Структура биосферы

Тема 2. Учение о биосфере.

Термин “биосфера” введен австрийским геологом Э. Зюссом (1875 г.). Заслуга в разработке стройного, целостного учения и биосфере, как “области жизни”, принадлежит академику В.И. Вернадскому (1863-1945). Под биосферой он понимал область существования живого вещества.

Живым организмам В.И. Вернадский отводил роль главнейшей преобразующей силы. Им показано важнейшее значение живых организмов при разрушении горных пород, осуществлении круговорота веществ, изменении водной и атмосферной оболочек Земли.

Структура биосферы.

В.И. Вернадский считал, что вещество биосферы состоит из разнородных частей, главные из которых следующие.

Живое вещество. Под ним понимается совокупность всех живых организмов, которые выполняют в биосфере важные функции и играют значительную роль.

Биогенное вещество (уголь, нефть, известняки, сланцы и др.) - органические и органоминеральные вещества, созданные живыми организмами на протяжении геологической истории Земли и являющиеся источником мощной энергии.

Косное вещество представляет субстрат или среду обитания живых организмов. Образовано процессами, в которых живое вещество не принимало участия.

Биокосное вещество образовано в результате синтеза живого и неживого (косного) вещества (почвы, природные воды, илы и др.). Соотношение живого и косного вещества в биокосном варьирует. Например, почва в среднем состоит из 93% косных и 7% органических веществ.

Функции живого вещества:

1. Энергетическая. Связана с запасанием энергии в процессе фотосинтеза, передачей ее по цепям питания, рассеиванием. Эта функция - одна из важнейших. В ее основе лежит процесс фотосинтеза, в результате которого происходит аккумуляция солнечной энергии и ее последующее перераспределение между компонентами биосферы.

2. Газовая - способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. Преобладающая масса газов на планете имеет биогенное происхождение. Так, кислород атмосферы накоплен за счет фотосинтеза.

С газовой функцией в настоящее время связывают два переломных периода (точки) в развитии биосферы. Первая из них относится ко времени, когда содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 1% от современного уровня (первая точка Пастера). Это
обусловило появление первых аэробных организмов (способных жить только в среде, содержащей кислород). С этого времени восстановительные процессы в биосфере стали дополняться окислительными. Это произошло примерно 1,2 млрд. лет назад. Второй переломный период в содержании кислорода связывают со временем, когда концентрация его достигла примерно 10% от современной (вторая точка Пастера). Это создало условия для синтеза озона и образования озонового экрана в верхних слоях атмосферы, что обусловило возможность освоения организмами суши (до этого функцию защиты организмов от губительных ультрафиолетовых лучей выполняла вода, под слоем которой возможна была жизнь).

3. Окислительно-восстановительная. Связана с интенсификацией под влиянием живого вещества процессов как окисления благодаря обогащению среды кислородом, так и восстановления прежде всего в тех случаях, когда идет разложение органических веществ при дефиците кислорода. Восстановительные процесса обычно сопровождаются образованием и накоплением сероводорода, а также метана. Это, в частности, делает практически безжизненными глубинные слои болот, а также значительные придонные толщи воды (например, в Черном море). Данный процесс связи с деятельностью человека прогрессирует.

4. Концентрационная - способность организмов концентрировать в своем теле рассеянные химические элементы, повышая их содержание по сравнению с окружающей организмы средой на несколько порядков (по марганцу, например, в теле отдельных организмов - в миллионы раз). Результат концентрационной деятельности - залежи горючих ископаемых, известняки, рудные месторождения и т. п. Эту функцию живого вещества всесторонне изучает наука биоминералогия. Организмы-концентраторы используются для решения конкретных прикладных вопросов, например для обогащения руд интересующими человека химическими элементами или соединениями.

5. Деструктивная - разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности как самих остатков органического вещества так и косных веществ. Основной механизм этой функции связан с круговоротом веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют низшие формы жизни - грибы, бактерии (деструкторы, редуценты).

6. Транспортная - перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. Часто такой перенос осуществляется на колоссальные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных. С транспортной функцией в значительной мере связана концентрационная роль сообществ организмов, например, в местах их скопления (птичьи базары и другие колониальные поселения).

7. Средообразующая. Эта функция является в значительной мере интегративной (результат совместного действия других функций). С ней в конечном счете связано преобразование физико-химических параметров среды. Эту функцию можно рассматривать в широком и более узком планах.

В широком понимании результатом данной функции является вся
природная среда. Она создана живыми организмами, они же и поддерживают в относительно стабильном состоянии ее параметры практически во всех геосферах.

В более узком плане средообразующая функция живого вещества проявляется, например, в образовании почв. В. И. Вернадский, как отмечалось выше, почву называл биокосным телом, подчеркивая тем самым большую роль живых организмов в ее создании и существовании. Роль живых организмов в образовании почв убедительно показал Ч. Дарвин в работе «Образование растительного слоя земли деятельностью дождевых червей». Известный ученый В. В. Докучаев назвал почву «зеркалом ландшафта», подчеркивая тем самым, что она продукт основного ландшафтообразующего элемента - биоценозов и, прежде всего, растительного покрова.

Локальная средообразующая деятельность живых организмов и
особенно их сообществ проявляется также в трансформации ими метеорологических параметров среды. Это, прежде всего, относится к сообществам с большой массой органического вещества (биомассой). Например, в лесных сообществах микроклимат существенно отличается от открытых (полевых) пространств. Здесь меньше суточные и годовые колебания температур, выше влажность воздуха, ниже содержание углекислоты в атмосфере на уровне полога, насыщенного листьями (результат фотосинтеза), и повышенное ее количество в припочвенном слое (следствие интенсивно идущих процессов разложения органического вещества на почве и в верхних горизонтах почвы).

Основные свойства биосферы:

1. Биосфера – централизованная система. Центральным звеном ее выступают живые организмы (живое вещество).

2. Биосфера – открытая система, существование которой невозможно без постоянного притока энергии. Первостепенную роль здесь играет солнечная активность.

3. Биосфера – саморегулирующаяся система, имеющая определенную организованность (гомеостаз) и существующая по принципу: действие на систему сил, выводящих ее из состояния устойчивого равновесия, вызывает смещение этого равновесия в направлении ослабления эффекта испытываемого воздействия. Современная экологическая ситуация характеризуется нарушением названного выше принципа и многих механизмов гомеостаза, что уже привело к региональным кризисам, а впоследствии грозит человечеству и глобальным кризисом биосферы.

4. Биосфера – система, характеризующаяся большим разнообразием, что является важнейшим условием устойчивости любой экосистемы и биосферы в целом. В настоящее время описано примерно 1,5 млн. видов животных и 0,5 млн. видов растений. Однако ученые считают, что число видов на Земле в 2-3 раза больше, чем их описано (учтены не все микроорганизмы, насекомые, обитатели глубинных частей океанов и других малоосвоенных местообитаний).

5. Биосфера – система, обеспечивающая круговорот веществ. Только благодаря круговоротам и наличию неисчерпаемого источника солнечной энергии обеспечивается непрерывность процессов в биосфере и ее потенциальное бессмертие. Живое вещество планеты содержит все известные сегодня химические элементы. Если некоторые из них (водород, кислород, углерод, азот, фосфор и другие) являются основой жизни, то другие (рубидий, платина, уран) имеются в организмах в очень малых количествах. Организмы участвуют в миграции химических элементов как прямо (выделение кислорода в атмосферу, окисление и восстановление различных веществ в почвах и гидросфере), так и косвенно (восстановление сульфатов, окисление соединений железа, марганца и других элементов). Биогенная миграция атомов вызвана тремя основными процессами: обменом веществ, ростом и размножением организмов. Огромную роль в биогеохимической активности играет человек, извлекая ежедневно в ходе добычи полезных ископаемых миллиарды тонн горной породы. Влияние человека на глобальные геохимические процессы с каждым годом только растёт.

Границы биосферы.

Верхняя граница биосферы в атмосфере определяется высотой 20-25 км - слоем озона; озоновый экран защищает все живое на Земле от ультрафиолетового излучения Солнца. Отмечены случаи нахождения спор некоторых бактерий и плесневых грибов на значительно большей высоте.

В гидросфере границы доходят до максимальных глубин, жизнь встречается на дне океанических впадин до 10-11 км от поверхности.

В литосфере жизнь ограничивается прежде всего, температурой горных пород, постоянно возрастающих с глубиной. В породах земной коры бактерии были обнаружены на глубине 4 км.

Биосфера является глобальной системой, в состав которой входят природные системы меньших масштабов.

Природные зоны.

Экологические сообщества живых существ на Земле характеризуются ярко выраженной зональной структурой, связанной с изменением тепловых условий (прежде всего, потока солнечной энергии) на различных широтах. Природные зоны вытянуты в широтном направлении и сменяют друг друга при движении по меридиану. Собственная, высотная, зональность формируется в горных системах, а в мировом океане хорошо просматривается смена экологических сообществ при увеличении глубины. Природные зоны тесно связаны с понятием ареала – области распространения данного вида организмов.

Земная суша разделена на 13 основных широтных поясов: арктический и антарктический, субарктический и субантарктический, северный и южный умеренные, северный и южный субтропические, северный и южный тропические, северный и южный субэкваториальные, экваториальный.

Основные биогеографические зоны суши.

Территорию вокруг полюсов охватывают холодные арктические (в Южном полушарии – антарктические) пустыни. Они отличаются крайне суровым климатом, обширными ледниковыми покровами и каменистыми пустынями, неразвитыми почвами, скудостью и однообразием живых организмов. Животные арктических пустынь связаны, в основном, с морем – это белый медведь, ластоногие, в Антарктиде – пингвины.

Южнее арктических пустынь расположена тундра (фин. tunturi «безлесная возвышенность»); в Южном полушарии тундра представлена лишь на некоторых субантарктических островах. Холодный климат и почвы, подстилаемые вечной мерзлотой, определяют здесь преобладание мхов, лишайников, травянистых растений и кустарничков. Южнее появляются небольшие деревца (например, карликовая берёза), и тундра сменяется лесотундрой. Фауна тундры достаточно однородна и скудна: северные олени, песцы, лемминги и полёвки, а также обширные птичьи базары. Из насекомых обильны комары. Большинство позвоночных с наступлением зимы покидают тундру (откочёвывают или улетают в более тёплые края). Вблизи морей и океанов тундра и лесотундра сменяются зоной океанических лугов.

Южнее лесотундры начинаются леса умеренной зоны; сначала хвойные (тайга), затем – смешанные, и наконец, широколиственные (Южный умеренный пояс практически полностью покрывает мировой океан). Умеренные леса занимают громадные территории в Евразии и Северной Америке. Климат здесь уже значительно теплее, и видовое разнообразие больше в несколько раз, чем в тундре. На подзолистых почвах доминируют крупные деревья – сосна, ель, кедр, лиственница, южнее – дуб, бук, берёза. Среди животных распространены хищные (волк, лиса, медведь, рысь), копытные (олени, кабаны), певчие птицы, отдельные группы насекомых.

Зону умеренных лесов сменяют лесостепь и затем степь. Климат становится теплее и засушливее, среди почв наибольшее распространение получают чернозёмы и каштановые почвы. Преобладают злаки, среди животных – грызуны, хищные (волк, лисица, ласка), хищные птицы (орёл, ястреб), пресмыкающиеся (гадюки, полозы), жуки. Большой процент степей занят сельскохозяйственными угодьями. Степи распространены на Среднем западе США, на Украине, в Поволжье и Казахстане.

Следующей за степью зоной является зона умеренных полупустынь и пустынь (Средняя и Центральная Азия, западная часть Северной Америки, Аргентина). Пустынный климат характеризуется малым количеством осадков, большими суточными колебаниями температуры. Водоёмы в пустынях, как правило, отсутствуют; лишь изредка пустыни пересекают крупные реки (Хуанхэ, Сырдарья, Амударья). Фауна отличается достаточным разнообразием, большинство видов приспособлены к обитанию в засушливых условиях.

При приближении к экватору умеренный пояс сменяют субтропики. В прибрежной полосе (северное побережье Средиземного моря, южный берег Крыма, Ближний Восток, юго-восток США, крайний юг ЮАР, южное и западное побережья Австралии, Северный остров Новой Зеландии) распространены вечнозелёные субтропические леса; вдали от моря находится лесостепь (в Северной Америке – прерии), степь и пустыни (последние – в Южной Австралии, на южном побережье Средиземного моря, в Иране и Тибете, Северной Мексике и западной части ЮАР). Животный мир субтропиков характеризуется смешением умеренных и тропических видов.

Тропические влажные леса (Южная Флорида, Вест-Индия, Центральная Америка, Мадагаскар, Восточная Австралия) в значительной степени распаханы и используются под плантации. Крупные животные практически истреблены. Западный Индостан, Восточная Австралия, бассейн Параны в Южной Америке и Южная Африка – зоны распространения более засушливых тропических саванн и редколесий. Самая же обширная зона тропического пояса – пустыни (Сахара, Аравийская пустыня, Пакистан, Центральная Австралия, Западная Калифорния, Калахари, Намиб, Атакама). Огромные пространства галечных, песчаных, каменистых и солончаковых поверхностей здесь лишены растительности. Животный мир малочисленен.

Субэкваториальные влажные леса сосредоточены в долине Ганга, южной части Центральной Африки, на северном побережье Гвинейского залива, северной части Южной Америки, в Северной Австралии и на островах Океании. В более засушливых районах их сменяют саванны (Юго-Восточная Бразилия, Центральная и Восточная Африка, центральные районы Северной Австралии, Индостана и Индокитая). Характерные представители животного мира субэкваториального пояса – жвачные парнокопытные, хищники, грызуны, термиты.

Ближе всего к экватору расположен экваториальный пояс (бассейн Амазонки, Центральная Африка, Индонезия). Обилие осадков и высокая температура обусловили здесь наличие вечнозелёных влажных лесов (в Южной Америке такой лес называется гилеей). Экваториальный пояс – рекордсмен по разнообразию видов животных и растений.

Похожие закономерности наблюдаются и в смене биогеографических зон в горах – высотной поясности. Она обусловлена изменением температуры, давления и влажности воздуха с увеличением высоты местности. Полного тождества между высотными, с одной стороны, и широтными, с другой стороны, поясами, однако, нет. Так, присущей типичной тундре смены полярных дня и ночи лишены её высокогорные аналоги в более низких широтах, а также альпийские луга.

Наиболее сложные спектры высотных поясов свойственны высокогориям, находящимся близ экватора. К полюсам уровни высотных поясов снижаются, а их разнообразие уменьшается. Изменяется спектр высотных поясов и при удалении от берега моря.

Одни и те же природные зоны встречаются на разных материках, однако леса и горы, степи и пустыни имеют свои особенности на различных континентах. Различаются и растения и животные, приспособившиеся к существованию в этих природных зонах. В биогеографии выделяют шесть биогеографических областей:

§ Палеарктическая область (Евразия без Индии и Индокитая, Северная Африка);

§ Неоарктическая область (Северная Америка и Гренландия);

§ Восточная область (Индостан и Индокитай, Малайский архипелаг);

§ Неотропическая область (Центральная и Южная Америка);

§ Эфиопская область (практически вся Африка);

§ Австралийская область (Австралия и Океания).

Поиск по сайту: