Понятие о биосфере

Понятие о биосфере было введено австрийским ученым Э.Зюссом в 1875г. и в последствии развито русским ученым В.И. Вернадским, положившим начало ее геохимическому изучению.

Биосфера – земная оболочка, занятая совокупностью организмов, населяющих Землю. Эта оболочка включает:

1) нижнюю часть воздушной оболочки (атмосферы), т.е. тропосферу, где активная жизнь может существовать до высоты 15 км (перенос покоящихся зачатков происходит до высоты свыше 20 км, т.е. уже в стратосфере;

2) всю водную оболочку (гидросферу), где жизнь проникает до наибольших глубин Мирового океана, превышающих11 км;

3) верхнюю часть твердой оболочки (литосферы) – кору выветривания, имеющую мощность обычно 30-60, иногда 100-200 м и более.

В.И. Вернадский четко обозначает границы биосферы. Верхний предел обусловлен уровнем, до которого достигает жесткое космическое излучение, губительное для живых существ. Оно задерживается озоновым экраном, расположенном на высоте около 15 км. Нижний предел жизни связан с повышением температуры в земных недрах. На глубине 3-3,5 км температура достигает 100⁰. Наибольшую мощность биосфера имеет в океане: от поверхности до максимальных глубин в нем обитают живые существа.

Если включить в биосферу все ее слои, то пределы биосферы по вертикали составят до 40 км

Особенности биосферы

Для биосферы характерно не только присутствие живого вещества, она обладает также следующими тремя особенностями:

· во-первых, в ней в значительных количествах содержится жидкая вода;

· во-вторых, на нее падает мощный поток энергии солнечных лучей;

· в-третьих, в биосфере находятся поверхности раздела между веществами, находящихся в трех фазах – твердой, жидкой и газообразной.

Биосфера обеспечивает непрерывный круговорот вещества и энергии, в котором главенствующую роль играют организмы.

Функции живого вещества : энергетическая, разрушительная, накопительная и средообразующая.

Энергетическая функция выполняется прежде всего растениями, которые в процессе фотосинтеза аккумулируют солнечную энергию в виде разнообразных органических соединений. По словам В.И. Вернадского, зеленые растения являются главным механизмом биосферы, который улавливает солнечный луч и создает с помощью фотосинтеза химические тела – своеобразные солнечные консервы, энергия которых в дальнейшем становится источником действенной химической энергии биосферы. Внутри экосистемы эта энергия в виде пищи распределяется между животными. Частично она рассеивается, а частично накапливается в отмершем органическом веществе и переходит в ископаемое состояние (торф, каменный уголь, нефть и др.).

Разрушительная (деструктивная) функция состоит в разложении, минерализации мертвого органического вещества, химическом разложении горных пород, вовлечении образовавшихся минералов в биотический круговорот. Мертвое органическое вещество разлагается до простых неорганических соединений, которые вновь используются в круговороте. Этим занимается группа организмов – редуцентов (деструкторов).

Многие организмы (плесневый грибок, бактерии, сине-зеленые водоросли, грибы и лишайники) способны оказывать на горные породы сильнейшее химическое воздействие растворами комплекса кислот (угольной, азотной, серной). Разлагая минералы, организмы избирательно извлекают и включают в биотический круговорот важные питательные элементы – кальций, калий, натрий, фосфор, кремний, микроэлементы. Общая масса элементов, вовлекаемая ежегодно в биотический круговорот только на суше, составляет 8 млрд. т.

Накопительная (концентрационная) функция заключается в избирательном накоплении организмами атомов веществ рассеянных в природе (из водных растворов). Наиболее активными концентраторами являются микроорганизмы. Например, в продуктах жизнедеятельности некоторых из них содержание марганца увеличено в 1 200 000 раз, железа – в 65 000, ванадия в 420 000, серебра – в 240 000 раз. Морские организмы активно концентрируют рассеянные минералы для построения своих скелетов или покровов. Заслуживает внимания способность некоторых морских организмов накапливать микроэлементы, тяжелые металлы, в том числе ядовитые (ртуть, свинец, мышьяк), радиоактивные элементы (их концентрация может превышать таковую в морской воде в сотни тысяч раз).

Средообразующая функция состоит в трансформации физико-химических условий среды (литосферы, гидросферы, атмосферы) в условия, благоприятные для существования организмов. Средообразующие функции живого вещества создали и поддерживают баланс вещества и энергии в биосфере, обеспечивая стабильность существования организмов, в т.ч. человека. Живое вещество способно восстанавливать условия обитания, нарушенные в результате природных катастроф или антропогенного воздействия. В результате средообразующей функции был преобразован газовый состав первичной атмосферы, изменился химический состав вод первичного океана, образовалась толща осадочных пород в литосфере, на поверхности суши возник плодородный почвенный покров.

Количество живого вещества на Земле.

Неоднократно предпринимались попытки оценить соотношение биомасс растительных и животных компонентов всей биосферы в целом. Любые оценки биомассы являются очень грубыми и существенно расходятся у разных авторов. Так растительная биомасса биосферы оценивается примерно в 10¹⁹-10²⁰ г, биомасса животных – на 5-6 порядков меньше (Воронов, 1973); несколько меньшую оценку величины биомассы планеты приводит Р.Уиттекер и Г.Лайкинс (1973) – более 1,8х10¹⁸ г. сухого вещества.

Биомасса биосферы распределена крайне неравномерно и в пространстве и во времени. Почти вся растительная масса сосредоточена на суше (более 99%), составляющей 29% поверхности Земли, главным образом в лесах (до 90%).

Характерно, что на суше биомасса растений примерно на три порядка больше биомассы животных. В океане же биомасса животных примерно в 28 раз выше биомассы растений. Это представляется на первый взгляд парадоксальным, т.к. растения служат пищей для животных и их биомасса не может быть меньше биомассы потребителей (консументов). При ближайшем рассмотрении оказывается, что основную биомассу растений в океане составляют планктонные организмы, (микроскопические водоросли), очень быстро размножающиеся и дающие поэтому весьма значительную продукцию.

Масса живого вещества на планете незначительна. Если всю литосферу уподобить каменной чаше весом в 10,5 фунтов, то гидросфера помещающаяся в этой чаше, будет весить 1 фунт, вес атмосферы будет примерно равен весу разменной медной монеты, а вес живого вещества – весу почтовой марки. Однако скорость процессов обмена веществ очень велика. Это происходит за счет быстрого размножения организмов. Так, одна клетка диатомовой водоросли может за 8 дней дать количество вещества, равное по объему нашей планете, а в течение следующего часа удвоить этот объем. "Если бактерия холеры может покрыть сплошным покровом поверхность планеты в одни с четвертью сутки, то наиболее медленно размножающийся организм суши – индийский слон – сделает это в 3000-25000 лет; скорость передачи геохимической энергии жизни для бактерии холеры равна приблизительно 33000 см/с, т.е. близка к скорости звуковых волн." (В.И. Вернадский, 1934, с. 178).

Продуктивность живого вещества

Установлено, что к верхним слоям атмосферы Земли от Солнца приходят 1,94 кал/см²/мин. (В средних широтах каждый гектар поверхности планеты получает около 9х10⁹ кал/год) Однако фитоценозами в процессе фотосинтеза растений фиксируется незначительная часть этой энергии. Ю.Одум (1975) указывает, что верхний предел фиксации солнечной энергии растительностью составляет всего 5% от посылаемой Солнцем энергии и может наблюдаться в некоторых наиболее продуктивных тропических лесах.

Способность накапливать энергию солнечного света в органическом веществе называется продуктивностью живых организмов. Различают:

1) валовую первичную продукцию –общее количество органического вещества или связанной в нем энергии, обычно определяемое на 1 м² в год. Подавляющую часть этой продукции составляет продукция зеленых растений;

2) чистую первичную продукцию – количество органического вещества или связанной в нем энергии за вычетом расходов на дыхание;

3) вторичную продукцию – продукцию организмов, потребляющих или перерабатывающих биомассу, полученную в результате первичной продукции, т.е. продукцию животных и сапробов – потребителей мертвого органического вещества.

По Уиттекеру общая чистая продукция на земном шаре составляет 1,7 · 10¹⁷ г/год, причем 60% ее приходится на сушу.

По данным Ф.Голли (Golley, 1972), чистая первичная продукция для всей суши планеты в среднем распределена по основным типам растительности следующим образом (ккал/м²/год:

· тропический лес – 9300,

· бореальный лес – 4200

· сельскохозяйственные культуры – 3200,

· тропические саванны – 3100,

· степи – 1300,

· тундры – 900,

· пустыни – 300.

Первоначальным источником всех процессов, протекающих на Земле, является солнце: основной процесс – фотосинтез – осуществляется на свету. Обобщенная реакция фотосинтеза выражается следующей формулой:

6 CO₂ + 6 H₂O + 674 000 кал = C₆H₁₂O₆ + 6O₂.

Фотосинтез характеризуется очень низким коэффициентом полезного действия. По данным Хатчинсона при оптимальных условиях растения на суше могут использовать лишь несколько процентов видимого излучения Солнца, а коэффициент полезного действия для всей поверхности суши составляет 0,1-0,3%. Другие ученые полагают, что на фотосинтез используется 1% солнечной энергии, падающей на Землю. Причины столь малого коэффициента использования солнечной энергии многие авторы видят в малой концентрации углекислого газа в тропосфере и гидросфере.

Следовательно, в биосфере благодаря деятельности организмов, в первую очередь, хлорофиллоносных растений, идет грандиозный процесс постепенного накопления запасов энергии, что ведет к замедлению процессов энтропии – рассеивания энергии, излучения ее Землей в форме тепловой энергии в космическое пространство.

Дата добавления: 2014-11-24; просмотров: 424; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!