Понятие "биосфера" Биосфера – это совокупность частей земных оболочек, которая заселена живыми организмами, находится под их воздействием и занята продуктами их жизнедеятельности. Впервые понятие биосферы, как области жизни в биологию было введено в начале XIX века Ж.Б. Ламарком (1744 – 1829), а в геологию термин «биосфера» в 1875 г. ввел австрийский ученый Э. Зюсс, понимая под ним все то пространство атмосферы, гидросферы и литосферы (твердой оболочки Земли), где встречаются живые организмы. Развернутое развитие учения о биосфере как планетарном явлении 1945). Если с-принадлежит Владимиру Ивановичу Вернадскому (1863 понятием "биосфера" по Зюссу связывалось только наличие в трех сферах земной оболочки (твердой, жидкой и газообразной) живых организмов, то по В.И. Вернадскому организмам отводится роль главнейшей преобразующей силы. При этом в понятие биосферы включается средообразующая деятельность организмов не только в границах распространения жизни в настоящее время, но и в прошлом. В таком случае под биосферой понимается все пространство (оболочка Земли), где существует или когда-либо существовала жизнь, то есть где встречаются живые организмы или продукты их жизнедеятельности.
Границы и вещество биосферы Границы биосферы проходят в литосфере, гидросфере, атмосфере. В атмосфере верхние границы жизни определяются озоновым экраном – 20 км. За пределами озонового слоя жизнь-тонким слоем озона на высоте 16 невозможна вследствие наличия губительного ультрафиолетового излучения. до дна самых-Гидросфера или мировой океан населен жизнью целиком 11 км.-глубоких впадин в 10 В твердую часть земли – литосферу жизнь проникает вплоть до изотермы до 3 км (это бактерии в нефтяных месторождениях).- С, в среднем °100.
Согласно В.И. Вернадскому, вещество биосферы состоит из: 1) живого вещества, т.е. биомассы современных живых организмов; 2) биогенного вещества, т.е. всех форм детрита, а также торфа, угля, нефти и газа биогенного происхождения; 3) биокосного вещества, т.е. смесей биогенных веществ с минеральными породами абиогенного происхождения (почва, илы, природные воды, газо- и нефтеносные сланцы и т.д.); 4) косного вещества, т.е. горных пород, минералов, осадков, не затронутых прямым биогеохимическим воздействием организмов.
Живое вещество, его свойства и функции в биосфере Живое вещество – это основа биосферы, хотя и составляет крайне незначительную ее часть. Если его выделить в чистом виде и распределить равномерно по поверхности Земли, то это будет слой около 2 см или 0,01% от массы всей биосферы. Выделяют ряд особенностей живого вещества.
1. Способность быстро занимать (осваивать) все свободное пространство. В.И. Вернадский назвал это всюдностью жизни. Быстрое освоение пространства связано как с интенсивным размножением, так и со способностью организмов интенсивно увеличивать поверхность своего тела. Например, некоторые простейшие формы организмов могли бы освоить весь земной шар за несколько часов или дней, если бы не было факторов, сдерживающих их размножение.
2. Движение не только пассивное (под действием силы тяжести, гравитационных сил и т.д.), но и активное (например, против течения воды, движения воздушных потоков, силы тяжести и т.д.).
3. Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти с сохранением при этом высокой физико-химической активности.
4. Высокая приспособительная способность (адаптация) к различным условиям и в связи с этим освоение не только всех сред жизни (водной, наземно-воздушной, почвенной, организменной), но и крайне трудных по физико-химическим парадам условий. Так, некоторые организмы выносят температуры, близкие к значениям абсолютного нуля -273°С, микроорганизмы встречаются в термальных источниках с температурой до +140о С, в водах атомных реакторов, в бескислородной среде, в ледовых панцирях и т.п.
5. Феноменально высокая скорость протекания реакций. Она на несколько порядков (в сотни, тысячи раз) выше, чем в неживом веществе. Об этом свойстве можно судить по скорости переработки вещества организмами в процессе жизнедеятельности. Гусеницы некоторых насекомых потребляют за день количество пищи, которое в 100 — 200 раз больше веса их тела. Особенно активны детритофаги. Дождевые черви (масса их тел примерно в 10 раз больше биомассы всего человечества) за 150 — 200 лет пропускают через свои организмы весь метровый слой почвы. 6. Высокая скорость обновления живого вещества. Подсчитано, что в среднем для биосферы она составляет 8 лет, при этом для суши — 14 лет, а для океана, где преобладают организмы с коротким периодом 33 дня. В результате высокой скорости-жизни (например, планктон), обновления живого вещества за всю историю существования жизни общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу, примерно в 12 раз превышает массу Земли. Все перечисленные и другие свойства живого вещества обусловливаются концентрацией в нем больших запасов энергии. Согласно В.И. Вернадскому, по энергетической насыщенности с живым веществом может соперничать только лава, образующаяся при извержении вулканов.
Всю деятельность живого вещества в биосфере можно, с определенной долей условности, свести к нескольким основополагающим функциям, которые позволяют значительно дополнить представление о его преобразующей биосферно-геологической роли. В.И. Вернадский выделял девять функций живого вещества.
В настоящее время название этих функций несколько изменено, некоторые из них объединены.
1. Энергетическая. Связана с запасанием энергии в процессе фотосинтеза, передачей ее по цепям питания, рассеиванием. (Эта функция — одна из важнейших и будет подробнее рассмотрена в следующей теме).
2. Газовая. Способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. В частности, включение углерода в процессы фотосинтеза, а затем в цепи питания обусловливало аккумуляцию его в биогенном веществе (это органические остатки, известняки и т.п.). В результате этого шло постепенное уменьшение содержания углерода и его соединений, прежде всего двуокиси (СО2) в атмосфере с десятков процентов до современных 0,03 %. Это же относится и к накоплению в атмосфере кислорода, синтезу озона и другим процессам. С газовой функцией в настоящее время связывают два переломных периода в развитии биосферы. Первый из них относится ко времени, когда содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 1% от современного. Это обусловило появление первых аэробных организмов (способных жить только в среде, содержащей кислород). С этого времени восстановительные процессы в биосфере стали дополняться окислительными. Это произошло примерно 1,2 млрд. лет назад. Второй переломный период связывают со временем, когда концентрация кислорода достигла примерно 10% от современной. Это создало условия для синтеза озона и образования озонового слоя в верхних слоях атмосферы, что обусловило возможность освоения организмами суши (до этого функцию защиты организмов от губительных ультрафиолетовых лучей выполняла вода, под слоем которой возможна была жизнь).
3. Окислительно-восстановительная. Связана с интенсификацией под влиянием живого вещества процессов как окисления, благодаря обогащению среды кислородом, так и восстановления, прежде всего в тех случаях, когда идет разложение органических веществ при дефиците кислорода. Восстановительные процессы обычно сопровождаются образованием и накоплением сероводорода, а также метана. Это, в частности, делает безжизненными глубинные слои болот, а также значительные придонные толщи воды (например, в Черном море). Этот процесс в связи с деятельностью человека прогрессирует.
4. Концентрационная. Заключается в способности организмов концентрировать в своем теле химические элементы, повышая их содержание, по сравнению с окружающей средой, на несколько порядков (накопление).
5. Деструктивная. Разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности, в том числе и после их смерти, как самих остатков органического вещества, так и косных веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют низшие формы жизни – грибы, бактерии.
6. Транспортная. Перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. Часто такой перенос осуществляется на колоссальные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных.
7. Средообразующая. Эта функция является в значительной мере интегративной (результат совместного действия других функций). В широком понимании результатом данной функции является вся природная среда. Она создана живыми организмами, они же и поддерживают в относительно стабильном состоянии ее параметры практически во всех геосферах. В более узком плане средообразующая функция живого вещества проявляется, например, в образовании почв. Локальная средообразующая деятельность живых организмов и особенно их сообществ проявляется также в трансформации ими метеорологических параметров среды. Это прежде всего относится к сообществам с большой массой органического вещества (биомассой). Например, в лесных сообществах микроклимат существенно отличается от открытых (полевых) пространств. Здесь меньше суточные и годовые колебания температур, выше влажность воздуха, ниже содержание углекислоты в атмосфере на уровне полога, насыщенного листьями (результат фотосинтеза), и повышенное ее количество в припочвенном слое (следствие интенсивно идущих процессов разложения органического вещества на почве и в верхних горизонтах почвы). 8. Рассеивающая. Выделяется наряду с концентрационной функцией живого вещества и является противоположной ей по результатам. Она проявляется через трофическую (питательную) и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, гибели организмов при разного рода перемещениях в пространстве, смене покровов. Железо гемоглобина крови, например, рассеивается кровососущими насекомыми. 9. Информационная. Выражается в том, что живые организмы и их сообщества накапливают определенную информацию, закрепляют ее в наследственных структурах и затем передают последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.
Основные свойства биосферы Биосфера — система с прямыми и обратными (отрицательными и положительными) связями, которые в конечном счете обеспечивают механизмы ее функционирования и устойчивости.
1. Биосфера — централизованная система. Центральным звеном ее выступают живые организмы (живое вещество). Это свойство всесторонне рассмотрено В.И. Вернадским, но, к сожалению, часто недооценивается. В центр биосферы или ее звеньев иногда ставится только один вид — человек (антропоцентризм).
2. Биосфера — открытая система. Ее существование немыслимо без поступления энергии извне. Она испытывает воздействие космических сил, прежде всего солнечной активности. Впервые представления о влиянии солнечной активности на живые организмы (гелиобиология) разработаны А.Л. Чижевским (1897— 1964). Он показал, что многие явления на Земле и в биосфере тесно связаны с активностью Солнца. Все больше накапливается данных, свидетельствующих, что резкое увеличение численности отдельных видов или популяций ("волны жизни") — результат изменения солнечной активности. Высказываются мнения, что солнечная активность оказывает воздействие на многие геологические процессы (катаклизмы, катастрофы), а также на социальную активность человеческого общества или отдельных его представителей.
3. Биосфера — саморегулирующаяся система, для которой, как отмечал В.И. Вернадский, характерна организованность. В настоящее время это свойство называют гомеостазом, понимая под ним способность возвращаться в исходное состояние, гасить возникающие возмущения включением ряда механизмов.
4. Биосфера - это система, характеризующаяся большим разнообразием. Последнее обусловливается многими причинами и факторами. Это и разные среды жизни (водная, наземно-воздушная, почвенная, организменная); и разнообразие природных зон, различающихся по климатическим, гидрологическим, почвенным, биотическим и другим свойствам; и наличие регионов, различающихся по химическому составу (геохимические провинции); и, самое главное, объединение в рамках биосферы большого количества элементарных экосистем со свойственным им видовым разнообразием. Разнообразие рассматривают как основное условие устойчивости любой экосистемы и биосферы в целом. Это свойство настолько универсально, что сформулировано в качестве закона (автор его У.Р. Эшби).
5. Важное свойство биосферы — наличие в ней механизмов, обеспечивающих круговорот веществ и связанную с ним неисчерпаемость отдельных химических элементов и их соединений. При отсутствии круговорота, например, за короткое время был бы исчерпан основной "строительный материал" живого — углерод, который практически единственный способен образовывать межэлементные (углерод-углеродные) связи и создавать огромное количество органических соединений. Только 58 благодаря круговоротам обеспечивается непрерывность процессов в биосфере. Как отмечал академик-почвовед В.Р. Вильямс, есть единственный способ сделать какой-то процесс бесконечным — пустить его по пути круговоротов. Примеры круговоротов веществ в биосфере Круговорот веществ совершается в пределах биосферы. Сущность его состоит в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. На уровне биосферы действует биогеохимический круговорот веществ, представляющий собой обмен макро - и микроэлементов и простых неорганических соединений с веществом атмосферы, гидросферы и литосферы.
Круговорот отдельных веществ В.И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Суть циклов в следующем: химические элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают, уходя в абиотическую среду, затем, через какое-то время, снова попадают в живой организм. Такие элементы называются биофильными.
В биогеохимических круговоротах следует различать две части:
1) резервный фонд – это огромная масса движущихся веществ, не связанных с организмами;
2) обменный фонд – значительно меньший, но весьма активный, обусловленный прямым обменом биогенным веществом между организмами и их непосредственным окружением. Итак, лишь один-единственный процесс, не тратящий, а наоборот, связывающий солнечную энергию и даже аккумулирующий ее – это создание органического вещества в процессе фотосинтеза.
Круговорот углерода. Углерод, включающийся в процессы биологического круговорота, содержится в основном в атмосфере в виде двуокиси (СО2). В состав органического вещества он включается в процессе фотосинтеза растений. Затем основная масса его поступает в пищевые цепи животных и накапливается в их телах в виде различного рода углеводов. Для обеспечения процессов жизнедеятельности значительная часть органических веществ растений и животных разлагается в процессе дыхания с выделением СО2 в атмосферу. Мертвое органическое вещество разлагается особой группой организмов (в основном микробами и грибами) до исходных минеральных веществ и углекислоты (СО2), которая также возвращается в атмосферу. Некоторая часть углерода включается в большой, или геологический круговорот между сушей и океаном. В последнем она также включается в круговорот, начинающийся с фотосинтезирующих организмов (в основном фитопланктона). Небольшая доля органического вещества и содержащегося в нем углерода, по выражению В. И. Вернадского, ускользает от круговорота (прежде всего в бескислородной среде) и уходит в геологию (в ископаемое состояние) в виде угля, торфа, нефти и других горючих соединений. Другая часть таким же образом концентрируется в донных карбонатных отложениях океана. Этот углерод, как и углерод горючих ископаемых, в настоящее время в значительной мере высвобождается человеком, использующим содержащие его вещества в качестве энергетических, строительных и других ресурсов. Некоторое количество углерода высвобождается из твердых отложений (карбонатов) непосредственно организмами, особенно при выходе этих соединений из подводного состояния на сушу.
Круговорот азота. Основным источником этого элемента является атмосфера, откуда в почву, а затем в растительные организмы азот попадает только в результате превращения в усвояемое соединение — нитраты (NО3). Последние образуются в основном в результате деятельности организмов - азотфиксаторов. К ним относятся отдельные виды бактерий, сине-зеленых водорослей и грибов 60 (актиномицетов). Частично нитраты образуются при грозовых разрядах и при фотохимических реакциях в атмосфере, откуда с осадками попадают в почву. Второй источник азота для растений — разложение органических веществ и, в частности, белков (протеинов) особой группой организмов - аммонификаторов. При этом вначале образуется аммиак (NН3), который в результате деятельности бактерий - нитрификаторов преобразуется в нитриты (NО2) и нитраты (NО3). Часть азота растениями усваивается в виде ионов аммония и мочевины, образующихся в результате разложения органических веществ. Возвращение азота в атмосферу происходит в результате деятельности бактерий -денитрификаторов, разлагающих нитраты до свободного азота и кислорода. Значительная часть азота, попадая в океан (в основном со стоком вод с континентов), используется водными фотосинтезирующими организмами (прежде всего фитопланктоном), а затем попадая в цепи питания животных, частично возвращается на сушу с продуктами морского промысла или птицами. Небольшая часть азота, как и углерод, попадает в осадочные соединения.
Круговорот фосфора. В круговороте фосфора отсутствует газообразная фаза. После неоднократного потребления его организмами на суше и в водной среде он счете выводится в донные осадки. Возвращение фосфора с организмами океана не компенсирует его потребности на суше. Не компенсируются эти потребности и в результате использования природных минеральных соединений. В данном случае односторонний процесс, заканчивающийся осадочным циклом, грозит дефицитом фосфора для организмов. Последний в значительной мере восполняется человеком через внесение минеральных удобрений, представляющих в основном продукты переработки морских осадочных пород. Таким образом, даже краткое знакомство с биосферой свидетельствует о том, что ее свойства и функции прежде всего обусловливаются живым веществом, которое, по выражению В.И. Вернадского, является наиболее могущественной преобразующей силой в биосферных процессах. Это значит, что среда, в которой мы живем, — результат, прежде всего, функционирования живых организмов, а последние, в свою очередь, — продукт той среды, которая ими создана, результат их медленной миллионолетней адаптации к изменявшейся среде.