Планетата Земя съчетава уникални компоненти, които позволиха на живота да се зароди и да стане широко разпространен и разнообразен оттогава. В нашата Слънчева система никоя друга планета досега не е открила съществуването на такова количество биомаса във всичките й сложни и многостранни проявления. Това още веднъж потвърждава колко необичайна, красива и уникална е нашата Земя. С такива качества е надарен от своята обвивка – биосферата. Ще го разгледаме по-подробно в тази статия.

Концепцията за биосферата

В общо разбиране този термин обикновено се използва за обозначаване на цялото разнообразие от живи същества на нашата планета и продуктите, които произвеждат. Въпреки това структурата на биосферата е строго разграничена, тя има свои компоненти, граници и изпълнява определени функции.

Терминът може да се преведе буквално като „сфера на живота“. Това разбира точно същината. Като цяло биосферата, нейната структура и функции са обект на изследване на повече от едно поколение учени. Но само В. И. Вернадски успя да създаде холистична теория и доктрина, която определи тази концепция като съвкупността от всички съществуващи екосистеми и продуктите от тяхната обработка.

История на термина

Първият учен, който изрази идеята, че живите същества взаимодействат помежду си, произвеждат продукти и по този начин влияят върху околната среда и планетата като цяло, беше Жан Батист Ламарк. Още през 18 век той посочи, че биомасата участва активно в образуването на земната кора.

След него много учени и естественици изследваха този въпрос и потвърдиха това твърдение. Например концепцията за биосферата и нейната структура са описани от Едуард Зюс през 19 век. Той обаче не е взел предвид много факти, така че не е получил пълна картина.

Но нашият руски учен V.I. Vernadsky и французинът Teilhard de Chardin успяха да създадат истинска всеобхватна доктрина, която даде пълно описание на тази концепция, обяснявайки какво е биосферата, нейната структура и граници. Вернадски все още играе фундаментална роля.

Структура на биосферата

Основните елементи, които съставляват същността на земната обвивка, включват различни видове вещества, намиращи се в нея. Вернадски разграничава хоризонталната и вертикалната структура на биосферата. Първият включва покриването от живи същества на всички възможни черупки на Земята. Можем да разгледаме структурата на хоризонталната биосфера, както следва:

• Горната граница е долният слой на атмосферата (озон). На около 10 километра от повърхността на Земята. По-горе нито един организъм не е жизнеспособен, тъй като има строги ограничения за концентрацията на кислород и ултравиолетова радиация. На такава височина само спори на гъбички и бактерии, които попадат там от литосферата, хидросферата и т.н., са способни на развитие и живот.
• Долната граница е различна за литосферата и хидросферата. Почвата (литосферата) може да бъде обитавана от представители на дивата природа до дълбочина до 7,5 км. Тук се срещат организми като бактерии, гъбични спори и протозои. Ограничаващите фактори са налягането, липсата на кислород и светлина и ограниченото водно съдържание.
• Съставът и структурата на биосферата включва и хидросферата до дълбочина 11 km. Всички слоеве са важни, тъй като са гъсто населени с живи същества.

Видове обитатели на водната черупка

Хидросферата е структурата на биосферата, която включва абсолютно всички водни източници: океани, морета, реки, езера, блата и т.н. Организмите според мястото на разпространение във водната среда се разделят на:

• планктонни - обитават повърхностни води, движението се извършва без консумация на енергия от воден поток;
• нектон - средната част на резервоари;
• бентосна част - тя се състои от онези същества, които живеят на дъното и се ровят в тинята.

Структурата на биосферата, според Вернадски, в долната част на земната кора е ограничена до следи от така наречените бивши биосфери. Това са фосилни останки, натрупани в маса и образуващи скали и седиментни скали.

Жива материя

Владимир Иванович Вернадски идентифицира няколко вида материя, които съставляват общата маса на биосферата като цяло. На първо място, това е живо вещество. Състои се от цялата биомаса. Тоест тази група може да включва представител на абсолютно всяко царство на живата природа, включително вируси.

Елементарната структура на биосферата е биоценозата, която също е включена в състава на живата материя. Човекът и всичките му дейности, които са насочени към взаимодействие с животни, растения, микроорганизми, също са част от живата материя.

Еволюцията и структурата на биосферата са такива, че разпределението на биомасата на планетата е неравномерно. По-голямата част от живите същества се намират в най-горния слой на почвата, земната среда на живот и близкия до повърхността океански слой. Дълбочините на хидро- и литосферата остават слабо населени райони.

Живата материя, чието количество отразява структурата на биосферата, може накратко да се разпредели по маса, както следва:

1. По-голямата част са безгръбначни животни, протозои и микроорганизми.
2. Вторият най-често срещан вид е зает от растенията.
3. Висшите гръбначни са най-малката група.
4. Човекът и всичките му дейности заемат специално място в състава на живата материя на биосферата.

При това разпределение производството на биомаса все пак се произвежда в неравни количества от различни групи. По този начин по-голямата част от необходимите вещества се осигуряват от растенията (около 92%). Безгръбначните носят най-малко полезни продукти, въпреки че са на първо място по численост.

Вернадски отбеляза, че биоценозите са важна структурна част от биосферата и всички процеси, протичащи в тях, са определящи за живата природа и еволюцията. Разглеждайки количественото разпределение на биомасата, става очевидно, че преобладават несъвършените видове, тези, които са на по-нисък етап на еволюция, по-просто организирани и най-добре адаптирани.

Като цяло живата материя на биосферата играе определена роля, която може да се изрази в няколко точки.

Функции на живата материя

Постоянната циркулация на атоми, молекули, съединения между елементите на живата и неживата природа е една от основните характеристики на биосферата като цяло. Преобразуване на енергия, запазване на постоянството на състава, геоложки иновации и трансформации - всичко това се извършва от биомасата и в крайна сметка е необходимо условие за съществуването и формирането на биосферата. Биомасата изпълнява и редица други важни функции.

1. Газообменна функция. Структурата на биосферата засяга доста значителна част от атмосферата. А той от своя страна се образува под въздействието на количеството въглероден диоксид и кислород. Известно е, че газът, който поддържа живота, се произвежда за всички живи същества, включително и за самите тях, от зелените приятели на нашата планета – растенията. Останалите живи организми са само консуматори и производители на въглероден диоксид. Въпреки това, заедно биомасата оказва значително влияние върху промените в компонентния състав на атмосферния въздух, тоест изпълнява газова функция.
2. Концентрационна роля на биомасата. Състои се в натрупването на определени съединения, атоми и молекули и пренасянето им под формата на отпадъчни продукти или след смъртта им в неживата среда.
3. Биохимична функция. Съвременната наука отделя важно място на ролята на ноосферата в структурата на биосферата. И тя е тясно свързана с биохимичните трансформации, протичащи в живите организми. Самият Вернадски го определя като сфера на разума и човешките възможности при въздействие върху живата природа, нейния състав и функциониране. Фактът, че човек има способността да се намесва в почти всички биохимични трансформации в живите системи, може да ги контролира, да ги приспособява към себе си и да се възползва от това, е най-високото постижение на човешкия ум. Това включва ноосферата, както и всички механични, технически, генетични и мутагенетични ефекти, които хората могат да имат върху живия свят. Ученият обърна специално внимание на способността на хората да защитават и съхраняват живите същества, да намират изходи от трудни ситуации на изчезване и замърсяване на околната среда.

Енергийна или редокс функция

Основните производители на енергия са растенията. В края на краищата именно те в процеса на фотосинтеза са способни да абсорбират слънчевата енергия и да я преобразуват в друга форма, усвоима за други живи организми - химични връзки в съединенията на резервното хранително вещество.

След това животните се свързват, за да трансформират енергията, екологичните хранителни вериги и пирамидите започват да работят. Резултатът е натрупване в геоложките скали на минерали, богати на енергия химични съединения като нефт, газ, въглища, торф и др. Също така част от енергията се разсейва в околната среда, създавайки определен атмосферен фон. Дефиницията и структурата на биосферата се свеждат до факта, че тази функция е най-важната и важна.

Инертно вещество

Друг елемент, който характеризира биосферата, нейната структура и функции, е инертната материя. Това включва всички съединения, предмети, материали и др., в чието създаване не са участвали живи организми. Типичен пример би бил:

• вулканични изригвания (магма и нейните продукти);
• движения на подземни плочи и произтичащите от тях вещества;
• метеорити и други космически находки на повърхността на Земята.

Заедно с живите същества инертното влияе върху формирането на структурата на биосферата.

Биоинертно вещество

Такъв продукт трябва да включва съвместния хармоничен резултат от производството на жива и инертна материя. Например почвата, горният плодороден слой на земята и по-дълбоките подпочвени слоеве. Почвата е жизнена среда за огромен брой живи същества, но в същото време в нейното образуване участват скали, тектонични движения на плочи, останки от метеорити, химични съединения и други компоненти.

Такива вещества включват също вода, атмосфера и изветрителна кора. Терминът „биоинертно вещество“ е въведен от самия Вернадски през 1926 г. Днес са създадени много модели, които отразяват структурата на биосферата. Снимките по тази тема са широко разпространени.

Неживо хранително вещество

От името става ясно, че в образуването на този материал са участвали живи организми, но по-късно той става нежив. Тези хранителни вещества включват:

• масло;
• въглища;
• торф;
• сапропел;
• различни руди;
• креда и варовик и др.

По този начин функционалната структура на биосферата е представена не само от черупките на планетата, но и от основните видове вещества в рамките на Земята.

Еволюция на биосферата според Вернадски

Разбира се, прегледахме накратко структурата на биосферата. Например, Вернадски отне повече от една година, за да опише основните ключови моменти. Затова разгледахме само общи характеристики.

Заслужава да се отбележи също, че Вернадски описва еволюционното развитие и формирането на биосферата като процес, който продължава от самото възникване на живота на Земята. Следователно възрастта му е същата като геоложката възраст на нашата планета.

Настъпват промени в топографията на земята. Топлите течения затоплят атмосферата в местата, където протичат; студените, напротив, готини. Водата постоянно присъства в атмосферата под формата на пара и облаци. Скоростта и посоката на речния поток зависи от терена. По време на изригването в атмосферата се отделят различни газове и вулканична пепел. Посоката на морските течения зависи от вятъра. Това също засяга терена, особено пясъчните пустини. Количеството на валежите влияе на пълноводието на реките. Така че има постоянна връзка между черупките на Земята. Те се обединяват в стройна система и създават условия, подходящи за.

Живите организми от своя страна също влияят върху черупките на Земята.

Първите живи същества са възникнали във вода и са били много по-прости в сравнение дори с най-простите същества, които живеят днес. Водораслите обогатиха водата и кислорода. Постепенно достигайки сушата, във влажни места, бактерии, едноклетъчни животни и растения участват в създаването на почвата. По този начин се създават условия за растителен живот на сушата. Растенията обогатиха въздуха с кислород и допринесоха за създаването на озонов екран; Използвайки слънчевите лъчи, те създадоха необходимите за животните органични вещества. Постепенно живите организми овладяха всички черупки на Земята. Те значително промениха външния вид на планетата: те трансформираха горната част на литосферата, създавайки почва; допринесе за промени в състава на атмосферата и хидросферата.

Живите организми създават специална обвивка, която прониква в други сфери на Земята и свързва всички компоненти в най-голямата екосистема - биосферата.

Биосферата е обвивката на Земята, която се формира и чието развитие се влияе от всички живи организми.

Горната граница на биосферата е в атмосфера, населена само до озоновия екран, тъй като ниските температури и ултравиолетовото лъчение имат пагубен ефект върху живите същества. Дори на надморска височина от 20-25 км се откриват гъбични спори и бактерии.

Хидросферата е напълно населена, но по-голямо разнообразие от организми се наблюдава във водния стълб, където прониква слънчева светлина.

Долната граница на биосферата е в литосферата. На дълбочина 0,5 - 2 m от повърхността броят на живите организми бързо намалява. На дълбочина повече от 10 m живи същества не се срещат, тъй като високата плътност на околната среда и повишената температура ограничават възможността за тяхното съществуване. Но и тук има изключения. Бактерии са открити в нефтени находища на дълбочина приблизително 2-3 км.

Най-голяма е плътността на живите организми на сушата, на повърхността на океанската вода и на дъното му до 200 м дълбочина, където все още достигат слънчевите лъчи. Именно на границата на атмосферата, хидросферата и литосферата са благоприятни условия за живот.

Основни функции на биосферата

Съвременната наука идентифицира пет най-важни функции на биосферата:

1. енергийна функция, което се извършва от растенията, използващи енергията на слънцето в процеса на фотосинтеза. Средно 10-12% от усвоената от тях енергия се изразходва за собствените нужди на тялото. Останалата част от него се преразпределя в екосистемата: частично се разпределя между останалите компоненти на биосферата, частично се натрупва в мъртва органична материя, образувайки отлагания на хранителни вещества (торф, въглища) и частично се разпръсква в атмосферата.
2. газова функция, който определя миграцията на газовете и техните трансформации, осигурява газовия състав на биосферата. Преобладаващата маса газове на Земята е от биогенен произход. По време на функционирането на живата материя се образуват основните газове: азот, кислород, въглероден диоксид, сероводород, метан и др.
3. функция на концентрация, който се състои в селективно извличане и натрупване от живи организми на биогенни вещества от околната среда. Благодарение на тази функция живите организми могат да служат за хората като източник както на полезни (витамини, аминокиселини), така и на опасни за здравето вещества (тежки, радиоактивни елементи, пестициди).
4. разрушителна функция, което се състои от разлагане, минерализация на мъртва материя, химическо разлагане на скали и участие на получените минерали в биотичния цикъл. Специална група организми (редуценти) деструктори разграждат мъртвата органична материя до прости неорганични съединения: въглероден диоксид, вода, сероводород, метан, амоняк, които след това се използват повторно в началния етап на цикъла.
5. среда формираща функция, който се състои в трансформиране на физикохимичните параметри на околната среда (литосфера, хидросфера, атмосфера) в условия, които са най-подходящи за съществуването на живи организми. С известна степен на условност може да се твърди, че тази функция е резултат от комбинираното действие на всички функции на биосферата, разгледани по-горе. В резултат на екологообразуващата функция се образува покривка от седиментни скали, трансформира се газовият състав на атмосферата, промени се химичният състав на водите на първичния океан и се появи почвена покривка на земната повърхност.

Човекът и биосферата

Появявайки се на Земята, човекът получава от природата всичко необходимо за живот: въздух, вода, храна, почва, подходяща за селско стопанство, естествени материали за производството на инструменти и предмети от бита.

По време на съществуването си на Земята човекът е бил потребител на природни блага от много дълго време. Той имаше достатъчно чиста вода, чист въздух, плодородна почва, риба в резервоари, животни в гори и степи; естествените материали бяха напълно достатъчни за задоволяване на различни нужди. В същото време на планетата имаше сравнително малко хора.

Но отдавна хората започнаха да се намесват в живота на естествените екосистеми, унищожавайки ги. След като опустошиха мястото си на пребиваване, хората се скитаха в търсене на нови, плодородни земи, гори, богати на животни. Загубите за природата от човешката дейност нарастваха.

Екосистемите сравнително бързо преодоляха тези проблеми, като възстановиха и съживиха природните комплекси. С течение на времето човешката популация на Земята нараства. Появиха се мощни технологии, които хората използваха за задоволяване на нуждите си, а влиянието на хората върху околната среда се увеличи. В резултат на човешката дейност съставът на атмосферата, хидросферата и литосферата се променя. Всяка намеса в биосферата променя местообитанието и засяга живота на организмите. Сега щетите, които човечеството нанася на биосферата, може да се окажат необратими и непоправими.

Човекът отдавна е забелязал, че природата винаги реагира на грижовното поведение. Пример за положителна човешка дейност може да бъде създаването на паркове, горски паркове, градини и обществени градини.

Кариерите, образувани след открития добив на минерални находища, значително влияят върху промените в релефа. Но ако първо ги напълните с шлаката, останала след изгарянето на въглища в електроцентралите, покриете ги със слой празна скала от рудничните съоръжения и ги покриете с тънък слой почва, смесена с пепел от филтрите на топлоелектрическите централи, тогава различни на такова място могат да се отглеждат култивирани растения.

Пречистването на океанската вода от петролно замърсяване може да се извърши с помощта на бактерии, което намалява вредните ефекти.

За почистване на сладки водоеми се използват санитарни растения: воден зюмбюл, опашка, хвощ и др.

Също така важен въпрос днес остава изграждането на пречиствателни съоръжения в индустрии с вредни емисии в атмосферата.

Човекът може да съществува само като използва ресурсите на биосферата. Трябва да научим законите на природата и да използваме това знание мъдро. Човечеството вече е осъзнало необходимостта от научно обосновано управление на околната среда, когато постиженията на науката координират човешката дейност и живота на природата. Това са необходими условия за запазване на живота на планетата.

Защита на биосферата. Червена книга

Човекът и биосферата са неразделни едно от друго. Функциите на биосферата осигуряват на човека необходимите за живота вещества и енергия. Човекът се грижи за биосферата: той се грижи за нейните обитатели, защитава местообитанието им. Днес въпросите за опазването на биосферата засягат всички хора на Земята.

Международното сътрудничество в защитата на биосферата се проявява в създаването на организации като Грийнпийс, Обществото за опазване на природата, Световния фонд за опазване на природата и др. Учените откриват видове и групи организми, които са в опасност, установяват колко от тях остават в природата и къде и разработват мерки за опазване на околната среда. През 1948 г. ООН създава Комисията за защита на застрашените видове растения и животни, а впоследствие и Международната червена книга, която включва данни за живи същества, които са на ръба на изчезване.

В Русия първата Червена книга е публикувана през 1983 г. - това беше томът „Животни“, а през 1988 г. към него беше добавен томът „Растения“. По-късно книгата е преиздадена през 2001 г. и 2017 г., като всеки път е допълвана. Червената книга съдържа 8 вида земноводни, 21 вида влечуги, 128 вида птици и 74 вида бозайници, общо 434 вида заедно с безгръбначните животни. Червената книга е държавен документ, който съдържа информация за застрашени видове растения, животни, гъби и съвети за увеличаване на популациите им.

Важна стъпка към опазването и спасяването на природата е обособяването на територии, където растенията и животните са запазени непокътнати. Това е създаването на природни резервати, резервати за диви животни и национални паркове. Днес в света има около 350 биосферни резервата, 37 от които се намират в Русия, най-големите са: Алтайски държавен природен биосферен резерват, Кавказки държавен биосферен резерват, Байкалски природен резерват, Баргузински резерват, Брянска гора - държавен природен биосферен резерват.

Природните резервати са територии, където е забранена всякаква стопанска дейност на човека; защитават не само живите организми, но и условията на тяхното съществуване.

Националните природни паркове са територии, защитени от държавата, но тук е разрешен организиран туризъм и образователни екскурзии.

Светилищата са зони, където определени видове животни и растения са защитени. Те се създават за определен период, докато заплахата за защитените организми изчезне.

Образованието в областта на околната среда вече се разглежда от педагогическата общност като непрекъснат процес, обхващащ всички възрастови, социални и професионални групи от населението. Неговата централна връзка обаче е училището, тъй като през училищните години формирането на личността се извършва най-интензивно.

Благодарение на способността си да трансформират слънчевата енергия в енергията на химическите връзки, растенията и другите организми изпълняват редица фундаментални биологични функции в планетарен мащаб.

Газова функция. Живите същества непрекъснато обменят кислород и въглероден диоксид с околната среда чрез процесите на фотосинтеза и дишане. Растенията са изиграли решаваща роля при оформянето на композицията на съвременната атмосфера. Те стриктно контролират концентрациите на кислород и въглероден диоксид, които са оптимални за съвременната биота.

Концентрационна функция. В процеса на еволюция организмите са се научили да извличат необходимите им вещества от разреден воден разтвор и други компоненти на естествената среда, като многократно увеличават концентрацията им в тялото си.

По този начин, преминавайки големи количества въздух и природни разтвори през телата си, живите организми извършват биогенна миграция и концентрация на химични елементи и техните съединения.

Редокс функция. Много вещества в природата са изключително стабилни и не се подлагат на окисление при нормални условия. Живите клетки имат толкова ефективни катализатори - ензими - че са в състояние да извършват много редокс реакции милиони пъти по-бързо, отколкото това може да се случи в абиотична среда. Благодарение на това живите организми значително ускоряват процесите на миграция на химичните елементи в биосферата.

Информационна функция. С появата на първите живи същества на планетата се появява активна („жива“) информация, която се различава от онази „мъртва“, която е просто отражение на структурата. Оказа се, че организмите са способни да получават информация чрез съчетаване на потока от енергия с активна молекулярна структура, която играе ролята на програма. Способността за възприемане, съхраняване и предаване на молекулярна информация е претърпяла бърза еволюция в природата и се е превърнала в най-важния екологичен системообразуващ фактор.

Изброените функции на живата материя формират мощна средообразуваща функция на биосферата. Дейността на живите организми определя съвременния състав на атмосферата. Растителната покривка значително определя водния баланс, разпределението на влагата и климатичните характеристики на големи пространства. Живите организми играят водеща роля в самопречистването на въздушната и водната среда. Растенията, животните и микроорганизмите създават почвата и поддържат нейното плодородие. Така биотата на биосферата формира и контролира състоянието на околната среда.

Трябва ясно да се разбере, че околната среда около нас не е фиксирана и трайна физическа позиция, възникнала някога, а живият дъх на природата, създаван всеки момент от работата на много живи същества.

3. Биогеохимични цикли на веществата в биосферата

Кръговратът на веществата е естествен процес на многократно участие на вещества в явления, протичащи в биосферата на планетата. Веществото, участващо в цикъла, не само се движи, но също така претърпява трансформация и често променя своето физическо и химично състояние. Живите организми играят особено активна роля в ускоряването на циркулацията и трансформацията.

Слънчевата енергия на Земята причинява два вида цикли на веществата:

големи (биогеохимични) - в рамките на биосферата;

малки (биотични) - в рамките на елементарни екологични системи.

Големият кръговрат на веществата е непрестанен планетарен процес на естествено циклично, неравномерно във времето и пространството преразпределение на материя, енергия и информация, многократно навлизащи в непрекъснато обновяващите се екологични системи на биосферата.

Малкият кръговрат на веществата се развива на базата на големия и се състои от кръгова циркулация на веществата между почвата, растенията, микроорганизмите и животните.

И двата цикъла са взаимосвързани и представляват единен процес, който осигурява възпроизводството на живата материя и оказва активно влияние върху облика на биосферата.

На нашата планета винаги е имало геохимичен кръговрат на веществата, но с появата на живота на Земята геохимичните връзки станаха биогеохимични - по-сложни и разнообразни. Следователно те говорят за биогеохимичния кръговрат на веществата или биогеохимичния цикъл.

Има три основни типа биогеохимични цикли: воден цикъл;

цикълът на елементите главно в газовата фаза (кислород, въглерод, азот и др.);

кръговрат на елементите предимно в твърда и течна фаза (фосфор и др.).

Въглеродният цикъл на сушата започва с фиксирането на въглероден диоксид от растенията по време на фотосинтезата.

Въглехидратите се образуват от CO2 и H3O и се отделя кислород.Въглеродът, фиксиран в растенията, се консумира до известна степен от животните. Мъртвите животни и растения се разлагат от микроорганизми, в резултат на което въглеродът от мъртвата органична материя се окислява до въглероден диоксид и се освобождава обратно в атмосферата. В допълнение, въглеродът се освобождава частично на всички етапи от цикъла на CO2 по време на дишането на растенията и животните. Подобен въглероден цикъл се случва в океана.

Цикъл на азота (фиг. 1). Азотът, който е много изобилен в атмосферата, се абсорбира от растенията само след свързването му с водород или кислород. Това обикновено се случва в резултат на различни физически явления, протичащи в атмосферата (атмосферна фиксация) и производство (промишлена фиксация), както и действието на азотфиксиращи бактерии или водорасли (биофиксация). Азотните съединения се използват от растенията и чрез тях достигат до животните по хранителните вериги. Растителните и животински отпадъци и мъртвите организми се разлагат и с помощта на денитрифициращи бактерии азотът се възстановява и връща в атмосферата.

Ориз. 1 - Цикъл на азота

В момента селското стопанство и промишлеността осигуряват почти 60% повече фиксиран азот от естествените сухоземни екосистеми, което води до натрупване на нитрати в почвата и по-нататък в трофичните вериги.

Биогеохимичните цикли на веществата и свързаните с тях енергийни трансформации са в основата на динамичния баланс и стабилност на биосферата. Нормалните, необезпокоявани биогеохимични цикли са почти кръгови, почти затворени. Това поддържа известно постоянство и баланс в състава, количеството и концентрацията на компонентите в биосферата, например състава на атмосферния въздух, концентрацията на соли в океанската вода и др. На свой ред това постоянство определя генетичната и физиологичната адаптивност на живите организми към съществуването на Земята,

Най-голямото обобщение в комплекса от науки за земята (геология, география, геохимия, биология) е учението за биосферата, създадено от руския учен В. И. Вернадски. Започвайки научната си дейност (като геолог) с изследване на седиментните скали на земната кора, В. И. Вернадски разкрива огромната роля на живите организми в сложните геохимични процеси на нашата планета. През 1926 г. излиза книгата му „Биосфера“. Тази работа задълбочено анализира сложните взаимоотношения между живите организми и неживата природа на Земята. Работата му беше донякъде пред времето си. Едва през втората половина на ХХ век, на фона на влошаващите се екологични проблеми, неговото учение за биосферата става широко разпространено.

Важен елемент от учението на В. И. Вернадски за биосферата е идеята за тясната зависимост на биосферата от човешката дейност и нейното запазване в резултат на разумното отношение на човека към природата. Ученият написа:

Човечеството, взето като цяло, се превръща в мощна геоложка сила. Пред него, пред неговата мисъл и дело, стои въпросът за преустройството на биосферата в интерес на свободомислещото човечество като единно цяло. Това ново състояние на биосферата, към което се приближаваме, без да го забелязваме, е ноосферата. 1

В момента учението за биосферата е важна част от екологията, пряко свързана с проблемите на регулирането на взаимодействието между човека и природата.

Терминът "биосфера" е използван за първи път от Дж. Б. Ламарк в началото на 19 век. По-късно се споменава в работата на австрийския геолог Е. Зюс през 1875 г. Тази концепция обаче не е разработена подробно от тези учени, а е използвана мимоходом за обозначаване на зоната на живота на Земята. Само в трудовете на В. И. Вернадски тя е анализирана подробно и задълбочено и се разбира като „черупката на живота“ на нашата планета.

Биосферанаричаме съвкупността от всички живи организми на нашата планета и онези области от геоложките черупки на Земята, които са обитавани от живи същества и са били изложени на тяхното влияние по време на геоложката история.

Граници на биосферата.Живите организми са неравномерно разпределени в геоложките черупки на Земята: литосфера, хидросфера и атмосфера(Фиг. 1). Следователно биосферата сега включва горната част на литосферата, цялата хидросфера и долната част на атмосферата.

Ориз. 1.Област на разпространение на организмите в биосферата:1 - ниво на озоновия слой, което се задържа трудно ултравиолетова радиация; 2 - снежна граница; 3 - почва; 4 - животни, живеещи в пещери; 5 - бактерии в масло кладенци

Литосферата е горната твърда обвивка на Земята. Дебелината му варира между 50–200 km. Разпространението на живота в него е ограничено и рязко намалява с дълбочина. По-голямата част от видовете са концентрирани в горния слой, който е с дебелина няколко десетки сантиметра. Някои видове проникват на дълбочина от няколко метра или десетки метри (ровещи животни - къртици, червеи; бактерии; корени на растения). Най-голямата дълбочина, на която са открити някои видове бактерии, е 3–4 km (в подземни води и нефтени хоризонти). Разпространението на живота дълбоко в литосферата се възпрепятства от различни фактори. Проникването на растенията е невъзможно поради липса на светлина. За всички форми на живот, плътността на околната среда и температурата, които се увеличават с дълбочината, също служат като значителни пречки. Средно повишаването на температурата е около 3 °C на всеки 100 м. Ето защо долната граница на разпространението на живота в литосферата се счита за трикилометрова дълбочина (където температурата достига около +100 °C) .

Хидросфера- водната обвивка на Земята е съвкупност от океани, морета, езера и реки. За разлика от литосферата и атмосферата, тя е изцяло разработена от живи организми. Дори на дъното на Световния океан, на дълбочина около 12 км, са открити различни видове живи същества (животни, бактерии). Въпреки това, по-голямата част от видовете живеят в хидросферата в рамките на 150-200 m от повърхността. Това се дължи на факта, че светлината прониква на такава дълбочина. Следователно в по-ниските хоризонти съществуването на растения и много видове, които зависят от растенията за хранене, е невъзможно. Разпределението на организмите на големи дълбочини се осигурява от постоянния „дъжд“ от екскременти, останките от мъртви организми, падащи от горните слоеве, както и хищничеството. Хидробионтите живеят както в прясна, така и в солена вода и се разделят на 3 групи според местообитанието си:

1) планктон - организми, живеещи на повърхността на водни тела и пасивно движещи се поради движението на водата;

2) нектон - активно се движи във водния стълб;

3) бентос - организми, които живеят на дъното на резервоари или се ровят в тиня.

атмосфера- газовата обвивка на Земята, която има определен химичен състав: около 78% азот, 21% кислород, 1% аргон и 0,03% въглероден диоксид. Биосферата включва само най-долните слоеве на атмосферата. Животът в тях не може да съществува без пряка връзка с литосферата и хидросферата. Големите дървесни растения достигат няколко десетки метра височина, поставяйки короните си нагоре. Стотици метри се издигат летящи животни - насекоми, птици, прилепи. Някои видове хищни птици се издигат на 3–5 km над повърхността на Земята, търсейки плячката си. И накрая, издигащите се въздушни течения пренасят пасивно бактерии, растителни спори, гъбички и семена на десетки километри нагоре. Всички изброени летящи организми или въведени бактерии обаче са само временно в атмосферата. Няма организми, които да живеят постоянно във въздуха.

За горна граница на биосферата се счита озоновият слой, разположен на височина от 30 до 50 км над земната повърхност. Той предпазва целия живот на нашата планета от мощна ултравиолетова слънчева радиация, като до голяма степен абсорбира тези лъчи. Живот не може да съществува над озоновия слой.

По този начин основната част от видовете живи организми е концентрирана на границите на атмосферата и литосферата, атмосферата и хидросферата, образувайки сравнително „тънък филм от живот“ на повърхността на нашата планета.

Устройство и функциониране на биосферата.Биосфера - Това глобална екологична система, състоящ се от много екосистеми от по-нисък ранг, биогеоценози, чието взаимодействие помежду си определя неговата цялост. Наистина биогеоценозите не съществуват изолирано - между тях има преки връзки и взаимоотношения. Например вятърът, дъждът и стопената вода пренасят минерали и органични вещества от сухоземните екосистеми във водните биогеоценози. Възможно е движение на организми от една биогеоценоза в друга (например сезонни миграции на животни). И накрая, всички са обединени от атмосферата на Земята, която служи като общ резервоар за живите същества. Той получава кислород (освободен от растенията по време на фотосинтеза) и въглероден диоксид (образуван по време на дишането на аеробни организми). От атмосферата растенията от всички екосистеми черпят въглероден диоксид, който им е необходим в процеса на фотосинтеза, а всички дишащи организми получават кислород.

Съществуването на биосферата се основава на непрекъснато протичащия кръговрат на веществата, чиято енергийна основа е слънчевата светлина (фиг. 2).

Ориз. 2.Схема на биогеохимичната цикличност в биосферата. На дяснодиаграмата показва участък от дерново-подзолиста почва под иглолистна гора

Кръговратът на веществата в природата между живата и неживата материя е една от най-характерните особености на биосферата. Биологичният цикъл е биогенната миграция на атоми от околната среда в организми и от организми в околната среда. Биомасата изпълнява и други функции:

1) газ - постоянен обмен на газ с външната среда поради дишането на живите организми и фотосинтезата на растенията;

2) концентрация - постоянна биогенна миграция на атомите в живите организми, а след смъртта им - в неживата природа;

3) редокс - обмен на вещество и енергия с външната среда. По време на дисимилацията органичните вещества се окисляват, по време на асимилацията се използва енергията на АТФ;

4) биохимични - химични трансформации на вещества, които са в основата на живота на тялото.

Биосферата е местообитанието на живите същества. Възникването на живота е тясно свързано с развитието на земните черупки. Започва образуването си преди около 4 милиарда години, тогава се появяват първите признаци на живот на нашата планета.

Формирането на биосферата и нейното постепенно формиране се дължи на влиянието на редица фактори: въздействието на космическата енергия върху Земята, развитието на живите организми и човечеството.

Терминът биосфера е въведен от австрийския учен Зюс още през 19 век, той идентифицира всички черупки на Земята, но ги описва подробно през 20 век. местен учен V.I. Вернадски (първи президент на Украинската академия на науките). Той описва границите на биосферата и развива единно учение за биосферата.

Свойства на биосферата, необходими за възникването и продължаването на живота

• Наличие на CO 2 и кислород;
• водата е източникът на живот на земята, наличието както на сладки, така и на солени водни тела;
• регулиране на температурата: без резки промени, ултрависоки и ниски показания;
• осигуряване на всички живи същества с храна;

Все още няма единна дефиниция. Има три версии какво представлява биосферата:

1. Общата маса на всички живи същества, които живеят в черупките на земята, е биосферата.
2. Организмите и местата, където живеят заедно, съставят биосферата.
3. Това е следствие от дългия живот на същества, живели много преди нашите дни.

Геолозите смятат първата гледна точка за правилна, тъй като останалите нямат теоретична подкрепа.

Биосферата се простира по цялата повърхност на Земята (планини, полета, реки, морета, океани) и създава условия за живот на всички организми. Човекът също е компонент.

Граници

Граници на биосферата в км

Как се определят границите на биосферата?

Тъй като животът е основният компонент на биосферата, неговите граници се определят от способността на индивидите да оцеляват в условията на околната среда. В горните слоеве ултравиолетовото лъчение не позволява на живите организми да се развиват - това определя горната граница на биосферата. Високите температури в дълбините на земята определят дъното на живота.

атмосфера– въздушният слой на земното кълбо се състои от азот, кислород, въглероден диоксид и др. Предпазва Земята от прегряване, въздействието на космическата радиация, ултравиолетовото лъчение и метеорити. Атмосферата се дели на: тропосфера, стратосфера и йоносфера.

Тропосфера(озоновият слой на земята) е горната граница на биосферата, разположена на надморска височина 20 km.

Стратосфера– намира се на височина 50 км над морското равнище, въздухът се разрежда, загрява, концентрацията на озон се увеличава, условията стават неподходящи за живот.

йоносфера– повърхностният слой на атмосферата, податлив на въздействието на космическата радиация и следователно силно йонизиран.

Литосфера- земната кора, твърд слой, който достига до дълбочина 200 km. Биосферата се отнася до горната сфера, обитавана от живи организми. Долната граница на литосферата достига 4 km, дълбочината, на която са открити бактерии. Падайки по-ниско, температурата се повишава, достигайки 100 градуса, което е несъвместимо със съществуването на живи организми, настъпва денатурация на протеини и всички живи същества умират.

Хидросфера– съвкупност от повърхностни и подземни води. Това е една от черупките на нашата планета, която обгражда континенти и острови, съставляващи 70% от повърхността на земното кълбо. Долната граница на биосферата се намира на дълбочина около 11 km. (в тихоокеанския регион).

Слоевете на биосферата

Еубиосфера– основният слой на биосферата. 99,9% от живите същества постоянно обитават този слой. Ширината на еубиосферата е 12-17 km.

Парабиосфера, метабиосфера– съответно горните и долните слоеве на бизосферата, където животът попада случайно, се привнася от еубиосферата.

АпобиосфераИ абиосфера- най-горния и най-долния слой, където животът не може да влезе дори случайно.

В зависимост от местообитанието на живите организми се разграничават:

• Аеробиосфера(животът се осъществява благодарение на атмосферната влага и слънчевата енергия, от върховете на дърветата до стратосферата);
• геобиосфера(организмите обитават почвата, земната повърхност, дърветата);
• хидробиосфера(всички водни структури, обитавани от хидробионти, с изключение на подпочвените води).

Структура на биосферата и нейния състав

Жива материяВернадски го описва като общия брой на всички живи организми, обитаващи планетата за даден период от време.

Основни свойства:

• Съдържа огромно количество енергия;
• скоростта на реакциите в жив организъм е по-бърза, отколкото в изкуствено създадени условия;
• компонентите на живата материя са стабилни само в жизнеспособен организъм;
• способността да съществува в различни условия, запълвайки цялото пространство. Вернадски нарича това явление „вездесъщността на живота“;
• индивидите винаги са част от екосистема;
• живата материя се развива, придобива нови свойства и се адаптира към изменчивостта на външната среда.

Хранително вещество- продукти от жизнената дейност на живите същества. По време на живота си организмите многократно преминават през всички компоненти на биосферата, така се образуват находища на нефт, газ, въглища, торф и др.

Инертно вещество– образува се без участието на жива материя (небиогенни скали, минерали).

Биоинертно вещество– създадени от взаимодействието на живи и неживи същества (вода, земна атмосфера, почва).

Живата материя не е равномерно разпределена в огромните пространства на земята, концентрацията й се увеличава близо до екваториалната равнина, има малко живот на полюсите на планетата.

Натрупванията на живи организми са разположени на границите на слоевете на биосферата: на дъното на океана има граница между литосферата и хидросферата, в повърхностните води на Световния океан има граница между хидросферата и атмосфера, на границата на литосферата и атмосферата има почва - местообитание на микроорганизми, насекоми и други животни. Тези места създават благоприятни условия за съществуване: висока концентрация на кислород, достъп до слънчева светлина, влага и хранителни вещества.

Съотношението на видовете живи организми показва преобладаването на растителността, тя заема 99% от всички живи същества, животните - 1%, хората - 0,0002%.

Функции на биосферата

Енергия– натрупване на слънчева радиация по време на процеса на фотосинтеза (преход на слънчевата енергия с помощта на растителни пигменти в органични връзки) и нейното преобразуване с последващо разпределение между всички живи организми.

Газообразуващи– поддържане на стабилен газов състав на атмосферата (емисия на кислород, абсорбция на въглероден диоксид).

Концентрация– концентрират химикали в тялото, като впоследствие образуват минерали.

Кръговрат на материята в биосферата

В процеса на растеж и развитие растенията използват минерали от почвата, абсорбират вода с помощта на корените, обработват слънчевата енергия, образуват органични вещества от неорганични вещества, абсорбират въглероден диоксид от атмосферния въздух от листата и отделят кислород чрез фотосинтеза.

Животните и хората дишат кислород и използват органични вещества, образувани от растенията. След смъртта натрупването на органични вещества от растения и животни се разлага под въздействието на микроорганизми и преминава в неорганично състояние.

Процесът на трансформация на енергията и материята започва отново – това е цикълът на живота.