Биосфера

Понятие биосферы и ее сущность

Биосфера отличается от других оболочек планеты тем, что не имеет конкретного ограничения. К примеру, возникновение других непрерывных слоев можно охарактеризовать следующим образом:

1. Литосфера в виде земной и океанической коры идет вначале.
2. Затем наблюдается гидросфера со всеми водными объектами.
3. Далее следует атмосфера, которая является воздушной оболочкой и переходит в космос.

Биосферу сложно представить в виде конкретного слоя из-за равномерного глобального распределения живых организмов по всей поверхности планеты в среде обитания, охватывающей все три стихии. Сущность биосферы можно понять по исследованиям самых древних фактов из истории Земли, однако данная оболочка является наиболее молодой из всех. Зарождение и поддержание жизни на Земле отмечено относительно недавно, около 3,8 миллиардов лет назад, что является несущественным сроком в масштабе возраста и динамического развития всей планеты. Имеется два определения биосферы:

1. Биосфера в виде совокупности всей органики на планете. Данная формулировка является основой современного определения оболочки.
2. Согласно В.И. Вернадскому, биосфера является целостностью, неразрывным единством и взаимодействием живой и неживой природы в их широком смысле.

Происхождение термина 

Концепция живой оболочки была сформирована в XIX столетии. Краткая характеристика биосферы была дана Жан Батистом Ламарком. В это время еще не появился официальный термин.

Впервые понятие биосферы было введено в 1875 году австрийским палеонтологом и геологом Эдуардом Зюссом. Данное определение используют и в современной науке.

Большое значение в исследовании живой оболочки имеют научные труды советского философа и биогеохимика В.И. Вернадского. Ученый известен, как создатель целостного учения о биосфере, в которой роль мощнейшей силы, непрерывно преобразовывающей планету, играли живые организмы.

Какие функции выполняет

Ключевые функции биосферы:

1. Энергетическая. Данный функционал возложен на растения, которые существуют, благодаря фотосинтезу. Перерабатывая энергию солнца, растительные организмы распределяют ее между другими элементами биосферы, либо накапливают ее в отмершей органике. Таким образом, образуются залежи горючих полезных ископаемых в виде угля, торфа, нефти.
2. Газовая. Живые организмы являются участниками непрерывного газового обмена.
3. Концентрационная. Определенные формы жизни способны выборочно создавать запасы биогенных элементов из внешней среды. В дальнейшем они могут использоваться, как источник этих веществ.
4. Деструктивная. Окружающая среда постоянно подвергается воздействию живых организмов. Ее поверхность разлагается и перерабатывается. Таким образом, происходит формирование косного и биокосного вещества.
5. Средообразующая. Биосфера стабилизирует баланс между благоприятными и неблагоприятными условиями среды, благодаря которым поддерживается полноценная жизнедеятельность организмов.

Свойства биосферы по Вернадскому

По определению академика Вернадского, вся совокупность живых организмов нашей планеты представляет собой живое вещество. Ее основные характеристики:

• суммарная биомасса;
• химический состав;
• энергия.

Живое вещество обладает энергией, то есть способно размножаться и распространяться. От наличия вещества и энергии зависят реакции жизнедеятельности живых организмов. Исходя из этого, главное свойство биосферы заключается в постоянном обмене, в котором участвуют организмы и окружающая среда. Она является источником всех необходимых веществ для организмов. Окружающая среда пополняется продуктами обмена веществ. Данные процессы определяют функционирование биосферы в виде целостной системы.

Свойства биосферы определяют специфику это достаточно сложной системы. Основными из них являются:

1. Централизованность. Живые организмы — это центральное звено биосферы, что всесторонне подтверждено В.И. Вернадским. Несмотря на то, что недопустимо применять понятие антропоцентризма в исследовании живого вещества, многие современные ученые считают центром биосферы один вид — человека.
2. Открытость. От наличия энергии, включая солнечную радиацию, зависит существование биосферы.
3. Саморегулируемость и организованность. Биосфера обладает рядом механизмов, которые обеспечивают ее способность противодействовать возникающим возмущениям, стабилизировать первоначальное состояние или способность к гомеостазу.
4. Разнообразие заключается в наличии разных сред жизни, которые составляют биосферу, включая водную, почвенную, наземно-воздушную и другие среды, разнообразных природных зон, геохимических областей и большого количества элементарных экосистем, которым присуще видовое разнообразие. Предположительно, в наше время на планете Земля обитают свыше 10 миллионов видов животного мира и более 1 миллиона видов царства растений и грибов. Разнообразие является условием устойчивости какой-либо экосистемы, а также биосферы в целом.
5. Механизмы, которые обеспечивают круговорот веществ и зависимую от него неисчерпаемость каких-либо химических элементов и их соединений.

В процессе эволюции биосферы наблюдается усложнение структуры биологических сообществ, увеличивается видовое разнообразие, совершенствуются механизмы приспособляемости живых организмов. Вместе с эволюцией повышается эффективность преобразовании энергии и вещества биологическими системами в виде:

• организмов;
• популяций;
• сообществ.

Вершина эволюции живого вещества на планете — человек. Он относится к биологическому виду, который с помощью множества эволюционных трансформаций приобрел сознание, являющееся совершенной формой отражения окружающей среды, и способность к изготовлению и применению в процессе жизнедеятельности орудий труда. Благодаря орудиям труда, человечество обустроило среду искусственного происхождения для жизни в виде поселений, жилищ, одежды, продуктов питания, машин и многого другого. С этого момента эволюция биосферы перешла на новый уровень, на котором мощная движущая сила определяется человеческим фактором.

Границы биосферы

Это один из ключевых компонентов общей характеристики биосферы. В ее границах обитают живые организмы. Некоторые из них обладают особыми способностями к выживанию и могут существовать в самых критических условиях.

Верхнюю границу биосферы определяет атмосфера, точнее, озоновый слой планеты Земля, что примерно равно 15-20 километров. Мощность защитного экрана планеты повышается с приближением к экватору. Выше, чем озоновый слой, жизнь прекращается из-за ультрафиолетового излучения, при котором жизнедеятельность клеток организмов невозможна. Кроме того, на большой высоте концентрация кислорода становится меньше, что является губительным для живых организмов.

Нижняя граница представляет собой литосферу с максимально возможной глубиной, не превышающей 3,5–7,5 километров. При критическом повышении температуры можно наблюдать денатурацию белковых структур. Однако живые организмы в большей степени обитают на глубине в несколько метров в виде:

• корневой системы растений;
• грибков;
• микроорганизмов;
• насекомых;
• животных, обитающих в норах.

Принципы устройства биосферы

Структура биосферы относится к ее основным характеристикам. Согласно Вернадскому, существует несколько типов веществ, слагающих живую оболочку. Они могут обладать как органическим, так и неорганическим происхождением.

1. К живому веществу относят все, что характеризуется клеточной структурой. Доля или масса живого вещества не отличается большими показателями и равна всего лишь одной миллионной части от всей оболочки. Живое вещество биосферы является наиболее важной частью планеты Земля. Так звучит основная характеристика живого вещества. Облик и структура поверхности планеты изменяется под воздействием живых организмов.
2. Биогенным веществом называют структуры, созданные и переработанные живыми организмами. В течение миллионов лет с помощью систем органов живых существ были переработаны вся масса мирового океана, огромный объем газов, которые составляют атмосферу, большинство минеральных веществ. Результатом таких процессов является образование полезных ископаемых органического происхождения, к примеру, нефти, карбонатных пород и угля.
3. Косное вещество является продуктами неживой природы, образованными без вовлечения в процесс живых организмов непосредственно. К данному веществу относят разные виды горных пород, минералов, неорганическую компоненту грунта.
4. Биокосным веществом называют результаты постоянного воздействия живых организмов на планету. Данные вещества представляют собой продукты распада и разрушения косных структур. В данную группу включены почвы, кора выветривания, осадочные породы органического происхождения.

Ключевыми принципами естественного устройства биосферы являются:

1. Для биосферы характерно использование внешних источников энергии таких, как свет солнца и энергия радиоактивного повышения температуры недр Земли. Благодаря постоянному притоку, использованию и распределению определенного объема энергии в форме тепла, сформирован эволюционно сложившийся тепловой баланс в биосфере.
2. Использование вещества в живой оболочке планеты происходит путем круговоротов. В процессе эволюции сформировались биогеохимические циклы элементов, которые исключают накопление вредных отходов. Предпочтительно в биосфере применятся элементы легкого или биогенного типа.
3. Существование огромного разнообразия видов и биологических сообществ. Равновесие между отдельными видами устанавливается, благодаря конкуренции и хищническим отношениям. Таким образом, биосфера приобретает защиту от внутренних факторов, связанных с чрезмерной численностью доминирующих видов.

Живое вещество как системообразующий фактор биосферы

Охарактеризовать биосферу можно с точки зрения эволюции. Таким образом, биосфера представляет собой единственную оболочку, непрерывно развивающуюся и совершенствующуюся. Это объясняется постоянным процессом эволюции живого вещества. Часть живой оболочки неорганического состава не обладает возможностями для развития.

Функционал живого вещества:

1. Газовая функция определяется способностью живых организмов изменять газовый состав атмосферы, Мирового океана и почвы. Кислород поглощается аэробными организмами в процессе дыхания, в результате выделяется углекислый газ. Фотосинтез растений и некоторых бактерий заключается в поглощении углекислого газа и выработке кислорода.
2. Окислительно-восстановительная функция биосферы связана с окислительно-восстановительными реакциями, которые происходят в почве, воде и воздухе. Данные процессы являются следствием жизнедеятельности живых организмов.
3. Концентрационная функция состоит в том, что при поглощении живыми организмами определенных веществ из окружающей среды происходит их постепенное накопление. К примеру, фораминиферы, моллюски, десятиногие раки запасают в своих организмах компоненты кальция и фосфора, бурые водоросли — йода.

В.И. Вернадский обосновал новое содержание представлений о биосфере, что является огромной заслугой ученого. Он дал собственное определение понятию «живое вещество». 

Концентрация живого вещества, исходя из показателей массы, невелика. Если представить, что живое вещество равномерно распределено по всей поверхности, то толщина слоя окажется равной всего двум сантиметрам. Несмотря на этот факт, В.И. Вернадский утверждал, что именно живое вещество выполняет ключевые функции, которые формируют земную кору.

Специфические свойства живого вещества:

1. Огромная свободная энергия.
2. Скорость протекания химических реакций в живом веществе превышает в тысячи раз аналогичные показатели, характерные для неживого вещества. Исходя из этого, чтобы охарактеризовать изменения в живом веществе, применяют термин исторического, а в косном веществе — геологического времени.
3. Живые вещества включают в состав химические соединения в виде ферментов, белков и других компонентов, которые сохраняют устойчивость только в условиях живого организма.
4. Пассивное произвольное движение живого вещества объясняется ростом и размножением, а активное — происходит в форме направленного перемещения организмов. В первом случае это свойство является характеристикой всех живых организмов, а во втором — такое поведение присуще животным и, в редких случаях, растениям.
5. Богатое химическое и морфологическое разнообразие по сравнению с неживым веществом.
6. Живое вещество в биосфере планеты представлено дисперсными телами или индивидуальными организмами. В размерах и массе живых организмов наблюдаются значительные колебания, которые соответствуют диапазону 109.
7. Живое вещество может образоваться исключительно из живого и существовать на планете в виде постоянного чередования поколений.

Согласно утверждениям В.И. Вернадского, существует две формы концентрации живого вещества:

• жизненные пленки, характеризующиеся огромными площадями;
• сгущения жизни в виде небольших площадей таких, как пруд.

Остальную часть биосферы называют зоной разряжения живого вещества.

В рамках океана выделяют несколько типов жизненных пленок:

• планктонная соответствует границе атмосферы и гидросферы;
• донная, которая расположена на границе гидросферы и литосферы.

В зависимости от типа классифицируют следующие сгущения жизни в океане:

• прибрежные;
• саргассовые;
• рифовые.

Разнообразие форм концентрации жизни также присутствует на суше. Верхней пленкой жизни на суше является наземная, которая соответствует границе между атмосферой и литосферой. Ниже этого уровня можно наблюдать почвенную пленку жизни в виде сложной системы, которую населяют бактерии, простейшие и другие представители живых организмов.

Формы сгущения на суше следующие:

• береговые;
• пойменные;
• тропические.

Если сравнить массу живого вещества с массой неживого вещества, то в первом случае показатели будут  наименьшими и составят примерно 0,01% — 0,02% от косного вещества биосферы. Однако роль живого вещества является первостепенной для геохимических процессов. Каждый год жизнедеятельность растений и животных способствует воспроизведению около 10% биомассы. Главной функцией биосферы является обеспечение круговорота химических элементов, который заключается в циркуляции веществ между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами.