Учение о биосфере

Основные понятия. Земля имеет несколько физических оболочек. Это литосфера - твердая часть Земли (горные породы, раскаленный магматический слой), гидросфера (водная оболочка), атмосфера (газовая, воздушная оболочка).

Четвертая оболочка - биосфера - сфера жизни (от лат. «биос» - жизнь, «сфера» - окружность), оболочка Земли, состав, структура и свойства которой в той или иной степени определяются настоящей или прошлой деятельностью живых организмов.

Первые представления о биосфере как «области жизни» и наружной оболочке Земли восходят к Ж.-Б. Ламарку. Термин «биосфера» применил австрийский геолог Эдуард Зюсс (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 (1863-1945). На формирование его биосферного мышления большое влияние оказали работы В. В.Докучаева о почве как о естественноисторическом теле. Основы учения о биосфере, изложенные В. И. Вернадским в 1926 г. в книге «Биосфера» и разрабатывавшиеся им до конца жизни, сохраняют свое значение в современной науке.

Биосфера (по В. И. Вернадскому) - это общепланетарная оболочка, та область Земли, где существует или существовала жизнь и которая подвергается или подвергалась ее воздействию.

Суть учения В.И. Вернадского состоит в том, что биосфера- это качественно своеобразная оболочка Земли, развитие которой в значительной мере определяется деятельностью живых организмов.

С современных позиций биосфера- это глобальная экосистема.

Возраст биосферы насчитывает приблизительно 4 млрд лет.

Границы биосферы. Биосфера имеет определенные границы.

Биосферу как место современного обитания организмов вместе с самими организмами можно разделить на три подсферы: геобиосфера- верхняя часть литосферы, населенная гео-бионтами; гидробиосфера - гидросфера без подземных вод, населенная гидробионтами; аэробиосфера - нижняя часть атмосферы, населенная аэробионтами.

Границы биосферы обусловлены наличием абиотических факторов, лимитирующих распространение живых организмов:

J достаточное количество О2 и СО2;

J достаточное количество влаги;

J благоприятный температурный режим.

Биосфера охватывает всю поверхность суши, нижние слои атмосферы и гидросферу (моря и океаны), а также ту часть недр Земли, где находятся породы, созданные деятельностью живых организмов. Границы биосферы в большой степени условны.

1. Верхние границы жизни в атмосфере (аэробиосфере) находятся в нижней ее части (тропосфере) на высоте 20-25 км и определяются озоновым экраном- тонким слоем озона, задерживающего губительные ультрафиолетовые лучи солнца.

Выше аэробиосферы расположена парабиосфера -слой, куда жизнь проникает лишь случайно и нечасто, где организмы не размножаются. Еще выше расположена апобиосфера, или «надбиосфера», где сравнительно обильны биогенные вещества (ее верхняя граница трудноуловима).

2. Нижняя граница биосферы простирается в литосферу и в гидросферу, т. е. в твердую и водную оболочки Земли.

  • 1 000
  • 100
  • 20 000
  • 10 000
  • 2 000-
  • 20
  • 10
  • -10 000
  • 100 000
  • 50 000

1000

Рис. 17. Область распространения организмов в биосфере:

  • 1 - уровень озонового слоя, задерживающего жесткое ультрафиолетовое излучение; 2 - граница снегов; 3 - почва; 4 - животные, обитающие в пещерах; 5 - бактерии в нефтяных скважинах
  • -100-i

Геобиосфера. Проникновение жизни в глубь литосферы ограничено высокими температурами земных недр и наличием жидкой влаги. В глубинах литосферы есть два теоретических предела распространения жизни - изотерма 100°С, ниже которой при нормальном атмосферном давлении вода кипит, а белки свертываются, и изотерма 460°С, где при любом давлении вода превращается в пар и жизнь принципиально невозможна (глубина 25 км).

I Озоновый экран

Строение биосферы

Рис. 18. Строение биосферы:

I - пределы жизни в биосфере; II - схематический разрез почвы: Ао - лесная подстилка, А! - гумусовый горизонт, А2 - горизонт вымывания (подзолистый), В - горизонт вымывания (иллювиальный), С - подстилающая порода

Перегретая жидкая вода обнаружена в литосфере до глубин 10,5 км. Нижняя граница жизни по литосфере фактически не опускается глубже 3-4, максимум 6-7 км на суше и не более 1-2 км ниже дна океана.

Ниже геобиосферы расположена гипобиосфера («подбиосфера» - аналог парабиосферы в атмосфере) - слой, куда жизнь проникает лишь случайно и в неактивных формах. Еще ниже залегает метабиосфера - слой биогенных (преобразованных жизнью) пород, в котором ныне живые организмы не присутствуют. Образно выражаясь, это «следы былых биосфер». В ее нижней части процессы метаморфизма горных пород стирают признаки жизни. Под метабиосферой расположена абиосфера («небиосфера»).

Гидробиосфера. Океан насыщен жизнью целиком. Живые организмы встречаются даже на глубине более 11 км, где температура воды около 200°С, но из-за высокого давления вода не кипит. Ниже, в базальтах, жизнь едва ли возможна. Здесь обнаружены бактерии.

Жизнь распределена на поверхности Земли неравномерно. Наибольшая концентрация жизни в биосфере наблюдается на границах соприкосновения земных оболочек: атмосферы и литосферы (поверхность суши), атмосферы и гидросферы (поверхность океана), гидросферы и литосферы (дно океана), и особенно на границе трех оболочек атмосферы, литосферы и гидросферы (прибрежные зоны). Эти места наибольшей концентрации жизни В. И. Вернадский назвал «пленками жизни».

Так, в верхнем 100-метровом слое океанов сосредоточено 95% всего планктона, в 1 г почвы находится до 2,5 млрд клеток микроорганизмов. Вверх и вниз от этих поверхностей концентрация живой материи уменьшается.

Дополнительная неравномерность распределения жизни на Земле обусловлена географической зональностью и масштабами поступления солнечной энергии на разные участки.

Таким образом, живая оболочка Земли образует пленку шириной до 30 км, в масштабах планеты, это сверхтонкая оболочка. Но она играет огромную роль в жизни планеты за счет живого вещества.

Живое вещество. В. И. Вернадский все вещество, существующее во вселенной, разделял на несколько групп (живое, биокосное и косное вещество и т. д.), отводя главную роль в формировании и существовании биосферы живому веществу. Классификация В. И. Вернадского имеет следующий вид:

1. Живое вещество. По определению В. И. Вернадского, «живое вещество - это совокупность живых организмов, выраженная через массу, энергию и химический состав». Или, другими словами, живое вещество - это совокупность и биомасса живых организмов в биосфере.

Живое вещество как совокупность всех организмов, живущих на Земле, состоит из нескольких царств (прокариотов, животных, растений, грибов), которые находятся в сложных взаимоотношениях. Общая масса (в сухом виде) живого вещества на планете Земля составляет 2,4—3,6x1012 т.

Живое вещество нашей планеты существует в виде огромного множества организмов разнообразных форм и размеров. В настоящее время на Земле существует более 2 млн организмов, из них 0,5 - растения, 1,5 - животные и микроорганизмы (из них 1 млн насекомых). Однако полагают, что число видов на земле в 2-3 раза больше, чем их описано, так как не учтены многие насекомые и микроорганизмы, особенно в тропических лесах, глубинных частях океана и в других малоосвоенных местообитаниях. Кроме того, считается, что к настоящему времени арену биосферы оставили более 95% видов- обитателей прошлых геологических эпох.

Основная функция живого вещества- непрерывное создание органического вещества. За миллиарды лет фотосинтезирующие организмы связали и превратили в химическую энергию огромное количество солнечной энергии.

2. Биогенное вещество- это совокупность некогда существовавших организмов, утративших механизм синтеза нуклеиновых кислот и белков, т. е. способность к молекулярному воспроизведению. Иными словами, биогенное вещество - это тела, созданные и переработанные живыми организмами.

К ним относятся осадочные породы, например известняк, образованный из остатков живших когда-то организмов, источники энергии (каменный уголь, нефть, торф), кремниевые сланцы и некоторые руды.

3. Косное вещество - это та часть материи, которая имеет неорганическое (абиотическое) происхождение и ничем не связана в своем образовании и строении с живыми организмами.

Неживая материя в отличие от живого не способна поддерживать свою структурную организацию и использовать для этих целей внешнюю энергию.

Чаще всего косное вещество - это горные породы магматического происхождения (минералы, гранит, базальт), а также другие твердые, жидкие, газообразные вещества, в образовании которых живые организмы не участвуют.

4. Биокосное вещество создается в результате взаимодействия живых организмов и косных процессов.

Например, биокосным веществом является почва - продукт распада и переработки горных и осадочных пород ветровой, водной эрозией и живыми организмами.

  • 5. Вещество, находящееся в радиоактивном распаде. Это радиоактивные вещества, образующиеся в результате распада радиоактивных (нестабильных) элементов (радий, уран, торий и т. д.).
  • 6. Рассеянные атомы. Рассеянные атомы (химические элементы) находятся в земной коре в рассеянном состоянии. Создаются из всякого рода земных веществ под действием космического излучения
  • 7. Вещество космического происхождения- метеориты, протоны, нейтроны, электроны. Проникают к поверхности земли из космического пространства.

Живое вещество неотделимо от биосферы и является его функцией, а также одной из самых могущественных геологических сил на планете.

Уничтожение отдельных компонентов живого вещества может привести к нарушению системы в целом, т. е. к экологической катастрофе и гибели системы живого вещества в целом.

Функции живого вещества. Живое вещество имеет сложное строение и играет наиболее важную роль по сравнению с другими веществами биосферы, в частности за счет того, что выполняет рад важнейших функций.

  • 1. Энергетическая функция. Заключается в способности живого вещества (растений) улавливать солнечную энергию и превращать ее в органические вещества. За счет фотосинтеза растения и бактерии связали и превратили в химическую энергию огромное количество солнечной энергии.
  • 2. Газовая функция. Современный состав атмосферы Земли- результат деятельности живых организмов; на ранней Земле в атмосфере преобладали водород, метан, аммиак, углекислый газ.

За счет появления фотосинтезирующих организмов в современной атмосфере, а также во многих поверхностных минералах накоплен кислород. Ежегодно в атмосферу поступает 1011 тонн Оз- За счет кислорода возник озоновый экран, защищающий Землю от жестких ультрафиолетовых лучей. Таким образом, жизнь сама создала защитный слой в атмосфере, задерживающий большинство этих лучей.

Большая часть углекислого газа современной атмосферы выделяется в процессах дыхания бесчисленных живых существ или сжигания органического топлива.

Атмосферный азот также является следствием деятельности жизни, он образуется в результате активности ряда почвенных бактерий, способных связывать азот.

3. Транспортная функция. Живое вещество способно переносить огромную массу элементов с одного места на другое.

Например, стаи саранчи могут перелетать с Африканского материка в Среднюю Азию, стаи рыб мигрируют из одного полушария в другое.

В ходе обмена веществ живые существа постоянно перераспределяют химические элементы в природе. Таким образом меняется химизм биосферы.

В. И. Вернадский писал, что на земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим последствиям, чем живые организмы, взятые в целом.

4. Концентрационная функция. Организмы обладают способностью избирательно поглощать и накапливать в себе отдельные элементы в гораздо большем количестве, чем они есть в окружающей среде.

Например, раковины моллюсков концентрируют фосфор, в результате чего образуются залежи фосфоритов, многие морские виды концентрируют в своих скелетах кальций, кремний и, отмирая, создают на дне водоемов большие толщи осадочных пород: залежи известняков, мела, кремнистых сланцев.

Такие породы называются органогенными, так как они обязаны своим происхождением живым организмам.

Растения солончаков накапливают натрий, морские водоросли концентрируют йод. За счет концентрационной способности живого вещества меняется облик планеты.

  • 5. Деструктивная функция. Без неё земля представляла бы собой огромное кладбище трупов. Колоссальную санитарную работу осуществляют живые организмы - редуценты (жуки-навозники, грибы, простейшие, бактерии). Они разлагают мертвые остатки и вовлекают вещества в биологический круговорот.
  • 6. Геохимическая активность. Это деятельность живого вещества по отношению к горным породам. Грибы, лишайники, бактерии в процессе своей жизнедеятельности разрушают горные породы, образуются ил и почвы.

В почве тесно связаны между собой минеральные компоненты, разлагающиеся органические вещества и многочисленные микро- и микроорганизмы, поэтому В. И. Вернадский отнес ее к биокосным телам природы.

Учитель Вернадского - В. В. Докучаев (1846-1903) создал целое учение о почвах, их строении и различных типах, он основоположник современного почвоведения, отражающего идею глубокой взаимосвязи живой и неживой природы.

7. Климатообразующая функция. На ранней Земле, когда не было растительного покрова, испарение воды с суши было понижено, а сток в реки и моря - повышен. Появление наземных растений и почв и постепенное увеличение занятых ими площадей сильно уменьшило сток. В воздух стало поступать значительно больше паров через испарение растительностью, что привело к увеличению количества осадков на суше.

В свою очередь это способствовало продвижению растений в глубь континентов. Таким образом, растительность изменяла климат в благоприятную для себя сторону.

Круговорот веществ и энергозависимость. 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.

Биосфера- открытая система. Ее существование невозможно без поступления энергии извне. Основная доля приходится на энергию Солнца. В отличие от количества солнечной энергии количество атомов вещества на Земле ограничено.

Круговорот веществ обеспечивает неисчерпаемость отдельных атомов химических элементов. При отсутствии круговорота, например, за короткое время был бы исчерпан основной «строительный материал» живого - углерод. Биосфера Земли характеризуется определенным образом сложившимися круговоротом веществ и потоком энергии.

Круговорот веществ - многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в тем числе в тех слоях, которые входят в состав биосферы Земли.

Круговорот веществ осуществляется при непрерывном потоке солнечной энергии.

В зависимости от движущей силы, с определенной долей условности, внутри круговорота веществ можно выделить геологический, биологический и антропогенный круговороты. До возникновения человека на Земле осуществлялись только первые два.

Геологический круговорот - круговорот веществ, движущей силой которого являются экзогенные и эндогенные геологические процессы. Геологический круговорот веществ осуществляется без участия живых организмов.

Биологический круговорот - круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов. С появлением человека возник антропогенный круговорот, или обмен веществ.

Антропогенный круговорот (обмен) - круговорот (обмен) веществ, движущей силой которого является деятельность человека. В нем можно выделить две составляющие: биологическую, связанную с функционированием человека как живого организма, техническую, связанную с хозяйственной деятельностью людей (техногенный круговорот (обмен)).

В отличие от геологического и биологического круговоротов веществ, антропогенный круговорот веществ в большинстве случаев является незамкнутым. Поэтому часто говорят не об антропогенном круговороте, а об антропогенном обмене веществ. Незамкнутость антропогенного круговорота веществ приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению природной среды. Именно они и являются основной причиной всех экологических проблем человечества.

Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов, который выражается в циркуляции веществ между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами.

Круговорот воды. Вода испаряется и воздушными течениями переносится на большие расстояния.

Круговорот воды в биосфере

Рис. 19. Круговорот воды в биосфере

Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делает их доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с растворенными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими частицами в моря и океаны (см. рис. 19).

Циркуляция воды между океаном и сушей представляет собой важнейшее звено в поддержании жизни на Земле.

Благодаря этому процессу происходит постепенное разрушение литосферы, компоненты которой переносятся в моря и океаны.

Круговорот углерода. Углерод входит в состав разнообразных органических веществ, из которых состоит все живое. В процессе фотосинтеза зеленые растения используют углерод диоксида углерода и водород воды для синтеза органических соединений, а освободившийся кислород поступает в атмосферу.

Круговорот углерода в биосфере

Рис. 20. Круговорот углерода в биосфере

Им дышат различные животные и растения, а конечный продукт дыхания - СО2 - выделяется в атмосферу (рис. 20).

Круговорот азота. Атмосферный азот включается в круговорот благодаря деятельности азотфиксирующих бактерий и водорослей, синтезирующих нитраты, пригодные для использования растениями (рис. 21).

Часть азота фиксируется в результате образования оксидов во время электрических разрядов в атмосфере. Соединения азота из почвы поступают в растения и используются для построения белков.

После отмирания живых организмов гнилостные бактерии разлагают органические остатки до аммиака. Хемосинтезирующие бактерии превращают аммиак в азотистую, затем в азотную кислоту. Некоторое количество азота благодаря деятельности денитрифицирующих бактерий поступает в воздух.

Часть азота оседает в глубоководных отложениях и на длительный срок выключается из круговорота; эта потеря компенсируется поступлением азота в воздух с вулканическими газами.

Круговорот серы. Сера входит в состав ряда аминокислот и также представляет собой жизненно важный элемент. Находящиеся глубоко в почве и в морских осадочных породах соединения серы с металлами - сульфиды - переводятся микроорганизмами в доступную форму - сульфаты, которые и поглощаются растениями.

С помощью бактерий осуществляются отдельные реакции окисления - восстановления.

Глубоко залегающие сульфаты восстанавливаются до H2S, который поднимается вверх и окисляется аэробными бактериями до сульфатов. Разложение трупов животных или растений обеспечивает возврат серы в круговорот (см. рис. 22).

Круговорот азота в биосфере

Рис. 21. Круговорот азота в биосфере

В результате деятельности человека движение многих веществ резко ускоряется, при этом в одних местах возникает недостаток, а в других - избыток каких-то веществ.

Примером служит повышенный выброс SO2 в атмосферу при сжигании топлива. В окрестностях медеплавильных заводов избыток SO2 в воздухе вызывает гибель растительности вследствие нарушения процесса фотосинтеза.

Круговорот фосфора. Фосфор сосредоточен в отложениях, образовавшихся в прошлые геологические эпохи.

Постепенно он вымывается из них и попадает в экосистемы или вносится на поля как удобрение. Растения используют только часть фосфора; много его уносится реками в моря и снова отлагается в осадках.

Вместе с выловом рыбы, содержащей этот элемент, на сушу возвращается примерно 60 000 т элементарного фосфора, добывается же ежегодно 1-2 млн т фосфорсодержащих пород.

Круговорот серы в биосфере

Рис. 22. Круговорот серы в биосфере

Хотя запасы фосфорсодержащих пород велики, в будущем придется предпринимать специальные меры для возвращения фосфора в круговорот веществ.

Ноосфера. В 1944 г. В. И. Вернадский развил представление о переходе биосферы в ноосферу, т. е. в такое ее состояние, когда развитие биосферы будет управляться разумом человека.

Термин «ноосфера» предложен Э. Леруа (1927 г.) и П. Тейяром де Шарденом (1930 г.).

Ноосфера - сфера разума, высшая стадия развития биосферы, когда разумная человеческая деятельность становится главным, определяющим фактором ее развития.

По убеждению В. И. Вернадского, биосфера вступает в новую стадию своего развития- стадию ноосферы. На этой стадии человек разумный выступает как геохимическая сила невиданного масштаба. Особенность этой силы - ее разумность.

Основные признаки превращения биосферы в ноосферу заключаются в следующем:

  • 1. Возрастание количества механически извлекаемого материала земной коры (рост разработки месторождений полезных ископаемых). Геохимическая деятельность человека становится сравнимой по масштабам с биологическими и геологическими процессами. В геологическом круговороте резко возрастает звено денудации.
  • 2. Массовое потребление (сжигание) продуктов фотосинтеза прошлых геологических эпох (нефти, газа, каменного угля и пр.). Следствием является усиление парникового эффекта и глобальное потепление климата.
  • 3. Рассеивание энергии, в отличие от ее накопления в биосфере до появления человека. Основным следствием является энергетическое загрязнение биосферы.
  • 4. Образование в больших количествах веществ, ранее в биосфере отсутствовавших (чистые металлы, пластмассы и др.). В результате наблюдается химическое загрязнение биосферы - ее металлизация, загрязнение промышленными и другими отходами и т. д.
  • 5. Создание, хотя и в ничтожно малых количествах, трансурановых химических элементов (плутония и др.). Освоение ядерной энергии за счет деления тяжелых ядер и (в обозримом будущем) термоядерной энергии за счет синтеза легких ядер. Возникает опасность теплового загрязнения биосферы и загрязнения радиоактивными отходами ядерной энергетики.
  • 6. Расширение границ ноосферы за пределы Земли в связи с научно-техническим прогрессом. Возникновение космонавтики обеспечило выход человека за пределы родной планеты. Ноосфера в будущем займет большее пространство, чем биосфера до появления человека. Создается принципиальная возможность создания искусственных биосфер на других планетах.

В ноосфере человек становится крупной геологической силой, он перестраивает своим трудом и мыслью область своей жизни. Человек неразрывно связан с биосферой, уйти из нее не может. Его существование есть функция биосферы, которую он неизбежно изменяет. Многие ученые считают, что переход к ноосфере может стать началом конца биосферы, конца жизни на Земле. Подтверждением этому служат нарастающие экологические проблемы современности.

Вопросы для самоконтроля

  • 1. Закончите определение. Биосфера - это:
    • а) оболочка Земли, в которой существуют (или существовали) живые существа;
    • б) оболочка Земли, включающая часть литосферы, атмосферы и гидросферы;
    • в) оболочка Земли, в которой существует человечество;
    • г) оболочка Земли, включающая часть литосферы.
  • 2. Живое вещество биосферы - это:
    • а) совокупность и биомасса живых организмов в биосфере;
    • б) биомасса животных в биосфере;
    • в) совокупность и биомасса растений в биосфере;
    • г) совокупность и биомасса микроорганизмов в биосфере.
  • 3. Биокосное вещество - это:
    • а) тела, созданные в результате взаимодействия живых организмов и косных процессов;
    • б) части неживой природы, горные породы магматического происхождения;
    • в) тела, созданные и переработанные живыми организмами;
    • г) части природы, не связанные своим происхождением с живыми организмами.
  • 4. Жизнь растительных организмов в поверхностных слоях открытого океана часто ограничивается:
    • а) количеством питательных веществ;
    • б) недостатком кислорода;
    • в) температурой воды;
    • г) количеством проникающего света.
  • 5. Процессы миграции атомов в биосфере обусловлены:
    • а) обменом веществ, ростом и размножением организмов;
    • б) жизнедеятельностью организмов почвы;
    • в) перемещением некоторых биогенных элементов в атмосферу;
  • г) возникающей в конечном итоге утечкой элементов питания из сообщества живых организмов в отложения, образующиеся на дне океана;
  • д) поступлением большинства элементов питания в пищевую сеть через посредство животных;
  • е) образованием более плотных популяций организмов в тех регионах, где элементы питания имеются в изобилии.
  • 6. Биосфере необходим приток энергии извне:
    • а) потому что образовавшиеся в процессе фотосинтеза органические вещества служат источником энергии для животных;
    • б) пищевые сети биогеоценозов недостаточно разветвлены;
    • в) разнообразные организмы разрушают остатки биомассы;
    • г) в каждой цепи питания последующий трофический уровень способен использовать лишь 5-15% энергии биомассы предыдущего уровня на построение вещества своего тела;
    • д) в процессе дыхания или брожения часть энергии теряется в окружающую среду.
  • 7. Для биогеохимического круговорота не характерны:
    • а) высвобождение биогенных элементов в результате минерализации отмершей биомассы;
    • б) миграция элементов по пищевой цепи с неограниченным числом трофических уровней;
    • в) накопление химических элементов в организмах;
    • г) перемещение некоторых элементов питания из организмов в литосферу.
  • 8. Нарисуйте простую схему круговорота углерода.
  • 9. Основную массу живого вещества биосферы составляют:
    • а) животные;
    • б) бактерии;
    • в) растения;
    • г) планктон.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >