Структура биосферы: состав, строение и границы биосферы

Биосфера представляет собой сложнейшую планетарную оболочку жизни, населенную организмами, которые в совокупности составляют живое вещество. Это самая крупная экосистема Земли – область системного взаимодействия живого и костного вещества. Границы биосферы вырисовываются следующим образом (рис.1).

Магнитное поле Земли с о л н е ч н о е и з л у ч е н и е (солнечный ветер)

↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓

---------------------------------------------------------------------- - Озоновый экран (О₃)

АТМОСФЕРА ↑ 18...22 км

2000 м I Почва

_Лес, луга______ I _____________Почва______________

I__________ ↓______I_______ ↑

I ГИДРОСФЕРА ↑ ЛИТОСФЕРА - 5 км ↓ планктон-

11,5 км I

-100 Осадочные породы I

- 3 000 Нефтяные воды I

- 10 000 Донные отложения___________↓__ Рис. 1. Границы биосферы

Магнитное поле Земли является первой граничной поверхностью между Космосом и Землёй – так называемый магнитоотбойный слой. Магнитное поле Земли непосредственно влияет на живые организмы. Его силовые линии определяют направление роста грибниц почвенных грибов гифов, а также движение магнитобактерий в направлении полюсов, по ним также ориентируются перелётные птицы.

Сейчас выясняется, что стабильности защитной системы магнитосферы от космических излучений угрожает сам человек. Трудно предсказать последствия негативных проявлений, возникающих в результате застройки крупных городов, масштабных подземных выработок, работы радио- и телепередатчиков.

Биосфере охватывает нижнюю часть атмосферы до высоты озонового экрана (20-25 км), верхнюю часть литосферы (кора выветривания) и всю гидросферу до глубинных слоев океана. Строение самой биосферы отличается многослойностью. Все условно сферические слои биосферы хорошо различимы, они не перемешиваются, а лишь проникают друг в друга. Область современного обитания живых организмов охватывает в среднем 12-17 км – несколько меньше на суше, больше в океане. Сфера случайного попадания организмов и биогенных элементов (споры бактерий и грибов) – предел протяженности биосферы - колеблется до 39-40 км. Однако жизнь в биосфере сконцентрирована в тонкой пленке (несколько десятков метров), охватывающей поверхность Земли.

Ограничивают область распространения жизни слишком высокие или низкие температуры. Нижнюю границу биосферы на материках условно проводят по изотерме 100^оС. В Европе эта изотерма находится на глубине 10-15 км. Доказано существование живых организмов на глубинах до 10 500 м.

Фактически жизнь в литосфере прослеживается до глубины 3-4 км.

Верхней границей биосферы и распространения жизнеспособных существ является защитный озоновый слой в атмосфере на высоте 18-22 (20-25) км от поверхности земли. На этой высоте большую часть ультрафиолетового излучения Солнца поглощает находящийся здесь тонкий (до 3 см) спасительный слой озона – О₃ – озоновый экран. Не будь его, такое излучение могло бы уничтожить жизнь на Земле. К сожалению, начиная с 80-90-х годов ХХ в. наблюдается негативная тенденция к истончению и разрушению озонового экрана. Граница жизни в атмосфере определяется уровнем Ф-радиации. Выше озонового экрана в космическом излучении сохраняется много фотонов высоких энергий, губительных не только для обычных земных организмов, но и для их зачатков, например, спор микроорганизмов.

На высоте 18-25 км давление воздуха в 4 раза меньше, чем у поверхности Земли, и постоянная температура –60^оС, что обеспечивает жизнь определённых видов спор бактерий и грибов. Уже на высоте 8-9 км низкие температуры сильно ограничивают существование животных и растений.

Ниже озонового слоя расположена тропосфера. Относительно плотные скопления живых организмов в атмосфере встречаются на высотах 7-8 км в районах вечных снегов. Это холодостойкие зелёные и синезелёные водоросли (всего около 100 видов). Вместе с ними существуют хлорофилсодержащие растения и аэробные спорообразующие бактерии, а также питающиеся ими низшие насекомые.

Основная часть аэропланктона сосредоточена в слое до 1-1,5 км, называемом биогеосферой, или (по В.И.Вернадскому) плёнкой жизни. Растения поднимаются в горы до высоты около 5 км. Дальше царит вечный холод.

Современная жизнь распространена в верхней части коры (литосфере), в нижних слоях воздушной оболочки Земли (атмосфере) и водной оболочке Земли (гидросфере).

Жизнь на суше во многом зависит от состояния воздуха. Воздух, которым мы дышим, – естественная смесь газов, сложившаяся в процессе эволюции Земли в течение 20 млн лет. Основными компонентами атмосферного воздуха являются азот (N₂) – 78,08%, кислород (0₂) – 20,9%, аргон (Ar) – около 1% и углекислый газ (C0₂) – 0,03%. Содержание кислорода в воздухе определяет границу распространения жизни для растений и животных. По высоте это составляет примерно 4000 м.

Нижняя граница биосферы – литосфера. Рыхлый поверхностный слой земной коры – почва (до 1,5 м). Как плодородный слой, почва обеспечивает существование растений и животных. Это важный участок всех природных круговоротов, основа производства биомассы. Из почвы растения получают воду и питательные вещества. Листья и ветки, отмирая, «возвращаются» в почву, где разлагаются, освобождая содержащиеся в них минеральные вещества. Почва состоит из твердой (песок, глина, илистые частицы), жидкой (вода – до 40-60%), газообразной (почвенный воздух) и живой частей (почвенные микроорганизмы, беспозвоночные и позвоночные организмы. Это часть земной поверхности, которую, как полагают специалисты, уже не удастся увеличить из-за перенаселения планеты. Разновидностей почв несколько тысяч, что требует исключительной грамотности при их использовании. К отрицательным факторам воздействия на почвы и, следовательно, на человека необходимо отнести антропогенное влияние, чрезмерное внесение минеральных удобрений и ядохимикатов. Поэтому охрана почв является глобальной человеческой проблемой.

В глубь Земли живые организмы проникают на небольшое расстояние. В литосфере жизнь ограничивает температура горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает с глубиной и на уровне 1,5-15 км превышает 100^оС. Наибольшая глубина, на которой в породах земной коры были обнаружены живые бактерии, составляет 4-5 км. При этом в нефтяных месторождениях на глубине 2-2,5 км бактерии регистрируются уже в незначительном количестве.

В водной оболочке нашей планеты – гидросфере (совокупность океанов, морей, вод континентов, снежных и ледниковых покровов Арктики и Антарктики, а также атмосферная вода и вода, содержащаяся в живых организмах) общий объем жидкости составляет примерно 1,39 млрд км³. Воды покрывают 71% поверхности земного шара (361 млн км²). Гидросфера важна для развития жизни и поддержании неизменного климата. Вода – великий распределитель тепла на Земле, участвует в круговороте веществ в природе, источником получения дешевой энергии.

Установлено, что животные и бактерии встречаются на дне океанических впадин в 10-11,5 км от поверхности (например, Марианский жёлоб на глубине 11 022 м) при постоянной температуре около 0^оС. В выходах терминальных вод на дне океана на глубинах в 3 км при давлении около 300 атм обнаружены живые организмы при температуре 250^оС около 0^оС и давлении в 1100 раз больше приземно-атмосферного.

Из всего количества воды в мире 97-98% составляет соленая вода морей и океанов. Лишь 1% воды доступен для живых организмов. И эти драгоценные крохи человек беспечно расходует, нещадно загрязняет в геометрической прогрессии. Проблема нехватки чистой воды - сегодня глобальная проблема.

Крайние пределы температур, которые выносят некоторые формы жизни (в латентном состоянии), - от практически абсолютного нуля до 180^оС. Давление, при котором существует жизнь, - от малых долей атмосферы (на большой высоте) до тысячи и более атмосфер на больших глубинах. Для ряда бактерий верхние критические точки давления лежат в области 12 тыс. атм. Споры бактерий, конидий и мицелий некоторых грибов не теряют жизнеспособности в условиях высокого вакуума, достигающего 10^-13- 10^-11 мм рт. ст. Бактерии обнаружены в водах атомных реакторов, некоторые из бактерий выдерживают облучение порядка 2-3 млн рад. Ряд микроорганизмов остаётся живыми при температурах жидкого воздуха (-192^оС), азота (-196^оС), гелия (-268,9^оС) или водорода (-259,1^оС)

На основании приведённых данных можно сделать важный вывод: выносливость жизни в целом к отдельным факторам среды шире диапазонов тех условий, которые существуют в границах современной биосферы. Жизнь обладает значительным «запасом прочности», устойчивости к воздействию среды и потенциальной способностью к ещё большему распространению.