Характеристика и состав биосферы

         Характеристика  и состав биосферы 

               В буквальном переводе термин “биосфера” обозначет сферу  жизни и в таком смысле он впервые  был введен в науку в 1875 г. австрийским  геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831 – 1914). Однако задолго до этого под другими названиями, в частности "пространство жизни", "картина природы", "живая  оболочка Земли" и т.п., его содержание рассматривалось многими другими  естествоиспытателями.

               Первоначально под  всеми этими терминами подразумевалась  только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь  с географическими, геологическими и космическими процессами, но при  этом скорее обращалось внимание на зависимость  живой природы от сил и веществ  неорганической природы. Даже автор  самого термина "биосфера" Э.Зюсс в своей книге "Лик Земли", опубликованной спустя почти тридцать лет после введения термина (1909 г.), не замечал обратного воздействия  биосферы и определял ее как "совокупность организмов, ограниченную в пространстве и во времени и обитаюшую на поверхности Земли".

               Первым из биологов, который ясно указал на огромную роль живых организмов в образовании  земной коры, был Ж.Б.Ламарк (1744 – 1829). Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного  шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.

               Факты и положения  о биосфере накапливались постепенно в связи с развитием ботаники, почвоведения, географии растений и  других преимущественно биологических  наук, а также геологических дисциплин. Те элементы знания, которые стали  необходимыми для понимания биосферы в целом, оказались связанными с  возникновением экологии, науки, которая  изучает взаимоотношения организмов и окружающей среды. Биосфера является определенной природной системой, а  ее существование в первую очередь  выражается в круговороте энергии  и веществ при участии живых  организмов.

               Очень важным для  понимания биосферы было установление немецким физиологом Пфефером (1845 – 1920) трех способов питания живых организмов:

• автотрофное – построение организма за счет использования веществ неорганической природы;
• гетеротрофное – строение организма за счет использования низкомолекулярных органических соединений;
• миксотрофное – смешанный тип построения организма (автотрофно-гетеротрофный).

               Биосфера (в современном  понимании) – своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в  непрерывном обмене с этими организмами.

               Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.

• Атмосфера – наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с космическим пространством; через атмосферу осуществляется обмен вещества и энергии с космосом.

         Атмосфера имеет несколько слоев:

• тропосфера – нижний слой, примыкающий к поверхности Земли (высота 9–17 км). В нем состредоточено около 80% газового состава атмосферы и весь водяной пар;
• стратосфера;
• ноносфера – там “живое вещество” отсутствует.

         Преобладающие элементы химического состава атмосферы: N2 (78%), O2 (21%), CO2 (0,03%).

• Гидросфера – водная оболочка Земли. В следствие высокой подвижности вода проникает повсеместно в различные природные образования, даже наиболее чистые атмосферные воды содержат от 10 до 50 мгр/л растворимых веществ.

         Преобладающие элементы химического состава гидросферы: Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl^–, S, C.  Концентрация того или иного элемента в воде еще ничего не говорит о том, насколько он важен для растительных и животных организмов, обитающих в ней. В этом отношении ведущая роль принадлежит N, P, Si, которые усваиваются живыми организмами. Главной особенностью океанической воды является то, что основные ионы характеризуются постоянным соотношением во всем объеме мирового океана.

• Литосфера. Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, находится в почвенном слое, глубина которого не превышает нескольких метров. Почва включает минеральные вещества, образующиеся при разрушении горных пород, и органические вещества – продукты жизнедеятельности организмов.
• Литосфера – внешняя твердая оболочка Земли, состоящая из осадочных и магматических пород. В настоящее время земной корой принято считать верхний слой твердого тела планеты, расположенный выше сейсмической границы Мохоровичича. Поверхностный слой литосферы, в котором осуществляется взаимодействие живой материи с минеральной (неорганической), представляет собой почву. Остатки организмов после разложения переходят в гумус (плодородную часть почвы). Составными частями почвы служат минералы, органические вещества, живые организмы, вода, газы.

         Преобладающие элементы химического состава литосферы: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K. 

               Ведущую роль выполняет  кислород, на долю которого приходится половина массы земной коры и 92% ее объема, однако кислород прочно связан с другими  элементами в главных породообразующих минералах. Т.о. в количественном отношении  земная кора – это “царство”  кислорода, химически связанного в  ходе геологического развития земной коры.

         Биомасса  биосферы оценивается в 2,5 триллиона  тонн сухого вещества, причём на суше расположено 99% этой биомассы. Обитающие в водной среде планктонные организмы  имеют непродолжительную жизнь, но, несмотря на столь незначительную биомассу, дают до 1\3 продукции биосферы. Более выровненная среда океана объясняет то, что биологическое  разнообразие в нём беднее, чем  на суше: соотношение числа морских  и сухопутных видов – 1:5.

         Определение функции биосферы очень точно  дали Дж.Аллен и М. Нельсон: «Биосфера  на нашей планете выполняет уникальную и исключительно важную функцию, действуя в качестве механизма выработки  и накопления свободной энергии, а также термодинамического показателя имеющейся энергии, благодаря которой  она организуется, совершенствуется, преобразует себя в среду» (1991г.).

         В биосфере сегодня разнообразие органических соединений неизмеримо выше, чем неорганических (примерное соотношение – 2 миллиона к 20 тысячам!). По эффективности «лаборатории»  биосферы намного превосходят лаборатории  химиков и цеха предприятий. Поразительна способность живого вещества связывать  азот. На предприятии это требует  огромной энергии для обеспечения  давления в 300 атмосфер и температуры  в 500 градусов С.  

         Живые организмы (живое  вещество) 

         Хотя  границы биосферы довольно узки, живые  организмы в их пределах распределены очень неравномерно. На большой высоте и глубинах гидросферы и литосферы  организмы встречаются относительно редко. Жизнь сосредоточена главным  образом на поверхности земли, в  почве и приповерхностном слое океана.

         В распределении живых организмов по видовому составу наблюдается  важная закономерность. Из общего числа  видов 21 % приходится на растения, но их вклад в общую биомассу составляет 99 %. Среди животных 96 % видов беспозвоночные и только 4% позвоночные, из которых  только десятая часть – млекопитающие.

         Таким образом, в количественном отношении  преобладают формы, состоящие на относительно низком уровне эволюционного  развития.

         Масса живого вещества составляет всего 0,01-0,02% от косного вещества биосферы, одна она играет ведущую роль в геохимических  процессах. Вещества и энергию, необходимую  для обмена веществ, организмы черпают  из окружающей среды. Огромные количества живой материи воссоздаются, преобразуются  и разлагаются.

         Ежегодно  благодаря жизнедеятельности растений и животных воспроизводится около 10 % биомассы.

Царства природы

         Живое население биосферы разнообразно. В  настоящее время известно около 2 млн. видов, но, по некоторым данным, их количество приближается к 5 млн. (Р.Мей). Считается, что расширение знаний о  числе видов будет достигнуто в основном за счёт простейших животных, в первую очередь – с паразитным типом питания.

         Биологическое разнообразие планеты объединено в  четыре царства природы. Группа организмов разных царств образуют самые крупные  функциональные блоки биосферы как  самой большой экосистемы.

         ГРУППЫ  ОРГАНИЗМОВ.

         1. Дробянки (прокариоты) – безъядерные  организмы, которые играют роль  редуцентов, биологических азотфиксаторов, продуцентов (хемотрофов и фототрофов).

         В составе царства -два подцарства:

         Бактерии  – организмы микроскопически  малых размеров, преимущественно  с гетеротрофным типом питания, которые играют важную роль в функционировании естественных и искусственных экосистем. Им принадлежит ведущая роль в  круговоротах элементов питания. Бактерии выступают в качестве регуляторов  плотности популяций организмов (микропаразиты), вступают с растениями и животными в симбиотические отношения типа сотрудничества –  мутуализма (бактерии желудка жвачных  животных, бактерии -азотфиксаторы  на корнях бобовых и вокруг корней растений любых семейств). Существуют бактерии, которые используют в качестве источника энергии свет (окрашенные в красный, оранжевый, зелёный цвета  хлорофиллами и каротиноидами). Однако при этом варианте фотосинтеза свободный  кислород не выделяется.

         Цианеи (сине-зелёные водоросли) – микроскопические одноклеточные и многоклеточные организмы, которые обитают в  воде и почве, они являются фототрофами  и биологическими азотфиксаторами. При « растекании жизни» (В.И. Вернадский) цианеи становятся пионерами, заселяющими  самые бедные и холодные субстраты, обнажающиеся при таянии ледников.

         Три остальные царства представлены эукариотами, т.е. организмами, клетки которых имеют ядра.

         Растения  – фототрофные организмы, размножающиеся спорами (мхи, плауны, хвощи, папоротники) или семенами (голосеменные, цветковые). К растениям также относятся  разнообразные водоросли, входящие в состав водных экосистем и обитающие  в почве. Совокупность видов растений называется флорой.

         Все растения, независимо от сложности  их организации и условий среды, которые требуются им для жизни, выполняют одну биосферную функцию  – фиксируют солнечную энергию  и используют неорганический углерод  в процессе фотосинтеза, снабжая  органическим веществом все остальные  группы организмов экосистемы. Условно  к растениям относятся лишайники  – сложные организмы из гриба  и водоросли, которые связаны  отношениями мутуализма.

         Разнообразие  растений в мире достаточно велико. В их составе- около 300 тысяч видов  цветковых растений, около 700 видов  голосеменных, 10 тысяч видов папоротникообразных. Количество мохообразных составляет примерно 25 тысяч видов, водорослей – около 10 тысяч видов.

         Животные- разнообразнейшее царство природы, гетеротрофы. Совокупность видов животных называется фауной. В составе этого царства около 4 тысяч видов млекопитающих, 9 тысяч видов птиц, 20 тысяч видов рыб, 25 тысяч видов амфибий, 5,5 тысяч видов рептилий, около 1 миллиона видов насекомых и свыше 500 тысяч видов прочих низших животных (черви, кишечнополостные, моллюски, различные одноклеточные).Только на территории России встречается 20видов амфибий, 50 видов рептилий, 700 видов птиц, 245 видов млекопитающих. Животные населяют все среды жизни – водоёмы, почвы и приземистый слой атмосферы.

         В экосистемах животные входят в состав групп фитофагов, зоофагов (хищников разных порядков), паразитов, детритофагов (поедателей мёртвого органического  вещества.). Разделение животных по этим трофическим группам часто условно, так как многие из них характеризуются  смешанным типом питания. Так, птицы  в период откорма потомства- типичные хищники, питающиеся насекомыми, но в  другие периоды года они могут  довольствоваться семенами и плодами. Смешанный рацион питания (из растительной и животной пищи) имеет большинство  карповых рыб, а также представители  млекопитающих- медведь, лиса, свинья, крыса и др. Животные- фитофаги и  паразиты- основные регуляторы плотности  популяций и переносчики семян  для многих видов растений.