Semua makhluk hidup di planet Bumi berhubungan erat satu sama lain dan dengan lingkungan, sehingga membentuk ekosistem. Komunitas organisme yang berinteraksi ini tidak terisolasi satu sama lain. Mereka saling berhubungan oleh berbagai hubungan, terutama makanan. Keseluruhan ekosistem membentuk satu ekosistem planet yang disebut biosfer. Artikel ini akan membahas struktur biosfer, komposisi dan fungsi utamanya.
Ilmu
Konsep ini pertama kali diperkenalkan ke dalam sains oleh J. B. Lamarck pada tahun 1803 dan berarti totalitas semua organisme hidup di planet Bumi. Pada akhir abad kesembilan belas, istilah "biosfer" digunakan oleh J. Zuse, yang memasukkan benda mati batuan sedimen ke dalam struktur biosfer. Doktrin biosfer muncul pada tahun 1926, ketika V. I. Vernadsky merangkum sejumlah besar informasi ilmiah, dengan satu atau lain caramenggambarkan hubungan antara benda hidup dan benda mati. Ilmuwan mampu menunjukkan bahwa planet kita tidak hanya dihuni oleh organisme hidup, tetapi juga secara aktif diubah oleh mereka. Selain itu, menurut Vernadsky, intervensi manusia dalam proses alam sangat signifikan sehingga dimungkinkan untuk berbicara tentang noosfer - fase baru dalam pengembangan biosfer. Saat ini, ilmu biosfer menggabungkan data dari berbagai bidang pengetahuan. Diantaranya biologi, kimia, geologi, klimatologi, oseanologi, ilmu tanah dan lain-lain.
Struktur biosfer sedemikian rupa sehingga organisme hidup dapat secara mandiri mempertahankan komposisi tanah, atmosfer, dan hidrosfer yang diperlukan. Mereka memainkan peran lingkungan yang penting. Berdasarkan ini, para ilmuwan berhipotesis bahwa tanah dan udara diciptakan oleh organisme hidup itu sendiri selama ratusan juta tahun evolusi. Setelah mempelajari kesamaan dalam struktur batuan geologis yang terletak lebih dalam dari Kambrium, dengan batuan selanjutnya, Vernadsky menyarankan bahwa kehidupan di planet ini ada dalam bentuk organisme paling sederhana hampir sejak awal. Belakangan, para ahli geologi membuktikan kekeliruan hipotesis ini.
Karena matahari adalah basis energi untuk keberadaan semua kehidupan di Bumi, biosfer dapat dianggap sebagai cangkang, yang struktur dan komposisinya terbentuk karena aktivitas bersama organisme hidup dan ditentukan oleh masuknya energi matahari. Sekarang mari berkenalan dengan struktur biosfer bumi.
Hidup dan tak hidup
Mempertimbangkan komposisi dan struktur biosfer, pertama-tamaperlu dicatat bahwa itu terdiri dari materi hidup dan tak hidup (materi inert). Sebagian besar organisme hidup terkonsentrasi di tiga cangkang geologis Bumi: atmosfer (lapisan udara), hidrosfer (samudera, laut, dan sebagainya) dan litosfer (lapisan atas batuan). Namun, cangkang ini tersebar tidak merata di ekosistem terbesar. Dengan demikian, hidrosfer terwakili sepenuhnya dalam struktur biosfer, sedangkan litosfer dan atmosfer terwakili sebagian (masing-masing lapisan atas dan bawah).
Komponen biosfer yang tidak hidup terdiri dari:
- Zat biogenik, yang merupakan produk aktivitas vital organisme hidup. Ini termasuk: batu bara, minyak, gambut, batu kapur alam, gas, dll.
- Zat bioinert, yang merupakan hasil gabungan dari aktivitas vital organisme dan proses non-biologis. Ini termasuk: tanah, lanau, reservoir air dan sebagainya.
- Substansi inert, yang termasuk dalam siklus biologis, tetapi bukan merupakan produk dari aktivitas vital organisme hidup. Kelompok ini meliputi: air, garam logam, nitrogen atmosfer, dll.
Batas biosfer
Konsep komposisi, struktur, dan batas biosfer terkait erat satu sama lain. Terlepas dari kenyataan bahwa bakteri dan spora telah ditemukan di ketinggian hingga 85 kilometer, diyakini bahwa batas atas biosfer adalah 20-25 km. Di dataran tinggi, konsentrasi makhluk hidup dapat diabaikan karena pengaruh kuat radiasi matahari.
Di hidrosfer, kehidupan ada di mana-mana. Dan bahkan di Palung Mariana, yang kedalamannya 11 km, ilmuwandari Prancis, J. Picard mengamati tidak hanya invertebrata, tetapi juga ikan. Bakteri, alga, foraminifera, dan krustasea hidup di bawah lebih dari 400 meter es Antartika. Bakteri ditemukan di bawah satu kilometer lapisan lumpur dan di air tanah. Namun demikian, konsentrasi terbesar makhluk hidup diamati pada kedalaman hingga 3 km. Dengan demikian, batas dan struktur biosfer di berbagai bagian planet mungkin berbeda.
Atmosfer, litosfer, dan hidrosfer
Atmosfer terutama terdiri dari oksigen dan nitrogen. Ini mengandung sejumlah kecil argon, karbon dioksida dan ozon. Kehidupan makhluk darat dan air tergantung pada keadaan atmosfer. Oksigen diperlukan untuk respirasi organisme hidup dan mineralisasi zat organik yang sekarat. Nah, karbon dioksida digunakan oleh tumbuhan untuk fotosintesis.
Litosfer memiliki ketebalan 50 hingga 200 km, namun, jumlah utama spesies organisme hidup terkonsentrasi di lapisan atasnya setebal beberapa puluh sentimeter. Penyebaran kehidupan jauh ke dalam litosfer terbatas karena sejumlah faktor, yang utama adalah: kurangnya cahaya, kepadatan tinggi sedang dan suhu tinggi. Dengan demikian, batas bawah distribusi kehidupan di litosfer adalah kedalaman 3 km, di mana beberapa jenis bakteri ditemukan. Dalam keadilan, perlu dicatat bahwa mereka tidak hidup di tanah, tetapi di cakrawala air tanah dan minyak. Nilai litosfer terletak pada kenyataan bahwa ia memberi kehidupan bagi tanaman, memberi mereka nutrisi dengan semua zat yang diperlukan.
Hidrosfermerupakan komponen penting dari biosfer. Sekitar 90% dari pasokan air jatuh di Samudra Dunia, yang menempati 70% dari permukaan planet. Ini berisi 1,3 miliar km3, dan sungai dan danau berisi 0,2 juta km3 air. Faktor terpenting dalam aktivitas vital organisme adalah kandungan oksigen dan karbon dioksida dalam air.
Angka menarik
Komposisi, struktur, dan fungsi biosfer mengejutkan dengan skalanya. Sekarang kita akan mengetahui beberapa fakta menarik. Air mengandung 660 kali lebih banyak karbon dioksida daripada udara. Di darat, keanekaragaman dunia tumbuhan berlaku, dan di laut - dunia hewan. 92 persen dari semua biomassa di darat adalah tanaman hijau. Di lautan, 94% adalah mikroorganisme dan hewan.
Rata-rata, setiap delapan tahun sekali, biomassa bumi diperbarui. Tanaman darat membutuhkan 14 tahun untuk ini, tanaman laut - 33 hari. Ini akan memakan waktu 3000 tahun untuk semua air di dunia untuk melewati organisme hidup, oksigen - hingga 5000 tahun, dan karbon dioksida - 6 tahun. Untuk nitrogen, karbon dan fosfor, siklus ini bahkan lebih lama. Siklus biologis tidak tertutup - sekitar 10% dari materi hidup masuk ke endapan sedimen dan penguburan.
Biosfer hanya menyumbang 0,05% dari massa planet kita. Ini menempati sekitar 0,4% dari volume Bumi. Massa makhluk hidup hanya 0,01-0,02% dari massa materi inert, namun mereka memainkan peran yang sangat penting dalam proses geokimia.
200 miliar ton berat kering organik diproduksi setiap tahun, dan dalamFotosintesis menyerap 170 miliar ton karbon dioksida. Dalam proses aktivitas vital mikroorganisme, 6 miliar ton nitrogen dan 2 miliar ton fosfor, serta sejumlah besar zat besi, magnesium, belerang, kalsium, dan elemen lainnya terlibat dalam siklus biogenik setiap tahun. Selama waktu ini, umat manusia menghasilkan sekitar 100 miliar ton mineral.
Dalam perjalanan hidupnya, organisme memberikan kontribusi yang signifikan terhadap sirkulasi zat, menstabilkan dan mengubah biosfer, sifat dan strukturnya membuat orang berpikir tentang keberadaan kekuatan yang lebih tinggi.
Fungsi energi
Setelah berkenalan dengan struktur dan komposisi biosfer, mari kita beralih ke fungsinya. Mari kita mulai dengan energi. Seperti yang Anda ketahui, tanaman menyerap radiasi matahari dan memenuhi biosfer dengan energi vital. Sekitar 10% dari cahaya yang ditangkap digunakan oleh produsen untuk kebutuhan mereka (terutama untuk respirasi seluler). Segala sesuatu yang lain didistribusikan melalui rantai makanan di seluruh ekosistem biosfer. Sebagian energi disimpan di perut bumi, menjenuhkannya dengan kekuatannya (batubara, minyak, dll.).
Bahkan mempertimbangkan fungsi dan struktur biosfer secara singkat, mereka selalu memilih fungsi redoks sebagai subspesies energi. Sebagai produsen, bakteri kemosintetik dapat mengekstrak energi dari reaksi oksidasi dan reduksi senyawa anorganik. Dalam proses oksidasi hidrogen sulfida, bakteri belerang memakan energi, dan besi (dari 2-valent ke 3-valent) - bakteri besi. Nitrifikasi juga tidak duduk tanpaurusan. Mereka mengoksidasi senyawa amonium menjadi nitrat dan nitrit. Itulah sebabnya petani menyuburkan ladang mereka dengan senyawa amonium, yang tidak diserap oleh tanaman sendiri. Saat menyuburkan tanah secara langsung dengan nitrat, jaringan penyimpanan tanaman menjadi jenuh dengan air, yang menyebabkan penurunan rasa dan peningkatan risiko penyakit pencernaan pada mereka yang memakannya.
Fungsi pembentuk lingkungan
Organisme hidup membentuk tanah, dan juga mengatur komposisi cangkang udara dan air di bumi. Jika fotosintesis tidak ada di planet ini, pasokan oksigen atmosfer akan habis dalam 2000 tahun. Selain itu, secara harfiah dalam satu abad, karena peningkatan konsentrasi karbon dioksida di udara, organisme akan mulai mati. Dalam satu hari, sebuah hutan dapat menyerap hingga 25% karbon dioksida dari lapisan udara setinggi 50 meter. Sebuah pohon berukuran sedang dapat memberikan oksigen untuk empat orang. Satu hektar hutan gugur, yang terletak di dekat kota, setiap tahun menyimpan sekitar 100 ton debu. Danau Baikal, yang terkenal dengan kejernihan kristalnya, sangat berterima kasih kepada krustasea kecil yang "menyaringnya" tiga kali setahun. Dan ini hanya beberapa contoh bagaimana organisme hidup mengatur komposisi zat di biosfer.
Fungsi konsentrasi
Makhluk hidup, dan terutama mikroorganisme, mampu memusatkan banyak unsur kimia yang ditemukan di biosfer. Hampir 90% nitrogen tanahmerupakan hasil dari aktivitas alga biru-hijau. Bakteri dapat mengkonsentrasikan besi (misalnya, dengan mengoksidasi bikarbonat yang larut dalam air menjadi hidroksida yang disimpan di lingkungan mereka), mangan, dan bahkan perak. Fitur luar biasa ini membuat para ilmuwan percaya bahwa berkat mikroorganisme ada begitu banyak endapan logam di bumi.
Di beberapa negara, unsur-unsur seperti germanium dan selenium diekstraksi dari tumbuhan. Alga fucus dapat mengakumulasi titanium 10.000 kali lebih banyak daripada yang terkandung dalam air laut di sekitarnya. Setiap ton ganggang coklat mengandung beberapa kilogram yodium. Kayu ek Australia mengakumulasi aluminium, pinus - berilium, birch - barium dan strontium, larch - niobium dan mangan, dan thorium terkonsentrasi di aspen, ceri burung, dan cemara. Selain itu, beberapa tanaman bahkan "mengumpulkan" logam mulia. Jadi, dalam 1 ton abu wormwood bisa mencapai 85 gram emas!
Fungsi perusak
Struktur kimia biosfer Bumi dan lingkungannya tidak hanya melibatkan proses kreatif, tetapi juga destruktif. Namun, mereka juga memainkan peran besar dalam pengaturan zat di planet ini. Dengan kehidupan aktif organisme hidup, mineralisasi residu organik dan pelapukan batuan terjadi. Bakteri, jamur, ganggang biru-hijau, dan lumut kerak dapat memecah batuan keras dengan melepaskan asam karbonat, nitrous, dan sulfat. Senyawa korosif juga melepaskan akar pohon. Ada bakteri yang bahkan bisa menghancurkan kaca dan emas.
Fungsi transportasi
Mempertimbangkan struktur danfungsi biosfer, seseorang tidak dapat melupakan perpindahan massa materi. Sebuah pohon mengangkat air dari bumi ke atmosfer, tahi lalat melemparkan bumi ke atas, ikan berenang melawan arus, sekawanan belalang bermigrasi - semua ini adalah manifestasi dari fungsi transportasi biosfer.
Materi hidup dapat melakukan pekerjaan geologis yang luar biasa, membentuk citra baru biosfer dan secara aktif berpartisipasi dalam semua prosesnya.
Secara terpisah perlu diperhatikan proses pembentukan batuan sedimen. Tahap pertama dari proses ini adalah pelapukan - penghancuran lapisan atas litosfer di bawah aksi udara, matahari, air, dan mikroorganisme. Masuk ke dalam batu, akar tanaman dapat menghancurkannya. Air yang merembes ke dalam celah-celah yang terbentuk oleh akar melarutkan dan membawa zat tersebut. Hal ini disebabkan oleh komponen korosif dari tanaman. Lumut sangat berlimpah dalam asam organik. Dengan demikian, pelapukan fisika terjadi bersamaan dengan pelapukan kimia.
Karena kematian organisme plankton, hingga 100 juta ton batu kapur diendapkan setiap tahun di dasar lautan dunia. Banyak dari mereka berasal dari bahan kimia, misalnya, di bidang kontak antara air tanah yang asam dan basa. Dengan kematian alga uniseluler dan radiolaria, lanau yang mengandung silikon terbentuk yang menutupi ratusan ribu km2 dasar laut.
Fungsi pembentuk tanah
Sifat dan struktur biosfer sangat lengkap sehingga semua fungsinya saling berkaitan. Dengan demikian, pembentukan tanah merupakan salah satu cabang dari pertukaran massadan pembentukan lingkungan, tetapi dianggap terpisah karena pentingnya. Selama penghancuran dan pemrosesan lebih lanjut batuan oleh mikroorganisme, cangkang bumi yang longgar dan subur terbentuk, yang disebut tanah. Akar tanaman besar mengekstraksi elemen mineral dari cakrawala yang dalam, memperkaya lapisan atas tanah dengan mereka dan meningkatkan kesuburannya. Tanah menerima senyawa organik dari akar dan batang tanaman yang mati, serta kotoran dan bangkai hewan. Senyawa ini merupakan makanan bagi organisme tanah yang menmineralisasi bahan organik, menghasilkan karbon dioksida, asam organik dan amonia.
Invertebrata, serangga, serta larva mereka, memainkan peran pembentuk struktur yang paling penting. Mereka membuat tanah gembur dan cocok untuk kehidupan tanaman. Hewan vertebrata (tahi lalat, tikus, dan lainnya) melonggarkan tanah, berkontribusi pada keberhasilan pertumbuhan semak di dalamnya. Pada malam hari, udara bertekanan dingin menembus tanah, yang diperlukan untuk respirasi akar dan mikroorganisme.
Struktur biosfer yang begitu menakjubkan.
