Биосфера Земли: структура, жизненные формы и устойчивость экосистем

Биосфера представляет собой глобальную оболочку Земли, населенную живыми организмами. Она интегрирует верхние слои литосферы (земная кора), всю гидросферу (водные ресурсы) и нижние слои атмосферы. Жизнь, возникшая более 3.8 миллиардов лет назад, играет ключевую роль в планетарной регуляции, поддерживая условия, благоприятные для ее же существования. Это формирует саморегулирующуюся систему, где биологические процессы активно взаимодействуют с химическими, геологическими и климатическими циклами. Таким образом, биосфера функционирует как сложный механизм поддержания и эволюции жизни.

Подавляющая часть организмов получает энергию от Солнца через процесс фотосинтеза. Растения, цианобактерии и некоторые протисты непосредственно преобразуют солнечную энергию в химические связи. Консументы и редуценты используют органическое вещество, созданное фотосинтетиками, формируя основу пищевых сетей. Следовательно, основная биомасса сосредоточена в освещенных зонах: фотическом слое океана, приповерхностном слое литосферы и тропосфере. Эти регионы характеризуются максимальной доступностью солнечной энергии для первичных продуцентов.

Бактерии и археи являются доминирующими по численности и разнообразию формами жизни. Их популяция оценивается в ~5×10³⁰ клеток, а экологическая пластичность беспрецедентна. Микроорганизмы обитают в экстремальных условиях: при температурах от -5°C до +113°C, значениях pH от 0 до 11, колоссальном давлении и любой солености. Такая устойчивость позволяет им колонизировать ниши, недоступные другим организмам, — от глубоких недр и гидротермальных источников до стратосферы.

Жизнь распространена на планете повсеместно, хотя ее обилие уменьшается с глубиной и высотой. В верхних слоях атмосферы основными лимитирующими факторами являются жесткая ультрафиолетовая радиация и дефицит питательных веществ и влаги. В литосфере сообщества микроорганизмов и беспозвоночных населяют почвы и осадочные толщи, тогда как глубинная биосфера представлена бактериями в порах горных пород и подземных водах на глубинах свыше 3.5 км. Эти организмы часто независимы от солнечного света, используя геохимическую энергию.

Океаны, как основная часть гидросферы, наиболее насыщены жизнью в эвфотической зоне (до 200 м). Ниже основу пищевых цепей составляют органический детрит и бактериальный хемосинтез. Донные осадки могут содержать до 10 млрд бактериальных клеток на миллилитр. В бескислородных (анаэробных) условиях процветают сульфатвосстанавливающие и метаногенные микроорганизмы, обнаруживаемые на глубинах более 850 метров под морским дном.

Кардинальное открытие произошло в 1977 году у Галапагосского рифта. Ученые обнаружили уникальные экосистемы гидротермальных источников («черных курильщиков») на срединно-океанических хребтах. Непосредственные наблюдения в 1979 году с помощью глубоководного аппарата «Элвин» под руководством Питера Лонсдейла подтвердили их существование. Здесь морская вода, нагретая магмой, выщелачивает химические элементы из пород и изливается через дымообразные структуры с температурами до 350°C.

Эти экосистемы основаны на хемосинтезе. Термофильные бактерии окисляют соединения серы и метан, выступая первичными продуцентами. Они поддерживают богатые сообщества, включающие гигантских трубчатых червей (Riftia pachyptila), особых моллюсков и ракообразных. Данное открытие доказало возможность существования сложных высокопродуктивных экосистем, полностью независимых от солнечной энергии и основанных на внутренней энергии Земли.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам геологических специальностей, профессиональным геологам-тектонистам, специалистам в области геодинамики и региональной геологии, а также всем, кто интересуется фундаментальными процессами формирования и эволюции земной коры.