Косное вещество биосферы

Уровни организации живой материи

Живые организмы, населяющие нашу планету, зависят от окружающей среды и испытывают на себе ее воздействия. Это – согласованный комплекс множества факторов  и приспособление к ним живых организмов обуславливает возможность существования многочисленных форм биоты.

   Экология (от греческого oikos – жилище, местообитание) – наука, изучающая взаимосвязи живых организмов в природе: организацию и функционирование популяций, биогеоценозов и биосферы в целом, законы «здорового состояния», как нормы и основы существования жизни.

   В настоящее время выделяют несколько уровней организации живой материи.

1. Молекулярный.

Любая живая система проявляется на уровне взаимодействия биологических макромолекул: нуклеиновых кислот, полисахаридов, белков, липидов, а также других важных органических веществ.

2. Клеточный.

   Клетка – структурная и функциональная единица размножения и развития всех живых организмов, обитающих на Земле. Неклеточных форм жизни нет, а существование вирусов лишь подтверждает это, т.к. они могут проявлять свойства живых систем только в клетках.

3. Организменный.

Организм представляет собой целостную одноклеточную или многоклеточную живую систему, способную    к самостоятельному существованию. Многоклеточный организм образован совокупностью тканей и органов, специализированных для выполнения различных функций.

4. Популяционно-видовой.

Под видом понимают совокупность особей, сходных по структурно-функциональной организации, имеющих единое происхождение и занимающих определенный ареал обитания, характеризующихся сходным поведением и определенными взаимоотношениями с другими видами организмов и факторами неживой природы.

Совокупность организмов одного и того же вида, объединенная общим местом обитания, создает популяцию (от латинского populus – народ, население) как систему надорганизменного порядка. В этой системе осуществляются простейшие, элементарные эволюционные преобразования.

5. Биогеоценотический.

Биогеоценоз (от латинского bios – жизнь, cenos – общий) –  сообщество организмов разных видов со всеми факторами конкретной среды их обитания – компонентами атмосферы, гидросферы и литосферы. 

6. Биосферный.

Биосфера – самый высокий уровень организации жизни на нашей планете. В ней выделяют живое вещество – совокупность всех живых организмов, неживое или косное вещество и биокосное вещество (почва) [1].

1.2. Характеристика и состав биосферы

   В буквальном переводе термин «биосфера» обозначает сферу жизни и в таком смысле он впервые был введен в науку в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831-1914).

   Первоначально под биосферой подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя была замечена  их связь с географическими, геологическими и даже  космическими процессами. Первым из биологов, который ясно указал на огромную роль живых организмов в образовании земной коры, был Ж.Б. Ламарк (1744-1829). Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.

   Биосфера (в современном понимании) – составная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами, т.е. «косное вещество» (термин академика В.И. Вернадского). Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.

Косное вещество биосферы

Границы биосферы определяются геофизическими факторами земной среды, которые делают возможным существование живых организмов. К природным (физико-химическим) условиям, определяющим границы биосферы, относятся следующие:

1. Достаточность количества кислорода и углекислого газа. Известно, что в Гималаях зона зеленой растительности достигает высоты  6200 м, однако жизнь не заканчивается и выше. Встречены различные виды насекомых, которые питаются заносимыми ветром органическими остатками.

2.  Количество влаги, обеспечивающей развитие живых организмов. Отмечено, что даже в сухих пустынях Африки под слоем песка встречаются насекомые, которые могут обходиться без атмосферной и почвенной влаги, получая ее только с пищей. Последняя сюда доставляется чаще всего по воздуху.

3.  Благоприятный термический режим, исключающий слишком высокие или низкие температуры. Встречаются виды бактерий, которые живут на снегу в Арктике и в скальных породах Антарктиды, а другие – в подземных геотермальных водах при 100 ˚С и более.

Верхняя граница биосферы проходит примерно на высоте 20 км от поверхности планеты и ограничена слоем озона, который задерживает губительную для жизни коротковолновую часть ультрафиолетового излучения Солнца. В гидросфере земной коры организмы проникают на всю глубину Мирового океана – до 10-11 км. В литосфере жизнь встречается на глубине 3,5-7,5 км, что обусловлено уровнем температуры земных недр и условием проникновения туда воды в жидком состоянии [1].

Атмосфера (от греческого «атмос» – пар) – наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с космическим пространством; через атмосферу осуществляется обмен вещества и энергии с космосом. Атмосфера имеет несколько слоев (рис. 1):

Рис. 1. Вертикальное строение атмосферы и соответствующие изменения температуры и давления

Обратите внимание на логарифмический масштаб давления. Вставка показывает концентрацию газов в зависимости от высоты в гетеросфере и иллюстрирует присутствие легких газов (водорода и гелия) на больших высотах

· тропосфера (от греческого «тропос» – вращение, движение) – нижний слой, примыкающий к поверхности Земли (высота 10-20 км), определяемый эффектом понижения температуры с высотой (в среднем 6 °C на каждый километр). В тропосфере сосредоточено 80% газового состава атмосферы и весь водяной пар. Поэтому в тропосфере возникают облака, выпадают дожди, снег, наблюдаются грозы, тайфуны и пр.;

· стратосфера (от греческого «стратос» – слой) – распространяется от 20 до 50 км. Здесь температура повышается с высотой за счет прогрева Солнцем трехатомного озона, который располагается по всей толщине стратосферы. В этой зоне постоянно дуют ураганные ветры со скоростями до сотен километров в час, что порождает даже звуковые волны. Этот постоянный стратосферный «вопль» ограничивает потери из зоны тропосферы легких газов;

· ионосфера – распространяется от 50 до 300 км от поверхности Земли. Ионизированные молекулы под влиянием магнитного поля Земли отклоняются в сторону высоких широт, порождая полярные сияния. Если полярные сияния сопровождаются сильными магнитными бурями, их можно заметить и в умеренных широтах. Ионизированные слои отражают средние (0,3-3 МГц) и короткие (3-30 МГц) радиоволны. Последние возвращаются на Землю, но уже в значительном отдалении от места радиотрансляции – на этом построен принцип дальней радиосвязи;

· магнитосфера – внешняя оболочка Земли, область околоземного пространства, физические свойства которой определяются взаимодействием магнитного поля планеты       с потоками космических частиц. Земля постоянно находится в потоке «солнечного ветра» – корпускулярного излучения солнечной короны (протонов, ионов гелия и более тяжелых положительных ионов и электронов) со скоростями от 300 до 800 км/сек. Линии магнитного поля, выходящие из полярных областей Земли, отклоняются «солнечным ветром» на ночную сторону планеты, где образуют шлейф сродни кометному, протяженностью более 5 млн. км. Если бы не было магнитосферы, космическое излучение за короткий период разложило бы на ионы и электроны все газы атмосферы.

Преобладающие элементы химического состава тропосферы: N₂ (78%), O₂ (21%), CO₂ (0,03%), озон и благородные газы (He, Ar, Kr, Xe, Rn). Состояние атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и биологические процессы на поверхности Земли и в водной среде. Для биологических процессов наибольшее значение имеют: кислород, используемый для дыхания и минерализации мертвого органического вещества; диоксид углерода, участвующий в фотосинтезе; озон, экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения. Азот, диоксид углерода, пары воды образовались в значительной мере благодаря вулканической деятельности, а кислород – в результате фотосинтеза [1], озон – под влиянием солнечного излучения.

Гидросфера  – водная оболочка Земли, важнейший компонент биосферы и один из необходимых факторов существования живых организмов.  Основная часть гидросферы (95%) находится в Мировом океане, который занимает около 70% поверхности земного шара и содержит 1500 млн. км³  воды. Поверхностные воды (озера, реки) включают 0,18200 млн. км³, а количество воды в живых организмах составляет  0,001 млн. км³. Значительные запасы воды (24 млн. км³) содержат ледники. Большое значение имеют газы, растворенные в воде: кислород и диоксид углерода. Их количество широко варьируется в зависимости от температуры и присутствия живых организмов.

Литосфера – внешняя твердая оболочка Земли. Земной корой принято считать верхний слой твердого тела планеты, толщиной от 30 до 70 км. Толщина океанической коры (под гидросферой) в десять раз меньше – от 3 до 7 км. Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, находится в почвенном слое, глубина которого не превышает нескольких метров. Преобладающие элементы химического состава литосферы (рис. 2): O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, Cu.

Рис. 2. Процентный состав основных элементов коры Земли

Ведущую роль выполняет кислород, на долю которого приходится половина массы земной коры и 92% ее объема. Таким образом, в количественном отношении земная кора – это «царство кислорода», химически связанного в ходе геологического развития земной коры.