Тема 5.3. биосфера

Что мы знаем о биосфере?

Биосфера возникла гораздо позже, чем другие земные оболочки. Более 3 млрд лет назад (возможно, и раньше) на нашей Земле в древнем Океане зародились простейшие микроорганизмы и одноклеточные водоросли, затем появились более сложные организмы. Постепенно растения и животные вышли на сушу (рис. 105). Около 40 тыс. лет назад появился Человек разумный. Прошли сотни миллионов лет, прежде чем в процессе эволюции сформировался тот разнообразный органический мир, который сегодня существует на Земле.

Живые организмы распространены очень широко — от верхних слоёв тропосферы (птицы, переносимые ветром микроорганизмы) до глубин Океана (глубоководные рыбы) и земных глубин в несколько километров (микроорганизмы, способные существовать без воздуха). Нынешний состав атмосферы — результат многовековой работы растений. Поглощая солнечный свет и углекислый газ, растения вырабатывают органические вещества и выделяют в атмосферу кислород.

Живые организмы на Земле исключительно разнообразны. Учёные лишь приблизительно подсчитали, что их больше 2,5 млн видов.

Все вместе они образуют органический мир нашей планеты. Из общего числа видов организмов 21% приходится на растения, но по своей массе они почти в 100 раз превосходят массу животных. Большинство растений малоподвижны, надолго прикреплены к одному месту. Животные же, напротив, подвижны — большинство активно передвигаются по суше, воде и в воздухе. Чем проще устроен организм, тем шире он распространён на нашей планете. Например, среди всех живых существ (кроме бактерий) преобладают насекомые. Среди животных всего 4% позвоночных, из которых лишь десятая часть — млекопитающие, в том числе и человек.

В Океане существуют свободно плавающие в толще воды организмы — рыбы, киты, морские черепахи (нектон). Некоторые организмы обитают на дне, как, например, водоросли, моллюски, крабы (бентос). Есть огромная группа мельчайших океанских обитателей — планктон, который переносится течениями. Планктон состоит из множества микроскопических водорослей, рачков, медуз, мальков и служит пищей большинству рыб. Основная масса организмов Океана обитает на малых глубинах — до 200 м, где больше света.

Гидросфера — водная оболочка Земли

Гидросфера — водная оболочка, включающая всю воду на нашей планете. К ней относится вода, которая находится на поверхности планеты, под землей и в воздухе. Гидросфера планеты может быть жидкостью, паром или льдом.

На Земле жидкая вода существует на поверхности в виде океанов, озер и рек. Под землей она встречается в колодцах и водоносных горизонтах, а также как грунтовые воды. Водяной пар наиболее заметен в виде облаков и тумана.

Замерзшая часть гидросферы Земли состоит из льда: ледников, ледяных вершин и айсбергов, и имеет свое название — криосфера.

Вода проходит через гидросферу благодаря циклическому перемещению. Она накапливается в облаках, затем падает на Землю в виде дождя или снега. Эта вода собирается в реках, озерах и океанах. Затем она испаряется в атмосферу, чтобы снова начать цикл. Этот процесс называется гидрологическим циклом.

По оценкам ученых, на нашей планете есть более 1386 млн. км³ воды.

В океанах содержится более 97 % запасов воды на Земле. Остальная часть приходится на пресную воду, две трети которой находится в замерзшем состоянии в полярных регионах планеты и на снежных вершинах гор. Интересно отметить, что, хотя вода покрывает большую часть поверхности планеты, она составляет всего 0,023 % общей массы Земли.

Границы распространения оболочки

Размеры оболочки ограничены зонами, в пределах которых может развиваться органическая жизнь (биомасса). Высота и глубина обитаемой зоны составляют:

• верхняя граница проходит в тропосфере, на высоте 15-20 км от уровня земной поверхности (ограничивается озоновым слоем на уровне начала стратосферы);
• нижняя граница углубляется в литосферу, на глубину от 3,5 до 7,5 км;
• в пределах между земной поверхностью и атмосферой глубина гидросферы доходит до 10 км.

Наибольшая концентрация биомассы на границе тропосферы и литосферы. Ее средний суммарный объем составляет 550 млрд тонн углерода.

Периоды развития биосферы

Следы обитаемой оболочки, окружающей Землю, обнаружены в осадочных породах архейского эона (около 3,5 млрд лет назад). Археологические находки той эпохи свидетельствуют о существовании древнейших органических остатков. Зарождение многогранной жизни на Земле началось с первых представителей биомассы, которыми можно считать:

• одноклеточные водоросли;
• простейшие прокариоты.

Простейшие органические формы обрели половое размножение только к концу архея, дав начало эволюционным процессам.

Мел-палеогеновое вымирание

Для эволюции биомассы характерна временная дестабилизация в результате масштабных катастроф (вымирание динозавров).

Непрерывное возобновление биомассы сформировало видовое разнообразие. Многочисленные животные и растения способствовали расширению биогенного круговорота и формированию геологического облика планеты. В процессе развития биосферы сложился основной принцип биомассы – в бионическом круговороте задействуются только живое и биокосное вещества.

Современное состояние и прогнозируемое будущее

Появление человека не сказывалось на развитии биосферы на ранних этапах. Деятельность человеческих существ и потребляемые ими ресурсы гармонично вписывались в круговорот веществ. С наступлением периода, когда люди научились менять условия среды обитания, равновесие в биосфере нарушилось. Стремление человека приспосабливать обитаемую оболочку под свои нужды постоянно дестабилизирует экосистему.

Негативными факторами для баланса обитаемой оболочки являются:

• техногенное влияние на животный и растительный мир (вымирание растений, животных);
• чрезмерное потребление биокосных и косных веществ.

Губительный подход человечества к экологии и условиям потребления ресурсов ведет к разрушению среды обитания жизненных форм. Биосфера не успевает восстанавливать компоненты, необходимые для поддержания жизненных процессов. Положение усугубляют загрязнение атмосферы, парниковые газы.

Биосферные заповедники

Группа конгони в саванне заповедника Мореми в Африке, Ботсвана

Сохранение биосферы – одна из важнейших экологических задач человечества. С этой целью в различных уголках планеты создаются резерваты глобальной экосферы – особо охраняемые природные зоны. Биосферные заповедники призваны решать следующие проблемы:

• сохранение уникальных растений и животного генофонда при согласованном потреблении ресурсов;
• мониторинг среды, изучение собранных данных.

Заповедные территории создаются под эгидой ЮНЕСКО. В список всемирного охраняемого наследия внесен 701 заповедник в 124 странах мира.

Как человек действует на природу?

Сотни тысяч лет люди жили в гармонии с природой. Но по мере роста численности населения влияние человека начало расти. Люди вырубали леса, создавая на их месте поля, дороги и города, внедрялись в недра земли, добывая полезные ископаемые. А в последние десятилетия начали серьёзно загрязнять воздух, воду и почву.

Озоновая дыра

Сейчас журналисты, да и некоторые учёные пишут о неизбежности «глобального потепления» из-за деятельности человека, но они забывают, что повышение температуры в течение нескольких лет или даже десятилетий может смениться похолоданием, как это уже многократно происходило в истории. Несколько лет назад разразилась паника из-за появления «озоновых дыр», разрушения защитного слоя, задерживающего смертоносные ультрафиолетовые лучи, однако позже было установлено, что это явление сезонное.

Вы уже прочитали о том, как вопреки всем прогнозам поднялся уровень Каспийского моря. Всё это доказывает, что мы ещё недостаточно хорошо изучили законы природы и не можем точно предсказать, к каким последствиям приведут наши действия, но это не значит, что к природе можно относиться безответственно.

Существует такое грустное изречение «Козы съели Грецию». Что это значит? Когда-то Греция была покрыта лесами, но люди разводили всё больше овец и коз, от которых получали мясо, шерсть, кожу и молоко. Казалось бы, чем больше скота, тем лучше, ведь больше еды, а лишнее можно обменять и продать. Оказалось, что не совсем так. Для земледелия понемногу вырубали леса, а те, которые остались, использовали для выпаса скота. Овцы мирно щипали траву, а вот козы объедали кусты и нижние ветки деревьев и даже умудрялись залезать на верхние ветви раскидистых олив. Обглоданные деревья погибали, а козы переходили к следующим. Это продолжалось много веков. Постепенно площадь лесов сокращалась, на их месте появлялись колючие кустарники, не вызывающие особого интереса у коз. Это один из примеров пагубного влияния человека на природу. Вы скажете: а при чём тут человек? А кто развёл столько коз, что им стало не хватать корма? Ведь не от хорошей жизни козы перешли на жёсткие ветки, сочная трава им нравится больше.

Занятный пример взаимосвязей в природе привёл великий английский биолог Чарлз Дарвин: «Чем больше старушек в деревне, тем больше молока дают там коровы». Английские старушки любят кошек — их кошки ловят полевых мышей — мыши меньше разрушают гнёзда шмелей — шмели опыляют больше клевера — коровам полезен клевер, они дают больше молока. Вот так всё уравновешено в природе!

Пасущиеся на ветках дерева козы

Поделиться ссылкой

Основные свойства биосферы

q Биосфера – централизованная система. Центральным звеном её выступают живые организмы (живое вещество). К сожалению, в настоящее время в центр биосферы или её звеньев ставится только один вид – человек (антропоцентризм

).

q Биосфера – открытая система. Её существование немыслимо без поступления энергии извне. Она испытывает воздействие космических сил, прежде всего, солнечной активности.

Всё больше накапливается данных, свидетельствующих, что периодическое резкое увеличение численности отдельных видов или популяций («волны жизни») – результат изменения солнечной активности. Считают, что от солнечной активности зависят многие геологические процессы (катаклизмы, катастрофы) и даже социальная активность человеческого общества или отдельных его этносов.

q Биосфера – саморегулирующаяся система, для которой характерна организованность. В настоящее время это свойство называют ГОМЕОСТА-ЗОМ, понимая под ним способность возвращаться в исходное состояние, гасить возникающие возмущения включением ряда механизмов. В основе гомеостаза биосферы лежит принцип Ле Шателье-Брауна: при действии на систему сил, выводящих её из состояния устойчивого равновесия, последнее (равновесие) смещается в том направлении, при котором эффект этого воздействия ослабляется.

Опасность современной экологической ситуации связана, прежде всего, с тем, что нарушаются многие механизмы гомеостаза и принцип Ле Шателье-Брауна, если не в планетарном, то в крупных региональных планах. Их следствие – региональные кризисы. В стадию глобального кризиса биосфера, к счастью, ещё, по-ви-димому, не вступила. Но отдельные крупные возмущения она уже гасить не в силах. Результатом этого является либо распад экосистем (например, расширяющиеся площади опустыненных земель), либо появление неустойчивых, практически лишённых свойств гомеостаза систем типа урбанизированных (городских) комплексов. Человечеству, к сожалению, отпущен крайне малый промежуток времени для недопущения глобального экологического кризиса и следующих за ним экологической катастрофы и коллапса (полного и необратимого распада системы).

q Биосфера – система, характеризующаяся большим разнообразием.Это и разные среды жизни (водная, наземно-воздушная, почвенная, организменная); и разнообразие природных зон, различающихся по климатическим, гидрологическим, почвенным, биотическим и др. свойствам; и наличие регионов, различающихся по химическому составу (геохимические провинции); и, самое главное, объединение в рамках биосферы большого количества элементарных экосистем со свойственным им видовым разнообразием.

В настоящее время описано около 2 млн. видов (примерно 1,5 млн. животных и 0,5 млн. растений), но, полагают, однако, что число видов на Земле в 2-3 раза больше, чем их описано. Для любой природной системы разнообразие – одно из важнейших её свойств. С ним связана возможность дублирования, подстраховки, замены одних звеньев другими (например, на видовом или популяционном уровнях), степень сложности и прочности пищевых и других связей. Поэтому разнообразие есть основное условие устойчивости любой экосистемы и биосферы в целом (закон У. Эшби).

К сожалению, практически вся без исключения деятельность человека подчинена упрощению экосистем любого ранга. Сюда следует отнести и уничтожение отдельных видов или резкое уменьшение их численности, и создание агроценозов (т.е. упрощённых агросистем) на месте сложных природных систем. Например, полностью исчезли с лица земли степи как тип экосистем и ландшафтов (распаханы!), резко уменьшились площади лесов (до появления человека они составляли 70% суши, а сейчас – не более 20-30%). В настоящее время идёт дальнейшее, невиданное по масштабам, уничтожение лесных экосистем, особенно наиболее ценных и сложных – тропических, спрямление русел рек, создание промышленных районов и т. п.

Экологическое разнообразие отнесено Конференцией ООН по окружающей среде и развитию (1992 г.) к числу трёх важнейших экологических проблем: сохранение биологического разнообразия, сохранение лесов и предотвращение изменений климата.

q Биосфера – система механизмов, обеспечивающих круговорот веществ и, связанную с ним, неисчерпаемость отдельных химических элементов и их соединений. При отсутствии круговорота, например, за короткое время был бы исчерпан основной «строительный материал» живого – углерод, который практически единственный способен образовывать межэлементные связи и создавать огромное количество органических соединений. Только благодаря круговоротам обеспечивается непрерывность процессов в биосфере.

Состав биосферы – оболочки

Биосфера разделена на три уровня, обладающих определенными особенностями. Также их называют оболочками.

Атмосфера

Фото атмосферы из космоса Атмосфера – область над поверхностью планеты. Через нее Земля из космоса получает необходимые газы: водород и гелий. Она полностью пронизывается радиацией от Солнца, которое нагревает планету, способствует распаду молекул и ионизации атомов.

Атмосферу можно разделить на различные слои:

• тропосфера (0-10 км);
• стратосфера (10-47 км);
• мезосфера (47-80 км);
• термосфера (80-1000 км);
• экзосфера (от 1000 км), газы рассеиваются в космическое пространство.

В состав атмосферы входят: азот 78,8%, кислород 20,9%, аргон 0,93%, углекислый газ 0,03%. Также в ней присутствуют неон, гелий, метан, водород, водяной пар и озон.

Температура, давление и плотность атмосферы постоянно меняются в зависимости от времени года и суток, расположения. Например, масса водяного пара в разных местах будет отличаться: в тропиках 3%, в Антарктиде 0,00002 %.

Интересный факт: озоновый слой – один из важнейших компонентов в атмосфере. Он находится на высоте в 20-25 км и защищает планету от радиации Солнца.

Гидросфера

Гидросфера составляет большую часть поверхности планеты Гидросфера – это водная оболочка Земли. Жидкость присутствует повсюду: в виде пара находится в атмосфере, в естественном состоянии просачивается сквозь землю, а также составляет основу Мирового океана.

Интересный факт: В воде растворяется множество веществ, и их концентрация может доходить до 50 мг/л, а в море до 35 г/л.

Морская вода содержит в себе такие элементы, как: кислород, водород, хлор, натрий, магний, кальций, калий, бром и сера. Также в разном количестве в ней присутствуют и другие вещества. Фактически, в некоторых водоемах может находиться большая часть химических элементов, и все они будут влиять на местные организмы. Вода также оказывает воздействие на человека, природу, климат, более того, именно в ней зародилась жизнь.

Интересно: Экологическая система: понятие, суть, типы, примеры, уровни, фото и видео

Мировой океан составляет 94% всех вод на планете. Поэтому большая часть подводных организмов проживает именно в нем. В морской воде много растворенных газов, например углекислого больше, чем в атмосфере, в 100 раз. А кислорода наоборот, в 100 раз меньше.

Вода активно поглощает тепло от Солнца, не давая температуре на Земле подниматься критически высоко. Поверхность океана в районе экватора нагревается, образует теплые течения и уносит жидкость в полярные области. Обратно же она возвращается охлажденной. А за счет испарений образуется круговорот воды в природе, что влияет на климат.

Литосфера

Фото каньона как пример литосферы Литосфера – это земля, почва, полезные ископаемые – всё, что находится в твердом веществе на поверхности планеты. В её химический состав входят алюминий, железо, кальций, магний, натрий, калий.

Организмы проникают в почву на глубину до 3 км, дальше им не хватает ни воздуха, ни питательных веществ для того, чтобы выжить. Камни и горные породы препятствуют проходу животных и растений.

Почва включает в себя твердые, жидкие и газообразные элементы, ей присуща живая и неживая природа. Она – результат выветривания горных пород и взаимодействия климата, растений, животных. Самый плодородный – верхний слой (гумус), содержит продукты перегнивания органики, имеет глубину в 10-15 см.

Выделяют три основных элемента почвы:

• твердая часть – это органическое вещество, состоящее из растительного, животного и микробного происхождения;
• жидкая часть – почвенный раствор, в нем находятся элементы питания, необходимые для роста растений: ионы, молекулы, коллоиды;
• газообразная часть – это воздух, который заполняет поры, в его состав входят азот, озон, углекислый газ и множество других элементов в зависимости от места, окружающих условий.

Интересно: Как растения справляются с засухой в пустыне? Описание, фото и видео

В верхних слоях живых существ больше, чем в нижних. Почва – это среда обитания микроорганизмов, формирующих ее плодородие. Они способны разрушать все природные и органические соединения, участвуя в процессе почвообразования. Также микроорганизмы очищают окружающую среду от загрязнений.

Строение, жизненные формы и жизненный цикл растений

Те­ло боль­шин­ст­ва Р. с вы­ра­жен­ным рас­чле­не­ни­ем. Су­ще­ст­ву­ют 3 ти­па его ор­га­ни­за­ции: тал­лом­ный, при ко­то­ром отд. ор­га­ны не вы­де­ля­ют­ся и те­ло пред­став­ле­но зе­лё­ной пла­сти­ной (не­ко­то­рые мо­хо­вид­ные, за­ро­ст­ки па­по­рот­ни­ко­вид­ных); лис­то­сте­бель­ный, пред­став­ляю­щий со­бой по­бег с ли­сть­я­ми (кор­ни от­сут­ст­ву­ют; боль­шин­ст­во мо­хо­вид­ных), и кор­не­по­бе­го­вый, ко­гда те­ло со­сто­ит из кор­ней и сис­те­мы по­бе­гов (у боль­шин­ст­ва Р.). За­чаток по­бе­га при­ня­то на­зы­вать поч­кой (см. Поч­ка рас­те­ний).

Р. об­ла­да­ют не­ог­ра­нич. рос­том гл. обр. за счёт об­ра­зо­ва­тель­ных тка­ней – ме­ри­стем, клет­ки ко­то­рых со­хра­ня­ют по­сто­ян­ную спо­соб­ность к де­ле­нию. Бу­ду­чи за­кре­п­лён­ны­ми в суб­стра­те, Р. вы­ну­ж­де­ны быть био­мор­фо­ло­ги­че­ски пла­стич­ны­ми; они фор­ми­ру­ют разл. адап­тив­ные кор­не­по­бе­го­вые сис­те­мы – жиз­нен­ные фор­мы: де­ре­вья, кус­тар­ни­ки, кус­тар­нич­ки, стла­ни­ки, по­лу­кус­тар­ни­ки, лиа­ны, эпи­фи­ты и др. Их при­кре­п­лён­ным об­ра­зом жиз­ни оп­ре­де­ля­ют­ся мн. ана­то­мо-мор­фо­ло­гич. и эко­ло­го-био­ло­гич. свой­ст­ва. Ре­ак­ция Р. на воз­дей­ст­вие тех или иных эко­ло­гич. фак­то­ров про­яв­ля­ет­ся в ви­де на­прав­лен­но­го рос­та к ис­точ­ни­ку воз­дей­ст­вия (напр., по­ло­жи­тель­ный фо­то­тро­пизм) или от та­ко­во­го (напр., от­ри­ца­тель­ный ге­лио­тро­пизм). В жиз­нен­ном цик­ле Р. име­ют про­ме­жу­точ­ный тип ре­дук­ции (в ре­зуль­та­те мей­о­за об­ра­зу­ют­ся спо­ры), при ко­то­ром че­ре­ду­ют­ся га­п­ло­ид­ное по­ло­вое (га­ме­то­фит) и ди­п­ло­ид­ное бес­по­лое (спо­ро­фит) по­ко­ле­ния.

Биосфера и ее границы

Биосфера — это оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются прошлой и современной деятельностью живых организмов.

■ Термин «биосфера» ввел Э. Зюсс (Австрия, 1875 г.), учение о биосфере было создано В.И. Вернадским (Россия, 1926 г.).

■ Биосфера — наиболее крупная экосистема, объединяющая все биогеоценозы планеты и осуществляющая глобальный круговорот веществ.

Компоненты биосферы: живое вещество (см. ниже), биогенное вещество, биокосное вещество, косное вещество, радиоактивное вещество, космогенное вещество.

Биогенное вещество — соединения и полезные ископаемые, создаваемые и перерабатываемые живыми организмами в процессе их жизнедеятельности (нефть, газ, уголь, известняк и др.).

Биокосное вещество — вещество, образующееся в результате совместной деятельности живых организмов и абиогенных процессов (почва, грунт водоемов).

Косное вещество — соединения, образующиеся без участия живых организмов (горные породы, минералы и др.).

Радиоактивное вещество — радиоактивные руды и конечные продукты их распада.

Космогенное вещество — метеориты, космическая пыль.

Область жизни определяется наличием условий, необходимых для существования тех или иных живых организмов.

Жизнь на Земле распространена в трех геологических оболочках — атмосфере, гидросфере и литосфере. Эти оболочки объединены в единую целостную систему посредством непрерывного обмена друг с другом веществом и энергией, обусловленного не только абиогенными процессами, но и деятельностью живых организмов.

Атмосфера — воздушная оболочка Земли. Плотность воздуха быстро уменьшается с высотой: 75% массы атмосферы сосредоточено в слое ниже 10 км, 90% — ниже 15 км, 99% — ниже 30 км. Сухой воздух состоит из азота (78,08%), кислорода (20,95%), аргона (0,93%), углекислого газа (0,03%) и примесей других газов.

Тропосфера — нижний слой атмосферы высотой от 8-10 км в полярных широтах до 16-18 км в экваториальной зоне. Выше тропосферы расположена стратосфера.

Озоновый слой — область с повышенным содержанием озона О₃ — находится в стратосфере на высотах 15-25 км. Он поглощает губительное для живых организмов коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца.

Водяной пар, присутствующий в атмосфере, участвует в природном круговороте воды;

■ конденсируясь, он выпадает в виде дождей, обеспечивая влажностный режим земных территорий;

■ вместе с СО₂ он вносит главный вклад в парниковый эффект: удерживает отраженные от поверхности планеты длинноволновые тепловые лучи, благодаря чему нижние слои атмосферы оказываются теплыми.

Гидросфера — это водная оболочка Земли, образованная водами ее океанов, морей, озер, рек, подземных и ледяных покровов.

■ Средняя глубина Мирового океана — 3,8 км, максимальная (Марианская впадина в Тихом океане) — 11,034 км. 97% массы гидросферы составляют соленые океанические воды, 2,2% — воды ледников, 0,8% — подземные, озерные и речные пресные воды.

Литосфера — внешняя твердая оболочка (кора) планеты. Состоит из трех слоев: верхнего — слоя осадочных пород, среднего -гранитного и нижнего, наиболее плотного — базальтового.

Границы биосферы проходят там, где начинают преобладать природные факторы, делающие существование живых организмов невозможным.

Верхняя граница биосферы определяется высокой интенсивностью ультрафиолетового солнечного излучения, низкой температурой среды, дефицитом кислорода и воды и проходит в атмосфере на высоте 25-27 км (у нижней границы озонового слоя).

■ Отдельные споры бактерий и грибов найдены в тропосфере на высоте до 40 км.

Нижняя граница биосферы в литосфере для большинства форм жизни определяется высокой плотностью, прочностью и высокой сопротивляемостью среды, отсутствием света, недостатком кислорода и проходит на глубине нескольких десятков метров.

■ Неактивные формы жизни (споры, цисты) и нефтебактерии зарегистрированы на глубинах до 4 км. Эта граница, помимо перечисленных выше факторов, определяется также высокими давлением и температурой горных пород и подземных вод (на глубине 3 км температура около +100 °С).

В гидросфере жизнь простирается на всю глубину Мирового океана. Здесь ограничивающими факторами являются давление толщи воды и отсутствие света (температура воды на дне океанических впадин — около 0 °С).

■ По В.И. Вернадскому, нижняя граница биосферы проходит на 1-2 км глубже дна Мирового океана, в постепенно накапливающейся в океане толще осадочных пород, происхождение которых связано с деятельностью живых организмов.