Биосферный уровень организации жизни
Термин «биосфера» предложил австрийский ученый Эдуард Зюсс в 1875 году. Зюсс рассматривал биосферу только как совокупность живых организмов. Но в первой трети XX века русский ученый академик Владимир Вернадский создал учение о биосфере, как о системе, включающей и живые организмы, и среду их обитания. Неверно рассматривать живые организмы в отрыве от среды их обитания.
Компоненты биосферы Земли:
- живое вещество (совокупность всех живых организмов);
- биогенное вещество (минеральные продукты органического происхождения, созданные в результате жизнедеятельности организмов нефть, каменный уголь, газ, торф и др.);
- косное вещество (все, что образовано без участия живых организмов);
- биокосное вещество, созданное совместно живыми организмами и процессами неживой природы (например — почва или ил).
Давайте детально разберемся со средой обитания. Итак, мы знаем, что жизнь на нашей планете распространена в гидросфере, тропосфере и верхнем слое литосферы.
Гидросфера это водная оболочка Земли, совокупность всех водоемов на планете — океанов, морей, озер и рек. В отличие от литосферы и атмосферы, гидросфера полностью заселена живыми организмами. Как в пресной, так и в соленой воде, на любом уровне, на любой глубине в водоемах есть жизнь. В том числе и на глубинах 10 -12 км на дне Мирового океана. Но основная масса живых организмов заселяет верхний слой гидросферы в пределах до 200 метров от поверхности воды. Именно до такой глубины проникает сквозь воду солнечный свет, служащий источником энергии для растений. Нет света — нет большинства видов растений, которые служат источником питания для животных.
А теперь давайте подумаем, кто же в таком случае может жить на больших глубинах? Вниз, на глубину, оседают останки мертвых организмов и экскременты живых. Они-то и служат пищей для не хищных жителей глубин, которыми, в свою очередь, питаются хищники.
Обитатели гидросферы называются гидробионтами и по месту своего обитания делятся на 3 группы:
- планктон — организмы, живущие на поверхности водоемов, неспособные к самостоятельному передвижению. Планктон передвигается пассивно, за счет движения воды.
- нектон — организмы, передвигающиеся в воде самостоятельно;
- бентос — организмы, обитающие на грунте и в грунте дна водоемов.
Согласно современным представлениям, жизнь на Земле зародилась именно в гидросфере.
В гидросфере животный мир преобладает над растительным. 94 % биомассы (общей массы живых особей) гидросферы составляют животные и только 6% — растения. На суше же все наоборот — 99,2 % биомассы составляют растения, а на долю всех остальных (животных, грибов, микроорганизмов) остается всего 0,8 %. Правда, постоянная вырубка лесов постепенно изменяет это соотношение в пользу животных.
Тропосфера — это нижний слой атмосферы, газовой оболочки нашей планеты. Высота тропосферы разная. В полярных областях она составляет 8 -10 км, в умеренных широтах достигает до 12 км, а на экваторе до 18 км.
Говоря о обитателях тропосферы, надо помнить, что не существует живых организмов постоянно живущих в воздухе. Непосредственно в атмосфере организмы могут находиться лишь временно.
Чем выше — тем меньше жизни. Большинство летающих животных способны подниматься на высоту до 300 метров. Отдельные виды хищных птиц способны подниматься на высоту до 5 км. Не столько удивляет высота их подъема, сколько то, что с такой высоты они способны увидеть добычу на поверхности Земли! Известны случаи столкновения птиц с самолетами на высотах до 10 км. Бактерии и споры растений могут пассивно заноситься восходящими воздушными потоками на высоту до 20 км.
Выше тропосферы находится стратосфера, простирающаяся на высоту до 50 км. Стратосфера включает в себя озоновый слой, в котором задерживается большая часть коротких ультрафиолетовых волн солнечного излучения. Эти волны губительны для всего живого. Озоновый слой можно назвать щитом нашей планеты. Выше озонового слоя жизнь невозможна.
Подавляющее количество видов обитает на поверхности суши и верхнем плодородной оболочке Земли — педосфере или почве, которая является биокосным веществом. Современная наука выделяет педосферу в отдельную оболочку нашей планете, так что правильнее говорить, что живые организмы обитают в двух оболочках Земли — педосфере и литосфере. Толщина педосферы различна в разных районах нашей планеты — от нескольких сантиметров в горах до 3 метров на равнинах. Педосфера покрывает не только поверхность суши, но и дно водоемов. Примерно 50% педосферы составляют неорганические вещества и столько же приходится на долю живых организмов, органических веществ, воды и газов.
Роль педосферы очень важна. В ней происходит обмен веществ и энергии между всеми биогеоценозами, составляющими биосферу нашей планеты. В ней происходит конечная переработка продуктов жизнедеятельности живых организмов и их останков.
Литосфера — это верхняя твердая силикатная оболочка нашей планеты, состоящая из земной коры и верхней части мантии Земли. Толщина литосферы варьируется от 50 до 200 32 км. Распространение жизни в литосфере резко уменьшается с глубиной.
Землеройные животные, корни некоторых растений, бактерии и обитатели пещер способны жить на глубине в несколько десятков метров. Проникновению растений в глубь литосферы в первую очередь препятствует отсутствие света. С глубиной возрастает плотность среды и ее температура, что ограничивает распространение животных организмов. Давайте вспомним, что температура в центре ядра нашей планеты достигает 6000 °С! Тепло от ядра передается к лежащим выше оболочкам. С погружением в литосферу на 30-40 метров, ее температура увеличивается на 1°С. Выше уже было сказано о том, что там, где температура достигает 100 °С, жизнь белковых организмов становится невозможной. Вода, один из основных компонентов всех клеток, превращается в пар, а белки — разрушаются (денатурируются).
Классический бытовой пример денатурации белков при температуре 100 °С (температуре кипения воды) является варка яйца в кипящей воде. При варке в течение 2 минут белки яйца денатурируются частично и получается яйцо, сваренное всмятку. Если яйцо пробудет в кипятке 7 минут, то произойдет полная денатурация белков и получится яйцо, сваренное вкрутую.
Каждые 30-40 метров температура увеличивается на 1°С. Если принять условно, что температура поверхности Земли равна 0°С, то получится, что предельная глубина существования жизни в литосфере равна 3-4 км. Так оно и есть, именно на таких глубинах еще можно обнаружить некоторые виды бактерий-анаэробов, которым для жизнедеятельности не нужен кислорода воздуха (те, кому он нужен, называются «аэробами»). Бактерии эти обитают не в толще литосферы, а в подземных водах и нефтяных залежах.
Ниже 4 км жизни в литосфере нет.
Какой главный вывод можно сделать из того, что мы с вами сейчас узнали?
Вывод: в пределах биосферы живое вещество распределено неравномерно. В основном оно сосредоточено на поверхности Земли, в почве и в верхних слоях морей и океанов.
Но, кроме этого, распределение живого вещества изменяется от полюсов к экватору. Для жизнедеятельности большинства видов, населяющих нашу планету, нужны вода и тепло. На полюсах Земли очень холодно и нет воды в свободном виде, поэтому мало кто из животных способен там жить, а растений там нет вообще. Зато экваториальная зона с ее жарким климатом является наиболее благоприятной для жизни при условии наличия воды. Здесь отмечается максимальная концентрация живого вещества и максимальное видовое разнообразие.
Общую массу живых организмов нашей планеты, т.е. биомассу Земли в настоящее время считают равной примерно 2,5×1012 тоннам. 25 000 000 000 000 000 килограмм. 25 миллионов миллиардов!
Как функционирует биосфера? Можно сказать, что биосфера функционирует как единый, целостный организм, потому что биогеоценозы, из которых она состоит, связаны друг с другом. Обитатели суши питаются теми, кто живет в воде, в гидросферу с помощью ветров и круговорота воды поступают минеральные и органические вещества из наземных биогеоценозов, многие животные регулярно перемещаются из одного биогеоценоза в другой во время сезонных миграций, жители различных биогеоценозов выделяют в единую атмосферу нашей планеты продукты своей жизнедеятельности, семена и споры переносятся ветрами на огромные расстояния и т.п.
Существование биосферы основывается на непрерывном круговороте веществ, энергетической основой которого служит солнечный свет.
Одна из наиболее характерных особенностей биосферы является круговорот веществ между живой и неживой материей. Вещества попадают из окружающей среды в организмы и из организмов в окружающую среду. Эта взаимосвязь и заставляет в первую очередь рассматривать биосферу и биогеоценозы, как комплексные системы, объединяющие живую и неживую природу.
Составные части круговорота веществ в природе следующие:
- газовая. Все живое осуществляет постоянный газообмен с внешней средой. У животных газообмен происходит в процессе дыхания, а у растений — в процессе фотосинтеза;
- окислительно-восстановительная. В живых организмах происходит окисление органических веществ, полученных из внешней среды. При этом выделяется энергия, которая используется для синтеза аденозинтрифосфата (АТФ) — универсального источника (накопителя) энергии. Энергия, «аккумулированная» в АТФ высвобождается при его восстановлении. Часть энергии, полученной организмами, они отдают во внешнюю среду в виде тепла, а часть используют для обеспечения жизнедеятельности.
- биохимическая. Основу жизнедеятельности любого организма составляют химические превращения одних веществ в другие.
- концентрационная. Вещества из внешней среды накапливаются в живых организмах, а после их отмирания возвращаются в неживую природу.