جميع الكائنات الحية على كوكب الأرض على اتصال وثيق مع بعضها البعض ومع البيئة ، وبالتالي تشكل النظم البيئية. هذه المجتمعات من الكائنات الحية المتفاعلة ليست معزولة عن بعضها البعض. هم مترابطون من خلال علاقات مختلفة ، في المقام الأول الغذاء. تشكل مجمل النظم البيئية نظامًا بيئيًا كوكبيًا واحدًا ، والذي يسمى المحيط الحيوي. ستنظر هذه المقالة في هيكل المحيط الحيوي وتكوينه ووظائفه الرئيسية.
علم
تم تقديم هذا المفهوم لأول مرة في العلم من قبل J. B Lamarck مرة أخرى في عام 1803 ويعني مجمل جميع الكائنات الحية على كوكب الأرض. في نهاية القرن التاسع عشر ، استخدم المصطلح "المحيط الحيوي" من قبل ج. ظهرت عقيدة المحيط الحيوي في عام 1926 ، عندما لخص في.إي.فيرنادسكي قدرًا هائلاً من المعلومات العلمية ، بطريقة أو بأخرىتوضيح العلاقة بين المادة الحية وغير الحية. كان العالم قادرًا على إظهار أن كوكبنا لا يسكنه كائنات حية فحسب ، بل يتحول أيضًا بنشاط من قبلها. بالإضافة إلى ذلك ، وفقًا لفيرنادسكي ، فإن التدخل البشري في العمليات الطبيعية مهم جدًا لدرجة أنه من الممكن التحدث عن الغلاف الجوي - مرحلة جديدة في تطور المحيط الحيوي. اليوم ، يجمع علم المحيط الحيوي بين البيانات من مختلف مجالات المعرفة. من بينها علم الأحياء والكيمياء والجيولوجيا وعلم المناخ وعلم المحيطات وعلوم التربة وغيرها.
هيكل المحيط الحيوي بحيث يمكن للكائنات الحية أن تحافظ بشكل مستقل على التركيب الضروري للتربة والغلاف الجوي والغلاف المائي. يلعبون دورًا بيئيًا رئيسيًا. بناءً على ذلك ، افترض العلماء أن التربة والهواء خلقتهم الكائنات الحية نفسها على مدى مئات الملايين من السنين من التطور. بعد دراسة أوجه التشابه في بنية الصخور الجيولوجية التي تقع على عمق أعمق من العصر الكمبري ، مع الصخور اللاحقة ، اقترح فيرنادسكي أن الحياة على الكوكب كانت موجودة في شكل أبسط الكائنات الحية تقريبًا منذ البداية. في وقت لاحق ، أثبت الجيولوجيون مغالطة هذه الفرضية.
نظرًا لأن الشمس هي أساس الطاقة لوجود جميع أشكال الحياة على الأرض ، يمكن اعتبار المحيط الحيوي بمثابة قشرة ، يتشكل هيكلها وتكوينها بسبب النشاط المشترك للكائنات الحية ويتم تحديدها بواسطة تدفق الطاقة الشمسية. الآن دعنا نتعرف على بنية المحيط الحيوي للأرض.
الحية وغير الحية
النظر في تكوين وهيكل المحيط الحيوي أولاً وقبل كل شيءمن الجدير بالذكر أنه يتكون من مادة حية وغير حية (مادة خاملة). يتركز الجزء الأكبر من الكائنات الحية في ثلاث قذائف جيولوجية للأرض: الغلاف الجوي (طبقة الهواء) والغلاف المائي (المحيطات والبحار وما إلى ذلك) والغلاف الصخري (الطبقة العليا من الصخور). ومع ذلك ، فإن هذه الأصداف موزعة بشكل غير متساو في أكبر نظام بيئي. وهكذا ، يتم تمثيل الغلاف المائي بالكامل في هيكل المحيط الحيوي ، بينما يتم تمثيل الغلاف الصخري والغلاف الجوي جزئيًا (الطبقات العلوية والسفلية ، على التوالي).
المكون غير الحي للمحيط الحيوي يتكون من:
- مادة حيوية المنشأ ، وهي نتاج نشاط حيوي للكائنات الحية. وهي تشمل: الفحم ، والنفط ، والجفت ، والحجر الجيري الطبيعي ، والغاز ، إلخ.
- مادة Bioinert ، وهي نتيجة مشتركة للنشاط الحيوي للكائنات والعمليات غير البيولوجية. وهذا يشمل: التربة والطمي وخزانات المياه وما إلى ذلك.
- مادة خاملة ، والتي تدخل في الدورة البيولوجية ، ولكنها ليست منتجًا للنشاط الحيوي للكائنات الحية. تشمل هذه المجموعة: الماء ، الأملاح المعدنية ، النيتروجين الجوي ، إلخ.
حدود المحيط الحيوي
ترتبط مفاهيم مثل تكوين وبنية وحدود المحيط الحيوي ارتباطًا وثيقًا ببعضها البعض. على الرغم من حقيقة أنه تم العثور على البكتيريا والجراثيم على ارتفاعات تصل إلى 85 كيلومترًا ، إلا أنه يُعتقد أن الحد الأعلى للمحيط الحيوي هو 20-25 كم. في المرتفعات العالية ، يكون تركيز المادة الحية ضئيلاً بسبب التأثير القوي للإشعاع الشمسي.
في الغلاف المائي ، الحياة موجودة في كل مكان. وحتى في خندق ماريانا ، الذي يبلغ عمقه 11 كم ، العالمبيكار من فرنسا ، ليس فقط اللافقاريات ، ولكن الأسماك أيضًا. تعيش البكتيريا والطحالب والمنخربات والقشريات تحت أكثر من 400 متر من الجليد في أنتاركتيكا. تم العثور على البكتيريا تحت طبقة من الطمي على بعد كيلومتر واحد وفي المياه الجوفية. ومع ذلك ، لوحظ أكبر تركيز للكائنات الحية على عمق يصل إلى 3 كم. وبالتالي ، قد تختلف حدود وهيكل المحيط الحيوي في أجزاء مختلفة من الكوكب.
الغلاف الجوي والغلاف الصخري والغلاف المائي
يتكون الغلاف الجوي بشكل أساسي من الأكسجين والنيتروجين. يحتوي على كميات صغيرة من الأرجون وثاني أكسيد الكربون والأوزون. تعتمد حياة كائنات الأرض والمياه على حالة الغلاف الجوي. الأكسجين ضروري لتنفس الكائنات الحية وتمعدن المواد العضوية المحتضرة. حسنًا ، تستخدم النباتات ثاني أكسيد الكربون في عملية التمثيل الضوئي.
يبلغ سمك الغلاف الصخري من 50 إلى 200 كيلومتر ، ومع ذلك ، يتركز العدد الرئيسي لأنواع الكائنات الحية في الطبقة العليا بسماكة عدة عشرات من السنتيمترات. انتشار الحياة في عمق الغلاف الصخري محدود بسبب عدد من العوامل ، أهمها: قلة الضوء ، كثافة عالية في المتوسط ودرجة حرارة عالية. وبالتالي ، فإن الحد الأدنى لتوزيع الحياة في الغلاف الصخري هو عمق 3 كيلومترات ، حيث تم العثور على بعض أنواع البكتيريا. وللإنصاف ، تجدر الإشارة إلى أنهم لم يعيشوا في الأرض ، بل في المياه الجوفية وآفاق النفط. تكمن قيمة الغلاف الصخري في حقيقة أنه يعطي الحياة للنباتات ، ويغذيها بكل المواد الضرورية.
الغلاف المائيهو عنصر أساسي في المحيط الحيوي. يقع حوالي 90٪ من إمدادات المياه في المحيط العالمي ، الذي يشغل 70٪ من سطح الكوكب. تحتوي على 1.3 مليار كيلومتر3، وتحتوي الأنهار والبحيرات على 0.2 مليون كيلومتر3من المياه. أهم عامل في النشاط الحيوي للكائن هو محتوى الأكسجين وثاني أكسيد الكربون في الماء.
أرقام رائعة
تكوين وهيكل ووظائف المحيط الحيوي تفاجئ بمقياسها. سوف نتعرف الآن على بعض الحقائق المثيرة للاهتمام. يحتوي الماء على ثاني أكسيد الكربون أكثر بـ660 مرة من الهواء. على اليابسة ، يسود تنوع عالم النبات ، وفي البحر - عالم الحيوان. 92 في المائة من الكتلة الحيوية على الأرض نباتات خضراء. في المحيط ، 94٪ من الكائنات الحية الدقيقة والحيوانات.
في المتوسط ، مرة كل ثماني سنوات ، يتم تجديد الكتلة الحيوية للأرض. تحتاج النباتات البرية إلى 14 عامًا ، ونباتات المحيط - 33 يومًا. سيستغرق الأمر 3000 عام حتى تمر كل مياه الكرة الأرضية عبر الكائنات الحية والأكسجين - حتى 5000 عام وثاني أكسيد الكربون - 6 سنوات. بالنسبة للنيتروجين والكربون والفوسفور ، تكون هذه الدورات أطول. الدورة البيولوجية ليست مغلقة - حوالي 10٪ من المادة الحية تمر في الرواسب الرسوبية والمدافن.
يمثل المحيط الحيوي 0.05٪ فقط من كتلة كوكبنا. تحتل حوالي 0.4٪ من حجم الأرض. تبلغ كتلة الكائنات الحية 0.01-0.02٪ فقط من كتلة المادة الخاملة ، ومع ذلك ، فإنها تلعب دورًا مهمًا للغاية في العمليات الجيوكيميائية.
يتم إنتاج 200 مليار طن من الوزن الجاف العضوي سنويًا ، وفييمتص التمثيل الضوئي 170 مليار طن من ثاني أكسيد الكربون. في عملية النشاط الحيوي للكائنات الحية الدقيقة ، تشارك 6 مليارات طن من النيتروجين و 2 مليار طن من الفوسفور ، بالإضافة إلى كمية هائلة من الحديد والمغنيسيوم والكبريت والكالسيوم وعناصر أخرى في دورة التوليد الحيوي كل عام. خلال هذا الوقت ، تنتج البشرية حوالي 100 مليار طن من المعادن.
تقدم الكائنات الحية ، على مدار حياتها ، مساهمة كبيرة في تداول المواد ، وتحقيق الاستقرار وتحويل المحيط الحيوي ، والتي تجعل خصائصها وبنيتها المرء يفكر في وجود قوى أعلى.
وظيفة الطاقة
بعد التعرف على هيكل وتكوين المحيط الحيوي ، دعنا ننتقل إلى وظائفه. لنبدأ بالطاقة. كما تعلم ، تمتص النباتات الإشعاع الشمسي وتشبع المحيط الحيوي بالطاقة الحيوية. يستخدم المنتجون حوالي 10٪ من الضوء الملتقط لاحتياجاتهم (خاصة للتنفس الخلوي). يتم توزيع كل شيء آخر من خلال سلاسل الغذاء في جميع النظم البيئية للمحيط الحيوي. يتم حفظ جزء من الطاقة في أحشاء الأرض ، وتشبعها بقوتها (الفحم ، الزيت ، إلخ).
حتى مع الأخذ في الاعتبار وظائف وهيكل المحيط الحيوي لفترة وجيزة ، فإنهم دائمًا ما يفردون وظيفة الأكسدة والاختزال كنوع فرعي من الطاقة. كونها منتجة ، يمكن للبكتيريا المصنعة كيميائيًا استخراج الطاقة من تفاعلات الأكسدة وتقليل المركبات غير العضوية. في عملية أكسدة كبريتيد الهيدروجين ، تتغذى بكتيريا الكبريت على الطاقة ، والحديد (من 2-التكافؤ إلى 3-التكافؤ) - بكتيريا الحديد. النترجة أيضا لا الجلوس بدونأمور. يؤكسدون مركبات الأمونيوم إلى النترات والنتريت. هذا هو السبب في قيام المزارعين بتخصيب حقولهم بمركبات الأمونيوم ، التي لا تمتصها النباتات بمفردها. عند تسميد التربة مباشرة بالنترات فإن أنسجة تخزين النباتات تكون مشبعة بالماء مما يؤدي إلى تدهور مذاقها وزيادة خطر الإصابة بأمراض الجهاز الهضمي لدى من يأكلها.
وظيفة تشكيل البيئة
الكائنات الحية تشكل التربة ، وتنظم أيضًا تكوين قذائف الهواء والماء للأرض. إذا لم يكن التمثيل الضوئي موجودًا على الكوكب ، فسيتم استخدام إمدادات الأكسجين في الغلاف الجوي في 2000 عام. بالإضافة إلى ذلك ، في غضون قرن واحد ، وبسبب زيادة تركيز ثاني أكسيد الكربون في الهواء ، ستبدأ الكائنات الحية في الموت. في يوم واحد ، يمكن للغابة أن تمتص ما يصل إلى 25٪ من ثاني أكسيد الكربون من طبقة من الهواء يبلغ ارتفاعها 50 مترًا. يمكن لشجرة متوسطة الحجم أن توفر الأكسجين لأربعة أشخاص. هكتار واحد من الغابات المتساقطة ، الواقعة بالقرب من المدينة ، يحتفظ سنويًا بحوالي 100 طن من الغبار. تشتهر بحيرة بايكال بنقاءها الكريستالي بفضل القشريات الصغيرة التي "ترشحها" ثلاث مرات في السنة. وهذه مجرد أمثلة قليلة على كيفية تنظيم الكائنات الحية لتكوين المواد في المحيط الحيوي.
وظيفة التركيز
الكائنات الحية ، وخاصة الكائنات الحية الدقيقة ، قادرة على تركيز العديد من العناصر الكيميائية الموجودة في المحيط الحيوي. ما يقرب من 90٪ نيتروجين التربةهي نتيجة نشاط الطحالب الخضراء المزرقة. يمكن للبكتيريا تركيز الحديد (على سبيل المثال ، عن طريق أكسدة البيكربونات القابلة للذوبان في الماء إلى هيدروكسيد المترسب في بيئتها) ، والمنغنيز ، وحتى الفضة. سمحت هذه الميزة المدهشة للعلماء بالاعتقاد أنه بفضل الكائنات الحية الدقيقة يوجد الكثير من الرواسب المعدنية على الأرض.
في بعض البلدان ، يتم استخراج عناصر مثل الجرمانيوم والسيلينيوم من النباتات. يمكن أن تتراكم طحالب الفوق 10000 مرة من التيتانيوم أكثر مما تتراكم في مياه البحر المحيطة. يحتوي كل طن من الطحالب البنية على عدة كيلوغرامات من اليود. يتراكم البلوط الأسترالي الألومنيوم ، والصنوبر - البريليوم ، والبتولا - الباريوم والسترونشيوم ، واللارك - النيوبيوم والمنغنيز ، ويتركز الثوريوم في الحور الرجراج ، والكرز ، والتنوب. بالإضافة إلى ذلك ، تقوم بعض المصانع "بجمع" المعادن الثمينة. لذلك ، في 1 طن من رماد الشيح يمكن أن يكون هناك ما يصل إلى 85 جرامًا من الذهب!
وظيفة مدمرة
لا يتضمن التركيب الكيميائي للمحيط الحيوي للأرض وبيئتها عمليات إبداعية فحسب ، بل تتضمن أيضًا عمليات مدمرة. ومع ذلك ، فإنها تلعب أيضًا دورًا كبيرًا في تنظيم المواد على هذا الكوكب. مع الحياة النشطة للكائنات الحية ، يحدث تمعدن المخلفات العضوية وتجوية الصخور. يمكن للبكتيريا والفطريات والطحالب الخضراء المزرقة والأشنة تكسير الصخور الصلبة عن طريق إطلاق أحماض الكربونيك والنيتروز والكبريتيك. المركبات المسببة للتآكل تطلق أيضًا جذور الأشجار. هناك بكتيريا يمكنها حتى تدمير الزجاج والذهب.
وظيفة النقل
النظر في الهيكل ووظائف المحيط الحيوي ، لا يمكن للمرء أن يغيب عن بالنا النقل الجماعي للمادة. ترفع الشجرة الماء من الأرض إلى الغلاف الجوي ، ويرمي الخلد الأرض لأعلى ، وتسبح السمكة عكس التيار ، ويهاجر سرب من الجراد - كل هذا مظهر من مظاهر وظيفة النقل في المحيط الحيوي.
يمكن للمادة الحية القيام بعمل جيولوجي هائل ، وتشكيل صورة جديدة للمحيط الحيوي والمشاركة بنشاط في جميع عملياتها.
بشكل منفصل ، تجدر الإشارة إلى عملية تكوين الصخور الرسوبية. المرحلة الأولى من هذه العملية هي التجوية - تدمير الطبقات العليا من الغلاف الصخري تحت تأثير الهواء والشمس والماء والكائنات الحية الدقيقة. اقتحام الصخرة ، يمكن لجذور النباتات تدميرها. يذوب الماء الذي يتسرب إلى الشقوق التي تشكلها الجذور ويحمل المادة بعيدًا. هذا بسبب المكونات المسببة للتآكل في النبات. الأشنات وفيرة بشكل خاص في الأحماض العضوية. وبالتالي ، تحدث التجوية الفيزيائية جنبًا إلى جنب مع التجوية الكيميائية.
بسبب موت كائنات العوالق ، يتم ترسيب ما يصل إلى 100 مليون طن من الحجر الجيري سنويًا في قاع محيطات العالم. العديد منها من أصل كيميائي ، على سبيل المثال ، في منطقة التلامس بين المياه الجوفية الحمضية والقلوية. مع موت الطحالب وحيدة الخلية والراديولارية ، تتشكل الطمي المحتوية على السيليكون والتي تغطي مئات الآلاف من الكيلومترات2من قاع البحر.
وظيفة تشكيل التربة
خصائص وهيكل المحيط الحيوي شاملان لدرجة أن جميع وظائفه مرتبطة ارتباطًا وثيقًا. وبالتالي ، فإن تكوين التربة هو أحد فروع التبادل الشاملوالتكوين البيئي ، ولكن يتم النظر فيه بشكل منفصل نظرًا لأهميته. أثناء التدمير والمعالجة الإضافية للصخور بواسطة الكائنات الحية الدقيقة ، تتشكل قشرة أرضية فضفاضة مثمرة تسمى التربة. تستخرج جذور النباتات الكبيرة العناصر المعدنية من الآفاق العميقة وتثري بها الطبقات العليا من التربة وتزيد من ثمرتها. تستقبل التربة مركبات عضوية من الجذور والسيقان الميتة للنباتات ، فضلًا عن فضلات الحيوانات وجثثها. هذه المركبات هي غذاء لكائنات التربة التي تمعدن المواد العضوية ، وتنتج ثاني أكسيد الكربون ، والأحماض العضوية والأمونيا.
تلعب اللافقاريات والحشرات ويرقاتها أهم دور في تكوين البنية. أنها تجعل التربة فضفاضة ومناسبة للحياة النباتية. تقوم الحيوانات الفقارية (الخلد ، الزبابة وغيرها) بفك الأرض ، مما يساهم في نجاح نمو الشجيرات فيها. في الليل ، يخترق الهواء المضغوط المبرد الأرض ، وهو أمر ضروري لتنفس الجذور والكائنات الحية الدقيقة.
مثل هذا الهيكل المذهل للمحيط الحيوي.
