Биосфера Определение понятия Границы биосферы Структура биосферы

Биосфера
1.
2.
3.
Определение понятия
Границы биосферы
Структура биосферы


Ввел термин Эдвард Зюсс в 1875 г.
Создал учение о биосфере - Владимир
Иванович Вернадский ученый с
энциклопедическими знаниями,
геохимик по образованию, основатель
биохимии, профессор минералогии
Московского университета создал
учение о биосфере. Свои идеи о
биосфере он изложил в работе
«Биосфера», вышедшей в 1926 г.

Наружная область Земного шара,
граничащая с Космосом,
сосредоточившую в себе жизнь в
различных формах ее проявления
(латентном и активном),
пронизывающую всю гидросферу,
верхние слои литосферы и нижние слои
атмосферы, в которой происходит
аккумуляция, трансформация световой
энергии и совершается геохимическая
работа. В определении понятия особое
внимание следует обратить на
следующие основные положения:



Земля тесными узами связана с Космосом.
На нее ежегодно, опускается около 2,5 млн. тонн
космической пыли (т. е. на 1 км2 выпадает 0,5–1,0
кг/год). К этому надо добавить и около 0,5 млн.
тонн метеоритов, а значит, железа, углеродистых
веществ и т. д.
Ежегодно недра Земли выбрасывают около 1 млн.
тонн газов, 10 млрд. тонн пепла, бомб, лавы, что
поступает не только на поверхность нашей
планеты, но и в космические просторы. Все эти
потоки вещества вместе с химическими элементами
частично вовлекаются в биологический
круговорот, уходя на построение тела конкретного
организма (сосны, крапивы, бабочки или бегемота
и т. д.).

Жизнь на Земле существует в двух формах
активной
скрытой (латентной).
Латентная форма жизни распространена значительна
шире. Формами латентного состояния у животных
могут быть цисты (у простейших), икринки, яйцо, а
у растений – споры, семена, покоящиеся почки.
Латентное состояние расширяет рамки жизни. Это
парадокс! Замирание жизни ведет к ее
расширению, растеканию (по В.И. Вернадскому). В
этом – проявление закона диалектики – закон
единства и борьбы противоположностей. Границы
жизни зависят от различных параметров.




Температура. Основной температурный градиент
лежит в интервале 0–50°С.
Семейство львинок у мух в горячих лужах
развиваются при + 68°С. Бактерии «Черных
курильщиков» живут и активно размножаются при
+3600С.
В Оймяконе температура воздуха доходит до –
69°С, а даурская лиственница нормально
переносит ее.
Английский ученый Рам (1923 г.) проводил опыты с
лишайниками, остужая их до – 289° (по
Фаренгейту), а затем постепенно нагревал.
Некоторые из них вернулись к жизни. Исходя из
этого, нижней температурной границей принято
считать температуру в – 270°С.
Сероводородные термы –
кальдеры, кратеры, подводные газы:
Камчатка, Курильские острова.
Давление.
 Установлены пределы давления для
некоторых организмов. В частности,
сульфатредуцирующие бактерии, которые
живут на больших глубинах (океан),
наиболее активны при давлении в 1000
атмосфер. Критическое давление для
многих видов бактерий лежит в пределах
3 000–12 000 атм., хотя отдельные виды
гибнут при давлении 500 - 600 атм., а их
развитие задерживается при 300 атм. В
наземных условиях нормой считается
давление в 760 мм ртутного столба.




Радиация.
Естественный фон радиации – 0,1 рентген/год.
Рентген – единица дозы излучения
рентгеновских гамма-лучей. Это такое
количество излучения, при котором энергия,
выделяемая источником излучения, вызывает в 1
см3 воздуха образование ионов, несущих заряд в
1 электростатическую единицу каждого знака.
Среди живых организмов можно встретить
любую степень радиочувствительности, от очень
высокой, например, у некоторых представителей
плесневых грибов рост нарушается уже при 0,01
рентген, до очень низкой, как у инфузорий (300
000 рентген).
Границы биосферы
Пределы
проникновения
жизни в высоту
Кондоры
7 км
Бабочки
6,5 км
Жилье
человека
5 км
Высокогорные
растения
3 км
Пределы проникновения жизни в
литосферу
 Основное условие ограничения проникновения
жизни в литосферу – температура. С глубиной она
повышается.
 Выделяют 3 геотермические провинции:
·
изотерма 100°С проходит на глубине 10-15 км;
·
на глубине 3,5–5,5 км;
·
на глубине 1,5–2,5 км.
 Нижняя граница жизни в литосфере принята за
4500 м. Исследования показали, что в образцах
нефти бактерии были обнаружены на глубине 2300
м, причем численность их была 440 тыс./мл.
Отрывочные данные о бактериях имеются с
глубины 4500 м.
Пределы проникновения жизни в
гидросферу

В море жизнь проникает еще глубже, т. к.
температура на дне при средней глубине 3,8 км
приблизительно 0°С. Слой, охваченный
жизнью, может составлять около 8 км.
Бактерии и животные проникают еще глубже,
включая глубокие впадины до 12 тыс. м
(Марианская впадина). Работы академиков
Л.А. Зенкевича и В.Г. Богорова с группой
сотрудников (1951, 1956) показали, что на
таких глубинах обнаружена жизнь. Ими описан
новый тип животных брахиата-погонофоры,
относящийся ко вторичноротым, богатая
бактериальная флора.



Гидротермы известны в океанических рифтах
разного типа строения, находящихся как в
начальной стадии своего образования, так и в
более зрелых, обладающих низкой, средней и
высокой скоростью спрединга - расширения
океанического дна.
Рифтовые зоны океанов - это глубокие ущелья,
располагающиеся вдоль осей срединноокеанических хребтов, они представляют собой
дивергентные границы литосферных плит.
Повышенный тепловой поток в рифтовых зонах
связан с многочисленными, неглубоко
залегающими магматическими очагами, из
которых и происходят излияния базальтовой
магмы, наращивающей океаническое дно.
Распространение современных гидротермальных
построек и металлоносных осадков в океанах: 1 гидротермальные постройки и сульфидные руды, 2 - илы
с сульфидами (стратиформные залежи), 3 металлоносные осадки (по данным Дж.П. Кеннета и С.Г.
Краснова), 4 - рифтовые зоны










Некоторые представители
фауны гидротермальных
оазисов:
1 - двустворчатый моллюск
Калиптогена,
2 - двустворчатый моллюск
Батимодиолюс,
3 - Помпейский червь,
4 - многощетинковый червь
Бранхиполиное,
5 - усоногий рак Неолепас,
6 - краб Битогрэя,
7 - ушастый осьминог
Гримпотейтис,
8 - десятиногий рак
Мунидопсис,
9 - рыба Термарцес
Распределение жизни в биосфере носит
резко неравномерный характер.
Наибольшая плотность жизни наблюдается на
границах сред обитания. Эти сгущения жизни
В.И. Вернадский называет пленками жизни.
 Контакт почвы и воздуха – 2-3- см
 Контакт воздушной, почвенной и морской сред
жизни, т.е.
Прибрежные зоны:
-шельфовая зона
-литораль
 Зона апвеллинга
 Эуфотическая зона и еще более насыщенный
жизнью слой в 2-3 см зону контакта водной и
воздушной сред
 Глубоководные горячие источники
 Дно водоемов

Геологически вечное существование биосферы
возможно благодаря пространственнофункциональной организации.
В основе лежат 2 основных аспекта:
1. Жизнь стала возможной благодаря
биологическому круговороту.
2. В пределах биосферы существует
несколько типов вещества и энергии (по
Вернадскому).
Вещество
Энергия
Живое
Биогенное
Радиоактивная
Биокосное
Косное
Солнечная
Живое вещество это совокупность живых
организмов планеты, выраженную через
биомассу, элементарный химический состав
и геохимическую работу (В.И. Вернадский)
.
По сути своей вся биомасса живого вещества
планеты это всего 1/11 000 000 веса земной
коры, той колыбели, из которой она вечно
подпитывается химическими элементами.
Сравнительная характеристика массы биостромы
и географических сфер планеты (Войткевич,
Вронский, 1989)
Масса, т
Соотношение
Живое
вещество
2,4 x 1012
1
Атмосфера
5,15 x 1015
Гидросфера
1,5 x 1018
602500
Земная кора
2,8 x 1019
1670000
2146

Очень образно это сравнение провел
великий норвежский ученый – геохимик
В.М. Ольдшмидт (1887–1947):
если земную кору представить в виде
каменной чаши весом 5 кг, то вся
гидросфера, помещенная в эту чашу, весила
бы всего 0,5 кг, масса атмосферы
соответствовала бы весу одной медной
монетки, а масса живого вещества весу
почтовой марки.
Свойства живого вещества
Живое вещество является аккумулятором
(через фотосинтез) и трансформатором
световой энергии. В результате способности
накапливать энергию живое вещество
способно производить работу. Например,
создавать гумус (весьма энергоемкий
процесс), осуществлять миграцию
химических элементов, создавать и
накапливать биогенный кислород и
опосредованно – озон.

Живое вещество обладает свойством
размножения, что обеспечивает
постоянство, преемственность и
непрерывность его действия.
Однако возможного заселения всей
поверхности планеты одним видом не
происходит в силу различных
ограничивающих факторов.

Живое вещество обладает огромной
скоростью проведения биохимических
реакций. Через 15 секунд поглощенный
листом в результате фотосинтеза
углекислый газ уже обнаруживается в
соединениях, образующихся при
фотосинтезе.
Такие скорости обеспечиваются
катализаторами, создаваемыми живыми
клетками и получившими название
ферментов.
Функции живого вещества
1. Энергетическая функция.
Солнце одаривает нашу планету своей
лучистой энергией, являясь подателем
тепловой и световой энергии.
И только 0,1–3% этого потока эффективно
увязывается в молекулы макроэргических
связей в процессе фотосинтеза листом
зеленых растений.

Кроме кванта световой энергии,
хлорофилловому зерну зеленого листа
необходим и углекислый газ, и вода, и
минеральные соли. Но в результате
зеленый щит нашей планеты «производит»
232 млрд. тонн органического вещества и
около 248 млрд. тонн кислорода ежегодно.
Никто больше на Земле этого делать не
может.
Вся зеленая поверхность Земли (если все
листочки условно уложить в одну
плоскость) составляет до 4% поверхности
Солнца и может быть в 300 раз больше
земной.
2. Газовая функция.
В далекие геологические эпохи (катархей, архей), когда еще
шло формирование проатмосферы и прогидросферы,
основным поставщиком в проатмосферу были продукты
выплавки ядра, мантии и земной коры.
Проатмосфера состояла из летучих и легких газообразных
веществ. Свободного кислорода не было; вода была
связана в гидрооксидах, азот – в нитридах и нитритах,
кислород – в окислах металлов и т. д.
Древняя атмосфера катархея и архея имела азотно-амиачноуглекислый состав. Углекислый газ до 60%, кроме того,
был азот, сероводород, аммиак, серный газ и др.
Современная атмосфера состоит из
азота – 78%
кислорода – 21 %
углекислота – 0, 03 %
другие газы – 0,97 %


3. Окислительно-восстановительная функция.
Окислительная функция связана с окислением
более бедных кислородом соединений: солей
железа и марганца, нитратов, Н2S (сероводорода),
азота. Эти процессы протекают в почве, коре
выветривания и гидросфере. Осуществляют эту
функцию бактерии и некоторые грибы.
Восстановительная функция осуществляется тоже
некоторыми видами бактерий, грибов. Особенно
хорошо она выражена для сульфатов созданием
H2S, FeS, FeS2.
4. Концентрационная функция.
Эту функцию В.И. Вернадский определял как процессы избирательного
поглощения организмами определенных элементов. Все эти
концентрационные функции можно свести к 2 группам:


концентрационные функции, связанные с захватом тех химических
элементов, которые находятся во всех без исключения живых
организмах. Это – фактически накопление 14 биофильных элементов,
идущих на построение тела организма: О, Н, С, N, S, Р, К, Са, Mg, Na, Al,
Si, Fe, Cl;
1)
2)
концентрационные функции, связанные с поглощением
отдельными организмами различных химических элементов в
количествах, превышающих их концентрацию в среде. Концентрация
захватывает все элементы, в том числе и 14 биофильных, которые
находятся во всех организмах.
В вихрь жизни включаются все известные в системе Д.И. Менделеева
химические элементы. Известны организмы, специализирующиеся на
концентрации отдельных элементов из окружающей среды.



5. Деструкционная функция.
Заключается в разложении живыми
организмами органического и
неорганического неживого вещества. В
разложении органического вещества
принимают участие гетеротрофы, которые, в
конечном счете, доводят его до конечных
продуктов минерализации (воды,
углекислого газа и минеральных солей).
В условиях суши деструкцию (выветривание)
неорганического неживого вещества
осуществляют несколько агентов: это
физико-химические факторы и
биологические (живые организмы).
Выветривание
процесс разрушения и
химического изменения
горных пород в условиях
земной поверхности или
вблизи нее под влиянием
температуры, химических и
механических воздействий
атмосферы, воды и живых
организмов.

6. Средообразующая функция
живого вещества планеты широко
проявляется повсюду: и в воде, и в
почве, и в наземно-воздушной среде
обитания. Эта функция заключается в
том, что организмы способны своей
жизнедеятельностью изменять физикохимические параметры условий среды.
Биогенное вещество
это органо-минеральный комплекс,
образовавшийся в результате отмирания
организмов, их сложных превращений, в
результате взаимодействия с различными
абиотическими факторами среды.
Это каменный уголь, нефть, кальциты,
доломиты, известняки и т. д. Это
своеобразные овеществленные
энергетические сгустки биосферы,
выброшенные из круговорота (и как бы
оставленные нам на сегодняшний
обогрев).












Биокосное вещество
Это сложные системы ,образованные в результате
тесного и длительного взаимодействия живого и
неживого (косного) вещества, при условии их
полного взаимопроникновения.
В.И. Вернадский (1939, с. 11) писал:
Биокосные естественные тела характерны для биосферы. Это
закономерные структуры, состоящие из косных и живых тел (например,
почвы), причем все их физико-химические свойства требуют иногда
чрезвычайно больших поправок, если при их исследовании не учтено
проявление находящегося в них живого вещества. Следовательно,
биокосные системы созданы самой жизнью, живое глубоко пронизывает
своим преобразующим воздействием косную материю, облагораживая
ее.
На Земле В.И. Вернадский называл следующие биокосные системы:
Почва
Воды Мирового океана
Илы
Ландшафты
Водоносные горизонты
Кора выветривания и даже сама биосфера.