Wszystkie żywe istoty na planecie Ziemia wchodzą w bliski kontakt ze sobą i ze środowiskiem, tworząc w ten sposób ekosystemy. Te społeczności organizmów wchodzących w interakcje nie są od siebie odizolowane. Łączą je różne relacje, przede wszystkim jedzenie. Całość ekosystemów tworzy jeden ekosystem planetarny, zwany biosferą. W tym artykule rozważymy strukturę biosfery, jej skład i główne funkcje.
Nauka
Ta koncepcja została po raz pierwszy wprowadzona do nauki przez J. B. Lamarcka w 1803 roku i oznaczała całość wszystkich żywych organizmów na Ziemi. Pod koniec XIX wieku terminu „biosfera” użył J. Zuse, włączając w strukturę biosfery materię nieożywioną skał osadowych. Doktryna biosfery pojawiła się w 1926 r., Kiedy V. I. Vernadsky podsumował ogromną ilość informacji naukowych w taki czy inny sposóbilustrujący związek między materią ożywioną i nieożywioną. Naukowiec potrafił wykazać, że nasza planeta jest nie tylko zamieszkana przez żywe organizmy, ale także aktywnie przez nie przekształcana. Ponadto, zdaniem Vernadsky'ego, ingerencja człowieka w procesy naturalne jest tak znacząca, że można mówić o noosferze - nowej fazie rozwoju biosfery. Dzisiaj nauka o biosferze łączy dane z różnych dziedzin wiedzy. Wśród nich są biologia, chemia, geologia, klimatologia, oceanologia, gleboznawstwo i inne.
Struktura biosfery jest taka, że żywe organizmy mogą samodzielnie utrzymywać niezbędny skład gleby, atmosfery i hydrosfery. Odgrywają kluczową rolę środowiskową. Na tej podstawie naukowcy wysunęli hipotezę, że gleba i powietrze zostały stworzone przez same żywe organizmy w ciągu setek milionów lat ewolucji. Po zbadaniu podobieństw w budowie skał geologicznych, leżących głębiej niż kambr, ze skałami późniejszymi, Vernadsky zasugerował, że życie na planecie istnieje niemal od początku w formie najprostszych organizmów. Później geolodzy udowodnili błędność tej hipotezy.
Ponieważ słońce jest podstawą energetyczną istnienia wszelkiego życia na Ziemi, biosferę można uznać za powłokę, której struktura i skład powstają w wyniku wspólnego działania organizmów żywych i są określane przez napływ energii słonecznej. Zapoznajmy się teraz ze strukturą biosfery Ziemi.
Żywe i nieożywione
Przede wszystkim biorąc pod uwagę skład i strukturę biosferywarto zauważyć, że składa się z materii żywej i nieożywionej (materii obojętnej). Większość żywych organizmów jest skoncentrowana w trzech skorupach geologicznych Ziemi: atmosferze (warstwa powietrza), hydrosferze (oceany, morza itd.) i litosferze (górna warstwa skał). Jednak muszle te są nierównomiernie rozmieszczone w największym ekosystemie. W ten sposób hydrosfera jest w pełni reprezentowana w strukturze biosfery, podczas gdy litosfera i atmosfera są reprezentowane częściowo (odpowiednio górna i dolna warstwa).
Nieożywiony składnik biosfery składa się z:
- Substancja biogenna, będąca produktem życiowej aktywności organizmów żywych. Obejmuje: węgiel, ropa naftowa, torf, naturalny wapień, gaz itp.
- Substancja bioinertna, będąca wspólnym wynikiem aktywności życiowej organizmów i procesów niebiologicznych. Obejmuje to: glebę, muł, zbiorniki wodne i tak dalej.
- Substancja obojętna, która wchodzi w cykl biologiczny, ale nie jest produktem życiowej aktywności organizmów żywych. Ta grupa obejmuje: wodę, sole metali, azot atmosferyczny itp.
Granice biosfery
Pojęcia takie jak skład, struktura i granice biosfery są ze sobą ściśle powiązane. Pomimo tego, że bakterie i zarodniki znaleziono na wysokościach do 85 kilometrów, uważa się, że górna granica biosfery wynosi 20-25 km. Na dużych wysokościach koncentracja żywej materii jest znikoma ze względu na silny wpływ promieniowania słonecznego.
W hydrosferze życie jest obecne wszędzie. A nawet w Rowie Mariańskim, którego głębokość wynosi 11 km, naukowiecz Francji J. Picard obserwował nie tylko bezkręgowce, ale także ryby. Bakterie, glony, otwornice i skorupiaki żyją pod ponad 400 m lodem Antarktyki. Bakterie znajdują się pod kilometrową warstwą mułu oraz w wodach gruntowych. Niemniej jednak największą koncentrację żywych istot obserwuje się na głębokości do 3 km. W związku z tym granice i struktura biosfery w różnych częściach planety mogą być różne.
Atmosfera, litosfera i hydrosfera
Atmosfera składa się głównie z tlenu i azotu. Zawiera niewielkie ilości argonu, dwutlenku węgla i ozonu. Życie zarówno stworzeń lądowych, jak i wodnych zależy od stanu atmosfery. Tlen jest niezbędny do oddychania organizmów żywych i mineralizacji umierających substancji organicznych. Cóż, dwutlenek węgla jest wykorzystywany przez rośliny do fotosyntezy.
Litosfera ma grubość od 50 do 200 km, jednak główna liczba gatunków żywych organizmów koncentruje się w jej górnej warstwie o grubości kilkudziesięciu centymetrów. Rozprzestrzenianie się życia w głąb litosfery jest ograniczone przez szereg czynników, z których główne to: brak światła, duża gęstość medium i wysoka temperatura. Tak więc dolna granica rozmieszczenia życia w litosferze to głębokość 3 km, na której znaleziono niektóre rodzaje bakterii. Należy uczciwie zauważyć, że nie żyli w ziemi, ale w wodach gruntowych i horyzontach naftowych. Wartość litosfery polega na tym, że daje ona życie roślinom, odżywiając je wszystkimi niezbędnymi substancjami.
Hydrosferajest niezbędnym składnikiem biosfery. Około 90% zasobów wodnych przypada na Ocean Światowy, który zajmuje 70% powierzchni planety. Zawiera 1,3 miliarda km3, a rzeki i jeziora zawierają 0,2 miliona kilometrów3 wody. Najważniejszym czynnikiem w życiowej aktywności organizmu jest zawartość tlenu i dwutlenku węgla w wodzie.
Fascynujące liczby
Skład, struktura i funkcje biosfery zaskakują swoją skalą. Poznamy teraz kilka ciekawostek. Woda zawiera 660 razy więcej dwutlenku węgla niż powietrze. Na lądzie dominuje różnorodność świata roślin, a na morzu świat zwierząt. 92 procent całej biomasy na lądzie to rośliny zielone. W oceanie 94% to mikroorganizmy i zwierzęta.
Średnio raz na osiem lat biomasa Ziemi jest odnawiana. Rośliny lądowe potrzebują na to 14 lat, rośliny oceaniczne - 33 dni. Całość wody na Ziemi przejdzie przez żywe organizmy 3000 lat, tlen – do 5000 lat, a dwutlenek węgla – 6 lat. W przypadku azotu, węgla i fosforu cykle te są jeszcze dłuższe. Cykl biologiczny nie jest zamknięty - około 10% żywej materii przechodzi do osadów osadowych i pochówków.
Biosfera stanowi zaledwie 0,05% masy naszej planety. Zajmuje około 0,4% objętości Ziemi. Masa istot żywych to zaledwie 0,01-0,02% masy materii obojętnej, jednak odgrywają one bardzo istotną rolę w procesach geochemicznych.
200 miliardów ton organicznej suchej masy jest produkowanych rocznie i wFotosynteza pochłania 170 miliardów ton dwutlenku węgla. W procesie życiowej aktywności mikroorganizmów w cyklu biogennym co roku bierze udział 6 miliardów ton azotu i 2 miliardy ton fosforu, a także ogromne ilości żelaza, magnezu, siarki, wapnia i innych pierwiastków. W tym czasie ludzkość produkuje około 100 miliardów ton minerałów.
W trakcie swojego życia organizmy w znacznym stopniu przyczyniają się do obiegu substancji, stabilizując i przekształcając biosferę, której właściwości i struktura skłaniają do myślenia o obecności wyższych mocy.
Funkcja energetyczna
Po zapoznaniu się ze strukturą i składem biosfery przejdźmy do jej funkcji. Zacznijmy od energii. Jak wiadomo, rośliny pochłaniają promieniowanie słoneczne i nasycają biosferę energią życiową. Około 10% przechwyconego światła jest wykorzystywane przez producentów na ich potrzeby (głównie do oddychania komórkowego). Wszystko inne jest rozprowadzane poprzez łańcuchy pokarmowe we wszystkich ekosystemach biosfery. Część energii jest przechowywana w trzewiach ziemi, nasycając je swoją mocą (węgiel, ropa itp.).
Nawet biorąc pokrótce funkcje i strukturę biosfery, zawsze wyróżniają funkcję redoks jako podgatunek energii. Jako producenci, bakterie chemosyntetyczne potrafią pozyskiwać energię z reakcji utleniania i redukcji związków nieorganicznych. W procesie utleniania siarkowodoru bakterie siarkowe żywią się energią, a żelazo (od 2-wartościowego do 3-wartościowego) – bakteriami żelaznymi. Nitryfikując też nie siedź bezsprawy. Utleniają związki amonowe do azotanów i azotynów. Dlatego rolnicy nawożą swoje pola związkami amonu, które same nie są wchłaniane przez rośliny. Przy bezpośrednim nawożeniu gleby azotanami tkanki magazynowe roślin są przesycone wodą, co prowadzi do pogorszenia ich smaku i zwiększenia ryzyka chorób przewodu pokarmowego u osób je spożywających.
Funkcja kształtująca środowisko
Żywe organizmy tworzą glebę, a także regulują skład muszli powietrznych i wodnych ziemi. Gdyby fotosynteza nie istniała na planecie, zapasy tlenu atmosferycznego zużyłyby się za 2000 lat. Ponadto dosłownie za stulecie, na skutek wzrostu stężenia dwutlenku węgla w powietrzu, organizmy zaczęłyby umierać. W ciągu jednego dnia las może wchłonąć do 25% dwutlenku węgla z 50-metrowej warstwy powietrza. Średniej wielkości drzewo może zapewnić tlen czterem osobom. Jeden hektar lasu liściastego, położonego w pobliżu miasta, corocznie zatrzymuje około 100 ton pyłu. Jezioro Bajkał, które słynie z krystalicznej czystości, zawdzięczamy drobnym skorupiakom, które „filtrują” je trzy razy w roku. A to tylko kilka przykładów tego, jak żywe organizmy regulują skład substancji w biosferze.
Funkcja koncentracji
Żywe istoty, a zwłaszcza mikroorganizmy, są w stanie skoncentrować wiele pierwiastków chemicznych znajdujących się w biosferze. Prawie 90% azotu glebowegosą wynikiem działania sinic. Bakterie mogą koncentrować żelazo (na przykład poprzez utlenianie rozpuszczalnego w wodzie wodorowęglanu do wodorotlenku osadzonego w ich środowisku), mangan, a nawet srebro. Ta niesamowita cecha pozwoliła naukowcom uwierzyć, że to dzięki mikroorganizmom na ziemi jest tak wiele złóż metali.
W niektórych krajach pierwiastki takie jak german i selen są pozyskiwane z roślin. Glony morszczynu mogą gromadzić 10 000 razy więcej tytanu niż w otaczającej wodzie morskiej. Każda tona brunatnic zawiera kilka kilogramów jodu. Dąb australijski gromadzi glin, sosna – beryl, brzoza – bar i stront, modrzew – niob i mangan, a tor koncentruje się w osice, czeremchy i jodle. Ponadto niektóre rośliny nawet „zbierają” metale szlachetne. Tak więc w 1 tonie popiołu piołunu może znajdować się do 85 gramów złota!
Funkcja destrukcyjna
Chemiczna struktura biosfery Ziemi i jej środowiska obejmuje nie tylko procesy twórcze, ale także destrukcyjne. Odgrywają jednak również dużą rolę w regulacji substancji na planecie. Wraz z aktywnym życiem organizmów żywych dochodzi do mineralizacji pozostałości organicznych i wietrzenia skał. Bakterie, grzyby, niebiesko-zielone algi i porosty mogą rozkładać twarde skały, uwalniając kwasy węglowe, azotowe i siarkowe. Związki żrące uwalniają również korzenie drzew. Istnieją bakterie, które mogą nawet zniszczyć szkło i złoto.
Funkcja transportowa
Rozważając strukturę ifunkcji biosfery, nie można zapomnieć o przenoszeniu masy materii. Drzewo podnosi wodę z ziemi do atmosfery, kret podrzuca ziemię w górę, ryba płynie pod prąd, rój szarańczy migruje – wszystko to jest przejawem transportowej funkcji biosfery.
Żywa materia może wykonywać ogromną pracę geologiczną, tworząc nowy obraz biosfery i aktywnie uczestnicząc we wszystkich jej procesach.
Oddzielnie warto zwrócić uwagę na proces powstawania skał osadowych. Pierwszym etapem tego procesu jest wietrzenie - niszczenie górnych warstw litosfery pod wpływem powietrza, słońca, wody i mikroorganizmów. Wchodząc w skałę, korzenie roślin mogą ją zniszczyć. Woda, która przesącza się do pęknięć utworzonych przez korzenie, rozpuszcza się i usuwa substancję. Wynika to z powodu korozyjnych składników rośliny. Porosty są szczególnie bogate w kwasy organiczne. Tak więc wietrzenie fizyczne występuje wraz z wietrzeniem chemicznym.
Z powodu śmierci organizmów planktonowych na dnie światowych oceanów osadza się rocznie do 100 milionów ton wapienia. Wiele z nich ma pochodzenie chemiczne, znajdując się np. w obszarze kontaktu kwaśnych i zasadowych wód gruntowych. Wraz ze śmiercią jednokomórkowych alg i radiolarian powstają muły zawierające krzem, które pokrywają setki tysięcy kilometrów2 dna morskiego.
Funkcja glebotwórcza
Właściwości i struktura biosfery są tak wszechstronne, że wszystkie jej funkcje są ze sobą ściśle powiązane. Tak więc tworzenie gleby jest jedną z gałęzi wymiany masyi formacja środowiskowa, ale ze względu na jej znaczenie jest rozpatrywana oddzielnie. Podczas niszczenia i dalszej obróbki skał przez mikroorganizmy tworzy się luźna, owocna skorupa ziemi, zwana glebą. Korzenie dużych roślin wydobywają pierwiastki mineralne z głębokich poziomów, wzbogacając nimi górne warstwy gleby i zwiększając ich płodność. Do gleby trafiają związki organiczne z obumarłych korzeni i łodyg roślin, a także ekskrementy i zwłoki zwierząt. Związki te są pokarmem dla organizmów glebowych, które mineralizują materię organiczną, wytwarzając dwutlenek węgla, kwasy organiczne i amoniak.
Najważniejszą rolę w budowaniu struktur odgrywają bezkręgowce, owady, a także ich larwy. Sprawiają, że gleba jest luźna i nadaje się do życia roślin. Zwierzęta kręgowe (krety, ryjówki i inne) rozluźniają ziemię, przyczyniając się do pomyślnego wzrostu w niej krzewów. W nocy do gruntu wnika schłodzone sprężone powietrze, które jest niezbędne do oddychania korzeni i mikroorganizmów.
Tak niesamowita struktura biosfery.
