Известный австрийский геолог Эдуард 3юсс под биосферой понимал совокупность всех живых организмов на Земле. Русский ученый Вернадский В.И. расширил понятие биосферы, включив в него не только живые организмы, но геологические оболочки, заселенные ими. В 1926 г. выходит книга Венадского «Биосфера», где он показывает, что деятельность живых организмов изменяет геологические оболочки Земли и создает биосферу.
Биосфера, как было уже сказано ранее, — это открытая система. Солнечный свет является источником энергии для ее существования. Живые организмы используют эту энергию для извлечения различных химических элементов из неживой природы и вовлекают их в круговорот веществ.
В.И. Вернадский, особо подчеркивая роль живого вещества, писал:
«Жизнь захватывает значительную часть атомов, составляющих материю земной поверхности. Под ее влиянием эти атомы находятся в непрерывном интенсивном движении. Из них все время создаются миллионы разнообразнейших соединений. И этот процесс длится без перерыва десятки миллионов лет. На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом.»
В процессе фотосинтеза энергия солнечного света преобразуется в энергию химических связей образованного органического вещества растений, которое частично используется самими же растениями во время их дыхания. Другая часть этого полученного растениями органического вещества служит строительным материалом, а также источником энергии для многочисленных гетеротрофов. Когда происходит разрушение неживой органики, остатки энергии рассеиваются в виде теплового излучения. Слндовательно, для того, чтобы биосфера существовала, необходим постоянный приток энергии солнечного света, обеспечивающий все жизненные функции биосферы и в конце рассеивающийся в виде тепла.
Биосфера является сложной системой, включающей компоненты и живой, и неживой природы. Верхняя часть литосферы, гидросфера, нижняя часть атмосферы относятся к неживой природе. Круговорот веществ и потоки энергии, протекающие в различных биогеоценозах, связывают эти геологические оболочки между собой. Биогеоценоз — это элементарная структурная единица биосферы, сама же биосфера является глобальной экологической системой — ноосферой.
Все вещества, содержащиеся в биосфере Земли, можно разделить на 4 группы:
- Живое вещество. Сюда относится совокупность всех живых организмов на планете.
- Косное вещество. К нему относят вещество неживой природы (гранит, базальт, песок, глина и т.д.).
- Биокосное вещество. Является результатом взаимодействия живых организмов с неживой природой (т.е. вода, ил, почва и тд.).
- Биогенное вещество. Это те вещества, которые образуются в результате жизнедеятельности организмов (осадочные породы, полезные ископаемые: нефть, каменный уголь, торф).
В.И. Вернадский в своих работах в неживой природе биосферы (косное вещество биосферы) различал 3 геологические оболочки: литосферу, тропосферу и гидросферу. Эти оболочки в результате воздействия живых организмов стали биокосным веществом.
Литосфера или «каменная оболочка» Земли (чаще ее называют «почва») — это самая верхняя часть земной коры, которая изменилась в результате физического, химического и биологического воздействия. Сверху она состоит из осадочных пород, ниже располагаются гранитный и базальтовые слои. Т.к. проникновение жизни вглубь литосферы ограничено отсутствием воды и высокиими температурами, нижняя граница жизни в литосфере проходит на уровне 4—7 км. Естественно, максимально заселенными является поверхность Земли и верхний слой почвы.
Биомасса различных участков поверхности Земли зависит от многих климатических условий. В первую очередь, это температура и количество выпадающих осадков. Например, в тундре, где климатические условия можно назвать суровыми (вечная мерзлота, низкие температуры, короткое и холодное лето), сформировались своеобразные растительные сообщества с небольшой биомассой. В тундре растут мхи, лишайники, различные формы стелющихся карликовых деревьев, есть также травянистая растительность. Т.е. растет то, что может выдержать такие экстремальные условия.
Биомасса тайги уже больше, потом идут смешанные и широколиственные леса, где биомасса также постепенно увеличивается. На смену зоны степей приходят зоны с субтропической и тропической растительностью, здесь условия для жизни наиболее благоприятны, следовательно, и биомасса максимальна.
Если рассматривать почву, то наиболее благоприятным для жизнедеятельности (водный, температурный и газовый режим) является верхний слой почвы.
Благодаря Растительному покрову органическим веществом обеспечиваются все обитатели почвы: животные (позвоночные и беспозвоночные), грибы и бесчисленное множество бактерий. Бактерии и грибы являются редуцентами. Они минерализуют органические вещества и очень важны в круговороте веществ биосферы. Л. Пастер назвал бактерии великими могильщиками природы.
Гидросфера или «водная оболочка», образована Мировым океаном и различными водоемами суши: реками, озерами и т.д. Мировой океан занимает около 71 % поверхности Земли, остальные водоемы — около 5%. Большие запасы воды находятся также в ледниках и в подземных водах. Т.к. вода имеет сравнительно высокую плотность, живые организмы могут нормально жить не только на дне, но на поверхности воды и в ее толще. По этой причине гидросфера заселена по всей своей толщине.
Живые организмы гидросферы представлены бентосом, планктоном и нектоном. У бентосных организмов (от греческого слова benthos — глубина) придонный образ жизни. Они живут на грунте и в грунте. Различные растения: зеленые, бурые, красные водоросли образуют фитобентос. Эти растения произрастают на различных глубинах. Зеленые растения живут на небольшой глубине, затем глубже — бурые, еще глубже — красные водоросли, которые можно встретить на глубине до 200 м. Существует еще зообентос, который представлен животными: червями, моллюсками, членистоногими и т.д. Многие из приспособились и могут проживать даже на глубине более 11 км.
Планктонные организмы (от греческого слова planktos — блуждающий) представлены фитопланктоном и зоопланктоном. Это обитатели толщи воды, самостоятельно передвигаться на большие расстояния они не способны. К фитопланктону относятся одноклеточные водоросли, цианобактерии. Они проживают в морских водоемах до глубины 100 м и являются основным продуцентом органических веществ, т.к. имеют необычайно высокую скорость размножения. К зоопланктону относятся морские простейшие, кишечнополостные, мелкие ракообразные. Для них характерны вертикальные суточные миграции. Зоопланктон — основная пища для крупных животных: рыб и усатых китов.
К нектонным организмам (от греческого слова nektos – плавающий) относятся обитатели водной среды, которые способны активно передвигаться в толще воды, и преодолевать при этом большие расстояния. Это рыбы, китообразные, кальмары, ластоногие и другие животные.
Атмосферу подразделяют на тропосферу, стратосферу и ионосферу. Тропосфера — нижнюю часть атмосферы, ее высота доходит до 20 км, стратосфера находится выше — до 100 км, и еще выше располагается ионосфера. Заселеной является только тропосфера, при этом верхняя граница жизни проходит на высоте около 20 км, сюда потоки восходящего воздуха заносят споры микроорганизмов. На высоте 15-35 км в атмосфере свободный кислород (О2) превращается в озон (О3), отражающий жесткий ультрафиолет (свет, имеющий длину волны менее 290 км), который вызывает мутации в клетках живых организмов.
Примерные экзаменационные вопросы по теме «Биосфера».