§ 45. Биосфера и ее структура

Понятие о биосфере. Изучение многообразия форм органического мира и закономерностей его развития не будет полным без понимания места и роли живых организмов в целом на всей планете Земля.

Термин «биосфера» предложил в 1875 г. австрийский геолог Эдуард Зюсс (1831 —1914), однако его точного определения он не дал. Спустя полстолетия русский геохимик В.И. Вернадский (1863—1945) создал учение о биосфере, основные положения которого он изложил в опубликованной в 1926 г. небольшой брошюре под названием «Биосфера». В.И. Вернадский назвал биосферой оболочку Земли, основная роль в формировании которой принадлежит живым организмам.

Живое вещество — главная биогеохимическая сила в биосфере. Главным компонентом биосферы является живое вещество — совокупность всех живых организмов планеты, численно выраженная в элементарном химическом составе, массе, энергии. Это вещество геохимически чрезвычайно активно, так как при осуществлении процессов питания, дыхания, выделения, размножения оно тесно связано с окружающей средой, благодаря чему почти все химические элементы проходят в общей цепи превращений через биогеохимическое звено. Таким образом, жизнедеятельность организмов — это глубокий и мощный геологический процесс планетарного характера. Миграция химических элементов из организма в среду и обратно не прекращается ни на секунду. Эта миграция была бы невозможной, если бы элементарный химический состав организмов не был близок к химическому составу земной коры. В,И. Вернадский писал: «Организм имеет дело со средой, к которой не только он приспособлен, но которая приспособлена и к нему».

Благодаря зеленым растениям, осуществляющим процесс фотосинтеза, в биосфере создаются сложные по строению молекулы органических веществ. Заключенную в них энергию используют для процессов жизнедеятельности гетеротрофные организмы. В этом состоит космическая функция зеленых растений биосферы. Без живого вещества работа солнечного луча сводилась бы лишь к перемещению газообразных, жидких и твердых тел по поверхности планеты и к временному их нагреванию. Живое вещество выступает в качестве гигантского аккумулятора и уникального трансформатора связанной лучистой энергии Солнца. Солнечная энергия без живого вещества не совершала бы на Земле созидательной деятельности, так как не могла бы ни удержаться на ней, ни преобразоваться в необходимую для этого энергию.

Улавливание солнечной энергии осуществляется преимущественно растениями. Но в удержании и преобразовании заключенной в них энергии Солнца, перемещении ее по поверхности, а также из внешнего в более глубокие слои планеты принимает участие все живое вещество. Этот процесс осуществляется благодаря размножению, последующему росту и перемещению организмов. Скорость размножения, по В.И. Вернадскому, — это скорость передачи в биосфере геохимической энергии.

Элементарной структурной и функциональной единицей биосферы является биогеоценоз. Именно в биогеоценозе организмы и среда их обитания тесно взаимно приспособлены друг к другу и благодаря этому осуще-ствяется биологический круговорот веществ — основа бесконечности жизни

на планете. В ходе осуществления биологического круговорота ограниченные запасы химических веществ приобретают свойство бесконечных, так как находятся в непрерывном круговом обращении. Поэтому круговорот веществ в виде биогеохимических циклов является необходимым условием существования биосферы. Весь круговорот веществ в биосфере происходит благодаря одному источнику энергии — Солнцу. Между величиной поступающей на планету солнечной энергии и количеством образуемого живого вещества установилась тесная зависимость. Так, в результате многолетних исследований ученых разных стран удалось подсчитать, что ежегодно в биосфере образуется примерно 150—200 млрд т сухого органического вещества.

Таким образом, создание учения о биосфере явилось важным достижением человечества. Впервые живая природа стала рассматриваться как целостная система, тесно взаимодействующая с абиотической средой. В.И. Вернадский заложил основы современных научных представлений о планетарном и космическом значении жизни, о взаимосвязи и взаимодействии живой и неживой природы.

Протяженность биосферы. На планете Земля различают несколько геосфер, в пределах которых существует жизнь (рис. 7.2).

Атмосфера — воздушная оболочка Земли. С высотой плотность воздуха быстро убывает: 75% массы атмосферы сосредоточено в слое до 10 км, 90% — до 15 км, 99% — до 30 км, 99,9% — до 50 км. Воздух, лишенный влаги и твердых примесей, состоит из азота (78,1%), кислорода (21%), аргона (0,9 %), углекислого газа (около 0,03%) и незначительного количества некоторых других газов.

Большое влияние на состояние атмосферы, т.е. на формирование погоды и климата, играют различные примеси — переменные составные части атмосферы. К важнейшим из них относится вода, которая в виде водяного пара содержится в нижнем 20-километровом слое атмосферы. Водяной пар вместе с углекислым газом, метаном и некоторыми другими примесями участвует в нагревании внутренних слоев атмосферы (так называемый парниковый эффект). Это обусловлено способностью атмосферы пропускать солнечную радиацию к поверхности Земли и поглощать отраженное от нее тепловое излучение. Благодаря парниковому эффекту температура в атмосфере растет с понижением высоты, и ее нижние слои оказываются теплыми.

Область биосферы простирается лишь в нижнем слое атмосферы — тропосфере (от греч. tropos — перемена). Высота тропосферы изменяется от 8—10 км в полярных широтах до 16—18 км на экваторе. Над тропосферой располагается стратосфера (от лат. stratum — слой) высотой 100 км. В ней на высоте 15—25 км свободный кислород под влиянием солнечной радиации превращается в озон (О 2-> О 3), который, образуя экран, поглощает губительное для живых организмов коротковолновое ультрафиолетовое излучение.

Литосфера (от греч. lithos — камень) — внешняя твердая оболочка планеты. В ней различают два слоя: верхний — слой осадочных пород с гранитом и нижний — базальтовый. Слои расположены неравномерно, поэтому в некоторых местах гранит выходит на поверхность. Граница распространения живого вещества в литосфере не опускается ниже 3—4 км. На такой глубине можно встретить лишь анаэробных бактерий. Наибольшая плотность живого вещества в литосфере отмечается в поверхностном слое земной коры — почве.

Гидрьсфера представляет собой совокупность вод океанов, морей, озер, рек, подземных вод и ледяных покровов. Гидросфера образует прерывистую водную оболочку планеты. Основная масса вод сосредоточена в Мировом океане, средняя глубина которого составляет 3,8 км, максимальная (Мариинская впадина Тихого океана) — 11,034 км. Незначительная часть гидросферы представлена пресными водами.

Живые организмы населяют всю толщу гидросферы вплоть до максимальных ее глубин, однако наибольшая их плотность приходится на поверхностные слои и прибрежье, прогреваемые и освещаемые солнцем. Зоны непосредственного контакта и активного взаимодействия литосферы, атмосферы и гидросферы плотнее всего заселены живыми организмами, так как в этих местах создаются наиболее благоприятные условия для жизни — оптимальные температура, влажность, наличие кислорода и необходимых для жизнедеятельности организмов химических элементов.

Пространственная неоднородность биосферы. Условия для жизни организмов в биосфере чрезвычайно разнообразны. Особенно они различаются

в наземной и водной средах. Поэтому выделяют континентальную и океаническую части биосферы.

Континентальная часть биосферы — суша — занимает 148 млн км 2 , или 29% всей площади планеты. Особенностью ее является крайняя неоднородность, выражающаяся в наличии широтной и высотной зональности.

Широтная зональность обусловлена шарообразностью нашей планеты и наклоном ее оси вращения, вследствие чего земная поверхность неодинаково обеспечивается теплом и влагой. Наибольшее количество тепла получают тропические и субтропические пояса, наименьшее — полярные. Наблюдается большое различие и в обеспеченности разных областей влагой. Например, для тундры характерен избыток, а для пустынь — недостаток атмосферных осадков, области умеренных широт характеризуются средними величинами водообеспечения.

Высотная ландшафтная зональность континентальной части биосферы формируется в связи с тем, что с увеличением высоты местности воздух становится более разреженным, с меньшим содержанием кислорода, углекислого газа и водяных паров, а температура его понижается. Из-за недостатка углекислого газа и влаги нарушается нормальный ход фотосинтеза, поэтому на высотах более 6 тыс. м высшие растения не произрастают.

Океаническая часть биосферы занимает 361 млн км 2, или 71% площади планеты. Определяющими факторами жизни организмов в ней являются солевой и газовый состав воды, содержание биогенных элементов, глубина, подвижность вод. Для этой части биосферы также характерна зональность. По условиям жизни особенно различаются между собой полярные и экваториально-тропические зоны гидросферы, а также поверхностная ее часть, освещаемая солнцем, и глубинная зона, куда солнечный свет не проникает. Наиболее благоприятна для развития жизни в гидросфере небольшая по площади (8%) прибрежная зона — шельф, которая хорошо освещена и обогрета солнечными лучами, обеспечена достаточным количеством элементов минерального питания, поступающих из донных отложений и поверхности суши. Большая часть площади дна Мирового океана расположена на глубинах более 4000 м и около четверти площади — на глубинах более 5000 м. Температура здесь низкая (от 0,5 до 4°С) и довольно постоянная. Свет в эту зону не проникает. На морском дне происходит накопление органических остатков в виде ила и других отложений.

Распределение живого вещества в биосфере. Биомасса живого вещества продуцентов (зеленых растений) и консументов (животных и микроорганизмов) в океанической и континентальной частях биосферы приведена в таблице 7.1.

Представленные в таблице данные свидетельствуют о том, что основная масса живого вещества биосферы (свыше 99,8%) сосредоточена на континентах. Вклад океаносферы в общую биомассу составляет только 0,13%.

7.1. Биомасса организмов Земли (сухое вещество)

Организмы континентальной части, океанической частимлрд т % млрд т %

На континентах преобладает живое вещество растений (99,2%), в океане — животных (93,7%). Однако сопоставляя их абсолютные величины (соответственно 2400 млрд т и 3 млрд т), можно сказать, что живое вещество планеты преимущественно представлено зелеными растениями суши. Биомасса организмов, не способных к фотосинтезу, составляет менее 1% .

Несмотря на то, что биомасса растений суши по абсолютной величине на три порядка больше, чем растений океана, скорость прироста биомассы за единицу времени у океанических растений (водорослей) намного выше (табл. 7.2).

7.2. Отношение суммарной годовой продукции (П) к величине биомассы (Б) в некоторых растительных сообществах суши и океана

Интенсивное деление микроскопических клеток фитопланктона, быстрый их рост и кратковременность существования способствуют быстрому обороту фитомассы океана, который в среднем происходит за 1—3 суток, тогда как полное обновление растительности суши осуществляется за 50 лет и более. Поэтому несмотря на небольшую величину фитомассы океана, образуемая ею годовая суммарная продукция сопоставима с продукцией растений суши.

Ежегодно в биосфере в процессе фотосинтеза образуется около 150 млрд т сухого органического вещества. В континентальной части биосферы самыми продуктивными являются тропические и субтропические леса, в океанической — эстуарии (расширяющиеся в сторону моря устья рек) и рифы, а также зоны подъема глубинных вод — апвеллинга. Низкая продуктивность растений характерна для открытого океана, пустынь и тундры.

Биосфера — область распространения живых организмов на планете Земля. Жизнедеятельность организмов сопровождается вовлечением в состав их тела разнообразных химических элементов, необходимых им для построения собственных органических молекул. В результате формируется мощный поток химических элементов между всем живым веществом планеты и средой его обитания. После гибели организмов и разложения их тел до минеральных элементов вещество возвращается во внешнюю среду. Так осуществляется непрерывный круговорот веществ — необходимое условие для поддержания непрерывности жизни. Наибольшая масса живых организмов сосредоточена на границе соприкосновения литосферы, атмосферы и гидросферы. По биомассе в океане преобладают консументы, на суше — продуценты. На нашей планете нет более активного и мощного в геохимическом отношении вещества, чем живое вещество.

Общая биология: Учебное пособие для 11-го класса 11-летней общеобразовательной школы, для базового и повышенного уровней. Н.Д. Лисов, Л.В. Камлюк, Н.А. Лемеза и др. Под ред. Н.Д. Лисова.- Мн.: Беларусь, 2002.- 279 с

Содержание учебника Общая биология: Учебное пособие для 11-го класса:

Глава 1. Вид - единица существования живых организмов

Глава 2. Взаимоотношения видов, популяций с окружающей средой. Экосистемы

Глава 3. Формирование эволюционных взглядов

Глава 4. Современные представления об эволюции

Глава 5. Происхождение и развитие жизни на Земле

Глава 6. Происхождение и эволюция человека

Глава 7. Биосфера и эволюция

Глава 8. Хозяйственная деятельность человека в биосфере

Общая биология: Учебное пособие для 11-го класса

Содержание учебника Общая биология: Учебное пособие для 11-го класса:

Учебники по биологии за 6 класс

Учебники по биологии за 7 класс

Учебники по биологии за 8 класс

Учебники по биологии за 9 класс

Учебники по биологии за 10 класс

Учебники по биологии за 11 класс