Состав и строение биосферы

Современная жизньраспространена в нижних слоях воздушной оболочки Земли (атмосфере), верхней части земной коры (литосфере) и в водной оболочке Земли (гидросфере) (рис.2.1).

В пределах биосферы выделяют две категории слоев: собственно биосферу, где живое вещество локализовано постоянно (эубиосфера), а также расположенные выше (парабиосфера) и ниже ее (метабиосфера). В эти слои живые организмы могут попадать лишь случайно. Общая протяженность эубиосферы по вертикали – 12 -17 км, хотя у разных авторов эти оценки несколько варьируют.

Атмосфера – газовая оболочка Земли, которая простирается более чем на 1500 км от ее поверхности и удерживается планетой посредством силы тяжести, принимая участие в суточном и годовом вращении Земли.

По характеру изменения температуры атмосфера делится на слои. Первый слой – тропосфера, в которой температура с повышением высоты понижается, он простирается до высот 15 – 18 км. Выше находится стратосфера, где температура остается примерно постоянной, она следует до высоты 40 км. Далее идет мезосфера (до 80 км), где температура постепенно увеличивается. Еще выше - в термосфере – до высоты примерно 800 км температура монотонно возрастает.

Атмосфера состоит из постоянных, переменных и случайных компонентов. К постоянным компонентам относятся, % по объему: кислород – 21, азот – 78,1, аргон – 0,9 и другие газы (неон, гелий, ксенон). К переменным составляющим воздуха относится, %: диоксид углерода – 0,03 – 0,04, водяной пар – до 4 %.

Велика роль атмосферы в жизни: поддержание процессов дыхания (кислород), перенос газообразных веществ, в том числе СО₂ - основы жизни растительных организмов и регулирования температуры на земле.

Верхней границей биосферы (включая парабиосферу) является так называемый озоновый экран (или слой).

Озоновый экран (озоносфера) – это слой атмосферы в пределах стратосферы и мезосферы, расположенный на разной высоте от поверхности Земли и имеющий наибольшую концентрацию озона на высоте 20-25 км.

Высота озонового слоя у полюсов оценивается в 13-15 км, у экватора – 24-27 км, а максимальная высота присутствия озона – 45-50 км. Общая масса озона в атмосфере Земли 4 ^. 10⁹ т, т.е. 0,64^. 10^-6 от массы всей атмосферы, средняя стационарная концентрация 1мг/м³ (6 ^. 10^-7 %). Основная часть общего содержания озона – около 90%, приходится на стратосферу и только 10% - на тропосферу. Над полярными областями Земли концентрация озона выше, чем над экватором, в атмосфере городов выше, чем в сельской местности. Концентрация озона на высоте 20-30 км каждые 11 лет проходит через максимум, вызванный циклом солнечной активности. Общее содержание озона в атмосфере таково, что если собрать озон в один слой, то при нормальных условиях он будет иметь толщину всего лишь 2 – 4 мм. Для сравнения: толщина слоя, образованного всеми газами земной атмосферы при тех же условиях, составит примерно 8 км.

Образование озона в стратосфере связано с реакцией фотодиссоциации поступающего туда молекулярного кислорода под воздействием ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца с длиной волны менее 200 нм:

Взаимодействие образовавшегося атомарного кислорода с молекулой последнего (в присутствии третьих частиц – катализатора) ведёт к образованию озона:

О + О₂ + М ® О₃ + М

Основная масса озона образуется в экваториальной зоне и распространяется затем атмосферными движениями непосредственно к полюсам. У поверхности Земли озон появляется только во время газовых разрядов.

Несмотря на крайне низкое количественное содержание, этот газ имеет неоценимое биологическое значение, так как слой озона практически полностью поглощает поток УФ-лучей Солнца с длиной волны 200-280 нм и около 90% УФ-излучения с длиной волны 280-320 нм. Таким образом, озоновый слой является охранным щитом от жёсткого, короче 280 нм, УФ-излучения, крайне опасного для всего живого на планете. Расчёты учёных показали, что если общее содержание озона сократится всего лишь на 10-20%, то на каждый процент такого сокращения придется приблизительно 2%-ное увеличение потока в вышеуказанной полосе УФ-излучения.

Добавим, что от поглощения озоном УФ-радиации во многом зависит и температура атмосферы: стратосферный воздух нагревается на несколько десятков градусов, при этом максимальный нагрев приходится на слой 40-45 км в высоких широтах весной и летом. Кроме того, озон интенсивно поглощает инфракрасную (ИК) (тепловую) радиацию, причём особо в середине «окна прозрачности» (8-13 мкм), в котором «не срабатывает» водяной пар – основной атмосферный поглотитель и излучатель. Поэтому вертикальное распределение температуры атмосферы, а значит, её радиационный режим и циркуляция прямо зависят от поведения атмосферного озона. Вследствие указаной способности поглощать ИК-лучи, озон относят к парниковым газам, способствующим потеплению в тропосфере: это - СО₂, Н₂О, оксиды азота, фреоны и др.

Однако излишне высокое содержание озона у поверхности земли нежелательно, так как он является высоко токсичным веществом для всех живых организмов. Минимально ощутимая концентрация озона в воздухе для человека – 0,015 мг/м³. В концентрации 0,15 мг/м³ озон обладает раздражающим действием на слизистые оболочки верхних дыхательных путей. При воздействии концентраций 0,16 - 2 мг/м³ и выше у человека наблюдается нарушение функции дыхания, кашель, головная боль, тошнота, кровотечение из носа и воспаление глаз. При 15-20 мг/м³ озона развивается отёк лёгких и резкий упадок сердечной деятельности.

Верхняя граница жизни в атмосфере определяется уровнем озонового экрана, т.е. 25-30 км. Если живые организмы поднимаются выше защитного слоя озона, они погибают.

Высокогорье лимитирует те процессы, которые физиологически связаны с парциальным давлением атмосферных газов. Так, в Гималаях распространение зелёной растительности ограничено высотой 6,2 км – пониженное парциальное давление СО₂ закрывает возможность дальнейшего продвижения растений-фотосинтетиков. Животные (насекомые, пауки) отмечены и выше (7 км), а альпийская галка отмечена на г. Эверест на высоте 8,2 км.

Временное пребывание живых организмов в толще атмосферы регулярно регистрируется на высотах примерно до 10-11 км. Птицы обычны на высотах до 1-3 км, но бывают и более высокие залёты. «Рекордсменом», по-видимому, является белоголовый сип, столкнувшийся с самолётом на высоте 12,5 км. Летающие насекомые встречаются примерно до тех же высот, а заносимые восходящими воздушными течениями бактерии, споры и другие мелкие организмы регистрировались на высоте 10-20 км и даже выше (описано нахождение бактерий на высоте 77 км, притом в жизнеспособном состоянии).

Гидросфера – прерывистая водная оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и земной корой. Она выключает в себя совокупность всех вод планеты: материковых, океанских и атмосферных. Гидросфера является колыбелью жизни на нашей планете. Преобладающие элементы химического состава гидросферы: натрий, магний, кальций, хлор, сера, углерод.

Химизм воды имеет большое значение как фактор, обусловливающий осмотические отношения организма в водной среде. Практически у всех водных организмов существуют проницаемые для воды участки поверхности, через которые идет осмотический поток воды. Направленность и сила его зависят от разницы концентраций солей и других осмотически активных веществ между водной средой и жидкостями организма.

Жизнь распространена в гидросфере по всей ее толщине, встречаясь даже в самых глубоководных океанических впадинах – на глубине до 11 км. Здесь, в условиях полной темноты и колоссального давления (более 100 атм) обнаружены устойчивые и достаточно богатые видами сообщества, содержащие бактерий, одноклеточных и многоклеточных животных.

Особенность гидросферы заключается в отчетливом вертикальном осуществлении биогенного круговорота веществ. В океане и морях зона деятельности фотосинтезирующих растений определяется глубиной проникновения солнечного света достаточной интенсивности. Эту зону называют эвфотической, глубина ее составляет 150 – 200 м (рис. 2.1.). В афотическую зону (глубина более 200 м.) солнечные лучи практически не проникают.

Литосфера – это «каменная оболочка» Земли, верхняя часть земной коры. Рассматривая литосферу как часть биосферы, обычно в первую очередь имеют в виду ее поверхностную часть, измельченную в процессе физического, химического и биологического выветривания. Поверхностный слой литосферы, в котором осуществляется взаимодействие живой материи с минеральной составляющей, представляет собой почву.

В глубь Земли живые организмы проникают на небольшие расстояния. В литосфере жизнь ограничивается прежде всего температурой горных пород и подземных вод, которая возрастает с глубиной и на уровне 1,5 – 15 км превышает 100⁰С. Беспозвоночные животные обитают главным образом в верхних горизонтах почвы. Норы и ходы грызунов, некоторых насекомых и червей проникают в почву на глубину обычно не более 5 – 7 м. Наибольшая глубина, на которой в породах земной коры были обнаружены живые бактерии, составляет 4 км. Нахождение рыб в подземных водоемах, расположенных на глубине около 100 м, а также бактерий в водах, сопровождающих залежи нефти на глубине до 3 км. – лишь формально связано с литосферой, а по сути является примерами своеобразных участков гидросферы.