2020-06-08
654Строение и границы биосферы.
Около 4,7 млрд. лет назад из рассеянного в протосолнечной системе газо-пылеватого вещества образовалась планета Земля. По новейшим данным, масса Земли составляет 6*1021т, объёмом – 1,083*1012 км3, площадь поверхности – 510,2 млн. км2. Размеры, а, следовательно, и все природные ресурсы нашей планеты ограничены. Наша планета имеет неоднородное строение и состоит из концентрических оболочек (геосфер) – внутренних и внешних. К внутренним относятся ядро, мантия, а к внешним – литосфера (земная кора), гидросфера, атмосфера и формируемая ими сложная оболочка земли – биосфера. В состав биосферы входят:
1. Воздушная оболочка (нижняя часть атмосферы - тропосфера).
2. Водная оболочка (вся гидросфера).
3. Твердая оболочка (верхняя часть литосферы).
По современным представлениям необиосфера в атмосфере простирается примерно до озонового экрана (у полюсов 8–10 км, у экватора – 17–18 км и над остальной поверхностью Земли – 20–25 км). За пределами озонового слоя жизнь не возможна вследствие наличия губительных космических ультрафиолетовых лучей. Гидросфера практически вся, в том числе и самая глубокая впадина (Марианская) Мирового океана (11022 м), занята жизнью.
|
|
|
К необиосфере следует относить также и донные отложения, где возможно существование живых организмов. В литосферу жизнь проникает на несколько метров, ограничиваясь в основном почвенным слоем, но по отдельным трещинам она распространяется на сотни метров.
Границы палеобиосферы в атмосфере примерно совпадают с необиосферой, под водами к палеобиосфере следует отнести и осадочные породы, которые, по В.И. Вернадскому, практически все претерпели переработку живыми организмами. Это толща от сотен метров до десятков километров. Сказанное относительно осадочных пород применимо и к литосфере, переживающей водную стадию функционирования.
Литосфера (греч. «лутос» - камень) – твердокаменная оболочка Земли, включающая земную кору мощностью (толщиной) от 6 (под океаном) до 80 км (горные системы). Земная кора сложена горными породами. Максимальное количество организмов литосферы сосредоточено в почве, всего в нескольких метрах. Исходным материалом для почвообразования служат поверхностные слои горных пород, которые подвергаются действию климатических факторов, микроорганизмов, растений и животных. Отмирание и разложение животных приводит к аккумулированию биологических элементов почвы (гумус). Основоположник учения о почвах - В.В. Докучаев. В литосфере жизнь обнаружена до 7500 м глубины (нефтяные бактерии), вследствие движения земной коры. Органогенное происхождение в литосфере имеют: известняк, диатомит, угли, горючие сланцы, нефть, торфы, сапропели, марганцевые руды, железные руды, фосфориты, бокситы и т.д.
|
|
|
Гидросфера (греч. «гидора» - вода) – водная оболочка Земли. Её подразделяют на поверхностную и подземную. Гидросфера занимает 70% поверхности Земли. Нижняя граница жизни достигает глубины 11 км. Химический состав гидросферы формируется под действием организмов непосредственно или косвенно. 96,5% воды гидросферы сосредоточено в океанах, 1,7% это льды, 1,7% подземные воды и др. Пресной воды в гидросфере всего 2,8%, из них 62% сосредоточено в Антарктиде в виде льда.
Атмосфера (греч. «атмос» - пар) – воздушная (газовая) оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли. Верхняя граница жизни в атмосфере доходит до высоты около 22 км, где ещё обнаруживаются живые организмы, занесенные восходящими потоками воздуха. Именно на этой высоте находится озоновый слой; все живое, поднявшееся выше, уничтожается жестким ультрафиолетовым облучением. Химический состав атмосферы регулируется деятельностью живых организмов и протеканием геохимических процессов на планете. Из четырех основных газов атмосферы (азот - 78%, кислород - 21%, аргон - 0,9%, СО2 - 0,03%) только аргон не связан с жизнедеятельностью живых организмов.
Биосфера – внешняя оболочка Земли, в которую входят часть атмосферы до высоты 25-30 км (до озонового слоя), практически вся гидросфера и верхняя часть литосферы примерно до глубины 3 км. Особенностью этих частей является то, что, они населены живыми организмами, составляющими живое вещество планеты. Наибольшую
Живое вещество, вещественный состав биосферы, его средообразующие свойства и функции в биосфере
Термин «живое вещество» введён в литературу В.И. Вернадским. Под живым веществом В. И. Вернадский понимает всё количество живых организмов планеты как единое целое. Живое вещество - совокупность всех живых организмов, выраженную через массу, энергию и химический состав. Живое вещество образует ничтожно тонкий слой в общей массе геосфер Земли, его масса составляет 2420 млрд. т, что более чем в две тысячи раз меньше массы самой лёгкой оболочки Земли – атмосферы. Живое вещество составляет 0,01% массы земной коры. Распределение живых организмов на поверхности Земли неравномерно. Масса живого вещества, располагающегося на поверхности суши, составляет 99,87%, соответственно водного 0,13%. Биомасса растений 99%, животных 1%. Человечество от всей биомассы составляет 0,0002%.
Согласно В. И. Вернадскому вещество биосферы состоит из:
1. Живое вещество. Совокупность всех современных живых организмов – биомасса планеты .
2. Биогенное вещество. Газы биогенного происхождения (газы атмосферы), каменный уголь, торф, нефть, известняки, диатомит, сланцы все формы детрита (детрит – мёртвое органическое вещество в экосистеме совокупно взвешенных и осевших на дно органических минеральных частиц).
3. Косное вещество. Продукты тектонической деятельности, горных пород, минералов, осадков, не затронутых прямыми биогеохимическим воздействием организмов.
4. Биокосное вещество. Почвы, сапропель или природные воды, газо- и нефтеносные сланцы, битумные пески, часть осадочных карбонатов – смеси биогенных веществ с минеральными породами не биогенного происхождения;.
5. Рассеянные атомы. Совокупность всех элементов, находящихся в атомных состояниях и не входящих в состав другого вещества.
6. Радиоактивное вещество. Совокупность всех изотопных элементов, находящихся в состоянии радиоактивного распада.
7. Вещество космического происхождения. Совокупность веществ, попадающих в биосферу из космоса и имеющих космическое происхождение (метеориты, космическая пыль).
|
|
|
По данным, основанным на содержании энергии или углерода, количества живого, биогенного и биокосного вещества в биосфере соотносятся как 1:20:4000.
Живое вещество – основа биосферы, хотя и составляет крайне незначительную её часть. Если его выделить в чистом виде и распределить равномерно по поверхности Земли, то это будет слой около 2 см или крайне незначительная доля от объёма всей биосферы, толща которой измеряется десятками километров.
Свойства живого вещества.
К основным уникальным особенностям живого вещества, обусловливающим его крайне высокую средообразующую деятельность, можно отнести следующие:
− способность быстро занимать (осваивать) его свободное пространство. В.И. Вернадский назвал это всюдностью жизни. Данное свойство дало основание В.И. Вернадскому сделать вывод, что для определённых геологических периодов количество живого вещества было примерно постоянным (константой);
− движение не только пассивное (под действием силы тяжести, гравитационных сил и т.п.), но и активное. Например, против течения воды, силы тяжести, движения воздушных потоков и т.п.;
− устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти (включение в круговороты), сохраняя при этом высокую физико-химическую активность;
− высокая приспособительная способность (адаптация) к различным условиям в связи с этим освоение не только всех сред жизни (водной, наземно-воздушной, почвенной, организменной), но и крайне трудных по физико-химическим параметрам условий. Например, некоторые организмы выносят температуры, близкие к значениям абсолютного нуля, -273°С, микроорганизмы встречаются в термальных источниках с температурой до 140 °С, в водах атомных реакторов, в бескислородной среде, в ледовых панцирях и т.п.;
− феноменально высокая скорость протекания реакций. Она на несколько порядков (в сотни, тысячи раз) значительнее, 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 тела. Особенно активны организмы грунтоеды. 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;
|
|
|
− высокая скорость обновления живого вещества. Подсчитано, что в среднем для биосферы она составляет 8 лет, при этом для суши – 14 лет, а для океана, где преобладают организмы с коротким периодом жизни (например, планктон), 33 дня. В результате высокой скорости обновления за всю историю существования жизни общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу, примерно в 12 раз превышает массу Земли.
Все перечисленные и другие свойства живого вещества обусловливаются концентрацией в нём больших запасов энергии.
Вернадский выделил очаги наибольшей концентрации жизни, назвав их плёнками и сгущениями живого вещества (жизни). Под плёнками живого вещества понимается его повышенное количество на больших пространствах. Сгущения живого - скопления организмов, имеющие относительно локальное распространение. Наибольшая концентрация живых организмов в биосфере наблюдается у границ соприкосновения геосфер.
В океане выделяют 2 плёнки: поверхностную (планктонную) и донную (бентосную). Мощность поверхностной плёнки обусловливается слоем воды, в котором возможен фотосинтез. Донная плёнка образована в основном гетеротрофными экосистемами, и поэтому её продукция представлена вторичной, а количество её зависит от поступления органического вещества с поверхностной плёнки.
В наземных экосистемах также выделяют 2 плёнки живого вещества: приземную, заключённую между поверхностью почвы и верхней границей растительного покрова и почвенную, наиболее насыщенную жизнью.
В океане выделяют следующие сгущения жизни: 1). Прибрежные: располагаются на контакте водной и наземно-воздушной среды. Особенно высокопродуктивны экосистемы эстуариев. 2). Коралловые рифы. 3). Саргассовые сгущения. 4). Апвеллинговые: приурочены к районам океана, где имеет место восходящее движение водных масс от дна к поверхности. Они несут много донных отложений и в результате активного перемешивания хорошо обеспечены О2. 5). Рифтовые глубоководные сгущения: высокая продуктивность здесь обязана благоприятным температурным условиям.
Средообразующие функции живого вещества.
Всю деятельность живых организмов в биосфере можно, с определённой долей условности, свести к нескольким основополагающим функциям, которые позволяют значительно дополнить представление об их преобразующей биосферно-геологической роли:
− энергетическая. Связана с запасанием энергии в процессе фотосинтеза, передачей её по цепям питания, рассеиванием.
Энергетическая функция живого вещества нашла отражение в двух биогеохимических принципах, сформулированных В.И. Вернадским. В соответствии с первым из них геохимическая биогенная энергия стремится в биосфере к максимальному проявлению. Второй принцип гласит, что в процессе эволюции выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают геохимическую энергию;
− газовая – способность изменять и поддерживать определённый газовый состав среды обитания и атмосферы в целом.
В частности, включение углерода в процессе фотосинтеза, а затем в цепи питания обусловливало аккумуляцию его в биогенном веществе (органические остатки, известняки и т.п.).
В результате этого шло постепенное уменьшение содержания углерода и его соединений, прежде всего двуокиси (СО2) в атмосфере с десятков процентов до современных 0,03 %. Это же относится к накоплению в атмосфере кислорода, синтеза озона и другим процессам;
− окислительно-востанновительная. Связана с интенсификацией под влиянием живого вещества процессов как окисления, благодаря обогащению среды кислородом, так и восстановления прежде всего в тех случаях, когда идёт разложение органических веществ при дефиците кислорода. Восстановительные процессы обычно сопровождаются образованием и накоплением сероводорода, а также метана;
− концентрационная – способность организмов концентрировать в своём теле рассеянные химические элементы, повышая их содержание по сравнению с окружающей организмы средой на несколько порядков (по марганцу, например, в теле отдельных организмов – в миллионы раз). Результат концентрационной деятельности – залежи горючих ископаемых, известняки, рудные месторождения и т.п.;
− деструктивная – разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности как самих остатков органического вещества, так и косных веществ. Основной механизм этой функции связан с круговоротом веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют низшие формы жизни – грибы, бактерии (деструкторы, редуценты);
− транспортная – перенос веществ и энергии в результате активной формы движения организмов. Часто такой перенос осуществляется на колоссальные расстояния, например при миграции и кочёвках животных;
− средообразующая. Эта функция является в значительной мере интегративной (результат совместного действия других функций). С ней в конечном счёте связано преобразование физико-химических параметров среды. Эту функцию можно рассматривать в широком и более узком планах. В широком понимании результатом данной функции является вся природная среда. В более узком плане средообразующая функция живого вещества проявляется, например, в образовании почв.
– рассеивающая. Наряду с концентрационной функцией живого вещества выделяется противоположная ей по результатам. Она проявляется через трофическую (питательную) и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание веществ при выделении организмами экскрементов, гибели организмов при разного рода перемещениях в пространстве, смене покровов. Железо гемоглобина крови рассеивается, например, кровососущими насекомыми и т.п.
– информационная функция живого вещества очень важна. Она выражается в том, что живые организмы и их сообщества накапливают определённую информацию, закрепляют её в наследственных структурах и затем передают последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.
