Όλα τα έμβια όντα του πλανήτη Γη έρχονται σε στενή επαφή μεταξύ τους και με το περιβάλλον, σχηματίζοντας έτσι οικοσυστήματα. Αυτές οι κοινότητες οργανισμών που αλληλεπιδρούν δεν είναι απομονωμένες η μία από την άλλη. Συνδέονται μεταξύ τους με διάφορες σχέσεις, κυρίως με το φαγητό. Το σύνολο των οικοσυστημάτων σχηματίζει ένα ενιαίο πλανητικό οικοσύστημα, το οποίο ονομάζεται βιόσφαιρα. Αυτό το άρθρο θα εξετάσει τη δομή της βιόσφαιρας, τη σύνθεση και τις κύριες λειτουργίες της.
Επιστήμη
Αυτή η έννοια εισήχθη για πρώτη φορά στην επιστήμη από τον J. B. Lamarck το 1803 και σήμαινε το σύνολο όλων των ζωντανών οργανισμών στον πλανήτη Γη. Στα τέλη του δέκατου ένατου αιώνα, ο όρος «βιόσφαιρα» χρησιμοποιήθηκε από τον J. Zuse, ο οποίος συμπεριέλαβε την άψυχη ύλη των ιζηματογενών πετρωμάτων στη δομή της βιόσφαιρας. Το δόγμα της βιόσφαιρας εμφανίστηκε το 1926, όταν ο V. I. Vernadsky συνόψισε έναν τεράστιο όγκο επιστημονικών πληροφοριών, με τον ένα ή τον άλλο τρόποαπεικονίζοντας τη σχέση μεταξύ ζωντανής και μη ύλης. Ο επιστήμονας μπόρεσε να δείξει ότι ο πλανήτης μας όχι μόνο κατοικείται από ζωντανούς οργανισμούς, αλλά και μεταμορφώνεται ενεργά από αυτούς. Επιπλέον, σύμφωνα με τον Vernadsky, η ανθρώπινη παρέμβαση στις φυσικές διεργασίες είναι τόσο σημαντική που είναι δυνατόν να μιλήσουμε για τη νοόσφαιρα - μια νέα φάση στην ανάπτυξη της βιόσφαιρας. Σήμερα, η επιστήμη της βιόσφαιρας συνδυάζει δεδομένα από διαφορετικά γνωστικά πεδία. Μεταξύ αυτών είναι η βιολογία, η χημεία, η γεωλογία, η κλιματολογία, η ωκεανολογία, η επιστήμη του εδάφους και άλλα.
Η δομή της βιόσφαιρας είναι τέτοια που οι ζωντανοί οργανισμοί μπορούν να διατηρήσουν ανεξάρτητα την απαραίτητη σύνθεση του εδάφους, της ατμόσφαιρας και της υδρόσφαιρας. Διαδραματίζουν βασικό περιβαλλοντικό ρόλο. Με βάση αυτό, οι επιστήμονες υπέθεσαν ότι το έδαφος και ο αέρας δημιουργήθηκαν από τους ίδιους τους ζωντανούς οργανισμούς κατά τη διάρκεια εκατοντάδων εκατομμυρίων ετών εξέλιξης. Έχοντας μελετήσει τις ομοιότητες στη δομή των γεωλογικών πετρωμάτων που βρίσκονται βαθύτερα από την Κάμβρια, με μεταγενέστερους βράχους, ο Βερνάντσκι πρότεινε ότι η ζωή στον πλανήτη υπήρχε με τη μορφή των απλούστερων οργανισμών σχεδόν από την αρχή. Αργότερα, οι γεωλόγοι απέδειξαν την πλάνη αυτής της υπόθεσης.
Δεδομένου ότι ο ήλιος είναι η ενεργειακή βάση για την ύπαρξη όλης της ζωής στη Γη, η βιόσφαιρα μπορεί να θεωρηθεί ως ένα κέλυφος, η δομή και η σύνθεση του οποίου σχηματίζονται λόγω της κοινής δραστηριότητας των ζωντανών οργανισμών και καθορίζονται από η εισροή ηλιακής ενέργειας. Τώρα ας εξοικειωθούμε με τη δομή της βιόσφαιρας της Γης.
Ζωντανοί και μη
Λαμβάνοντας υπόψη τη σύνθεση και τη δομή της βιόσφαιρας, πρώτα από όλααξίζει να σημειωθεί ότι αποτελείται από ζωντανή και μη ύλη (αδρανής ύλη). Ο κύριος όγκος των ζωντανών οργανισμών συγκεντρώνεται σε τρία γεωλογικά κελύφη της Γης: την ατμόσφαιρα (στρώμα αέρα), την υδρόσφαιρα (ωκεανοί, θάλασσες κ.λπ.) και τη λιθόσφαιρα (επάνω στρώμα βράχου). Ωστόσο, αυτά τα κελύφη είναι άνισα κατανεμημένα στο μεγαλύτερο οικοσύστημα. Έτσι, η υδρόσφαιρα αντιπροσωπεύεται πλήρως στη δομή της βιόσφαιρας, ενώ η λιθόσφαιρα και η ατμόσφαιρα αντιπροσωπεύονται μερικώς (άνω και κάτω στρώματα, αντίστοιχα).
Το μη ζωντανό συστατικό της βιόσφαιρας αποτελείται από:
- Βιογενής ουσία, η οποία είναι προϊόν ζωτικής δραστηριότητας ζωντανών οργανισμών. Περιλαμβάνει: άνθρακα, πετρέλαιο, τύρφη, φυσικό ασβεστόλιθο, αέριο κ.λπ.
- Βιοενερτή ουσία, η οποία είναι κοινό αποτέλεσμα της ζωτικής δραστηριότητας των οργανισμών και των μη βιολογικών διεργασιών. Αυτό περιλαμβάνει: χώμα, λάσπη, δεξαμενές νερού και ούτω καθεξής.
- Αδρανή ουσία, η οποία περιλαμβάνεται στον βιολογικό κύκλο, αλλά δεν είναι προϊόν της ζωτικής δραστηριότητας των ζωντανών οργανισμών. Αυτή η ομάδα περιλαμβάνει: νερό, άλατα μετάλλων, ατμοσφαιρικό άζωτο κ.λπ.
Όρια της βιόσφαιρας
Έννοιες όπως η σύνθεση, η δομή και τα όρια της βιόσφαιρας συνδέονται στενά μεταξύ τους. Παρά το γεγονός ότι βακτήρια και σπόρια έχουν βρεθεί σε υψόμετρα έως και 85 χιλιόμετρα, πιστεύεται ότι το ανώτερο όριο της βιόσφαιρας είναι 20-25 χιλιόμετρα. Σε μεγάλα υψόμετρα, η συγκέντρωση της ζωντανής ύλης είναι αμελητέα λόγω της ισχυρής επίδρασης της ηλιακής ακτινοβολίας.
Στην υδρόσφαιρα, η ζωή είναι παρούσα παντού. Και μάλιστα στην τάφρο Μαριάνα, το βάθος της οποίας είναι 11 χλμ., ο επιστήμοναςαπό τη Γαλλία, ο J. Picard παρατήρησε όχι μόνο ασπόνδυλα, αλλά και ψάρια. Τα βακτήρια, τα φύκια, τα τρηματοφόρα και τα καρκινοειδή ζουν κάτω από περισσότερα από 400 μέτρα πάγου της Ανταρκτικής. Τα βακτήρια βρίσκονται κάτω από ένα χιλιόμετρο στρώμα λάσπης και στα υπόγεια νερά. Ωστόσο, η μεγαλύτερη συγκέντρωση έμβιων όντων παρατηρείται σε βάθος έως και 3 km. Έτσι, τα όρια και η δομή της βιόσφαιρας σε διαφορετικά μέρη του πλανήτη μπορεί να είναι διαφορετικά.
Ατμόσφαιρα, λιθόσφαιρα και υδρόσφαιρα
Η ατμόσφαιρα αποτελείται κυρίως από οξυγόνο και άζωτο. Περιέχει μικρές ποσότητες αργού, διοξειδίου του άνθρακα και όζοντος. Η ζωή τόσο των πλασμάτων της ξηράς όσο και του νερού εξαρτάται από την κατάσταση της ατμόσφαιρας. Το οξυγόνο είναι απαραίτητο για την αναπνοή των ζωντανών οργανισμών και την ανοργανοποίηση οργανικών ουσιών που πεθαίνουν. Λοιπόν, το διοξείδιο του άνθρακα χρησιμοποιείται από τα φυτά για τη φωτοσύνθεση.
Η λιθόσφαιρα έχει πάχος 50 έως 200 km, ωστόσο, ο κύριος αριθμός ειδών ζωντανών οργανισμών συγκεντρώνεται στο ανώτερο στρώμα της πάχους πολλών δεκάδων εκατοστών. Η εξάπλωση της ζωής βαθιά στη λιθόσφαιρα είναι περιορισμένη λόγω μιας σειράς παραγόντων, οι κυριότεροι από τους οποίους είναι: η έλλειψη φωτός, η υψηλή πυκνότητα του μέσου και η υψηλή θερμοκρασία. Έτσι, το κατώτερο όριο της κατανομής της ζωής στη λιθόσφαιρα είναι ένα βάθος 3 km, στο οποίο βρέθηκαν ορισμένα είδη βακτηρίων. Για να είμαστε δίκαιοι, πρέπει να σημειωθεί ότι δεν ζούσαν στο έδαφος, αλλά σε ορίζοντες υπόγειων υδάτων και πετρελαίου. Η αξία της λιθόσφαιρας έγκειται στο γεγονός ότι δίνει ζωή στα φυτά, τρέφοντάς τα με όλες τις απαραίτητες ουσίες.
Υδρόσφαιραείναι βασικό συστατικό της βιόσφαιρας. Περίπου το 90% της παροχής νερού πέφτει στον Παγκόσμιο Ωκεανό, ο οποίος καταλαμβάνει το 70% της επιφάνειας του πλανήτη. Περιέχει 1,3 δισεκατομμύρια km3 και τα ποτάμια και οι λίμνες περιέχουν 0,2 εκατομμύρια km3 νερό. Ο πιο σημαντικός παράγοντας στη ζωτική δραστηριότητα του οργανισμού είναι η περιεκτικότητα του νερού σε οξυγόνο και διοξείδιο του άνθρακα.
Σαρπαστικοί αριθμοί
Η σύνθεση, η δομή και οι λειτουργίες της βιόσφαιρας εκπλήσσουν με την κλίμακα τους. Τώρα θα μάθουμε μερικά ενδιαφέροντα γεγονότα. Το νερό περιέχει 660 φορές περισσότερο διοξείδιο του άνθρακα από τον αέρα. Στη γη, η ποικιλομορφία του φυτικού κόσμου κυριαρχεί, και στη θάλασσα - ο κόσμος των ζώων. Το 92 τοις εκατό της βιομάζας στη γη είναι πράσινα φυτά. Στον ωκεανό, το 94% είναι μικροοργανισμοί και ζώα.
Κατά μέσο όρο, μία φορά κάθε οκτώ χρόνια, η βιομάζα της Γης ανανεώνεται. Τα φυτά της γης χρειάζονται 14 χρόνια για αυτό, τα φυτά του ωκεανού - 33 ημέρες. Θα χρειαστούν 3000 χρόνια για να περάσει όλο το νερό του πλανήτη από ζωντανούς οργανισμούς, το οξυγόνο - έως 5000 χρόνια και το διοξείδιο του άνθρακα - 6 χρόνια. Για το άζωτο, τον άνθρακα και τον φώσφορο, αυτοί οι κύκλοι είναι ακόμη μεγαλύτεροι. Ο βιολογικός κύκλος δεν είναι κλειστός - περίπου το 10% της ζωντανής ύλης περνά σε ιζηματογενείς αποθέσεις και ταφές.
Η βιόσφαιρα αντιπροσωπεύει μόνο το 0,05% της μάζας του πλανήτη μας. Καταλαμβάνει περίπου το 0,4% του όγκου της Γης. Η μάζα των ζωντανών όντων είναι μόνο το 0,01-0,02% της μάζας της αδρανούς ύλης, ωστόσο, παίζουν πολύ σημαντικό ρόλο στις γεωχημικές διεργασίες.
200 δισεκατομμύρια τόνοι οργανικού ξηρού βάρους παράγονται ετησίως και σεΗ φωτοσύνθεση απορροφά 170 δισεκατομμύρια τόνους διοξειδίου του άνθρακα. Στη διαδικασία της ζωτικής δραστηριότητας των μικροοργανισμών, 6 δισεκατομμύρια τόνοι αζώτου και 2 δισεκατομμύρια τόνοι φωσφόρου, καθώς και τεράστια ποσότητα σιδήρου, μαγνησίου, θείου, ασβεστίου και άλλων στοιχείων εμπλέκονται κάθε χρόνο στον βιογενετικό κύκλο. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, η ανθρωπότητα παράγει περίπου 100 δισεκατομμύρια τόνους ορυκτών.
Στη διάρκεια της ζωής τους, οι οργανισμοί συμβάλλουν σημαντικά στην κυκλοφορία των ουσιών, σταθεροποιώντας και μεταμορφώνοντας τη βιόσφαιρα, οι ιδιότητες και η δομή της οποίας κάνουν κάποιον να σκεφτεί την παρουσία ανώτερων δυνάμεων.
Λειτουργία ενέργειας
Αφού γνωρίσουμε τη δομή και τη σύνθεση της βιόσφαιρας, ας περάσουμε στις λειτουργίες της. Ας ξεκινήσουμε με την ενέργεια. Όπως γνωρίζετε, τα φυτά απορροφούν την ηλιακή ακτινοβολία και διαποτίζουν τη βιόσφαιρα με ζωτική ενέργεια. Περίπου το 10% του συλλαμβανόμενου φωτός χρησιμοποιείται από τους παραγωγούς για τις ανάγκες τους (κυρίως για την κυτταρική αναπνοή). Όλα τα άλλα διανέμονται μέσω τροφικών αλυσίδων σε όλα τα οικοσυστήματα της βιόσφαιρας. Μέρος της ενέργειας διατηρείται στα έγκατα της γης, διαποτίζοντάς τα με τη δύναμή της (άνθρακας, λάδι κ.λπ.).
Ακόμη και αν εξετάσουμε εν συντομία τις λειτουργίες και τη δομή της βιόσφαιρας, πάντα ξεχωρίζουν τη συνάρτηση οξειδοαναγωγής ως υποείδος ενέργειας. Ως παραγωγοί, τα χημειοσυνθετικά βακτήρια μπορούν να εξάγουν ενέργεια από τις αντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής ανόργανων ενώσεων. Κατά τη διαδικασία της οξείδωσης του υδρόθειου, τα βακτήρια του θείου τρέφονται με ενέργεια και ο σίδηρος (από 2-σθενείς σε 3-σθενείς) - βακτήρια σιδήρου. Νιτροποιώντας επίσης δεν κάθεστε χωρίςυποθέσεων. Οξειδώνουν τις ενώσεις του αμμωνίου σε νιτρικά και νιτρώδη. Γι' αυτό οι αγρότες γονιμοποιούν τα χωράφια τους με ενώσεις αμμωνίου, που δεν απορροφώνται από μόνα τους τα φυτά. Κατά τη λίπανση του εδάφους απευθείας με νιτρικά άλατα, οι ιστοί αποθήκευσης των φυτών είναι υπερκορεσμένοι με νερό, γεγονός που οδηγεί σε επιδείνωση της γεύσης τους και αύξηση του κινδύνου πεπτικών ασθενειών σε όσους τα τρώνε.
Λειτουργία διαμόρφωσης περιβάλλοντος
Οι ζωντανοί οργανισμοί σχηματίζουν το έδαφος και ρυθμίζουν επίσης τη σύσταση του αέρα και των υδάτινων κελυφών της γης. Εάν δεν υπήρχε φωτοσύνθεση στον πλανήτη, η παροχή οξυγόνου της ατμόσφαιρας θα εξαντλούνταν σε 2000 χρόνια. Επιπλέον, κυριολεκτικά σε έναν αιώνα, λόγω της αύξησης της συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα στον αέρα, οι οργανισμοί θα άρχιζαν να πεθαίνουν. Σε μια μέρα, ένα δάσος μπορεί να απορροφήσει έως και 25% διοξείδιο του άνθρακα από ένα στρώμα αέρα μήκους 50 μέτρων. Ένα μεσαίου μεγέθους δέντρο μπορεί να παρέχει οξυγόνο σε τέσσερα άτομα. Ένα εκτάριο φυλλοβόλων δάσους, που βρίσκεται κοντά στην πόλη, συγκρατεί ετησίως περίπου 100 τόνους σκόνης. Η λίμνη Βαϊκάλη, η οποία φημίζεται για την κρυστάλλινη καθαρότητά της, είναι τόσο χάρη στα μικρά καρκινοειδή που τη «φιλτράρουν» τρεις φορές το χρόνο. Και αυτά είναι μόνο μερικά παραδείγματα για το πώς οι ζωντανοί οργανισμοί ρυθμίζουν τη σύνθεση των ουσιών στη βιόσφαιρα.
Λειτουργία συγκέντρωσης
Τα ζωντανά όντα, και ιδιαίτερα οι μικροοργανισμοί, είναι σε θέση να συγκεντρώνουν πολλά χημικά στοιχεία που βρίσκονται στη βιόσφαιρα. Σχεδόν 90% άζωτο του εδάφουςείναι αποτέλεσμα της δραστηριότητας των γαλαζοπράσινων φυκών. Τα βακτήρια μπορούν να συγκεντρώσουν σίδηρο (για παράδειγμα, οξειδώνοντας υδατοδιαλυτά διττανθρακικά σε υδροξείδιο που εναποτίθεται στο περιβάλλον τους), μαγγάνιο, ακόμη και ασήμι. Αυτό το εκπληκτικό χαρακτηριστικό επέτρεψε στους επιστήμονες να πιστέψουν ότι χάρη στους μικροοργανισμούς υπάρχουν τόσα πολλά κοιτάσματα μετάλλων στη γη.
Σε ορισμένες χώρες, στοιχεία όπως το γερμάνιο και το σελήνιο εξάγονται από φυτά. Τα φύκια Fucus μπορούν να συσσωρεύσουν 10.000 φορές περισσότερο τιτάνιο από αυτό που περιέχεται στο περιβάλλον της θάλασσας. Κάθε τόνος καφέ φυκιών περιέχει αρκετά κιλά ιωδίου. Η Αυστραλιανή βελανιδιά συσσωρεύει αλουμίνιο, πεύκο - βηρύλλιο, σημύδα - βάριο και στρόντιο, πεύκη - νιόβιο και μαγγάνιο, και το θόριο συγκεντρώνεται σε λεύκη, κεράσι και έλατο. Επιπλέον, ορισμένα φυτά «συλλέγουν» ακόμη και πολύτιμα μέταλλα. Έτσι, σε 1 τόνο στάχτης αψιθιάς μπορεί να υπάρχουν έως και 85 γραμμάρια χρυσού!
Καταστροφική λειτουργία
Η χημική δομή της βιόσφαιρας της Γης και του περιβάλλοντος της περιλαμβάνει όχι μόνο δημιουργικές, αλλά και καταστροφικές διαδικασίες. Παίζουν όμως μεγάλο ρόλο και στη ρύθμιση των ουσιών στον πλανήτη. Με την ενεργό ζωή των ζωντανών οργανισμών, συμβαίνει η ανοργανοποίηση των οργανικών υπολειμμάτων και η διάβρωση των πετρωμάτων. Τα βακτήρια, οι μύκητες, τα γαλαζοπράσινα φύκια και οι λειχήνες μπορούν να διασπάσουν σκληρά πετρώματα απελευθερώνοντας ανθρακικά, νιτρώδες και θειικά οξέα. Οι διαβρωτικές ενώσεις απελευθερώνουν επίσης ρίζες δέντρων. Υπάρχουν βακτήρια που μπορούν ακόμη και να καταστρέψουν το γυαλί και τον χρυσό.
Λειτουργία μεταφοράς
Λαμβάνοντας υπόψη τη δομή καιλειτουργίες της βιόσφαιρας, δεν μπορεί κανείς να παραβλέπει τη μεταφορά μάζας της ύλης. Ένα δέντρο ανεβάζει νερό από τη γη στην ατμόσφαιρα, ένας τυφλοπόντικας ρίχνει τη γη επάνω, ένα ψάρι κολυμπά αντίθετα στο ρεύμα, ένα σμήνος ακρίδων μεταναστεύει - όλα αυτά είναι μια εκδήλωση της λειτουργίας μεταφοράς της βιόσφαιρας.
Η ζωντανή ύλη μπορεί να κάνει τεράστιο γεωλογικό έργο, σχηματίζοντας μια νέα εικόνα της βιόσφαιρας και συμμετέχοντας ενεργά σε όλες τις διεργασίες της.
Ξεχωριστά αξίζει να σημειωθεί η διαδικασία σχηματισμού ιζηματογενών πετρωμάτων. Το πρώτο στάδιο αυτής της διαδικασίας είναι η διάβρωση - η καταστροφή των ανώτερων στρωμάτων της λιθόσφαιρας υπό τη δράση του αέρα, του ήλιου, του νερού και των μικροοργανισμών. Εισχωρώντας στο βράχο, οι ρίζες των φυτών μπορούν να τον καταστρέψουν. Το νερό που εισχωρεί στις ρωγμές που σχηματίζονται από τις ρίζες διαλύεται και παρασύρει την ουσία. Αυτό οφείλεται στα διαβρωτικά συστατικά του φυτού. Οι λειχήνες είναι ιδιαίτερα άφθονες σε οργανικά οξέα. Έτσι, οι φυσικές καιρικές συνθήκες εμφανίζονται μαζί με τις χημικές καιρικές συνθήκες.
Λόγω του θανάτου των οργανισμών πλαγκτόν, έως και 100 εκατομμύρια τόνοι ασβεστόλιθου εναποτίθενται ετησίως στον πυθμένα των ωκεανών του κόσμου. Πολλά από αυτά είναι χημικής προέλευσης, όντας, για παράδειγμα, στην περιοχή επαφής μεταξύ όξινων και αλκαλικών υπόγειων υδάτων. Με τον θάνατο των μονοκύτταρων φυκών και των ραδιολαρίων, σχηματίζονται λάσπες που περιέχουν πυρίτιο που καλύπτουν εκατοντάδες χιλιάδες km2 του βυθού.
Λειτουργία σχηματισμού εδάφους
Οι ιδιότητες και η δομή της βιόσφαιρας είναι τόσο περιεκτικές που όλες οι λειτουργίες της συνδέονται στενά. Έτσι, ο σχηματισμός εδάφους είναι ένας από τους κλάδους ανταλλαγής μάζαςκαι περιβαλλοντικός σχηματισμός, αλλά εξετάζεται χωριστά λόγω της σημασίας του. Κατά την καταστροφή και την περαιτέρω επεξεργασία των πετρωμάτων από μικροοργανισμούς, σχηματίζεται ένα χαλαρό, γόνιμο κέλυφος της γης, που ονομάζεται έδαφος. Οι ρίζες των μεγάλων φυτών εξάγουν μεταλλικά στοιχεία από βαθείς ορίζοντες, εμπλουτίζοντας με αυτά τα ανώτερα στρώματα του εδάφους και αυξάνοντας την καρποφορία τους. Το έδαφος δέχεται οργανικές ενώσεις από τις νεκρές ρίζες και τους μίσχους των φυτών, καθώς και τα περιττώματα και τα πτώματα ζώων. Αυτές οι ενώσεις είναι τροφή για οργανισμούς του εδάφους που ανοργανοποιούν την οργανική ύλη, παράγοντας διοξείδιο του άνθρακα, οργανικά οξέα και αμμωνία.
Τα ασπόνδυλα, τα έντομα, καθώς και οι προνύμφες τους, παίζουν τον πιο σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση της δομής. Κάνουν το έδαφος χαλαρό και κατάλληλο για τη ζωή των φυτών. Τα σπονδυλωτά ζώα (τυφλοπόντια, μύες και άλλα) χαλαρώνουν τη γη, συμβάλλοντας στην επιτυχή ανάπτυξη των θάμνων σε αυτήν. Τη νύχτα, ψυχρός πεπιεσμένος αέρας διεισδύει στο έδαφος, ο οποίος είναι απαραίτητος για την αναπνοή των ριζών και των μικροοργανισμών.
Μια τέτοια καταπληκτική δομή της βιόσφαιρας.
