Основы оболочки земли их свойства и состав

Гидросфера, как и другие основные сферы Земли - атмосфера и литосфера, испытывает все возрастающее антропогенное и техногенное воздействие. Оно проявляется двумя основными путями: поступлением в водные объекты загрязнений и изменением условий формирования поверхностных и подземных вод. Последствия этих воздействий наиболее остро ощущаются в крупных городах, где проживает уже половина человечества.

Гидросфера и живые организмы

Гидросфера - компонент неживой материи, но с ней связана жизнь на Земле.

Как и в косной (неживой) среде, в гидросфере организма происходит обмен воды с внешним окружением - своего рода внешний круговорот.

Рассмотрим роль воды в организме человека. Эмбрион на 97 % состоит из воды. В младенческом возрасте ее количество сокращается до 86 %. У взрослого человека оно не превышает 60 %. Основная часть воды - 70 % - сосредоточена в клетках, а 30 % - это внеклеточная вода. Особенно много воды в крови - до 90 %. В настоящее время значительное внимание уделяется свойствам воды. Так, установлено, что благодаря водородным связям молекулы воду связываются в восьмигранники – октаэдры. Это так называемая «структурированная вода». Она легко вступает в соединения с биологическими макромолекулами, поглощается живыми организмами. При воздействии на воду каким-либо видом энергии, например микроволновым излучением, значительная часть октаэдров распадается, и в воде повышается количество свободных молекул. Эта вода обладает бактерицидными свойствами. Структура воды сохраняется довольно длительное время (до месяца). Это следует учитывать при использовании воду в качестве растворителя при приготовлении различных лекарственных форм.

Литосфера.

Литосфера – каменная оболочка земли – земная коры, развитие всего живого. Твердая земная кора, на которой мы обитаем, по отношению ко всей планете не толще яичной скорлупы. Она составляет 1,5 % ее объема и 0,8 % массы. Это сопоставление говорит о распределении элементов с преобладанием легких (в земной коре) и тяжелых – в мантии и ядре Земли.

Самая верхняя часть земной коры достаточно исследована, в то время как представления о внутреннем строении Земли основаны на изучении сейсмических данных.

Толщина земной коры не одинакова:  от 70-75 км под высокими горами до 6-8 км под морским дном. Вместе с самой верхней частью мантии она образует жесткую литосферу, перекрывающую пластичный слой - астеносферу, по которой плиты литосферы могут дрейфовать в боковом направлении.

Земная кора делится на материковую и океаническую. Океаническая кора подстилает материковую, а под океанами несет на себе тонкий покров осадков и лав. Плотность материковой коры - 2,7 г/см3, она легче океанической, плотность которой - 2,9 г/см3.

Под земной корой находится мантия – слой полураплавленных пород с высокими температурой и давлением. В мантии происходит непрерывное движение вещества. Потоки вещества в мантии приводят к перемещению литосферных плит – участков земной коры. Это так называемая ”новая глобальная тектоника” или ”тектоника плит” (Альфред Вегенер, 1880 – 1930 г). Идея дрейфа материков была вызвана удивительным сходством их очертаний. Например, побережья Западной Африки и побережья Южной Америки. Реконструкция положения материков в ранние геологические периоды привели к убеждению о существовании праматерика – Пангеи, которая потом разделилась на Гондвану и Лавразию, а затем через ряд стадий пришла к современному состоянию. Реконструкция осуществлялась с учетом очертаний побережий, границ оледенений, распространения ископаемых животных и растений. Литосферные плиты под действием конвективных потоков вещества в мантии находятся в постоянном движении. При этом, движение каждой из плит осуществляется независимо от других, и если происходит их столкновение, то в месте контакта возникают горные цепи, или, напротив, глубоководные желоба, если одна из плит наползает на другую.  Движение литосферных плит – одна из причин землетрясений.

Активные в тектоническом отношении участки – разломы являются геопатогенными зонами, которые  оказывают отрицательное воздействие на здоровье человека, которое по своему негативному результату может превосходить антропогенное влияние (А.А.Келлер и В.И.Кувакин). Существует статистически значимые связи между заболеваниями злокачественными новообразованиями, рассеянным склерозом, ишемической болезнью сердца, а также возникновением дорожно-транспортных происшествий с геопатогенными зонами. В.А.Рудник (1998) приводит данные о состоянии здоровья сотен тысяч жителей Санкт-Петербурга, Уфы, городов Ленинградской области и Карелии. Было установлено, что каждые 2 из 3 больных онкологическими заболеваниями проживают или ранее долго жили в геопатогенных районах непосредственно над разломами земной коры. Уровень заболеваемости ишемической болезни сердца был в 2 раза выше, а гипертонической болезнью в 1.5 раза выше, чем в других районах. Смертность в геопатогенных зонах в 2-2.5 раза выше средней. Обращаемость взрослых в поликлиники в геопатогенных зонах в 2 - 3 раза больше, чем в среднем по региону, заболеваемость детей в 2-2.2 раза выше средних показателей. Заболеваемость лейкозом в 3.5 раз выше средних значений, болезни Дауна – в 4 раза. В.А.Рудник утверждает, что статистика дорожно-транспортных происшествий в Калининском районе Санкт-Петербурга и на автотрассе Санкт-Петербург – Мурманск  свидетельствует об их увеличении на 30-100% по сравнению с другими районами (без геоаномалий). Вместе с тем, истинные причины и механизмы, связывающие аномалии литосферы и указанные изменения в биосфере в настоящее время не известны.

Неоднородность строения земной коры и биогеохимические особенности литосферы могут проявляться  и в других медико-экологических особенностях. Так, при  изучении состояния здоровья сельского населения было установлено, что в районах Курской магнитной аномалии отмечается повышенная заболеваемость болезнями сердечно-сосудистой системы. С неоднородностью литосферы и геологическими активными зонами земной коры связаны  изменения геофизических полей, в частности, магнитного поля, которые также небезразличны для здоровья человека.

Сферы Земли взаимодействуют друг с другом. Они обмениваются веществом и энергией составляя некое целое – нашу Землю.

Биосфера.

Биосфера - это оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются совокупной деятельностью живых организмов. В нее входят не только растительный покров и животные, населяющие нашу планету, но и все реки, озера, моря, океаны, весь почвенный слой и самый верхний слой земной коры - зона выветривания, а также значительная часть атмосферы. Верхняя граница биосферы находится на высоте 15-20 км от поверхности земли, в стратосфере. Верхний предел жизни ограничивается ультрафиолетовыми лучами и космическими излучениями. Нижняя граница жизни проходит по литосфере на глубине 2-3 км (здесь в нефтеносных слоях были обнаружены бактерии) и по дну океана в гидросфере. Жизнь в основном сосредоточена в верхней части литосферы - в почве и на ее поверхности - ив верхней части гидросферы. Таким образом, средняя толщина биосферы составляет 12-17 км, а максимальная не превышает 33-36 км.

Термин «биосфера» ввел австрийский ученый Э. Зюсс в 1875 г., понимавший ее как тонкую пленку жизни на земной поверхности, в значительной мере определяющую «лик Земли». Заслуга создания целостного учения о биосфере принадлежит В. И. Вернадскому. Основы этого учения он изложил в своей книге «Биосфера», опубликованной в 1926 г Он доказал, что совокупность живых организмов, когда-либо обитавших и обитающих на Земле, играет огромную роль в ее геологической эволюции, а также во всех физических и химических процессах, протекающих на земной поверхности и в толще вод.

На первый взгляд, роль «живого вещества» сильно завышена. Ведь доля совокупности всех живых организмов даже в общей массе Земли, но в пределах ее современной биосферы составляет лишь 0,25 %. Кроме того, все живое вещество Земли сосредоточено в очень узкой части пространства, прилегающего к земной поверхности. Однако взгляды о ведущей роли живого вещества в образовании современного химического состава атмосферы, гидросферы и части литосферы получили разностороннее подтверждение.

В. И. Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, включающую наряду с организмами и среду их обитания. Он выделил в биосфере семь разных, но геологически взаимосвязанных типов веществ: 1) живое вещество, 2) биогенное вещество (горючие ископаемые, известняки и т. п., создаваемые и перерабатываемые живыми организмами), 3) косное вещество, образованное в результате процессов, в которых живые организмы не участвуют (например, горные породы, возникающие при извержении вулканов), 4) биокосное вещество, создаваемое одновременно живыми организмами и процессами неорганической природы (например, почва), 5) радиоактивное вещество, 6) рассеянные атомы, 7) вещество космического происхождения (метеориты, космическая пыль).

Центральным звеном в концепции В. И. Вернадского является представление о живом веществе. «Живые организмы, писал Вернадский, являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей. Для того, чтобы в этом убедиться, мы должны выразить живые организмы как нечто целое и единое. Так выраженные организмы представляют живое вещество, то есть совокупность всех живых организмов, в данный момент существующих, численно выраженное в элементарном химическом составе, в весе, в энергии. Оно связано с окружающей средой биогенным током атомов: своим дыханием, питанием и размножением».

Живые организмы обладают очень высокой геохимической активностью. Они способны усваивать солнечную энергию в процессе фотосинтеза и использовать ее для образования сложных соединений из простых веществ, имеющихся на Земле. Деятельность живых организмов дает начало многочисленным цепочкам физико-химических превращений веществ - распаду, трансформации и синтезу. В результате этих превращений формируются «биокосные природные тела», объемы которых вполне позволяют сопоставить биосферу с другими земными оболочками. В течение миллиардов лет живое вещество на Земле использовало и трасформировало в ходе образования биокосных тел колоссальное количество солнечной энергии. Довольно значительная доля этой энергии заключена в недрах Земли в виде полезных ископаемых органического происхождения (уголь, нефть). Однако еще большее количество на протяжении геологической истории планеты было использовано для формирования различных горных пород биокосного происхождения - от осадочных известняков до значительной части железных руд, а также для накопления огромных масс солей, растворенных в воде океанов, и, наконец, кислорода, входящего в состав земной атмосферы.

Решающее значение в образовании биосферы и современного состава атмосферы имело появление на Земле растений. Это единственная группа организмов, способная синтезировать органическое вещество  первооснову существования и развития живого мира - из минеральных веществ, используя углекислый газ, воду и солнечную энергию.

Известен и другой способ создания органического вещества - с использованием не солнечной, а химической энергии (хемосинтез), однако он не существенен для общего уровня биомассы (дает небольшое количество органических веществ), хотя играет важную роль в кругообороте азота и ряде других биосферных процессов.

Фотосинтезирующие растения могут быть многоклеточными (растительность суши, часть водорослей) и одноклеточными (большая часть водорослей). Поскольку суша занимает около 29,2 % общей земной поверхности, а более 70 % планеты покрыто водой, в гидросфере сосредоточена основная масса фотосинтезирующих растений. Это одноклеточные микроскопические зеленые водоросли, которые являются главными фотосинтетиками и поставщиками кислорода в атмосферу.

Элементарный состав живого вещества отличается от состава других оболочек Земли прежде всего высоким содержанием углерода (18 %). По содержанию других элементов живые организмы также не повторяют состава среды: они избирательно поглощают из нее химические элементы, соответствующие их эволюционно сложившемуся обмену веществ. Концентрация отдельных элементов в той или иной группе организмов может быть очень значительной. Железобактерии способны аккумулировать из среды обитания железо; фораминеферы, моллюски и кишечнополостные - кальций; хвощи, диатомовые водоросли и радиолярии - кремний; губки - йод; асцидии - ванадий и т. д. Содержание углерода в растениях в 200 раз, а азота в 30 раз превышает их уровень в земной коре. Оказалось, что в живых организмах преобладают легкие химические элементы: Н, С, N и т. д., а из тяжелых часто встречается Р.

В экосистемах количество энергии, идущей от солнечного света через зеленые растения к животным, определяет общую численность организмов и их биомассу. При передаче энергии от одного трофического (пищевого) уровня к другому происходит ее рассеивание, поэтому в каждом последующем звене питания количество биомассы уменьшается, ее становится на 90-99 % меньше, чем в предыдущем. Например, биомасса растений (первый трофический уровень) небольшого луга составляет 10 т, тогда биомасса травоядных животных, живущих на той же площади, будет не более 100 кг, а плотоядных видов - не более 10 кг. Очевидно, что существование большого числа трофических уровней невозможно из-за быстрого приближения биомассы к нулю.

Наличие пищевых цепей и взаимоотношения живых организмов с неорганической природой обусловливают определенную стабильность биосферы. Однако изменения условий среды обитания, основных составных частей экосистемы и непродуманные действия людей могут нарушить сложившееся равновесие.