Структура и функции на биосферата

СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ НА БИОСФЕРАТА

Биосферата е многостепенна система, която включва подсистеми с различна степен на сложност. Границите на биосферата се определят от зоната на разпространение на организмите в атмосферата, хидросферата и литосферата (фиг. 24.1). Горната граница на биосферата минава на надморска височина от около 20 km. Така живите организми се заселват в тропосферата и в долните слоеве на стратосферата. Ограничаващият фактор за заселване в тази среда е нарастващият интензитет на ултравиолетовата радиация с височина. Почти всички живи същества, които проникват над озоновия слой на атмосферата, умират. Биосферата прониква в хидросферата до цялата дълбочина на Световния океан, което потвърждава откриването на живи организми и органични отлагания на дълбочина 10-11 km. В литосферата зоната на разпространение на живота до голяма степен определя нивото на проникване на водата в течно състояние - живи организми са открити на дълбочина от около 7,5 km.

Атмосфера.Тази обвивка се състои основно от азот и кислород. В по-малки концентрации съдържа въглероден диоксид и озон. Състоянието на атмосферата оказва голямо влияние върху физичните, химичните и особено биологичните процеси на земната повърхност и във водната среда. Най-важни за биологичните процеси са атмосферният кислород, използван за дишането на организмите и минерализацията на мъртвата органична материя, въглеродният диоксид, изразходван по време на фотосинтезата, и озонът, който предпазва земната повърхност от силно ултравиолетово лъчение. Извън атмосферата съществуването на живи организми е невъзможно. Това може да се види в безжизнената Луна, която няма атмосфера. Исторически развитието на атмосферата е свързано с геохимични процеси, както и с жизнената дейност на организмите. Да, азотвъглероден диоксид, водната пара се е образувала по време на еволюцията на планетата поради (до голяма степен) вулканична дейност, а кислородът - в резултат на фотосинтеза.

Хидросфера.Водата е важен компонент на всички компоненти на биосферата и един от необходимите фактори за съществуването на живите организми. Основната му част (95%) е затворена в Световния океан, който заема приблизително 70% от повърхността на земното кълбо. Общата маса на океанските води е над 1300 милиона km3. Около 24 милиона km 3 вода се съдържа в ледниците, като 90% от този обем пада върху ледената покривка на Антарктида. Същото количество вода се съдържа и под земята. Повърхностните води на езерата са приблизително 0,18 милиона km 3 (от които половината са солени), а на реките - 0,002 милиона km 3 .

Ориз. 24.1. Областта на разпространение на организмите в биосферата:

1—Нивото на озоновия слой, който улавя силната ултравиолетова радиация,2—граница на сняг,3—почва,4—пещерни животни,5—бактерии в нефтени кладенци

Литосферата.Повечето от организмите, живеещи в литосферата, са концентрирани в почвения слой, чиято дълбочина обикновено не надвишава няколко метра. Почвите, като според терминологията на V.I. Вернадски, биоинертно вещество, са представени от минерални вещества, образувани по време на разрушаването на скалите, и органични вещества - отпадъчните продукти на организмите.

Живи организми (жива материя).В момента са описани около 300 хиляди вида растения и повече от 1,5 милиона вида животни. От това количество 93% са сухоземни, а 7% са водни животински видове. Общата биомаса на организмите от сухоземни видове се формира 99,2% от зелени растения (2,4 х 10 12 тона) и 0,8% от животни имикроорганизми (0,2 • 10 11 t). В океана, от друга страна, растенията представляват 6,3% (0,2 x 10 9 t), докато животните и микроорганизмите представляват 93,7% (0,3 x 10 10 t) от общата биомаса. Въпреки факта, че океанът покрива малко повече от 70% от повърхността на планетата, той съдържа само 0,13% от биомасата на всички живи същества, които живеят на Земята.

Изчисленията показват, че растенията съставляват около 21% от всички регистрирани видове. Те обаче представляват повече от 99% от биомасата, докато приносът на животните към биомасата на планетата (79% от видовете) е по-малко от 1%. Сред животните 96% от видовете са безгръбначни и само 4% са гръбначни, от които бозайниците съставляват приблизително 10%.

Горните съотношения илюстрират фундаменталната закономерност на организацията на биосферата: количествено преобладават форми, които са достигнали относително ниска степен на морфофизиологичен прогрес в процеса на еволюцията.

Живата материя по тегло съставлява 0,01-0,02% от инертната материя на биосферата, но играе водеща роля в биогеохимичните процеси поради метаболизма, протичащ в живите организми. Тъй като организмите черпят субстратите и енергията, използвани в метаболизма, от околната среда, те я трансформират вече чрез използването на нейните компоненти в хода на своето съществуване.

Годишното производство на жива материя в биосферата е 232,5 милиарда тона суха органична материя. През същото време в планетарен мащаб в процеса на фотосинтеза се синтезират 46 милиарда тона органични вещества, съдържащи въглерод. Това изисква 170 x 109 тона CO2 да реагират с 68 x 109 тона H20.

Така в резултат на фотосинтезата годишно се образуват 115 х 10 9 тона сухо органично вещество и 123 х 10 9 тона 02. През годината в процеса на фотосинтезасъщо участват 6 x 10 9 тона азот, 2 x 10 9 тона фосфор и други елементи като калий, калций, сяра и желязо. Тези цифри показват, че живата материя е най-активният компонент на биосферата. Той произвежда гигантска геохимична работа, допринасяйки за трансформацията на други черупки на Земята в геоложки времеви мащаб.

Биотична циркулация.Основната функция на биосферата е да осигури циркулацията на химичните елементи. Глобалният биотичен цикъл се осъществява с участието на всички организми, населяващи планетата. Състои се в циркулацията на веществата между почвата, атмосферата, хидросферата и живите организми. Благодарение на биотичния цикъл е възможно дълго съществуване и развитие на живот с ограничен запас от налични химически елементи. Използвайки неорганични вещества, зелените растения за сметка на енергията на Слънцето създават органична материя, която се унищожава от други живи същества (хетеротрофи - потребители и деструктори), така че продуктите от това разрушаване да могат да се използват от растенията за нови органични синтези.

Важна роля в глобалната циркулация на веществата принадлежи на циркулацията на водата между океана, атмосферата и горните слоеве на литосферата. Водата се изпарява и се пренася от въздушни течения на много километри. Попадайки на земната повърхност под формата на валежи, той допринася за разрушаването на скалите, което ги прави достъпни за растения и микроорганизми, разяжда горния почвен слой и заедно с разтворените в него химически съединения и суспендираните органични частици отива в океаните и моретата. Изчислено е, че около 1 милиард тона H2O се изпаряват от повърхността на Земята за 1 минута (2,248 kJ са необходими за образуването на 1 g водна пара). Енергията, използвана за изпаряване на водата, се връща обратноатмосфера (фиг. 24.2). Циркулацията на водата между океаните и сушата е най-важната връзка за поддържане на живота на Земята и основното условие за взаимодействието на растенията и животните с неживата природа.

Ориз. 24.2. Кръговратът на водата в биосферата

Под въздействието на този процес настъпва постепенното разрушаване на литосферата, прехвърлянето на нейните компоненти в дълбините на моретата и океаните.

Създаването на органична материя изразходва само 0,1-0,2% от слънчевата енергия, достигаща повърхността на планетата. Благодарение на тази енергия се извършва значително количество работа за преместване на химични елементи.

Като примери за биотичния цикъл разгледайте циклите на въглерода и азота в биосферата (фиг. 24.3; 24.4).Въглеродният цикълзапочва с фиксирането на атмосферния въглероден диоксид чрез фотосинтеза. Част от въглехидратите, образувани по време на фотосинтезата, се използват от самите растения за енергия, част се консумират от животните. Въглеродният диоксид се отделя по време на дишането на растенията и животните. Мъртвите растения и животни се разлагат, въглеродът в тъканите им се окислява и се връща в атмосферата. Подобен процес протича и в океана.

Азотният цикълсъщо обхваща всички области на биосферата (фиг. 24.4). Въпреки че запасите му в атмосферата са практически неизчерпаеми, висшите растения могат да използват азот само след свързването му с водород или кислород. Изключително важна роля в този процес играят азотфиксиращите бактерии. Когато протеините на тези микроорганизми се разграждат, азотът отново се връща в атмосферата.

Индикатор за мащаба на биотичния цикъл е скоростта на оборот на въглероден диоксид, кислород и вода. Целият атмосферен кислород преминава през организмите за около 2 хиляди години, въглеродният диоксид - за 300 години, а водата напълноразлага се и се възстановява в биотичния цикъл за 2 милиона години (фиг. 24.5).

Ориз. 24.3. Въглеродният цикъл в биосферата

Ориз. 24.4. Азотният цикъл в биосферата

Благодарение на биотичния кръговрат биосферата има определени геохимични функции:газ -биогенна миграция на газове в резултат на фотосинтеза и фиксиране на азот;концентрация —натрупване в телата им от живи организми на химични елементи, разпръснати във външната среда;редокс -трансформацията на вещества, съдържащи атоми с променлива валентност (например Fe, Mn);биохимични —процеси, протичащи в живите организми.

Стабилността на биосферата.Биосферата е сложна екологична система, работеща в стационарен режим. Стабилността на биосферата се дължи на факта, че резултатите от дейността на три групи организми, които изпълняват различни функции в биотичния цикъл -продуценти(автотрофи),консументи(хетеротрофи) идеструктори(минерализиращи органични остатъци) - са взаимно балансирани. Фактът, че биосферата поддържа постоянството на основните си характеристики (хомеостаза), не изключва способността й да еволюира.

Ориз. 24.5. Скоростта на циркулация на веществата в биосферата