Лекция №2. Понятие биосферы, ее структура

Биосфера – это особая оболочка Земли, содержащая всю совокупность организмов и ту часть планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

Биосфера является глобальной экосистемой. Как уже было отмечено ранее, биосфера расчленена на геобиосферу, гидробиосферу и аэробиосферу. Геобиосфера имеет подразделения в соответствии с основными средообразующими факторами: террабиосфера и литобиосфера—в пределах геобиосферы, маринобиосфера (океанобиосфера) и аквабиосфера — в составе гидробиосферы. Данные образования называют подсферами.

Структура биосферы:

Область, в которой регулярно встречаются живые организмы,  называется эубиосфера (собственно биосфера). Общая толщина эубиосферы ≈ 12-17 км.

Аэробиосфера – включает нижнюю часть атмосферы. В состав аэробиосферы входят:

а) тропобиосфера – до высоты 6...7 км;

б) альтобиосфера – до нижней границы озонового экрана (20...25 км).

Озоновый экран – это слой атмосферы с повышенным содержанием озона. Озоновый экран поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца, которое губительно действует на все живые организмы. В последние десятилетия в приполярных областях наблюдаются «озоновые дыры» – области с пониженным содержанием озона.

Гидробиосфера – включает всю гидросферу. Нижняя граница гидробиосферы ≈ 6...7 км, в отдельных случаях – до 11 км. К гидробиосфере относятся:

а) аквабиосфера – реки, озера и другие пресные воды;

б) маринобиосфера – моря и океаны.

В гидробиосфере также существуют слои, связанные с интенсивностью света. Выделяют три слоя: фотосферу—относительно ярко освещенный, дисфотосферу— всегда очень сумеречный (до 1% солнечной инсоляции), афотосферу — абсолютной темноты, где невозможен фотосинтез.

Террабиосфера – поверхность суши. К террабиосфере относятся:

а) фитосфера – зона обитания наземных растений;

б) педосфера – тонкий слой почвы.

Литобиосфера. Нижняя граница литобиосферы ≈ 2...3 км (реже – до 5...6 км) на суше и ≈ 1...2 км ниже дна океана. Живые организмы в составе литобиосферы встречаются редко, однако осадочные породы в составе биосферы возникли под влиянием жизнедеятельности организмов.

Биосфера, охватывающая весь земной шар, имеет опре­деленные границы. Они определяются распространением живого вещества. В Антарктиде на высоте 2000 м над уров­нем моря встречаются лишайники, в Мертвом море, где концентрация солей достигает 270—300 г/л, присутству­ют живые организмы в виде бактерий. В экваториальных, тропических и умеренных широтах жизнь распространена повсеместно, поскольку там самые благоприятные усло­вия. Можно считать, что жизнь существует на всем земном шаре, хотя концентрация и разнообразие живого вещества на различных территориях неодинакова.

Верхняя граница распространения жизни определяется в основном не низкой температурой, а губительным воздей­ствием космического, прежде всего УФ-излучения. Пыльца растений, споры грибов, мхов, папоротников и лишайников и микроорга­низмы постоянно присутствуют в воздухе, но их количе­ство с высотой уменьшается. Жесткое ультрафиолетовое излучение с длиной волны 200—320 нм, поглощаемое озо­новым экраном, убивает все живое.

Нижняя граница определяется глубиной распростра­нения микроорганизмов в земной коре. Многие ученые считают, что она определяется изотермой 100 °С. Акаде­мик И. А. Шилов пишет: «Норы и ходы грызунов, неко­торых насекомых и червей проникают в почву на глубину обычно не более 5—7 м. Этим практически ограничивается распространение жизни в каменной оболочке Земли — ли­тосфере». Верхняя граница биосферы ограничена таким фактором как УФ-излучение.

Таким образом, биосфера распространяется в гидросфе­ре, верхних слоях литосферы и нижних слоях атмосфе­ры. Оболочка планеты на границе тропо-, гидро- и литосфер носит название биогеосферы . В ней наблюдается наибольшая концентрация живого вещества. Здесь самые благоприятные условия жизни — температура, влажность, содержание кислорода и химических элементов, необхо­димых для питания организмов, являются оптимальными. В остальной части биосферы живое вещество находится в разреженном состоянии.

Гидросфера — это водная оболочка Земли, совокуп­ность океанов, морей, озер, рек, водохранилищ, подземных вод, ледников и снежного покрова. Зачастую в гидросферу включают атмосферную воду и воду, содержащуюся в живых организмах. На наш взгляд, включение атмосферной воды в гидросферу не противоречит определению биосфе­ры, так как в ней возможно существование живых орга­низмов. Вода же в живых организмах является составной частью самих организмов, а не областью их существова­ния, поэтому включать ее в гидросферу нет достаточных оснований. Также следует отметить, что четкая граница между гидросферой, литосферой и тропосферой отсут­ствует, так как в водах рек, например, всегда есть взве­шенные твердые частицы и пузырьки воздуха, в которых обитают микроорганизмы.

Основной объем воды, составляющий 1,4610⁹ км³, со­средоточен в Мировом океане. Это 94% всего объема гид­росферы. Мировой океан занимает большую часть поверх­ности Земли — 70,8%. Оставшиеся 6% объема гидросферы распределены следующим образом: подземные воды – около 4%, ледяной и снежный покров — около1,6%, остальное — воды озер, рек, водохранилищ, болот, почв и пары воды в атмосфере.

Вода Мирового океана представляет собой раствор со­лей со средней концентрацией 35 г/л. В основном это хло­ристый натрий (77,7%). Поверхностные воды суши (озер, рек и т.д.) довольно неоднородны по своему химическому составу. Вместе с тем подавляющая часть этих вод является пресной с концентрацией солей до 0,5 г/л. Очевидно, что пресная вода как среда обитания живых организмов суще­ственно отличается от морской, поэтому растения и живот­ные, способные жить как в пресной, так и в морской воде, встречаются крайне редко.

В гидросфере выделяют эвфотическую и афотическую зоны. Эвфотическая зона — зона продуцирования, так как в нее проникает достаточное для фотосинтеза количество солнечной энергии. За нижнюю границу этой зоны принята глубина (около 200 м), в которой освещенность составляет 1% от освещенности на поверхности. Ниже 200 м располо­жена афотическая зона, в которую солнечный свет прак­тически не проникает, и фотосинтез там не происходит.

К литосфере относят внешний твердый слой Земли, включающий земную кору и верхнюю часть земной мантии. Толщина литосферного слоя изменяется от нескольких ки­лометров под рифтовыми долинами срединных океаниче­ских хребтов до 100 км под периферией океанов. На суше она достигает 300—350 км. В литосфере с изменением глу­бины имеет место изменение температуры. При этом вы­деляют три температурные зоны: переменных температур, постоянных температур и возрастающих температур.

В зоне переменных температур диапазон колебаний во многом зависит от климата местности. Суточные ко­лебания практически не регистрируются уже на глу­бине 1,5 м, а годовые — на глубинах 20—30 м. Примерно на глубине 30—40 м расположена зона постоянной темпе­ратуры. В этой зоне температура соответствует среднего­довой температуре данной местности. Ниже расположена зона возрастающих температур.

Нижняя граница биосферы опускается на 2–3 км от поверхности на суше и на 1–2 км ниже дна океана. Нижний предел распространения жизни связан с повышением температуры в земных недрах. Предельная температура для существования большинства живых организмов составляет около 80–100^◦С; температуры выше этого интервала относятся, скорее, к границам выживания (экстремальные условия), чем к нормальной жизнедеятельности.

Литосферные организмы сосредоточены в основном в почвенном слое, глубина которого составляет несколько метров. Химический состав почв в основном унаследо­ван от материнских горных пород, поэтому различные обла­сти суши характеризуются преобладанием одних элементов и недостатком других.

Почва является компонентом биосферы и выполняет в ней ряд важнейших функций. Первая и самая главная функция – это обеспечение существования жизни на Земле, так как все живые организмы (одни прямо, а другие опосредованно) через почву получают элементы минерального питания и воду для создания своей биомассы. Так, почвы обеспечивают растительное сообщество необходимыми для жизнедеятельности питательными веществами (азотом, фосфором, калием, водой и др.), а органическое вещество, создаваемое растениями, служит пищей для других организмов. Обрабатываемые почвы обеспечивают 95–97% продовольственных ресурсов для населения планеты. Вторая функция – это обеспечение постоянного взаимодействия большого геологического и малого биологического круговоротов веществ, и почва здесь выступает как важное связующее звено, так как на почву замыкаются круговороты биогенных элементов (углерода, азота, фосфора, калия, кальция и др.). К другим глобальным функциям почвы относятся регулирование химического состава атмосферы и гидросферы; регулирование биосферных процессов распределения живых организмов на суше; аккумуляция активного органического вещества и связанной с ним химической энергии на земной поверхности.

Атмосфера — это воздушная оболочка нашей планеты, газовая среда обитания живого вещества. Атмосферный воздух является источником дыхания практически всех живых организмов, сырьем для процессов горения, разло­жения и синтеза химических соединений. Сюда выбрасыва­ются газообразные отходы жизнедеятельности организмов и антропогенных устройств и систем (заводов, транспорт­ных средств и т.д.). Атмосфера предохраняет живые орга­низмы от губительного воздействия солнечного коротко­волнового ультрафиолетового излучения и других жестких космических излучений. Через атмосферу проходит био­генный и абиогенный круговороты веществ. В атмосфере кроме газов присутствуют частицы пыли и воды, находя­щиеся во взвешенном состоянии.

Через атмосферу осуществляется обмен Земли с Космосом веществом и энергией. На Землю попадает космическая пыль и метеориты, в Космос уходят такие газы как гелий и водород. Атмосфера насквозь пронизывается мощной радиацией Солнца, при этом самая опасная для живых организмов часть спектра солнечного излучения (жесткое рентгеновское и ультрафиолетовое) поглощается озоновым слоем, расположенным в стратосфере на высоте 22 – 24 км. Углекислый газ, пары воды, озон и другие газы атмосферы задерживают инфракрасное излучение Земли, повышая утепляющее действие воздушного покрывала Земли и защищая биосферу от холода космического пространства, то есть атмосфера обеспечивает тепловой баланс биосферы. Без атмосферы жизнь на Земле была бы невозможна. Таким образом, атмосфера выполняет экологическую защитную функцию, предохраняя биосферу от жесткого солнечного излучения и абсолютного холода Космоса, создавая условия, пригодные для жизни.

Тропосферой называют слой атмосферы высотой при­мерно 8—18 км, в котором сосредоточено более 80% всей массы воздуха и протекают в основном все погодные явления. Высота тропосферы зависит от интенсивности восходящих и нисходящих потоков воздуха. Интенсивность же опреде­ляется нагревом земной поверхности, поэтому на эквато­ре тропосфера простирается до высоты 16—18 км, в уме­ренных широтах — до 10—12 км, а на полюсах — до 8 км.

С 20-х годов Вернадский пишет о влиянии на развитие земных процессов уже не просто живой природы, а целенаправленной деятельности человека. Ещё с XIX века технический прогресс дал возможность преобразовывать Землю. И не всегда с пользой для неё. Деятельность человека незаметно для него самого постепенно превратилась в мощную геологическую силу. И Вернадский вводит понятие ноосферы.

В.И. Вернадский понятие "ноосфера" употреблял в разных смыслах:

• как состояние планеты, когда человек становится  преобразующей геологической силой;

• как область активного проявления научной мысли;

• как главный фактор качественной перестройки биосферы.

Ноосфера (от греч. noos - разум) - это современная биосфера, частью которой является человечество. "Человечество, взятое в целом - писал Вернадский - становится мощной геологической силой. И перед ним, перед его мыслью и трудом, становится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть ноосфера. Человек может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше".