Тема №4. Учение о биосфере

1. Биосфера.

2. Круговорот веществ в природе.

3. Классификация природных экосистем биосферы на ландшафтной основе.

4. Основные направления эволюции биосферы.

При описании Земли выделяют т.н. геосферы - концентрические оболочки планеты различной плотности и химического состава. В направлении от периферии к центру Земли различают магнитосферу, атмосферу, земную кору, мантию Земли и ядро Земли.

МагнитосфераЗемли - область околоземного пространства, граница которой (магнитопауза) определяется равенством давления магнитного поля Земли и динамического давления солнечного ветра. Конфигурация магнитосферы непрерывно меняется, простираясь с дневной стороны до 10-12 R (R-земной радиус, около 6370 км), с ночной - вытянута, образуя т.н. магнитный хвост Земли в несколько сотен R. Она реагирует на проявление солнечной активности, сопровождающейся изменениями в солнечном ветре и его магнитном поле (магнитные бури). При этом частицы солнечного ветра вторгаются в магнитосферу, происходят нагрев и усиление ионизации верхних слоев атмосферы, ускорение заряженных частиц, увеличение яркости полярных сияний, возникновение электромагнитных шумов, нарушение радиосвязи и т.д.

Атмосфера - газовая оболочка Земли, которая удерживается планетой посредством силы тяжести и принимает участие в ее суточном и годовом вращении.

Гидросфера - прерывистая водная оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и земной корой. Она включает в себя совокупность всех вод планеты: материковых (глубинных, почвенных, поверхностных), океанических и атмосферных. Гидросфера является колыбелью жизни на нашей планете. Она играет огромную роль в формировании природной среды нашей планеты.

Земная кора - твердая внешняя оболочка Земли толщиной до 70 км в горных областях, около 30 км под равнинами, 5-7 км под океанами. Верхняя часть земной коры - осадочный слой, он состоит из осадочных пород, средняя - «гранитный» слой (выражен только на материках), нижняя - «базальтовый» слой. Под земной корой располагается мантия (толщиной около 2900 км). Занимает 83% Земли (без атмосферы) по объему и 67% по массе. Мантия Земли состоит, видимо, преимущественно из тяжелых минералов, богатых магнием и железом. С процессами, происходящими в верхней (граничащей с земной корой) мантии Земли, тесно связаны тектонические движения, вулканизмы, горнообразование и др.

Земная кора и верхняя (твердая) часть верхней мантии Земли составляют литосферу.

Литосфера(от греч. lithos - камень) - верхняя твердая оболочка Земли, ограниченная сверху атмосферой и гидросферой, а снизу - астеносферой (слоем пониженной твердости, прочности и вязкости, расположенным в верхней мантии Земли). Мощность литосферы колеблется в пределах 50-200 км. Процесс преобразования литосферы живыми организмами, начавшийся около 450 млн. лет назад, привел к образованию почвы, ее мощность достигает 2-3 м.

Ядро Земли - наиболее плотная центральная часть (геосфера) Земли. Его плотность составляет от 9400 кг/м³ в периферической области до 17200 кг/м³ (в два с лишним раза выше, чем у железа) в более глубоких слоях; давление достигает 140-350 ГПа (1,4-3,5 млн. атм.), температура 2000-5000°С. Предполагают, что по химическому составу вещество ядра сходно с веществом мантии Земли, но находится в металлическом состоянии.

Совокупность всех экосистем, имеющихся в пределах трех геосфер (атмосферы, гидросферы и литосферы) и с которыми находятся во взаимодействии живые организмы, образует самую крупную экосистему Земли – биосферу. В состав биосферы, кроме живого вещества(растения, животные и микроорганизмы), входят биогенное вещество(продукты жизнедеятельности живых организмов – каменный уголь, битумы, нефть), биокосное вещество(продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами – почвы, кора выветривания, все природные воды, свойства которых зависят от деятельности на Земле живого вещества) и, наконец, косное вещество,в образовании которого живые организмы не участвуют (горные породы магматического, неорганического происхождения, вода, космическая пыль, метеориты). Следовательно, биосфера -это та область Земли, которая охвачена или была охвачена влиянием живого вещества. Ее рассматривают как наиболее крупную, глобальную экосистему, поддерживающую планетарный круговорот веществ.

Концентрация и активность жизни особенно велика у поверхности нашей Земли. Водоемы заселены по всей толще со сгущениями у поверхности и у дна. Выделяются своим богатством прибрежные и мелководные участки. На суше более 99 % живого вещества или биомассы сосредоточено в слое на несколько метров вглубь и на несколько десятков метров (высокие деревья) вверх от поверхности. Следовательно, жизнь сосредоточена в тончайшей пленке планеты, где и протекают главные процессы взаимодействия живой и неживой (косной) природы. Этот тонкий деятельный слой нередко называют биогеосферой,биогеоценотическим покровом, ландшафтной оболочкой. Места наибольшей концентрации организмов в биосфере В.И. Вернадский назвал «пленками жизни».

Вывод: выносливость Жизни в целом к отдельным факторам среды намного шире диапазонов тех условий, которые существуют в границах современной биосферы.

Живое вещество, в основном, состоит из элементов, являющихся водными и воздушными мигрантами, т.е. образующих газообразные и растворимые соединения. Заслуживает внимания то обстоятельство, что 99,9 % массы живых организмов приходится на те элементы, которые преобладают и в земной коре, составляя в них 98,8 %, хотя и в других соотношениях. Таким образом, жизнь есть химическое производное земной коры.В организмах обнаружены почти все элементы таблицы Д.И. Менделеева, т.е. они характеризуются теми же химическим особенностями, что и неживая природа.

В зависимости от количественного содержания и функциональной значимости элементарный набор организмов делят на три группы: макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.

Макроэлементысоставляют основную массу органических и неорганических соединений живых организмов. Они требуются постоянно и в большом количестве для осуществления жизненного цикла. Концентрация их изменяется от 60 до 0,001 % массы тела. Это кислород, водород, углерод, азот, фосфор, кальций, калий, сера и др.

Микроэлементы –преимущественно ионы тяжелых металлов, являющиеся компонентами ферментов, гормонов и других жизненно важных соединений. Они столь же необходимы для жизнедеятельности, как макроэлементы, но требуются в значительно меньших концентрациях. Содержание их изменяется от 0,001 до 0,00001 % массы тела. В данную группу входят марганец, бор, кобальт, медь, молибден, цинк, йод, бром, алюминий и другие. Укажем, что роль каждого микроэлемента строго специфична, его нельзя заменить в биохимических процессах никаким другим химическим элементом. В силу этого каждый микроэлемент выполняет свою роль без дублеров.

Содержание ультрамикроэлементов(к ним относятся уран, радий, золото, ртуть, бериллий, цезий, селен и другие рассеянные и редкие элементы) не превышает обычно 0,00001 % массы тела. Физиологическая роль их в организмах растений и животных полностью еще не выяснена.

Итак, живое характеризуется исключительно высокой функциональной активностью.Она связана с его способностью к неограниченному развитию и количественному росту («напор жизни»поВ.И. Вернадскому).

Различают пять основных функций живого вещества в масштабах планеты Земля: энергетическую, газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную и деструкционную.

Энергетическая функциясостоит в осуществлении связи биосферно-планетарных явлений с излучением Космоса и, прежде всего, с солнечной радиацией. Основой указанной функции является фотосинтез,в процессе которого происходит аккумуляция энергии Солнца и ее последующее перераспределение между живыми компонентами биосферы. Накопленная ими солнечная энергия обеспечивает протекание всех жизненных процессов. За время существования жизни на Земле живое вещество превратило в химическую энергию огромное количество солнечной энергии. При этом существенная часть ее накопилась в связанном виде (залежи угля, нефти и других органических веществ).

Благодаря газовой функциипроисходит миграция газов и их превращение, формируется газовый состав биосферы. Отметим, что преобладающая масса газов на планете имеет биогенное происхождение, например, кислород атмосферы. При этом количество молекул кислорода, выделяемых земными растениями, пропорционально количеству связываемых водой молекул диоксида углерода. Последний поступает в атмосферу при дыхании всех организмов, а также выделяется по трещинам земной коры из осадочных пород за счет химических процессов под действием высоких температур.

Концентрационная функция проявляется в извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов из окружающей среды для построения их тел. Концентрация этих элементов в телах в тысячи раз выше, чем во внешней среде.

Окислительно-восстановительная функция заключается в химическом превращении веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисления (это в основном соединения железа, марганца и др.). В результате происходят превращения большинства химических соединений, при этом преобладают биогенные процессы окисления и восстановления.

Благодаря деструкционной функции протекают процессы, связанные с разложением остатков мертвых организмов. При этом происходит минерализация органического вещества, т.е. превращение живого вещества в косное.