Тема 3.2. Строение и свойства биосферы.

Биосфера (греч. bios – жизнь и sphaira – шар) – оболочка З., состав, структура и свойства которой в той или иной степени определяются настоящей или прошлой деятельностью живых организмов. Термин «биосфера» впервые ввёл Э. Зюсс (1875), понимавший её как тонкую плёнку жизни на земной поверхности, в значительной мере определяющую «Лик Земли», но целостное учение о биосфере создал В.И. Вернадский, так как именно он развил представление о живом веществе как огромной геологической (биогеохимической) силе, преобразующей свою среду обитания. Основы учения о биосфере В.И. Вернадский изложил в 1926г. в книге «Биосфера».

* Границы биосферы. Биосфера имеет определённые границы. Она занимает нижнюю часть атмосферы, верхние слои литосферы, поверхность суши и всю гидросферу. Эти границы в большей степени условны. Обычно считают, что верхняя граница биосферы находится на высоте 22-24км от поверхности З., где образуется озоновый экран. Здесь свободный кислород под влиянием солнечной радиации превращается в озон (О2-О3), который образует экран и отражает космические излучения и частично ультрафиолетовые лучи. Нижняя граница биосферы проходит по литосфере на глубине 3-4км, а по гидросфере по Мирового океана, местами свыше 11км.

*Вещество биосферы. В.И. Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, включающую наряду с организмами и среду их обитания. Он выделил в биосфере 7 разных, но геологически взаимосвязанных типов веществ. По Вернадскому вещество биосферы состоит из нескольких компонентов.                 

1.Живое вещество – совокупность всех живых организмов, населяющих нашу планету.   

2 Косное вещество – совокупность всех неживых тел, образующихся в результате процессов, не связанных с деятельностью живых организмов (породы магматического и метаморфического происхождения, некоторые осадочные породы).

3.Биогенное вещество – совокупность неживых тел. образованных в результате жизнедеятельности живых организмов (некоторые осадочные породы: известняки, мел, и др., а также нефть, газ, каменный уголь, кислород атмосферы и др.).

4.Биокосное вещество – совокупность биокосных тел, представляющих собой результат совместной деятельности живых организмов и геологических процессов (почвы, ила, коры выветривания и др.).

4.Радиоактивное вещество.

5.Ррассеянные атомы.

6. Вещество космического происхождения (метеориты, космическая пыль).

Распределение жизни в биосфере.

Масса живого вещества составляет лишь 0,01% от массы биосферы. Важнейшим свойством живого вещества является способность к воспроизводству и распространению по планете. Живое вещество распространению в биосфере неравномерно: пространства, густо заселённые организмами, чередуются с менее заселёнными территориями.

1. Границы жизни биосферы – наибольшая концентрация жизни в биосфере наблюдается на границах соприкосновения земных оболочек: атмосферы и литосферы (поверхность суши), атмосферы и гидросферы 9поверхность океана), гидросферы и литосферы (дно океана), и особенно на границе трёх оболочек – атмосферы, литосферы, гидросферы (прибрежные зоны). Это места наибольшей концентрации жизни В.И. Вернадский назвал «плёнками жизни».  

2. Соотношение видового разнообразия биомассы растений и животных. В настоящее время по видовому составу на З. преобладают животные (более 2,0 млн. видов) над растениями (0,5 млн.). В тоже время запасы фитомассы составляют 99% запасов животной биомассы З. Биомасса суши в 1000 раз превышает биомассу океана. На суше биомасса и количество видов организмов в целом увеличивается от полюсов к экватору.

Свойство живого вещества.

Основные свойства живого вещества (по Н.А. Воронкову,1997)

1.Способность быстро осваивать свободное пространство. В. И. Вернадский назвал это всюдностью жизни. Данное свойство дало основание В.И Вернадскому сделать вывод, что для определенных геологических периодов количество живого вещества было примерно постоянным (константой). Способность быстрого освоения пространства связана как с интенсивным размножением (некоторые простейшие формы организмов могли бы освоить весь земной шар за несколько часов или дней, если бы не факторов, сдерживающих их потенциальные возможности размножения), так и со способностью организмов интенсивно увеличивать поверхность своего тела или образуемых ими сообществ. Например, площадь листьев растений, произрастающих на 1га, составляет 8-10га и более. То же относится к корневым системам.  

2.Движение не только пассивное, но и активное, т.е. не только под действием силы тяжести, гравитационных сил, и т.п., но и против течения воды, силы тяжести, движения воздушных потоков и т.п.

3.Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти (включение в

круговороты веществ). Благодаря саморегуляции живые организмы способны поддерживать постоянный химический состав и условия внутренней среды, несмотря на значительные изменения условий внешней среды. После смерти эта способность утрачивается, а органические остатки очень быстро разрушаются. Образовавшиеся органические и неорганические вещества включаются в круговороты.

4.Высокая приспособительная способность (адаптация) к различным условиям и в связи с этим освоение не только вех сред жизни (водной, наземно-воздушной, почвенной, организменной), но и крайне трудных по физико-химическим параметрам условий. Например, некоторые организмы переносят температуры, близкие к значениям абсолютного нуля –273С, микроорганизмы встречаются в термальных источниках с температурой до 140С, в водах атомных реакторов, в бескилородной среде, в ледовых панцирях и т.п.

5.Феноменально высокая скорость протекания реакций. Она на несколько порядков выше, чем в неживом веществе. Об этом свойстве можно судить по скорости переработки вещества организмами в процессе жизнедеятельности. Например, гусеницы некоторых насекомых потребляют за день количество пищи, которое в 100-200 раз больше веса их тела. Дождевые черви (масса их тел примерно в 10 раз больше биомассы всего человечества) за 150-200 лет пропускают через свои организмы весь однометровый слой почвы. По представлениям в.И. Вернадского практически все осадочные породы, а это слой до 3км, на 95-99% переработаны живыми организмами.

6. Высокая скорость обновления живого вещества. Подсчитано, что в среднем для биосферы она составляет 8 лет, при этом для суши – 14 пет , а для океана, где преобладают организмы с коротким периодом жизни( например, планктон), - 33 дня. В результате высокой скорости обновления живого вещества за всю историю существования жизни общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу, примерно в 12 раз превышает массу З. Только небольшая часть его законсервирована в виде органических остатков, остальная же включилась в процессы круговорота. 

Функции живого вещества.

Живое вещество обеспечивает биогеохимический круговорот веществ и превращения энергии в атмосфере. Выделяют следующие геохимические функции живого вещества.

1.Энергетическая (биохмическая) – связывание и запасание солнечной энергии в органическом веществе и последующее рассеяние энергии при потреблении и минерализации органического вещества. Эта функция связана с питанием, дыханием, размножением и др. процессами жизнедеятельности организмов.

2.Газовая – способность изменять и поддерживать определённый газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. С газовой функцией связывают два переломных периода в развитии биосферы. Первая из них относится ко времени, когда содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 1% от современного уровня (первая точка Пастера). Это обусловило появление первых аэробных организмов. С этого времени восстановительные процессы в биосфере стали дополняться окислительными. Это произошло примерно 1,2 млрд. лет назад. Второй переломный период связывают с временем, когда концентрация кислорода достигла примерно 10% от современного ( вторая точка Пастера). Это создало условия для синтеза озона и образования озонового слоя в верхних слоях атмосферы, что обусловило возможность освоения организмами суши.

3.Концентрационная – «захват» из окружающей среды живыми организмами и накопление в них атомов биогенных химических элементов. Концентрационная способность живого вещества повышает содержание атомов химических элементов в организмах по сравнению с окружающей средой на несколько порядков. Содержание углерода в растениях в 200 раз, а азота в 30 раз превышает их уровень в земной коре. Содержание марганца в некоторых бактериях может быть в миллион раз больше, чем в окружающей среде. Результат концентрационной деятельности живого вещества – образование залежей горючих ископаемых, известняков, рудных месторождений и т.п.

4. Окислительно-восстановительная – окисление и восстановление различных веществ с помощью живых организмов. Под влиянием живых организмов происходит интенсивная миграция атомов элементов с переменой валентностью (Fe, Mn, S,Р,N и др.), создаются их новые соединения, происходит отложение сульфидов и минеральной серы, образование сероводорода и т.п.

5.Деструктивная – разрушение организмами и продуктами их деятельности, в том числе и после смерти, как остатков органического вещества, так и косных веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют редуценты - сапрофитные грибы и бактерии.

6.Транспортная – перенос веществ и    энергии в результате активной формы движения организмов. Такой перенос может осуществляются на огромные расстояния , например, при миграциях кочёвках животных. С транспортной функцией связана концентрационная роль сообществ организмов, например, в местах их скопления ( птичьи базары и др. колониальные поселения).

7.Средообразующая – преобразование физико-химических параметров среды. Эта функция является в значительной мере интегральной – представляет собой результат совместного действия других функций. Она имеет разные масштабы проявления. Результатом средообразующей функции является и вся биосфера, и почва как одна из сред обитания, и более локальные структуры.

8.Рассеивающая – функция рассеивания веществ в окружающей среде. Она проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, смене покровов и т.п. Железо крови рассеивается кровососущими насекомыми.

9.Информационная – накопление живыми организмами определённой информации, закрепление её в наследственных структурах и передача последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.

10.Биогеохимическая деятельность человека - превращение и перемещение веществ биосферы в результате человеческой деятельности для хозяйственных и бытовых нужд человека.  Например, использование концентратов углерода – нефти, угля, газа и др.

Свойства биосферы.

1.Целостность и дискретность. Целостность биосферы обусловлена тесной взаимосвязь. Слагающих её компонентов. Она достигается круговоротом вещества и энергии. Изменение одного компонента неизбежно приводит к изменению других и биосферы в целом. При этом биосфера – не механическая сумма компонентов, а качественно новое образование, обладающее своими особенностями и развивающееся как единое целое. Биосфера – система с прямыми и обратными связями, которые, в конечном счёте, обеспечивают механизмы её функционирования и устойчивости. Учёт этой закономерности позволяет предвидеть возможные изменения в природе, дать прогноз результатам воздействия человека на природу.

2.Централизованность. Центральным звеном биосферы выступают живые организмы. Это свойство часто недооценивается человеком и центр биосферы ставится только один вид – человек ( идеи антропоцентризма).

3.Устойчивость и саморегуляция. Биосфера способна возвращаться в исходное состояние, гасит возникающие возмущения, создаваемые внешними и внутренними воздействиями, включением определённых механизмов. Гомеостатические механизмы биосферы связаны в основном с живым веществом, его свойствами и функциями. Эти механизмы подчинены принципу Ле Шателье – Брауна: при действии на систему сил, выводящих её из состояния устойчивого равновесия, последнее смещается в том направлении, при котором эффект этого воздействия ослабляется. 

4. Ритмичность. Биосфера проявляет ритмичность развития – повторяемость во времени тех или иных явлений. В природе существуют ритмы разной продолжительности. Основные из них – суточный, годовой, внутривековые, сверхвековые. Суточный ритм проявляется в изменении температуры, давления и влажности воздуха, облачности, силы ветра, в явлениях приливов и отливов, циркуляции бризов, процессах фотосинтеза, поведении и животных. Годовая ритмика - это смена времён года, изменения в интенсивности почвообразования и разрушения горных пород, сезонность в хозяйственной деятельности человека. Наблюдаются и более и продолжительные ритмы (11, 22,-23, 80-90 и др.).

Круговорот веществ в природе и энергозависимость. Биосфера открытая система. Её существование невозможно без поступления энергии извне. Основная доля приходится на энергию Солнца. В отличии от солнечной энергии количество атомов вещества на З. ограничено. Круговорот веществ обеспечивает неисчерпаемость отдельных атомов химических элементов. При отсутствии круговорота, например, за короткое время был бы исчерпан основной «строительный материал» живого – углерод.

Горизонтальная зональность и высотная поясность. Общебиосферной закономерностью является горизонтальная высотность – закономерное изменение природной среды по направлению от экватора к полюсам. Зональность обусловлена неодинаковым количеством поступающего на разные широты тепла в связи с шарообразностью З. Наиболее крупные зональные подразделения – географические пояса. Они отличаются друг от друга температурными условиями, а также общими особенностями циркуляции атмосферы, почвенно-растительного покрова и животного мира. На суше выделяют следующие географические пояса: эваториальный. И в каждом полушарии субэкваториальный, тропический, субтропический, умеренный, а также в Северном полушарии субарктический и арктический, а в Южном – субантарктический и антарктический. Внутри поясов по соотношению тепла и влаги выделяют природные зоны, названия которых определяется по преобладающему в ни х типу растительности. Например, в субарктическом поясе это зоны тундры и лесотундры, в умеренном поясе – зоны лесов, редколесий и саванн, полупустынь и пустынь. Высотная зональность – закономерная смена природной среды с подъемом в горы от их подножия до вершины. Она обусловлена изменением климата с высотой: понижением температуры (на 0.6С на каждые 100 метров подъёма) и до определённой высоты (до 2-3км)_ увеличением осадков. Смена поясов в горах происходит в той же последовательности, как и на равнине при движении от экватора к полюсам. Отличием является в горах особого пояса субальпийского альпийского лугов, которого нет на равнинах. Количество высотных поясов зависит от высоты гор и их местоположения. 

Мы поможем в написании ваших работ!