24.2. Структура и функции биосферы
Биосфера представляет собой многоуровневую систему, включающую подсистемы различной степени сложности. Границы биосферы определяются областью распространения организмов в атмосфере, гидросфере и литосфере (рис. 24.1). Верхняя граница биосферы проходит примерно на высоте 20 км. Таким образом, живые организмы расселены в тропосфере и в нижних слоях стратосферы. Лимитирующим фактором расселения в этой среде является нарастающая с высотой интенсивность ультрафиолетовой радиации. Практически все живое, проникающее выше озонового слоя атмосферы, погибает. В гидросферу биосфера проникает на всю глубину Мирового океана, что подтверждает обнаружение живых организмов и органических отложений до глубины 10—11 км. В литосфере область распространения жизни во многом определяет уровень проникновения воды в жидком состоянии — живые организмы обнаружены до глубины примерно 7,5 км.
Атмосфера. Эта оболочка состоит в основном из азота и кислорода. В меньших концентрациях она содержит углекислый газ и озон. Состояние атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и особенно биологические процессы на земной поверхности и в водной среде. Наибольшее значение для биологических процессов имеют кислород атмосферы, используемый для дыхания организмов и минерализации омертвевшего органического вещества, углекислый газ, расходуемый при фотосинтезе, а также озон, экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения. Вне атмосферы существование живых организмов невозможно. Это видно на примере лишенной жизни Луны, у которой нет атмосферы. Исторически развитие атмосферы связано с геохимическими процессами, а также жизнедеятельностью организмов. Так, азот, углекислый газ, пары воды образовались в процессе эволюции планеты благодаря (в значительной мере) вулканической активности, а кислород — в результате фотосинтеза.
Гидросфера. Вода является важной составной частью всех компонентов биосферы и одним из необходимых факторов существования живых организмов. Основная ее часть (95%) заключена в Мировом океане, который занимает примерно 70% поверхности Земного шара. Общая масса океанических вод составляет свыше 1300 млн. км3. Около 24 млн. км3 воды содержится в ледниках, причем 90% этого объема приходится на ледяной покров Антарктиды. Столько же воды содержится под землей. Поверхностные воды озер составляют приблизительно 0,18 млн. км3 (из них половина соленые), а рек—0,002 млн. км3.
Количество воды в телах живых организмов достигает примерно 0,001 млн. км3. Из газов, растворенных в воде, наибольшее значение имеют кислород и углекислый газ. Количество кислорода в океанических водах изменяется в широких пределах в зависимости от температуры и присутствия живых организмов. Концентрация углекислого газа также варьирует, а общее количество его в океане в 60 раз превышает его содержание в атмосфере. Гидросфера формировалась в связи с развитием литосферы, выделившей за геологическую историю Земли значительный объем водяного пара и так называемых ювенильных (подземных магматических) вод.
Рис. 24.1. Область распространения организмов в биосфере:
1—уровень озонового слоя, задерживающего жесткое ультрафиолетовое излучение, 2—граница снегов, 3—почва, 4— животные, обитающие в пещерах, 5—бактерии в нефтяных скважинах
Литосфера. Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, сосредоточена в почвенном слое, глубина которого обычно не превышает нескольких метров. Почвы, будучи, по терминологии В.И. Вернадского, биокосным веществом, представлены минеральными веществами, образующимися при разрушении горных пород, и органическими веществами — продуктами жизнедеятельности организмов.
Живые организмы (живое вещество). В настоящее время описано около 300 тыс. видов растений и более 1,5 млн. видов животных. Из этого количества 93% представлено сухопутными, а 7% — водными видами животных. Суммарная биомасса организмов сухопутных видов образована на 99,2% зелеными растениями (2,4 • 1012 т) и на 0,8% животными и микроорганизмами (0,2 • 1011 т). В океане, напротив, на долю растений приходится 6,3% (0,2 • 109 т), а на долю животных и микроорганизмов — 93,7% (0,3 • 1010 т) совокупной биомассы. Несмотря на то что океан покрывает немногим более 70% поверхности планеты, в нем содержится лишь 0,13% биомассы всех живых существ, обитающих на Земле.
Расчеты показывают, что растения составляют около 21% всех учтенных видов. Однако на их долю приходится более 99% биомассы, тогда как вклад животных в биомассу планеты (79% видов) составляет менее 1%. Среди животных 96% видов приходится на долю беспозвоночных и только 4% на долю позвоночных, среди которых млекопитающие составляют примерно 10%.
Приведенные соотношения иллюстрируют фундаментальную закономерность организации биосферы: в количественном отношении преобладают формы, достигшие в процессе эволюции относительно низких степеней морфофизиологического прогресса.
Живое вещество по массе составляет 0,01—0,02% от косного вещества биосферы, однако играет ведущую роль в биогеохимических процессах благодаря совершающемуся в живых организмах обмену веществ. Так как субстраты и энергию, используемые в обмене веществ, организмы черпают из окружающей среды, они преобразуют ее уже тем, что в процессе своего существования используют ее компоненты.
Ежегодная продукция живого вещества в биосфере составляет 232,5 млрд. т сухого органического вещества. За это же время в масштабе планеты в процессе фотосинтеза синтезируется 46 млрд. тонн органических углеродсодержащих веществ. Для этого требуется, чтобы 170 • 109 т С02 прореагировало с 68 • 109 т Н20.
Таким образом, в результате фотосинтеза ежегодно образуется 115х х 109 т сухого органического вещества и 123 • 109 т 02. В течение года в процесс фотосинтеза вовлекаются также 6 • 109 т азота, 2 • 109 т фосфора и другие элементы, например калий, кальций, сера, железо. Приведенные цифры показывают, что живое вещество является наиболее активным компонентом биосферы. Оно производит гигантскую геохимическую работу, способствуя преобразованию других оболочек Земли в геологическом масштабе времени.
Биотический круговорот. Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговоротов химических элементов. Глобальный биотический круговорот осуществляется при участии всех населяющих планету организмов. Он заключается в циркуляции веществ между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Благодаря биотическому круговороту возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе доступных химических элементов. Используя неорганические вещества, зеленые растения за счет энергии Солнца создают органическое вещество, которое другими живыми существами (гетеротрофами — потребителями и деструкторами) разрушается, с тем чтобы продукты этого разрушения могли быть использованы растениями для новых органических синтезов.
Важная роль в глобальном круговороте веществ принадлежит циркуляции воды между океаном, атмосферой и верхними слоями литосферы. Вода испаряется и воздушными течениями переносится на многие километры. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делая их доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с растворенными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими частицами в океаны и моря. Подсчитано, что с поверхности Земли за 1 мин испаряется около 1 млрд. т Н20 (на образование 1 г водяного пара необходимо 2,248 кДж). Энергия, затрачиваемая на испарение воды, возвращается в атмосферу (рис. 24.2). Циркуляция воды между Мировым океаном и сушей представляет собой важнейшее звено в поддержании жизни на Земле и основное условие взаимодействия растений и животных с неживой природой.
Рис. 24.2. Круговорот воды в биосфере
Под влиянием этого процесса происходит постепенное разрушение литосферы, перенос ее компонентов в глубины морей и океанов.
На создание органического вещества расходуется всего 0,1—0,2% солнечной энергии, достигающей поверхности планеты. Благодаря этой энергии осуществляется значительный объем работы по перемещению химических элементов.
В качестве примеров биотического круговорота рассмотрим круговороты углерода и азота в биосфере (рис. 24.3; 24.4). Круговорот углерода начинается с фиксации атмосферного диоксида углерода в процессе фотосинтеза. Часть образовавшихся при фотосинтезе углеводов используют сами растения для получения энергии, часть потребляется животными. Углекислый газ выделяется в процессе дыхания растений и животных. Мертвые растения и животные разлагаются, углерод их тканей окисляется и возвращается в атмосферу. Аналогичный процесс происходит и в океане.
Круговорот азота также охватывает все области биосферы (рис. 24.4). Хотя его запасы в атмосфере практически неисчерпаемы, высшие растения могут использовать азот только после соединения его с водородом или кислородом. Исключительно важную роль в этом процессе играют азотфиксирующие бактерии. При распаде белков этих микроорганизмов азот снова возвращается в атмосферу.
Показателем масштаба биотического круговорота служат темпы оборота углекислого газа, кислорода и воды. Весь кислород атмосферы проходит через организмы примерно за 2 тыс. лет, углекислый газ — за 300 лет, а вода полностью разлагается и восстанавливается в биотическом круговороте за 2 млн. лет (рис. 24.5).
Рис. 24.3. Круговорот углерода в биосфере
Рис. 24.4. Круговорот азота в биосфере
Благодаря биотическому круговороту биосфере присущи определенные геохимические функции: газовая — биогенная миграция газов в результате фотосинтеза и азотфиксации; концентрационная — аккумуляция в своих телах живыми организмами химических элементов, рассеянных во внешней среде; окислительно-восстановительная — превращение веществ, содержащих атомы с переменной валентностью (например, Fе, Mn); биохимическая — процессы протекающие в живых организмах.
Стабильность биосферы. Биосфера представляет собой сложную экологическую систему, работающую в стационарном режиме. Стабильность биосферы обусловлена тем, что результаты активности трех групп организмов, выполняющих разные функции в биотическом круговороте,— продуцентов (автотрофы), потребителей (гетеротрофы) и деструкторов (минерализующие органические остатки) — взаимоуравновешиваются. То, что в биосфере поддерживается постоянство ее главных характеристик (гомеостаз), не исключает способности ее к эволюции.
Рис. 24.5. Темпы циркуляции веществ в биосфере
- Биология
- В двух книгах
- Предисловие
- Раздел IV популяционно-видовой уровень организации жизни
- Глава 10 биологический вид. Популяционная структура вида
- 10.1. Понятие о виде
- 10.2. Понятие о популяции
- 10.2.1. Экологическая характеристика популяции
- 10.2.2. Генетические характеристики популяции
- 10.2.3. Частоты аллелей. Закон Харди — Вайнберга
- 10.2.4. Место видов и популяций в эволюционном процессе
- Глава 11 видообразование в природе. Элементарные эволюционные факторы
- 11.1. Мутационный процесс
- 11.2. Популяционные волны
- 11.3. Изоляция
- 11.4. Естественный отбор
- 11.5. Генетико-автоматические процессы (дрейф генов)
- 11.6. Видообразование
- 11.7. Наследственный полиморфизм природных популяций. Генетический груз
- 11.8. Адаптации организмов к среде обитания
- 11.9. Происхождение биологической целесообразности
- Глава 12 действие элементарных эволюционных факторов в популяциях людей
- 12.1. Популяция людей. Дем, изолят
- 12.2. Влияние элементарных эволюционных факторов на генофонды человеческих популяций
- 12.2.1. Мутационный процесс
- 12.2.2. Популяционные волны
- 12.2.3. Изоляция
- 12.2.4. Генетико-автоматические процессы
- 12.2.5. Естественный отбор
- На плодовитость и эмбриогенез
- 12.3. Генетическое разнообразие в популяциях людей
- 12.4. Генетический груз в популяциях людей
- Глава 13 закономерности макроэволюции
- 13.1. Эволюция групп организмов
- 13.1.1. Уровень организации
- 13.1.2. Типы эволюции групп
- 13.1.3. Формы эволюции групп
- 13.1.4. Биологический прогресс и биологический регресс
- 13.1.5. Эмпирические правила эволюции групп
- 13.2. Соотношение онто- и филогенеза
- 13.2.1. Закон зародышевого сходства
- 13.2.2. Онтогенез — повторение филогенеза
- 13.2.3. Онтогенез — основа филогенеза
- 13.3. Общие закономерности эволюции органов
- 13.3.1. Дифференциация и интеграция в эволюции органов
- 13.3.2. Закономерности морфофункциональных преобразований органов
- 13.3.3. Возникновение и исчезновение биологических структур в филогенезе
- 13.3.4. Атавистические пороки развития
- 13.3.5. Аллогенные аномалии и пороки развития
- 13.4. Организм как целое в историческом и индивидуальном развитии. Соотносительные преобразования органов
- 13.5. Современная система органического мира
- 13.5.1. Типы питания и основные группы живых организмов в природе
- 13.5.2. Происхождение многоклеточных животных
- 13.5.3. Основные этапы прогрессивной эволюции многоклеточных животных
- 13.5.4. Характеристика типа Хордовые
- 13.5.5. Систематика типа Хордовые
- 13.5.6. Подтип Бесчерепные Acrania
- 13.5.7. Подтип Позвоночные Vertebrata
- Глава 14 филогенез систем органов хордовых
- 14.1. Наружные покровы
- 14.2. Опорно-двигательный аппарат
- 14.2.1. Скелет
- 14.2.1.1. Осевой скелет
- 14.2.1.2. Скелет головы
- 14.2.1.3. Скелет конечностей
- 14.2.2. Мышечная система
- 14.2.2.1. Висцеральная мускулатура
- 14.2.2.2. Соматическая мускулатура
- 14.3. Пищеварительная и дыхательная системы
- 14.3.1. Ротовая полость
- 14.3.2. Глотка
- 14.3.3. Средняя и задняя кишка
- 14.3.4. Органы дыхания
- 14.4. Кровеносная система
- 14.4.1. Эволюция общего плана строения кровеносной системы хордовых
- 14.4.2. Филогенез артериальных жаберных дуг
- 14.5. Мочеполовая система
- 14.5.1. Эволюция почки
- 14.5.2. Эволюция половых желез
- 14.5.3. Эволюция мочеполовых протоков
- 14.6. Интегрирующие системы
- 14.6.1. Центральная нервная система
- 14.6.2. Эндокринная система
- 14.6.2.1. Гормоны
- 14.6.2.2. Железы внутренней секреции
- Глава 15
- 15.2. Методы изучения эволюции человека
- 15.3. Характеристика основных этапов антропогенеза
- 15.4. Внутривидовая дифференциация человечества
- 15.4.1. Расы и расогенез
- 15.4.2. Адаптивные экологические типы человека
- 15.4.3. Происхождение адаптивных экологических типов
- Раздел V
- Биогеоценотический уровень организации жизни
- Глава 16
- Вопросы общей экологии
- 16.1. Биогеоценоз - элементарная единица биогеоценотического уровня организации жизни
- 16.2. Эволюция биогеоценозов
- Глава 17 введение в экологию человека
- 17.1. Среда обитания человека
- 17.2. Человек как объект действия экологических факторов. Адаптация человека к среде обитания
- 17.3. Антропогенные экологические системы
- 17.3.1. Город
- 17.3.2.Город как среда обитания людей
- 17.3.3.Агроценозы
- 17.4. Роль антропогенных факторов в эволюции видов и биогеоценозов
- Глава 18 медицинская паразитология. Общие вопросы
- 18.1. Предмет и задачи
- Медицинской паразитологии
- 18.2. Формы межвидовых биотических связей в биоценозах
- 18.3. Классификация паразитизма и паразитов
- 18.4. Распространенность паразитизма в природе
- 18.5. Происхождение паразитизма
- 18.6. Адаптации к паразитическому образу жизни. Основные тенденции
- 18.7. Цикл развития паразитов и организм хозяина
- 18.8. Факторы восприимчивости хозяина к паразиту
- 18.9. Действие хозяина на паразита
- 18.10. Сопротивление паразитов реакциям иммунитета хозяина
- 18.11. Взаимоотношения в системе паразит - хозяин на уровне популяций
- 18.12. Специфичность паразитов по отношению к хозяину
- 18.13. Природно-очаговые заболевания
- Глава 19 медицинская протозоология
- 19.1. Тип простейшие protozoa
- 19.1.1.Класс Саркодовые Sarcodina
- 19.1.2.Класс Жгутиковые Flagellata
- 19.1.3.Класс Инфузории Infusoria
- 19.1.4.Класс Споровики Sporozoa
- 19.2. Простейшие, обитающие в полостных органах, сообщающихся с внешней средой
- 19.2.1.Простейшие, обитающие в полости рта
- 19.2.2.Простейшие, обитающие в тонкой кишке
- 19.2.3.Простейшие, обитающие в толстой кишке
- 19.2.4.Простейшие, обитающие в половых органах
- 19.2.5.Одноклеточные паразиты, обитающие в легких
- 19.3. Простейшие, обитающие в тканях
- 19.3.1.Простейшие, обитающие в тканях и передающиеся нетрансмиссивно
- 19.3.2.Простейшие, обитающие в тканях и передающиеся трансмиссивно
- 19.4. Простейшие — факультативные паразиты человека
- Глава 20 медицинская гельминтология
- 20.1. Тип плоские черви plathelminthes
- 20.1.1.Класс Сосальщики Trematoda
- 20.1.1.1. Сосальщики с одним промежуточным хозяином, обитающие в пищеварительной системе
- 20.1.1.2. Сосальщики с одним промежуточным хозяином, обитающие в кровеносных сосудах
- 20.1.1.3. Сосальщики с двумя промежуточными хозяевами
- Сосальщики, обитающие в кишечнике
- Сосальщики, обитающие в желчных ходах печени
- Сосальщики, обитающие в легких
- Сосальщики, цикл развития которых не связан с водной средой
- 20.1.2.Класс Ленточные черви Cestoidea
- 20.1.2.1. Ленточные черви, жизненный цикл которых связан с водной средой
- 20.1.2.2. Ленточные черви, жизненный цикл которых не связан с водной средой
- Ленточные черви, использующие человека в качестве окончательного хозяина
- Как окончательного хозяина
- Ленточные черви, использующие человека в качестве промежуточного хозяина
- 20.1.2.3. Ленточные черви, проходящие в организме человека весь жизненный цикл
- 20.2. Тип круглые черви nemathelminthes
- 20.2.1.Класс Собственно круглые черви Nematoda
- 20.2.1.1. Круглые черви — геогельминты
- Геогельминты, развивающиеся без миграции
- Геогельминты, развивающиеся с миграцией
- 20.2.1.2. Круглые черви — биогельминты
- Биогельминты, заражение которыми происходит при проглатывании личинок с тканями промежуточного хозяина
- Биогельминты, передающиеся грансмиссивно
- Биология наиболее распространенных филярий, паразитов человека
- 20.2.1.3. Круглые черви, осуществляющие в организме человека только миграцию
- Глава 21 медицинская арахноэнтомология
- 21.1. Класс паукообразные arachnoidea
- 21.1.1.Отряд Клещи Acari
- 21.1.1.1. Клещи — временные кровососущие эктопаразиты
- 21.1.1.2. Клещи — обитатели человеческого жилья
- 21.1.1.3. Клещи — постоянные паразиты человека
- 21.2. Класс насекомые insecta
- 21.2.1.Синатропные насекомые, не являющиеся паразитами
- 21.2.2.Насекомые —временные кровососущие паразиты
- 21.2.3.Насекомые —постоянные кровососущие паразиты
- 21.2.4.Насекомые —тканевые и полостные эндопаразиты
- Глава 22 эволюция паразитов и паразитизма под действием антропогенных факторов
- Глава 23 ядовитость животных как экологический феномен
- 23.1. Происхождение ядовитости в животном мире
- 23.2. Человек и ядовитые животные
- Раздел VI
- 24.2. Структура и функции биосферы
- 24.3. Эволюция биосферы
- Глава 25 учение о ноосфере
- 25.1. Биогенез и ноогенез
- 25.2. Пути воздействия человечества на природу. Экологический кризис
- Рекомендуемая литература
- Оглавление
- Глава 14 93
- Глава 15 149
- Глава 19 218
- Глава 20 241
- Глава 21 283
- Глава 22 311
- Биология в 2 книгах Книга2
- 127994, Москва, гсп-4, Неглинная ул., д. 29/14.