Что такое биосфера? Круговорот веществ в биосфере

4 апреля 2020

Термин «биосфера», состоящий из двух греческих слов «bios» (жизнь) и «sphaira» (шар), трактуется как населенная живыми организмами оболочка земли. Эдуард Зюсс, геолог из Австрии, вел это понятие, объединяющее все живое на планете в совокупность. Сделал он это в 1875 году. В то время термин имел топологический смысл, и не охватывал внутренние процессы биосферы.

Позже Владимир Вернадский расширил понятие, доказав, что живая материя постоянно преобразует среду обитания, на планете постоянно происходят биологические и химические преобразования. Русский ученый рассматривал биосферу как открытую систему, состояние которой зависит от деятельности образующих организмов. Трактовал биосферу как наружную оболочку земли образующуюся частями литосферы, гидросферы и атмосферы, заселенную живыми клетками и субстанциями. В биосферу входят все виды живых организмов: от одноклеточных, бактерий и других микроорганизмов, до представителей флоры и фауны. Человек тоже является составляющей биологической оболочки планеты.

Границы биосферы

Сложно четко определить пространственную грань между живой и неживой материей. Растительный и животный мир проникает:

в гидросферу на всю толщу, погружаясь в глубину океана, ученые находят новые формы жизни, на дне имеется живая материя в виде донных отложений;
в литосферу, в почве, верхних слоях грунта обитают грызуны, насекомые, бактерии, растут грибы и растения, обитаемыми можно назвать верхние 7 км земной тверди;
в атмосферу, пространство озонового слоя – среда обитания птиц, выше, где влияние ультрафиолета слишком велико, все живое погибает.

Доказано, что наибольшей концентрации живая материя достигает между оболочками земли, на границе сред. Стоит рассмотреть все составляющие биосферы подробнее.

Атмосфера

Газообразная оболочка земли, связывающая планету с космосом, делится на несколько частей. К биосфере относится только тропосфера – самый близкий к поверхности слой, где во взвешенном состоянии в смеси газов содержатся аэрозоли. Это микроскопические частицы жидких и твердых веществ. Средой обитания являются капельки влаги, энергия для существования поступает от солнца. Толщина тропосферы на экваторе до 16 км, у полюсов – 7…10 км. В атмосфере находится жизненно важный озон, защищающий все живое от ультрафиолета. Газы, содержащиеся в воздухе, участвуют в клеточном обмене. Интересен состав газовой оболочки:

азот занимает до 77% объема;
доля кислорода колеблется в пределах 21…23%;
содержание инертных газов – до 1%;
углекислого – до 0,03%;
на остальные компоненты приходится до 0,01%.

Верхней границей биосферы является нижняя граница озонового слоя. Местонахождение живой материи в атмосфере бывает временным и постоянным.

Гидросфера

Водная оболочка планеты включает Мировой океан (покрывает свыше 70% Земли), подземные и поверхностные воды. Несколько слов о структуре гидросферы:

океанические запасы соленой воды составляют более 96% всех планетных запасов;
ледники и подземные пласты – около 2%;
открытые водоемы – 0,02%.

Максимальная толща океана – 11 км, средняя – 3,8 км. В верхних обитаемых слоях воды растворено 140 триллионов тонн углекислого газа и 8 трлн т кислорода. Самыми обитаемыми считаются верхние слои гидросферы, прогреваемые солнечными лучами. Именно в этой части зародилась жизнь.

Гидросфера находится в постоянной связке с атмосферой, литосферой, осуществляется круговорот воды. Н₂О – универсальный растворитель, проводник веществ, необходимых для жизнедеятельности. За счет перехода из одного агрегатного состояния в другое вода фильтруется, самоочищается.

Литосфера

Твердая оболочка Земли – субстрат для существования растений, простейших организмов, насекомых, животных. Это также основа жизнедеятельности человека. В структуру литосферы входит земная кора, верхняя часть мантии. Верхняя часть планеты – биологическая подсистема, опора для континентальной и морской жизни. При разрушении этой части литосферы уничтожается биоценоз.

Под континентами земная кора состоит из осадочного слоя, гранита и базальта. Под океанами гранитного слоя нет, мало легкоплавких веществ. Для биологического развития флоры и фауны в земной коре имеются необходимые элементы – растворимые в воде минералы. Бактерии и микроорганизмы обитают на глубине до 4 км. На структуру верхнего почвенного слоя воздействие оказывают продукты жизнедеятельности представителей фауны, биологические остатки растений. Биомасса получает питание из почвы, при разложении становится источником полезных веществ.

Круговорот веществ в биосфере

Вернадским разработана атомная теория биогенной миграции. Биомасса рассматривается как совокупность атомов, переходящих из одного вещества в другое. Этим объясняется бесконечность существования многокомпонентных биосистем. Классификация веществ, формирующих биомассу:

живые образуют совокупность организмов;
косные формируются в природе (минералы, горные породы);
биогенные образуют организмы в процессе существования (углекислый газ, кислород, торф, уголь, нефть, природный газ);
биокосные объединяют живые и косные, это плодородный слой, морская вода, воздух.

Круговорот веществ в биосфере

В процессе атомного обмена возникает круговорот веществ в природе.

Углерод

Трансформируется в раковины моллюсков, формирующих известняк, древесина превращается в уголь, нефть, растения, илистые отложения – в торф.

Азот

Элемент присутствует в газообразном виде, входит в состав минералов плодородной почвы. Некоторые растения, водоросли трансформируют азот из воздуха в землю. В плодах, листьях образуются нитраты. Азот – составляющая растительных белков, которые поедают животные. После клеточного углеводородного обмена из организма выводится аммиак.

Водород и кислород

Кислород способен растворяться в воде, в такой форме попадает в организмы.

Растения для фотосинтеза извлекают из воды водород, выделяя кислород. Кислород поглощается при дыхании, в процессе окисления снова образуется вода.

При разложении органических остатков тоже нужен кислород, круговорот воды связан с углеродным обменом.

Фосфор

Для синтеза органических молекул необходим фосфор. Этот элемент входит в структуру ДНК, РНК, АТФ (источник живой энергии). Фосфаты попадают в почву при разложении органики, из минералов, входящих в литосферу. Фосфаты, содержащиеся в гидросфере, потребляет планктон, некоторые водоросли. Наблюдается тенденция накопления фосфатов в литосфере.

Сера

Элемент необходим при синтезе аминокислот. Поступает из горных пород, выбросов предприятий в виде сульфатов и сульфитов. Образуется при десорбции глины, разложении биомассы в виде оксида серы. Постепенно происходит накопление серы в Мировом океане.

Скорость круговорота веществ различается, самая высокая у углеродного обмена, цикл составляет 300 лет. Средняя цикличность у кислорода, для полного кругового обмена требуется 2000 лет. Самый медленный круговорот у воды, это связано с большим объемом вещества.

Основные этапы развития биосферы

В открытой биосистеме непрерывно происходят эволюционные процессы. Вся история существования планеты учеными делится на несколько основных биологических этапов:

3,5…4,5 миллиарда лет назад произошла химическая эволюция, под действием ультрафиолета начался синтез органики из неорганических соединений: воды, водорода, азота, метана;
2,5…3,5 миллиарда лет назад стартовал биогенез, косные вещества под действием температуры, других геофизических условий образовали сложные углеводородные молекулы, зародилась жизнь, начала формироваться биосреда;
1,5…3 миллиарда лет назад появился человек, начались антропогенетические процессы, люди научились влиять на природу;
10 000…15 000 лет назад началась активная производственная деятельность человечества, техногенез характеризуется техногенным влиянием на окружающую среду;
наше время: постепенно природа превращается в разумно управляемую систему (ноосферу).

На эволюцию влияние оказывали геологические процессы в земной коре, природные факторы. Из-за разлома тектонических плит появились континенты. Эволюционные процессы в разных частях планеты пошли по своему сценарию. Современное состояние биосферы характеризуется рациональным использованием природных ресурсов, влиянием человека на состав флоры и фауны, состояние Мирового океана, атмосферы.