§2Биосфера как географическая оболочка
Физическая география рассматривает географическую оболочку Земли как природный комплекс, возникший в слое взаимодействия и взаимопроникновения литосферы, атмосферы и гидросферы и сформировавшийся под воздействием солнечной энергии и органической жизни. То есть географическая оболочка – это оболочка земного шара, состоящая из земной коры, атмосферы, гидросферы, почв, растительного и животного мира. Фактически же, географическая оболочка включает в себя земную кору, атмосферу, гидросферу и биосферу.
Биосфера (рис. 1) включает нижнюю часть атмосферы (аэробиосферу), всю гидросферу (гидробиосферу) – океаны, моря, поверхностные воды суши,террабиосферу– поверхность самой суши, а также литосферу (литобиосферу) – верхние горизонты твердой земной оболочки. В пределах биосферы выделяют две категории слоев: собственно биосферу, где живое вещество локализовано постоянно (эубиосферу), а также расположенные выше и ниже ее соответственнопарабиосферуиметабиосферу. В эти слои живые организмы могут попадать лишь случайно. Общая протяженностьэубиосферыпо вертикали – 12-17 км, хотя у разных авторов эти оценки несколько варьируют.
Строение биосферы
Верхней границей биосферы (включая парабиосферу) является озоновый экран (или слой).
Озоновый экран (озоносфера) – это слой атмосферы в пределах стратосферы, расположенный на разной высоте от поверхности Земли и имеющий наибольшую плотность (концентрацию молекул) озона на высоте 22-26 км.
Высота озонового слоя у полюсов оценивается в 7-8 км, у экватора – 17-18 км, а максимальная высота присутствия озона – 45-50 км. Выше озонового экрана существование жизни без специальной защиты невозможно из-за жесткого ультрафиолетового излучения Солнца.
Метабиосфера не опускается ниже 10-15 км, а нижней границей эубиосферы считаются донные отложения океана и верхние горизонты литосферы, подвергающиеся ныне (или подвергавшиеся в прошлом) воздействию живых организмов. К биосфере, например, относятся некоторые полезные ископаемые, в частности каменный уголь – продукт фотосинтеза растений в прошлые геологические эпохи. С учетом протяженности всех названных слоев по вертикали общая мощность биосферы оценивается в 33-35 км.
Биотические компоненты биосферы включают растения (фитосфера), животных (зоосфера) и микроорганизмы (микробосфера). К биосфере относится человеческое общество. Более 99 % всего вещества в верхних слоях литосферы (в литобиосфере) трансформировано живыми организмами.
Современная биосфера охватывает пространство, в котором живые организмы обитают в настоящее время. В то же время безжизненные скопления органических веществ и других соединений, образовавшихся при участии живых организмов в прежние геологические эпохи (залежи каменного угля, нефти, горючих сланцев, рудные образования, известняки и т.д.), относят к так называемым былым биосферам.
Процессы, протекающие в биосфере и обеспечивающие ее фунцкионирование как глобальной экосистемы, связаны с активным обменом веществом и энергией между ее компонентами. В этой связи важное значение имеют особенности физико-химической среды биосферы, такие как значительное содержание в ней жидкой воды, наличие многочисленных поверхностей раздела между твердыми, жидкими и газообразными фазами, и наконец, мощный поток солнечной энергии, проходящий через биосферу.
3.2. Биосфера, как часть географической оболочки Земли.
Географическая оболочка Земли включает в себя:
литосферу– верхний каменный твёрдый слой Земли мощностью 30…40кмна равнинах;
50км– в горах; 3…10км– в океанах и морях. Ниже литосферы лежат гранитный и базальтовый слои;
атмосферу– воздушная оболочка Земли мощностью
20000км, состоящая в свою очередь из пяти слоев (тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, экзосфера);
гидросферу– вода Земли в жидком и твёрдом агрегатном состояниях (около 40%воды заключено в литосфере). Объем гидросферы составляет
Между указанными сферами происходит взаимообмен веществом и энергией, в результате чего формируется природная ландшафтная сфера. Ландшафтная сфера является центральной частью географической оболочки, т. к. в ней происходит трансформация солнечной энергии в её другие виды и создается благоприятная среда для развития органической жизни.
Биосфера является составной частью географической оболочки, оказывая постоянное воздействие на последнюю путем реализации указанных выше функций (газовая, окислительно- восстановительная, концентрационная, деструктивная).
3.3. Круговорот веществ в биосфере.
Для существования биосферы необходим постоянный круговорот биологически важных веществ, т. е. после использования в одних организмах они должны вновь переходить в усвояемую для других организмов форму. Этот круговорот происходит за счет энергии Солнца, которая вместе с биологическим обеспечивает так же геологический круговорот веществ. Последний процесс проявляется в основном в круговороте воды и циркуляции атмосферы и потребляет
50 %всей падающей на Землю энергии Солнца.
Биологический круговорот веществ состоит из ряда биогеохимических циклов, основными из которых являются круговороты кислорода, углерода, воды, фосфора, серы и др. биогенных элементов.
Например, круговорот углерода происходит следующим образом. На суше источником углерода для живых организмов является диоксид углерода, фиксируемый растениями из воздуха при фотосинтезе. Из растений часть углерода с пищей потребляется животными. Значительная часть углерода кумулируется в останках отживших растений и животных. Весь содержащийся в накопленной биомассе углерод возвращается в атмосферу также в виде диоксида углерода при дыхании растений и животных, а также за счёт разложения микроорганизмами отжившей биомассы (при этом её углерод окисляется до диоксида углерода и поступает в атмосферу). Такой же круговорот углерода совершается в океане.
В биологический круговорот в конечном итоге вовлекаются практически все химические элементы земной коры.
3.4. Биосфера и космос.
Воздействие космических сил на земную жизнь происходит в основном посредством солнечного электромагнитного изучения. Вторжение космических тел в биосферу, например, метеоритов носит случайный характер. Гравитационные влияния могут оказывать лишь Солнце и Луна.
Различают прямое (первичное) и непрямое (вторичное) действие космических сил. Прямое действие – световое, ультрафиолетовое и радиоволновое излучения космоса, достигающие земной поверхности. Непрямое действие оказывают: излучение космоса, поглощаемое верхней частью атмосферы с образованием озона; нагревание и перемещение масс воздуха; изменение геомагнитных характеристик Земли (магнитные бури и др.).
Из всех космических воздействий наиболее важными являются источники энергии жизненных процессов и формирования биоритмов.
Проникновение земной биосферы в космос возможно двумя путями:
посредством выноса микроорганизмов из верхних слоев атмосферы в околоземное космическое пространство с последующим занесением их солнечным ветром на другие планеты;
Биосфера понятие о биосфере. Состав, строение биосферы
Понимание того, что живые организмы нашей планеты взаимодействуют с внешней средой и влияют на изменение этой среды, возникло давно на основе наблюдения природных явлений. Зачатки представлений о биосфере есть в трудах Б.Варениуса (1622-1650), Х.Гюйгенса (1629-1695), Ж.Л.Бюффона (1767-1788). Начало учения о биосфере связывают с именем знаменитого французского натуралиста Ж. Б.Ламарка (1744— 1829). В своих трудах он предложил термин «биология». Сам термин «биосфера» и определение биосферы как особой оболочки Земли применил Э.Зюсс в 1875 г. в книге о происхождении Альп, а затем в труде «Лик Земли». В своей книге «Гидрогеология» он посвятил целую главу влиянию живых организмов на земную поверхность. Наиболее детально разработано учение о биосфере и живом веществе выдающимся русским ученым В.И.Вернадским, свои представления о биосфере он изложил в труде «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения» (1987).
Современные представления о биосфере основаны на учении В. И. Вернадского. До его исследований живым организмам, их роли в преобразовании земной поверхности не придавали большого значения. Растения и животные воспринимались как отдельные организмы, вынужденные приспосабливаться к условиям, создаваемым неорганическими процессами. По В. И. Вернадскому, «организмы представляют собой живое вещество, т.е. совокупность всех живых организмов, в данный момент существующих. Оно связано с окружающей средой биогенным током атомов: питанием, дыханием, размножением». Живое вещество — одно из самых древних известных на Земле природных тел. И человек как часть живого вещества — более древнее создание, чем почти все окружающие нас горные породы и минералы.
Биосфера — своеобразная оболочка Земли, образованная совокупностью живых организмов и той частью вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.
Следовательно, в биосферу включаются не только живое вещество, но и литосфера, гидросфера, атмосфера, подвергшиеся преобразовательному воздействию организмов. Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. Верхняя граница биосферы проводится по озоновому экрану, который защищает живые организмы от губительного коротковолнового излучения Солнца. За нижнюю границу принимается верхний слой земной коры с давлением 4 • 10 7 Па и температурой 100 °С. В действительности, большинство живых организмов концентрируется в небольшой по толщине «пленке жизни», ограниченной в основном кронами деревьев и корнями растений на суше и поверхностными водными массами на океане. Только споры и бактерии заносятся на высоту до 20 км. В толще литосферы на глубине 4,5 км в скважинах найдены только анаэробные бактерии.
13.1 Учение В. И. Вернадского о биосфере. Основные идеи В. И. Вернадского по проблемам биосферы сложились в начале XX столетия. В 1926 г. ученый опубликовал книгу «Биосфера», в которой изложил свое представление о строении, происхождении биосферы, образовании и роли живого вещества. Основной труд Вернадского «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения» был опубликован после его смерти. В.И.Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, основа которой — взаимодействие живого и косного вещества. Живое вещество пронизало косное, превратив его в биокосное. Он считал, что в понятие биосферы должны включаться не только совокупность живых организмов, но и оболочки Земли, находящиеся в непрерывном обмене с этими организмами. «Продукты жизнедеятельности относятся к весьма подвижным веществам, которые перемещаются в пространстве далеко за пределы обитания организмов. Поэтому распределение самих живых организмов более ограничено, чем вся биосфера в целом», — писал Вернадский.
Ученый считал, что живые организмы должны рассматриваться в совокупности как живое вещество планеты: «Организмы представляют собой живое вещество, связанное с окружающей средой биогенным током атомов: своим дыханием, питанием, размножением». Биогенная миграция атомов подчиняется двум биохимическим принципам:
1) стремление к максимальному проявлению («всюдность» жизни);
2) стремление к выживанию организмов, увеличивающих биогенную миграцию атомов.
Биологические процессы проявляются в развитии живых организмов, в усвоении солнечной энергии и накоплении свободной энергии в самих телах организмов, в биологической продуктивности. В.И.Вернадский дал представление о пяти основных биохимических функциях живых организмов.
Первая функция — газовая. Большинство газов планеты порождено живыми организмами. Подземные, горючие газы, болотный газ (метан) — продукты разложения органических веществ.
Вторая функция — концентрационная. Организмы накапливают в своих телах многие химические элементы. На первом месте стоит углерод. В углях содержание углерода больше, чем в среднем для земной коры. В кораллах концентрируются карбонаты, формируется органогенный известняк. Концентраторами кремния являются диатомовые водоросли, йода — водоросли ламинарии, железа и марганца — особые бактерии.
Третья функция — окислительно-восстановительная. В процессе своей жизнедеятельности организмы могут регулировать газовый режим водоемов, создавая благоприятные условия для осаждения некоторых химических элементов.
Четвертая функция — биохимическая. Организмы растут, размножаются и перемещаются в пространстве. Размножение приводит к быстрому распространению живых организмов по Земле.
Пятая функция — биохимическая деятельность человечества. Она охватывает все большую часть планеты и приводит к видоизменению всей биосферы.
В.И.Вернадский считал, что на современном этапе биосфера переходит в ноосферу — сферу разума, когда человек становится могучей геологической силой. «Масштаб воздействия человека на природу стал действительно планетарным, и по количественному эффекту воздействия деятельность человека стала превосходить многие естественные процессы». Оценивая роль разума и научной мысли как планетарного явления, ученый пришел к следующему выводу: ход научного творчества является той силой, которой человек меняет биосферу. Данное изменение биосферы есть неизбежное явление, сопутствующее росту научной мысли. Оно происходит независимо от человеческой воли, стихийно, как природный процесс. Он считал, что это — закон природы, а задача науки — исследование закона и разработка путей взаимодействия человека и природы.
13.2 Биосфера – сфера жизни. «Биосфера» – в переводе с греческого – «сфера жизни». Как уже отмечалось, понятие «биосфера» было предложено австрийским геологом Э. Зюссом в 1875г. Учение о биосфере было гениально разработано академиком В.И. Вернадским в 20-х годах нашего столетия.
Биосфера – особая сложная система, возникшая в результате появления и развития жизни на Земле. Биосфера – самое важное достояние планеты Земля. Из всех планет солнечной системы биосфера сформировалась только на Земле. Возможно, начинала развиваться (могла развиваться) на каких-то этапах формирования планет биосфера Венеры и особенно Марса. Однако сложившиеся к настоящему времени условия на этих планетах неблагоприятны для существования живых организмов.
На Земле первые живые существа возникли около 3- 4 млрд. лет назад в водной среде. Это были простейшие мельчайшие организмы, но обладающие уже способностью обмена веществ, размножения, роста. Подобные им примитивные клеточные организмы – микробы – и теперь широко распространены на Земле. Позже усложнялось строение живых существ, выживали те из них, которые лучше приспосабливались к условиям среды, что и обуславливало их эволюцию, совершенствования, усложнение строения.
Совокупность живых организмов, живое вещество Земли и называют биосферой по аналогии с литосферой, гидросферой, атмосферой. Но еще академик В.И. Вернадский писал, что правильнее под «биосферой» понимать не только массу живого вещества планеты, но и среду обитания живых организмов.
Это особая оболочка земного шара, которую называют ГО.
Таким образом, «Биосфера» в понимании академика В.И. Вернадского и ГО – термины – синонимы. Географическая оболочка — (биосфера) включает, таким образом, кроме живого вещества, часть литосферы (несколько километров), гидросферу, часть атмосферы (тропосферу). Средняя ее мощность около 30 км, т.е. в ГО включаются те слои литосферы, где возможно существование живых организмов. В литосфере микроорганизмы скважинами обнаруживаются на глубине несколько километров (до 3-5 км), на больших высокие температуры и высокое давление препятствуют их наличию. Однако споры микробов выдерживают нагревание в сухой среде до 180; споры некоторых бактерий не гибнут в течение 10 часов в жидком водороде при температуре -253, или живут в течение 6 месяцев в жидком воздухе при температуре –190. Плесневые грибки и бактерии переносят давление до 3000 атмосфер, а дрожжевые грибки – до 8000 атмосфер. Придонные организмы на дне Мирового океана выдерживают огромное давление многокилометровых толщ воды.
Бактерии и водоросли живут в горячих источниках (до 85С), в холодных почвах, могут обходиться без кислорода и т.д. Все это говорит о высокой приспособляемости организмов к среде обитания, об их высокой выживаемости.
В атмосфере живые существа могут жить до слоя озона.
Таким образом, жизнь, возникнув на контакте гидросферы, литосферы и атмосферы при воздействии вещества этих сфер и при участии солнечной энергии, и до сих пор существует в зоне их взаимодействия.
Некоторые живые организмы обладают огромными потенциальными возможностями размножения. Так, потомство 1 бактерии за 108 часов может заполнить океан, а потомство одуванчика за 10-12 лет способно заселить сушу. Диатомея, делясь на части за 8 дней способна создать массу, равную объему Земли, через 1 час удвоенную. Но это при благоприятных условиях, при беспрепятственном развитии процессов размножения. В реальной обстановке много препятствий, сдерживающих факторов, и способность организмов в этом отношении не реализуется.
Велико разнообразие растений и животных, заселяющих Океан и сушу: установлено 500 000 видов растений и около 1000 000 видов животных. Подсчитана масса общего количества живого вещества на Земле: 6,5х10 12 т (6,5 триллиона т).
Если литосферу представить в виде чаши весом 4,2 кг, гидросфера будет представлена водой в ней весом в 400г, атмосфера будет весить – 5г (1 медная монета), а живое вещество равно весу почтовой марки. Такое сравнение принадлежит норвежскому ученому В.М. Гольдшмидту.
В пределах биосферы (ГО) живое вещество распределено крайне неравномерно и, прежде всего по вертикали. Наиболее богато жизнь представлена на поверхности планеты: на суше, в морских и материковых водах. Живое вещество как бы обволакивает поверхность Земли, то, редея, то уплотняясь. Особенности распределения организмов по поверхности Земли становятся понятными из следующих данных: свыше 99,5 % всей биомассы живого вещества находятся на суше, т.е. биомасса суши больше биомассы Океана в 200 раз. В живом веществе исключительное преимущество принадлежит растениям, биомасса которых составляет 98%, биомасса животных (суши и океана) — только 2%; в океане биомасса животных в 30 раз больше биомассы растений.
Таким образом, основную биомассу образуют растения суши. Наиболее продуктивны экваториальные и тропические широты (кроме пустынь), для которых характерны многоярусные экваториальные и тропические леса, состоящие из вечнозеленых пород (продуктивность до 500 т/га). В целом леса занимают 1-е место по массе живого вещества, 2-е – травянистый покров (в 5-10 раз меньше), 3-е – живое вещество почв, последнее – животные. В арктических и субарктических широтах концентрация жизни мала.
В океане организмы преимущественно располагаются двумя ярусами – верхний («световой») ярус мощностью в 200-250м – планктонная пленка жизни, по В.А. Вернадскому, а дне – бентальная пленка («нижний ярус»).
Организмы в Океане по широтам (в поверхностном слое) распределены неравномерно – менее всего населены тропические широты, наиболее – умеренные и субарктические (субтропические), что связано с меньшим или большим содержанием кислорода, питательных веществ и т.д.
Органический мир делится на 4 царства: 1) дробянки (прокариоты) – бактерии, сине-зеленые водоросли; 2) грибы; 3) растения; 4) животные. Среди растений особое место занимают зеленые растения, которые создают органическое вещество из неорганического и накапливают его, обеспечивая биологический круговорот вещества и энергии.
13.3 Биологический круговорот вещества и энергии. Живые организмы для поддержания своей жизнедеятельности постоянно обмениваются веществом (и энергией) с окружающей средой, создавая своеобразные круговороты вещества и энергии – биологический круговорот. В биологический круговорот вовлекается неорганическое (косное) вещество. Как уже отмечалось, масса живого вещества биосферы оценивается в 6,5 х 10 12 т. Ежегодный прирост его составляет 7,6х10 11 т. Такая же масса вещества ежегодно отмирает.
Круговорот состоит из двух противоположных процессов:1) образование живого вещества из неживого за счет энергии Солнца и 2) разрушения его на простые соединения.
Первый процесс – фотосинтез. В процессе фотосинтеза зеленые растения поглощают воду и продукты минерального питания на суше из почвы, формируя надземные и подземные органы, наращивая массу живого вещества. Ежегодно растения «забирают из почвы и включают в биологический круговорот до 10 9 т минеральных веществ. Такое же количество возвращается в почву. Из воздуха растения также поглощают углекислый газ (СО2) 3.8 10 11 т/год. За счет реакции фотосинтеза растения выделяют в атмосферу и гидросферу (СО2 Н2О световая энергия СН2О О2) 2.8 10 11 т/год кислорода. Считается, что весь свободный кислород атмосферы имеет биогенное происхождение. Исследования показывают, что на первых этапах развития атмосферы она имела другой состав и почти не содержала свободного кислорода, который накапливался позже вследствие жизнедеятельности растений. Это один из самых ярких примеров воздействия живого вещества на атмосферу.
Сходные результаты имеет также деятельность живого вещества в Океане, растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Кроме того, морские организмы извлекают из воды растворенные в ней соли и, прежде всего для построения скелета и внешнего панциря (раковин, пластин и т.д.) – углекислый кальций (СаСО3) и кремнезем (SiO2).
Зеленые растения, создающие органическое вещество, — продуценты. Получаемая растительная масса потребляется животными – консументами. При отмирании живое вещество попадает в распоряжение редуцентов, которые его разлагают на составные неорганические соединения. К редуцентам относятся преимущественно микроорганизмы. В процессе разложения (минерализации) энергия, поглощенная при фотосинтезе, освобождается и выделяется в окружающую среду, передается, переводится в химическую, механическую, тепловую. За счет этой энергии осуществляются многие процессы в ГО.
Оба процесса биологического процесса – создания и разрушения органического вещества противоположны, но неотделимы друг от друга. Отсутствие одного вызовет исчезновение другого. В ходе круговорота живое вещество обновляется в среднем за 13 лет.
Биологический круговорот не полностью замкнут. По отмирании морских животных образуются толщи известняков и кремнистых донных осадков биогенного происхождения. Так живое вещество, отмирая, складируется и становится составной частью литосферы. Из растительной (преимущественно массы) на суше формировались залежи угля, торфа и др. горючих полезных ископаемых. В результате непрерывного биологического круговорота, совершающегося в толще рыхлых пород, возникает почва – поверхностный слой коры выветривания, обладающий плодородием. Уже из этих примеров видно сколь велико влияние живого вещества на атмосферу, гидросферу, литосферу.
Чрезвычайно велико влияние человека на биосферу (ГО), сделавшуюся почти полностью средой его обитания (см. раздел «Система природа — население – общество».)