Биосфера Основы биогеохимии Лекция 2 Д.Ю. Шишкина

Основная идея Биосфера – это геологическая земная оболочка, охваченная жизнью и структурно организованная этой жизнью. Биосфера взаимосвязана со своим планетным окружением, т.е. существует и развивается в среде планетнойго характера. Биосфера как планетная система входит в более обширную надсистему Земли, обладающую единством взаимодействия земного и космического процессов. Организованность биосферы – результат планетной-космической организованности. В настоящее время организованность биосферы интенсивно изменяется под влиянием человеческой деятельности. Вернадский в 1931 г. в работе «Об условиях появления жизни на Земле» определил организованность биосферы как устойчивость динамической системы, равновесие. Организованность биосферы в геологическом времени подтверждается тем, что вся биосфера охватывается и атмосферой, и гидросферой, и литосферой, и живым веществом. Эти части её взаимопроникают и взаимодействуют между собой, образуя единое целое. Т. обр., понятие «организованность» подразумевает, что окружающая природа не есть хаос разрозненных элементов, но представляет собой единое и связное целое. Организованность биосферы подразумевает единство, равноценность и связь её частей. Она проявляется на разных уровнях. Различают термодинамический, физический, химический, биологический, энергетический, планетный уровни организованности биосферы. 2

Границы биосферы 3

Границы биосферы В.И. Вернадский в книге «Биосфера» писал: «Пределы биосферы обусловлены, прежде всего, полем существования жизни». За верхнюю границу биосферы принимают «озоновый экран», находящийся на высоте 25 км, хотя активная жизнь развивается в слое не выше нескольких километров от поверхности Земли. Нижняя граница биосферы на континентах и в океанах неодинакова. Мнения ученых о глубине нижней границы на континентах расходятся. Одни полагают, что на континентах нижний предел существования жизни находится где-то на глубине 2-3 км. Именно на этих глубинах обнаружены пурпурные тионово-кислые бактерии, использующие свободный кислород, выделяющийся при разложении воды нефтяных месторождений под влиянием гамма-излучения радия. Другие ученые считают, что нижняя граница проходит гораздо выше – на глубине в несколько сотен метров и совпадает с подошвой зоны гипергенеза, т.е. зоны, где активно протекает биохимическое выветривание. Гидросфера заселена полностью. Возможно, в океане предел биосферы распространяется на глубине 0,5-1 км под дном океана, где еще могут встречаться анаэробные бактерии. 4

Структура биосферы Природные комплексы 1-го ранга: континентальный, океанический, переходная область (шельфовая). Природные комплексы 2-го ранга (отделы природных комплексов): наземные; водные; ледовые; переменного режима с систематической и периодической сменой ярусной структуры. 5

Континентальная область Природные комплексы 2-го ранга: сухопутные (почвы, коры выветривания); земноводные (речная сеть, озера); ледовые (суша, покрытая горными и покровными ледниками); с переменным режимом (территории, где периодически появляется снежный покров, существует вечная мерзлота). Континентальная область биосферы занимает 149 млн. км 2 (133 –сухопутная, 16 – ледовая). 6

Океаническая область Природные комплексы 2-го ранга: водные (акватории океана, свободные ото льда в течение всего года); ледовые (многолетние морские льды (Арктика); с переменным режимом (акватории океана, периодически покрывающиеся льдом). Выделяют также 3 фазовых яруса: твердый, жидкий и газообразный. Океаническая область биосферы характеризуется и вертикальной структурой: водно-поверхностный ярус, который населяют фотосинтезирующие организмы; водно-глубинный ярус; бентосный ярус; иловый ярус. Площадь океанической области – 333 млн. км 2 7

Шельфовая область океана Между океанической и континентальной областями выделяется и переходная область – шельфовая область океана. Природные комплексы 2-го ранга: земноводные – ежесуточно заливаемая во время приливов часть береговой зоны (литоральная зона); мелководные – акватория океана с глубиной около 200 м; ледовая – многолетний припай льда в Арктике и Антарктике; переменного режима – акватории морей, систематически покрывающиеся льдом. В шельфовой зоне вся толща воды населена фотосинтезирующими бактериями, поэтому водно-поверхностный ярус непосредственно переходит в донный ярус. Переходная (без литоральной) область биосферы занимает 28 млн. км 2. 8

Компоненты биосферы (по В.И. Вернадскому): 1. живое вещество; 2. биогенное вещество (органо-минеральные и органические продукты, созданные живым вещество: каменный уголь, торф, лесная подстилка, гумус); 3. биокосное вещество (минеральные вещества, образующиеся в результате взаимодействия живых организмов с неживой природой: почвы, илы, коры выветривания); 4. неживое вещество; 5. радиоактивное вещество; 6. рассеянные атомы; 7. вещество космического происхождения 9

Компоненты биосферы (в современном понимании): 1. потоки космической энергии, электромагнитные и гравитационные поля, космическое вещество, поступающее на Землю; 2. биомасса живой растительности, способной путем фотосинтеза и роста фиксировать и преобразовывать космическую энергию в химическую потенциальную и хранить её в виде органических соединений; 3. почвенный покров, обеспечивающий существование растений (механическая опора, корне обитание, водное, углекислотное, азотное, минеральное питание, тепловой режим, накопление запасов энергии в виде детрита и гумуса); 4. биомасса живущих на почве и в почве консументов и редуцентов (животных, простейших микроорганизмов), потребляющих фитомассу и доводящих её до полной минерализации; 5.гидросфера; 6.атмосфера; 7.литосфера. 10

Устойчивость и саморегуляция в процессе развития биосферы Биосфера Земли – открытая, сложная, многокомпонентная, саморегулирующаяся, связанная с космосом система живого вещества и минеральных соединений, образующая внешнюю оболочку планеты. Живое вещество за время своего существования глубоко изменило первоначальную природу планеты, биологизировало её. Жизнь сама приспосабливала и оптимизировала среду. В стратосфере возник озоновый экран, защищающий живые существа от гибельного воздействия у/ф лучей и других космических излучений. Выветривание и почвообразование создали рыхлые горизонты, благоприятные для существования растений и экологические ниши для животных. Живое вещество, создав почвенный покров, преодолело ограниченность ресурсов азотно-углеродного, водного, воздушного, минерального питания. Фотосинтез растений явился механизмом накопления активной биохимической энергии в массах органического вещества в форме гумуса, ископаемых горючих, гарантирующих удовлетворение запросов организмов на случай стрессовых условий и неблагоприятных периодов. Неосинтез высокодисперсных минералов обеспечил в почвах физико- химическую поглотительную способность, тем самым закрепляя соединения N, H, Ca, K. 11

Принцип самоуправляемого расширенного воспроизводства Живое вещество, биосфера развивалась на Земле по принципу самоуправляемого расширенного воспроизводства. В девоне (350 млн. лет назад) существовало около 12 тыс. растений, в карбоне (280 млн. лет назад)– 27 тыс., в юре (150 млн. лет назад) – 60 тыс. Современная флора насчитывает около 300 тыс. видов. Это направленное поступательное развитие биосферы не было непрерывным. Катастрофы (эпохи вулканизма, оледенения, опустынивания) нарушали, задерживали общий процесс расширенного воспроизводства, но не могли остановить общий процесс все усложняющегося развития жизни и биосферы. 12

Биогеоценоз и экосистема Биогеоценоз – взаимообусловленный комплекс живых и косных компонентов, связанных между собой обменом вещества и энергии. Биогеоценоз – это элементарная структурная единица биосферы. В настоящее время термины «биогеоценоз» и «экосистема» часто рассматриваются как синонимы. Но понятие «биогеоценоз» имеет определенные территориальные границы. Понятие «экосистема» – безразмерное и может включать пространство любой протяженности – от капли воды с живущими в ней микроорганизмами до всей биосферы в целом. Т. обр., понятие «биогеоценоз» по отношению к понятию «экосистема» – более частное. Размеры биогеоценозов широко варьируют: от нескольких метров (микро впадины в степях и полупустынях, песчаные дюны) до километров (солончаки, солонцы, такыры, однородные участки степей и лесов). Вертикальные размеры также изменяются широко: от нескольких сантиметров на скалах до нескольких десятков метров в тайге или тропических лесах. 13

Поток вещества и энергии в биогеоценозе В биогеоценозе круговорот веществ и поток энергии характеризуются определенной интенсивностью и направленностью. Отправной точкой круговорота веществ являются фотосинтез и создание фито биомассы растениями. Биогеоценоз относительно устойчив во времени и термодинамически открыт в отношении притока и оттока вещества и энергии. Он имеет вход энергии и различных веществ: солнечная энергия, минеральные элементы горных пород, атмосферные выпадения, грунтовые воды. Выход энергии и биогенных веществ в атмосферу (тепло, кислород, углекислый газ), литосферу (гумусовые соединения, минералы, осадочные породы), гидросферу (растворенные биогенные вещества грунтовых, озерных, речных вод). 14