Visos Žemės planetos gyvos būtybės glaudžiai liečiasi viena su kita ir su aplinka, taip sudarydamos ekosistemas. Šios sąveikaujančių organizmų bendruomenės nėra izoliuotos viena nuo kitos. Juos sieja įvairūs santykiai, pirmiausia maistas. Ekosistemų visuma sudaro vieną planetinę ekosistemą, kuri vadinama biosfera. Šiame straipsnyje bus nagrinėjama biosferos struktūra, jos sudėtis ir pagrindinės funkcijos.
Mokslas
Šią sąvoką J. B. Lamarkas pirmą kartą į mokslą įvedė dar 1803 m. ir reiškė visų gyvų organizmų visumą Žemės planetoje. Devynioliktojo amžiaus pabaigoje terminą „biosfera“pavartojo J. Zuse, įtraukęs į biosferos struktūrą ir negyvąją nuosėdinių uolienų medžiagą. Biosferos doktrina atsirado 1926 m., kai V. I. Vernadskis vienaip ar kitaip apibendrino milžinišką mokslinės informacijos kiekį.iliustruojantis gyvosios ir negyvosios materijos santykį. Mokslininkui pavyko parodyti, kad mūsų planetoje ne tik gyvena gyvi organizmai, bet ir jie aktyviai transformuojasi. Be to, anot Vernadskio, žmogaus įsikišimas į gamtos procesus yra toks reikšmingas, kad galima kalbėti apie noosferą – naują biosferos raidos etapą. Šiandien biosferos mokslas sujungia skirtingų žinių sričių duomenis. Tarp jų yra biologija, chemija, geologija, klimatologija, okeanologija, dirvožemio mokslas ir kt.
Biosferos struktūra tokia, kad gyvi organizmai gali savarankiškai palaikyti reikiamą dirvožemio, atmosferos ir hidrosferos sudėtį. Jie atlieka pagrindinį aplinkosaugos vaidmenį. Remdamiesi tuo, mokslininkai iškėlė hipotezę, kad dirvožemį ir orą per šimtus milijonų evoliucijos metų sukūrė patys gyvi organizmai. Ištyręs geologinių uolienų, esančių giliau už Kambrą, struktūros panašumus su vėlesnėmis uolienomis, Vernadskis pasiūlė, kad gyvybė planetoje egzistavo paprasčiausių organizmų pavidalu beveik nuo pat pradžių. Vėliau geologai įrodė šios hipotezės klaidingumą.
Kadangi saulė yra visos gyvybės Žemėje energetinis pagrindas, biosfera gali būti laikoma apvalkalu, kurio struktūra ir sudėtis susidaro dėl bendro gyvų organizmų veiklos ir yra nulemta saulės energijos antplūdis. Dabar susipažinkime su Žemės biosferos sandara.
Gyvas ir negyvas
Visų pirma, atsižvelgiant į biosferos sudėtį ir struktūrąverta paminėti, kad ji susideda iš gyvos ir negyvos medžiagos (inertinės medžiagos). Didžioji dalis gyvų organizmų yra susitelkę trijuose geologiniuose Žemės apvalkaluose: atmosferoje (oro sluoksnis), hidrosferoje (vandenynuose, jūroje ir kt.) ir litosferoje (viršutinis uolienų sluoksnis). Tačiau šios kriauklės didžiausioje ekosistemoje pasiskirsto netolygiai. Taigi biosferos struktūroje visiškai pavaizduota hidrosfera, o litosfera ir atmosfera – iš dalies (atitinkamai viršutinis ir apatinis sluoksniai).
Negyvąjį biosferos komponentą sudaro:
- Biogeninė medžiaga, kuri yra gyvų organizmų gyvybinės veiklos produktas. Ją sudaro: anglis, nafta, durpės, natūralus kalkakmenis, dujos ir kt.
- Bioinertinė medžiaga, kuri yra bendras gyvybinės organizmų veiklos ir nebiologinių procesų rezultatas. Tai apima: dirvožemį, dumblą, vandens rezervuarus ir pan.
- Inertinė medžiaga, kuri yra įtraukta į biologinį ciklą, bet nėra gyvų organizmų gyvybinės veiklos produktas. Į šią grupę įeina: vanduo, metalų druskos, atmosferos azotas ir kt.
Biosferos ribos
Tokios sąvokos kaip biosferos sudėtis, struktūra ir ribos yra glaudžiai susijusios viena su kita. Nepaisant to, kad bakterijų ir sporų buvo rasta iki 85 kilometrų aukštyje, manoma, kad viršutinė biosferos riba yra 20-25 km. Dideliame aukštyje gyvosios medžiagos koncentracija yra nereikšminga dėl stiprios saulės spinduliuotės įtakos.
Hidrosferoje gyvybė yra visur. Ir net Marianų įduboje, kurios gylis yra 11 km, mokslininkasiš Prancūzijos J. Picardas stebėjo ne tik bestuburius, bet ir žuvis. Bakterijos, dumbliai, foraminiferos ir vėžiagyviai gyvena po daugiau nei 400 metrų Antarkties ledo. Bakterijos randamos po kilometro dumblo sluoksniu ir požeminiame vandenyje. Nepaisant to, didžiausia gyvų būtybių koncentracija stebima iki 3 km gylyje. Taigi, biosferos ribos ir struktūra skirtingose planetos dalyse gali skirtis.
Atmosfera, litosfera ir hidrosfera
Atmosferą daugiausia sudaro deguonis ir azotas. Jame yra nedideli kiekiai argono, anglies dioksido ir ozono. Tiek sausumos, tiek vandens būtybių gyvybė priklauso nuo atmosferos būklės. Deguonis būtinas gyvų organizmų kvėpavimui ir mirštančių organinių medžiagų mineralizacijai. Na, o anglies dioksidą augalai naudoja fotosintezei.
Litosferos storis svyruoja nuo 50 iki 200 km, tačiau jos viršutiniame kelių dešimčių centimetrų storio sluoksnyje susitelkusios pagrindinės gyvų organizmų rūšys. Gyvybės plitimas gilyn į litosferą ribojamas dėl daugelio veiksnių, iš kurių pagrindiniai yra: šviesos trūkumas, didelis vidutinės ir aukštos temperatūros tankis. Taigi apatinė gyvybės pasiskirstymo litosferoje riba yra 3 km gylis, kuriame buvo rasta kai kurių rūšių bakterijos. Teisybės dėlei reikia pažymėti, kad jie gyveno ne žemėje, o požeminio vandens ir naftos horizontuose. Litosferos vertė slypi tame, kad ji suteikia gyvybę augalams, pamaitindama juos visomis reikalingomis medžiagomis.
Hidrosferayra esminis biosferos komponentas. Apie 90% vandens tiekimo patenka į Pasaulio vandenyną, kuris užima 70% planetos paviršiaus. Jame yra 1,3 milijardo km3, o upėse ir ežeruose – 0,2 mln. km3 vandens. Svarbiausias organizmo gyvybinės veiklos veiksnys yra deguonies ir anglies dioksido kiekis vandenyje.
Įspūdingi skaičiai
Biosferos sudėtis, struktūra ir funkcijos stebina savo mastu. Dabar sužinosime keletą įdomių faktų. Vandenyje yra 660 kartų daugiau anglies dvideginio nei ore. Sausumoje vyrauja augalų pasaulio, o jūroje – gyvūnų pasaulio įvairovė. 92 procentus visos sausumoje esančios biomasės sudaro žalieji augalai. 94 % vandenyno sudaro mikroorganizmai ir gyvūnai.
Vidutiniškai kartą per aštuonerius metus Žemės biomasė atsinaujina. Sausumos augalams tam reikia 14 metų, vandenyno augalams – 33 dienų. Prireiks 3000 metų, kol visas Žemės rutulio vanduo praeis per gyvus organizmus, deguonis – iki 5000 metų, o anglies dioksidas – 6 metų. Azoto, anglies ir fosforo atveju šie ciklai yra dar ilgesni. Biologinis ciklas nėra uždaras – apie 10 % gyvųjų medžiagų patenka į nuosėdines nuosėdas ir palaidojimus.
Biosfera sudaro tik 0,05 % mūsų planetos masės. Jis užima apie 0,4% Žemės tūrio. Gyvų būtybių masė sudaro tik 0,01–0,02% inertinės medžiagos masės, tačiau jos atlieka labai svarbų vaidmenį geocheminiuose procesuose.
Kasmet pagaminama 200 milijardų tonų ekologiškos sausos masėsFotosintezė sugeria 170 milijardų tonų anglies dioksido. Vykstant gyvybinei mikroorganizmų veiklai, kasmet biogeniniame cikle dalyvauja 6 milijardai tonų azoto ir 2 milijardai tonų fosforo, taip pat didžiulis kiekis geležies, magnio, sieros, kalcio ir kitų elementų. Per šį laiką žmonija pagamina apie 100 milijardų tonų mineralų.
Organizmai savo gyvenimo eigoje labai prisideda prie medžiagų apykaitos, stabilizuodami ir transformuodami biosferą, kurios savybės ir struktūra verčia susimąstyti apie aukštesnių jėgų buvimą.
Energijos funkcija
Susipažinę su biosferos sandara ir sudėtimi, pereikime prie jos funkcijų. Pradėkime nuo energijos. Kaip žinote, augalai sugeria saulės spinduliuotę ir prisotina biosferą gyvybine energija. Apytiksliai 10 % užfiksuotos šviesos gamintojai sunaudoja savo reikmėms (daugiausia ląsteliniam kvėpavimui). Visa kita per maisto grandines pasiskirsto visose biosferos ekosistemose. Dalis energijos išsaugoma žemės žarnyne, prisotindama juos savo galia (anglimis, nafta ir kt.).
Net trumpai įvertinus biosferos funkcijas ir struktūrą, jie visada išskiria redokso funkciją kaip energijos porūšį. Chemosintetinės bakterijos, būdamos gamintojos, gali išgauti energiją iš neorganinių junginių oksidacijos ir redukcijos reakcijų. Vandenilio sulfido oksidacijos procese energija maitinasi sieros bakterijos, o geležies (nuo 2-valentės iki 3-valentės) – geležies bakterijos. Nitrifikuojantis taip pat nesėdėkite bereikalus. Jie oksiduoja amonio junginius į nitratus ir nitritus. Būtent todėl ūkininkai savo laukus tręšia amonio junginiais, kurių augalai patys neįsisavina. Dirvą tręšiant tiesiogiai nitratais, augalų kaupimosi audiniai persotinami vandeniu, todėl pablogėja jų skonis, o juos valgantiems žmonėms padidėja virškinimo ligų rizika.
Aplinkos formavimo funkcija
Gyvieji organizmai sudaro dirvožemį, taip pat reguliuoja žemės oro ir vandens apvalkalų sudėtį. Jei fotosintezė planetoje neegzistuotų, atmosferos deguonies atsargos būtų išnaudotos per 2000 metų. Be to, tiesiogine prasme per vieną šimtmetį dėl padidėjusios anglies dioksido koncentracijos ore organizmai pradėtų mirti. Per vieną dieną miškas gali sugerti iki 25% anglies dvideginio iš 50 metrų oro sluoksnio. Vidutinio dydžio medis gali aprūpinti deguonimi keturiems žmonėms. Viename hektare lapuočių miško, esančio šalia miesto, kasmet sulaikoma apie 100 tonų dulkių. Krištolo skaidrumu garsėjantis Baikalo ežeras yra toks dėl mažų vėžiagyvių, kurie jį „filtruoja“tris kartus per metus. Ir tai tik keli pavyzdžiai, kaip gyvi organizmai reguliuoja medžiagų sudėtį biosferoje.
Koncentracijos funkcija
Gyvos būtybės, o ypač mikroorganizmai, sugeba sukoncentruoti daugybę biosferoje esančių cheminių elementų. Beveik 90% dirvožemio azotoyra melsvadumblių veiklos rezultatas. Bakterijos gali sukoncentruoti geležį (pavyzdžiui, oksiduodamos vandenyje tirpų bikarbonatą iki jų aplinkoje nusėdusio hidroksido), manganą ir net sidabrą. Ši nuostabi savybė leido mokslininkams patikėti, kad žemėje tiek daug metalų nuosėdų yra mikroorganizmų dėka.
Kai kuriose šalyse tokie elementai kaip germanis ir selenas išgaunami iš augalų. Fucus dumbliai gali sukaupti 10 000 kartų daugiau titano nei yra aplinkiniame jūros vandenyje. Kiekvienoje rudųjų dumblių tonoje yra keli kilogramai jodo. Australijos ąžuolas kaupia aliuminį, pušis – berilį, beržas – barį ir stroncį, maumedis – niobį ir manganą, o toris – drebulėje, paukščių vyšnioje ir eglėje. Be to, kai kurie augalai net „surenka“tauriuosius metalus. Taigi, 1 tonoje pelyno pelenų gali būti iki 85 gramų aukso!
Gaidomoji funkcija
Žemės biosferos ir jos aplinkos cheminė struktūra apima ne tik kūrybinius, bet ir destruktyvius procesus. Tačiau jie taip pat atlieka svarbų vaidmenį reguliuojant medžiagas planetoje. Aktyviai gyvenant gyviems organizmams, vyksta organinių liekanų mineralizacija ir uolienų dūlėjimas. Bakterijos, grybai, melsvadumbliai ir kerpės gali suardyti kietas uolienas, išskirdamos anglies, azoto ir sieros rūgštis. Koroziniai junginiai taip pat išskiria medžių šaknis. Yra bakterijų, kurios netgi gali sunaikinti stiklą ir auksą.
Transporto funkcija
Atsižvelgiant į struktūrą irbiosferos funkcijas, negalima pamiršti medžiagos masės pernešimo. Medis pakelia vandenį iš žemės į atmosferą, kurmis išmeta žemę aukštyn, žuvis plaukia prieš srovę, skėrių spiečius migruoja – visa tai yra biosferos transportavimo funkcijos apraiška.
Gyvoji medžiaga gali atlikti didžiulį geologinį darbą, formuoti naują biosferos vaizdą ir aktyviai dalyvauti visuose jos procesuose.
Atskirai verta paminėti nuosėdinių uolienų susidarymo procesą. Pirmasis šio proceso etapas yra oro sąlygos – viršutinių litosferos sluoksnių sunaikinimas, veikiant orui, saulei, vandeniui ir mikroorganizmams. Į uolą įsiskverbusios augalų šaknys gali ją sunaikinti. Į šaknų suformuotus plyšius prasiskverbęs vanduo ištirpsta ir nuneša medžiagą. Taip yra dėl korozinių augalų komponentų. Kerpėse ypač daug organinių rūgščių. Taigi fizinis atmosferos poveikis atsiranda kartu su cheminiu poveikiu.
Dėl planktono organizmų mirties pasaulio vandenynų dugne kasmet nusėda iki 100 milijonų tonų kalkakmenio. Daugelis jų yra cheminės kilmės, pavyzdžiui, rūgštinio ir šarminio požeminio vandens sąlyčio srityje. Mirus vienaląsčiams dumbliams ir radiolariams, susidaro silicio turintys dumblai, kurie dengia šimtus tūkstančių km2 jūros dugno.
Dirvožemio formavimo funkcija
Biosferos savybės ir struktūra yra tokios išsamios, kad visos jos funkcijos yra glaudžiai susijusios. Taigi dirvožemio formavimas yra viena iš masių mainų šakųir aplinkos formavimas, tačiau dėl savo svarbos nagrinėjamas atskirai. Mikroorganizmams naikinant ir toliau apdorojant uolienas, susidaro purus, vaisingas žemės apvalkalas, vadinamas dirvožemiu. Stambių augalų šaknys mineralinius elementus ištraukia iš gilių horizontų, praturtindamos jais viršutinius dirvožemio sluoksnius ir padidindamos jų derlingumą. Dirvožemis organinių junginių gauna iš negyvų augalų šaknų ir stiebų, taip pat gyvūnų išmatų ir gaišenų. Šie junginiai yra maistas dirvožemio organizmams, kurie mineralizuoja organines medžiagas ir gamina anglies dioksidą, organines rūgštis ir amoniaką.
Stuburiai, vabzdžiai ir jų lervos atlieka svarbiausią struktūrą formuojantį vaidmenį. Jie daro dirvą purią ir tinkančią augalų gyvenimui. Stuburiniai gyvūnai (kurmiai, stribai ir kiti) purena žemę, prisidedant prie sėkmingo krūmų augimo joje. Naktį į žemę prasiskverbia atšaldytas suslėgtas oras, būtinas šaknų ir mikroorganizmų kvėpavimui.
Tokia nuostabi biosferos struktūra.
