Существуют различные предположения о том, как появилась жизнь на нашей планете: от гипотезы самозарождения до гипотезы её занесения из космоса. Среди планет только Земля населена живыми организмами и имеет оболочку, в которой распространена жизнь.
Все живые организмы составляют живое вещество Земли. «Непрерывный слой живого вещества», по определению В. И. Вернадского, занимает , включает в свой состав почву с находящимися в ней корнями растений, грибницами, микроорганизмами и почвенными животными, часть , где встречаются микроорганизмы, и приземную часть тропосферы, где ветром переносятся пыльца, споры и семена растений. Этот слой и составляет биосферу Земли, сформировавшуюся в области взаимодействия воздуха, воды и горных пород.
Живые организмы могут существовать только при определённых условиях. В атмосфере такие условия наблюдаются до высоты 7-8 километров, где в основном сосредоточены живые организмы. Выше существование жизни ограничено низкой температурой и низким давлением. Верхней границей распространения живых организмов в атмосфере служит «озоновый экран». В гидросфере организмы распространены во всей толще вод суши и Мирового океана. В литосфере нижнюю границу биосферы проводят на глубине от сотен метров до нескольких километров. Здесь встречаются бактерии, для жизни которых не нужен воздух.
Живые организмы встречаются в самых необычных и очень суровых условиях: во льдах на вершинах высочайших гор, в безводных пустынях, в солёных озёрах и даже в подземных нефтяных пластах.
Разнообразие живого
Живые организмы представлены царствами растений, животных, грибов и бактерий. Растения и животные весьма разнообразны по форме и размерам. Принято выделять одноклеточные и многоклеточные организмы. Среди животных наиболее распространены насекомые, а среди растений - покрытосеменные.
По видовому разнообразию животные преобладают над растениями, но по массе живого вещества, наоборот, растений больше, чем животных. Некоторые виды растений и животных сохранились на нашей планете, пережив глобальные климатические изменения и оледенения. Это реликты (от латинского слова relictum - остаток) - древние виды, сумевшие приспособиться к новым условиям обитания.
Жизнь распределена в очень неравномерно. Большая часть организмов сосредоточена на суше. Здесь их масса в 800 раз превышает массу всего живого вещества в Мировом океане. При этом масса живого вещества растений на суше примерно в 1000 раз больше массы животных.
) и твёрдую (лито-сфера ) оболочки Земли (рис. 74).
Верхняя граница
Верхняя граница биосферы распо-ложена на высоте 15—25 км над уровнем моря (и в разных регионах Земли различна) в нижнем слое атмосферы — тропо-сфере (рис. 75).
В этих пределах био-сферы под влиянием энер-гии солнечных лучей кис-лород превращается в озон и образуется озоновый эк-ран. Он не пропускает ос-новную часть космических и ультрафиолетовых лучей, оказывающих вредное воздействие на живые орга-низмы, поэтому они не достигают земной поверх-ности.
В самых верхних слоях биосферы встречаются споры очень устойчивых к неблагоприятным условиям бактерий, грибов , мхов и папоротников (их называют аэропланктоном ). Некоторые птицы , бабочки и пауки могут подниматься на высоту 6—7 км.
Нижняя граница в гидросфере
Состав биосферы многообразен и подраз-деляется на четыре части.
- Живое вещество.
- Биогенные вещества.
- Твёрдые тела.
- Вещества биогенного и абиогенного происхождения.
Живое вещество
Совокупность всех живых организмов, обитающих на нашей планете , составляет живое вещество биосферы. Несмотря на то, что живое вещество по своей массе представляет весьма незначительную часть биосферы, его деятельность в течение геологических эпох оказывала огромное влияние на развитие Земли .
По утверждению В. И. Вернадского, жизнь зародилась на Земле некоторое время спустя после её появления и явилась одним из основных факторов, изменивших облик нашей планеты.
Биогенные вещества
Биогенные вещества есть результат деятельности живых организмов. К ним можно отнести нефть, каменный уголь, известняк и атмосферные газы.
Твёрдые тела
Общая масса живых организмов в биосфере называется био-массой, 93% которой приходится на сушу, а 7% — на водную среду. Живые организмы своей деятельностью оказывают большое влияние на биосферные процессы и обусловливают изменения биосферы.
Биосфера непрерывно развивается. Её развитие обусловливают такие факторы, как геологические и климатические изменения на нашей планете, воздействие живых организмов и человеческая деятельность.
Первый этап эволюции биосферы называется биогенезом, а второй — ноогенезом. В настоящее время в связи с тем, что основное влияние на биосферу оказывает
Биосфера – место обитания живых существ. Зарождение жизни тесно связано с развитием оболочек земли. Она начала свое формирование около 4 миллиардов лет назад, затем появились первые признаки жизни на нашей планете.
Становление биосферы и ее поэтапное формирование обусловлено влиянием ряда факторов: действием на Землю космической энергии, развитием живых организмов и человечества.
Термин биосфера ввел австрийский ученый Зюсс еще в 19 столетии, он выделил все оболочки Земли, но подробное их описание совершил в 20 ст. отечественный ученый В.И. Вернадский (первый президент Украинской Академии Наук). Он описал границы биосферы, разработал единое учение о биосфере.
Свойства биосферы необходимые для возникновения и продолжения жизни
- Наличие CO 2 и кислорода;
- вода – источник жизни на земле, присутствие, как пресных водоемов, так и соленых;
- регуляция температуры: отсутствие резких перепадов, сверхвысоких и низких показателей;
- обеспечение всего живого продуктами питания;
До сих пор нет единого определения. Существует три версии, что такое биосфера:
- Общая масса всех живых существ, которые обитают в оболочках земли, является биосферой.
- Организмы и места их жизнедеятельности вместе составляют биосферу.
- Это следствие продолжительной жизни существ, обитавших задолго до наших дней.
Ученые-геологи считают правильной первую точку зрения, так как другие не имеют теоретического подкрепления.
Биосфера простилается по всей поверхности Земли (горы, поля, реки, моря, океаны) и создает условия для жизнедеятельности всех организмов. Человек также является составляющим звеном.
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.
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).
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).
Структура биосферы и ее состав
Живое вещество Вернадский описывал как общее число всех живых организмов населяющих планету в данный период времени.
Основные свойства:
- В нем сосредоточено огромное количество энергии;
- скорость течения реакций в живом организме быстрее, чем в искусственно созданных условиях;
- составляющие живого вещества стабильны только в жизнеспособном организме;
- возможность существовать в разных условиях, заполняя все пространство. Это явление Вернадский назвал «всюдностью жизни»;
- отдельные особи всегда являются частью экосистемы;
- живое вещество эволюционирует, приобретает новые свойства, адаптируется к изменчивости внешней среды.
Биогенное вещество – продукты жизнедеятельности живого. В процессе жизни организмы пропускают через себя многократно все составляющие биосферы, так образуются залежи нефти, газа, угля, торфа и др.
Косное вещество – формируется без участия живой материи (небиогенные горные породы, минералы).
Биокосное вещество – создается при взаимодействии живого и неживого (вода, приземная атмосфера, почва).
Живое вещество распределено не равномерно на просторах земли, ее концентрация увеличивается возле экваториальной плоскости, на полюсах планеты жизни мало.
Скопление живых организмов находятся на границах слоев биосферы: на дне океана – проходит граница между литосферой и гидросферой, в поверхностных водах Мирового океана – рубеж между гидросферой и атмосферой, на границе литосферы и атмосферы находится почва – место обитания микроорганизмов, насекомых, других животных. В этих местах создаются благоприятные условия для существования: высокая концентрация кислорода, доступ к солнечному свету, влага, питательные вещества.
Соотношение видов живых организмов показывает преобладание растительности, она занимает 99% от всего живого, животные – 1%, люди – 0,0002%.
Функции биосферы
Энергетическая – аккумуляция солнечного излучения в процессе фотосинтеза (переход энергии солнечного света с помощью пигментов растений в органические связи) и ее трансформация, с последующим распределением между всеми живыми организмами.
Газообразующая – поддержание стабильного газового состава атмосферы (выделение кислорода, поглощение диоксида углерода).
Концетрационная – сосредотачивают в теле химические вещества, образуя в дальнейшем полезные ископаемые.
Круговорот вещества в биосфере
Растения в процессе роста и развития используют минеральные вещества из почвы, адсорбируют воду с помощью корня, перерабатывают энергию Солнца, образуют органические вещества из неорганических, из атмосферного воздуха листьями поглощается диоксид углерода и выделяется кислород посредством фотосинтеза.
Животные и человек дышат кислородом, используют органические вещества образованные растениями. После смерти, скопление органических веществ растений и животных разлагается под действием микроорганизмов, и переходят в неорганическое состояние.
Процесс преобразования энергии и вещества начинается сначала – это и есть жизненный круговорот.
Границы биосферы – это границы существования жизни. Верхняя граница проходит на высоте около 20 км. Она обусловлена, в первую очередь, существованием озонового слоя, который поглощает губительное для жизни ультрафиолетовое излучение Солнца. Нижняя граница в литосфере определяется проникновением влаги и доходит до 3 км (в нефтяных месторождениях были найдены бактерии на глубине до 3 км).
В гидросфере жизнь существует на всех глубинах Мирового океана, и поэтому простирается до 10 – 11 км. Таким образом, биосфера Земли включает в себя гидросферу, нижнюю часть атмосферы и верхние слои литосферы.
В настоящее время наша планета рассматривается как единая самоорганизующаяся система, состоящая из внутренних и внешних сфер: ядра, мантии, земной коры, гидросферы, атмосферы, биосферы.
Жизнь распространена по земной поверхности крайне неравномерно и в различных природных условиях принимает вид относительно независимых комплексов – биогеоценозов, или экосистем. Живая часть биогеоценоза носит название биоценоза. Разнообразные процессы и явления, протекающие в биосфере, являются объектом исследований различных наук. Особое место при этом отводится экологии (греч. ойкос – дом, жилище, логос – наука). Впервые этот термин применил Эрнст Геккель. Экология – наука, изучающая сложные взаимоотношения в природе. Человеческое общество с его производством и созданной им искусственной средой – техносферой – также является частью биосферы.
Компоненты биосферы
В биосфере можно выделить несколько составляющих компонент.
1. Живое вещество, под которым Вернадский подразумевал всю совокупность организмов на планете (растения, животные, микроорганизмы). По некоторым оценкам, общая биомасса живых организмов в биосфере составляет около 2,2·10 12 т.
2. Биогенное вещество, представляющее собой не сами организмы, а продукты их жизнедеятельности, в частности, нефть, известняки и т.д.
3. Косное вещество, образование которого не связано с жизнедеятельностью организмов (результат процессов, проходящих в недрах планеты, метеориты). Косное вещество в биосфере в десять тысяч раз превосходит по объему живое вещество.
4. Биокосное вещество, которое является совместным результатом процессов в живой неживой природе (почвы).
Согласно учению Вернадского, живое вещество является наиболее важной составной частью биосферы, поскольку в результате своей жизнедеятельности живые организмы активно преобразуют окружающую среду.
Иерархия живой материи
Иерархия живой материи включает в себя несколько уровней организации.
1. Молекулярный уровень. Он представлен биологическими молекулами, самыми важными из которых являются белки, нуклеиновые кислоты, липиды и углеводы. На этом уровне реализуются наследственность и изменчивость организмов, обмен веществами и энергией и другие важнейшие свойства живых организмов.
2. Клеточный уровень. Вместе с тем, отдельно взятые органические молекулы еще не являются живыми. Жизнь начинается со следующего уровня – клеточного. Клетка является структурной и функциональной единицей живых организмов, поскольку она способна к росту и размножению. Она может входить в состав живого многоклеточного организма или быть самостоятельным одноклеточным организмом.
3. Тканевый уровень. В ткань объединяются сходные по строению клетки, выполняющие одну функцию. Например, нервная ткань образована нервными клетками – нейронами.
4. Óрганный уровень. В свою очередь функциональное объединение нескольких типов тканей формирует органы, и соответствующий уровень называется органным. Он характерен для животных организмов. В частности, органами животных является кожа, сердце, легкие и т.д. Органы могут объединяться в системы органов, например, система органов кровообращения.
5. Организменный уровень. Он включает в себя целостные организмы, как одноклеточные, так и многоклеточные.
6. Популяционно-видовой уровень. Организмы одного вида, принадлежащие к одному ареалу обитания, объединяются в популяции. Начиная с этого уровня могут протекать элементарные эволюционные процессы.
7. Биогеоценотический уровень. Он включает в себя организмы разных видов вместе со средой их обитания.
8. Биосферный уровень. Он представлен всей биосферой в целом.
Населенную живыми организмами, которые в процессе своей жизнедеятельности активно ее преобразуют.
История изучения
Понятие биосферы как области жизни ввел в науку Жан Батист де Ламарк в первой половине XIX века. Именно он ближе всех подошел к ее пониманию. Но сам термин был предложен австрийским ученым Эдвардом Зюссом. Он трудился в области геологии и понимал под биосферой совокупность всех организмов. Сейчас же такой смысл вкладывается в термин «биота». Зюсс изложил свои гипотезы и результаты исследований в знаменитом научном труде «Лик Земли», в котором описывал геологию Альп.
Современное понятие биосферы сформулировал русский ученый геохимик, обладающий энциклопедическими знаниями во многих отраслях науки - Владимир Иванович Вернадский. Будучи профессором минералогии в Московском университете, он стал автором великого труда «Биосфера», изданного в 1926 году. Именно в этой работе он впервые дал развернутое определение данному термину.
В. М. Вернадский справедливо считал, что биосфера - это большая концентрическая область Земли, которая играет роль главной геохимической силы. Таким образом, она является пространством, в котором жизнь существует на данный момент или существовала когда-либо, то есть для биосферы характерно наличие живых организмов или продуктов их жизнедеятельности.
Типы веществ в биосфере
В. И. Вернадский выделял несколько типов веществ, составляющих основу биосферы.
- Собственно живое вещество, которое образовано совокупностью организмов.
- Биогенное вещество, которое образуется в ходе и остается после жизнедеятельности организмов. Речь идет о газах атмосферы, каменном угле, нефти и прочем.
- которое образуется без вмешательства организмов.
- - это соединения, являющиеся результатом жизнедеятельности организмов в совокупности с абиогенными процессами.
Границы биосферы определяются в соответствии с наличием совокупности вышеперечисленных веществ в оболочках Земли.
Живое вещество в биосфере
Очевидно, что основные геохимические и энергетические процессы протекают при обязательном участии В. И. Вернадский так сформулировал понятие о нем. Живое вещество - все существующие на данный момент, составляющие единую совокупность, которая выражается в элементарном химическом составе, весе, энергии.
Главным свойством живого вещества является его активность, обусловленная связью с окружающей средой постоянным биогенным потоком. Поток формируется при дыхании, питании, размножении. В этом контексте можно рассматривать жизнедеятельность организмов в качестве мощного геологического процесса планетарного характера.
Постоянные миграции химических элементов между организмом и окружающей средой в обоих направлениях происходят непрерывно. Осуществление этого процесса возможно благодаря близости элементарного химического состава организмов к химическому составу земной коры.
Растения, осуществляя фотосинтез, создают в биосфере сложные органические молекулы, имеющие большой запас энергии. Таким образом, живое вещество аккумулирует и трансформирует связанную лучистую энергию Солнца. Перемещение энергии становится возможным по причине постоянного роста и развития организма. Скоростью размножения, как справедливо считал В. И. Вернадский, это скорость, при которой в биосфере передается геохимическая энергия.
Границы
Часть биосферы, в которой в настоящее время есть живые организмы, принято называть необиосферой. Иначе говоря, современной. А то пространство, которое было местом обитания древних организмов, это палеобиосферы.
Общая масса геосфер планеты равна примерно 2420 миллиардам тонн. Эта величина в 200 раз больше массы атмосферы. Таким образом, можно сделать вывод, что слой живого вещество в общей массе геосфер ничтожно мал.
Диапазон потенциальных возможностей и масштаб приспособляемости организмов обуславливают «всюдность жизни». Живые существа постепенно обосновались в морях и океанах, затем освоились на суше. По мнению Вернадского, состав и границы биосферы меняются и сейчас.
Следует отметить, что, в отличие от других земных оболочек, только биосферу можно считать комплексной. Она выполняет и функцию «покрова» из живой сущности и является средой обитания множества организмов, в число которых входит и человек.
Границы биосферы определяются следующим образом. Она включает в себя нижнюю зону атмосферы, верхнюю зону литосферы и всю гидросферу. И высоты атмосферы, характеризующиеся холодом, низким давлением, и глубины океана, давление в которых может достигать 12 000 атмосфер, - все это биосфера. Границы биосферы настолько широки по причине очень широких пределов температурной толерантности организмов.
Следует отметить, что есть и такие бактерии, которые могут существовать в вакууме. Пределы адаптации к химическим условиям также очень широки. Реальным является существование организмов, например, под постоянным воздействием ионизирующей радиации. Исследования показывают, что некоторые живые существа настолько выносливы, что по отдельным критериям их возможности находятся даже за пределами биосферы.
Помимо основных перечисленных условий, жизнь организмов обусловлена постоянством биогенного тока атомов.
Верхняя граница биосферы
В разных частях планеты жизнь в атмосфере существует на разной высоте. В зонах Южного и Северного полюсов эта величина составляет 8-10 км, вблизи экватора - 17-18 км, над всеми остальными территориями - 20-25 км. Таким образом, жизнью наполнена только тропосфера - нижняя часть атмосферы
Физический предел распространения жизни в атмосфере находится на нижней границе
Гидросфера
Гидросфера образована океанами, морями, озерами, реками и ледяными покровами. На всех глубинах есть жизнь. Подавляющее большинство живых организмов заняли поверхностные слои и прибрежье. Но даже на глубине 11 022 м, в самой глубокой впадине Мирового океана (Мариинской), есть обитатели. Необиосфера также включает в себя донные отложения, которые когда-то были местом обитания древних существ.
Нижняя граница биосферы
Если говорить о литосфере, то почва, безусловно, является самым густонаселенным ее слоем, но существование жизни замечено гораздо глубже - примерно 6-7 километров под землей. Это касается, прежде всего, глубоких трещин и пещер.
Организмы, населяющие биосферу
Живые организмы делятся на две группы в зависимости от способа получения энергии, необходимой для жизнедеятельности: автотрофные и гетеротрофные. Местом обитания представителей обеих групп является биосфера. Границы биосферы определяются их распространением.
Представители в своем питании не связаны ни с какими другими живыми существами. Им для этого требуется солнечный свет или энергия химических связей соединений неорганического происхождения. И то, и другое может использоваться в качестве источника энергии, тогда как питание они получают из минеральных веществ.
Автотрофы делятся на две подгруппы. Это фототрофы (зеленые) и хемотрофы (бактерии). Первые способны существовать только в области проникновения солнечных лучей. А вот вторые, за счет использования химических соединений органической природы в качестве источника энергии, распространены намного шире.
Гетеротрофам, напротив, в качестве источников энергии и питания требуются органические вещества, произведенные другими организмами. То есть без предварительной работы автотрофов их существование было бы невозможным. Животные и человек, как житель биосферы, относятся к гетеротрофным организмам.
«Пленки жизни»
Неравномерность распределения жизни - это один из важных признаков, которым характеризуется биосфера. Границы биосферы имеют наименьшую плотность жизни. Наибольшая же наблюдается на стыках сред обитания. В целом же распределение жизни в биосфере носит резко неравномерный характер. В. И. Вернадский ввел термин «Пленки жизни», описывая с его помощью наиболее плотно населенные области биосферы. Граница контакта «почва-воздух» - это первая из таких пленок, ее толщина составляет от 2 до 3 см. Вторая представлена зоной контакта «воздух-почва» -прибрежная полоса и зона апвелинга. Третья представлена эуфотической зоной океана (до 200 м), т. е. областью свободного проникновения солнечного луча.
Таким образом, жизнь, преобразующая «лик Земли», неразрывно связана с понятием «биосфера». Границы биосферы - это границы жизни.
Пространственно-функциональная организация - это механизм, обеспечивающий «геологическую вечность всего живого». Человек, как житель биосферы, наряду с другими гетеротрофными организмами является непосредственным участником энергетического круговорота, обеспечивающего жизнь на Земле.