Структура биосферы

Структура биосферы представляет собой сложную многокомпонентную систему − совокупность газообразной, жидкой, твердой и биологической организаций. Она характеризуется строгой организованностью, биологическим равновесием численности и взаимной адаптированностью составляющих ее организмов.

Вернадский подчеркивал, что биосферу нужно рассматривать как целостную геологическую оболочку Земли, весьма сложную саморегулирующуюся систему, состоящую из живого вещества и неживой материи.

В.И. Вернадский выделил в биосфере семь разных, но геологически взаимосвязанных типов веществ.

Состав биосферы (По в.И. Вернадскому):

1. Живое вещество – совокупность живых организмов, населяющих нашу планету (масса живого вещества составляет лишь 0,01% от массы всей биосферы).

2. Косное вещество – неживые тела, образующиеся в результате процессов, не связанных с деятельностью живых организмов (породы магматического и метаморфического происхождения, некоторые осадочные породы).

3. Биогенное вещество – неживые тела, образующиеся в результате деятельности живых организмов (некоторые осадочные породы: известняки, мел и др., а также нефть, газ, каменный уголь, кислород атмосферы и др.). Это источник чрезвычайно мощной потенциальной энергии (каменный уголь, гумус почв, нефть, битумы, торф и т.п.). После образования биогенного вещества живые организмы в нем малодеятельны.

4. Биокосное вещество – биокосные тела, представляющие собой результат совместной деятельности живых организмов и геологических процессов (это почвы, кора выветривания, все природные воды и др., свойства которых зависят от деятельности на Земле живого вещества). Организмы в биокосном веществе играют ведущую роль.

5. Радиоактивное вещество – атомы радиоактивных элементов – уран (238U и 235U), торий (232Th), радий (226Ra) и радон (222Rn и 220Rn), калий (40K), рубидий (87Rb), кальций (48Са), углерод (14С) и др.

6. Рассеянные атомы – отдельные атомы элементов, встречающиеся в природе в рассеянном состоянии (в таком состоянии часто существуют атомы микро- и ультрамикроэлементов: Mn, Со, Zn, Сu, Аu, Hg и др.)

7. Вещество космического происхождения – вещество, поступающее на поверхность Земли из космоса (метеориты, космическая пыль).

Все эти семь типов веществ геологически связаны между собой.

Живое вещество.

Живые организмы могут существовать в широком диапазоне химических условий среды. Первые живые существа Земли жили в бескислородной атмосфере. Анаэробный обмен свойствен и многим современным организмам, в том числе многоклеточным.

Уксусные угрицы (нематоды) обитают в чанах с бродящим уксусом. Ряд микроорганизмов живет в концентрированных растворах солей, в том числе медного купороса, фторида натрия, в насыщенном растворе поваренной соли. Серные бактерии выдерживают децимолярные растворы серной кислоты.

Некоторые особо устойчивые формы могут существовать даже при действии ионизирующей радиации. Например, ряд инфузорий выдерживает излучение, по дозе в 3 млн раз превышающее естественный радиоактивный фон на поверхности Земли, а некоторые бактерии обнаружены даже в котлах ядерных реакторов.

Выносливость жизни в целом к отдельным факторам среды шире диапазонов тех условий, которые существуют в современной биосфере. Жизнь, таким образом, обладает значительным «запасом прочности», устойчивости к воздействию среды и потенциальной способностью к еще большему распространению.

Эволюция биосферы обусловлена тесно взаимосвязанными между собой тремя группами факторов: развитием нашей планеты как космического тела и протекающих в ее недрах химических преобразований, биологической эволюцией живых организмов и развитием человеческого общества.

Наша планета имеет неоднородное строение и состоит из концентрированных оболочек (геосфер) – внутренних и внешних. К внутренним оболочкам относятся ядро, мантия, а к внешним – литосфера, гидросфера, атмосфера и сложная оболочка Земли – биосфера.

Атмосфера.

Атмосфера представляет собой газовую оболочку Земли, связанную с ней силой тяжести и принимающей участие в суточном и годовом вращении. Газовая оболочка Земли состоит в основном из азота и кислорода. В небольших количествах в ней содержатся диоксид углерода (0,003 %) и озон. Состояние атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и биологические процессы на поверхности Земли и в водной среде.

Атмосфера предотвращает резкие колебания температуры поверхности планеты, уменьшает поступление к ней избыточных доз ультрафиолетового излучения, является носителем газов, обеспечивающих жизненные процессы растений и животных.

Атмосфера имеет слоистое строение и состоит из тропосферы, стратосферы, мезосферы, термосферы и экзосферы. Во всех сферах атмосферы изменяется количество воздуха и температура.

Наиболее плотный слой воздуха, прилегающий к земной поверхности, называется тропосферой. Толщина ее над полюсами 7 – 10 км, над экватором – 16 – 18 км. В тропосфере сосредоточено около 80 % массы воздуха, а также основное количество атмосферных примесей. Она практически содержит весь водяной пар, при конденсации которого образуется облачность.

Температура воздуха с высотой уменьшается и достигает -40…-50º С. Из-за неравномерного нагрева земной поверхности в тропосфере образуются мощные потоки воздуха, отмечается неустойчивость температуры, относительной влажности, давления и других факторов.

Выше тропосферы находится стратосфера, масса воздуха в ней составляет около 20%, распространяется она до высоты ~ 55 км. В стратосфере на высоте 20 – 25 км расположен озоновый слой. Температура воздуха в ней до озонового слоя в основном постоянна (-40…-50º С), затем она повышается из-за поглощения жесткого ультрафиолетового излучения Солнца озоновым слоем и на границе с мезосферой составляет 0º…+10º С.

Выше стратосферы расположена мезосфера до высоты ~ 80 км, температура в ней значительно ниже (т. к. озона в ней почти нет) и на границе с термосферой достигает -70о…-90º С.

Дальше расположены термосфера и экзосфера, которые распространяются на сотни км, температура в них повышается до 1500º С и выше, воздух находится в ионизированном состоянии. Масса воздуха мезосферы, термосферы и экзосферы составляет около 0,5 % массы всей атмосферы.

Для процессов жизнедеятельности особенно важны: кислород, используемый для дыхания и минерализации мертвого органического вещества; диоксид углерода, используемый зелеными растениями в фотосинтезе; озон, создающий экран, защищающий земную поверхность от ультрафиолетового излучения. Атмосфера образовалась в результате мощной вулканической и горообразовательной деятельности, кислород появился значительно позднее как продукт фотосинтеза.

Гидросфера.

Гидросфера – водная оболочка Земли, ее подразделяют на поверхностную и подземную.

В состав поверхностной гидросферы входят воды океанов, морей, озер, рек, водохранилищ, болот, ледников, снежных покровов и др.

Подземная гидросфера включает воды, находящиеся в верхней части земной коры, их называют подземными водами.

Общее количество воды на Земле – 1,39 млрд. км³, основная масса этой воды – 97,5% - соленая вода. Масса пресной воды – 35 млн. км³, это всего 2,5% от общей массы. Около 75% пресной воды находится в твердом состоянии во льдах Антарктиды, Гренландии, горных ледниках, айсбергах, в зоне вечной мерзлоты. Таким образом, пресной воды, которую можно использовать для нужд человека не так уж много.

Вода – важный компонент биосферы и необходимое условие существования живых организмов. Основная ее часть (95%) находится в Мировом океане, который занимает около 70% поверхности Земного шара и содержит 1 300 млн. км. Большое значение имеют газы, растворенные в воде: кислород и диоксид углерода. Их содержание широко варьируется в зависимости от температуры и присутствия живых организмов. В воде содержится в 60 раз больше диоксида углерода, чем в атмосфере. Гидросфера формировалась в связи с развитием геологических процессов в литосфере, при которых выделялось большое количество водяного пара.

Литосфера.

Литосфера − каменная оболочка Земли – земная кора, толщиной от 6 (под океанами) до 80 км (горные системы). Земная кора – содержит важнейшие энергетические ресурсы (уголь, нефть, сланцы, газ), рудные и нерудные полезные ископаемые.

Основная масса организмов литосферы находится в почвенном слое, глубина которого не превышает нескольких метров. Почва состоит из неорганических веществ (песок, глина, минеральные соли), образующихся при разрушении горных пород, и органических веществ – продуктов жизнедеятельности организмов.