Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Экология..pdf
Скачиваний:
16
Добавлен:
05.02.2023
Размер:
2.84 Mб
Скачать

62

3.2 Некоторые сведения о строении биосферы

Планета Земля состоит из концентрических оболочек (геосфер), как внутренних, так и внешних. К внутренним относятся ядро и мантия, а к внешним: литосфера – каменная оболочка Земли, включая земную кору толщиной от 6 (под океаном) до 80 км (горные системы); гидросфера – водная оболочка Земли; атмосфера – газовая оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли. В общем цифры можно представить так: нижняя граница в литосфере: 3,5–7,5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами. Нижняя граница в гидросфере: 10–11 км (Марианская впадина), которая определяется дном Мирового океана, включая донные отложения.

Ту часть биосферы, в которой в настоящее время постоянно встречаются живые организмы, называют эубиосферой, ее границы несколько уже. На рисунке 3.1 схематически представлены эти границы [26].

 

 

 

м

 

 

100

000

Парабиосфера

 

60 000

 

30 000

 

 

 

 

10 000

 

 

8 000

 

 

6 000

 

 

4 000

 

Биосфера

2 000

 

 

0

 

 

 

 

 

–10

 

 

–100

 

 

–200

 

 

–1

000

 

 

–3

000

 

 

–10 000

 

 

–10 830

 

Ионосфера

 

 

Мезосфера

Атмосфера

 

Озоновый экран

 

 

 

Тропосфера

 

Эверест

 

 

 

Граница распространения животных

 

Граница распространения высших растений

Леса, луга

Почва

Биогеосфера

(«пленка жизни»)

 

 

0,1...1,5 м

 

 

 

 

Эвфотическая зона

 

 

Афотическая зона

 

 

Донные

Нефтяные воды

 

отложения

 

 

(присутствие бактерий)

 

 

 

Филиппинская

 

 

впадина

Рис. 3.1 – Строение биосферы (по В. И. Вернадскому) [26]

63

Распространение живого вещества и границы биосферы

Живое вещество распределено в биосфере крайне неравномерно. Его максимум приходится на приповерхностные участки суши (особенно велика биомасса тропических лесов) и гидросферы, где в массе развиваются зеленые растения и живущие за их счет гетеротрофные организмы. Более 90% всего живого вещества биосферы планеты, образованного главным образом углеродом, кислородом, азотом и водородом, приходится на наземную растительность (97–98% биомассы суши). Общая масса живого вещества биосферы планеты оценивается в 1,8–2,5·1018 г (в пересчете на сухое вещество), что составляет небольшую часть общей массы биосферы, которая равна приблизительно 3·1024 г. Тем не менее Вернадский, опираясь на многочисленные данные, считал живое вещество наиболее мощным геохимическим и энергетическим фактором, ведущей силой планетарного развития [27].

Более точные границы биосферы не просто обозначить и сегодня. Для их выявления используют сведения о сфере распространения живых организмов. Рассмотрим, какие физико-химические условия определяют существование живых организмов. Во-первых, это достаточное количество углекислого газа и кислорода. В Гималаях распространение зеленой растительности ограничено высотой 6 200 м, где парциальное давление углекислого газа вдвое ниже, чем на уровне моря. Однако и выше 6 км встречаются виды пауков и насекомых, которые питаются органическими остатками, занесенными ветром. Считается, что в биосферу входит нижний слой атмосферы – тропосфера, который простирается до высоты 8–10 км в полярных широтах и до 16–18 км в тропиках. Во-вторых, фактором, ограничивающим существование живых организмов, является достаточное количество воды, обеспечивающее нормальный ход ферментативных процессов в организме. Известно, что половина воды, содержащейся в корнях растений, обновляется в течение нескольких минут. Круговорот воды на суше в значительной степени определяется транспирацией растений. При всем этом возможно, что на поверхности Земли нет таких участков, где жизнь ограничена водой. Даже в наиболее сухих пустынях Африки под слоем сухого песка встречаются жуки-чернотелки, они обходятся без атмосферной и почвенной влаги, получая ее только с пищей, а пища приносится по воздуху (останки животных, насекомые и др.). В-третьих, для живых организмов необходим благоприятный термический режим, исключающий высокие температуры, при которых происходит свертывание белков. Низкие температуры вызывают прекращение работы

64

ферментов в организмах и тоже являются лимитирующими факторами распространения.

Прокариоты (простейшие безъядерные организмы) обитают в горячих источниках при температуре до 98°С, а в подземных водах – и при 100°С. В прибрежных водах Антарктиды живут прокариоты, отделенные от внешнего мира слоем льда в 420 м. Укрывающий их панцирь существует не менее 120 тыс. лет. Известны бактерии, которые переносят двадцатичасовое пребывание при температуре –252°С. В подводных гейзерах Восточно-Тихоокеанского хребта обитают термофильные бактерии, способные размножаться при температуре +250°С. Таким образом, температурная амплитуда существования одноклеточных – 600°С.

Диапазон давления, при котором возможна жизнь, изменяется от 8 000 атмосфер (выживают дрожжи) до 10–11 мм рт. ст. (выживают одноклеточные организмы). Океан заселен полностью. Углекислый газ океанических вод усваивается автотрофными растениями в ходе фотосинтеза, создаваемое ими органическое вещество обеспечивает существование всех морских организмов, даже на глубинах более 10 км живут многоклеточные организмы типа иглокожих – представители голотурий. Распространение жизни в глубь донных осадков ограничивается десятыми долями метров, максимально – единицами метров. В. И. Вернадский предполагал, что вся осадочная оболочка Земли заселена бактериями, но его предположение не подтвердилось. Нижняя граница биосферы на континентах ограничена температурой и концентрацией солей. В Западной Сибири активная и разнообразная анаэробная микрофлора была найдена на глубине более 3 000 м, однако если содержание солей в водах составляет более 270 г/л, то бактерии отсутствуют и на меньших глубинах (до глубины 500 м – в Ангаро-Лен- ском бассейне, 1 200 м – в Волго-Камском).

Ионизирующие излучения являются мощным фактором разрушения живых организмов. Однако есть микроорганизмы, концентрирующие уран, процветающие в природных зонах радиоактивного заражения. Некоторые их представители живут даже в ядерных реакторах, где доза ионизирующего облучения составляет 2–3 млн радов. В определенных интервалах черносланцевых толщ практически отсутствуют остатки фауны и флоры, кроме отмерших микроорганизмов, бывшая биомасса которых составляет до 10–20% веса пород (баженовская свита границы юрского и мелового периодов в Западной Сибири). Нельзя исключать, что аномальное концентрирование урана микроорганизмами в определенные геологические эпохи преследовало цель утилизировать энергию радиоактивного распада при отсутствии других ее источников.

65

Иногда под биосферой понимается зона существования не только живых организмов, но и продуктов их жизнедеятельности. В этом случае границы биосферы становятся неопределенными: молекулы кислорода, создаваемого автотрофными организмами, достигают верхних пределов атмосферы, которые оценить можно только приближенно. Наряду с этим продукт жизнедеятельности тех же растений – органический углерод – может перемещаться благодаря вертикальным тектоническим движениям от земной поверхности на значительные глубины, которые также трудно определить с высокой точностью.

В. И. Вернадский определял «былые биосферы» как оболочку Земли, ко- гда-либо подвергавшуюся воздействию жизни, он писал, что земная кора захватывает в пределах нескольких десятков километров ряд геологических оболочек, которые когда-то были на поверхности Земли биосферами [28].

· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·

Биосфера – внешняя оболочка Земли, в которую входят часть

атмосферы до высоты 25–30 км (до озонового слоя), практически вся гидросфера и верхняя часть литосферы примерно до глубины 3 км.

· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·

Все доступные для живых организмов химические соединения в биосфере ограничены. Наличие пригодных для усвоения химических веществ влияет на развитие тех или иных групп организмов на локальных участках суши или океана. По выражению академика В. Р. Вильямса, единственный способ придать конечному свойства бесконечного состоит в том, чтобы заставить его вращаться по замкнутой кривой. Следовательно, устойчивость биосферы поддерживается благодаря круговороту веществ и потокам энергии. Имеются два основных круговорота веществ: большой (геологический) и малый (биогеохимический).

Большой геологический круговорот

Кристаллические горные породы (магматические) под воздействием физических, химических и биологических факторов преобразуются в осадочные породы. Песок и глина – типичные осадки, продукты преобразования глубинных пород. Однако формирование осадков происходит не только за счет разрушения уже существующих пород, но также и путем синтеза биогенных минералов (скелетов микроорганизмов) из природных ресурсов – вод океана, морей и озер. Рыхлые водянистые осадки по мере их изоляции на дне водоемов новыми порциями осадочного материала, погружения на глубину, попадания в новые термодинамические условия (более высокая температура и давление) теряют воду, отвердевают,

66

преобразуясь при этом в осадочные горные породы. Это пример образования биогенного вещества.

Вдальнейшем эти породы погружаются в еще более глубокие горизонты, где и протекают процессы их глубинного преобразования в новых температурных и барических условиях, происходят процессы метаморфизма.

Под воздействием потоков эндогенной энергии глубинные породы переплавляются, образуя магму – источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на поверхность Земли, под действием процессов выветривания

ипереноса снова происходит их трансформация в новые осадочные породы. Таким образом, большой круговорот обусловлен взаимодействием солнечной (экзогенной) энергии с глубинной (эндогенной) энергией Земли. Он перераспределяет вещества между биосферой и более глубокими горизонтами нашей планеты.

Большим круговоротом называется и круговорот воды между гидросферой, атмосферой и литосферой, который движется энергией Солнца. Вода испаряется с поверхности водоемов и суши и затем вновь поступает на Землю в виде осадков. Над океаном испарение превышает осадки, над сушей наоборот. Эти различия компенсируют речные стоки. В глобальном круговороте воды немаловажную роль играет растительность суши. Транспирация (испарение воды листьями) растений на отдельных участках земной поверхности может составить до 80–90% выпадающих здесь осадков, а в среднем по всем климатическим поясам – около 30%. В отличие от большого, малый круговорот веществ происходит лишь в пределах биосферы. Оба типа круговорота взаимосвязаны.

Круговороты планетарного масштаба создаются из бесчисленных локальных циклических перемещений атомов, движимых жизнедеятельностью организмов в отдельных экосистемах, и тех перемещений, которые вызваны действием ландшафтных и геологических причин (поверхностный и подземный сток, ветровая эрозия, движение морского дна, вулканизм, горообразование и т. п.). Наиболее известны и хорошо изучены круговорот азота, кислорода, углерода. Циркуляция этих элементов определяется активным участием живого вещества [7, 25, 27].

Входе развития жизни неоднократно происходила смена одних групп организмов другими, но при этом всегда поддерживалось более или менее постоянное соотношение форм живых существ, выполняющих те или иные геохимические функции. Например, от палеозоя до нашего времени комплексы организмов, накапливающих кальций, менялись, но аккумуляция этого элемента происходила с относительно постоянной скоростью. Таким образом, совокупная дея-

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]