Биосфера — определение, состав, свойства, границы

Эволюция первого названия биосферы: от простейших форм до сложных организмов

Со временем, происходило долгое и сложное развитие этих организмов, в результате которого они становились все более сложными и разнообразными. Появились многоклеточные организмы, имеющие различные ткани и органы, такие как грибы, растения и животные.

Одной из ключевых черт эволюции первого названия биосферы было появление способности к репродукции и наследственности. Это позволило организмам передавать свои генетические особенности потомкам, что способствовало адаптации к изменяющимся условиям окружающей среды.

Современная биосфера представляет собой сложную экосистему, в которой существуют миллионы видов организмов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей средой. Она играет важную роль в поддержании жизни на Земле, обеспечивая биологические ресурсы и условия для существования различных организмов.

Характеристики живого вещества

Живое вещество — вся совокупность живых организмов
в биосфере, вне зависимости от их систематической
принадлежности. Термин введён В. И. Вернадским7. Это понятие не следует путать с понятием
«биомасса», которое является частью биогенного вещества.

В состав живого вещества входят как
органические (в химическом смысле), так
и неорганические, или минеральные, вещества.
Вернадский писал:

«Идея о том, что явления жизни можно
объяснить существованием сложных углеродистых
соединений – живых белков, бесповоротно
опровергнута совокупностью эмпирических
фактов геохимии… Живое вещество – это
совокупность всех организмов»8.

Масса живого вещества сравнительно
мала и оценивается величиной 2,4-3,6·1012 т (в сухом весе) и составляет менее 10−6 массы других оболочек Земли. Но это одна
«из самых могущественных геохимических
сил нашей планеты».

Живое вещество развивается там, где
может существовать жизнь, то есть на пересечении атмосферы, литосферы и гидросферы. В условиях, не благоприятных для существования,
живое вещество переходит в состояние анабиоза.

Специфика живого
вещества заключается в следующем:

1. Живое вещество биосферы характеризуется
   огромной свободной энергией. В неорганическом
   мире по количеству свободной энергии
   с живым веществом могут быть сопоставлены
   только недолговечные незастывшие лавовые
   потоки.
2. Резкое отличие между живым и неживым
   веществом биосферы наблюдается в скорости
   протекания химических реакций: в живом
   веществе реакции идут в тысячи и миллионы
   раз быстрее.
3. Отличительной особенностью живого вещества является то, что слагающие его индивидуальные
   химические соединения – белки, ферменты
   и пр. – устойчивы только в живых организмах
   (в значительной степени это характерно
   и для минеральных соединений, входящих
   в состав живого вещества).
4. Произвольное движение живого вещества, в значительной
   степени саморегулируемое. В. И. Вернадский
   выделял две специфические формы движения
   живого вещества: а) пассивную, которая
   создается размножением и присуща как
   животным, так и растительным организмам;
   б) активную, которая осуществляется за счет направленного
   перемещения организмов (она характерна
   для животных и в меньшей степени для растений).
   Живому веществу также присуще стремление
   заполнить собой все возможное пространство.
5. Живое вещество обнаруживает значительно
   большее морфологическое и химическое разнообразие,
   чем неживое. Кроме того, в отличие от неживого
   абиогенного вещества живое вещество
   не бывает представлено исключительно
   жидкой или газовой фазой. Тела организмов
   построены во всех трех фазовых состояниях.
6. Живое вещество представлено в биосфере в
   виде дисперсных тел – индивидуальных
   организмов. Причем, будучи дисперсным,
   живое вещество никогда не находится на
   Земле в морфологически чистой форме –
   в виде популяций организмов одного вида:
   оно всегда представлено биоценозами.
7. Живое вещество существует в форме непрерывного
   чередования поколений, благодаря чему
   современное живое вещество генетически
   связано с живым веществом прошлых эпох.
   При этом характерным для живого вещества
   является наличие эволюционного процесса, т. е. воспроизводство живого вещества происходит не по типу абсолютного копирования предыдущих поколений, а путем морфологических и биохимических изменений.

Что такое биосфера и как она устроена

Биосфера представляет собой сферу жизни, оболочку земли, населенную живыми существами. Впервые подробно описана биосфера академиком В.И. Вернадским.

Область распространения живых организмов предопределяет границы биосферы.

Верхней границей биосферы считается озоновый экран. Расположен он на высоте 21-25 км, здесь же и проходит верхняя граница биосферы. Распространение организмов выше этой границы не происходит, так как очень большая концентрация ультрафиолетовых лучей.

Нижняя граница биосферы проходит в литосфере, причем многие ученые устанавливают разную глубину. Приблизительно нижняя граница биосферы располагается на глубине от многих сот метров до нескольких километров. Самых нижних пределов этой границы в биосфере достигают некоторые виды бактерий. Например, споры бактерий находят в земной коре на глубине свыше 3 км. Даже в месторождениях нефти были найдены эти организмы. Однако существует определенный предел для жизни организмов. Поэтому нижние границы биосферы определяются температурой земных недр. Вы уже знаете, что с глубиной температура будет увеличиваться, в таких условиях организмы существовать не смогут.

Поэтому можно сделать вывод, что верхние и нижние границы биосферы предопределяются наличием условий, необходимых для жизни организмов.

На планете обитает великое множество растений, животных, микроорганизмов, которые составляют живое вещество.

Полагают, что возникновение жизни на Земле случилось более 3 млрд. лет тому назад в мелководных водоемах при теплом и влажном климате. Отсюда произошло распространение в океаны и на сушу. В ходе геологической истории повышалось многообразие организмов, усложнялась их организация и увеличивалась масса живого вещества.

Основным свойством живого вещества является их способность к размножению. Данная особенность позволяет им распространяться очень быстро по всей планете. Например, в некоторые годы можно услышать о нашествии саранчи. Это во многом связано с интенсивностью размножения этих насекомых – большое количество потомства требует значительного количества пищи. Для добычи пищи организмы могут перемещаться на многие километры. Так происходит и с саранчой.

Саранча

В настоящее время по количеству видов в биосфере преобладают животные над растениями, а по массе вещества растения во много раз превышают массу животных. Подавляющая часть живого вещества сосредоточена на суше и превышает массу организмов океана в 1000 раз.

Основной функцией живых организмов является постоянный обмен веществ с окружающей средой. Он осуществляется в форме биологического круговорота.

Сущность биологического круговорота веществ сводится к двум противоположным процессам: созданию органического вещества в процессе фотосинтеза и его преобразованию в простые минеральные элементы с помощью микроорганизмов.

Каждая группа существ биосферы имеет огромное значение в круговороте веществ.

Растительные организмы создают органические вещества, потребляя солнечную энергию, поэтому они считаются производителями. Этим и определяется значение растений в биосфере.

Следующая группа организмов – животные, которые являются потребителями. Они потребляют готовые вещества, питаясь другими живыми организмами. Значение этих существ в биосфере определяется тем, что они перемещают органические вещества по планете.

Микроорганизмы и грибы способствуют разложению веществ и преобразованию их в неорганические. Данная группа считается разрушителями, но, тем не менее, их роль очень высока. Отсутствие этих организмов привело бы к накоплению продуктов распада, которые являются ядовитыми.

Соответственно, значение биологического круговорота заключается в перераспределении веществ и энергии в результате протекания основных процессов жизнедеятельности организмов.

Помимо участия в круговороте веществ, живые существа выполняют и другие функции. Все знают, что растения при фотосинтезе вырабатывают кислород, который необходим для всех организмов, обеспечивают человека продуктами питания. Живые организмы влияют на литосферу, принимая участие в процессах выветривания и создавая новые формы рельефа.

Все организмы взаимодействуют друг с другом, формируя единую оболочку – биосферу. Каково же значение биосферы? Давайте познакомимся на рисунке.

Шаблон:ЯкорьСлои биосферы[3][]

Весь слой воздействия жизни на неживую природу называется мегабиосферой, а вместе с артебиосферой — пространством человекообразной экспансии в околоземном пространстве — панбиосферой.

Аэробиосфера

Субстратом для жизни в атмосфере микроорганизмов (аэробионтов) служат водные капельки — атмосферная влага, источником энергии — солнечная энергия и аэрозоли. Примерно от верхушек деревьев до высоты наиболее частого расположения кучевых облаков простирается тропобиосфера (с тропобионтами; это пространство — более тонкий слой, чем тропосфера). Выше ростирается слой крайне разреженной микробиоты — альтобиосфера (с альтобионтами). Выше простирается пространство, куда организмы проникают случайно и не часто и не размножаются — парабиосфера. Выше расположена апобиосфера.

Геобиосфера

Геобиосферу населяют геобионты, субстратом, а отчасти и средой жизни для которых служит земная твердь. Геобиосфера состоит из области жизни на поверхности суши — террабиосфера (с террабионтами), разделяемую на фитосферу (от поверхности земли до верхушек деревьев) и педосферу (почвы и подпочвы; иногда сюда включают всю кору выветривания) и жизнь в глубинах Земли — литобиосфера (с литобионтами, живущими в порах горных пород, главным образом в подземных водах). На больших высотах в горах, где уже невозможна жизнь высших растений, расположена высотная часть террабиосферы — эоловая зона (с эолобионтами). Литобиосфера распадается на слой, где возможна жизнь аэробов — гипотеррабиосфера и слой, где возможно лишь обитание анаэробов — теллуробиосфера. Жизнь в неактивной форме может проникать глубже — в гипобиосферу. Метабиосфера — все биогенные и биокосные породы. Глубже расположена абиосфера.

В глубинах литосферы есть 2 теоретических уровня распространения жизни — изотерма 100 °C, ниже которой вода при нормальном атмосферном давлении вода кипит, и изотерма 460 °C, где при любом давлении вода превращается в пар, т. е. в жидком состоянии быть не может.

Гидробиосфера

Гидробиосфера — весь глобальный слой воды (без подземных вод), населённый гидробионтами — распадается на слой континентальных вод — аквабиосфера (с аквабионтами) и область морей и океанов — маринобиосфера (с маринобионтами). Выделяют 3 слоя — относительно ярко освещённую фотосферу, всегда очень сумеречную дисфотосферу (до 1 % солнечной инсоляции) и слой абсолютной темноты — афотосфера.

Между верхней границей гипобиосферы и нижней парабиосферы лежит собственно биосфера — эубиосфера.

Слайд 66Единственным значимым источником молекулярного кислорода является биосфера, точнее, фотосинтезирующие организмы.

Фотосинтез, видимо, появился на заре существования биосферы (3,7—3,8 млрд.лет назад),

однако архебактерии и большинство групп бактерий не вырабатывали при фотосинтезе кислород. Кислородный фотосинтез возник у цианобактерий 2,7—2,8 млрд лет назад. Выделяющийся кислород практически сразу расходовался на окисление горных пород, растворённых соединений и газов атмосферы. Высокая концентрация создавалась лишь локально, в пределах бактериальных матов (т. н. «кислородные карманы»). После того, как поверхностные породы и газы атмосферы оказались окисленными, кислород начал накапливаться в атмосфере в свободном виде.Одним из вероятных факторов, повлиявших на смену микробных сообществ, было изменение химического состава океана, вызванное угасанием вулканической активности.Поскольку подавляющая часть организмов того времени была анаэробной, неспособной существовать при значимых концентрациях кислорода, произошла глобальная смена сообществ: анаэробные сообщества сменились аэробными, ограниченными ранее лишь «кислородными карманами»; анаэробные же сообщества, наоборот, оказались оттеснены в «анаэробные карманы» (образно говоря, «биосфера вывернулась наизнанку»). В дальнейшем наличие молекулярного кислорода в атмосфере привело к формированию озонового экрана, существенно расширившего границы биосферы, и привело к распространению более энергетически выгодного (по сравнению с анаэробным) кислородного дыхания.

Из чего состоит биосфера

1. Живые организмы
   или, если грубо по-научному, живое вещество.
2. Биогенное вещество
   (то, что образуют живые организмы, то есть, их продукты жизнедеятельности и то, что синтезируют животные и растения, скажем, глюкоза и т.д.).
3. Косное вещество
   (то, что образовано не живыми организмами, а природой, например, камни)
4. Что-то среднее между косным веществом и биогенным веществом, например сама почва или ил.
5. Вещества внеземного происхождения
   (на землю падает множество метеоритов, некоторые распадаются и порода, из которой они созданы осыпается на Землю).
6. Самая загадочная часть — атомы
   , которые под действием сил и излучений были выбиты из состава какого-либо земного вещества.

Перед полуночью

Давайте отодвинемся назад. Если представить всю историю Земли в виде циферблата, то люди появляются в районе половины пятого, а смерть всех высших организмов наступает, самое позднее, в 5:35, причем люди не смогут жить на разогретой планете уже задолго до этого. Вся история растений и животных — это яркие, но сравнительно недолгие два часа, и мы, Homo sapiens, живем почти в середине этой эпохи, самой интересной в истории Земли.

Как уже упоминалось, Земля — сложная система, и ее трудно смоделировать без упрощений. Конкретные сроки для указанных этапов гибели биосферы в разных работах достаточно сильно варьируются в зависимости от принятых авторами моделей коры, атмосферы, биосферы и цикла углерода в них. Самая интересная возможность, которую допускают используемые учеными модели, заключается в резком замедлении фиксации углерода из атмосферы уже после гибели высших растений, которые играют в этом процессе огромную роль. В условиях продолжающейся дегазации вулканов содержание СО₂ в атмосфере может резко повыситься, и фотосинтез вновь будет возможен. Эволюция опять сможет, пусть на мгновение, породить сложные организмы, на иной основе, со странными адаптациями, вроде органов, защищающих от жесткого излучения, а быть может, и использующих его (представьте себе, например, «черепаху» с металлическим и при этом фотосинтезирующим панцирем!).

Важным моментом также является влияние Луны. Как известно, она медленно удаляется от Земли. Примерно через 1 млрд лет от н. м., когда расстояние между ними превысит 67 земных радиусов, Луна перестанет регулировать угол наклона земной оси. Земля войдет в режим, когда для нее не будут странными колебания в пределах угла наклона от 20 до 60 и даже до 90 градусов. Высшим организмам это не поможет, а, скорее, добьет постоянно меняющимся климатом. Но пещеры в определенных регионах смогут охлаждаться до температур, которые, возможно, продлят в них существование «поверхностных» водоемов (и микробной жизни) до 2,8 млрд лет от н. м. Конечно, это лишь отложит печальный финал, по существу не повлияв на него.

Но, как это ни фантастично звучит, на него можем повлиять мы. Человечество уже занимается геоинженерией, хотя в этом мы пока похожи на ребенка, беззаботно играющего с газовой плитой. В будущем наши технические возможности могут возрасти многократно. Вдруг мы сможем, к примеру, запустить гигантское зеркало в точку Лагранжа между Землей и Солнцем, которое будет отражать лишнюю светимость? А пока это зеркало дает нам отсрочку, переселить земные организмы и нас самих на Марс — а затем и дальше, и еще дальше, позволив нашей биосфере не только избежать «неминуемого» космического конца, но и колонизировать Вселенную. Более высокое предназначение трудно себе вообразить. Давайте постараемся.

Слайд 51Вместе с другими геосферами биосфера образует единую планетарную экологическую систему

высшего порядка, в которой действует единый планетарный механизм. В первой

стадии происходит поглощение растениями солнечной энергии, углекислоты, воды и минеральных веществ.Вторая стадия — многократная трансформация и утилизация органических веществ, образовавшихся в виде биомассы, животными и микробами. Третья стадия — распад органических веществ до исходных минеральных продуктов с помощью микроорганизмов-минерализаторов. Динамическое равновесие всех этих процессов в масштабах планеты определяет существование жизни, направление биохимических процессов в твердых породах, воде и атмосфере планеты.

продуценты

консументы

редуценты

1

2

3

2

Границы

Границы биосферы в км

Чем определяются границы распространения биосферы?

Поскольку Живое — главная составляющая биосферы, ее границы определяются возможностью выживать отдельных индивидуумов в условиях окружающей среды. В верхних слоях ультрафиолетовое излечение не дает развиваться живым организмам – это определяет верхнюю границу биосферы. Высокие температуры в земных глубинах устанавливают нижнюю черту жизни.

Где проходят границы биосферы?

Атмосфера – воздушный слой земного шара, состоит из азота, кислорода, диоксида углерода и др. Она защищает Землю от перегрева, действия космической радиации, ультрафиолета, метеоритов. В составе атмосферы выделяют: тропосферу, стратосферу, ионосферу.

Тропосфера (озоновый слой земли) является верхней границей биосферы, находится на высоте 20 км.

Стратосфера – располагается на высоте 50 км над уровнем моря, воздух разжижается, нагревается, увеличивается концентрация озона, условия становятся непригодными для жизни.

Ионосфера – поверхностный слой атмосферы, поддается воздействию космического излучения, поэтому сильно ионизированный.

Литосфера – земная кора, твердый слой, который уходит на глубину 200км. К биосфере относится верхний шар, населенный живыми организмами. Нижняя граница по литосфере достигает 4км, глубина где были найдены бактерии. Опускаясь ниже, температура возрастает, достигая 100 градусов, что несовместимо с существованием живых организмов, происходит денатурация белка, все живое – гибнет.

Гидросфера – совокупность наземных и подземных вод. Это одна из оболочек нашей планеты, которая окружает материки и острова, составляет 70% поверхности земного шара. Нижняя граница биосферы расположена на глубине около 11 км. (в области Тихого океана).

Схема границ биосферы

Слои биосферы

Эубиосфера – основная прослойка биосфера. 99,9% живых существ постоянно населяют данный слой. Ширина эубиосферы 12-17км.

Парабиосфера, метабиосфера – соответственно верхний и нижний слои бисоферы, куда жизнь попадет случайно, заносится из эубиосферы.

Апобиосфера и абиосфера — самый верхний и самый нижний слои, куда жизнь не может попасть даже случайно.

В зависимости от среды обитания живых организмов выделяют:

• Аэробиосферу (жизнь осуществляется за счет атмосферной влаги и солнечной энергии, от верхушек деревьев до стратосферы);
• геобиосферу (организмы населяют почву, поверхность суши, деревья);
• гидробиосферу (все водные структуры заселенные гидробионтами, исключая подземные воды).

Слайд 20 Охрана окружающей среды Охрана окружающей среды — комплекс

природу.В наши дни вопросами охраны окружающей среды занимаются такие международные

организации, как Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ), Всемирная метеорологическая организация (ВМО), Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ), Международный союз по охране природы и природных ресурсов (МСОП), известный своими Красными книгами, в которых перечисляются виды растений и животных, находящиеся под угрозой исчезновения. Кроме того, существует программа ООН по охране окружающей среды — ЮНЕП, в рамках которой проводятся многолетние целевые международные подпрограммы.Осмыслению нарастающей угрозы во многом способствовала деятельность Римского клуба — неправительственной международной организации, объединившей около ста ученых, представителей политических и деловых кругов из разных стран (основана в 1968 г. итальянским общественным деятелем Аурелио Печчеи).

Состав и структурное строение биосферы

Биосферу представляют многокомпонентной сложной системой. Она включает несколько отдельных элементов.

Биосфера состоит из:

1. Живого вещества.

Живое вещество определяют совокупностью живых организмов, которые населяют планету. Масса вещества составляет тонн сухого веса. Эта часть занимает менее одной миллионной части всей биосферы. При этом активно участвует в биогеохимических циклах, а также преобразует неживое вещество планеты.

В. И. Вернадский показал, что деятельность живых организмов является важным фактором геологических изменений на планете.

Функции живого вещества:

• энергетическая — организмы получают и преобразуют энергию;
• газовая — деятельность организмов обеспечивает постоянный газовый состав атмосферы:
• растения в процессе фотосинтеза поглощают углекислый газ, а выделяют кислород;
• животные поглощают кислород, а выделяют углекислый газ;
• бактерии выделяют газы, которые получают окислением сероводорода и азота;
• концентрационная — способность организмов разных животных накапливать в своих телах определенные химические элементы (например, кальций и углерод);
• окислительно-восстановительная — на превращении вещества и энергии в процессе жизнедеятельности. Так получаются соли, разнообразные органические и неорганические соединения. На них основан метаболизм живого существа;

• образования среды — происходит трансформация химических и физических характеристик среды обитания организмов;
• деструктивная — разрушение останков и высвобождение энергии, накопленной в связях химических соединений.

1. Биогенного вещества.

Биогенные вещества представляют собой осадочные породы, состоящие из продуктов жизнедеятельности живых организмов или представляют собой их остатки.

Остатками выступают известняки, ракушечные породы, сланцы, ископаемые угли, природный газ, торф и так далее.

1. Косного вещества.

Косное вещество образуется без участия живых организмов: базальт, песок, гранит. Часто относят к косному веществу горные породы магматического происхождения, образовавшиеся в результате извержения вулканов.

1. Биокосного вещества.

Биокосное вещество образуют живые организмы и косные процессы.

Три группы организмов, которые обеспечивают биотический круговорот:

1. Продуценты.

К продуцентам относят такие организмы, которые создают первичное органическое вещество.

Хемосинтезом называют способ автотрофного питания. Источник энергии для синтеза органических веществ — окисление неорганических соединений.

1. Консументы.

Консументами называют организмы, которые потребляют органическое вещество.

1. Редуценты.

К редуцентам относят организмы, которые разлагают мертвое органическое вещество до минерального.

Как биосфера связана с другими оболочками планеты

Биосфера включает в себя части:

• атмосферы;
• гидросферы;
• литосферы.

Часть биосферы между верхней границей гипобиосферы и нижней парабиосферы, где в настоящее время встречают живые организмы, называют эубиосферой.

Гипобиосфера — неблагоприятный слой для жизни в литосфере. Туда живые организмы попадают случайно, временно существуют и не могут размножаться.

Парабиосфера — верхний аналог гипобиосферы между 6-7 и 60-80 км над поверхностью Земли. Организмы не в состоянии нормально жить и размножаться.

Верхняя граница биосферы находится в атмосфере. Ее протяженность составляет от 15 до 20 км. Эту часть определяют озоновым слоем, где задерживаются коротковолновое ультрафиолетовое излучение.

«Середина» биосферы — граница между атмосферой и литосферой — находится в гидросфере и составляет 10-11 километров — Марианская впадина. Границу определяют дном Мирового океана с донными отложениями.

Нижняя граница биосферы находится в литосфере, и ее протяженность составляет от 3,5 до 7,5 км. Показатель — температура перехода воды в пар и температура денатурации белков.

Но живые организмы распространены вглубь только на несколько метров в почве и несколько сотен метров в подземных пещерах.