СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ БИОСФЕРЫ

  Биосфера является многоуровневой системой, которая включает подсистемы разного степени сложности. Границы биосферы определяются областью распространения организмов в атмосфере, гидросфере и литосфере. Верхняя граница биосферы проходит примерно на высоте 20 км. Таким образом, живые организмы расселены в тропосфере и в нижних слоях стратосферы.

 

Рис. 181. 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.

 

  Лимитирующим фактором расселения в этой среде является нарастающая с высотой интенсивность ультрафиолетовой радиации.

Практически все живое, проникая выше озонового слоя атмосферы, погибает. В гидросферу биосфера проникает на всю глубину мирового океана, что подтверждается обнаружением живых организмов и органических отложений до глубины 10-11 км. В литосфере область распространения жизни во многом определяется уровнем проникновения воды в жидком состоянии - живые организмы найдены до глубины примерно 7,5 км. Проникновение живых организмов вглубь ограничивается высокой температурой и давлением, отсутствием света.

  Атмосфера. Эта оболочка состоит в основном из азота и кислорода. В меньших концентрациях она содержит углекислый газ и озон. Состояние атмосферы имеет большое влияние на физические, химические и, особенно, биологические процессы на земном поверхности и в водной среде.

  Наибольшее значение для биологических процессов имеют кислород атмосферы, что используется для дыхания организмов и минерализации органического вещества, что омертвела, углекислый газ расходуется при фотосинтезе, а также озон, экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения. Снаружи атмосферы существование живых организмов невозможно. Это видно на примере лишенного жизни Месяца, у которого нет атмосферы. Исторически развитие атмосферы связан с геохимическими процессами, а также жизнедеятельностью организмов. Так, азот, углекислый газ, пары воды образовались в процессе эволюции планеты, в значительной мере благодаря вулканической активности, а кислород - в результате фотосинтеза.

  Гидросфера. Вода является важной составной частью всех компонентов биосферы и один из необходимых факторов существования живых организмов.

  Основная ее часть (95 %) находится в мировом океане, который занимает примерно 70 % поверхности земного шара. Общая масса океанических вод составляет более 1300 млн. км³. Около 24 млн. км³ воды содержится в ледниках, причем 90 % этого объема приходится на ледяной покров Антарктиды. Столько же воды находится 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 количество в атмосфере. Гидросфера формировалась в связи с развитием литосферы, что выделила за геологическую историю Земли значительный объем водяного пара и так называемых ювенильных (подземных магматических) вод.

Литосфера. Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, сосредоточена в почвенном слое, глубина которого обычно не превышает 8-10 м. Почвы, будучи, по терминологии В. И. Вернадского, біовідсталою веществом, представлены минеральными веществами, образующимися при разрушении горных пород, и органическими веществами - продуктами жизнедеятельности организмов.

  Живые организмы (живое вещество). Вся масса живого вещества Земли составляет ее биомассу. 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, наоборот, на долю растений приходится 6,3% (0,2^.10° т.), а на долю животных и микроорганизмов 93,7% (0,3^.10¹⁰ т.) совокупной биомассы. Не смотря на то, что океан покрывает чуть более 75 % 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 в биомассу планеты животных, которые составляют 79 % видов, составляет менее 1 %. Среди животных 96 % видов приходится на долю беспозвоночных и лишь 4 % на долю позвоночных, среди которых млекопитающие составляют примерно 10%. Приведены соотношения иллюстрируют фундаментальную закономерность организации биосферы: в количественном отношении преобладают формы, достигшие в процессе эволюции низких степеней морфо-физиологического прогресса.

  Живое вещество по массе составляет 0,01-0,02 % от костного вещества биосферы, однако играет ведущую роль в биогеохимических процессах благодаря обмену веществ, что проходит в живых организмах. Поскольку субстраты и энергию, используется в обмене веществ, организмы черпают из окружающей среды, они превращают ее уже тем, что живут. Ежегодная продукция живого вещества в биосфере составляет 232,5 млрд т сухого органического вещества. За этот же время в масштабе планеты в процессе фотосинтеза синтезируются 46 млрд. т органического углерода. Для этого требуется, чтобы 170^.10⁹ т. углекислого газа прореагировал с 68^.10⁹ т. воды. Таким образом, в результате фотосинтеза ежегодно образуется 115^.10⁹ т. сухого органического вещества и 123^.10⁹ т. кислорода. В процесс фотосинтеза вовлекается также в течение года 6^.10⁹ т. азота, 2^.10⁹ т. фосфора и другие элементы, например, калий, кальций, магний, сера, железо. Приведенные цифры показывают, что живое вещество является активным компонентом биосферы. Она проводит гигантскую геохимическую работу, способствуя превращению других оболочек Земли в геологическом масштабе времени.

  Живое вещество осуществляет важнейшие биогеохимические функции.

  Газовая функция заключается в поглощении растениями диоксида углерода и выделении кислорода в процессе фотосинтеза (при дыхании растений и животных, наоборот, поглощение кислорода и выделение диоксида углерода), в восстановлении азота, сероводорода и других газов, т. е. в поддержании постоянства газового состава атмосферы.

  Концентрационная функция заключается в поглощении и накоплении в живых организмах различных химических элементов - углерода, азота, водорода, кислорода, фосфора, серые, йода, железа и т.д. Благодаря этой функции на определенном этапе развития биосферы растения обогатили атмосферу кислородом и значительно снизили концентрацию диоксида углерода; на местах массовой гибели животных и растений мы находим отложения мела, известняка, нефти, угля и других полезных ископаемых.

  Окислительно-восстановительная функция заключается в восстановлении и окислении веществ в живых организмах (например, восстановление диоксида углерода до углеводов в процессе фотосинтеза и окисление их до диоксида углерода при дыхании).

  Биохимическая функция осуществляется в процессе обмена веществ в живых организмов (питание, дыхание, выделение) и разрушения, деструкции умерших организмов и продуктов их жизнедеятельности. Эти процессы приводят к круговорота веществ в природе, биогенной миграции атомов.