§ 29. Структура биосферы

СТРАНИЦА 269

Всегда ли состав атмосферы был таким, как на современном этапе эволюции биосферы? В результате, каких процессов атмосфера приобрела современный состав?

Первичная атмосфера Земли состояла главным образом из водяных паров, водорода и аммиака. Под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца водяные пары разлагались на водород и кислород. Водород в значительной части уходил в космическое пространство, кислород вступал в реакцию с аммиаком и образовывались азот и вода. В начале геологической истории Земля благодаря магнитосфере, изолировавшей её от солнечного ветра, создала вторичную собственную углекислую атмосферу. Углекислый газ поступал из недр при интенсивных вулканических извержениях. С появлением в конце палеозоя зеленых растений кислород стал поступать в атмосферу в результате разложения углекислого газа при фотосинтезе, и состав атмосферы принял современный вид.

Современная атмосфера в значительной степени продукт живого вещества биосферы. Полное обновление кислорода планеты живым веществом происходит за 5200–5800 лет. Вся его масса усваивается живыми организмами приблизительно за 2 тыс. лет, вся углекислота – за 300–395 лет. Первоначальном радиоактивном разогреве молодой Земли происходило выделение летучих веществ на поверхность, образовавших первичный океан и первичную атмосферу.

Первичная атмосфера Земли имела восстановительный характер и была практически лишена свободного кислорода. В настоящее время получены данные о наличии свободного кислорода в докембрии. Присутствие высокоокисленных соединений железа в красных полосах железных руд докембрия свидетельствуют о наличии свободного кислорода. В раннем докембрии практически весь освобожденный кислород быстро поглощался земной корой при окислении, а также вулканическими сернистыми газами первичной атмосферы. Новый этап в истории биосферы характеризовался тем, что в атмосфере 2000–1800 млн. лет назад отмечалось увеличение количества свободного кислорода.

В общем балансе атмосферного кислорода возросла роль биохимических процессов живого вещества биосферы. Современный этап в истории кислорода атмосферы Земли наступил с появлением растительного покрова на континентах. Это привело к значительному увеличению его содержания по сравнению с древней атмосферой нашей планеты.

Подумайте, только ли состав атмосферы оказывает влияние на живые организмы. Какие ещё показатели состояния атмосферы играют роль абиотических экологических факторов?

Экологическая роль атмосферы огромна. Через атмосферу осуществляется фотосинтез, обмен энергией и информацией – основные процессы биосферы. Под воздействием атмосферы происходят сложные экзогенные процессы (выветривание, деятельность природных вод, мерзлоты и др.). В верхних сферах атмосферы, не долетая до поверхности земли, сгорает большая часть метеоритов. Атмосфера защищает живые существа от губительного действия космических излучений, регулирует сезонный и суточный тепловой режим. Без атмосферы суточные колебания температуры на земле составляли бы +-200 градусов. Для некоторых организмов (бактерии, летающие насекомые, птицы) атмосфера – основная жизненная среда. Атмосфера является средой, в которой распространяются звуки. Озоновый слой атмосферы, расположенный на высоте 16–26 км поглощает 13% солнечной радиации и большую часть жесткого ультрафиолетового излучения, защищая органический мир от их разрушающего действия.

Атмосферный воздух лишь условно можно считать неисчерпаемым природным ресурсом. При антропогенном воздействии человека, химический состав и физические свойства воздуха постоянно ухудшаются. На земле практически не осталось таких участков, где воздух сохраняет естественную чистоту и качество, а в большинстве промышленных районов состояние атмосферы представляет серьёзную опасность для здоровья. Человек в сутки потребляет до 25 кг воздуха. Но нормальная жизнедеятельность человека и всех живых организмов требует не только присутствие воздуха, а и определённая его чистота. От качественного состава воздуха зависит не только здоровье людей, состояние и качество биологических ресурсов, но и безопасность сырья для производства товаров народного потребления. Загрязнения из воздуха попадают в воду, почву, а по пищевым цепям – в организм человека. Многие вещества могут оказывать вредное воздействие на человека и животных даже в незначительных концентрациях – в десятитысячных долях мг на 1м3 воздуха

1. Лучистая энергия Солнца.Преимущественное значение для жизни имеют инфракрасные лучи (длина волны больше 0,76 мкм), на долю которых приходится 45 % всей энергии Солнца. В процессах фотосинтеза наиболее важную роль играют ультрафиолетовые лучи (длина волны до 0,4 мкм), составляющие 7 % энергии солнечной радиации. Остальная часть энергии приходится на видимую часть спектра с длиной волны 0,4 — 0,76 мкм.

2. Освещенность земной поверхности. Она играет важную роль для всего живого, и организмы физиологически адаптированы к смене дня и ночи. Практически у всех животных существуют суточные ритмы активности, связанные со сменой дня и ночи.

3. Влажность атмосферного воздуха. Связана с насыщением воздуха водяными парами. В нижних слоях атмосферы (высотой до 2 км) концентрируется до 50% всей атмосферной влаги. Количество водяного пара в воздухе зависит от температуры воздуха. Для конкретной температуры существует определенный предел насыщения воздуха парами воды, который называют максимальным. Разность между максимальным и данным насыщением воздуха парами воды называется дефицитом влажности (недостатком насыщения). Дефицит влажности является важным экологическим параметром, так как характеризует две величины: температуру и влажность. Известно, что повышение дефицита влажности в определенные отрезки вегетационного периода способствует усиленному плодоношению растений, а у некоторых насекомых приводит к вспышкам размножения.

4. Осадки. Из-за конденсации и кристаллизации паров воды в высоких слоях атмосферы формируются облака и атмосферные осадки. В приземном слое образуются росы и туманы. Режим осадков является важнейшим фактором, определяющим миграцию загрязняющих веществ в биосфере. Осадки — одно из звеньев в круговороте воды на Земле.

5. Газовый состав атмосферы. Он относительно постоянен и включает преимущественно азот и кислород с примесью углекислого газа, аргона и других газов. Кроме того, в верхних слоях атмосферы содержится озон. В атмосферном воздухе присутствуют также твердые и жидкие частицы. Азот участвует в образовании белковых структур организмов; кислород обеспечивает окислительные процессы; углекислый газ участвует в фотосинтезе и является естественным демпфером теплового излучения Земли; озон является экраном ультрафиолетового излучения. Твердые и жидкие частицы влияют на прозрачность атмосферы, препятствуя прохождению солнечных лучей к поверхности Земли.

6. Движение воздушных масс (ветер). Причина ветра — неодинаковый нагрев земной поверхности, связанный с перепадами давления. Ветровой поток направлен в сторону меньшего давления, т.е. туда, где воздух более прогрет. В приземном слое воздуха движение воздушных масс оказывает влияние на все параметры: влажность, и т.д. Ветер — важнейший фактор переноса и распределения примесей в атмосфере.

7. Давление атмосферы.Нормальным считается давление 1 кПа, соответствующее 750,1 мм. рт. ст. В пределах земного шара существуют постоянные области высокого и низкого давления, причем в одних и тех же точках наблюдаются сезонные и суточные минимумы и максимумы давления.

СТРАНИЦА 269

Подумайте, почему видовое разнообразие живых существ в водной среде гораздо больше, чем на суше.

Это самая древняя среда, в которой жизнь возникла и долго эволюционировала еще до того момента, как первые организмы появились на суше. По составу водной среды жизни различаются два ее основных варианта: пресноводная и морская среды Водой покрыто более 70% поверхности планеты. Тем не менее, за счет сравнительной выравненности условий этой среды («вода всегда мокрая») разнообразие организмов в водной среде намного меньше, чем на суше. Лишь каждый десятый вид царства растений связан с водной средой, разнообразие водных животных несколько выше. Общее соотношение числа видов «суша/вода» — около 1:5. Плотность воды выше плотности воздуха в 800 раз. И давление на населяющие ее организмы также много выше, чем в наземных условиях: на каждый 10 м глубины оно возрастает на 1 атм. Одно из основных направлений приспособления организ­мов к жизни в водной среде — повышение плавучести за счет увеличения поверхности тела и формирования тканей и органов, содержащих воздух. Организмы могут парить в воде (как представители планктона — водоросли, простейшие, бактерии) или активно перемещаться, как рыбы, формирующие нектон. Значительная часть организмов прикреплена к поверхности дна или перемещается по ней. Как уже отмечалось, важным фактором водной среды является течение

СТРАНИЦА 270

Заполните таблицу по предложенному образцу.

Роль организмов в формировании почв

Завершите схему по предложенному образцу.

СТРАНИЦА 272

Вспомните географические зоны Земли. Определите, где самая большая и самая маленькая биомасса. Объясните, почему биомасса возрастает не равномерно, а скачкообразно.

Географическое распределение автотрофных организмов крайне неравномерно: оно зависит от количества тепла и влаги. Так, главные запасы фитомассы приходятся на тропические области (более 55%), где они достигают 650 т/га. В полярных и пустынных областях запасы фитомассы составляют всего 1-2%, обычно не превышая 1-2 т/га.

СТРАНИЦА 273

Постройте экологические пирамиды биомассы наземной и водной экосистем. Объясните, в чём их различие.

В пирамиде биомассы наземной экосистемы самую большую массу составляют растения, т.е. биомасса продуцентов выше биомассы консументов.

В пирамиде биомассы экосистемы озера самую большую массу составляют животные, т.е биомасса консументов выше биомассы продуцентов.

Это объясняется тем, что в водных экосистемах продуцентом является микроскопический фитопланктон, быстро растущий и размножающийся), который в достаточном количестве непрерывно поставляет живую пищу консументам, намного медленно растущим и размножающимся. Зоопланктон (или другие животные, питающиеся фитопланктоном) накапливают биомассу годами и десятилетиями, тогда как фитопланктон имеет крайне короткий период жизни (несколько дней или часов).

СТРАНИЦА 274

Приведите конкретные примеры влияния человека на биосферу. Какие изменения в атмосфере, гидросфере и литосфере вызваны деятельностью человечества?

Воздействия антропогенного фактора:

1) Уничтожение редких видов животных: по статистике каждый год исчезают 100 видов животных и растений, 50 тыс. находятся на грани исчезновения.

2) Вырубка лесов приводит к нарушению природных систем в этих районах, по статистике 25% лесов уничтожено, в результате изменяется газовый состав атмосферы: становится больше угликислого газа, а значит больше парникового эффекта — температура воздуха увеличивается на Земле. Это приводит к таянию ледников и повышению уровня Мирового окаена. Значит идет затопление берегов океанов, исчезают острова в океанах, а с ними гибнут редкие животные.

3) Выбросы вредных веществ в атмосферу приводят к образованию кислотных дождей — в результате снова гибель животных и растений.

4) Аварии нефтяных танкеров при перевозки нефти в океанах и морях приводят к образованию нефтяной пленки — гибель морских животных, гибель птиц.

5) Промышленные предприятия сбрасывают загрязненную воду в озера, реки, моря — гибель рыб, птиц. Например, ТЭЦ — сбрасывают подогретую воду — нарушается тепловой обмен в водоемах.

6) Человек вырубает леса, освобождая площади под пашня, пастбища, поселения и используя древесину для собственных потребностей.

7) опасность для окружающей среды составляют кислотные дожди, вызванные загрязнением атмосферы сернистым газом. Кислотные дожди приводят к тяжелым последствиям. В частности пресные водоемы становятся мертвыми, погибают леса и много других проблем.

8) послабление озонового экрана. Это происходит в результате поступления в атмосферу хлорфторвуглецевих соединений.

9) Деятельность человека негативно влияет и на разнообразные водоемы, загрязнение промышленными и бытовыми отходами, пестицидами и удобрениями, которые смываются из полей, изменение экологических условий, осушения, и тому подобное.

10) Нарушение санитарного состояния водоемов, а также истощение водных ресурсов заостряет проблему питьевой воды. Поступление неочищенных или недостаточно очищенных стоковых вод в естественные водоемы делает невозможным использование их для отдыха людей, рыболовства.

Выполните задания, ответьте на вопросы.

• Расскажите об атмосфере как одной из структур биосферы.

Атмосфера, или газовая оболочка Земли, граничит с космическим пространством. Она состоит из смеси газов: азота, кислорода, углекислого газа, озона и инертных газов, это самая лёгкая оболочка. Из перечисленных газов только аргон не связан с процессами жизнедеятельности, а поступление и расход кислорода, углерода и азота регулируется живыми организмами. Состояние атмосферы оказывает огромное влияние на физико-химические и биологические процессы на поверхности Земли и в водной среде.

Для дыхания всем живым организмам-аэробам необходим кислород, а углекислый газ является источником углерода для процессов фотосинтеза и хемосинтеза. Азот благодаря деятельности азотфиксирующих бактерий переходит в форму нитратов, которые усваиваются растениями. Озоновый слой, или «озоновый экран», возникший из кислорода, защищает земную поверхность от жёсткого излучения.

Функции атмосферы:

- Среда обитания.

- Обеспечение жизнедеятельности.

- Терморегулятор температурного режима планеты. Эту функцию выполняют "парниковые" газы (Со2, СH3, NOx), которые свободно пропускают световое излучение и задерживают тепловое.

- Защитный экран планеты. Эту функцию выполняет озон. Его масса 4х10^7. Располагается на высоте от 15 до 45 км. Озон активно поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение, губительное для живых организмов. Образуется за счет грозовых разрядов, за счет фотохимической реакции между оксидами азота и кислородом атмосферы. Продолжительность жизни одной молекулы озона 50 суток.

• Дайте характеристику литосферы.

Литосфера — это твёрдая оболочка Земли, включающая в себя земную кору и верхнюю часть мантии. Жизнь в литосфере сосредоточена главным образом в её верхнем плодородном слое (почве), глубина которого не превышает нескольких метров. Исходным веществом для почвообразования являются верхние слои горных пород. Они изменяются под воздействием живых организмов, в телах которых концентрируются биогенные элементы. После отмирания организмов эти элементы благодаря деятельности редуцентов переходят в состав почвы. В результате форми-руется органическое вещество почвы, обеспечивающее её плодородие.

• Расскажите об особенностях гидросферы.

Гидросфера — совокупность вод земного шара, водная оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и «твердой» земной корой. Включает в себя всю химически не связанную воду вне зависимости от ее состояния: жидкую, твердую, газообразную. Постоянное изменение агрегатного состояния воды обеспечивает процесс влагооборота.

Гидросфера представляет собой совокупность океанов, морей и поверхностных вод суши. Кроме того, в гидросферу часто включают подземные воды, льды и снега полярных и высокогорных областей, а также атмосферную воду и воду, содержащуюся в живых организмах.

Основная масса воды гидросферы сосредоточена в морях и океанах (71% земной поверхности, или 96% объема гидросферы), второе место по объему водных масс занимают подземные воды (около 2%), третье — льды и снега полярных областей (главным образом ледниковые щиты Антарктиды и Гренландии, около 2%), около 0,02% — поверхностные воды суши (реки, озера, болота).

Поверхностные воды, занимая сравнительно малую долю в общей массе гидросферы, играют важнейшую роль как в развитии биосферы, так и в хозяйственной деятельности человека, являясь основным источником водоснабжения, орошения и обводнения. В гидросфере впервые зародилась жизнь на Земле. Лишь в начале палеозойской эры началось постепенное переселение животных и растительных организмов на сушу.

• Что определяет границы биосферы?

Границы биосферы определяются абиотическими факторами, которые ограничивают существование живых организмов

• Расскажите о биомассе суши. Чем образована и как распределяется биомасса Мирового океана?

Накопление биомассы обусловливается жизнедеятельностью растений, так как они являются продуцентами в большинстве биогеоценозов, входящих в биосферу. Именно растениям принадлежит подавляющая часть биомассы на поверхности суши Земли и около 90 % всей биомассы биосферы.

Биомасса организмов, обитающих на суше, представлена растениями примерно на 97-98 %, и только около 1-2 % составляют грибы, животные и микроорганизмы. В Мировом океане это соотношение меняется: на долю растений приходится чуть более б % биомассы, а на долю животных и микроорганизмов — около 94 %.

• Как человечество влияет на биосферу?

Влияние человека на биосферу выражается прежде всего в том, что он привлекает для нужд общества значительную часть территорий Земли, добывая все большее и большее количество минеральных ресурсов, которые подразделяются на неисчерпаемые и исчерпаемые. К первым из них относится энергия ветра, морских волн и солнечной радиации. Это климатические, водные и космические ресурсы. Неисчерпаемыми считаются также вода и атмосферный воздух. Однако деятельность человека сделала такое определение относительным. Так, в результате загрязнения, вызванного экономическими нуждами, вода в некоторых районах нашей планеты перешла в категорию дефицита. В настоящее время только условно к неисчерпаемым ресурсам можно отнести и кислород. Ученые полагают, что для восстановления прежнего статуса воды и атмосферы должно быть оказано положительное влияние человека на биосферу. Его осуществление возможно в виде разработки и дальнейшей реализации различных крупномасштабных экологических программ. Влияние хозяйственной деятельности человека на биосферу выражается и в использовании исчерпаемых ресурсов. К ним относятся: плодородие почв, животный и растительный мир, а также полезные ископаемые. Применять их для своих нужд человек начал еще в период неолита. Вначале люди стали использовать самородки меди и золота. Позже они начали добывать и выплавлять различные руды. Из этих ископаемых получали олово, свинец, серебро и медь. На сегодняшний день в своем промышленном производстве человек использует большинство известных минеральных руд, а также нефть, каменный уголь и газ. Развитие научно-технического прогресса открывает перед обществом все новые сферы применения цветных и черных металлов, а также разнообразного неметаллического сырья. При этом расширяются разработка и добыча бедных руд, и растет объем нефти, полученной из скважин, расположенных на морском дне. В хозяйственном обороте человечества находятся огромные территории нашей планеты. Однако несмотря на это, их площадь увеличивается из года в год. Растет и использование промысловых животных, рыбных ресурсов и древесины.

• Заполните таблицу по предложенному образцу.

Биомасса биосферы