной энергии и ее перераспределение между компонентами биосферы. За счет энергии Солнца, накопленной земными растениями, протекают все жизненные процессы на Земле.

Газовая функция обеспечивает газовый состав биосферы, обуславливает миграцию и превращение газов. В процессе жизнедеятельности живого вещества образуются азот, кислород, углекислый газ, метан и другие газы.

Концентрационная функция проявляется в извлечении живыми организмами биогенных элементов из окружающей среды и их накопление, т.к. состав живого вещества значительно отличается от среднего состава планеты. В нем преобладают легкие атомы водорода, кислорода, углерода, азота, кремния, серы, хлора, калия, кальция. Концентрация этих элементов в организмах намного выше, чем во внешней среде.

Окислительно-восстановительная функция заключается в химическом превращении атомов, главным образом, с переменной валентностью (соединения железа, алюминия, марганца), что приводит к превращению большинства химических соединений. На поверхности Земли преобладают биогенные процессы окисления и восстановления.

Деструктивная функция обуславливает процессы, связанные с разложением организмов после их смерти. Происходит минерализация органического вещества или превращение живого вещества в костное, что приводит к образованию биогенного и биокостного вещества биосферы.