Биосфера представляет собой многоуровневую систему, включающую подсистемы различной степени сложности. Границы биосферы определяются областью распространения организмов в атмосфере, гидросфере и литосфере (рис. 24.1). Верхняя граница биосферы проходит примерно на высоте 20 км. Таким образом, живые организмы расселены в тропосфере и в нижних слоях стратосферы. Лимитирующим фактором расселения в этой среде является нарастающая с высотой интенсивность ультрафиолетовой радиации. Практически все живое, проникающее выше озонового слоя атмосферы, погибает. В гидросферу биосфера проникает на всю глубину Мирового океана, что подтверждает обнаружение живых организмов и органических отложений до глубины 10-11 км. В литосфере область распространения жизни во многом определяет уровень проникновения воды в жидком состоянии - живые организмы обнаружены до глубины примерно 7,5 км.

Атмосфера. Эта оболочка состоит в основном из азота и кислорода. В меньших концентрациях она содержит углекислый газ и озон. Состояние атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и особенно биологические процессы на земной поверхности и в водной среде. Наибольшее значение для биологических процессов имеют кислород атмосферы, используемый для дыхания организмов и минерализации омертвевшего органического вещества, углекислый газ, расходуемый при фотосинтезе, а также озон, экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения. Вне атмосферы существование живых организмов невозможно. Это видно на примере лишенной жизни Луны, у которой нет атмосферы. Исторически развитие атмосферы связано с геохимическими процессами, а также жизнедеятельностью организмов. Так, азот, углекислый газ, пары воды образовались в процессе эволюции планеты благодаря (в значительной мере) вулканической активности, а кислород - в результате фотосинтеза.

Гидросфера. Вода является важной составной частью всех компонентов биосферы и одним из необходимых факторов существования живых организмов. Основная ее часть (95%) заключена в Мировом океане, который занимает примерно 70% поверхности Земного шара. Общая масса океанических вод составляет свыше 1300 млн. км 3 . Около 24 млн. км 3 воды содержится в ледниках, причем 90% этого объема приходится на ледяной покров Антарктиды. Столько же воды содержится под землей. Поверхностные воды озер составляют приблизительно 0,18 млн. км 3 (из них половина соленые), а рек-0,002 млн. км 3 .

Количество воды в телах живых организмов достигает примерно 0,001 млн. км 3 . Из газов, растворенных в воде, наибольшее значение имеют кислород и углекислый газ. Количество кислорода в океанических водах изменяется в широких пределах в зависимости от температуры и присутствия живых организмов. Концентрация углекислого газа также варьирует, а общее количество его в океане в 60 раз превышает его содержание в атмосфере. Гидросфера формировалась в связи с развитием литосферы, выделившей за геологическую историю Земли значительный объем водяного пара и так называемых ювенильных (подземных магматических) вод.

Рис. 24.1. Область распространения организмов в биосфере:

1 -уровень озонового слоя, задерживающего жесткое ультрафиолетовое излучение, 2- граница снегов, 3- почва, 4- животные, обитающие в пещерах, 5- бактерии в нефтяных скважинах

Литосфера. Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, сосредоточена в почвенном слое, глубина которого обычно не превышает нескольких метров. Почвы, будучи, по терминологии В.И. Вернадского, биокосным веществом, представлены минеральными веществами, образующимися при разрушении горных пород, и органическими веществами - продуктами жизнедеятельности организмов.

Живые организмы (живое вещество). В настоящее время описано около 300 тыс. видов растений и более 1,5 млн. видов животных. Из этого количества 93% представлено сухопутными, а 7% - водными видами животных. Суммарная биомасса организмов сухопутных видов образована на 99,2% зелеными растениями (2,4 10 12 т) и на 0,8% животными и микроорганизмами (0,2 10 11 т). В океане, напротив, на долю растений приходится 6,3% (0,2 10 9 т), а на долю животных и микроорганизмов - 93,7% (0,3 10 10 т) совокупной биомассы. Несмотря на то что океан покрывает немногим более 70% поверхности планеты, в нем содержится лишь 0,13% биомассы всех живых существ, обитающих на Земле.

Расчеты показывают, что растения составляют около 21% всех учтенных видов. Однако на их долю приходится более 99% биомассы, тогда как вклад животных в биомассу планеты (79% видов) составляет менее 1%. Среди животных 96% видов приходится на долю беспозвоночных и только 4% на долю позвоночных, среди которых млекопитающие составляют примерно 10%.

Приведенные соотношения иллюстрируют фундаментальную закономерность организации биосферы: в количественном отношении преобладают формы, достигшие в процессе эволюции относительно низких степеней морфофизиологического прогресса.

Живое вещество по массе составляет 0,01-0,02% от косного вещества биосферы, однако играет ведущую роль в биогеохимических процессах благодаря совершающемуся в живых организмах обмену веществ. Так как субстраты и энергию, используемые в обмене веществ, организмы черпают из окружающей среды, они преобразуют ее уже тем, что в процессе своего существования используют ее компоненты.

Ежегодная продукция живого вещества в биосфере составляет 232,5 млрд. т сухого органического вещества. За это же время в масштабе планеты в процессе фотосинтеза синтезируется 46 млрд. тонн органических углеродсодержащих веществ. Для этого требуется, чтобы 170 10 9 т С0 2 прореагировало с 68 10 9 т Н 2 0.

Таким образом, в результате фотосинтеза ежегодно образуется 115х х 10 9 т сухого органического вещества и 123 10 9 т 02. В течение года в процесс фотосинтеза вовлекаются также 6 10 9 т азота, 2 10 9 т фосфора и другие элементы, например калий, кальций, сера, железо. Приведенные цифры показывают, что живое вещество является наиболее активным компонентом биосферы. Оно производит гигантскую геохимическую работу, способствуя преобразованию других оболочек Земли в геологическом масштабе времени.

Биотический круговорот. Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговоротов химических элементов. Глобальный биотический круговорот осуществляется при участии всех населяющих планету организмов. Он заключается в циркуляции веществ между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Благодаря биотическому круговороту возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе доступных химических элементов. Используя неорганические вещества, зеленые растения за счет энергии Солнца создают органическое вещество, которое другими живыми существами (гетеротрофами - потребителями и деструкторами) разрушается, с тем чтобы продукты этого разрушения могли быть использованы растениями для новых органических синтезов.

Важная роль в глобальном круговороте веществ принадлежит циркуляции воды между океаном, атмосферой и верхними слоями литосферы. Вода испаряется и воздушными течениями переносится на многие километры. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делая их доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с растворенными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими частицами в океаны и моря. Подсчитано, что с поверхности Земли за 1 мин испаряется около 1 млрд. т Н 2 0 (на образование 1 г водяного пара необходимо 2,248 кДж). Энергия, затрачиваемая на испарение воды, возвращается в атмосферу (рис. 24.2). Циркуляция воды между Мировым океаном и сушей представляет собой важнейшее звено в поддержании жизни на Земле и основное условие взаимодействия растений и животных с неживой природой.

Рис. 24.2. Круговорот воды в биосфере

Под влиянием этого процесса происходит постепенное разрушение литосферы, перенос ее компонентов в глубины морей и океанов.

На создание органического вещества расходуется всего 0,1-0,2% солнечной энергии, достигающей поверхности планеты. Благодаря этой энергии осуществляется значительный объем работы по перемещению химических элементов.

В качестве примеров биотического круговорота рассмотрим круговороты углерода и азота в биосфере (рис. 24.3; 24.4). Круговорот углерода начинается с фиксации атмосферного диоксида углерода в процессе фотосинтеза. Часть образовавшихся при фотосинтезе углеводов используют сами растения для получения энергии, часть потребляется животными. Углекислый газ выделяется в процессе дыхания растений и животных. Мертвые растения и животные разлагаются, углерод их тканей окисляется и возвращается в атмосферу. Аналогичный процесс происходит и в океане.

Круговорот азота также охватывает все области биосферы (рис. 24.4). Хотя его запасы в атмосфере практически неисчерпаемы, высшие растения могут использовать азот только после соединения его с водородом или кислородом. Исключительно важную роль в этом процессе играют азотфиксирующие бактерии. При распаде белков этих микроорганизмов азот снова возвращается в атмосферу.

Показателем масштаба биотического круговорота служат темпы оборота углекислого газа, кислорода и воды. Весь кислород атмосферы проходит через организмы примерно за 2 тыс. лет, углекислый газ - за 300 лет, а вода полностью разлагается и восстанавливается в биотическом круговороте за 2 млн. лет (рис. 24.5).

Рис. 24.3. Круговорот углерода в биосфере

Рис. 24.4. Круговорот азота в биосфере

Благодаря биотическому круговороту биосфере присущи определенные геохимические функции: газовая - биогенная миграция газов в результате фотосинтеза и азотфиксации; концентрационная - аккумуляция в своих телах живыми организмами химических элементов, рассеянных во внешней среде; окислительно-восстановительная - превращение веществ, содержащих атомы с переменной валентностью (например, Fе, Mn); биохимическая - процессы протекающие в живых организмах.

Стабильность биосферы. Биосфера представляет собой сложную экологическую систему, работающую в стационарном режиме. Стабильность биосферы обусловлена тем, что результаты активности трех групп организмов, выполняющих разные функции в биотическом круговороте,- продуцентов (автотрофы), потребителей (гетеротрофы) и деструкторов (минерализующие органические остатки) - взаимоуравновешиваются. То, что в биосфере поддерживается постоянство ее главных характеристик (гомеостаз), не исключает способности ее к эволюции.

Рис. 24.5. Темпы циркуляции веществ в биосфере

Введение

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. Понятие «живое вещество» обозначает совокупность живых организмов биосферы. Область распространения включает нижнюю часть воздушной оболочки (атмосферы), всю водную оболочку (гидросферу), и верхнюю часть твёрдой оболочки (литосферы). Это понятие было введено В.И. Вернадским. Он отметил, что между косной, безжизненной частью биосферы, косными природными телами и живыми организмами, её населяющими идёт непрерывный обмен энергией. Живое вещество играет наиболее важную роль по сравнению с другими веществами биосферы, и выполняет рад важнейших функций.

Энергетическая функция

Энергетическая функция выполняется, прежде всего, растениями, которые в процессе фотосинтеза аккумулируют солнечную энергию в виде разнообразных органических соединений. Чтобы биосфера могла существовать и развиваться, ей необходима энергия. Собственных источников энергии она не имеет и может потреблять энергию только от внешних источников. Главным источником для биосферы является Солнце. По сравнению с Солнцем, энергетический вклад других поставщиков (внутреннее тепло Земли, энергия приливов, излучение космоса) в функционирование биосферы ничтожно мал (около 0,5% от всей энергии, поступающей в биосферу). Солнечный свет для биосферы является рассеянной лучистой энергией электромагнитной природы. Почти 99% этой энергии, поступившей в биосферу, поглощается атмосферой, гидросферой и литосферой, а также участвует в вызванных ею физических и химических процессах (движение воздуха и воды, выветривание и др.) Только около 1% накапливается на первичном звене ее поглощения и передается потребителям уже в концентрированном виде. По словам Вернадского, зеленые хлорофилльные организмы, зеленые растения, являются главным механизмом биосферы, который улавливает солнечный луч и создает фотосинтезом химические тела - своеобразные солнечные консервы, энергия которых в дальнейшем становится источником действенной химической энергии биосферы, а в значительной мере - всей земной коры. Без этого процесса накопления и передачи энергии живым веществом невозможно было бы развитие жизни на Земле и образование современной биосферы.

Каждый последующий этап развития жизни сопровождался все более интенсивным поглощением биосферой солнечной энергии. Одновременно нарастала энергоемкость жизнедеятельности организмов в изменяющейся природной среде, и всегда накопление и передачу энергии осуществляло живое вещество. Современная биосфера образовалась в результате длительной эволюции под влиянием совокупности космических, геофизических и геохимических факторов. Первоначальным источником всех процессов, протекавших на Земле, было Солнце, но главную роль в становлении и последующем развитии биосферы сыграл фотосинтез. Биологическая основа генезиса биосферы связана с появлением организмов, способных использовать внешний источник энергии, в данном случае энергию Солнца, для образования из простейших соединений органических веществ, необходимых для жизни.

Под фотосинтезом понимается превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами при участии энергии света и поглощающих свет пигментов (хлорофилл и др.) простейших соединений (воды, углекислого газа и минеральных элементов) в сложные органические вещества, необходимые для жизнедеятельности всех организмов. Процесс протекает следующим образом. Фотон солнечного света взаимодействует с молекулой хлорофилла, содержащегося в хлоропласте зеленого листа, в результате чего высвобождается электрон одного из ее атомов. Этот электрон, перемещаясь внутри хлоропласта, реагирует с молекулой АДФ, которая, получив достаточную дополнительную энергию, превращается в молекулу АТФ - вещества, являющегося энергоносителем. Возбужденная молекула АТФ в живой клетке, содержащей воду и диоксид углерода, способствует образованию молекул сахара и кислорода, а сама при этом утрачивает часть энергии и превращается вновь в молекулу АДФ.

В результате фотосинтеза растительность земного шара ежегодно усваивает около двухсот миллиардов тонн углекислого газа и выделяет в атмосферу примерно сто сорок пять миллиардов тонн свободного кислорода, при этом образуется более ста миллиардов тонн органического вещества. Если бы не жизнедеятельность растений, исключительно активные молекулы кислорода вступили бы в различные химические реакции, и свободный кислород исчез бы из атмосферы примерно за десять тысяч лет. К сожалению, варварское сокращение человеком массивов зеленого покрова планеты являет реальную угрозу уничтожения современной биосферы. В процессе фотосинтеза одновременно с накоплением органического вещества и продуцированием кислорода растения поглощают часть солнечной энергии и удерживают ее в биосфере. На фотосинтез используется около 1% солнечной энергии, падающей на Землю. Возможно, этот низкий показатель связан с малой концентрацией углекислого газа в атмосфере и гидросфере. Ежегодно фотосинтезирующие организмы суши и океана связывают около 3*1018 кДж солнечной энергии, что примерно в десять раз больше той энергии, которая используется человечеством.

В отличие от зеленых растений некоторые группы бактерий синтезируют органическое вещество за счет не солнечной энергии, а энергии, выделяющейся в процессе реакций окисления серных и азотных соединений. Этот процесс именуется хемосинтезом. В накоплении органического вещества в биосфере он, по сравнению с фотосинтезом, играет ничтожно малую роль. Внутри экосистемы энергия в виде пищи распределяется между животными. Синтезированные зелеными растениями и хемобактериями органические вещества (сахара, белки и др.), последовательно переходя от одних организмов к другим в процессе их питания, переносят заключенную в них энергию. Растения поедают растительноядные животные, которые в свою очередь становятся жертвами хищников и т. д. Этот последовательный и упорядоченный поток энергии является следствием энергетической функции живого вещества в биосфере.

Энергетическая функция. Энергетическая функция выполняется, прежде всего, растениями, которые в процессе фотосинтеза аккумулируют солнечную энергию в виде разнообразных органических соединений. Чтобы биосфера могла существовать и развиваться, ей необходима энергия. Собственных источников энергии она нс имеет и может потреблять энергию только от внешних источников. Главным источником для биосферы является Солнце. По сравнению с Солнцем, энергетический вклад других поставщиков (внутреннее тепло Земли, энергия приливов, излучение космоса) в функционирование биосферы ничтожно мал (около 0,5 % от всей энергии, поступающей в биосферу). Солнечный свет для биосферы является рассеянной лучистой энергией электромагнитной природы. Почти 99 % этой энергии, поступившей в биосферу, поглощается атмосферой, гидросферой и литосферой, а также участвует в вызванных ею физических и химических процессах (движение воздуха и воды, выветривание и др.). Только около 1 % накапливается на первичном звене ее поглощения и передается потребителям уже в концентрированном виде. По словам В.И. Вернадского, зеленые хлорофилльные организмы, зеленые растения являются главным механизмом биосферы, который улавливает солнечный луч и создает фотосинтезом химические тела - своеобразные солнечные консервы, энергия которых в дальнейшем становится источником действенной химической энергии биосферы, а в значительной мере - всей земной коры. Без этого процесса накопления и передачи энергии живым веществом невозможно было бы развитие жизни на Земле и образование современной биосферы.

Каждый последующий этап развития жизни сопровождался все более интенсивным поглощением биосферой солнечной энергии. Одновременно нарастала энергоемкость жизнедеятельности организмов в изменяющейся природной среде, и всегда накопление и передачу энергии осуществляло живое вещество. Современная биосфера образовалась в результате длительной эволюции под влиянием совокупности космических, геофизических и геохимических факторов. Первоначальным источником всех процессов, протекавших на Земле, было Солнце, но главную роль в становлении и последующем развитии биосферы сыграл фотосинтез. Биологическая основа генезиса биосферы связана с появлением организмов способных использовать внешний источник энергии, в данном случае энергию Солнца, для образования из простейших соединений органических веществ, необходимых для жизни.

Под фотосинтезом понимается превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами при участии энергии света и поглощающих свет пигментов (хлорофилл и др.) простейших соединений

(воды, углекислого газа и минеральных элементов) в сложные органические вещества, необходимые для жизнедеятельности всех организмов.

Процесс фотосинтеза протекает следующим образом. Фотон солнечного света взаимодействует с молекулой хлорофилла, содержащегося в хлоропласте зеленого листа, в результате чего высвобождается электрон одного из ее атомов. Этот электрон, перемещаясь внутри хлоропласта, реагирует с молекулой АДФ, которая, получив достаточную дополнительную энергию, превращается в молекулу АТФ - вещества, являющегося энергоносителем. Возбужденная молекула АТФ в живой клетке, содержащей воду и диоксид углерода, способствует образованию молекул сахара и кислорода, а сама при этом утрачивает часть энергии и превращается вновь в молекулу АДФ.

В результате фотосинтеза растительность земного шара ежегодно усваивает около 2 млрд т углекислого газа и выделяет в атмосферу примерно 145 млрд т свободного кислорода, при этом образуется более 100 млрд т органического вещества. Если бы не жизнедеятельность растений, исключительно активные молекулы кислорода вступили бы в различные химические реакции, и свободный кислород исчез бы из атмосферы примерно за 10 тыс. лет. К сожалению, варварское сокращение человеком массивов зеленого покрова планеты являет реальную угрозу уничтожения современной биосферы. В процессе фотосинтеза одновременно с накоплением органического вещества и продуцированием кислорода растения поглощают часть солнечной энергии и удерживают ее в биосфере. На фотосинтез используется около 1 % солнечной энергии, падающей на Землю. Возможно, этот низкий показатель связан с малой концентрацией углекислого газа в атмосфере и гидросфере. Ежегодно фотосинтезирующие организмы суши и океана связывают около 3-10 18 кДж солнечной энергии, что примерно в десять раз больше той энергии, которая используется человечеством.

В отличие от зеленых растений некоторые группы бактерий синтезируют органическое вещество не за счет солнечной энергии, а за счет энергии, выделяющейся в процессе реакций окисления серных и азотных соединений. Этот процесс именуется хемосинтезом. По сравнению с фотосинтезом, в накоплении органического вещества в биосфере он играет ничтожно малую роль. Внутри экосистемы энергия в виде пищи распределяется между животными. Синтезированные зелеными растениями и хемо- бактсриями органические вещества (сахара, белки и др.), последовательно переходя от одних организмов к другим в процессе их питания, переносят заключенную в них энергию. Растения поедают растительноядные животные, которые, в свою очередь, становятся жертвами хищников и т.д. Этот последовательный и упорядоченный поток энергии является следствием энергетической функции живого вещества в биосфере.

Энергетическая функция живого вещества заключается в трансформации более 99 % энергии, поступающей на поверхность Земли от Солнца. Преимущественно эта энергия идет на химические и физические процессы в гидросфере, литосфере и атмосфере. На Земле существует только один процесс, когда энергия Солнца связывается и запасается (иногда на довольно продолжительное время) в виде энергии органических соединений, - это фотосинтез. Сжигая уголь, мы используем солнечную энергию, которую запасли растения сотни миллионов лет назад. Для современной биосферы характерны залежи угля и других органических веществ, которые образовались в палеозое, мезозое и кайнозое.

Окислительно-восстановительная функция тесно связана с энергетической. Существуют микроорганизмы, которые в процессе жизнедеятельности окисляют или восстанавливают различные соединения, получая при этом энергию для жизненных процессов. Велико их значение для образования многих полезных ископаемых. Например, деятельность железобактерий по окислению железа привела к образованию таких осадочных пород, как железные руды; серобактерии, восстанавливая сульфаты, образовали месторождения серы.

Деструктивная функция. Минерализация органических веществ, разложение отмершей органики до простых неорганических соединений, химическое разложение горных пород, вовлечение образовавшихся минералов в биотический круговорот определяет деструктивную (разрушительную) функцию живого вещества. Данную функцию в основном выполняют грибы, бактерии. Мертвое органическое вещество разлагается до простых неорганических соединений (углекислого газа, воды, сероводорода, метана, аммиака и т.д.), которые вновь используются в начальном звене круговорота. Этим занимается специальная группа организмов - редуценты (деструкторы).

Особо следует сказать о химическом разложении горных пород. Благодаря живому веществу биотический круговорот пополняется минералами, высвобождаемыми из литосферы. Например, плесневый грибок в лабораторных условиях за неделю высвобождал из вулканической горной породы 3 % содержащегося в ней кремния, 11 % алюминия, 59 % магния, 64 % железа. Сильнейшее химическое воздействие на горные породы растворами целого комплекса кислот - угольной, азотной, серной и разнообразных органических - оказывают бактерии, сине-зеленые водоросли, грибы и лишайники. Разлагая с их помощью те или иные минералы, организмы избирательно извлекают и включают в биотический круговорот важнейшие элементы - кальций, калий, натрий, фосфор, кремний, микроэлементы. Общая масса зольных элементов, вовлекаемая ежегодно в биотический круговорот только на суше, составляет около 8 млрд т, что в несколько раз превышает массу продуктов извержения всех вулканов мира на протяжении года. Благодаря жизнедеятельности организмов-деструкторов создается уникальное свойство почв - их плодородие.

Редуцентная функция заключается в том, что за счет жизнедеятельности огромного количества гетеротрофов, в основном грибов, животных и микроорганизмов, происходит работа по разложению органических остатков. Органические соединения разлагаются до углекислого газа, аммиака, воды, а в анаэробных условиях - еще и до водорода и углерода. Продукты минерализации вновь используются автотрофами. Так, осуществляется круговорот веществ в природе. Кроме того, в почве часть веществ ароматической природы, которые высвобождаются под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов, опять сконденсируется с образованием сложного комплекса соединений - почвенного гумуса. Этот процесс стимулируется деятельностью многих почвенных групп гетеротрофов. Гумус является основой плодородия почвы.

Концентрационная функция. Концентрационная (накопительная) функция - избирательное накопление определенных веществ, рассеянных в природе, - водорода, углерода, азота, кислорода, кальция, магния, натрия, калия, фосфора и многих других, включая тяжелые металлы, в живых существах. Раковины моллюсков, панцири диатомовых водорослей, скелеты животных - все это примеры проявления концентрационной функции живого вещества.

Способность концентрировать элементы из разбавленных растворов - это характерная особенность живого вещества. Наиболее активными концентраторами многих элементов являются микроорганизмы. Например, в продуктах жизнедеятельности некоторых из них по сравнению с природной средой содержание марганца увеличено в 1,2 млн раз, железа - в 65 тыс. ванадия - в 420 тыс., серебра - в 240 тыс. раз.

Для построения своих скелетов или покровов морские организмы активно концентрируют рассеянные минералы. Так, существуют кальциевые (известковые водоросли, моллюски, кораллы, мшанки, иглокожие и т.п.) и кремниевые (диатомовые водоросли, кремниевые губки, радиолярии) организмы. Особого внимания заслуживает способность морских организмов накапливать микроэлементы, тяжелые металлы, в том числе ядовитые (ртуть, свинец, мышьяк) и радиоактивные элементы. В теле беспозвоночных и рыб их концентрация может в сотни тысяч раз превосходить содержание в морской воде. Вследствие этого морские организмы полезны как источник микроэлементов, но, вместе с тем, употребление их в пищу может грозить отравлением тяжелыми металлами или быть опасным в связи с повышенной радиоактивностью.

Концентрационная функция заключается в том, что многочисленные организмы наделены способностью накапливать, концентрировать в себе определенные элементы, несмотря на слишком ничтожное содержание их в окружающей среде. Организмы могут концентрировать в себе кальций, кремний, натрий, аммоний, йод и т.д. Отмирая, они образуют сочетание этих веществ. Возникают залежи таких соединений, как известняки, бокситы, фосфориты, осадочная железная руда и др. Многие из них человек использует как полезные ископаемые.

Средообразующая функция. Живое вещество преобразует физикохимические параметры среды в условия, благоприятные для существования организмов. В этом проявляется еще одна главная функция живого вещества - средообразующая. Например, леса регулируют поверхностный сток, увеличивают влажность воздуха, обогащают атмосферу кислородом. Можно сказать, что средообразующая функция - совместный результат всех рассмотренных выше функций живого вещества: энергетическая функция обеспечивает энергией все звенья биологического круговорота (в ходе фотосинтеза растения выполняют газовую функцию: поглощают углекислый газ и выделяют кислород); деструктивная и концентрационная способствуют извлечению из природной среды и накоплению рассеянных, но жизненно важных для организмов элементов.

Средообразующис функции живого вещества создали и поддерживают баланс вещества и энергии в биосфере, обеспечивая стабильность условий существования организмов, в том числе человека. Вместе с тем живое вещество способно восстанавливать условия обитания, нарушенные в результате природных катастроф или антропогенного воздействия. Эта способность живого вещества к восстановлению благоприятных условий существования заключается в том, что изменение любых переменных в системе в ответ на внешние возмущения происходит в направлении компенсации производимых возмущений. В теории управления аналогичное явление носит название отрицательных обратных связей. Благодаря этим связям, система возвращается в первоначальное состояние, если производимые возмущения не превышают пороговых значений. Например, на повышение содержания углекислого газа в атмосфере биосфера отвечает усилением фотосинтеза, который снижает концентрацию кислорода. Таким образом, устойчивость биосферы оказывается явлением не статическим, а динамическим.

Средообразующая роль живого вещества имеет химическое проявление и выражается в соответствующих биогеохимических функциях, которые свидетельствуют об участии живых организмов в химических процессах изменения вещественного состава биосферы. В результате средообразующей функции в географической оболочке произошли следующие важнейшие события: был преобразован газовый состав первичной атмосферы; изменился химический состав вод первичного океана; образовалась толща осадочных пород в литосфере; на поверхности суши возник плодородный почвенный покров (также плодородны воды океана, рек и озер). Живое вещество выполняет следующие биогеохимические функции: газовые, концентрационные, окислительно-восстановительные, биохимические и биогеохимические, связанные с деятельностью человека.

Газовая функция живого вещества связана с тем, что многие газы планеты имеют органическое происхождение, то есть являются продуктами жизнедеятельности живых существ. Так, кислород в атмосфере, на долю которого приходится 21 %, выделяется в результате фотосинтеза зелеными растениями. Накопление кислорода в атмосфере началось еще до наступления палеозоя, содержание его, по некоторым данным, не превышает 10% современного уровня. Весь имеющийся свободный кислород в атмосфере оценивается в 1,6-10 16 г, зеленые растения могут воспроизвести его за 10000 лет. В верхних слоях тропосферы под действием ультрафиолетового излучения из кислорода образуется озон. Существование озонового экрана также является следствием деятельности живого вещества, которое, по выражению В.И. Вернадского, «словно создает себе сферу жизни».

Углекислый газ является также продуктом дыхания всех живых существ планеты. Современная атмосфера содержит 0,3 % ССЬ. Содержание СОт в атмосфере раннего периода развития жизни был значительно выше. В течение фансрозоя он менялся в достаточно широком диапазоне.

Азот может поступать в атмосферу за счет процесса денитрификации (восстановление окислов азота до свободного азота). Этот процесс происходит под действием микроорганизмов в почвах в анаэробных условиях.

К газам органического происхождения принадлежит также сероводород, метан и множество других летучих соединений, созданных живым веществом. В течение одного дня 1 га елового леса может выделить в атмосферу до 30 кг летучих веществ - фитонцидов. В целом биосфера похожа на гигантский организм, в котором автоматически поддерживаются гомеостаз и существуют различные связи: энергетические, химические, трофические, информационные.

Вследствие выполнения живым веществом газовых биогеохимических функций в течение геологического развития Земли сложился современный химический состав атмосферы с уникально высоким содержанием кислорода и низким содержанием углекислого газа, а также умеренные температурные условия. Однако не весь кислород атмосферы имеет биогенное происхождение: 30 % его поступило в воздушный бассейн в результате дегазации недр. Рассмотрим влияние средообразующей функции организмов на содержание кислорода и углекислого газа в атмосфере.

Повышение концентрации кислорода в атмосфере вызывает «парниковый» эффект и способствует потеплению климата. Свободный кислород выделяется при фотосинтезе. Впервые на Земле массовое развитие фотосинтезирующих организмов - сине-зеленых водорослей - имело место 2,5 млрд лет назад. Благодаря этому в атмосфере появился кислород, что дало импульс быстрому развитию животных. Однако интенсивный фотосинтез сопровождался усиленным потреблением кислорода и уменьшением его содержания в атмосфере. Это привело к ослаблению «парникового» эффекта, резкому похолоданию и первому в истории планеты (гуронскому) оледенению.

Все живые существа планеты Земля вступают в тесную связь друг с другом и с окружающей средой, образуя тем самым экосистемы. Эти сообщества взаимодействующих организмов не изолированы одно от другого. Они связаны между собой различными взаимоотношениями, прежде всего пищевыми. Совокупность экосистем образует единую планетарную экосистему, которая называется биосферой. В этой статье будет рассмотрено строение биосферы, ее состав и основные функции.

Наука

Данное понятие было впервые введено в науку Ж. Б. Ламарком в далеком 1803 году и означало совокупность всех живых организмов планеты Земля . В конце девятнадцатого века термин " биосфера" использовал Ж. Зюсе , который включил неживую материю осадочных пород в строение биосферы. Учение о биосфере появилось в 1926 году, когда В. И. Вернадский обобщил огромное количество научных сведений, так или иначе иллюстрирующих взаимосвязь между живым и неживым веществом. Ученый смог показать, что наша планета не только заселена живыми организмами, но и активно ими преобразуется. Кроме того, по мнению Вернадского, вмешательство людей в природные процессы настолько существенно, что возможно говорить о ноосфере - новой фазе развития биосферы. На сегодняшний день наука о биосфере объединяет в себя данные из разных областей знания. Среди них можно отметить биологию, химию, геологию, климатологию, океанологию, почвоведение и прочие.

Строение биосферы таково, что живые организмы могут самостоятельно поддерживать необходимый состав почвы, атмосферы и гидросферы. Они играют ключевую средообразующую роль. На основании этого ученые выдвинули гипотезу о том, что почва и воздух были созданы самими живыми организмами на протяжении сотен миллионов лет эволюции. Изучив сходство в строении геологических пород, залегающих глубже кембрийских, с более поздними породами, Вернадский предположил, что в виде простейших организмов жизнь на планете существовала едва ли не изначально. Позже геологи доказали ошибочность этой гипотезы.

Так как солнце является энергетической основой существования всего живого на Земле, биосферу можно рассматривать как оболочку, структура и состав которой формируются за счет совместной деятельности живых организмов и определяются притоком солнечной энергии. Теперь давайте познакомимся со строением биосферы Земли.

Живое и неживое

Рассматривая состав и строение биосферы, прежде всего стоит отметить, что она состоит из живого и неживого вещества (инертной материи). Основная масса живых организмов сосредотачивается в трех геологических оболочках Земли: атмосфере (воздушный слой), гидросфере (океаны, моря и так далее) и литосфере (верхний слой породы). Однако распределяются эти оболочки в самой большой экосистеме неравномерно. Так, гидросфера представлена в строении биосферы полностью, а литосфера и атмосфера - частично (верхний и нижний слои соответственно).

Неживой компонент биосферы состоит из:

1. Биогенного вещества, которое является продуктом жизнедеятельности живых организмов. К нему относятся: каменный уголь, нефть, торф, природные известняки, газ и прочее.
2. Биокосного вещества, представляющего собой совместный результат жизнедеятельности организмов и небиологических процессов. Сюда входят: почва, ил, вода водоемов и так далее.
3. Косного вещества, которое входит в но не является продуктом жизнедеятельности живых организмов. К этой группе относятся: вода соли металлов, атмосферный азот и прочее.

Границы биосферы

Такие понятия, как состав, строение и границы биосферы, тесно связаны друг с другом. Несмотря на то что бактерии и споры были обнаружены на высоте до 85 километров, считается, что верхний предел биосферы составляет 20- 25 км. На больших высотах концентрация живого вещества ничтожно мала из-за сильного воздействия солнечного излучения.

В гидросфере жизнь присутствует повсюду. И даже в Марианской впадине, глубина которой составляет 11 км, ученый из Франции Ж. Пикар наблюдал не только беспозвоночных, но и рыб. Под более чем 400-метровой толщей антарктического льда живут бактерии, водоросли, фораминиферы и ракообразные. Бактерии встречаются под километровым слоем ила и в подземных водах. Тем не менее наибольшая концентрация живых существ наблюдается на глубине до 3 км. Таким образом, границы и строение биосферы в разных частях планеты могут быть разными.

Атмосфера, литосфера и гидросфера

Атмосфера состоит главным образом из кислорода и азота. В небольших количествах в ней содержатся аргон, углекислый газ и озон. От состояния атмосферы зависит жизнь как сухопутных, так и водных существ. Кислород необходим для дыхания живых организмов и минерализации отмирающих органических веществ. Ну а углекислый газ используется растениями для фотосинтеза.

Литосфера имеет толщину от 50 до 200 км, тем не менее основное количество видов живых организмов сосредотачивается в ее верхнем слое толщиной несколько десятков сантиметров. Распространение жизни вглубь литосферы ограничено в силу ряда факторов, главными из которых являются: отсутствие света, высокая плотность среды и высокая температура. Таким образом, нижней границей распространения жизни в литосфере является глубина в 3 км, на которой были обнаружены некоторые виды бактерий. Справедливости ради стоит отметить, что они жили не в грунте, а в подземных водах и нефтеносных горизонтах. Ценность литосферы состоит в том, что она дает жизнь растениям, питая их всеми необходимыми веществами .

Гидросфера является важнейшим компонентом биосферы. Порядка 90 % запаса воды приходится на Мировой океан, который занимает 70 % поверхности планеты. Он содержит 1,3 млрд км 3 , а реки и озера - 0,2 млн км 3 воды. Важнейшим фактором жизнедеятельности организма является содержание в воде кислорода и углекислого газа.

Увлекательные цифры

И состав, и строение, и функции биосферы удивляют своими масштабами. С некоторыми интересными фактами мы с вами сейчас познакомимся. В воде содержится в 660 раз больше углекислого газа, чем в воздухе. На суше преобладает разнообразие растительного мира, а в море - животного. 92 процента всей биомассы на суше приходится на зеленые растения. В океане же 94 % составляют микроорганизмы и животные.

В среднем раз в восемь лет биомасса Земли обновляется. Растениям суши для этого нужно 14 лет, океана - 33 дня. На то, чтобы вся вода земного шара прошла через живые организмы, понадобится 3000 лет, кислород - до 5000 лет, а углекислый газ - 6 лет. У азота, углерода и фосфора эти циклы еще более длительные. Биологический круговорот не замкнут - порядка 10 % живого вещества переходит в осадочные отложения и захоронения.

На биосферу приходится всего 0,05 % от массы нашей планеты. Она занимает порядка 0,4 % от объема Земли. Масса живых существ составляет всего 0,01- 0,02 % от массы косного вещества, тем не менее они играют весьма значительную роль в геохимических процессах.

Ежегодно продуцируется 200 млрд тонн сухого веса органики, а в процессе фотосинтеза поглощается 170 млрд тонн углекислого газа. В процессе жизнедеятельности микроорганизмов в биогенный круговорот каждый год вовлекается 6 млрд тонн азота и 2 млрд тонн фосфора, а также огромное количество железа, магния, серы, кальция и прочих элементов. За это время человечество добывает порядка 100 млрд тонн полезных ископаемых.

В процессе своей жизнедеятельности организмы делают существенный вклад в круговорот веществ, стабилизируя и преображая биосферу, свойства и строение которой заставляют задуматься о наличии высших сил.

Энергетическая функция

Познакомившись со строением и составом биосферы, переходим к ее функциям. Начнем с энергетической. Как известно, растения поглощают солнечное излучение и насыщают биосферу жизненно необходимой энергией. Примерно 10 % улавливаемого света продуценты используют для своих нужд (в основном для клеточного дыхания). Все остальное через пищевые цепи распространяется по всем экосистемам биосферы. Часть энергии консервируется в недрах земли, насыщая их своей силой (уголь, нефть и т. д.).

Даже рассматривая функции и строение биосферы кратко, всегда выделяют окислительно-восстановительную функцию как подвид энергетической. Будучи продуцентами, могут извлекать энергию из реакций окисления и восстановления неорганических соединений. В процессе окисления сероводорода энергией питаются серобактерии, а железа (из 2-валентного в 3-валентное) - железобактерии. Нитрифицирующие также не сидят без дела. Они окисляют аммонийные соединения до нитратов и нитритов. Именно для этого фермеры удобряют свои поля соединениями аммония, которые сами по себе растениями не усваиваются. При удобрении грунта непосредственно нитратами запасающие ткани растений перенасыщаются водой, что приводит к ухудшению их вкусовых качеств и увеличению опасности возникновения заболеваний пищеварительной системы у тех, кто употребляет их в пищу.

Средообразующая функция

Живые организмы формируют почву, а также регулируют состав воздушной и Если бы на планете не существовало фотосинтеза, запас атмосферного кислорода был бы израсходован за 2000 лет. Кроме того, буквально через один век, из-за увеличения концентрации углекислого газа в воздухе, организмы начали бы гибнуть. За один день лесной массив может поглотить из 50-метрового слоя воздуха до 25 % двуокиси углерода. Дерево среднего размера способно обеспечить кислородом четырех человек. Один гектар лиственного леса, расположенный около города, ежегодно задерживает порядка 100 тонн пыли. Озеро Байкал, которое славится своей кристальной чистотой, является таковым благодаря меленьким рачкам, которые трижды за год «процеживают» его. И это лишь несколько примеров того, как живые организмы регулируют состав веществ в биосфере.

Концентрационная функция

Живые существа, и в особенности микроорганизмы, способны концентрировать множество химических элементов, находящихся в биосфере. Практически 90 % почвенного азота являются результатом деятельности синезеленых водорослей. Бактерии могут концентрировать железо (к примеру, окисляя гидрокарбонат, растворимый в воде, до гидроксида, оседающего в среде их обитания), марганец и даже серебро. Эта удивительная особенность позволила ученым полагать, что именно благодаря микроорганизмам на земле столько месторождений металлов.

В некоторых странах такие элементы, как германий и селен добывают из растений. может накапливать в 10 тысяч раз больше титана, чем содержится в окружающей ее морской воде. В каждой тонне бурых водорослей содержится несколько килограмм йода. Австралийский дуб накапливает алюминий, сосна - бериллий, береза - барий и стронций, лиственница - ниобий и марганец, а торий концентрируется в осине, черемухе и пихте. Кроме того, некоторые растения даже «собирают» драгоценные металлы. Так, в 1 тонне золы полыни может быть до 85 граммов золота!

Деструктивная функция

Химическое строение биосферы Земли и ее окружения предполагает не только созидательные, но и разрушающие процессы. Впрочем, они также играют большую роль в регуляции веществ на планете. При активной жизнедеятельности живых организмов происходит минерализация органических остатков и выветривание горных пород. Бактерии, грибы, синезеленые водоросли и лишайники могут разрушать твердые породы за счет выделения угольной, азотистой и серной кислот. Разъедающие соединения также выделяют корни деревьев. Есть такие бактерии, которые даже могут разрушить стекло и золото.

Транспортная функция

Рассматривая строение и функции биосферы, нельзя упустить из виду перенос масс вещества. Дерево поднимает воду из земли в атмосферу, крот выбрасывает землю наверх, рыба плывет против течения, стая саранчи мигрирует - все это является проявлением транспортной функции биосферы.

Живое вещество может проделывать грандиозную геологическую работу, формируя новый облик биосферы и активно участвуя во всех ее процессах.

Отдельно стоит отметить процесс формирования осадочных пород. Первой стадией этого процесса является выветривание - разрушение верхних слоев литосферы под действием воздуха, солнца, воды и микроорганизмов. Внедряясь в породу, корни растений могут разрушать ее . Вода, которая просачивается в трещины, образованные корнями, растворяет и уносит вещество. Это происходит благодаря разъедающим компонентам растения. Особенно обильно органические кислоты выделяют лишайники. Таким образом, физическое выветривание происходит вместе с химическим.

Благодаря отмиранию организмов планктона на дне мирового океана ежегодно отлагается до 100 млн тонн известняков. Многие из них имеют химическое происхождение, находясь, к примеру, в области контакта кислотных и щелочных подземных вод. При отмирании одноклеточных водорослей и радиолярий формируются кремнийсодержащие илы, которые покрывают сотни тысяч км 2 морского дна.

Почвообразующая функция

Свойства и строение биосферы настолько всеобъемлющи, что все ее функции тесно связаны между собой. Так, почвообразование является одним из ответвлений обмена масс и средообразования, но рассматривается отдельно в силу свое важности. При разрушении и дальнейшей переработки горных пород микроорганизмами образуется рыхлая плодотворная оболочка земли, именуемая почвой. Корни крупных растений извлекают минеральные элементы из глубоких горизонтов, обогащая ими верхние слои грунта и повышая их плодотворность. Почва получает органические соединения из мертвых корней и стеблей растений, а также экскрементов и трупов животных. Эти соединения являются пищей для почвенных организмов, которые минерализуют органику, продуцирую углекислый газ, органические кислоты и аммиак.

Беспозвоночные животные, насекомые, а также их личинки, играют важнейшую структурообразующую роль. Они делают почву рыхлой и пригодной для жизни растений. Позвоночные животные (кроты, землеройки и прочие) разрыхляют землю, способствуя благополучному произрастанию в ней кустарников. Ночью в землю проникает охлажденный сжатый воздух, который необходим для дыхания корней и микроорганизмов.

Такое вот удивительно строение у биосферы.