כל היצורים החיים של כדור הארץ באים במגע הדוק זה עם זה ועם הסביבה, ובכך יוצרים מערכות אקולוגיות. קהילות אלה של אורגניזמים המקיימים אינטראקציה אינן מבודדות זו מזו. הם קשורים זה בזה על ידי מערכות יחסים שונות, בעיקר אוכל. מכלול המערכות האקולוגיות יוצר מערכת אקולוגית פלנטרית אחת, הנקראת הביוספרה. מאמר זה יתייחס למבנה הביוספרה, הרכבה ותפקידיה העיקריים.
Science
מושג זה הוכנס למדע לראשונה על ידי ג'יי ב. למארק בשנת 1803 והתכוון למכלול כל האורגניזמים החיים על פני כדור הארץ. בסוף המאה התשע-עשרה, המונח "ביוספירה" שימש את ג'יי זוסה, שכלל את החומר הדומם של סלעי משקע במבנה הביוספרה. הדוקטרינה של הביוספרה הופיעה בשנת 1926, כאשר V. I. Vernadsky סיכם כמות עצומה של מידע מדעי, בדרך זו או אחרתממחיש את הקשר בין חומר חי לחומר שאינו חי. המדען הצליח להראות שכוכב הלכת שלנו לא רק מיושב על ידי אורגניזמים חיים, אלא גם עובר שינוי פעיל על ידיהם. בנוסף, לדברי ורנדסקי, התערבות האדם בתהליכים טבעיים היא כה משמעותית שאפשר לדבר על הנואספירה - שלב חדש בהתפתחות הביוספרה. כיום, מדע הביוספרה משלב נתונים מתחומי ידע שונים. ביניהם ביולוגיה, כימיה, גיאולוגיה, קלימטולוגיה, אוקיינוסולוגיה, מדעי הקרקע ואחרים.
מבנה הביוספרה הוא כזה שאורגניזמים חיים יכולים לשמור באופן עצמאי על ההרכב הדרוש של הקרקע, האטמוספרה וההידרוספרה. הם ממלאים תפקיד סביבתי מרכזי. בהתבסס על כך, מדענים שיערו כי אדמה ואוויר נוצרו על ידי אורגניזמים חיים עצמם במשך מאות מיליוני שנות אבולוציה. לאחר שחקר את קווי הדמיון במבנה של סלעים גיאולוגיים הנמצאים עמוק יותר מהקמבריון, עם סלעים מאוחרים יותר, הציע ורנדסקי שהחיים על הפלנטה קיימים בצורת האורגניזמים הפשוטים ביותר כמעט מההתחלה. מאוחר יותר, גיאולוגים הוכיחו את הכשל של השערה זו.
מכיוון שהשמש היא הבסיס האנרגטי לקיומם של כל החיים על פני כדור הארץ, ניתן להתייחס לביוספרה כקליפה, שמבנהה והרכבה נוצרים עקב פעילותם המשותפת של אורגניזמים חיים ונקבעים על ידי הזרם של אנרגיה סולארית. עכשיו בואו נכיר את מבנה הביוספרה של כדור הארץ.
חיים ולא-חיים
בהתחשב בהרכב ובמבנה הביוספרה, קודם כלראוי לציין שהוא מורכב מחומר חי ולא חי (חומר אינרטי). עיקר האורגניזמים החיים מרוכז בשלוש קונכיות גיאולוגיות של כדור הארץ: האטמוספירה (שכבת האוויר), ההידרוספירה (אוקיינוסים, ימים וכן הלאה) והליתוספירה (השכבה העליונה של הסלע). עם זאת, קונכיות אלו מפוזרות בצורה לא אחידה במערכת האקולוגית הגדולה ביותר. לפיכך, ההידרוספירה מיוצגת במלואה במבנה הביוספרה, בעוד שהליתוספירה והאטמוספירה מיוצגות באופן חלקי (שכבות עליונות ותחתונה, בהתאמה).
המרכיב הלא-חי של הביוספרה מורכב מ:
- חומר ביוגני, שהוא תוצר של פעילות חיונית של אורגניזמים חיים. הוא כולל: פחם, נפט, כבול, אבן גיר טבעית, גז וכו'.
- חומר ביואינרט, שהוא תוצאה משותפת של פעילות חיונית של אורגניזמים ותהליכים לא ביולוגיים. זה כולל: אדמה, סחף, מאגרי מים וכן הלאה.
- חומר אינרטי, הנכלל במחזור הביולוגי, אך אינו תוצר של פעילות חיונית של אורגניזמים חיים. קבוצה זו כוללת: מים, מלחי מתכות, חנקן אטמוספרי וכו'.
גבולות הביוספירה
מושגים כמו ההרכב, המבנה והגבולות של הביוספרה קשורים זה לזה באופן הדוק. למרות העובדה שחיידקים ונבגים נמצאו בגבהים של עד 85 קילומטרים, מאמינים שהגבול העליון של הביוספרה הוא 20-25 ק מ. בגובה רב, ריכוז החומר החי זניח בשל ההשפעה החזקה של קרינת השמש.
בהידרוספירה, החיים נוכחים בכל מקום. ואפילו בתעלת מריאנה, שעומקה 11 ק"מ, המדעןמצרפת, J. Picard צפה לא רק בחסרי חוליות, אלא גם בדגים. חיידקים, אצות, פורמיניפרות וסרטנים חיים מתחת ליותר מ-400 מטרים של קרח אנטארקטי. חיידקים נמצאים מתחת לשכבת סחף של קילומטר ובמי תהום. עם זאת, הריכוז הגדול ביותר של יצורים חיים נצפה בעומק של עד 3 ק"מ. לפיכך, הגבולות והמבנה של הביוספרה בחלקים שונים של הפלנטה עשויים להיות שונים.
אטמוספירה, ליתוספרה והידרוספירה
האווירה מורכבת בעיקר מחמצן וחנקן. הוא מכיל כמויות קטנות של ארגון, פחמן דו חמצני ואוזון. החיים של יצורי היבשה והמים כאחד תלויים במצב האטמוספירה. חמצן נחוץ לנשימה של אורגניזמים חיים ולמינרליזציה של חומרים אורגניים גוססים. ובכן, פחמן דו חמצני משמש את הצמחים לפוטוסינתזה.
לליתוספירה עובי של 50 עד 200 ק"מ, אולם המספר העיקרי של מינים של אורגניזמים חיים מרוכז בשכבה העליונה בעובי של כמה עשרות סנטימטרים. התפשטות החיים בעומק הליתוספירה מוגבלת בשל מספר גורמים, שעיקרם: מחסור באור, צפיפות גבוהה של הטמפרטורה הבינונית והגבוהה. לפיכך, הגבול התחתון של תפוצת החיים בליתוספירה הוא עומק של 3 ק"מ, שבו נמצאו כמה סוגי חיידקים. למען ההגינות, יש לציין שהם לא חיו באדמה, אלא באופק מי תהום ונפט. ערכה של הליתוספירה טמון בעובדה שהיא מעניקה חיים לצמחים, ומזינה אותם בכל החומרים הדרושים.
הידרוספרההוא מרכיב חיוני בביוספרה. כ-90% מאספקת המים נופלת על האוקיינוס העולמי, התופס 70% משטח כדור הארץ. הוא מכיל 1.3 מיליארד ק"מ3, ונהרות ואגמים מכילים 0.2 מיליון ק"מ3 של מים. הגורם החשוב ביותר בפעילות החיונית של האורגניזם הוא תכולת החמצן והפחמן הדו חמצני במים.
מספרים מרתקים
ההרכב, המבנה והתפקודים של הביוספרה מפתיעים בקנה המידה שלהם. כעת נכיר כמה עובדות מעניינות. מים מכילים פי 660 יותר פחמן דו חמצני מאוויר. ביבשה שורר המגוון של עולם הצומח, ובים - עולם החי. 92 אחוז מכל הביומסה ביבשה היא צמחים ירוקים. באוקיינוס, 94% הם מיקרואורגניזמים ובעלי חיים.
בממוצע, אחת לשמונה שנים, הביומסה של כדור הארץ מתחדשת. צמחי אדמה צריכים 14 שנים בשביל זה, צמחי אוקיינוס - 33 ימים. ייקח 3000 שנה עד שכל המים על פני כדור הארץ יעברו דרך אורגניזמים חיים, חמצן - עד 5000 שנה ופחמן דו חמצני - 6 שנים. עבור חנקן, פחמן וזרחן, מחזורים אלה ארוכים אף יותר. המחזור הביולוגי אינו סגור - כ-10% מהחומר החי עוברים למרבצי משקעים וקבורה.
הביוספרה מהווה רק 0.05% מהמסה של הפלנטה שלנו. הוא תופס כ-0.4% מנפח כדור הארץ. המסה של יצורים חיים היא רק 0.01-0.02% מהמסה של חומר אינרטי, עם זאת, הם ממלאים תפקיד משמעותי מאוד בתהליכים גיאוכימיים.
200 מיליארד טון של משקל יבש אורגני מיוצרים מדי שנה, וכן בפוטוסינתזה סופגת 170 מיליארד טונות של פחמן דו חמצני. בתהליך הפעילות החיונית של מיקרואורגניזמים מעורבים במחזור הביוגני מדי שנה 6 מיליארד טון חנקן ו-2 מיליארד טון זרחן, כמו גם כמות עצומה של ברזל, מגנזיום, גופרית, סידן ואלמנטים נוספים. במהלך תקופה זו, האנושות מייצרת כ-100 מיליארד טון של מינרלים.
במהלך חייהם, אורגניזמים תורמים תרומה משמעותית למחזור החומרים, לייצוב ולשינוי הביוספרה, שתכונותיהם ומבנהו גורמים לחשוב על נוכחותם של כוחות עליונים.
פונקציית אנרגיה
לאחר היכרות עם המבנה וההרכב של הביוספרה, נעבור לתפקידיה. בואו נתחיל עם אנרגיה. כידוע, צמחים סופגים קרינת שמש ומרווים את הביוספרה באנרגיה חיונית. כ-10% מהאור הנקלט משמש את המפיקים לצרכיהם (בעיקר לנשימה תאית). כל השאר מופץ דרך שרשראות מזון בכל המערכות האקולוגיות של הביוספרה. חלק מהאנרגיה נשמר בבטן האדמה, מרווה אותם בכוחה (פחם, נפט וכו').
אפילו בהתחשב בתפקודים ובמבנה של הביוספרה בקצרה, הם תמיד מייחדים את פונקציית החיזור כתת-מין של אנרגיה. בהיותם יצרנים, חיידקים כימוסינתטיים יכולים להפיק אנרגיה מתגובות של חמצון והפחתה של תרכובות אנאורגניות. בתהליך של חמצון מימן גופרתי, חיידקי גופרית ניזונים מאנרגיה, וברזל (מ-2-valent ל-3-valent) - חיידקי ברזל. Nitrifying גם לא לשבת בליעניינים. הם מחמצנים תרכובות אמוניום לחנקות וניטריטים. לכן החקלאים מדשנים את שדותיהם בתרכובות אמוניום, שאינן נספגות בצמחים לבד. כשמדשנים את האדמה ישירות בחנקות, רקמות האגירה של הצמחים רוויות יתר במים, מה שמוביל להידרדרות בטעמם ולעלייה בסיכון למחלות עיכול אצל מי שאוכל אותם.
פונקציה שיוצרת סביבה
אורגניזמים חיים יוצרים את האדמה, וגם מווסתים את הרכב קונכיות האוויר והמים של כדור הארץ. אם הפוטוסינתזה לא הייתה קיימת על הפלנטה, אספקת החמצן האטמוספרי הייתה מנוצלת בעוד 2000 שנה. בנוסף, פשוטו כמשמעו במאה אחת, עקב עלייה בריכוז הפחמן הדו חמצני באוויר, אורגניזמים יתחילו למות. ביום אחד, יער יכול לספוג עד 25% של פחמן דו חמצני משכבת אוויר של 50 מטר. עץ בגודל בינוני יכול לספק חמצן לארבעה אנשים. דונם אחד של יער נשירים, הממוקם בסמוך לעיר, שומר מדי שנה על כ-100 טון אבק. אגם באיקל, המפורסם בצלילות הגביש שלו, כל כך הודות לסרטנים קטנים ש"מסננים" אותו שלוש פעמים בשנה. ואלה הן רק כמה דוגמאות לאופן שבו אורגניזמים חיים מווסתים את הרכב החומרים בביוספרה.
פונקציית ריכוז
יצורים חיים, ובמיוחד מיקרואורגניזמים, מסוגלים לרכז יסודות כימיים רבים המצויים בביוספרה. כמעט 90% חנקן בקרקעהם תוצאה של פעילותן של אצות כחולות ירוקות. חיידקים יכולים לרכז ברזל (לדוגמה, על ידי חמצון ביקרבונט מסיס במים להידרוקסיד המופקד בסביבתם), מנגן ואפילו כסף. התכונה המדהימה הזו אפשרה למדענים להאמין שבזכות מיקרואורגניזמים יש כל כך הרבה מרבצי מתכת על פני כדור הארץ.
במדינות מסוימות, יסודות כמו גרמניום וסלניום מופקים מצמחים. אצות פוקוס יכולות לצבור פי 10,000 יותר טיטניום ממה שנמצא במי הים שמסביב. כל טון של אצות חומות מכיל כמה קילוגרמים של יוד. אלון אוסטרלי צובר אלומיניום, אורן - בריליום, ליבנה - בריום וסטרונציום, לגש - ניוביום ומנגן, והתוריום מרוכז באספפן, דובדבן ציפורים ואשוח. בנוסף, חלק מהצמחים אפילו "אוספים" מתכות יקרות. אז בטון אחד של אפר לענה יכול להיות עד 85 גרם של זהב!
פונקציה הרסנית
המבנה הכימי של הביוספרה של כדור הארץ וסביבתו כולל לא רק תהליכים יצירתיים, אלא גם הרסניים. עם זאת, הם גם ממלאים תפקיד גדול בוויסות החומרים על פני כדור הארץ. עם החיים הפעילים של אורגניזמים חיים, מתרחשת מינרליזציה של שאריות אורגניות ובלייה של סלעים. חיידקים, פטריות, אצות כחולות ירוקות וחזזיות יכולים לפרק סלעים קשים על ידי שחרור חומצות פחמן, חנקתי וגופרית. תרכובות קורוזיביות משחררות גם שורשי עצים. ישנם חיידקים שיכולים אפילו להרוס זכוכית וזהב.
פונקציית תחבורה
בהתחשב במבנה והפונקציות של הביוספרה, אי אפשר לאבד את מראה ההעברה המונית של החומר. עץ מעלה מים מהאדמה לאטמוספירה, שומה מעיפה את האדמה למעלה, דג שוחה נגד הזרם, נחיל ארבה נודד - כל זה הוא ביטוי לתפקוד התחבורה של הביוספרה.
חומר חי יכול לעשות עבודה גיאולוגית אדירה, ליצור דימוי חדש של הביוספרה ולהשתתף באופן פעיל בכל התהליכים שלו.
בנפרד כדאי לשים לב לתהליך היווצרותם של סלעי משקע. השלב הראשון בתהליך זה הוא בליה - הרס השכבות העליונות של הליתוספירה תחת פעולת אוויר, שמש, מים ומיקרואורגניזמים. חודר לסלע, שורשי הצמחים יכולים להרוס אותו. המים המחלחלים לתוך הסדקים שנוצרים מהשורשים מתמוססים ומובילים את החומר. זה נובע מהמרכיבים המאכלים של הצמח. חזזיות מצויות בשפע במיוחד בחומצות אורגניות. לפיכך, בליה פיזיקלית מתרחשת יחד עם בליה כימית.
עקב מותם של אורגניזמים פלנקטונים, עד 100 מיליון טונות של אבן גיר מופקדות מדי שנה על קרקעית האוקיינוסים בעולם. רבים מהם ממקור כימי, כשהם, למשל, באזור המגע בין מי תהום חומציים ואלקליים. עם מותם של אצות חד-תאיות ורדיולריאנים, נוצרים סחף המכילים סיליקון המכסים מאות אלפי ק מ2 מקרקעית הים.
פונקציה יוצרת אדמה
המאפיינים והמבנה של הביוספרה הם כל כך מקיפים שכל הפונקציות שלה קשורות קשר הדוק. לפיכך, היווצרות קרקע היא אחד מענפי חילופי המוניםוהיווצרות סביבתית, אך נחשבת בנפרד בשל חשיבותה. במהלך הרס ועיבוד נוסף של סלעים על ידי מיקרואורגניזמים, נוצרת קליפה רופפת ופורה של כדור הארץ, הנקראת אדמה. שורשיהם של צמחים גדולים שואבים יסודות מינרלים מאופק עמוק, מעשירים בהם את השכבות העליונות של האדמה ומגבירים את פוריותם. האדמה קולטת תרכובות אורגניות מהשורשים והגבעולים המתים של הצמחים, כמו גם צואה ופגרי בעלי חיים. תרכובות אלו מהוות מזון לאורגניזמים בקרקע הממחזרים חומר אורגני, ומייצרים פחמן דו חמצני, חומצות אורגניות ואמוניה.
חסרי חוליות, חרקים, כמו גם הזחלים שלהם, ממלאים את התפקיד החשוב ביותר ביצירת מבנה. הם הופכים את האדמה לרופסת ומתאימה לחיי צמחים. בעלי חיים בעלי חוליות (שומות, שרצים ואחרים) משחררים את כדור הארץ, תורמים לצמיחה מוצלחת של שיחים בה. בלילה חודר אוויר דחוס צונן לקרקע, הדרוש לנשימה של שורשים ומיקרואורגניזמים.
מבנה מדהים כזה של הביוספירה.
