1. Основи вчення про біосферу

Основи вчення про біосферу

Всі живі істоти тісно пов'язані між собою і з навколишнім середовищем, утворюючи екосистеми - спільноти взаємодіючих організмів. Екосистемою є і лишайник, приліпився до стовбура дерева, і велика степ, і океанічний шельф. Екосистеми, звичайно ж, не ізольовані один від одного: істоти різних біоценозів вступають між собою в певні взаємини, насамперед харчові, екосистеми обмінюються речовиною і енергією. У тісному взаємозв'язку вони утворюють єдину планетарну екосистему - біосферу. Термін вперше ввів в науку Ж.-Б. Ламарк в 1803 році, розуміючи під біосферою всю сукупність живих організмів планети. В кінці ХІХ ст. поняття біосфери використовував знаменитий австрійський геолог Е. Зюсс, включивши в нього і неживу матерію осадових порід.

Роком народження вчення про біосферу вважається 1926 року, коли вийшла книга В. І. Вернадського "Біосфера". Заслуга академіка Вернадського - в узагальненні величезної кількості наукових даних, що вказують на тісний взаємозв'язок життя і неживої речовини планети. Вчений показав, що Земля не тільки населена, але і активно перетворюється живими організмами.

Вернадський стверджував, що втручання людини в природні процеси, обумовлене науковими досягненнями, настільки істотно, що слід говорити про нову фазу розвитку біосфери - ноосферу ( "сфері розуму"). Праці Вернадського ініціювали ряд наукових досліджень і поява нових напрямків - вчення про біосферу і ноосферу, біогеохімії.

Сучасна наука про біосферу - системна дисципліна, яка об'єднує дані біології та геології, хімії, кліматології, океанології, грунтознавства та ряду інших наук.

Склад і будова біосфери

Живі організми збагачують навколишнє середовище киснем, регулюють кількість вуглекислого газу, солей різних металів і цілого ряду інших сполук - словом, підтримують необхідний для життя склад атмосфери, гідросфери та грунту. Багато в чому завдяки живим організмам біосфера має властивість саморегуляції - здатністю до підтримання на планеті умов, створених Творцем.

Величезна средообразующая роль живих організмів дозволила вченим висунути гіпотезу про те, що атмосферне повітря і грунт створені самими живими організмами за сотні мільйонів років еволюції. Відповідно до Писання, і грунт, і повітря вже були присутні на Землі в день створення перших живих істот.

Академік Вернадський на основі подібності будови геологічних порід, що лежать глибше кембрійських, з більш пізніми припустив, що життя у вигляді простих організмів була присутня на планеті "практично спочатку". Помилковість цих наукових побудов стала згодом очевидна геологам.

Безперечною заслугою В. І. Вернадського є тверда переконаність в тому, що життя з'являється тільки від живих організмів, але вчений, відкидаючи біблійне вчення про створення світу, вважав, що "життя вічне, як вічний космос", і потрапила на Землю з інших планет . Фантастична ідея Вернадського не підтвердилася. Гіпотеза еволюційного походження організмів планети від найпростіших форм сьогодні ще більш суперечлива, ніж за часів Вернадського.

Енергетичною основою існування життя на Землі є Сонце, тому біосферу можна визначити як пронизану життям оболонку Землі, склад і структура якої формується спільною діяльністю живих організмів і визначається постійним припливом сонячної енергії.

Вернадський вказував на головну відмінність біосфери від інших оболонок планети - прояв в ній геологічної діяльності живих істот. За словами вченого, "все буття земної кори, по крайней мере, по вазі маси її речовини, в своїх істотних, з геохімічної точки зору, рисах обумовлено життям". Живі організми Вернадський розглядав як систему перетворення енергії сонячного світла в енергію геохімічних процесів.

У складі біосфери розрізняють живе і неживе речовина - живі організми і інертну матерію. Основна маса живої речовини зосереджена в зоні перетину трьох геологічних оболонок планети: атмосфери, гідросфери (океани, моря, річки та ін.) І літосфери (поверхневий шар порід). До неживому речовині біосфери відноситься складова частина цих оболонок, пов'язана з живою речовиною циркуляцією речовини та енергії.

У неживому компоненті біосфери розрізняють: биогенное речовина, що є результатом життєдіяльності організмів (нафта, кам'яне вугілля, торф, природний газ, вапняки біогенного походження і ін.); биокосное речовина, що формується спільно організмами і небіологічних процесами (грунти, мули, природна вода річок, озер та ін.); відсталу речовину, яка не є продуктом життєдіяльності організмів, але входить в біологічний круговорот (вода, атмосферне азот, солі металів і ін.).

Межі біосфери можна визначити лише приблизно. Хоча відомі факти виявлення бактерій і суперечка на висоті до 85 км, концентрація живої речовини на великих висотах настільки незначна, що біосферу вважають обмеженою на висоті 20-25 км озоновим шаром, що захищає живі істоти від руйнівної дії жорсткого випромінювання.

У гідросфері життя поширена всюди. У Маріанської западини на глибині 11 км, де тиск 1100 атм і температура 2,4 ° С, французький вчений Ж. Пікар спостерігав в ілюмінатор голотурій, інших безхребетних і навіть риб. Під товщею антарктичного льоду понад 400 м мешкають бактерії, діатомові і синьо-зелені водорості, форамініфери, ракоподібні. Бактерій виявляють під шаром морського мулу в 1 км, в нафтових свердловинах на глибині до 1,7 км, в підземних водах на глибині 3,5 км. Глибини 2-3 км вважаються нижньою межею біосфери. Загальна потужність біосфери, таким чином, в різних частинах планети змінюється від 12-15 до 30-35 км.

Атмосфера в основному складається з азоту і кисню. У невеликих кількостях входять аргон (1%), вуглекислий газ (0,03%) і озон. Від стану атмосфери залежить життєдіяльність як організмів суші, так і водних істот. Кисень використовується в основному для дихання і мінералізації (окислення) відмирання органічної речовини. Вуглекислий газ необхідний для фотосинтезу.

Гідросфера. Вода - один з найнеобхідніших компонентів біосфери. Близько 90% води знаходиться в світовому океані, що займає 70% поверхні нашої планети і містить 1,3 млрд. Км3 води. Річки та озера включають всього 0,2 млн. Км3 води, а живі організми - близько 0,001 млн. Км3. Суттєве значення для життєдіяльності організмів має концентрація у воді кисню і вуглекислого газу. Вміст двоокису вуглецю в воді в 660 разів більше, ніж в повітрі. У морях і океанах розрізняють п'ять типів згущення життя:

1. Шельфові прибережні. Ця зона багата киснем, органікою та іншими поживними речовинами, які надходять з суші (наприклад, з річковою водою). Тут на глибині до 100 м процвітає планктон і його донний "напарник" бентос, що переробляє відмирають організми планктону.
Океанічний планктон складають дві спільноти:

а) фітопланктон - водорості (70% з них мікроскопічні діатомові) і бактерії;

б) зоопланктон - первинні консументи фітопланктону (молюски, рачки, найпростіші, покривники, різні безхребетні).

Життя зоопланктону протікає в постійному русі, він то піднімається, то опускається на глибину до 1 км, уникаючи своїх пожирачів (звідси і назва: грец. Plankton блукаючий). Зоопланктон - основна їжа вусатих китів. Фітопланктон становить всього 8% від маси зоопланктону, але, швидко розмножуючись, продукує в 10 разів більше біомаси, ніж вся інша океанічна життя. Фітопланктон дає 50% кисню (решта 50% виробляють лісу).

Організми бентосу - краби, головоногі і двостулкові молюски, черви, морські зірки і їжаки, голотурії ( "морські огірки" або інша назва - трепанги), форамініфери (морські корненожки), водорості і бактерії пристосовані до життя майже без світла. Переробляючи органіку і перетворюючи її в мінеральні речовини, висхідними потоками доставляють в верхні шари, бентос живить планктон. Чим багатше бентос, тим багатшими планктон, і навпаки. За межами шельфу кількість обох різко падає.

Планктон і бентос формують в океані потужний шар вапняних і кремнеземних мулів, що утворюють осадові породи. Карбонатні опади здатні перетворюватися в камінь всього за кілька десятків років.

2. Апвелінговие згущення утворені на місцях висхідних потоків, які виносять до поверхні продукцію бентосу. Відомі Каліфорнійський, Сомалійський, Бенгальська, Канарський і особливо Перуанський апвелінг, що дає близько 20% світового промислу риби.

3. Рифові - відомі всім коралові рифи, багаті водоростями і молюсками, голкошкірими, синезеленими, коралами і рибою. Зростають рифи надзвичайно швидко (до 20-30 см в рік) не тільки за рахунок коралових поліпів, а й за рахунок життєдіяльності молюсків та голкошкірих, концентрують кальцій, а також зелених і червоних водоростей з вапняним скелетом.

Основний продуцент рифових екосистем - мікроскопічні фототрофні водорості, тому рифи знаходяться на глибинах не більше 50 м, їм потрібна прозора тепла вода з певною солоністю. Рифи - одна з найпродуктивніших систем біосфери, що утворює щорічно до 2 т / га біомаси.

4. Саргасово згущення - поля плавають на поверхні бурих і багряннікових водоростей з безліччю повітряних бульбашок. Поширені в Саргасово і Чорному морях.

5. Абісальні рифтові придонні згущення формуються на глибині до 3 км навколо гарячих джерел на розломах океанічної кори (Рифт). У цих місцях виноситься із земних надр сірководень, іони заліза і марганцю, сполуки азоту (аміак, оксиди), що живлять хемотрофних бактерії - продуценти, що споживаються більш складними організмами - молюсками, крабами, раками, рибами і величезними сидячими червоподібний тваринами Ріфт. Ці організми не потребують сонячному світлі. У рифтових зонах істоти зростають приблизно в 500 разів швидше і досягають значних розмірів. Двостулкові молюски виростають до 30 см в діаметрі, бактерії - до 0,11 мм! Відомі галапагосские рифтові згущення, а також у острова Пасхи.

У морі переважає різноманітність тварин, а на суші - рослин. Тільки покритонасінні становлять 50% видів, а морські водорості - всього 5%. Загальна біомаса на суші представлена ​​на 92% зеленими рослинами, а в океані 94% становлять тварини та мікроорганізми.

Біомаса планети оновлюється в середньому кожні 8 років, рослини суші - за 14 років, океану - за 33 дні (фітопланктон - щодня). Вся вода проходить через живі організми за 3 тис. Років, кисень - за 2-5 тис. Років, а вуглекислий газ атмосфери - всього за 6 років. Істотно більш тривалі цикли вуглецю, азоту і фосфору. Біологічний круговорот не замкнутий, близько 10% речовини йде у вигляді осадових відкладень і поховань в літосферу.

Маса біосфери становить всього 0,05% маси Землі, а її обсяг - близько 0,4%. Загальна маса живої речовини складає 0,01-0,02% від відсталого речовини біосфери, але роль живих організмів в геохімічних процесах досить значна. Щорічна продукція живої речовини становить близько 200 млрд. Т сухого ваги органіки, в процесі фотосинтезу 70 млрд. Т води реагує з 170 млрд. Т вуглекислого газу. Щорічно життєдіяльність організмів залучає в біогенний круговорот 6 млрд. Т азоту, 2 млрд. Т фосфору, залізо, сірку, магній, кальцій, калій і ін. Елементи. Людство, використовуючи численну техніку, видобуває близько 100 млрд. Т корисних копалин на рік.

Життєдіяльність організмів вносить істотний внесок в планетарний кругообіг речовин, здійснюючи його регулювання, життя служить потужним геологічним фактором, стабілізуючим і преображающим біосферу.

питання

1. Що називають біосферою, ноосферою? У чому основний внесок В. І. Вернадського в розвиток вчення про біосферу?
2. З яких компонентів складається речовина біосфери?
3. Охарактеризуйте три основні оболонки біосфери і доведіть їх взаємозв'язок.
4. Як пов'язані організми бентосу, планктону і відкладення океанічного дна?

Біогеохімічні процеси в біосфері

Функції живої речовини. Розрізняють такі функції живої речовини біосфери:

1. Енергетична функція. Рослини поглинають сонячне світло і насичують енергією біосферу. Близько 10% вловлюється сонячної енергії використовується самими продуцентами (в основному, на процеси клітинного дихання), інша частина по харчових ланцюгах розподіляється по екосистемам біосфери. Деяка кількість енергії консервується у вигляді корисних копалин (вугілля, нафти), насичуючи енергією земні надра.

В енергетичній функції іноді виділяють окислювально-відновну функцію. Хемосинтезирующие бактерії, будучи продуцентами, витягують енергію з окислювально-відновних реакцій неорганічних сполук. Серобактерии отримують енергію, окислюючи сірководень, а железобактерии - двовалентне залізо до тривалентного. Нитрифицирующие бактерії окислюють з'єднання амонію до нітритів і нітратів. Саме в розрахунку на роботу бактерій на поля вносять як добриво з'єднання амонію, самі по собі ці сполуки не засвоюються рослинами. Безпосереднє добриво полів нітратами призводить до насичення запасающих тканин рослин водою, фіктивного збільшення врожайності, різкого погіршення смакових якостей овочів і небезпеки захворювань травної системи.

2. Средообразующая. Живі істоти формують грунт, підтримують складу атмосфери і гідросфери. Без фотосинтезу атмосферний кисень витратився б за 2000 років, а зростання кількості вуглекислого газу через 100 років привів би до загибелі організмів. За день лісовий масив здатний поглинути до 20-25% вуглекислого газу з шару повітря в 50 м. Середня дерево забезпечує киснем 4 чоловік, один гектар листяного лісу поблизу міста затримує понад 100 т пилу в рік.

Завдяки діяльності маленьких байкальський рачків, тричі на рік проціджують усю воду озера, Байкал славиться своєю чистою водою. Двостулкові молюски Волгоградського водосховища, двічі на місяць профільтровуючи повний його обсяг - 35 км3, беруть в облогу на грунт з квітня по листопад більше 29 млн. Т суспензії.

3. Концентраційна функція. Живі істоти концентрують у своїх організмах різні хімічні елементи, розсіяні в біосфері. Найактивнішими концентраторами є мікроорганізми. До 90% грунтового азоту - результат "праці" синьо-зелених. З бактерій одні концентрують залізо (наприклад, окислюючи добре розчинний у воді гідрокарбонат до нерозчинного гідроксиду, що накопичується в місці їх існування), інші - марганець, треті - срібло. Бактерії здатні збільшувати вміст: заліза - в 650 тис. Разів, марганцю - в 120 тис. Разів, ванадію - в 420 тис. Разів.

Ця дивовижна здатність дозволила вченим припустити, що співтовариства бактерій роблять суттєвий внесок у формування родовищ металів.

Германій і селен в деяких країнах добувають з рослин. У водорості фукус накопичується титану в 10 тис. Разів більше, ніж в навколишньому морській воді. Кожна тонна бурих водоростей містить кілька кілограмів йоду. Австралійський шовковистий дуб концентрує алюміній, один з видів американського дуба - мідь, сосна накопичує берилій, береза ​​- стронцій і барій, модрина - марганець і ніобій, а черемха, осика і ялиця - торій. Золото "збирають" дуб, кукурудза, хвощ, бурі і червоні водорості, а в 1 т золи полину може міститися до 85 г цього дорогоцінного металу. Молюски концентрують нікель, восьминоги - мідь, медузи - цинк і алюміній.

4. Деструктивна функція. За активної участі живих істот йде мінералізація органічних залишків, вивітрювання гірських порід. Синьо-зелених водоростей, бактерії, гриби і лишайники виділяють сірчану, азотну, вугільну, а також органічні кислоти, що руйнують тверді породи. Коріння дерев і рослин теж виділяють роз'їдають з'єднання. Існують бактерії, які руйнують скло і навіть золото.

5. Транспортна функція організмів пов'язана з перенесенням мас речовини. Рослини втягують корінням воду і випаровують її в атмосферу, риба пливе проти течії, що риє істоти викидають землю наверх, стада і зграї мігрують. Вага зграї перелітної сарани може сягати мільйонів тонн.

Різноманітні функції живої речовини дозволяють йому проводити грандіозну геологічну роботу, формувати вигляд біосфери, активно брати участь у всіх її процесах.

Роль живих організмів у формуванні осадових порід. Першим етапом утворення осадових порід є вивітрювання - руйнування літосфери під дією природних факторів: повітря, води, сонця і живих організмів. Коріння рослин наділені дивовижною життєздатністю, проникаючи в породу, вони руйнують її. Просочуючись в утворені країнами тріщинки, вода розчиняє і забирає речовина. Розчиненню сприяють що містяться в природній воді роз'їдають речовини рослин. Особливо інтенсивно виділяють органічні кислоти лишайники. Слиз, що утворюється синезеленими і діатомових водоростей, перетворює в пісок мінерали, основу яких складають сполуки кремнію і алюмінію. Фізичне вивітрювання порід супроводжується, таким чином, хімічним вивітрюванням.

За рахунок відмирання організмів планктону і бентосу щорічно на дні відкладається близько 100 млн. Т органогенних вапняків (багато вапняки хімічного походження, вони відкладаються, наприклад, в зоні контакту кислотних і лужних підземних вод). Відмираючи, одноклітинні діатомові водорості і радіолярії формують кремнійсодержащіе мули, що покривають сотні тисяч квадратних кілометрів морського дна.

Живі істоти вносять істотний внесок в осадконакопление і формування літосфери.

Грунтоутворюючих роль живих організмів. Руйнування гірських порід і їх подальша переробка мікроорганізмами і рослинами призводить до утворення пухкої родючим оболонки землі - грунту. Коріння дерев витягують з глибоких горизонтів грунту елементи мінерального живлення і збагачують ними верхні шари, підвищуючи родючість грунтів. Мертві коріння і листя рослин, трупи і екскременти тварин збагачують грунт органічними сполуками, служать їжею для ґрунтових організмів, минерализующих органіку і перетворюють її в вуглекислий газ, аміак, органічні кислоти.

Безхребетні тварини, грунтові комахи і їх личинки проводять величезну структуроутворюючу роботу. Вони розпушують ґрунт, роблять її пористої і придатною для життєдіяльності рослин. Число особин дощових черв'яків досягає 2-3 млн. (1-2 т) / га, за добу вони можуть перерити до 10 т землі. Пропускаючи грунт через кишечник і виносячи її на поверхню, вони щорічно формують шар переробленого грунту товщиною до 0,5 см, масою 25 т / га. Черви живуть в грунті кількома ярусами. Одні проникають на глибину до метра і затягують туди залишки листя, інші живуть в тонкому шарі грунтового перегною (20-30 см), а треті проводять життя в шарі листяного опаду. Грунтові безхребетні виробляють і виділяють в грунт різні біологічно активні речовини, так, наприклад, дощові черв'яки продукують біостимулятори групи "В". Різні хребетні тварини - кроти, землерийки, - розпушуючи грунт, сприяють розвитку чагарників і дерев, а також газообміну.

Вночі при охолодженні і стисненні повітря проникає в грунт. Кисень використовується для дихання грунтовими організмами і клітинами коренів рослин. Азот зв'язується бактеріями і синьо-зелених водоростей. Днем при нагріванні грунт виділяє продукти життєдіяльності грунтових організмів і розкладання органіки - аміак, сірководень і вуглекислий газ. Дощова вода частково утримується грунтом, інша її частина, розчиняючи мінеральні солі, виносить їх у річки і океани, де вони осідають або використовуються водними організмами. У нагрітої грунті вода піднімається по капілярах і випаровується. Відбувається переміщення розчинів і відкладення солей в різних ґрунтових горизонтах.

Потужність шару грунту, як і кількість біомаси, збільшується з наближенням до екватора. Тундрова грунт північних широт має товщину 5-10 см, в хвойних і листяних лісах вона досягає 20-40 см, в степах - до 1,5 м, а в тропічних лісах - 10 м.

До складу ґрунту входить 50-60 об'ємних відсотків мінеральних речовин, 25-35% води, 15-25% повітря і до 10-16% органічних речовин. Близько 90% органіки входить до складу гумусу (лат. Humus грунт). Кількість гумусу служить показником родючості грунту. У чорноземах його 400-700 т / га, а в грунтах тундри і пустель - всього 0,6-0,7 т / га. З чого ж складається гумус?

Частинки гумусу будуються з фрагментів органічних молекул (білків, вуглеводів) за активної участі мікроорганізмів грунту. Спочатку грунтові тварини (черви, комахи) роздрібнюють залишки рослин. Потім гриби і мікроорганізми розщеплюють складні органічні молекули (целюлозу, білки та ін.) На прості фрагменти. Інші мікроорганізми за допомогою ферментів з'єднують ці фрагменти в органічні молекули гумусу (в основному, гумінові кислоти) довгими ланцюгами обвивають частинки глини в кілька шарів. Виходять стійкі до дії хімічних сполук і мікроорганізмів гранули, здатні зберігати запас родючості тривалий час. При нестачі поживних речовин особливі мікроорганізми "роздруковують" ці гранули і пускають їх родючу силу в справу. Частинки гумусу надають грунті водо- і повітропроникність. Гумус бере участь в руйнуванні мінералів грунтової підкладки, залучає їх до біологічний кругообіг. Мікроорганізми-гумусообразователі теплолюбні, тому в південних широтах грунту особливо багаті гумусом. Коли грунт розорюють і залишають під паром на рік-два, то в прогрітій поораної землі мікроорганізми синтезують гумус з відмерлої при оранні рослинності і запасів рослинних залишків. Грунт, збагачена гумусом, стає більш родючим. У цьому секрет "чорного пару".

Особливо багата гумусом степова грунт. В степу мешкає безліч копитних, змій, гризунів, лисиць, ящірок. Їх гній добре удобрює грунт, мікроорганізми ефективно переводять його в гумус. Азотні добрива різко знижують вміст гумусу, оскільки в умовах надлишку азоту активізуються мікроорганізми, що руйнують гумус. Чорноземи російських степів містили до 12-16% гумусу, перевершуючи родючістю грунту Бразилії, Венесуели і США. Тому-то німці і вивозили ешелонами російський і український чорнозем. Степи в біосфері - головний почвообразующій джерело.

У гумусі міститься основний енергетичний запас грунту. Рослинність чорнозему використовує лише 10% енергії, запасеної в гумусі.

Грунт може віддавати гумус рослинам, а може накопичувати його в нижніх горизонтах, витрачаючи свою енергію економно. Здатність м'язів людини до напруги залежить від присутності в них кальцію, грунт теж "напружується" або "розслабляється" в залежності від присутності цього елемента в верхніх горизонтах. При його наявності частинки гумусу робляться нерозчинними і не вимиваються в нижній горизонт. Вони витрачаються на харчування, і рослинність бурхливо розвивається. При відсутності кальцію частинки гумусу розчиняються і виносяться водою в нижній запасающий горизонт, а рослини розвиваються досить скромно. Грунт з недоліком кальцію не може бути родючою, в неї вносять додатково кальцій з'єднання.

Під Псковом розташовані поруч дві лісові ділянки з різко розрізняється рослинністю. На одному - діброва і конюшини луг, на іншому - ялиновий ліс і убога осока. Впливає на склад грунту підкладка на кордоні ділянок змінюється. На одній ділянці - багата кальцієм вапняна грунт, на іншому - бідні кальцієм суглинки. Кількість рослинності і її розвиток залежить і від вмісту в грунті інших хімічних елементів. Взаємозв'язком рослинності і складу порід давно навчилися користуватися геологи. На родовищах вугілля і нафти рослини зазвичай дуже великі. Там, де надра містять залізо, свинець, мідь або радіоактивні руди, рослинність завжди пригноблена. При надлишку алюмінію листя закручуються, а мідь робить рожеві і жовті пелюстки троянд блакитними або навіть чорними. Рожеві квіти іван-чаю робляться на уранових рудах білими або пурпуровими. На родовищах платини чорніє соснова хвоя.

Серед всіх біокосних систем біосфери грунт має найвищу концентрацію живих організмів. Екологи припускають, що специфічний запах землі обумовлений продуктами метаболізму мікроорганізмів. В 1 см3 лісового грунту - 10 млн. Бактерій, 200 тис. Водоростей, 20 тис. Простих, загальна довжина грибниці - до 2 км, в 1 г чорнозему - до 10 млрд. Бактерій (100 мг). Всі ці дрібні істоти - основні трудівники грунту, що чутливо реагують на присутність сторонньої хімії. Тому так важливо захищати природні біоценози від забруднення.

питання

1. Назвіть п'ять основних функцій живого речовини. Чи можна серед них виділити головну?
2. Яка роль живих організмів у формуванні осадових порід?
3. Як формується гумус, яка його функція? Які ґрунти особливо багаті гумусом?
4. Чи існує взаємозв'язок між биоценозами і породами літосфери? Доведіть прикладами.