Лекция №11-4.Биосфера Файл

Биосфера
1. Границы биосферы, её структура и функции
Термин «биосфера» впервые был введен в науку австрийским геологом
Э. Зюссом в 1875 году. Он подразумевал под термином «биосфера» особую
тонкую оболочку Земли, «пленку жизни». Учение о биосфере, раскрывшее её
роль и значение для развития жизни на нашей планете создал русский ученый геохимик В.И. Вернадский. Он определил биосферу как область существования
жизни и живых организмов на Земле как единого целого. Согласно учению В.И.
Вернадского, биосфера начала формироваться одновременно с образованием
Земли и пронизывает все её географические оболочки: атмосферу, гидросферу
и литосферу. Верхней границей биосферы служит озоновый слой (озоносфера),
тонкий слой в стратосфере на высоте 25 – 30 км с повышенным содержанием
озона (О3), который защищает все живое на планете от жёсткого ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения. Установить, где проходит нижняя
граница биосферы, сложно, так как даже на дне Мирового океана, в сверхглубоких скважинах, пробуренных до глубины 10 – 12 км, обнаружены живые организмы или следы их пребывания. К физико-химическим условия жизни можно отнести: наличие доступной для организмов воды, температурный режим средняя температура планеты составляет +15 оС), наличие элементов питания,
предел солености воды составляет 270 г/л, газовый состав атмосферы (N2 – 78
%, О2 - 21 %, СО 2 - 0,03 %).
Биосфера, как любая экосистема, состоит из абиотической и биотической
частей. Абиотическая часть представлена почвой и подстилающими её породами, атмосферным воздухом, водной средой океанов, морей, рек, озер. Биотическая часть состоит из живых организмов: растений, животных и микроорганизмов. Биосфера представляет собой достаточно сложную систему, которая характеризуется рядом свойств, определяющих ее специфику. К их числу относятся:
- централизованность, то есть центральным звеном биосферы являются живые
организмы;
- открытость, биосфера существует только за счет получения от Солнца энергии, усваиваемой растениями и передаваемой далее по цепям питания;
- саморегулируемость и организованность, наличие в биосфере механизмов,
способность возвращаться экосистемы в исходное состояние (гомеостаз);
- разнообразие - разные среды жизни, входящие в состав биосферы (водная,
почвенная, наземно-воздушная и т.д.), разнообразие природных зон, наличие
различных геохимических областей и самое главное – большое число элементарных экосистем со свойственным им видовым разнообразием. Предполагают,
что в настоящее время на Земле обитает до 2 млн видов животных и более 340
тыс. видов растений и грибов. Самую многочисленную группу растений (более
280 тыс. видов) составляют цветковые или покрытосеменные. Разнообразие в
целом рассматривают как основное условие устойчивости любой экосистемы и
биосферы в целом;
- наличие механизмов, обеспечивающих круговорот веществ и связанную с
ним неисчерпаемость отдельных химических элементов и их соединений.
В составе биосферы В.И. Вернадский выделил четыре основных вида вещества:
- косное, в создании которого живые организмы участия не принимали (гранит,
базальт). В составе косного вещества иногда выделяют в отдельные группы:
космическое, радиоактивное и рассеянные атомы;
- биокосное - это неорганические породы, переработанные живыми организмами (в первую очередь, почва);
- биогенное - образовавшееся в процессе жизнедеятельности живых организмов
(нефть, каменный уголь, известняки);
- живое - все живые организмы планеты как единое целое.
Биосфера за тысячелетия своего существования прошла долгий путь. Человек, преобразуя природные экосистемы в процессе своей производственной
деятельности, создал особую часть биосферы – техносферу. Если преобразование биосферы в техносферу будет идти такими же темпами, то через несколько
десятилетий на Земле не останется естественных природных экосистем, биосфера окажется на грани гибели. Единственной альтернативой этому является
разумное использование природных ресурсов и условий, минимальное вмешательство в природные экосистемы без нарушения их способности к самовосстановлению. Такую высшую стадию развития биосферы, «сферу разума» В.И.
Вернадский назвал ноосферой.
2. Живое вещество биосферы, его функции
Живое вещество биосферы состоит из тех же элементов, что и неживое
вещество. Это подтверждает единство природы и делает возможным круговорот веществ. Живое вещество образует тонкий слой в массе геосфер Земли. Его
масса 2420 млрд т, что более чем в две тысячи раз меньше массы самой легкой
оболочки Земли – атмосферы. Но живое вещество, хотя оно распределено в
биосфере неравномерно, пронизывает все геосферы Земли.
Для живого вещества характерны следующие свойства:
- способность быстро занимать (осваивать) все свободное пространство. В. И. Вернадский назвал это «всюдностью жизни»;
- движение не только пассивное (под действием силы тяжести, гравитационных сил и т. п.), но и активное. Например, против течения воды, силы тяжести, движения воздушных потоков и т. п.;
- устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти (включение в круговороты), сохраняя при этом высокую физико-химическую активность;
- 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 физикохимическим параметрам условий;
- феноменально высокая скорость протекания реакций. Она на несколько
порядков (в сотни, тысячи раз) выше, чем в неживом веществе. Причиной высокой скорости обменных процессов являются специальные биологические катализаторы – ферменты;
- 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 жизни (например,
планктон), – 33 дня. В результате высокой скорости обновления за всю историю существования жизни общая масса живого вещества, прошедшего через
биосферу, примерно в 12 раз превышает массу Земли. Только небольшая часть
его (доли процента) законсервирована в виде органических остатков (по выражению В. И. Вернадского, «ушла в геологию»), остальная же включилась в
процессы круговорота.
В.И. Вернадский отмечал следующие функции живого вещества:
- газовая – обеспечивает постоянство газового состава атмосферы за счет
фотосинтеза и дыхания;
- концентрационная – организмы накапливают в своих телах многие химические элементы;
- окислительно-восстановительная – высокая скорость окислительновосстановительных реакций, проходящих в живых организмах, обеспечивает
высокую скорость круговорота веществ;
- биохимическая – размножение, рост и перемещение в пространстве;
- деструкционная – микроорганизмы разлагают органические остатки до
простых минеральных соединений, чем способствуют возвращению элементов
в круговорот веществ;
- средообразующая – живые организмы воздействую на окружающую их среду,
изменяя её (растения создают тень, сохраняют влагу, формируют особый тип почв);
- энергетическая – зелёные растения усваивают энергию Солнца, превращают её в химическую энергию органического вещества, по цепям питания
эта энергия передаётся от одного организма к другому;
- транспортная – живые организмы способствуют перемещению веществ
и отдельных элементов в пространстве;
- информационная – благодаря наследственности живые организмы передают информацию следующим поколениям.
3. Круговороты веществ в биосфере. Геохимические циклы
Основных круговоротов в биосфере два: большой (геологический) и малый (биогеохимический, биотический).
Большой (геологический) круговорот веществ в природе обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет
перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами
Земли. Осадочные горные породы, образованные за счет выветривания магматических пород, под действием осадков, ветра переносятся потоками ручьёв,
рек в Мировой океан, где постепенно в подвижных зонах земной коры вновь
погружаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются
в магму – источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на
земную поверхность и действия процессов выветривания круговорот косного
вещества продолжается.
Малый (биохимический, биотический) круговорот совершается в пределах биосферы. Он начинается с образования органического вещества из неорганического в процессе фото- и хемосинтеза, продолжается при передаче веще-
ства по трофическим цепям и заканчивается разложением органического вещества в простые неорганические соединения. Этот круговорот для существования биосферы – главный. В нем главная роль принадлежит живому веществу.
Источником энергии биохимического круговорота является энергия Солнца.
Именно под её воздействием начинается процесс фотосинтеза. Если перенос
вещества и энергии осуществляется преимущественно посредством трофических цепей, такой круговорот называют биологическим. Он предполагает замкнутый цикл вещества, многократно используемого в трофической цепи.
В масштабах всей биосферы биологический круговорот невозможен. В
биохимическом круговороте происходит обмен макро- и микроэлементами,
простыми неорганическими веществами (СО2, Н2О) с веществом атмосферы,
гидросферы и литосферы.
Круговороты отдельных элементов В.И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. В таком цикле химический элемент перемещается из живого
организма во внешнюю среду, затем, претерпев определенные изменения, снова
поглощается живым организмом. Элементы, участвующие в биогеохимических
циклах, называют биофильными. К ним относится углерод, азот, водород, кислород, фосфор и сера.
В биогеохимических круговоротах различают две части:
- резервный фонд – это масса веществ, не связанных с живыми организмами. Их перемещение происходит в рамках геологического круговорота;
- обменный фонд – меньшая, по сравнению с резервным фондом, масса веществ,
участвующая в обмене между живыми организмами и окружающей их средой.
В биосфере можно выделить 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере; 2) осадочный цикл с резервным
фондом в земной коре.
Углерод вступает в биохимический цикл в форме углекислого газа (растения поглощают его в процессе фотосинтеза), передается по трофическим цепям
в составе органического вещества и возвращается в атмосферу в виде углекислого газа, который образуется при разложении редуцентами органических
остатков. Скорость круговорота углерода составляет примерно 300 лет.
Кислород синтезируется зелеными растениями в процессе фотосинтеза,
поглощается животными, почвенными организмами и растениями при дыхании, включается в состав сложных органических соединений, выделяется при
дыхании в составе углекислого газа, который поглощается растениями. Скорость круговорота кислорода – 2 тыс. лет.
Азот в огромных количествах сосредоточен в атмосфере, но живые организмы не могут усваивать его при дыхании, как кислород. Атомы азота входят в
состав белковых молекул. Растения могут усваивать азот только в виде нитратов,
нитритов или солей аммония. Важнейшую роль в круговороте азота играют нитрифицирующие хемосинтезирующие бактерии. Они разлагают органические
остатки погибших организмов, превращая азот из белковых молекул в нитраты и
нитриты. Азот почвенного воздуха усваивают азотфиксирующие (клубеньковые)
бактерии, которые поселяются на корнях бобовых растений. Возвращается азот в
атмосферу при разложении, гниении органических остатков.
Основная масса фосфора и серы содержится в резервном фонде земной
коры и недоступна живым организмам. Круговороты серы и фосфора – типичные осадочные геохимические циклы.
Фосфор содержится в горных породах в виде фосфатов. В биохимический
круговорот он может попасть при подъёме земной коры на поверхность суши.
В процессе выветривания горные породы разрушаются. Часть соединений, содержащих фосфор, попадает в океан, где усваивается фитопланктоном и передается по трофической цепи до консументов третьего порядка – морских птиц.
Из экскрементов морских животных и птиц, при разложении умерших организмов, особенно рыб, фосфор вновь попадает в море и в круговорот, но часть
скелетов достигает больших глубин и заключенный в них фосфор попадает в
осадочные породы. Именно на этой стадии фосфор выключается из биотического круговорота на долгие годы, что может привести к его дефициту. В
наземных экосистемах из почвы фосфор поглощают растения, далее он передается по трофической цепи. Возвращается фосфор в почву после отмирания животных и растений. Вымывание соединений фосфора и азота из почвы и попадание больших количеств этих элементов в водоёмы приводит к увеличению
биомассы водорослей – «цветению» водоёмов, называемому эвтрофикацией.
Сера имеет резервный фонд в почве и в атмосфере. В горных породах сера встречается в виде сульфидов и сульфатов. В природных водах – в виде растворимых в воде сульфатов. В атмосфере – в виде сероводорода и сернистого
газа. В биохимический круговорот сера вовлекается серобактериями – особыми хемосинтетиками, способными перерабатывать серу и её соединения в сероводород. Под действием кислорода воздуха и некоторых микроорганизмов сероводород окисляется до сульфатов, растворяется в воде и с осадками попадает
в почву, где становится доступным растениям. В наземных экосистемах сера
возвращается в почву при отмирании организмов.
4. Эволюция биосферы
Важнейшей частью учения о биосфере В.И. Вернадского является изучение эволюции биосферы. В.И. Вернадский считал, что живое вещество в виде
отдельных биогенных элементов возникло на Земле одновременно с формированием планеты. В процессе формирования Солнечной системы происходило
постепенное остывание массы планеты, конденсация воды и образование Мирового океана. В это время из отдельных элементов образуются простые неорганические соединения: метан, углекислый газ, сероводород, оксиды азота, вода. Из неорганических соединений со временем образуются простые органические вещества: нуклеиновые кислоты, азотистые основания. Новые вещества
образуются и распадаются, то есть возникает первичный круговорот органического вещества. Предполагают, что эти процессы происходили 4,5 – 5 ·109 лет
назад. Академик А.И. Опарин выдвинул и экспериментально подтвердил теорию образования белковых молекул из простых неорганических соединений.
Согласно этой теории, органические молекулы неравномерно распределялись в
Мировом океане. Они образовывали коллоидные сгущения, названные коацерватами. Коацерваты представляли собой прообраз клетки. Они были отделены
от окружающей среды оболочкой, через которую осуществлялся обмен веществом. Но, в отличие от клетки, коацерваты не были способны к наследованию.
Их состав менялся произвольно.
Следующим важным этапом эволюции биосферы явилось возникновение в
коацерватах молекул ДНК, которые сохраняли информацию о строении коацервата и могли передавать эту информацию по наследству. По сути, это уже была
клетка живого вещества, но она еще не имела ядра. Только после возникновения
в клетке ядра можно стало говорить о возникновении простейших одноклеточных организмов. Этот процесс начался примерно 3,5 - 3·109 лет назад. Так как в
атмосфере отсутствовал молекулярный кислород, то организмы использовали
кислород из оксидов и других соединений, то есть были анаэробными.
Примерно 2·109 лет назад возникли первые организмы, способные к фотосинтезу. Это были цианобактерии и синезеленые водоросли (прокариоты). В
атмосферу начал поступать свободный кислород. Начинают появляться аэробные организмы, использующие для дыхания молекулярный кислород. Стадию
эволюции биосферы, когда содержание кислорода в атмосфере составило примерно 1 % от современного его количества, называют первой точкой Пастера.
Начинает формироваться озоновый слой. Образование озонового слоя явилось
мощным толчком к развитию организмов всех видов. До этого все живые организмы обитали только в воде, так как на суше они гибли от коротковолнового
ультрафиолетового излучения. Озоновый слой защитил живые организмы от
этого излучения, стали формироваться виды, способные обитать на суше. Примерно 7·108 лет назад в результате неполного деления клеток стали возникать
многоклеточные организмы.
Когда содержание кислорода достигло 10 % от современного (вторая
точка Пастера) появляются сосудистые растения (эукариоты) и насекомые.
Это произошло 3 – 5 ·108 лет назад. Мезозойская эра (7 - 9·107 лет назад) характеризуется появлением млекопитающих и покрытосеменных растений. 5·107
лет назад появляются злаковые растения, образуется бурый уголь. Активизируется вулканическая деятельность. Примерно 2·107 лет назад содержание кислорода приблизилось к современному уровню. Это способствовало увеличению
видового разнообразия млекопитающих. Первые представители антропоидов
появились 107 лет назад. Появление первого известного в настоящий момент
человекообразного организма относят к плиоцену (2 - 5·107 лет назад).
Появление популяции человека разумного ( Homo sapiens) явилось следующим этапом формирования биосферы. Если на первом этапе, когда человек
занимался собирательством и охотой, его воздействие на биосферу не отличалось коренным образом от воздействия других млекопитающих, то с развитием
земледелия, добычи металлических руд и выплавки из них металлов влияние
человека на окружающую среду приобрело значительные масштабы. В настоящее время говорят о формировании техносферы – части биосферы, преобразованной коренным образом в результате хозяйственной деятельности человека.
Вытеснение природных экосистем антропогенными приводит к снижению
устойчивости биосферы в целом и, рано или поздно, может привести к её гибели.
В.И. Вернадский, развивая свое учение о биосфере, создал учение о ноосфере – высшей стадии развития биосферы, сферы разума, когда человек осуществляет свою хозяйственную и иную деятельность с учетом функционирования законов природы, с минимальным воздействием на природные экосистемы,
гармонично существует в окружающей среде. Только такой путь - преобразование биосферы в ноосферу (а не в техносферу) позволит сохранить нашу планету для нас и наших потомков. В.И. Вернадский писал: «Биосфера перейдет так
или иначе, рано или поздно в ноосферу… На определенном этапе развития человек вынужден взять на себя ответственность за дальнейшую эволюцию планеты, иначе у него не будет будущего».