БИОСФЕРА И ЧЕЛОВЕК

СТРОЕНИЕ, ФУНКЦИИ, ЭВОЛЮЦИЯ БИОСФЕРЫ Состав биосферы

Биосфера — оболочка Земли, населенная живыми организмами и преобразованная ими. Суть концепции биосферы была впервые предложена известным ученым-естествоиспытателем Ж.Б. Ламарком (1744-1829), но термин был введен в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Э. Зюсом (1831 —1914) —область земной поверхности, населенная жизнью. Целостное учение о биосфере было разработано выдающимся российским естествоиспытателем В.И. Вернадским (1863—1945). Он рассматривает биосферу не как простую совокупность живых организмов, а как единую термодинамическую оболочку, в которой сосредоточена жизнь и осуществляется постоянное взаимодействие всего живого с неорганическими условиями среды.

В общем случае можно сказать что биосфера — это часть литосферы (литобиосферы), атмосферы (аэробиосферы) и гидросферы (гидробиосферы), заселенная живыми организмами. Границы биосферы определяются условиями существования жизни, такими как достаточное количество воды, минеральных веществ, кислорода, углекислого газа, благоприятный температурный режим и др. Теоретические пределы биосферы чрезвычайно широки. Область жизни в атмосфере фактически исчезает за озоновым слоем. Гидросфера в настоящее время считается заселенной полностью. В литосфере основная масса живых организмов сосредоточена в почвенном слое, на глубине, не превышающей нескольких метров, однако теоретические пределы распространения жизни в ней гораздо шире. По максимальным оценкам специалистов, граница литобиосферы находятся на глубине около 25 км, причем должна существовать критическая температура (460 °С), при которой при любом давлении вода превращается в пар и жизнь принципиально невозможна. Однако основная масса живого вещества сосредоточена в относительно узком пространстве, называемом биогеосферой, или пленкой жизни (рис. 2.1). Ее верхняя граница расположена на высоте нескольких десятков метров над поверхностью растительного покрова на суше или над океаном; нижняя — по горизонту грунтовых вод или максимального проникновения корней растений и роющих животных. В океане биогеосфера ограничена слоем проникновения солнечных лучей, необходимых для осуществления фотосинтеза микроводорослями (не более 100 м) или глубиной сохранения биологической активности в донных осадках. Хотя в остальной части биосферы содержится ничтожное количество живых организмов, она заполнена продуктами их жизнедеятельности (газами атмосферы, органическими веществами).

Гидросфера. В состав гидросферы (гидробиосферы) включают все типы водоемов. Ее подразделяют на Мировой океан, континентальные воды и подземные воды. К гидросфере часто относят воду, входящую в состав ледников, и почвенную влагу.

Основная масса воды сосредоточена в водоемах океанического типа (71 % поверхности Земли занимает Мировой океан, 5% — внутренние водоемы). В гидросфере океан составляет 94%, подземные воды — 4,1%, ледники — 1,6%, озера — 0,016%, почвенная влага — 0,005%, пары атмосферы — 0,001 %, а речные воды составляют лишь 0,0001 %.

Вода имеет огромное значение для поддержания жизни на Земле. Без нее невозможно осуществление метаболизма. Эго значение обусловлено прежде всего уникальными свойствами воды. Она является универсальным растворителем, поэтому в водной среде осуществляются все биохимические реакции. Большое экологическое значение имеют высокая плотность и вязкость воды. Плотность воды примерно в 800—1000 раз (в зависимости от солености) выше плотности воздуха. В результате водные организмы (особенно активно передвигающиеся животные) сталкиваются с достаточно мощными силами гидродинамического сопротивления, что направило эволюцию многих групп

1 Лапин В.Л., Мартинсен А.Г., Попов В.М. Основы экологических знаний инженера. М.: Экология, 1996. С. 3.

животных на формирование органов и типов движения, снижающих лобовое сопротивление. В связи с высокой плотностью водной среды многие ее обитатели лишены обязательной связи с субстратом, характерной для наземных форм организмов и вызванной силами гравитации. В толще Мирового океана сложились комплексы живых организмов, свободно «парящих» в воде и самостоятельно поддерживающих круговорот веществ. Благодаря этому жизнь распространена в гидросфере по всей ее толщине, встречаясь даже в самых глубоководных океанических впадинах — на глубине до 11 км, где давление достигает ЮОатм.

Атмосфера. Атмосфера — это газовая (воздушная) среда вокруг Земли, вращающаяся вместе с ней. Современная атмосфера по химическому составу относится к азотно-кислородному типу (азота — 78,09%, кислорода — 20,95%, аргона — 0,93%, углекислого газа — 0,03%, неона — 0,0018%, гелия — 0,00052%, метана — 0,00015%). Кислород, углекислый газ и азот являются наиболее важными компонентами воздуха. Они участвуют во всех основных биологических циклах.

Своеобразие состава современной атмосферы Земли выражается в ничтожном содержании инертных газов (кроме аргона) и молекулярного водорода. Прозрачность атмосферы определяется тем, что до поверхности планеты доходит порядка 47% падающего на внешнюю границу планеты потока солнечного излучения. Немногим менее половины его составляет фотосинтетически активная радиация с длиной волны 380—710 нм.

Свойства газовой оболочки Земли неодинаковы по вертикали. В частности, большое значение имеет высотное падение атмосферного давления, так как процессы фотосинтеза и дыхания зависят соответственно от величины парциального давления кислорода и углекислого газа в среде. Основной запас воздуха сосредоточен в нижнем слое атмосферы, тропосфере. Нижние, прилегающие к поверхности Земли слои тропосферы, имеющие высоту около 3 км, подвержены действию географических факторов (рельефа, континентов или океанов). В этой части атмосферы сосредоточена основная масса водяного пара и загрязняющих веществ, поступающих с поверхности Земли. Над этим слоем располагается свободная атмосфера, которую от вышележащей стратосферы отделяет тропосфера. Циркуляция воздушных масс в тропосфере регулирует погоду и ее изменения. Над тропосферой располагается стратосфера, в которой расположен так называемый озоновый слой, представляющий собой область повышенной концентрации озона (О^), сосредоточенную на высоте 22—24 км. Озоновый экран имеет огромное значение для сохранения жизни на Земле: в слое озона поглощается большая часть идущего от Солнца ультрафиолетового излучения (его коротковолновая составляющая — жесткое ультрафиолетовое излучение — наиболее губительна для живых организмов).

До поверхности доходит только мягкая часть потока ультрафиолетового излучения с длиной волны около 300—400 нм, относительно безвредная, а по некоторым параметрам необходимая для нормального развития и функционирования живых организмов.

Воздух как среда жизни обладает определенными особенностями. Так, высокое содержание кислорода определяет возможность формирования высокого уровня энергетического метаболизма (обмена веществ между организмом и средой). Не случайно именно в этой среде возникли гомойотермные животные (организмы, поддерживающие температуру тела на постоянном, не зависящем от среды уровне — птицы, млекопитающие), отличающиеся высоким уровнем энергетики организма, большой степенью автономности относительно внешних условий. Кроме того, атмосферный воздух отличается низкой и изменчивой влажностью, что ограничило возможности освоения воздушной среды и дало направление эволюции системы водно-солевого обмена и структуру органовдыхания ее обитателей. Также следует отметить низкую плотность воздуха в атмосфере как среде жизни, благодаря чему жизнь сосредоточена вблизи поверхности земли, она проникает в толщу атмосферы на высоту не более 50—70 м (кроны деревьев тропических лесов). Если исключить единичные случаи «рекордных подъемов», верхней границей распространения жизни в атмосфере (границей аэробиосферы) следует считать высоты порядка 8—10 км.

Литосфера. Литосфера — «каменная» оболочка Земли. Жизнь сосредоточена только в ее верхнем слое — почве. Почва — это продукт физического, химического и биологического выветривания поверхностного слоя литосферы, содержащего, как неорганические, так и органические компоненты. Как правило, этот слой выделяют в единую оболочку, которую называют эдафосферой или педасферой.

Почву в биосфере можно определить как связующее звено биологического и геологического круговоротов. Почва служит источником вещества для образования минералов, горных пород, полезных ископаемых и способствует переносу аккумулированной солнечной энергии в глубокие слои литосферы.

Образование почвы невозможно без участия живых организмов, воды и воздуха. При определенных климатических условиях на каждой материнской породе поселяется определенный вид растительности. Между минеральными и органическими компонентами, растительностью и почвенными микроорганизмами возникает множество взаимосвязей, которые определяют состав почв. Большинство почв характеризуется наличием слоев с одинаковыми признаками, или горизонтов. Поверхностный горизонт обычно состоит из остатков растительности, составляющих основу гумуса.

Гумус — это высокомолекулярные темноокрашенные органические вещества почвы, содержащие гуминовые кислоты, фульвокислоты, гумин и ульмин. Образуется он в результате гумификации продуктов разложения органических остатков и содержит элементы питания растений. Избыток или недостаток гумуса определяет плодородие почвы, так как с его помощью осуществляются обменные процессы, в которых участвуют не только кислород, углерод, азот и вода, но и различные минеральные соли, присутствующие в почве.

В гумусе содержатся углерод, водород, кислород, азот, определенное количество фосфора, кальция, серы и других химических элементов. В верхних горизонтах почвы содержание гумуса колеблется от десятых долей до 18% (в черноземных почвах). Мощность гумусового горизонта изменяется от нескольких сантиметров до 2,5 м. Под гумусовым горизонтом располагаются другие горизонты. Все они содержат смесь органических и минеральных элементов, которые в разной степени участвуют в деятельности почвенных микроорганизмов.

В состав минеральной части почв входят макроэлементы — кремний, алюминий, железо, калий, натрий, магний, кальций, фосфор, сера и некоторые микроэлементы — медь, молибден, йод, бор, фтор, свинец. Миграция и дифференциация химических элементов осуществляется благодаря почвенному раствору — жидкой части почвы.

Почва насыщена микроорганизмами (бактериями, водорослями, грибами, простейшими одноклеточными), в ней живут также черви и членистоногие. Так, на 1 га почвы приходится, кг: 1000—7000 бактерий, 100—3000 грибов, 10—300 водорослей, 5—10 простейших, до 1000 членистоногих и 350—1000 кольчатых червей.

Таким образом, почва в биосфере выполняет ряд важнейших функций: она фильтрует грунтовые воды, задерживает питательные вещества и воду, необходимые для роста растений, является жизненной средой для многих организмов (среди которых и те, которые делают возможным распад органических веществ); поглощает, аккумулирует и отражает солнечную энергию.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >