Состав и строение биосферы

 

Состав и строение биосферы.

 

В переводе термин «биосфера» обозначает сферу жизни и в  таком смысле он впервые был введен в науку в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом.

Первоначально под термином «биосфера»  подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих  на нашей планете, хотя иногда и указывалась  их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при  этом скорее обращалось внимание на зависимость  живой природы от сил и веществ  неорганической природы.

Первым из биологов, который  ясно указал на огромную роль живых  организмов в образовании земной коры, был Ж.Б. Ламарк. Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.

Биосфера – это совокупность частей земных оболочек (лито -, гидро- и атмосферы), которая заселена живыми организмами, находится под их воздействием и занята продуктами их жизнедеятельности. Живые организмы, включающие в себя все известные химические элементы, в процессе жизнедеятельности осуществляют превращение энергии.

Биосфера – глобальная экосистема. Она не образует сплошного  слоя с четкими границами, а как  бы «пропитывает» другие геосферы планеты, охватывая всю гидросферу, верхнюю  часть литосферы и нижнюю часть  атмосферы.

Биосфера располагается  на стыке литосферы, гидросферы и  атмосферы. В атмосфере верхние  границы жизни определяются озоновым экраном - тонким слоем озона на высоте около 20 км. Океан населен жизнью целиком, до дна самых глубоких впадин в 10-11 км. В твердую часть Земли жизнь проникает до 3 км.

Поток солнечной энергии  образует глобальные физические круговороты  воздуха и воды на Земле. Движение воздушных масс помимо механических эффектов (ветры, волны, течения) обуславливает  аэрогенную миграцию веществ, в первую очередь паров воды и пылевых частиц, аэрозолей разного состава. Под действием солнечной радиации в атмосфере происходят различные фотохимические реакции – фотолиз воды, образование озона, образование углеводородных смогов и др.

Глобальный круговорот воды – это самый значительный по переносимым  массам и по затратам энергии круговорот на Земле. Круговорот воды, особенно поверхностный, и подземный сток на суше определяют гидрогенную миграцию веществ, которая  помимо переноса состоит из множества  процессов растворения, ионного  обмена, окислительно-восстановительных  реакций, кристаллизации, осаждения  и т.д.

Таким образом, кроме физических круговоротов воды и воздуха, вызываемых потоком солнечной энергии, в  них вовлечены еще и физико-химические круговороты многих химических элементов  и их соединений. В значительной части этих процессов участвуют  живые организмы. Особенно характерно это для аквальных систем –  рек, озер, болот, морей.

Большой круговорот длится миллионы лет. Горные породы разрушаются, выветриваются и потоками вод сносят в Мировой океан, где образуются мощные морские напластования.

Малый круговорот, являясь  частью большого, происходит на уровне биогеоценоза и заключается в  том, что питательные вещества почвы, воды, воздуха аккумулируются в растениях, расходуются на создание их массы  и жизненные процессы в них. Продукты распада органического вещества под воздействием бактерий вновь  разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям, и вовлекаются  ими в поток вещества.

В круговороте веществ  участвуют три группы организмов:

- Продуценты (производители)  – автотрофные организмы и  зеленые растения, которые используя  солнечную энергию, создают первичную  продукцию живого вещества.

- Консументы (потребители)  – гетеротрофные организмы, питающиеся  за счет автотрофных и друг  друга.

- Редуценты (восстановители) – организмы, питающиеся организмами,  бактериями и грибками.

Круговорот энергии связан с круговоротом веществ. Наиболее характерен для процессов, происходящих в биосфере, круговорот углерода. Соединения углерода образуются, изменяются и разрушаются. Основной путь углерода – от углекислого  газа в живое существо и обратно. Часть углерода выходит из круговорота, отлагаясь в осадочных породах  океана или в ископаемых горючих  веществах органического происхождения (торф, каменный уголь, нефть, горючие  газы), где уже аккумулирована его  основная масса. Этот углерод принимает  участие в медленном геологическом  круговороте.

Обмен углекислым газом происходит также между атмосферой и океаном.

Важную роль в биосферных процессах играет круговорота азота. В них участвует только азот, входящий в определенные химические соединения.

Фиксация его в химических соединениях происходит при вулканической  деятельности, при грозовых разрядах в атмосфере в процессе ее ионизации, при сгорании материалов. Определяющее значение в фиксации азота имеют  микроорганизмы.

Ключевым элементом биосферы является вода. Круговорот воды происходит путем испарения ее с поверхности  водоемов и суши в атмосферу, а  затем переносится воздушными массами, конденсируется и выпадает и виде осадков.

Средняя продолжительность  общего цикла обмена углерода, азота  и воды, вовлеченных биологический  круговорот – 300 - 400 лет. В соответствии с этой скоростью освобождаются  минеральные соединения, связанные  в биомассе. Освобождаются и минерализуются вещества гумуса почвы.

Круговорот веществ в  природе подразумевает общую  согласованность места, времени  и скорости процессов по уровням  от популяции до биосферы. Такую  согласованность явлений природы  называют экологическим равновесием, но это равновесие подвижно и динамично.

Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю  часть литосферы.

Атмосфера – наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с  космическим пространством; через  атмосферу осуществляется обмен  вещества и энергии с космосом.

Атмосфера имеет несколько  слоев:

тропосфера – нижний слой, примыкающий к поверхности Земли.

Основной группой компонентов  атмосферы является механическая смесь газов в атомарном, молекулярном или кластерном состояниях.

Второй важной группой  компонентов атмосферы являются атмосферные аэрозоли - взвешенные в воздухе частицы твердого тела или капель жидкости природного и антропогенного происхождения.

Третью важную группу атмосферных  компонентов составляют физические поля, постоянно присутствующие в атмосфере и определяющие многие свойства и структуру земной атмосферы.

Все компоненты земной атмосферы  имеют неоднородное распределение  вдоль земной поверхности и по высоте. Более того, изменяются основные физические параметры этих компонентов, неоднородность которых по высоте выражена более четко, чем по горизонтали.

Вертикальная протяженность  атмосферы по некоторым физическим компонентам доходит до 60-70 тыс. км без четкой верхней границы.

Тропосфера – нижний слой, примыкающий к поверхности Земли (высота 9–17 км). В нем сосредоточено около 80% газового состава атмосферы и весь водяной пар. Характеризуется падением температуры в среднем 6,5°С на 1 км при возможных отклонениях до 3°С на 1 км в ту и другую сторону. Именно в тропосфере образуются туманы и все наиболее важные виды облаков, формируются осадки, грозовая деятельность. В полярных и умеренных широтах высота тропосферы достигает 8-12 км, а в тропиках 16-18 км.

Стратосфера – следующий над тропосферой слой атмосферы, в нижней части которого температура остается постоянной и равной примерно минус 56°С (до высоты около 20 км), а затем увеличивается с возрастающим (≈2,8° С/км) градиентом до одинаковой и равной минус 2,5° С для всех широт. Рост температуру в верхних слоях стратосферы обусловлен поглощением ультрафиолетового излучения озоном.

Мезосфера – следующий над стратосферой слой атмосферы, в котором температура понижается с градиентом около 3,5 °С/км и на высоте 80-95 км составляет в среднем 88 °С. В этом слое атмосферы, как и в более низких, еще доминируют процессы турбулентного перемешивания и за счет этого отсутствуют гравитационное разделение легких и тяжелых газов.

Термосфера – слой атмосферы над мезосферой. Температура здесь растет за счет поглощения коротковолнового ультрафиолетового солнечного излучения кислородом, который при этом диссоциирует. Особую роль здесь начинает играть молекулярная диффузия газов в поле тяготения и как результат – значительное изменение с ростом высоты соотношения легких и тяжелых газов.

Экзосфера – самый верхний и разряженный слой атмосферы. Плотность газов в этом слое столь мала, что становится возможным “убегание” из атмосферы наиболее легких газов (водорода и гелия), отдельные молекулы которых имеют для этого достаточные скорости в соответствии с распределением Максвелла. Часто с точки зрения особенностей газового состава экзосфера рассматривается как верхняя часть атмосферы. При таком подходе нижняя часть атмосферы, в которой происходит полное турбулентное перемешивание азов и доля основных (О₂ и N₂) не меняется с ростом высоты, называется гомосферой.

Еще одни важным признаком, по которому в атмосфере выделяются слои, являются заряженные компоненты. Последние по разным причинам присутствуют на всех высотах, обуславливая электропроводимость  атмосферы, грозовые и другие явления  атмосферного электричества. Но в верхних  слоях атмосферы выделяются несколько  слоев повышенной концентрации заряженных частиц (которые принято называть ионосферой).

Главные атмосферные процессы, как внутренние, так и по взаимодействию с внешними факторами, являются признаками, положенными в основу часто употребляемого в литературе деления атмосферы  по высоте на нижнюю (тропосферу и стратосферу), среднюю и верхнюю. Наконец, область околоземного пространства, которая под действием магнитного поля Земли обтекается солнечным ветром и имеет несферическую форму, часто рассматривается как продолжение атмосферы и называется магнитосферой Земли.

Очень важным для понимания  биосферы было установление немецким физиологом Пфефером (1845-1920) трех способов питания живых организмов:

автотрофное – построение организма за счет использования  веществ неорганической природы;

гетеротрофное – строение организма за счет использования  низкомолекулярных органических соединений;

микотрофное – смешанный  тип построения организма (автотрофно- гетеротрофный).

Гидросфера – водная оболочка Земли. Вследствие высокой подвижности  вода проникает повсеместно в  различные природные образования, даже наиболее чистые атмосферные воды содержат от 10 до 50 мг/л растворимых  веществ.

Литосфера – внешняя твердая  оболочка Земли, состоящая из осадочных  и магматических пород. В настоящее  время земной корой принято считать  верхний слой твердого тела планеты, расположенный выше сейсмической границы  Мохоровичича. Поверхностный слой литосферы, в котором осуществляется взаимодействие живой материи с минеральной (неорганической), представляет собой почву. Остатки  организмов после разложения переходят  в гумус (плодородную часть почвы). Составными частями почвы служат минералы, органические вещества, живые  организмы, вода, газы.

Ведущую роль выполняет кислород, на долю которого приходится половина массы земной коры и 92% ее объема, однако кислород прочно связан с другими  элементами в главных породообразующих минералах. Т.о. в количественном отношении  земная кора – это «царство» кислорода, химически связанного в ходе геологического развития земной коры.

Биосфера имеет мозаичное  строение, слагаясь из отдельных относительно самостоятельных частей. Эти части, получившие название биоценозов и экосистем, представляют собой своеобразную уменьшенную  модель биосферы .

Структурной единицей биосферы является экосистема, характеризующая  собой совокупность на определенном участке земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, растительности, животного  мира и мира микроорганизмов, почвы  и гидрологических условий).

Биосфера - важнейшая система, значимость которой невозможно переоценить, т.к. именно биосфера является той средой, в которой человечество может  существовать.

Современная структура биосферы - продукт длительной эволюции многих систем разной сложности, последовательно  стремящихся к состоянию динамического  равновесия. Практическое значение учения о биосфере огромно. Особенно заинтересованы в развитии этого учения здравоохранение, сельское и промысловое хозяйство  и другие отрасли человеческой практики, чаще других, сталкивающиеся с "ответными  ударами" со стороны биосферы, вызванными неразумным или неосторожным преобразованием  природы человеком.

В настоящий период человек  стал главной силой, которая изменяет процессы в биосфере, а управлять  ими человек только учится. Ему  предстоит найти пути рационального  использования природных ресурсов и сбалансированного природопользования.