Биосфера - уникальная оболочка Земли, где зародилась и активно развивается жизнь. Как устроена эта важнейшая система планеты? Давайте разберемся в структуре биосферы, ее основных компонентах и взаимосвязях между ними.
История термина "биосфера"
Впервые термин "биосфера" упомянул в 1802 году французский ученый Жан Батист Ламарк в книге "Гидрогеология". Однако в то время это понятие еще не получило широкого распространения.
Только в 1875 году австрийский геолог Эдуард Зюсс ввел термин "биосфера" в научный оборот в своей работе "Лик Земли". Он понимал под биосферой совокупность всех живых организмов планеты.
Биосфера представляет собой область распространения жизни на космическом теле. При том, что существование жизни на других космических объектах, помимо Земли пока неизвестно, считается, что биосфера может распространяться на них в более скрытых областях, например, в литосферных полостях или в подледных океанах.
Но по-настоящему целостная концепция биосферы была разработана выдающимся русским ученым Владимиром Вернадским в 20-30-х годах XX века. Он расширил это понятие, включив в биосферу не только живые организмы, но и взаимодействующие с ними оболочки Земли.
Определение биосферы по В.И. Вернадскому
Итак, согласно В.И. Вернадскому, биосфера - это оболочка планеты Земля, в формировании которой решающая роль принадлежит живым организмам. Она охватывает нижние слои атмосферы, весь объем гидросферы и верхнюю часть литосферы.
Эти три оболочки Земли тесно взаимосвязаны благодаря сложным круговоротам веществ и потокам энергии, в которых живые существа играют ключевую роль. Таким образом, биосфера представляет собой единую целостную систему планетарного масштаба.
Границы биосферы
Верхние границы биосферы определяются действием жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, губительно влияющего на живые организмы. Поэтому по вертикали биосфера простирается от поверхности Земли до высоты 20-25 км - до озонового экрана, который задерживает ультрафиолет.
В атмосфере обитают различные микроорганизмы, споры грибов и бактерий. Они распространяются восходящими потоками воздуха и иногда достигают озонового слоя. Также там встречаются летучие насекомые и птицы во время миграций.
Нижние границы жизни в литосфере ограничены высокими температурами и давлением, а также недостатком влаги. По разным оценкам, организмы проникают вглубь земной коры на 4-7 км, а в океанические осадки - до 11 км.
Там обитают различные анаэробные бактерии, древние микроорганизмы, а также личинки насекомых и другие существа, приспособленные к экстремальным условиям.
Основные компоненты биосферы
Согласно В.И. Вернадскому, в биосфере можно выделить 4 основные группы веществ:
- Живое вещество - совокупность всех живых организмов биосферы
- Косное вещество - минералы, горные породы и другие компоненты неорганической природы
- Биокосное вещество - продукт взаимодействия живого и косного вещества (почвы, осадочные породы)
- Биогенное вещество - органические остатки, созданные живыми организмами (уголь, нефть, известняки)
Эти 4 формы состояния вещества находятся в постоянном взаимодействии и обмене друг с другом. Живое вещество играет при этом определяющую роль, оказывая мощное влияние на остальные компоненты биосферы.
Важнейшие свойства биосферы
Биосфера обладает рядом фундаментальных свойств, которые определяют ее целостность и устойчивость как единой планетарной системы.
Во-первых, это целостность. Все компоненты биосферы тесно взаимосвязаны и влияют друг на друга. Например, изменение состава атмосферы ведет к изменениям климата, что сказывается на растительности и т.д.
Во-вторых, в биосфере существует динамическое равновесие между процессами создания и разрушения органического вещества. Это обеспечивается круговоротом веществ и потоками энергии.
Еще одно важное свойство - динамичность. Структура биосферы постоянно изменяется во времени и пространстве под влиянием различных факторов - от тектонических процессов до деятельности человека.
Наконец, биосфера обладает ярко выраженной зональностью. Распределение тепла и влаги создает различные климатические пояса со своими биоценозами - от тундры до тропических лесов.
Основные процессы в биосфере
В биосфере постоянно протекают важнейшие процессы, обеспечивающие ее функционирование как единого организма.
Это, во-первых, круговорот веществ и потоки энергии. Особенно важны циклы углерода, азота, фосфора и других биогенных элементов. Они поддерживают непрерывное движение веществ в биосфере.
Также ключевую роль играют процессы фотосинтеза и дыхания, с помощью которых живое вещество аккумулирует солнечную энергию в органических соединениях, а затем высвобождает ее для своих нужд.
Немаловажны процессы разложения органических остатков, осуществляемые почвенными бактериями и грибами. Они замыкают круговорот веществ в биосфере, возвращая вещества в минеральную форму.
Структурные элементы биосферы
Структура биосферы складывается из взаимодействия ее основных оболочек - литосферы, гидросферы и атмосферы, а также отдельных экосистем.
В составе биосферы можно выделить следующие крупные структурные элементы:
- Атмосфера - воздушная оболочка Земли. Ее нижняя часть (тропосфера) населена различными микроорганизмами.
- Гидросфера - водная оболочка планеты. Океаны, моря, реки и другие водоемы являются средой обитания водных организмов.
- Литосфера - твердая оболочка Земли. Ее верхние слои заселены почвенными микробами, корнями растений и другими организмами.
- Педосфера - почвенный слой, образованный под влиянием живых существ. Это обиталище огромного количества бактерий, грибов, червей и других организмов.
Также элементами структуры биосферы служат отдельные экосистемы - биоценозы. Это может быть лес, луг, болото, озеро и любое другое природное сообщество организмов.
Взаимосвязи между компонентами биосферы
Различные части биосферы теснейшим образом связаны друг с другом сложными потоками вещества и энергии.
Во-первых, это газовый обмен между атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Растения поглощают из воздуха CO2 и выделяют кислород, а животные, наоборот, потребляют O2 и производят СО2.
Во-вторых, осуществляется водообмен. Вода циркулирует из океана в атмосферу, выпадает осадками на сушу, просачивается сквозь почву в грунтовые воды и снова возвращается в мировой океан по рекам и ручьям.
Наконец, происходит постоянный обмен химическими элементами между живыми организмами, атмосферой, гидросферой и земной корой. Особенно интенсивно мигрируют биогенные элементы, такие как азот, фосфор, сера, углерод.
Роль живых организмов в формировании биосферы
Живые организмы играют решающую роль в формировании облика биосферы и поддержании ее основных параметров.
В частности, именно жизнедеятельность растений и фотосинтезирующих бактерий привели к появлению в атмосфере значительного количества свободного кислорода, которого практически не было в первичной атмосфере Земли.
Кроме того, выделение озонового экрана на высоте 20-25 км, защищающего поверхность планеты от жесткого ультрафиолета, также является результатом действия фотосинтеза.
Наконец, именно живые организмы ответственны за процесс выветривания горных пород, в результате которого формируется почвенный слой как необходимая среда обитания для большинства видов.
Эволюция биосферы
На протяжении геологической истории Земли биосфера претерпевала значительные изменения под влиянием деятельности живых организмов.
Появление фотосинтеза кардинально изменило состав атмосферы, резко повысив в ней концентрацию кислорода. Позднее, с расцветом наземных растений, этот процесс ускорился.
Также на протяжении эволюции непрерывно повышалось видовое разнообразие живых существ. От первых прокариот и водорослей до млекопитающих и цветковых растений.
Антропогенное воздействие на биосферу
В последние несколько тысяч лет, а особенно в последние столетия, ведущим фактором преобразования биосферы стала деятельность человека.
Деятельность человека приводит к целому ряду негативных изменений биосферы, грозящих нарушить ее равновесие.
Прежде всего, это загрязнение окружающей среды. Промышленные и бытовые отходы, выбросы транспорта серьезно ухудшают качество воды, воздуха, почв.
Сжигание ископаемого топлива приводит к росту парниковых газов в атмосфере и развитию парникового эффекта. Это вызывает изменение климата и погодных условий на Земле.
Утрата мест обитания, изменение естественных ниш, неумеренный промысел животных и вырубка лесов резко сокращает биологическое разнообразие биосферы, ведет к исчезновению целых видов.
Переход к ноосфере
По мнению В.И. Вернадского, с усилением мощи человеческой цивилизации биосфера перерастает в новое состояние - ноосферу. Эта сфера разума будет управляться и регулироваться научной мыслью человека.
Ноосфера подразумевает гармоничное взаимодействие общества и биосферы, бережное отношение цивилизации к окружающей среде. Человек должен правильно понимать законы биосферы и действовать в согласии с ними.
Пути решения экологических проблем
Для предотвращения разрушения биосферы под воздействием человека необходим комплекс экологических мер на глобальном уровне.
Во-первых, следует минимизировать вредные выбросы промышленности путем внедрения наилучших доступных технологий и стимулирования "зеленой" энергетики.
Во-вторых, важно рационально использовать природные ресурсы, в том числе запасы полезных ископаемых, леса, водные объекты, плодородные земли.
В-третьих, необходимо расширять сеть особо охраняемых природных территорий для сохранения биоразнообразия дикой флоры и фауны.
Перспективы развития биосферы
Согласно ряду прогнозов, в обозримой перспективе биосфера Земли может столкнуться с серьезными вызовами под воздействием как естественных, так и антропогенных факторов.
К естественным факторам относятся возможное похолодание из-за ослабления солнечной активности, опустынивание отдельных регионов, извержения супервулканов.
