Функції, склад та будова біосфери

Усі живі істоти планети Земля входять у тісний зв'язок друг з одним і з довкіллям, утворюючи цим екосистеми. Ці спільноти взаємодіючих організмів не ізольовані одна від одної. Вони пов'язані між собою різними взаємовідносинами, насамперед харчовими. Сукупність екосистем утворює єдину планетарну екосистему, що називається біосферою. У цій статті буде розглянуто будову біосфери, її склад та основні функції.

Дане поняття було вперше введено в науку Ж. Б. Ламарк в далекому 1803 і означало сукупність всіх живих організмів планети Земля. Наприкінці дев'ятнадцятого століття термін "біосфера" використовував Ж. Зюсе, який включив неживу матерію осадових порід у будову біосфери. Вчення про біосферу з'явилося в 1926 році, коли В. І. Вернадський узагальнив величезну кількість наукових відомостей, що так чи інакше ілюструють взаємозв'язок між живою і неживою речовиною. Вчений зміг показати, що наша планета не лише заселена живими організмами, а й активно перетворюється ними. Крім того, на думку Вернадського, втручання людей у природні процеси настільки суттєве, що можна говорити про ноосферу – нову фазу розвитку біосфери. На сьогоднішній день наука про біосферу об'єднує дані з різних областей знання. Серед них можна відзначити біологію, хімію, геологію, кліматологію, океанологію, ґрунтознавство та інші.

Будова біосфери така, що живі організми можуть самостійно підтримувати необхідний склад ґрунту, атмосфери та гідросфери. Вони відіграють ключову середотворчу роль. На підставі цього вчені висунули гіпотезу про те, що ґрунт та повітря були створені самими живими організмами протягом сотень мільйонів років еволюції. Вивчивши подібність у будові геологічних порід, що залягаютьглибше за кембрійські, з пізнішими породами, Вернадський припустив, що у вигляді найпростіших організмів життя на планеті існувало чи не спочатку. Пізніше геологи довели хибність цієї гіпотези.

Оскільки сонце є енергетичною основою існування всього живого Землі, біосферу можна як оболонку, структура і склад якої формуються з допомогою спільної діяльності живих організмів і визначаються припливом сонячної енергії. Тепер давайте познайомимося із будовою біосфери Землі.

Живе та неживе

Розглядаючи склад та будову біосфери, перш за все варто відзначити, що вона складається з живої та неживої речовини (інертної матерії). Основна маса живих організмів зосереджується у трьох геологічних оболонках Землі: атмосфері (повітряний шар), гідросфері (океани, моря тощо) та літосфері (верхній шар породи). Однак ці оболонки розподіляються в найбільшій екосистемі нерівномірно. Так, гідросфера представлена у будові біосфери повністю, а літосфера та атмосфера – частково (верхній та нижній шари відповідно).

Неживий компонент біосфери складається з:

Біогенна речовина, яка є продуктом життєдіяльності живих організмів. До нього відносяться: кам'яне вугілля, нафта, торф, природні вапняки, газ та інше.
Біокосної речовини, що є спільним результатом життєдіяльності організмів і небіологічних процесів. Сюди входять: ґрунт, мул, вода водойм і так далі.
Кісної речовини, що входить у біологічний кругообіг, але не є продуктом життєдіяльності живих організмів. До цієї групи належать: вода солі металів, атмосферний азот та інше.

Межі біосфери

Такі поняття, як склад, будоваі межі біосфери тісно пов'язані один з одним. Незважаючи на те, що бактерії та суперечки були виявлені на висоті до 85 кілометрів, вважається, що верхня межа біосфери становить 20 - 25 км. На великих висотах концентрація живої речовини мізерно мала через сильний вплив сонячного випромінювання.

У гідросфері життя є всюди. І навіть у Маріанській западині, глибина якої становить 11 км, учений із Франції Ж. Пікар спостерігав не лише безхребетних, а й риб. Під більш ніж 400-метровою товщею антарктичного льоду живуть бактерії, водорості, форамініфери та ракоподібні. Бактерії зустрічаються під кілометровим шаром мулу та у підземних водах. Тим не менш, найбільша концентрація живих істот спостерігається на глибині до 3 км. Таким чином, межі та будова біосфери в різних частинах планети можуть бути різними.

Атмосфера, літосфера та гідросфера

Атмосфера складається головним чином із кисню та азоту. У невеликих кількостях у ній містяться аргон, вуглекислий газ та озон. Від стану атмосфери залежить життя як сухопутних, і водних істот. Кисень необхідний для дихання живих організмів та мінералізації відмираючих органічних речовин. А вуглекислий газ використовується рослинами для фотосинтезу.

Літосфера має товщину від 50 до 200 км, проте основна кількість видів живих організмів зосереджується у її верхньому шарі завтовшки кілька десятків сантиметрів. Поширення життя вглиб літосфери обмежено з низки чинників, головними у тому числі: відсутність світла, висока щільність середовища проживання і висока температура. Таким чином, нижньою межею поширення життя в літосфері є глибина 3 км, на якій були виявлені деякі види бактерій. Заради справедливості варто відзначити, що вони жилинад грунті, а підземних водах і нафтоносних горизонтах. Цінність літосфери полягає в тому, що вона дає життя рослинам, живлячи їх усіма необхідними речовинами.

Захоплюючі цифри

І склад, і будова, і функції біосфери вражають своїми масштабами. З деякими цікавими фактами ми з вами зараз познайомимося. У воді міститься у 660 разів більше вуглекислого газу, ніж у повітрі. На суші переважає різноманітність рослинного світу, а море – тваринного. 92 відсотки всієї біомаси на суші припадає на зелені рослини. В океані ж 94% становлять мікроорганізми та тварини.

У середньому раз на вісім років біомаса Землі оновлюється. Рослинам суші для цього потрібно 14 років, океану – 33 дні. Для того, щоб вся вода земної кулі пройшла через живі організми, знадобиться 3000 років, кисень – до 5000 років, а вуглекислий газ – 6 років. У азоту, вуглецю та фосфору ці цикли ще триваліші. Біологічний кругообіг не замкнутий - близько 10% живої речовини переходить в осадові відкладення та поховання.

На біосферу припадає лише 0,05 % від маси нашої планети. Вона займає близько 0,4% обсягу Землі. Маса живих істот складає всього 0,01 - 0,02% від маси відсталої речовини, проте вони відіграють дуже значну роль у геохімічних процесах.

Щорічно продукується 200 млрд. тонн сухої ваги органіки, а в процесі фотосинтезу поглинається 170 млрд. тонн вуглекислого газу. У процесі життєдіяльності мікроорганізмів до біогенного кругообігу щороку залучається 6 млрд тонн азоту та 2 млрд тонн фосфору, а також величезна кількість заліза, магнію, сірки, кальцію та інших елементів. За цей час людство видобуває близько 100 млрд. тонн корисних копалин.

У процесі своєї життєдіяльності організми роблятьістотний внесок у кругообіг речовин, стабілізуючи і перетворюючи біосферу, властивості та будову якої змушують задуматися про наявність вищих сил.

Енергетична функція

Познайомившись із будовою та складом біосфери, переходимо до її функцій. Почнемо з енергетичної. Як відомо, рослини поглинають сонячне випромінювання та насичують біосферу життєво необхідною енергією. Приблизно 10 % світла, що уловлюється, продуценти використовують для своїх потреб (в основному для клітинного дихання). Все інше через харчові ланцюги поширюється на всі екосистеми біосфери. Частина енергії консервується в надрах землі, насичуючи їх своєю силою (вугілля, нафту тощо).

Навіть розглядаючи функції та будову біосфери коротко, завжди виділяють окислювально-відновну функцію як підвид енергетичної. Будучи продуцентами, бактерії, що хемосинтезують, можуть видобувати енергію з реакцій окислення і відновлення неорганічних сполук. У процесі окислення сірководню енергією живляться серобактерії, а заліза (з 2-валентного до 3-валентного) – залізобактерії. Нітрифікуючі також не сидять без діла. Вони окислюють амонійні сполуки до нітратів та нітритів. Саме для цього фермери удобрюють свої поля сполуками амонію, які самі собою рослинами не засвоюються. При удобренні ґрунту безпосередньо нітратами запасні тканини рослин перенасичуються водою, що призводить до погіршення їх смакових якостей та збільшення небезпеки виникнення захворювань травної системи у тих, хто вживає їх у їжу.

Середоутворююча функція

Живі організми формують ґрунт, а також регулюють склад повітряної та водної оболонок землі. Якби на планеті не існувало фотосинтезу, запас атмосферного кисню було б витрачено за 2000 років.Крім того, буквально через одне століття через збільшення концентрації вуглекислого газу в повітрі організми почали б гинути. За день лісовий масив може поглинути з 50-метрового шару повітря до 25 % двоокису вуглецю. Дерево середнього розміру здатне забезпечити киснем чотирьох людей. Один гектар листяного лісу, що розташований біля міста, щороку затримує близько 100 тонн пилу. Озеро Байкал, яке славиться своєю кришталевою чистотою, є таким завдяки дрібненьким рачкам, які тричі на рік «проціджують» його. І це лише кілька прикладів того, як живі організми регулюють склад речовин у біосфері.

Концентраційна функція

Живі істоти, і особливо мікроорганізми, здатні концентрувати безліч хімічних елементів, що у біосфері. Практично 90% ґрунтового азоту є результатом діяльності синьо-зелених водоростей. Бактерії можуть концентрувати залізо (наприклад, окислюючи гідрокарбонат, розчинний у воді, до гідроксиду, що осідає серед їх проживання), марганець і навіть срібло. Ця дивовижна особливість дозволила вченим вважати, що саме завдяки мікроорганізмам землі стільки родовищ металів.

У деяких країнах такі елементи, як германій та селен добувають із рослин. Водорість фукус може накопичувати в 10 тисяч разів більше титану, ніж міститься в морській воді, що її оточує. Кожна тонна бурих водоростей містить кілька кілограм йоду. Австралійський дуб накопичує алюміній, сосна – берилій, береза – барій та стронцій, модрина – ніобій та марганець, а торій концентрується в осині, черемсі та ялиці. Крім того, деякі рослини навіть "збирають" дорогоцінні метали. Так, в 1 тонні золи полину може бути до 85 г золота!

Деструктивнафункція

Хімічна будова біосфери Землі та її оточення передбачає як творчі, а й руйнівні процеси. Втім, вони також відіграють велику роль у регулюванні речовин на планеті. При активній життєдіяльності живих організмів відбувається мінералізація органічних залишків та вивітрювання гірських порід. Бактерії, гриби, синьо-зелені водорості та лишайники можуть руйнувати тверді породи за рахунок виділення вугільної, азотистої та сірчаної кислот. Роз'їдають сполуки також виділяють коріння дерев. Є такі бактерії, які навіть можуть зруйнувати скло та золото.

Транспортна функція

Розглядаючи будову та функції біосфери, не можна випустити з уваги перенесення мас речовини. Дерево піднімає воду із землі в атмосферу, кріт викидає землю нагору, риба пливе проти течії, зграя сарани мігрує – все це є проявом транспортної функції біосфери.

Жива речовина може робити грандіозну геологічну роботу, формуючи новий вид біосфери та беручи активну участь у всіх її процесах.

Окремо варто відзначити процес формування осадових порід. Першою стадією цього процесу є вивітрювання – руйнування верхніх шарів літосфери під впливом повітря, сонця, води та мікроорганізмів. Впроваджуючись у породу, коріння рослин може руйнувати її. Вода, яка просочується в тріщини, утворені корінням, розчиняє та забирає речовину. Це відбувається завдяки компонентам рослини, що роз'їдають. Особливо рясно органічні кислоти виділяють лишайники. Таким чином, фізичне вивітрювання відбувається разом із хімічним.

Завдяки відмиранню організмів планктону на дні світового океану щорічно відкладається до 100 млн. тонн вапняків. Чимало їх ми мають хімічне походження, перебуваючи, наприклад, у сфері контактукислотних та лужних підземних вод. При відмиранні одноклітинних водоростей і радіолярій формуються кремнієвмісні мули, які покривають сотні тисяч км 2 морського дна.

Грунтоутворювальна функція

Властивості та будова біосфери настільки всеосяжні, що всі її функції тісно пов'язані між собою. Так, ґрунтоутворення є одним із відгалужень обміну мас та середотворення, але розглядається окремо через свою важливість. При руйнуванні та подальшої переробки гірських порід мікроорганізмами утворюється пухка плідна оболонка грунту, звана грунтом. Коріння великих рослин витягують мінеральні елементи з глибоких горизонтів, збагачуючи ними верхні шари ґрунту та підвищуючи їхню плідність. Грунт отримує органічні сполуки з мертвих коренів та стебел рослин, а також екскрементів та трупів тварин. Ці сполуки є їжею для ґрунтових організмів, які мінералізують органіку, продукую вуглекислий газ, органічні кислоти та аміак.

Безхребетні тварини, комахи, і навіть їх личинки, грають найважливішу структурообразующую роль. Вони роблять грунт пухким та придатним для життя рослин. Хребетні тварини (кроти, землерийки та інші) розпушують землю, сприяючи благополучному росту в ній чагарників. Вночі в землю проникає охолоджене стиснене повітря, яке необхідне для дихання коренів та мікроорганізмів.