Všetky živé bytosti planéty Zem sa dostávajú do úzkeho kontaktu medzi sebou navzájom as prostredím, čím vytvárajú ekosystémy. Tieto spoločenstvá interagujúcich organizmov nie sú navzájom izolované. Prepájajú ich rôzne vzťahy, predovšetkým jedlo. Všetky ekosystémy tvoria jediný planetárny ekosystém, ktorý sa nazýva biosféra. Tento článok sa bude zaoberať štruktúrou biosféry, jej zložením a hlavnými funkciami.
Veda
Tento pojem prvýkrát zaviedol do vedy J. B. Lamarck v roku 1803 a znamenal súhrn všetkých živých organizmov na planéte Zem. Koncom devätnásteho storočia použil termín „biosféra“J. Zuse, ktorý do štruktúry biosféry zaradil neživú hmotu sedimentárnych hornín. Doktrína biosféry sa objavila v roku 1926, keď V. I. Vernadsky zhrnul obrovské množstvo vedeckých informácií, tak či onakznázorňujúci vzťah medzi živou a neživou hmotou. Vedec dokázal, že naša planéta nie je len obývaná živými organizmami, ale je nimi aj aktívne premieňaná. Okrem toho je podľa Vernadského zásah človeka do prírodných procesov taký významný, že možno hovoriť o noosfére – novej fáze vývoja biosféry. Dnes veda o biosfére kombinuje údaje z rôznych oblastí poznania. Patrí medzi ne biológia, chémia, geológia, klimatológia, oceánológia, veda o pôde a iné.
Štruktúra biosféry je taká, že živé organizmy môžu nezávisle udržiavať potrebné zloženie pôdy, atmosféry a hydrosféry. Zohrávajú kľúčovú environmentálnu úlohu. Na základe toho vedci vyslovili hypotézu, že pôdu a vzduch vytvorili samotné živé organizmy počas stoviek miliónov rokov evolúcie. Po štúdiu podobnosti v štruktúre geologických hornín, ktoré ležia hlbšie ako kambrium, s neskoršími horninami, Vernadsky navrhol, že život na planéte existoval vo forme najjednoduchších organizmov takmer od začiatku. Neskôr geológovia dokázali mylnosť tejto hypotézy.
Keďže slnko je energetickým základom pre existenciu všetkého života na Zemi, biosféru možno považovať za schránku, ktorej štruktúra a zloženie vznikajú spoločnou činnosťou živých organizmov a sú determinované prílev slnečnej energie. Teraz sa zoznámime so štruktúrou biosféry Zeme.
Živé a neživé
V prvom rade s ohľadom na zloženie a štruktúru biosférystojí za zmienku, že pozostáva zo živej a neživej hmoty (inertnej hmoty). Väčšina živých organizmov je sústredená v troch geologických obaloch Zeme: atmosféra (vzduchová vrstva), hydrosféra (oceány, moria atď.) a litosféra (vrchná vrstva hornín). Tieto lastúry sú však v najväčšom ekosystéme rozmiestnené nerovnomerne. V štruktúre biosféry je teda plne zastúpená hydrosféra, zatiaľ čo litosféra a atmosféra sú zastúpené čiastočne (horné a spodné vrstvy).
Neživá zložka biosféry pozostáva z:
- Biogénna látka, ktorá je produktom životnej činnosti živých organizmov. Zahŕňa: uhlie, ropu, rašelinu, prírodný vápenec, plyn atď.
- Bioinertná látka, ktorá je spoločným výsledkom životnej činnosti organizmov a nebiologických procesov. To zahŕňa: pôdu, bahno, vodné nádrže atď.
- Inertná látka, ktorá je súčasťou biologického cyklu, ale nie je produktom životnej činnosti živých organizmov. Táto skupina zahŕňa: vodu, kovové soli, atmosférický dusík atď.
Hranice biosféry
Pojmy ako zloženie, štruktúra a hranice biosféry spolu úzko súvisia. Napriek tomu, že baktérie a spóry boli nájdené v nadmorských výškach do 85 kilometrov, predpokladá sa, že horná hranica biosféry je 20-25 km. Vo vysokých nadmorských výškach je koncentrácia živej hmoty zanedbateľná kvôli silnému vplyvu slnečného žiarenia.
V hydrosfére je život prítomný všade. A dokonca aj v priekope Mariana, ktorej hĺbka je 11 km, vedecz Francúzska pozoroval J. Picard nielen bezstavovce, ale aj ryby. Baktérie, riasy, foraminifery a kôrovce žijú pod viac ako 400 metrami antarktického ľadu. Baktérie sa nachádzajú pod kilometrovou vrstvou bahna a v podzemnej vode. Napriek tomu je najväčšia koncentrácia živých bytostí pozorovaná v hĺbke až 3 km. Hranice a štruktúra biosféry v rôznych častiach planéty teda môžu byť odlišné.
Atmosféra, litosféra a hydrosféra
Atmosféra sa skladá hlavne z kyslíka a dusíka. Obsahuje malé množstvo argónu, oxidu uhličitého a ozónu. Život suchozemských aj vodných tvorov závisí od stavu atmosféry. Kyslík je nevyhnutný pre dýchanie živých organizmov a mineralizáciu odumierajúcich organických látok. Oxid uhličitý využívajú rastliny na fotosyntézu.
Litosféra má hrúbku 50 až 200 km, no hlavný počet druhov živých organizmov je sústredený v jej hornej vrstve hrubej niekoľko desiatok centimetrov. Šírenie života hlboko do litosféry je obmedzené množstvom faktorov, z ktorých hlavné sú: nedostatok svetla, vysoká hustota média a vysoká teplota. Spodnou hranicou distribúcie života v litosfére je teda hĺbka 3 km, v ktorej sa našli niektoré druhy baktérií. Pre spravodlivosť treba poznamenať, že nežili v zemi, ale v podzemných vodách a ropných horizontoch. Hodnota litosféry spočíva v tom, že dáva život rastlinám a vyživuje ich všetkými potrebnými látkami.
Hydrosféraje podstatnou súčasťou biosféry. Asi 90 % zásob vody pripadá na Svetový oceán, ktorý zaberá 70 % povrchu planéty. Obsahuje 1,3 miliardy km3 a rieky a jazerá obsahujú 0,2 milióna km3 vody. Najdôležitejším faktorom vitálnej činnosti organizmu je obsah kyslíka a oxidu uhličitého vo vode.
Fascinujúce čísla
Zloženie, štruktúra a funkcie biosféry prekvapujú svojou mierou. Teraz sa dozvieme niekoľko zaujímavých faktov. Voda obsahuje 660-krát viac oxidu uhličitého ako vzduch. Na súši prevláda rozmanitosť rastlinného sveta a v mori - živočíšny svet. 92 percent všetkej biomasy na zemi tvoria zelené rastliny. V oceáne tvoria 94 % mikroorganizmy a zvieratá.
V priemere raz za osem rokov sa biomasa Zeme obnoví. Pozemné rastliny na to potrebujú 14 rokov, oceánske rastliny - 33 dní. Bude trvať 3000 rokov, kým všetka voda na svete prejde živými organizmami, kyslíkom - až 5000 rokov a oxidom uhličitým - 6 rokov. V prípade dusíka, uhlíka a fosforu sú tieto cykly ešte dlhšie. Biologický cyklus nie je uzavretý - asi 10% živej hmoty prechádza do sedimentárnych usadenín a pohrebísk.
Biosféra predstavuje iba 0,05 % hmotnosti našej planéty. Zaberá asi 0,4% objemu Zeme. Hmotnosť živých bytostí je len 0,01-0,02% hmotnosti inertnej hmoty, avšak zohrávajú veľmi významnú úlohu v geochemických procesoch.
Ročne sa vyprodukuje 200 miliárd ton organickej sušinyFotosyntéza absorbuje 170 miliárd ton oxidu uhličitého. V procese životnej činnosti mikroorganizmov sa do biogénneho cyklu každoročne zapája 6 miliárd ton dusíka a 2 miliardy ton fosforu, ako aj obrovské množstvo železa, horčíka, síry, vápnika a ďalších prvkov. Počas tejto doby ľudstvo vyprodukuje asi 100 miliárd ton nerastov.
Organizmy v priebehu svojho života významne prispievajú k obehu látok, stabilizujú a premieňajú biosféru, ktorej vlastnosti a štruktúra nútia zamyslieť sa nad prítomnosťou vyšších síl.
Energetická funkcia
Po oboznámení sa so štruktúrou a zložením biosféry prejdime k jej funkciám. Začnime energiou. Ako viete, rastliny absorbujú slnečné žiarenie a nasýtia biosféru životnou energiou. Približne 10 % zachyteného svetla výrobcovia využívajú pre svoje potreby (hlavne na bunkové dýchanie). Všetko ostatné je distribuované prostredníctvom potravinových reťazcov vo všetkých ekosystémoch biosféry. Časť energie sa uchováva v útrobách zeme a nasýti ich svojou silou (uhlie, ropa atď.).
Aj keď krátko zvážime funkcie a štruktúru biosféry, vždy vyčleňujú redoxnú funkciu ako poddruh energie. Ako výrobcovia môžu chemosyntetické baktérie získavať energiu z reakcií oxidácie a redukcie anorganických zlúčenín. V procese oxidácie sírovodíka sa sírne baktérie živia energiou a železo (z 2-valentného na 3-valentné) - železné baktérie. Nitrifikačné tiež nesedia bezzáležitostiach. Oxidujú amónne zlúčeniny na dusičnany a dusitany. Farmári preto svoje polia hnojia amónnymi zlúčeninami, ktoré rastliny samé o sebe nevstrebú. Pri priamom hnojení pôdy dusičnanmi dochádza k presýteniu zásobných pletív rastlín vodou, čo vedie k zhoršeniu ich chuti a zvýšeniu rizika tráviacich chorôb u konzumentov.
Funkcia tvoriaca životné prostredie
Živé organizmy tvoria pôdu a tiež regulujú zloženie vzdušných a vodných schránok zeme. Ak by na planéte neexistovala fotosyntéza, zásoby vzdušného kyslíka by sa spotrebovali za 2000 rokov. Navyše doslova za jedno storočie by v dôsledku zvýšenia koncentrácie oxidu uhličitého vo vzduchu začali organizmy umierať. Za jeden deň dokáže les absorbovať až 25 % oxidu uhličitého z 50-metrovej vrstvy vzduchu. Stredne veľký strom dokáže poskytnúť kyslík štyrom ľuďom. Jeden hektár listnatého lesa, ktorý sa nachádza neďaleko mesta, ročne zadrží asi 100 ton prachu. Jazero Bajkal, ktoré je známe svojou krištáľovou čistotou, vďačí za to malým kôrovcom, ktoré ho „filtrujú“trikrát do roka. A to je len niekoľko príkladov toho, ako živé organizmy regulujú zloženie látok v biosfére.
Funkcia koncentrácie
Živé bytosti a najmä mikroorganizmy sú schopné koncentrovať veľa chemických prvkov nachádzajúcich sa v biosfére. Takmer 90 % pôdneho dusíkasú výsledkom činnosti modrozelených rias. Baktérie dokážu koncentrovať železo (napríklad oxidáciou vo vode rozpustného hydrogénuhličitanu na hydroxid usadený v ich prostredí), mangán a dokonca aj striebro. Táto úžasná vlastnosť umožnila vedcom uveriť, že práve vďaka mikroorganizmom je na Zemi toľko ložísk kovov.
V niektorých krajinách sa prvky ako germánium a selén získavajú z rastlín. Riasy Fucus dokážu akumulovať 10 000-krát viac titánu, ako je obsiahnuté v okolitej morskej vode. Každá tona hnedých rias obsahuje niekoľko kilogramov jódu. Austrálsky dub akumuluje hliník, borovica - berýlium, breza - bárium a stroncium, smrekovec - niób a mangán a tórium je sústredené v osiky, čerešni a jedle. Navyše, niektoré rastliny dokonca „zbierajú“drahé kovy. Takže v 1 tone palinového popola môže byť až 85 gramov zlata!
Deštruktívna funkcia
Chemická štruktúra biosféry Zeme a jej prostredia zahŕňa nielen tvorivé, ale aj deštruktívne procesy. Veľkú úlohu však zohrávajú aj pri regulácii látok na planéte. Pri aktívnom živote živých organizmov dochádza k mineralizácii organických zvyškov a zvetrávaniu hornín. Baktérie, huby, modrozelené riasy a lišajníky môžu rozkladať tvrdé horniny uvoľňovaním kyseliny uhličitej, dusitej a sírovej. Korozívne zlúčeniny tiež uvoľňujú korene stromov. Existujú baktérie, ktoré môžu dokonca zničiť sklo a zlato.
Prepravná funkcia
Vzhľadom na štruktúru afunkcie biosféry, nemožno stratiť zo zreteľa hromadný prenos hmoty. Strom dvíha vodu zo zeme do atmosféry, krtko vyvrhuje zem, ryba pláva proti prúdu, migruje roj kobyliek - to všetko je prejavom transportnej funkcie biosféry.
Živá hmota dokáže vykonať obrovskú geologickú prácu, formovať nový obraz biosféry a aktívne sa podieľať na všetkých jej procesoch.
Samostatne stojí za zmienku proces tvorby sedimentárnych hornín. Prvým stupňom tohto procesu je zvetrávanie – deštrukcia vrchných vrstiev litosféry pôsobením vzduchu, slnka, vody a mikroorganizmov. Vniknutie do skaly, korene rastlín ju môžu zničiť. Voda, ktorá presakuje do trhlín vytvorených koreňmi, sa rozpustí a látku odnesie. Je to spôsobené korozívnymi zložkami rastliny. Lišajníky sú obzvlášť bohaté na organické kyseliny. Fyzikálne zvetrávanie teda nastáva spolu s chemickým zvetrávaním.
V dôsledku smrti organizmov planktónu sa na dne svetových oceánov ročne ukladá až 100 miliónov ton vápenca. Mnohé z nich sú chemického pôvodu, nachádzajú sa napríklad v oblasti styku kyslých a zásaditých podzemných vôd. Smrťou jednobunkových rias a rádiolariánov sa vytvárajú kaly obsahujúce kremík, ktoré pokrývajú státisíce km2 morského dna.
Pôdotvorná funkcia
Vlastnosti a štruktúra biosféry sú také komplexné, že všetky jej funkcie spolu úzko súvisia. Tvorba pôdy je teda jednou z vetiev hromadnej výmenya tvorby životného prostredia, ale vzhľadom na svoj význam sa posudzuje samostatne. Počas ničenia a ďalšieho spracovania hornín mikroorganizmami sa vytvára voľná, plodná škrupina zeme, nazývaná pôda. Korene veľkých rastlín získavajú minerálne prvky z hlbokých horizontov, obohacujú nimi vrchné vrstvy pôdy a zvyšujú ich úrodnosť. Pôda prijíma organické zlúčeniny z odumretých koreňov a stoniek rastlín, ako aj z exkrementov a tiel zvierat. Tieto zlúčeniny sú potravou pre pôdne organizmy, ktoré mineralizujú organickú hmotu, produkujú oxid uhličitý, organické kyseliny a amoniak.
Najdôležitejšiu štruktúrotvornú úlohu zohrávajú bezstavovce, hmyz, ako aj ich larvy. Uvoľňujú pôdu a sú vhodné pre život rastlín. Stavovce (krtky, piskory a iné) uvoľňujú zem, čím prispievajú k úspešnému rastu kríkov v nej. V noci preniká do zeme ochladený stlačený vzduch, ktorý je potrebný na dýchanie koreňov a mikroorganizmov.
Taká úžasná štruktúra biosféry.
