Биосфера, ее структура и функции

Структура и свойства биосферы

Основателем науки о биосфере является В. И. Вернадский (1863-1945). Биосфера - оболочка Земли, в пределах которой существует жизнь. Биосфера объединяет тропосферу, гидросферу и верхние слои литосферы.

В. И. Вернадский
Живые организмы населяют нижний слой атмосферы - тропосферу. На высоте около 20 км под действием ультрафиолетового излучения кислород превращается в озон. Последний располагается в виде озонового экрана, который не пропускает основную часть космических и ультрафиолетовых лучей, которые в больших дозах пагубно влияют на живые организмы. Наиболее устойчивы к неблагоприятным условиям споры бактерий и грибов движением воздушных потоков могут быть занесены на высоту около 20 км и сохраняют при этом жизнеспособность; выше они погибают в результате интенсивного ультрафиолетового излучения Солнца.
Воды океанов, морей, рек и озер, которые занимают около 70 % земного шара и образуют гидросферу, практически повсеместно заселены разнообразными растениями и животными, вплоть до максимальных глубин.
Жизнь присутствует и в верхних слоях литосферы - твердой оболочки Земли. Примитивные организмы - бактерии обнаружены в толще Земли на глубине 3 км, в зоне залегания нефти.
В состав биосферы входят следующие компоненты:
1) живое вещество, то есть сами живые организмы;
2) биогенная вещество, которое образуется в процессе жизнедеятельности живых организмов;
3) инертное вещество, которое образуется без участия живых организмов,- базальт, гранит, породы метеоритов и т. д.;
4) біоінертна вещество - результат взаимодействия живых организмов с инертным веществом, например с веществом литосферы.
К биогенным веществам относят: 1) кислород и углекислый газ атмосферы, которые образовались за счет фотосинтеза, дыхания и разрушении погибших растений и животных; 2) каменный уголь и торф, возникшие в результате минерализации древних или современных растений; 3) известняк, образовавшийся из ракушек, скелетов водных животных и других ископаемых остатков.
Живое вещество биосферы непосредственно влияет на формирование вида Земли, выполняя ряд важных функций:
1) газовая - создание атмосферы, в состав которой входят кислород выделяется зелеными растениями при фотосинтезе (20,9%) и диоксид углерода (0,03 %), который образуется при дыхании живых организмов, брожении и гниении органических остатков. Основной компонент атмосферы-азот (69 %) привлекается к биотического круговорота благодаря деятельности азотфиксирующих бактерий;
2) концентрационная - поглощение и аккумуляция живыми организмами химических элементов, рассеянных в окружающей среде. Растения аккумулируют при фотосинтезе элементы из почвы (K, P, H, N и др.) и воздуха (C), включая их в состав органических веществ, из которых состоят живые клетки;
3) окислительно-восстановительная - превращение химических элементов с переменной валентностью (Fe, S, Mn, N и др.), например в процессе хемосинтеза грунтовых бактерий. В результате деятельности этих бактерий образуются , некоторые виды железной руды, оксиды азота.
Основные свойства биосферы:
1) непрерывность развития органического мира;
2) мозаичность строения (биосфера состоит из отдельных экосистем);
3) быстрое восстановление живого вещества;
4) круговорот химических элементов, входящих в состав живых организмов.

Круговорот веществ и энергии в биосфере

Биотический круговорот химических элементов - это постоянная циркуляция веществ между почвой, гидросферой, атмосферой и живыми организмами. Он происходит при участии всех живых организмов, населяющих Землю. Благодаря круговороту возможно существование и развитие жизни при ограниченном запасе веществ, необходимых для обеспечения жизнедеятельности.
На Земле запасы необходимых и доступных организмам химических элементов не бесконечные. Если бы они только потреблялись, жизнь рано или поздно должно было бы прекратиться. Однако в природе происходит естественный круговорот. Зеленые растения образуют органические вещества, а другие организмы их разрушают. Из минеральных соединений, образовавшихся, зеленые растения строят новое органическое вещество.
Главным источником энергии, обеспечивающим круговорот веществ на Земле, является Солнце. Около 42 % его энергии отражается в космос; 58 % поглощается атмосферой и почвой, из них 20 % излучается в виде теплоты, а 10 % расходуется на испарение воды. Испаряясь с поверхности водоемов и почвы, вода переносится воздушными потоками на большие расстояния и выпадает в виде осадков, которые разрушают поверхностный слой горных пород, способствуя ґрунтоутворенню. Осадки вымывают из почвы водорастворимые химические соединения, которые перемещаются по рекам на большие расстояния и попадают в моря и океаны. Здесь эти вещества принимают участие в жизнедеятельности морских организмов и накапливаются в глубинах. Несмотря на то, что циркуляция воды в биосфере в целом связана с такими физическими явлениями, как испарения за счет энергии Солнца и конденсации, круговорот воды между сушей и Мировым океаном имеет вид важнейшего звена в поддержании жизни на Земле.
Та часть солнечной энергии, которая расходуется на нагревание атмосферы, гидросферы и почвы, создает благоприятные условия для жизни организмов. Около 0,1-0,2 % солнечной энергии, достигшей поверхности Земли, используется земными растениями в процессе фотосинтеза.
В круговороте веществ участвуют основные компоненты экосистемы - консументи, продуценты и редуценти. Особую роль выполняют бактерии. Эти микроорганизмы имеют уникальные ферментные системы, благодаря которым они способны разрушать практически все органические соединения, участвовать в циклах биологически важных элементов и обеспечивать ключевые реакции круговорота веществ в биосфере (нитрификация, окисление и восстановление соединений Серы).
Круговорот Карбона
Единственным источником Углерода, который используется автотрофными организмами для синтеза органического вещества, является углекислый газ СО2, который входит в состав атмосферы или растворенный в воде. В процессе фотосинтеза СО2 усваивается зелеными растениями - продуцентами, превращается в органические вещества (углеводы, белки, липиды, нуклеиновые кислоты), которые переходят по звеньям цепей питания к консументів и редуцентів. Гниение растительных и животных остатков при ограниченном доступе воздуха и под давлением приводит к образованию пластов каменного угля, торфа, нефти. Возвращение СО2 в атмосферу происходит во время дыхания, брожения и сжигания топлива.
Круговорот Азота
Основными формами Азота на Земле является газообразный молекулярный азот атмосферы и связанный азот литосферы. Молекулярный азот не усваивается высшими растениями, но может переходить в доступную для них форму благодаря деятельности азотфиксирующих бактерий. Эти бактерии вступают с растениями (преимущественно из семейства бобовых) в симбиотические взаимоотношения. Растения поставляют бактериям питательные вещества, а бактерии фиксируют атмосферный азот , переводят его в растворимую форму , которая поглощается корнями. Очень незначительная часть газообразного азота может превращаться на катионы аммония или нитраты в результате электрических разрядов в атмосфере и попадать в почву с атмосферными осадками.
Лишь небольшая часть литосферного Азота сосредоточена в почве и доступна растениям. Этот Азот представлен ионами аммония и нитратами. Органический азот растительных и животных остатков (основная часть почвенного азота) не может поглощаться корнями растений и должен быть предварительно преобразован в форму . Такие реакции осуществляются амоніфікуючими бактериями. При этом Азот органических соединений сначала превращается в аммиак, нитриты и нитраты . Азот, поглощенный растениями в составе растворимых солей, включается в структуру аминокислот, нуклеотидов, коферментов, хлорофилла и других соединений. Из тканей растений в составе нітрогенвмісних органических соединений Азот попадает в организм животных. При распаде белков и аминокислот он выводится в окружающую среду в виде мочевины, мочевой кислоты или аммиака. Деятельность денітрифікуючих бактерий, в противоположность фіксаторам, направленная на превращение нитратов и нитритов в свободную форму . Этот азот возвращается в атмосферу.
Круговорот Фосфора
Основные запасы Фосфора содержатся в горных породах, которые постепенно отдают свои фосфаты наземным біогеоценозам. Фосфаты потребляются растениями (продуцентами) и используются ими для синтеза органических веществ. В организм первичных консументів фосфорсодержащие соединения (АТФ, фосфатная кислота, нуклеиновые кислоты, фосфолипиды) попади-ляют из тканей растений. Вторичные консументи получают Фосфор при поедании первичных. При разложении трупов организмов бактериями (редуцентами) фосфаты возвращаются в почву и снова используются растениями. Часть фосфатов выносится в гидросферу, где обеспечивает развитие планктона и существование цепей питания, которые зависят от него. Часть Фосфора гидросферы может вернуться на сушу по цепям питания.

Влияние деятельности человека на состояние биосферы

Еще с давних времен люди избирательно уничтожали некоторые виды животных в количестве большем, чем необходимо было для питания. Приручение и одомашнивание животных, земледелие привели к более серьезным изменениям в биосфере. Природные биогеоценозы изменились искусственными, началось преобразование ландшафтов. Эра научно-технической революции, которая началась более 100 лет назад, сопровождается быстрой перестройкой всей природы, изменениями животного и растительного мира. В настоящее время человечество стоит перед реальной угрозой экологического кризиса - такого состояния среды обитания, которое становится неблагоприятным для жизни.
Эрозия почв
Эрозия почв - одна из сложнейших глобальных проблем, которые угрожают будущему биосферы. Через нее ежегодно теряются миллионы гектаров пахотных земель. В результате естественного геологического круговорота, выветривание горных пород почвы образуются постоянно, но скорость этого процесса очень мала, для формирования почвенного слоя толщиной 2,5 см необходимо несколько столетий. В результате человеческой деятельности почвенный слой в некоторых районах мира был разрушен за значительно более короткое время.
Повышение уровня грунтовых вод
Изменение гидрологических условий человеком сопровождалась рядом нежелательных побочных эффектов. Один из них - повышение уровня грунтовых вод в результате орошения обрабатываемых земель. Вода, которая используется для орошения, просачивается в почву и накапливается; в результате повышается уровень грунтовых вод. Это вызывает не только затопление корни, что препятствует росту растений, но и засаливание почвы, поскольку после испарения воды в ее верхнем слое остаются концентрированные отложения солей.
Уменьшение запасов полезных ископаемых
На Земле происходит крупномасштабный круговорот энергии. Солнечная энергия попадает на поверхность Земли, малая часть ее используется зелеными растениями, которые создают богатые энергией органические соединения. Некоторые из них накапливаются в земной коре в виде ископаемого топлива. Высвобождая энергию химического топлива, человек ускоряет медленные естественные круговороты.
Уже сейчас вполне очевидно, что невозможно восстановить ископаемое топливо за обозримый промежуток времени.
Загрязнение атмосферы
Энергию из ископаемого топлива получают в результате его сжигания, при котором в атмосферу выделяются углекислый газ и другие компоненты, среди которых особенно распространены угарный газ, сульфур оксиды, углеводороды, азот оксиды и твердые частицы.
Следствием быстрого роста содержания углекислого газа в атмосфере может стать повышение температуры на Земле из-за парникового эффекта - углекислый газ поглощает энергию, которая излучается земным шаром в космос, вследствие чего нагреваются нижние слои атмосферы.
Сульфур, содержащееся в виде примесей в ископаемом топливе, принадлежит к ряду наиболее опасных загрязнителей воздуха. Вымытые дождями из атмосферы соединения Серы повышают кислотность дождевой воды. В результате выпадения кислотных осадков закисляються почвы и воды малых озер и рек, что ставит под угрозу их экосистемы.
Реагируя в присутствии ультрафиолетового излучения с Азот оксиды, углеводороды образуют фотохимический смог.
Загрязнение гидросферы
Человечество почти полностью зависит от поверхностных пресных вод суши - рек и озер. Воды рек и озер покрывают потребности людей в питьевой воде, используются для орошения полей и плантаций, в промышленности, служат для охлаждения атомных и тепловых электростанций. Опасность заключается в загрязнении водоемов промышленными и транспортными отходами и ядохимикатами, минеральными удобрениями. Эти вещества вызывают гибель рыбы, накапливаются в иле и тканях организмов, составляют цепи питания. При попадании в организм человека они вызывают тяжелые отравления и пороки развития.
Отходы химической и тяжелой промышленности выносятся в прибрежные зоны с потоком рек. Из-за аварий танкеров и нефтедобывающих установок в океан попадает до 5 млн тонн нефти в год, вызывая гибель многих видов рыбы и морских птиц.
Уничтожение животных и растений
Промышленная и сельскохозяйственная деятельность, освоение новых территорий приводят к вытеснению растений и животных из их естественной среды обитания. Приспособления, производимые ими за миллионы лет до определенных условий, становятся неэффективными, следствием чего является вымирание видов.