Поиск

Биосфера Земли и ее особенности
27.10.2015

Поверхность нашей планеты постоянно подвергается воздействию потоков световой энергии, идущей от Солнца. В течение миллиардов лет эта энергия обрушивалась на поверхность Земли, вызывая процессы колоссальной напряженности, приводя к сложнейшим преобразованиям структуры вещества и к его непрерывному развитию. Результатом этого явилось исключительное разнообразие минералов и еще большее разнообразие организмов.
Развитие жизни привело к созданию на Земле новой структурной оболочки, известной под названием «биосфера». Биосфера — это одна из наружных оболочек земного шара, в которой развилась жизнь в форме исключительного разнообразия организмов, населяющих поверхность суши, почву, нижние слои атмосферы, гидросферу. В своей основе биосфера есть продукт взаимодействия живой и неживой материи. Благодаря деятельности растений биосфера является аккумулятором и распределителем энергии, приходящей на Землю.
Живые организмы представляют собой важную биогеохимическую силу, преобразующую земную кору. Миграция и дифференциация химических элементов на поверхности Земли, в почвах, в осадочных породах, в атмосфере и гидросфере происходят при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), а также совершаются в среде, элементы которой подвергаются или подвергались воздействию живого вещества.
За миллиарды лет существования жизни на Земле живое вещество преобразовало огромное количество лучистой энергии, исходящей от Солнца, в эффективную химическую и механическую работу. Атомы почти всех химических элементов проходили через живое вещество бесчисленное количество раз. Облик планеты неузнаваемо изменился. Можно считать, что именно живое вещество определило состав атмосферы, осадочных пород, почв и в значительной степени гидросферы.
Биосфера включает в себя три основных компонента, важнейшим из которых является живое вещество (совокупность организмов, определяемая понятием биомассы). Второй компонент биосферы — биогенное вещество, т. е. органо-минеральные и органические продукты, созданные живым веществом. К ним относятся каменные угли, битум, горючие газы, вероятно, нефть и особенно торф, сапропель, лесная подстилка и почвенный гумус. Третьим компонентом биосферы является биокосное вещество — термин, употребляемый В. И. Вернадским для обозначения минеральных веществ, образующихся в результате взаимоотношения живых организмов с неживой природой.
Солнечная энергия усваивается и фиксируется зелеными растениями в форме органических соединений и затем длительно сохраняется в биогенных и биокосных веществах. Эти вещества в течение геологически длительного времени перемещались вместе с воздушными и водными потоками в депрессии суши и моря, океаны, где создавались толщи осадочных пород, содержащие биокосные и биогенные вещества. Это привело к значительной «биологизации» всей планеты, ее литосферы и гидросферы.
Все это дает основание понимать биосферу Земли как сложную многокомпонентную общепланетарную термодинамически открытую саморегулирующуюся систему живого вещества и неживой материи, аккумулирующую и перераспределяющую огромные ресурсы энергии и определяющую состав и динамику земной коры, атмосферы и гидросферы.
Одной из наиболее общих особенностей биосферы является исключительное разнообразие живых организмов, которое сложилось в течение длительной эволюции и которое привело к ее стабильности и динамичности во времени. В природе живые организмы находятся в постоянном взаимодействии со средой и друг с другом как внутри одного вида, так и внутри биоценозов (сообществ организмов).
Другой особенностью биосферы является неравномерность и мозаичность ее структуры, ее асимметрия. Распределение жизни и живого вещества на суше и в океане неравномерно. Наибольшая концентрация живого вещества характерна для мелководий и поверхностных слоев водных бассейнов. На континентах живое и биогенное вещество в основном сконцентрировано в поймах и дельтах рек, в мелких озерах, во влажных лесах, в прериях и лугах низменностей и равнин. Велика концентрация живого вещества в почвах умеренных, субтропических и тропического поясов суши. Наименьшая концентрация живого вещества типична для холодных полярных и субполярных районов, для засушливых стран и пустынь, для высоких гор и океанических глубин.
Континенты неоднородны по структуре; они делятся на климатические зоны и геохимические фации. На каждом континенте имеются области денудации и геохимического выноса с бедными кислыми корами выветривания и бедными почвами (области элювия), С ними сопряжены области транзита и аккумуляции, расположенные у подножий гор, на равнинах, склонах, на внутриматериковых или приморских низменностях с плодородными богатыми почвами.
В областях транзита и аккумуляции, где влажность достаточно высока, так же как в шельфах, создаются наиболее благоприятные условия для процветания жизни и образования живого вещества, например в луговых степях Русской равнины, в пуштах Венгрии, в прериях Америки и Дальнего Востока, в пампасах Аргентины, в низменности Амазонка и т. д. В геохимическом отношении эти обширные пространства характеризуются определенным постоянством состава мигрирующих и аккумулирующихся соединений, содержание которых может быть ниже или выше биологического оптимума для некоторых организмов, включая человека. Эти районы с необычным уровнем концентрации химических элементов названы Л.П. Виноградовым биогеохимическими провинциями.
В Азии, Европе, Африке, Северной и Южной Америке имеются области повышенных аккумуляций хлоридов и сульфатов, соды, а также области с высокими концентрациями бора. Некоторые же области, например кислых подзолистых почв Евразии, характеризуются недостатком йода, кальция, магния, меди, серы. Избыток токсических соединений или недостаток важных биофильных элементов нередко вызывает специфические болезни у людей, карликовый рост и низкую производительность у животных и растений.
Элементарной первичной структурной единицей биосферы является биогеоценоз, т. е. генетически, географически и трофически сопряженные местные сочетания растительности, животных, почв, рельефа, климата и гидрологии.
Биогеоценозы (экосистемы) являются частями земной или водной поверхности, однородной с точки зрения топографических, микроклиматических, ботанических, зоологических, почвенных, гидрологических и геохимических условий. В этой системе круговорот вещества и поток энергии характеризуются определенной интенсивностью и направленностью. Отправной точкой круговорота веществ является фотосинтез и создание фитобиомассы растениями. Реальные размеры биогеоценозов на планете варьируют весьма широко — от нескольких метров (микровпадины в степях и полупустынях, песчаные дюны и т. д.) до километров (солончак, такыр, однородные участки степей, лесов и т. д.). Вертикальные размеры биогеоценозов также варьируют весьма широко — от нескольких сантиметров на скалах до нескольких десятков метров в тайге или в тропических лесах.
Биогеоценоз относительно устойчив во времени и термодинамически открыт в отношении притока и оттока вещества и энергии. Он имеет вход (солнечная энергия, минеральные элементы горных пород, атмосфера, грунтовая вода) и выход энергии и биогенных веществ в атмосферу (тепло, кислород, углекислый газ и др.), литосферу (гумусовые соединения, минералы, осадочные породы) и гидросферу (растворенные биогенные вещества грунтовых, озерных и других вод).
Саморегулирующийся характер биосферы и биогеоценозов является результатом автокаталитического свойства живого вещества, его способности поглощать и обменивать вещества, расти и размножаться. Поток энергии и вещества в биогеоценозе идет от растений к травоядным животным, от последних к хищникам, затем к низшим организмам и бактериям в почве.
Экосистемы сложились в процессе длительной эволюции и приспособления видов и популяций организмов друг к другу и к окружающей среде. Они являются слаженными устойчивыми механизмами, способными путем саморегулирования противостоять как изменениям в среде, так и резкому изменению в численности организмов.
Ho есть пределы саморегулирования в популяциях, экосистемах и биосфере в целом. Если изменения в среде (почва, грунтовые воды, атмосфера, тектоника, климат) выходят за пределы периодических колебаний, к которым приспособлены организмы, то слаженность работы экостистем необратимо нарушается. Например, глубокие изменения происходят в ландшафтах под влиянием таких явлений, как лесные и степные пожары, сооружение плотин, перемещения устьев рек под влиянием процессов заиления и эрозии почв, неумеренное применение пестицидов и т. д. В этих случаях экосистема переживает катастрофические изменения и коренную перестройку, включая гибель организмов или разрушение почвы.
Почва — важнейший элемент биогеоценозов. Нарушения в почвенном покрове вызывают цепь длительных последствий в биоценозе. Значительные изменения в биоценозе влекут за собой длительные изменения в почвенном покрове (например, рубка леса и заболачивание почв). Культурное поле является искусственно организованным биогеоценозом (агробиоценозом). Продуктивность поля зависит от нашего умения управлять таким биогеоценозом путем правильного воздействия на почвы, растения и другие его компоненты. Ho для этого необходимы глубокие знания природы биогеоценозов и безошибочность действий.