Структура и функции биосферы

Структура и функции биосферы

Биосфера
представляет собой многоуровневую систему, включающую подсистемы различной
степени сложности. Границы биосферы определяются областью распространения
организмов в атмосфере, гидросфере и литосфере (рис. 24.1). Верхняя граница биосферы проходит примерно на высоте 20 км. Таким образом, живые организмы
расселены в тропосфере и в нижних слоях стратосферы. Лимитирующим фактором
расселения в этой среде является нарастающая с высотой интенсивность
ультрафиолетовой радиации. Практически все живое, проникающее выше озонового слоя
атмосферы, погибает. В гидросферу биосфера проникает на всю глубину Мирового
океана, что подтверждает обнаружение живых организмов и органических отложений
до глубины 10—11 км. В литосфере область
распространения жизни во многом определяет уровень проникновения воды в жидком
состоянии живые организмы обнаружены до
глубины примерно 7,5 км.

Атмосфера. Эта
оболочка состоит в основном из азота и кислорода. В меньших концентрациях она
содержит углекислый газ и озон. Состояние атмосферы оказывает большое влияние
на физические, химические и особенно биологические процессы на земной
поверхности и в водной среде. Наибольшее значение для биологических процессов
имеют кислород атмосферы, используемый для дыхания организмов и минерализации
омертвевшего органического вещества, углекислый газ, расходуемый при
фотосинтезе, а также озон, экранирующий земную поверхность от жесткого
ультрафиолетового излучения. Вне атмосферы существование живых организмов
невозможно. Это видно на примере лишенной жизни Луны, у которой нет атмосферы.
Исторически развитие атмосферы связано с геохимическими процессами, а также
жизнедеятельностью организмов. Так, азот, углекислый газ, пары воды
образовались в процессе эволюции планеты благодаря (в значительной мере)
вулканической активности, а кислород в
результате фотосинтеза.

Гидросфера.
Вода является важной составной частью всех компонентов биосферы и одним из
необходимых факторов существования живых организмов. Основная ее часть (95%) заключена в Мировом океане, который
занимает примерно 70% поверхности Земного
шара. Общая масса океанических вод составляет свыше 1300 млн. км3. Около 24
млн. км3 воды содержится в ледниках, причем 90% этого объема приходится на ледяной покров Антарктиды. Столько
же воды содержится под землей. Поверхностные воды озер составляют
приблизительно 0,18 млн. км3
(из них половина соленые), а рек—0,002
млн. км3.

Количество
воды в телах живых организмов достигает примерно 0,001 млн. км3. Из газов, растворенных в воде,
наибольшее значение имеют кислород и углекислый газ. Количество кислорода в
океанических водах изменяется в широких пределах в зависимости от температуры и
присутствия живых организмов. Концентрация углекислого газа также варьирует, а
общее количество его в океане в 60 раз
превышает его содержание в атмосфере. Гидросфера формировалась в связи с
развитием литосферы, выделившей за геологическую историю Земли значительный
объем водяного пара и так называемых ювенильных (подземных магматических) вод.

 

Структура и функции биосферы

 

Рис. 24.1. Область распространения организмов в
биосфере:

 

1—уровень
озонового слоя, задерживающего жесткое ультрафиолетовое излучение, 2—граница
снегов, 3—почва, 4—
животные, обитающие в пещерах, 5—бактерии в нефтяных скважинах

Литосфера.
Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, сосредоточена в почвенном
слое, глубина которого обычно не превышает нескольких метров. Почвы, будучи, по
терминологии В.И. Вернадского, биокосным веществом, представлены минеральными
веществами, образующимися при разрушении горных пород, и органическими
веществами продуктами жизнедеятельности
организмов.

Живые организмы (живое вещество). В настоящее время описано около 300 тыс. видов растений и более 1,5
млн. видов животных. Из этого количества 93%
представлено сухопутными, а 7% — водными
видами животных. Суммарная биомасса организмов сухопутных видов образована на 99,2% зелеными растениями (2,4 • 1012 т) и на 0,8% животными и микроорганизмами (0,2 • 1011 т). В океане, напротив,
на долю растений приходится 6,3% (0,2 • 109
т), а на долю животных и микроорганизмов — 93,7%
(0,3 • 1010
т) совокупной биомассы. Несмотря на то что океан
покрывает немногим более 70% поверхности
планеты, в нем содержится лишь 0,13%
биомассы всех живых существ, обитающих на Земле.

Расчеты
показывают, что растения составляют около 21%
всех учтенных видов. Однако на их долю приходится более 99% биомассы, тогда как вклад животных в биомассу планеты (79% видов) составляет менее 1%. Среди животных 96% видов приходится на долю беспозвоночных и только 4% на долю позвоночных, среди которых
млекопитающие составляют примерно 10%.

Приведенные
соотношения иллюстрируют фундаментальную закономерность организации биосферы: в
количественном отношении преобладают формы, достигшие в процессе эволюции
относительно низких степеней морфофизиологического прогресса.

Живое вещество
по массе составляет 0,01—0,02% от косного
вещества биосферы, однако играет ведущую роль в биогеохимических процессах
благодаря совершающемуся в живых организмах обмену веществ. Так как субстраты и
энергию, используемые в обмене веществ, организмы черпают из окружающей среды,
они преобразуют ее уже тем, что в процессе своего существования используют ее
компоненты.

Ежегодная
продукция живого вещества в биосфере составляет 232,5
млрд. т сухого органического вещества. За это же время в масштабе планеты в
процессе фотосинтеза синтезируется 46
млрд. тонн органических углеродсодержащих веществ. Для этого требуется, чтобы 170 • 109 т С02
прореагировало с 68 • 109 т Н20.

Таким
образом, в результате фотосинтеза ежегодно образуется 115х х 109 т
сухого органического вещества и 123 • 109
т 02. В течение года в процесс
фотосинтеза вовлекаются также 6 • 109
т азота, 2 • 109 т фосфора и
другие элементы, например калий, кальций, сера, железо. Приведенные цифры
показывают, что живое вещество является наиболее активным компонентом биосферы.
Оно производит гигантскую геохимическую работу, способствуя преобразованию
других оболочек Земли в геологическом масштабе времени.

Биотический к
руговорот.
Главная функция биосферы заключается в обеспечении
круговоротов химических элементов. Глобальный биотический круговорот
осуществляется при участии всех населяющих планету организмов. Он заключается в
циркуляции веществ между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами.
Благодаря биотическому круговороту возможно длительное существование и развитие
жизни при ограниченном запасе доступных химических элементов. Используя
неорганические вещества, зеленые растения за счет энергии Солнца создают
органическое вещество, которое другими живыми существами (гетеротрофами потребителями и деструкторами) разрушается,
с тем чтобы продукты этого разрушения могли быть использованы растениями для
новых органических синтезов.

Важная
роль в глобальном круговороте веществ принадлежит циркуляции воды между
океаном, атмосферой и верхними слоями литосферы. Вода испаряется и воздушными
течениями переносится на многие километры. Выпадая на поверхность суши в виде
осадков, она способствует разрушению горных пород, делая их доступными для
растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с
растворенными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими
частицами в океаны и моря. Подсчитано, что с поверхности Земли за 1 мин испаряется около 1 млрд. т Н20 (на образование 1 г водяного пара необходимо 2,248
кДж). Энергия, затрачиваемая на испарение воды, возвращается в атмосферу (рис. 24.2). Циркуляция воды между Мировым океаном и
сушей представляет собой важнейшее звено в поддержании жизни на Земле и
основное условие взаимодействия растений и животных с неживой природой.

 



 Структура и функции биосферы

Рис. 24.2.
Круговорот воды в биосфере

 

Под
влиянием этого процесса происходит постепенное разрушение литосферы, перенос ее
компонентов в глубины морей и океанов.

На
создание органического вещества расходуется всего 0,1—0,2% солнечной энергии, достигающей поверхности планеты.
Благодаря этой энергии осуществляется значительный объем работы по перемещению
химических элементов.

В
качестве примеров биотического круговорота рассмотрим круговороты углерода и
азота в биосфере (рис. 24.3; 24.4). Круговорот углерода начинается с
фиксации атмосферного диоксида углерода в процессе фотосинтеза. Часть
образовавшихся при фотосинтезе углеводов используют сами растения для получения
энергии, часть потребляется животными. Углекислый газ выделяется в процессе
дыхания растений и животных. Мертвые растения и животные разлагаются, углерод
их тканей окисляется и возвращается в атмосферу. Аналогичный процесс происходит
и в океане.

Круговорот азота
также охватывает все области биосферы (рис. 24.4).
Хотя его запасы в атмосфере практически неисчерпаемы, высшие растения могут
использовать азот только после соединения его с водородом или кислородом.
Исключительно важную роль в этом процессе играют азотфиксирующие бактерии. При
распаде белков этих микроорганизмов азот снова возвращается в атмосферу.

Показателем
масштаба биотического круговорота служат темпы оборота углекислого газа,
кислорода и воды. Весь кислород атмосферы проходит через организмы примерно за 2 тыс. лет, углекислый газза 300
лет, а вода полностью разлагается и восстанавливается в биотическом круговороте
за 2 млн. лет (рис. 24.5).


 Структура и функции биосферы

Рис. 24.3.
Круговорот углерода в биосфере


 Структура и функции биосферы

Рис. 24.4.
Круговорот азота в биосфере

 

Благодаря
биотическому круговороту биосфере присущи определенные геохимические функции: газовая
биогенная миграция газов в результате фотосинтеза и азотфиксации; концентрационная аккумуляция в своих телах живыми организмами химических
элементов, рассеянных во внешней среде; окислительно-восстановительная превращение веществ, содержащих атомы с
переменной валентностью (например,
Fе, Mn); биохимическая
процессы протекающие в живых организмах.

Стабильность биосферы. Биосфера представляет собой сложную экологическую
систему, работающую в стационарном режиме. Стабильность биосферы обусловлена
тем, что результаты активности трех групп организмов, выполняющих разные
функции в биотическом круговороте,— продуцентов
(автотрофы), потребителей
(гетеротрофы) и деструкторов
(минерализующие органические остатки)
взаимоуравновешиваются. То, что в биосфере поддерживается постоянство ее
главных характеристик (гомеостаз), не исключает способности ее к эволюции.

 


 Структура и функции биосферы

Рис. 24.5. Темпы
циркуляции веществ в биосфере