Основы учения о биосфере

Биосфера – живая оболочка Земли. Этот термин и его понятие предложил в 1875 году австрийский ученый Э. Зюсс. Учение же о биосфере в его современном понимании было разработано нашим отечественным ученым В. И. Вернадским. Согласно В.И. Вернадскому, биосфера – это такая оболочка, в которой существует или существовала в прошлом жизнь и которая подвергалась или подвергается воздействиям живых организмов. В.И. Вернадский отмечал, что биосфера является термодинамической оболочкой с температурой от +50 С до – 50 С и давлением около одной атмосферы.

На планете Земля различают несколько геосфер: литосферу, гидросферу, атмосферу, которая включает в себя тропосферу, стратосферу и ионосферу. Верхняя граница биосферы проходит примерно на высоте 20 км над уровнем моря, т. е. живые организмы расселены в тропосфере и нижних слоях стратосферы. Ограничивающим фактором в этой сфере является нарастающая с высотой ультрафиолетовая радиация. В гидросфере граница достигает глубины свыше 10 км; в литосферу, где предел жизни ограничивается высокой температурой и определяется уровнем проникновения воды в жидком состоянии, живые организмы проникают до глубины 7,5 км.

Литосфера – твердая поверхность Земли до 4-5 км, ниже лежат осадочные породы, а под ними – переплавленные породы гранитной оболочки. Основная масса организмов сосредоточена в почве, глубина которой не превышает нескольких метров. Исходным материалом для почвообразования служат поверхностные слои горных пород. Из них под воздействием растений, животных и микроорганизмов формируется почвенный покров. После отмирания растений и животных микроорганизмы разлагают их до микроэлементов, которые накапливаются в почве. Таким образом, почва имеет биогенное происхождение и состоит из неорганических и органических веществ и живых организмов.

Гидросфера. Вода является необходимой составной частью всех компонентов биосферы. Основная ее часть (95%) заключена в Мировом океане. Химический состав вод формируется под воздействием организмов. Например, количество кислорода и углекислого газа в океанических водах изменяется в широких диапазонах и зависит от температуры и присутствия живых существ. Вода, разрушая горные породы и вымывая из них ряд веществ, с речным током приносит их в океан. В пресных и морских водах многие организмы концентрируют эти вещества.

Атмосфера. Эта оболочка состоит в основном из азота и кислорода, в меньшей концентрации находится углекислый газ и азон. Наибольшее значение для биологических процессов имеют именно эти газы: кислород необходим для дыхания и минерализации отмерших органических веществ; углекислый газ расходуется при фотосинтезе; азон создает защитный экран от ультрафиолетовых лучей Солнца. Биосфера включает в себя: 1) живое вещество; 2) биогенное вещество, образованное в процессе жизнедеятельности организмов (газы, каменный уголь, нефть, известняки, сланцы); 3) косное вещество, которое образуется без участия живых организмов (метеориты, продукты тектонической деятельности); 4) биокосное вещество – результат совместной деятельности живых организмов и абиотических факторов, а также «абиогенных процессов» (почва).

Живое вещество – это совокупность всех живых организмов биосферы. Количественное выражение живого вещества – биомасса. Распределение биомассы на Земле зависит от природно-климатических условий, скорости размножения живых организмов. На суше от полюсов к экватору биомасса постепенно увеличивается. Суммарная биомасса сухопутных видов образована на 99,2% зелеными растениями и лишь на 0,8% – животными и микроорганизмами. Биомассу почвы составляют корни растений, микроорганизмы, насекомые и их личинки. Биомасса агроценозов меньше, чем биогеоценозов, т. к. часть ее ежегодно забирает человек.

Мировой океан занимает около 75% поверхности планеты, однако биомассы в нем в 1000 раз меньше, чем на суше, причем на долю животных приходится 93,7%, а на долю растений – 6,3%.

В биомассе Мирового океана различают планктон (взвешенные организмы, переносимые течением – водоросли, простейшие, беспозвоночные), нектон (активно плавающие организмы – рыбы, змеи, киты и др.) и бентос (организмы, обитающие на грунте и в грунте – губки, кораллы, растения).

Живое вещество обеспечивает круговорот веществ в природе, обуславливая тем самым развитие жизни.

Круговорот веществ в природе – это процессы превращения и перемещения воды, газов и химических элементов, носящие циклический характер. Он основан на жизнедеятельности организмов, создающих и разрушающих биомассу Земли.

Первичными производителями биомассы являются зеленые растения, которые в процессе фотосинтеза создают первичную органическую продукцию. Растительноядные животные превращают ее в животную (вторичную органическую продукцию), а она, в свою очередь, разрушается бактериями и грибами до минеральных веществ.

При круговороте веществ в природе продукты жизнедеятельности одних видов преобразуются другими видами. Так, растения используют углекислый газ, который выделяется при дыхании, а в процессе фотосинтеза выделяется кислород, идущий на дыхание аэробам. Отходы жизнедеятельности и трупы служат пищей для огромной армии грибов и бактерий.

Таким образом, в биосфере постоянно происходит круговорот элементов из неживой природы в живую и обратно, и этот процесс получил название биогенной миграции атомов. В качестве примера можно проследить биогенную миграцию азота, кислорода и углерода в биосфере.

Азот – обязательный компонент белков. В воздухе атмосферы его около 79%, но в свободном состоянии он не усваивается ни растениями, ни животными. Лишь азотфиксирующие бактерии переводят его в органические соединения. Кроме того, незначительная часть его под действием электрических разрядов может переходить в азотистую или азотную кислоту. Они поступают в почву и образуют соли. В связанном состоянии азот усваивается растениями, которые синтезируют растительные белки. Последние употребляются животными и человеком. В их организме белки расщепляются до аминокислот и мочевины. Мочевина выводится с мочой во внешнюю среду.

При гниении растений и трупов животных образуется аммиак. Хемосинтезирующие бактерии переводят аммиак в соли азотистой и азотной кислот, которые вновь усваиваются растениями. Денитрофицирующие бактерии разлагают аммиак до свободного азота, который поступает в атмосферу. Так замыкается круговорот азота.

Кислород – образовался около 2 млрд. лет тому назад благодаря фотосинтезирующим организмам. Его содержание в атмосфере около 21% поддерживается за счет фотосинтеза. Свободный кислород используют при дыхании аэробы. Он идет на окисление органических веществ, в результате образуется конечный продукт – углекислый газ. В его составе кислород возвращается в атмосферу. Круговорот кислорода обеспечивает круговорот всех биогенных элементов, т. к. высвобождение энергии из органических и неорганических соединений сопровождается расщеплением их в ходе окислительных реакций.

Углерод содержится в атмосферном воздухе в виде углекислого газа, которого приблизительно 0,03%. Он поглощается растениями при фотосинтезе, при этом образуются органические вещества. Растения поедаются растительноядными животными, и у них углерод проходит в составе органических соединений по цепи обменных процессов. Часть его накапливается в организме, часть выбрасывается с продуктами жизнедеятельности, часть в составе углекислого газа выводится из организма при дыхании. Погибшие растения и животные подвергаются воздействию микроорганизмов, и углеродосодержащие вещества разлагаются до углекислого газа, который возвращается в атмосферу.

Обмен энергии. Одновременно с обменом веществ происходит обмен энергии. Биосфера – открытая система, в нее постоянно вливается поток солнечной энергии. Она аккумулируется зелеными растениями в виде энергии химических связей. Часть этой энергии расходуется растением на свои нужды, а часть передается травоядным животным, где также частично используется для внутренних потребностей, а часть передается плотоядным животным. Эта энергия или запасается в тканях, или превращается в тепловую и рассеивается.

Наряду с накоплением энергии в живых организмах на Земле происходит почти равное по масштабу образование органических веществ в процессе дыхания, брожения и гниения, сопровождающееся выделением энергии. Частично солнечная энергия, накопленная растениями и животными сохраняется в земной коре в виде каменного угля, нефти, торфа, газа.

Таким образом, постоянно совершающийся процесс перехода химических элементов из одних соединений в другие, из состава земной коры в живые организмы, последующее их расщепление на неорганические соединения и снова переход элементов в состав земной коры представляют собой непрерывный круговорот веществ и энергии в биосфере.

В процессе круговорота веществ живое вещество выполняет следующие функции: 1) газовую, 2) концентрационную, 3) окислительно-восстановительную, 4) биохимическую.

Газовая функция состоит в газообмене при фотосинтезе (у растений) и при дыхании (у животных), а также при восстановлении азота, сероводорода и других газов.

Концентрационная функция заключается в поглощении и накоплении живым веществом химических элементов: Н, С, N, О, Nа, К, Мg, Мn, Аl, Р и других. Окислительно-восстановительная функция сводится к окислению и восстановлению веществ в живых организмах и образованию солей, оксидов и других соединений.

Биохимическая функция заключается в совокупности обменных реакций, обеспечивающих жизнедеятельность организма (размножение, рост, развитие, движение, обмен и т. д.).

Эволюция биосферы. На протяжении значительного времени существования нашей планеты основными факторами, влияющими на эволюцию биосферы, были геологические и климатические процессы. С ними связана эволюция живых организмов.

Первые живые одноклеточные организмы – прокариоты – появились в архейскую эру. Ими были анаэробы, получавшие энергию путем брожения. В качестве пищи они использовали органические вещества абиогенного происхождения.

Появление аутотрофных организмов, особенно зеленых растений, обеспечило дальнейший непрерывный синтез органических веществ благодаря использованию солнечной энергии. Так создались возможности к дальнейшему развитию и усложнению форм жизни.

С возникновением фотосинтеза произошло разделение органического мира на два ствола, отличающихся по способу питания. Благодаря появлению аутотрофных фотосинтезирующих растений вода и атмосфера стали обогащаться свободным кислородом. Появились первые аэробы, способные к более эффективному использованию энергии в процессе жизнедеятельности. Среди них появились многоклеточные.

Накопление кислорода в атмосфере привело к образованию в верхних ее слоях озонового слоя, не пропускающего губительных для жизни ультрафиолетовых лучей. Это подготовило возможность выхода на сушу сначала одноклеточных, а затем и многоклеточных организмов, что произошло в кембрийском периоде.

Появление фотосинтезирующих растений обеспечило возможность существования и прогрессивного развития и гетеротрофных организмов. Жизнь заполнила разные среды обитания.

С возникновением человека в истории биосферы появился новый мощный фактор, равный по своему воздействию грандиозным геологическим процессам.

В. И. Вернадский пришел к заключению, что человечество образовало новую оболочку Земли – ноосферу, т. е. сферу разумной жизни.