Біосфера

Біосфера - це одна з оболонок земної кулі, населена живими організмами і активно перетворюється ними.

Термін "біосфера" був запропонований австралійським геологом Е. Зюссом в 1875 р для позначення оболонки Землі, утвореної сукупністю живих організмів, що укладається в біологічну концепцію біосфери.

Подання про широкий вплив життя на природні процеси було сформульовано В. В. Докучаєвим, який показав залежність процесів грунтоутворення не тільки від клімату, але і від сукупного впливу рослинних і тваринних організмів.

В. І. Вернадський розвинув цей напрям і розробив вчення про біосферу як глобальну систему нашої планети, в якій основний хід геохімічних та енергетичних процесів визначається живою речовиною. Він поширив поняття біосфери не тільки на самі організми, але і на середовище їхнього проживання. Це додало концепції біосфери біогеохімічний сенс. До цього всі явища, що змінюють в масштабі геологічного часу вигляд Землі, розглядалися як суто фізичні, хімічні або фізико-хімічні (розмив, розчинення, осадження, вивітрювання порід і т.д.). В. І. Вернадський створив вчення про геологічну роль живих організмів і показав, що діяльність останніх є найважливішим фактором перетворення мінеральних оболонок Землі.

З ім'ям Вернадського пов'язано створення соціально-економічної концепції біосфери, що відбиває її перетворення на певному етапі в ноосферу. Це пов'язано з діяльністю людини, яка набуває роль самостійної геологічної сили. З огляду на системний

рівень організації біосфери, а також те, що в основі її функціонування лежать кругообіг речовин і енергії, сучасною наукою сформульовані біохімічна, термодинамічна, биогеоценотическом, кібернетична концепції біосфери.

Згідно В. І. Вернадського, біосфера - це така оболонка, в якій існує і існувала в минулому життя і яка піддавалася і піддається впливу живих організмів.

Ця оболонка включає:

  • - Жива речовина, утворене сукупністю організмів;
  • - Біогенну речовину, що створюється і переробляється в процесі життєдіяльності організмів (гази атмосфери, кам'яне вугілля, нафта, сланці, вапняки та ін.);
  • - Відстале речовина, яка утворюється без участі живих організмів (продукти тектонічної діяльності, метеорити);
  • - Биокосное речовина, що представляє собою спільний результат життєдіяльності організмів і абіогенним процесів (грунти).

Область поширення організмів в біосфері зображена графічно на рис. 1.7, а темпи циркуляції речовин в біосфері - на рис. 1.8.

В. І. Вернадський визначив біосферу як термодинамічну оболонку з температурою від + 50 ° до -50 ° С і тиском близько 1 а гм. Ці умови складають кордону життя для більшості організмів. Всі живі організми утворюють біомасу планети і становлять близько 0,01% маси земної кори, але, не дивлячись на незначну загальну біомасу, діяльністю живих організмів обумовлені хімічний склад атмосфери, концентрація солей в гідросфері, формування грунтового шару і гірських порід в літосфері. Головна функція біосфери полягає в забезпеченні кругообігу хімічних елементів і здійснюється за участю всіх населяють планету організмів. Хімічні речовини циркулюють між грунтом, атмосферою, гідросферою і живими організмами. Використовуючи неорганічні речовини, зелені рослини за рахунок енергії сонця створюють органічні речовини, які іншими живими істотами (гетеротрофами і деструкторами) руйнуються з тим, щоб продукти цього руйнування були використані рослинами для нових органічних синтезів.

Область поширення організмів в біосфері

Мал. 1.7. Область поширення організмів в біосфері

Темпи циркуляції речовин в біосфері

Мал. 1.8. Темпи циркуляції речовин в біосфері

Межі біосфери визначаються областю поширення організмів в атмосфері, гідросфері, літосфері. Верхня межа біосфери проходить на висоті 20 км, тобто живі організми розселені, в основному, в тропосфері і нижніх шарах стратосфери. Лімітуючим фактором розселення в атмосфері є наростаюча з висотою інтенсивність ультрафіолетової радіації. Все живе, проникаюче вище кордону озонового шару, гине. У гідросферу біосфера проникає на всю глибину Світового океану, що підтверджується виявленням живих організмів і органічних відкладень до глибини 10-11 км. У літосфері живі організми виявляються на глибині приблизно 7,5 км.

Літосфера - земна кора, зовнішня тверда оболонка земної кулі, утворена осадовими і базальтовими породами. Іншими словами - его верхній родючий шар грунту, населений живими організмами. Загальний хімічний склад земної кори визначають деякі хімічні елементи. Всього лише 8 елементів поширені в земній корі в вагомому кількості (понад 1%) - кисень, кремній, алюміній, залізо, кальцій, магній, натрій, калій. Найбільш поширеним елементом є кисень, що становить майже половину маси земної кори (47,3%). Таким чином, земна кора - це царство кисню, хімічно міцно пов'язаного з іншими елементами.

Вихідним матеріалом для ґрунтоутворення служать поверхневі шари гірських порід. З них під впливом мікроорганізмів, рослин і тварин формується ґрунтовий покрив. Організми концентрують у своєму складі біогенні елементи. Після відмирання тварин і рослин і їх розкладання ці елементи переходять до складу грунту, завдяки чому в ній акумулюються біогенні елементи, а також можуть накопичуватися продукти розкладання органічних речовин. У грунті накопичується величезна кількість мікроорганізмів.

Таким чином, літосфера має биогенное походження, вона складається з органічних і неорганічних сполук і живих організмів.

Основна маса живих організмів, що мешкають в літосфері, зосереджена в грунтовому шарі, глибина якого не перевищує декількох метрів.

Гідросфера - водна оболонка Землі, складена Світовим океаном, який займає приблизно 70,8% поверхні земної кулі. Вода є важливою складовою частиною всіх компонентів біосфери і одним з найбільш необхідних факторів існування живих організмів. Основна частина води (95%) укладена в Світовому океані. Глибина Світового океану в середньому близько 4 км, найбільша - 11 км. Вода міститься у вигляді пари і хмар в земній атмосфері, існує у вигляді льодовиків в замороженому стані, атмосферні води проникають в товщу осадових порід, формуючи підземні води.

Хімічний склад природних вод формується під впливом живих організмів безпосередньо і побічно. Живі організми і продукти їх життєдіяльності сприяють руйнуванню гірських порід і вимивання з них різних речовин. З річковим стоком ці речовини потрапляють в Світовий океан. У прісних і морських водах розчинені речовини концентруються багатьма живими організмами. З газів, розчинених у воді, найбільше значення мають кисень і вуглекислий газ. Кількість кисню в гідросфері значно варіює залежно від температури і присутності живих організмів. Концентрація вуглекислого газу також різна, але в цілому кількість його в океані приблизно в 60 разів більше, ніж в атмосфері.

Значення води в біосфері величезне: вода є універсальним розчинником; більшість хімічних реакцій здійснюється у водних розчинах, у воді відбувається дисоціація з'єднань, вода володіє величезною теплоємністю, тепло- і електропровідністю. У гідросферу біосфера проникає практично на всю глибину Світового океану.

Атмосфера - повітряна оболонка Землі, що складається з суміші газів, в якій переважають кисень і азот. Найбільше значення для біологічних процесів мають кисень атмосфери, використовуваний для дихання організмів і мінералізації омертвілого живої речовини; вуглекислий газ, який використовується при фотосинтезі, а також озон, що екранує земну поверхню від жорсткого ультрафіолетового випромінювання.

Атмосфера - найбільш легка оболонка, що межує з космічним простором. Хімічний склад атмосфери різноманітний, але основну масу в ній складають азот і кисень. У менших концентраціях присутні вуглекислий газ і аргон. Сухе повітря приземного шару атмосфери - тропосфери - складається з азоту (78,084%), кисню (20,946%), аргону (0,934%), і вуглекислого газу (0,033%). З цих чотирьох газів тільки аргон не пов'язаний з життєдіяльністю організмів, а надходження і витрату кисню, азоту, вуглекислого газу регулюється живими організмами.

В атмосфері розрізняють: тропосферу - примикає до поверхні Землі нижній шар атмосфери висотою близько 15 км, в який входять зважені в повітрі водяні пари; стратосферу - шар над тропосферою висотою близько 100 км. У стратосфері під дією жорсткого випромінювання Сонця з молекулярного кисню утворюється атомарний кисень, який потім, з'єднуючись з молекулярним киснем, перетворюється в озон, який утворює озоновий шар, що затримує космічні та ультрафіолетові промені, що згубно діють на живі організми. Озоновий шар, або "екран", становить верхню частину атмосфери - іоносферу.

Стан атмосфери має важливий вплив на фізичні, хімічні та біологічні процеси на поверхні Землі. Найбільше значення для біологічних процесів мають кисень атмосфери, необхідний для дихання організмів і мінералізації омертвілого органічного речовини; вуглекислий газ, споживаний на фотосинтез, а також озон, що екранує земну поверхню від жорсткого ультрафіолетового випромінювання. Поза атмосферою існування живих організмів неможливо, прикладом може служити Місяць, позбавлена ​​атмосфери. Історичний розвиток атмосфери пов'язано з геохімічними процесами, а також з життєдіяльністю організмів. Так, азот, вуглекислий газ, пари води утворилися в процесі еволюції планети завдяки вулканічної діяльності, а кисень - в результаті фотосинтезу.

Крім кругообігу хімічних елементів, жива речовина в біосфері здійснює газову, концентраційну, окислительную і відновну функції. Кисень і азот атмосфери, весь вуглекислий газ, на думку Вернадського, мають органогенне походження. Щорічна продукція живої речовини в біосфері становить приблизно 200 млрд т сухої органічної речовини; за цей же час в процесі фотосинтезу на планеті утворюється 46 млрд т органічного вуглецю, 123 млрд т кисню.

Для синтезу живої речовини необхідно близько 40 хімічних елементів, тому що відомо, що до складу живої клітини входить близько 60% хімічних елементів періодичної системи. Основними органогенних речовинами є водень, вуглець, кисень, азот, сірка, фосфор. Ці речовини називають макроелементами. До мікроелементів належать калій, натрій, кальцій, магній, залізо, кремній і ін. Інші елементи входять до складу живої матерії в мізерно малих кількостях, їх називають слідові елементами. Всі елементи в певній періодичності переходять з живої матерії в неживу (відсталу), беручи участь в біогеохімічних циклах. Останні можна розділити на дві групи: круговорот газів, в якому головним накопичувачем елементів є атмосфера, що здійснює кругообіг вуглецю, азоту, кисню, води і кругообіг осадових елементів, які в твердому стані знаходяться в складі осадових порід грунту - фосфор, залізо, сірка та ін .

"Вихор життя", як говорив Вернадський, захоплює звільнені при гнитті органічних речовин елементи, що надходять в літосферу, гідросферу і атмосферу і знову включає їх в круговорот речовин.

Як приклад нижче наводиться схема кругообігу одного з найважливіших елементів живої речовини - вуглецю (рис. 1.9). Головним і єдиним джерелом вуглецю, використовуваного аутотрофнимі організмами (рослинами) для синтезу органічної речовини служить вуглекислий газ, який входить до складу атмосфери або знаходиться в розчиненому стані у воді.

image9

Мал. 1.9. Кругообіг вуглецю в біосфері

Кругообіг вуглецю починається з фіксації вуглекислого газу атмосфери рослинами в процесі фотосинтезу. Фотосинтез - складний багатоступінчастий процес, в ході якого виділяють дві фази - світлову та темпову. В результаті світлової фази відбувається перетворення сонячної енергії в енергію хімічних зв'язків і накопичення енергії, а також утворюється вода і вільний кисень. В тим нову фазу накопичена енергія витрачається на освіту органічних речовин (вуглеводів) з вуглекислого газу і води.

Частина утворилися вуглеводів витрачається самим рослиною для отримання енергії, необхідної для обміну речовин, росту і розвитку, інша частина (близько 10%) йде на формування біомаси самої рослини, яка потім споживається організмами другого рівня харчування (консументами). Частина вуглецю надходить в навколишнє середовище при диханні рослин і тварин. Мертві тварини і рослини розкладаються мікроорганізмами грунту (редуцентамі), при цьому вуглець їх тканин знову повертається в атмосферу у вигляді вуглекислоти. Завдяки круговороту речовин вміст вуглекислоти в атмосфері не зменшується, так як її запаси постійно поповнюються за рахунок дихання, бродіння, горіння. Навпаки, існує реальна небезпека збільшення концентрації С0 9 в атмосфері в результаті наростання темпів розвитку промислового виробництва, що може привести до порушення сталості складу атмосфери і рівноваги в біосфері.

Іншою найважливішою функцією живої речовини, а отже, біосфери є газова функція. Завдяки діяльності живої речовини змінився склад атмосфери, зокрема в результаті процесу фотосинтезу в ній з'явився в значних кількостях кисень. Більшість газів верхніх горизонтів планети породжене життям. У верхніх шарах тропосфери і в стратосфері під впливом ультрафіолетового випромінювання з кисню, як уже говорилося, утворюється озон. Існування озонового екрану - також результат діяльності живої речовини, яке, за висловом В. І. Вернадського, "як би само собі створить область життя". Вуглекислий газ надходить в атмосферу в результаті дихання всіх живих організмів. Весь азот атмосфери має органогенне походження. До газів органічного походження відносяться також сірководень, метан і безліч інших летючих сполук, що утворюються в результаті розкладання органічних речовин рослинного походження, раніше похованих в осадових товщах.

Живе речовина здатна перерозподіляти атоми в біосфері. Однією з функцій живої речовини є концентрационная. Багато організмів мають здатність накопичувати в собі певні елементи, незважаючи на незначне їх вміст у навколишньому середовищі. На першому місці стоїть вуглець. Багато організмів концентрують кальцій, кремній, алюміній, натрій, йод і т.д. Відмираючи, вони утворюють скупчення цих речовин. Виникають поклади вугілля, вапняків, бокситів, фосфоритів, осадових залізних руд і т.п. Багато з них людина використовує як корисні копалини.

Окислювально-відновна функція живої речовини полягає в його можливості здійснювати окис лительного і відновні хімічні реакції, майже неможливі в неживій природі. В результаті життєдіяльності мікроорганізмів у біосфері в великих масштабах відбуваються такі хімічні процеси, як окислення і відновлення елементів зі змінною валентністю (азот, сірка, залізо, марганець і ін.). Мікроорганізми-відновники (гетеротрофи) використовують як джерело енергії органічні речовини. До них відносяться денітрифікуючі і сульфатредуцирующие бактерії, що відновлюють з окислених форм азот до елементарного стану і сірку до сірководню. Мікроорганізми-окислювачі можуть бути як аутотрофи, так і гетеротрофами. Це бактерії, що окислюють сірководень і сірку, нитрифицирующие мікроорганізми, залізні і марганцеві бактерії, що концентрують ці метали в своїх клітинах.

Еволюція біосфери протягом більшої частини її історії здійснювалася під впливом двох головних факторів: природних геологічних і кліматичних змін на планеті і змін видового складу та кількості живих істот в процесі біологічної еволюції. На сучасному етапі в третинному періоді до них приєднався третій фактор - розвивається людське суспільство.

Людина займає особливе місце в біосфері. Розумна діяльність його в масштабах біосфери сприяє перетворенню останньої в ноосферу. На цьому етапі еволюція біосфери відбувається під визначальним впливом людської свідомості в процесі виробничої діяльності людей, що переводить біосферу на новий етап еволюції - період ноогенеза.

Розумна за своїми намірами діяльність людей в масштабі біосфери сприяє перетворенню останньої в ноосферу. Проте в другій половині XIX ст. починається інтенсивний ріст промисловості, залізничного транспорту, зростає споживання корисних копалин, в тому числі споживання палива і, відповідно, людина все більшою мірою втручається в кругообіг речовини в біосфері. Одним з несприятливих чинників є поява у великій кількості відходів промисловості, які не руйнуються в ході природних процесів, а порушують природний біогеохімічний круговорот. Деструктивна діяльність мікроорганізмів ускладнюється отруйними токсичними речовинами, як прямими, так і супутніми продуктами промислового виробництва. На окислення промислових викидів витрачається кисень біосфери, при цьому не можуть і порушуються процеси природного самоочищення гідросфери та атмосфери.

Кількість енергії, що отримується за рахунок викопного палива, зростає (нафта, газ, вугілля). З надр Землі все в більшій кількості витягуються різні корисні копалини. Людина стає вирішальною силою в перетворенні біосфери. Високого рівня досягає наука, її досягнення використовуються в різних областях людської діяльності, в тому числі і в справі перетворення природи.

На думку В. І. Вернадського, "... хід наукової творчості є тією силою, якій людина змінює біосферу. Зміна біосфери є неминуче явище, супутнє зростання наукової думки. Зміна біосфери відбувається незалежно від людської волі, стихійно, як природний природний процес" .

У зв'язку з розвитком продуктивних сил виникають нові за якістю кругообіг речовини в біосфері, які складають основні ознаки перетворення її в ноосферу:

  • - Зростання механічно витягується матеріалу земної кори, зростання розробки родовищ корисних копалин;
  • - Масове споживання (спалювання) продуктів фотосинтезу минулих геологічних епох;
  • - Процеси антропогенезу призводять до розсіювання енергії, а не до її накопичення, що було характерно для біосфери до появи людини;
  • - В біосфері в масовій кількості з'являються (створюються) речовини, раніше в ній відсутні, в тому числі чисті матеріали; відбувається антропогенна металлизация біосфери;
  • - В зв'язку з розвитком ядерної технології і ядерної енергетики в біосфері з'являються, хоча і в незначній кількості, трансуранові елементи; розробка нових і вдосконалення існуючих способів отримання ядерної енергії дозволить знизити видобуток горючих копалин;
  • - Ноосфера виходить за межі Землі в зв'язку з науково-технічним прогресом і вторгненням людини в космічний простір.

Ноосфера - це не щось зовнішнє по відношенню до біосфери, а новий етап в її розвитку, що полягає в розумному регулюванні відносин людини і природи.

Стабільний стан біосфери обумовлено діяльністю самого живого речовини, що забезпечує певну ступінь фіксації сонячної енергії і рівень біогенної міграції атомів. Однак необхідно враховувати, що стабільність біосфери, як і будь-який інший системи, має певні межі.

Людське суспільство, використовуючи не тільки енергетичні ресурси біосфери, а й біосферні джерела енергії (наприклад, ядерної), прискорює геохімічні перетворення на планеті, втручається в хід біосферних процесів. Деякі процеси, викликані діяльністю людини, мають протилежну спрямованість по відношенню до природних процесів. Его розсіювання руд металів, вуглецю та інших біогенних елементів, гальмування мінералізації і гуміфікації, звільнення вуглецю і його окислювання, порушення в атмосфері глобальних процесів, що впливають на клімат, і т.д.

Природно, що одним з основних завдань сучасної екології є вивчення регуляторних процесів в біосфері, створення наукового фундаменту її раціонального використання, підтримки її стабільності.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >