Происходят изменения рельефа суши. Теплые течения согревают атмосферу в тех местах, где они протекают; холодные наоборот — охлаждают. В виде пара и облаков вода постоянно находится в атмосфере. От рельефа местности зависит скорость и направление течения рек. В процессе извержении в атмосферу выбрасываются различные газы и вулканический пепел. От ветра зависит направление морских течений. Он также влияет на рельеф местности, особенно пустынь, покрытых песками. Количество осадков влияет на полноводность рек. Итак, между оболочками Земли существует постоянная связь. Они объединяются в целостную систему и создают условия, подходящие для .
Живые организмы, в свою очередь, также оказывают влияние на оболочки Земли.
Первые живые существа возникли в воде и были гораздо проще по сравнению даже с простейшими существами, которые живут в настоящее время. Водоросли обогатили воду и кислородом. Постепенно выходя на сушу, во влажных местах бактерии, одноклеточные животные и растения принимали участие в создании почвы. Таким образом создавались условия для жизни растений на суше. Растения обогатили воздух кислородом, способствовали созданию озонового экрана; используя солнечные лучи, создавали органические вещества, необходимые для животных. Постепенно живые организмы освоили все оболочки Земли. Они существенно изменили облик планеты: превратили верхнюю часть литосферы, создав почву; способствовали изменению состава атмосферы и гидросферы.
Живые организмы создают особую оболочку, которая проникает в другие сферы Земли и связывает все компоненты в крупнейшую экосистему — биосферу.
Биосфера — это оболочка Земли, которую образуют и на развитие которой влияют все живые организмы.
Верхняя граница биосферы находится в атмосфере, заселенной только до озонового экрана, так как низкие температуры и ультрафиолетовое излучение губительно действует на живых существ. Даже на высоте 20-25 км встречаются споры грибов, бактерии.
Гидросфера заселена полностью, но большее разнообразие организмов наблюдается в толще воды, куда проникает солнечный свет.
Нижняя граница биосферы проходит в литосфере. На глубинах 0,5 — 2 м от поверхности количество живых организмов быстро уменьшается. На глубине свыше 10 м. живые существа не встречаются, поскольку большая плотность среды и повышение температуры ограничивают возможность их существования. Но и здесь бывают исключения. В нефтяных месторождениях на глубине примерно 2-3 км были найдены бактерии.
Наибольшая плотность живых организмов на суше, поверхности воды океана и на его дне до глубины 200 м, куда еще поступают солнечные лучи. Именно на границе атмосферы, гидросферы и литосферы благоприятные условия для жизни.
Основные функции биосферы
Современная наука выделяет пять важнейших функций биосферы:
- энергетическую функцию , которая выполняется за счет использования растениями энергии солнца в процессе фотосинтеза. На собственные нужды организма в среднем расходуется 10-12% ассимилированной ими энергии. Остальная ее часть перераспределяется внутри экосистемы: частично распределяется между остальными компонентами биосферы, частично накапливается в отмершей органике, образуя залежи биогенного вещества (торфа, угля, ), а частично рассеивается в атмосфере.
- газовую функцию , которая обусловливает миграцию газов и их превращения, обеспечивает газовый состав биосферы. Преобладающая масса газов на Земле имеет биогенное происхождение. В процессе функционирования живого вещества создаются основные газы: азот, кислород, углекислый газ, сероводород, метан и др.
- концентрационную функцию , которая заключается в избирательном извлечении и накоплении живыми организмами биогенных из окружающей среды. Благодаря этой функции живые организмы могут служить для человека источником как полезных (витаминов, аминокислот), так и опасных для здоровья веществ (тяжелых , радиоактивных элементов, ядохимикатов).
- деструктивную функцию , которая состоит в разложении, минерализации мертвого вещества, в химическом разложении горных пород, вовлечении образовавшихся минералов в биотический круговорот. Специальная группа организмов (редуцентов) деструкторов разлагает мертвое органическое вещество до простых неорганических соединений: углекислого газа, воды, сероводорода, метана, аммиака, которые затем вновь используются в начальном звене круговорота.
- средообразующую функцию , которая заключается в преобразовании физикохимических параметров среды (литосферы, гидросферы, атмосферы) в условия, максимально подходящие для существования живыхорганизмов. С известной долей условности можно утверждать, что эта функция является результатом совместного действия всех рассмотренных выше функций биосферы. В результате именно средообразующей функции образовался покров осадочных пород, был преобразован газовый состав атмосферы, изменился химический состав вод первичного океана, возник почвенный покров на поверхности суши.
Человек и биосфера
Появившись на Земле, человек получил от природы все необходимое для жизни: воздух, воду, пищу, почву, пригодную для земледелия, природные материалы для изготовления орудий труда и предметов быта.
За время своего существования на Земле человек очень долго была потребителем природных благ. Ему хватало чистой воды, чистого воздуха, плодородной почвы, рыбы в водоемах, зверей в лесах и степях; природных материалов было вполне достаточно для удовлетворения разнообразных потребностей. В то же время и самих людей на планете было сравнительно немного.
Но уже давно люди начали вмешиваться в жизнь естественных экосистем, разрушая их. Опустошив место жительства, люди кочевали в поисках новых, плодородных земель, богатых животными лесов. Убытки природы от деятельности человека все увеличивались.
Экосистемы сравнительно быстро преодолевали эти проблемы, восстанавливая и возрождая природные комплексы. Со временем численность человеческого населения на Земле росло. Появилась мощная техника, которую человек применял для удовлетворения своих потребностей, увеличилось влияние людей на окружающую среду. В результате деятельности человека изменяется состав атмосферы, гидросферы, литосферы. Любое вмешательство в биосферу меняет среду обитания, сказывается на жизнедеятельности организмов. Сейчас вред, который наносит человечество биосфере, может оказаться необратимым и непоправимым.
Человек давно заметил, что на бережное отношение природа всегда откликается. Примером положительной деятельности человека может быть создание парков, лесопарков, садов, скверов.
Карьеры, образовавшиеся после открытой разработки месторождений полезных ископаемых, существенно влияют на изменения рельефа. Но если засыпать их сначала шлаком, остающейся после сгорания угля на электростанциях, сверху покрыть слоем пустой шахтной породы и засыпать тонким слоем почвы, смешанным с золой из фильтров теплоэлектростанций, то на таком месте можно выращивать различные культурные растения.
Очистка воды в океане от загрязнения нефтью можно проводить с использованием бактерий, уменьшает вредное воздействие.
Для очистки пресных водоемов используются растения-санитары: водяной гиацинт, рогоз, хвощ болотный и другие.
Также важным вопросом на сегодня остается строительство очистных сооружений на производствах с вредными выбросами в атмосферу.
Человек может существовать только при использовании ресурсов биосферы. Мы должны познавать законы природы и использовать эти знания разумно. Человечество уже осознало необходимость научно обоснованного природопользования, когда достижения науки согласовывают деятельность человека и жизни природы. Это необходимые условия сохранения жизни на планете.
Охрана биосферы. Красная книга
Человек и биосфера неотделимы друг от друга. Функции биосферы обеспечивают человека необходимыми для жизни веществами и энергией. Человек заботится о биосфере: проявляет заботу о ее жителях, охраняет среду их обитания. Сейчас вопросы охраны биосферы волнует всех людей на Земле.
Международное сотрудничество по охране биосферы проявляется в создании таких организаций, как Гринпис, Общества по охране природы, Всемирного фонда охраны природы и других. Ученые обнаруживают виды и группировки организмов, которым угрожает опасность, выясняют, сколько их осталось в природе и где, разрабатывают мероприятия по охране окружающей среды. В 1948 при ООН была создана Комиссия по охране видов растений и животных, которые исчезают, а впоследствии — Международная Красная книга, в которую вошли данные о живых существах, которые оказались на грани вымирания.
В России первую Красную книгу выпустили в 1983 г. — это был том «Животные», а в 1988 г. к нему добавился том «Растения». Позже книга была переиздана в 2001 и в 2017 гг., каждый раз дополняясь. В Красную книгу занесено 8 видов земноводных, 21 вид пресмыкающихся, 128 видов птиц и 74 вида млекопитающих, всего вместе с беспозвоночными животными — 434 вида. Красная книга является государственным документом, который содержит сведения об исчезающих видах растений, животных, грибов и советы по приумножению их популяции.
Важный шаг на пути защиты и спасения природы — выделение территорий, где растения и животные сохраняются в неприкосновенности. Это создание заповедников, заказников, национальных парков. Сегодня в мире существует около 350 биосферных заповедников, 37 из которых расположены в России, крупнейшие это: Алтайский государственный природный биосферный заповедник, Кавказский государственный биосферный заповедник, Байкальский заповедник, Баргузинский заповедник, Брянский лес — государственный природный биосферный заповедник.
Заповедники — это территории, на которых запрещена любая хозяйственная деятельность человека; в них охраняются не только живые организмы, но и условия их существования.
Национальные природные парки — территории, которые охраняет государство, но здесь разрешен организованный туризм и учебные экскурсии.
Заказники — территории, на которых охраняются определенные виды животных и растений. Они создаются на определенный срок, пока не исчезнет угроза для организмов, взятых под охрану.
Образование в области окружающей среды рассматривается ныне педагогической общественностью как непрерывный процесс, охватывающий все возрастные, социальные и профессиональные группы населения. Однако ее центральным звеном является школа, так как именно в школьные годы формирования личности происходит наиболее интенсивно.
Биосфера (от греческого bios - жизнь, sphaira - сфера) - оболочка планеты Земля, в которой присутствует жизнь. Развитие термина «биосфера» связано с английским геологом Эдуардом Зюссе и российским ученым В. И. Вернадским. Биосфера, вместе с литосферой, гидросферой и атмосферой формирует четыре основные оболочки Земли.
Происхождение термина «биосфера»
Термин "биосфера" первым придумал геолог Эдуард Зюсс в 1875 году для обозначения пространства на поверхности Земли, где существует жизнь. Более полное определение понятия "биосфера" было предложено В. И. Вернадским. Он стал первым, кто отвел жизни главенствующую роль трансформирующей силы нашей планеты, беря во внимание жизнедеятельность организмов как в настоящем, так и прошлом. Геохимики раскрывают термин «биосфера» как общая сумма живых организмов («биомасса» или «биота», как называют биологи и экологи).
Границы биосферы
Каждую часть планеты, от полярных льдов до экватора, населяют живые организмы. Последние достижения в области микробиологии показали, что микроорганизмы обитают глубоко под земной поверхностью и возможно их общая биомасса превышает биомассу всего животного и растительного мира на поверхности Земли.
В настоящее время фактические границы биосферы измерить невозможно. Как правило, большинство видов птицы летают на высотах 650 - 1800 метров, а рыбы были обнаружены на глубине - до 8372 метров в океаническом Жёлобе Пуэрто-Рико. Но также есть более экстремальные примеры жизни на планете. Африканский сип, или гриф Рюппеля был замечен на высоте более 11000 метров, горные гуси обычно мигрируют на высоте не менее 8300 метров, дикие яки обитают в горных районах Тибета на высоте около 3200 - 5400 метров над уровнем моря, а горные козлы живут на высотах до 3000 метров.
Микроскопические организмы способны жить в более экстремальных условиях и если брать их во внимания, то толщина биосферы намного больше, чем мы себе представляли. Некоторые микроорганизмы были обнаружены в верхних слоях атмосферы Земли на высоте 41 км. Вряд ли микробы являются активными на таких высотах, где температура и давление воздуха являются чрезвычайно незначительными, а ультрафиолетовое излучение очень интенсивным. Скорее всего, они были доставлены в верхние слои атмосферы ветрами или извержением вулканов. Также одноклеточные формы жизни были найдены в самой глубокой части Марианской впадины на глубине 11034 метров.
Несмотря на все вышеперечисленные примеры крайностей существования жизни, в общем слой биосферы Земли настолько тонкий, что его можно сравнить с кожурой яблока.
Структура биосферы
Биосфера организована в иерархическую структуру, в которой отдельные организмы образуют популяции. Несколько взаимодействующих популяции составляют биоценоз. Общины живых организмов (биоценоз), проживающие в определенных физических средах обитания (биотоп), образует экосистему. - это группа животных, растений и микроорганизмов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей их средой таким образом, чтобы обеспечить свое существование. Поэтому экосистема функциональная единица устойчивости жизни на Земле.
Происхождение биосферы
Биосфера существует уже около 3,5-3,7 миллиарда лет. Первыми формами жизни были прокариоты – одноклеточные живые организмы, которые могли жить без кислорода. Некоторые прокариоты разработали уникальный химический процесс, который известен нам как . Они были в состоянии использовать солнечный свет, чтобы делать простой сахар и кислород из воды и углекислого газа. Эти фотосинтезирующие микроорганизмы были настолько многочисленны, что они кардинально преобразили биосферу. В течение длительного периода времени, сформировалась атмосфера из смеси кислорода и других газов, которая могла поддерживать новую жизнь.
Добавление кислорода в биосферу позволило стремительно развиваться более сложные формам жизни. Появились миллионы различных растений, животные, которые употребляли в пищу растения и других животных. эволюционировали, для того, чтобы разлагать мертвых животных и растения.
Благодаря этой – биосфера сделала огромный скачок в своем развитии. Разложенные останки отмерших растений и животных высвобождали в почву и океан питательные вещества, которые повторно поглощались растениями. Такой обмен энергией позволил биосфере стать самоподдерживающей и саморегулирующейся системой.
Роль фотосинтеза в развитии жизни
Биосфера является уникальной в своем роде. До сих пор не было никаких научных фактов, подтверждающих существования жизни в других местах Вселенной. Жизнь на Земле существует благодаря Солнцу. При воздействии энергии солнечного света осуществляется процесс под названием фотосинтез. В результате фотосинтеза растения, некоторыми виды бактерий и простейших под воздействием света перерабатывают двуокись углерода в кислород и органические соединения, такие как сахар. Подавляющее большинство видов животных, грибов, растений и бактерий непосредственно или косвенно зависят от фотосинтеза.
Факторы влияющие на биосферу
Существуют множество факторов, влияющих на биосферу и нашу жизнь на Земле. Есть глобальные факторы такие, как расстояние между Землей и Солнцем. Если бы наша планета находилась ближе или дальше по отношению к Солнцу, то на Земле было слишком жарко или холодно для зарождения жизни. Угол наклона земной оси также важный фактор, влияющий на климат планеты. Времена года и сезонные климатические изменения являются прямыми результатами наклона Земли.
Локальные факторы также оказывают важное воздействие на биосферу. Если посмотреть на определённый участок Земли, можно увидеть, влияние климата, ежедневной погоды, эрозии и самой жизни. Эти мелкие факторы постоянно меняют пространство и живые организмы должна реагировать соответствующим образом, адаптируясь к изменению среды обитания. Несмотря на то, что люди могут контролировать большую часть своего ближайшего окружения, они по-прежнему уязвимы природным катаклизмам.
Наименьший из факторов, влияющих на облик биосферы – это изменения, происходящие на молекулярном уровне. Реакции окисления и восстановления способны менять состав горных пород и органических веществ. Существует также биологическое разрушение. Крошечные организмы, такие как бактерии и грибки, способны перерабатывать, как органические, так и неорганические материалы.
Биосферные заповедники
Люди играют важную роль в поддержании энергообмена биосферы. К сожалению, наше воздействие на биосферу часто оказывается негативным. Например, уровень кислорода в атмосфере уменьшается, а уровень углекислого газа растет из-за того, что люди чрезмерно сжигают ископаемое топливо, а разливы нефти выбросы промышленных отходов в океан наносят огромный ущерб гидросфере. Будущее биосферы зависит от того, как люди будут взаимодействовать с другими живыми существами.
В начале 1970-х годов, Организация Объединенных Наций учредила проект под названием «Человек и биосфера» (MAB), который способствует устойчивому развитию сбалансированных . В настоящее время существует сотни биосферных резерватов по всему миру. Первый биосферный заповедник был создан в Янгамби, Демократическая Республика Конго. Янгамби расположен, в плодородном бассейне реки Конго и насчитывает около 32000 видов деревьев и животных, среди которых присутствуют такие эндемичные виды, как лесной слон и кистеухая свинья. Биосферный резерват Янгамби поддерживает такие важные мероприятия, как развитие рационального сельского хозяйства, охоты и добычи.
Внеземные биосферы
До сих пор, биосфера не была обнаружена за пределами Земли. Поэтому существование внеземных биосфер остается гипотетическим. С одной стороны, многие ученые считают, что жизнь на других планетах маловероятна, а если где-то она существует, то скорей всего в форме микроорганизмов. С другой стороны аналогов Земли может быть очень много, даже в нашей галактике - Млечный Путь. Учитывая ограниченные возможности наших технологий, в настоящее время неизвестно, какой процент из этих планет способен иметь биосферу. Также нельзя исключить вариант, что искусственные биосферы будут созданы человеком в будущем, например, на Марсе.
Биосфера – это очень хрупкая система, в которой каждый живой организм является важным звеном в огромной цепи жизни. Мы должны осознать, что человек, как самое разумное существо на планете несет ответственность за сохранение чуда жизни на нашей планете.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
Крупнейшим обобщением в комплексе наук о Земле (геология, география, геохимия, биология) стало учение о биосфере, созданное русским ученым В. И. Вернадским. Начав свою научную деятельность (как геолог) с изучения осадочных пород земной коры, В. И. Вернадский выявил огромную роль живых организмов в сложных геохимических процессах нашей планеты. В 1926 г. вышла его книга «Биосфера». В этом произведении глубоко анализируются сложные взаимоотношения живых организмов и неживой природы Земли. Его работа несколько опередила время. Лишь во второй половине ХХ в., на фоне обострения экологических проблем, его учение о биосфере получило широкое распространение.
Важным элементом учения В. И. Вернадского о биосфере является идея тесной зависимости биосферы от деятельности человека и сохранности ее в результате разумного отношения человека к природе. Ученый писал:
Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. Перед ним, перед его мыслью и трудом становится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть ноосфера. 1
В настоящее время учение о биосфере представляет собой важнейшую часть экологии, непосредственно связанную с проблемами регулирования взаимодействия человека и природы.
Впервые термин «биосфера» был употреблен Ж. Б. Ламарком в начале XIX в. Позднее он был упомянут в работе австрийского геолога Э. Зюсса в 1875 г. Однако это понятие не было детально разработано названными учеными, а использовано вскользь для обозначения области жизни на Земле. Лишь в работах В. И. Вернадского оно анализируется детально и тщательно и под ним понимается «оболочка жизни» на нашей планете.
Биосферой называют совокупность всех живых организмов нашей планеты и те области геологических оболочек Земли, которые заселены живыми существами и подвергались в течение геологической истории их воздействию.
Границы биосферы. Живые организмы неравномерно распространены в геологических оболочках Земли: литосфере, гидросфере и атмосфере (рис. 1). Поэтому биосфера сейчас включает верхнюю часть литосферы, всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы.
Рис. 1. 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
Литосфера это верхняя твердая оболочка Земли. Ее толщина колеблется в пределах 50–200 км. Распространение жизни в ней ограниченно и резко уменьшается с глубиной. Подавляющее количество видов сосредоточено в верхнем слое, имеющем толщину в несколько десятков сантиметров. Некоторые виды проникают в глубину на несколько метров или десятков метров (роющие животные - кроты, черви; бактерии; корни растений). Наибольшая глубина, на которой были обнаружены некоторые виды бактерий, составляет 3–4 км (в подземных водах и нефтеносных горизонтах). Распространению жизни в глубь литосферы препятствуют различные факторы. Проникновение растений невозможно из-за отсутствия света. Для всех форм жизни существенными препонами служат и возрастающие с глубиной плотность среды и температура. В среднем температурный прирост составляет около 3 °С на каждые 100 м. Именно поэтому нижней границей распространения жизни в литосфере считают трехкилометровую глубину, (где температура достигает около +100 °С).
Гидросфера - водная оболочка Земли, представляет собой совокупность океанов, морей, озер и рек. В отличие от литосферы и атмосферы она полностью освоена живыми организмами. Даже на дне Мирового океана, на глубинах около 12 км, были обнаружены разнообразные виды живых существ (животные, бактерии). Однако основная масса видов обитает в гидросфере в пределах 150–200 м от поверхности. Это связано с тем, что до такой глубины проникает свет. А следовательно, в более низких горизонтах невозможно существование растений и многих видов, зависящих в питании от растений. Распространение организмов на больших глубинах обеспечивается за счет постоянного «дождя» экскрементов, остатков мертвых организмов, падающих из верхних слоев, а также хищничества. Гидробионты обитают как в пресной, так и в соленой воде и по месту обитания делятся на 3 группы:
1) планктон - организмы, живущие на поверхности водоемов и пассивно передвигающиеся за счет движения воды;
2) нектон - активно передвигающиеся в толще воды;
3) бентос - организмы, обитающие на дне водоемов или зарывающиеся в ил.
Атмосфера - газовая оболочка Земли, имеющая определенный химический состав: около 78 % азота, 21 - кислорода, 1 - аргона и 0,03 % углекислого газа. В биосферу входят лишь самые нижние слои атмосферы. Жизнь в них не может существовать без непосредственной связи с литосферой и гидросферой. Крупные древесные растения достигают нескольких десятков метров в высоту, располагая вверх свои кроны. На сотни метров поднимаются летающие животные - насекомые, птицы, летучие мыши. Некоторые виды хищных птиц поднимаются на 3–5 км над поверхностью Земли, высматривая свою добычу. Наконец, восходящими воздушными потоками пассивно заносятся на десятки километров вверх бактерии, споры растений, грибов, семена. Однако все перечисленные летающие организмы или занесенные бактерии лишь временно находятся в атмосфере. Нет организмов, постоянно живущих в воздухе.
Верхней границей биосферы принято считать озоновый слой, располагающийся на высоте от 30 до 50 км над поверхностью Земли. Он защищает все живое на нашей планете от мощного ультрафиолетового солнечного излучения, в значительной мере поглощая эти лучи. Выше озонового слоя существование жизни невозможно.
Таким образом, основная часть видов живых организмов сосредоточена на границах атмосферы и литосферы, атмосферы и гидросферы, образуя относительно «тонкую пленку жизни» на поверхности нашей планеты.
Строение и функционирование биосферы. Биосфера - это глобальная экологическая система , состоящая из множества экосистем более низкого ранга, биогеоценозов, взаимодействием которых друг с другом и обусловлена ее целостность. Действительно, биогеоценозы существуют не изолированно - между ними существуют непосредственные связи и отношения. Например, в водные биогеоценозы ветром, дождями, талыми водами выносятся из наземных экосистем минеральные и органические вещества. Может происходить перемещение организмов из одного биогеоценоза в другой (например, сезонные миграции животных). И наконец, всех объединяет атмосфера Земли, служащая общим резервуаром для живых существ. В нее поступают кислород (выделяемый растениями в процессе фотосинтеза) и углекислый газ (образуемый в процессе дыхания аэробных организмов). Из атмосферы же растения всех экосистем черпают углекислый газ, необходимый им в процессе фотосинтеза, а все дышащие организмы получают кислород.
Существование биосферы базируется на непрерывно осуществляющемся круговороте веществ, энергетической основой которого является солнечный свет (рис. 2).
Рис. 2. Схема биогеохимической цикличности в биосфере. Справа на схеме разрез дерново-подзолистой почвы под хвойным лесом
Круговорот веществ в природе между живой и неживой материей - одна из наиболее характерных особенностей биосферы. Биологический круговорот - это биогенная миграция атомов из окружающей среды в организмы и из организмов в окружающую среду. Биомасса выполняет и другие функции:
1) газовая - постоянный газообмен с внешней средой за счет дыхания живых организмов и фотосинтеза растений;
2) концентрационная - постоянная биогенная миграция атомов в живые организмы, а после их отмирания - в неживую природу;
3) окислительно-восстановительная - обмен веществом и энергией с внешней средой. При диссимиляции окисляются органические вещества, при ассимиляции используется энергия АТФ;
4) биохимическая - химические превращения веществ, составляющие основу жизнедеятельности организма.
Биосфера – особая оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть веществ планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.
Биосфера включает:
Живое вещество;
Биогенное вещество;
Косное вещество;
Биокосное вещество;
Радиоактивное вещество;
Вещество космического происхождения;
Рассеянные атомы.
Представление Вернандского об организованности биосферы – согласованное взаимодействие живого и неживого.
Верхняя граница биосферы простирается от поверхности Земли до озонового экрана. Выше этой границы организмы жить не могут, так как там на них будут губительно действовать ультрафиолетовые лучи Солнца и низкая температура. Нижняя граница проходит по дну гидросферы и на глубине 4-5 км в земной коре материков (это зависит от того, на какой глубине температура горных пород достигает +100°С). Наиболее обильна жизнью часть биосферы у земной поверхности и до глубины 200 м в гидросфере. Однако жизнь не ограничена исключительно пределами биосферы. Микробы, споры и пыльца растений, органические молекулы обнаружены высоко в стратосфере. Не исключено, что они могут покидать Землю и уноситься в космическое пространство. Но это не означает расширения биосферы, так как за ее пределами могут существовать только неактивные формы жизни, находящиеся в состоянии скрытой жизнедеятельности.
Биосфера - сравнительно молодая оболочка Земли. Ее образование связано с появлением жизни на нашей планете. Вопрос о происхождении жизни издавна интересовал человека. Выдвигались разные предположения. В настоящее время ученые считают, что жизнь зародилась в воде, так как на суше в то время были сильные перепады температур, активная вулканическая деятельность, землетрясения. Первые существа, появившиеся в воде, были несравненно проще даже самых примитивных из ныне живущих. Проходили миллионы лет, и живые организмы становились все сложнее и разнообразнее. Примерно 500 млн. лет назад организмы начали приспосабливаться к жизни на суше. Различные растения (еще очень примитивные) и животные (простейшие) постепенно заселяли и осваивали разные участки суши, вырабатывая различные приспособления для жизни в них. Начинается их участие в образовании почвы. Таким образом, постепенно создавались условия для появления на суше высокоорганизованных растений (хвойных и цветковых). При этом в атмосферу начинает выделяться кислород, необходимый для дыхания. Постепенно все живые организмы расселялись во все сферы Земли. Живые организмы существенно изменили вид нашей планеты, преобразовали земную кору, гидросферу и нижние слои атмосферы. Важнейшим этапом в изменении облика нашей планеты является появление и расселение на Земле человека. Это произошло около 500 тыс. лет назад. По словам академика В.И.Вернадского, воздействие человека на природу превосходит многие природные процессы. Совокупность всех живых организмов на планете называется биомассой (греч. bios - жизнь), или живым веществом. Величина эта огромна, но в сравнении с массой земной коры ничтожна. Правда, биомасса имеет замечательную способность обновляться, так как организмы размножаются.
Обновляясь, живое вещество планеты производит в течение года около 250 млрд. тонн биологической массы в сухом весе. Подобные показатели называются продуктивностью биомассы. В глобальных масштабах эта величина сравнительно невелика. Но она способна возобновляться из года в год. За время существования живого вещества (более 3 млрд. лет) даже при его меньшей, чем теперь, средней продуктивности общая биомасса, выработанная живым веществом, в десятки и сотни раз превысила бы массу земной коры (ведь земной коре не свойственно самовоспроизведение). Такая активность жизни делает ее могучим геологическим и географическим фактором на планете. Живое вещество перемещает, «пропускает сквозь себя» огромные массы воды, горных пород, газов. Это постоянное перемещение веществ, я точнее, химических элементов и молекул, называется биохимическим круговоротом. Наиболее активно вовлекается в него кислород, углерод (и их соединение - углекислый газ), азот, фосфор, сера, вода. И это понятно: ведь в живом веществе присутствуют эти газы (кислород составляет 70%, углерод - 18%, водород - 10,5%; на все другие элементы приходится всего 1,5%). Биогеохимические круговороты действуют очень активно. Биомасса Земли пропускает через себя всю воду Земли за 2 млн. лет, весь кислород атмосферы - за 2 тыс. лет, а углекислый газ из атмосферы - за 300. Значит, за долгое время геологической истории живое вещество (биомасса) многократно переработало все главные газы атмосферы, всю воду планеты и значительную часть горных пород земной коры. Биогеохимический круговорот - важнейший процесс, проходящий в биосфере. Благодаря ему происходит взаимосвязь всех оболочек Земли, населенных живыми существами. Сила, движущая могучий биогеохимический круговорот в биосфере, - солнечная энергия. Ее ежегодно на Землю поступает столько, что она во много раз превышает мощность любого другого источника энергии Земли. Земные растения улавливают эту энергию в процессе фотосинтеза, но менее 1% от поступающей. Хотя и это количество очень велико. Оно в 10 раз больше, чем энергия ядерных реакций в недрах планеты. В результате фотосинтеза в растениях образуются органические вещества, идущие на питание их, а часть органических веществ откладывается. Вместе с зеленой массой эта отложенная часть может переходить в организм животных (сначала травоядных, а потом хищных) и там частично распадаться до более простых химических соединений. После гибели растений и животных микроорганизмы заканчивают разрушение органического вещества, что создает питательную среду, в том числе почвы, для возрождения и следующего цикла развития биомассы. Охрана биосферы - комплекс мероприятий, действующих с пользой для живого вещества и всей биосферы. От успеха этих мероприятий во многом зависит судьба жизни на Земле и будущее человечества.
Представление о её возникновении и развитии: биосфера возникла в результате эволюции. По-видимому, первыми были анаэробные бактерии.
1. Формирование литосферы
2. Никогда не наблюдались периоды, лишенные жизни
3. Живые организмы.
4. Их количество бесконечно велико и действуют они бесконечно длительное время
5. Движущий фактор – биохимическая энергия живого вещества
Состав и границы биосферы
Жан БатистЛамарк (1744 год – 1783 год) – термин «биосфера».
Вернадский В. И. (1926). Биосфера - поверхностная оболочка Земли, созданная и преобразуемая деятельностью живых организмов.
Строение биосферы:
Атмосфера до высоты 25 км (озоновый слой)
Гидросфера на всю толщу (11 км)
Литосфера до глубины 5 км (температурный барьер +105ºС)
Характерные черты биосферы:
Наличие вещества в трех агрегатных состояниях – жидком, твердом и газообразном.
Наличие большого количества воды в свободной форме.
Наличие большого количества энергии, как солнечного, так и земного происхождения.
Основные компоненты биосферы:
Живое вещество – вся сумма живых организмов, находящихся на планете в данный исторический период.
Биогенное вещество – органическое или органо-минеральное вещество, созданное организмами далекого прошлого и представленное в виде каменного угля, горючих сланцев, горючих газов, торфа, сапропеля, нефти.
Биокосное вещество – неорганические вещества, преобразованные деятельностью организмов (вода, воздух, железная и марганцевая руды).
Термин «Биосфера» был впервые введен в литературу австрийским геологом Э.Зюссом для обозначения всего того пространства атмосферы, гидросферы и литосферы, где обитают живые организмы. Целостное учение о биосфере было создано академиком В.И.Вернадским (1863 – 1945 гг.), который определил биосферу как область существования и функционирования живого вещества – совокупности всех живых организмов на планете. В учении В.И.Вернадского впервые была раскрыта роль живых организмов в процессах планетарного масштаба, показано, что живые организмы и продукты их жизнедеятельности являются наиболее мощной геологической силой, играющей первостепенную роль в механизмах разрушения горных пород, круговорота веществ, изменения водной и воздушной оболочек планеты, эволюции верхних слоев литосферы.
Наряду с живым веществом, В.И.Вернадский выделил еще несколько категорий вещества в биосфере. Живому веществу противопоставляется косное вещество - в се геологические образования, не входящие в состав живых организмов и не созданные ими. Примеры косного вещества – гранит, кварц и тому подобные. Геологические породы, созданные в результате деятельности живого вещества, относятся к веществу биогенному (известняк, каменный уголь, и пр.). В отдельную категорию выделяется биокосное вещество , представляющее собой комплекс взаимодействующих живого и косного вещества, примерами которого являются почвы, природные воды.
Живое вещество составляет примерно 0,01% от всей массы биосферы, но благодаря высокой химической и геологической активности, именно оно является основой биосферы, состав которой определяется совокупной деятельностью живых организмов в настоящем и прошлом.
Современная биосфера охватывает пространство, в котором живые организмы обитают в настоящее время. В то же время безжизненные скопления органических веществ и других соединений, образовавшихся при участии живых организмов в прежние геологические эпохи (залежи каменного угля, нефти, горючих сланцев, рудные образования, известняки и т.д.), относят к так называемым былым биосферам.
Биосфера включает нижнюю часть атмосферы (аэробиосферу), всю гидросферу (гидробиосферу) – океаны, моря, поверхностные воды суши, террабиосферу – поверхность самой суши, а также литосферу (литобиосферу) – верхние горизонты твердой земной оболочки. В пределах биосферы выделяют две категории слоев: собственно биосферу, где живое вещество локализовано постоянно (эубиосферу), а также расположенные выше и ниже ее соответственно парабиосферу и метабиосферу. В эти слои живые организмы могут попадать лишь случайно. Общая протяженность эубиосферы по вертикали – 12-17 км, хотя у разных авторов эти оценки несколько варьируют.
Верхней границей биосферы (включая парабиосферу) является озоновый экран (или слой).
Озоновый экран (озоносфера) – это слой атмосферы в пределах стратосферы, расположенный на разной высоте от поверхности Земли и имеющий наибольшую плотность (концентрацию молекул) озона на высоте 22-26 км.
Высота озонового слоя у полюсов оценивается в 7-8 км, у экватора – 17-18 км, а максимальная высота присутствия озона – 45-50 км. Выше озонового экрана существование жизни без специальной защиты невозможно из-за жесткого ультрафиолетового излучения Солнца.
Метабиосфера не опускается ниже 10-15 км, а нижней границей эубиосферы считаются донные отложения океана и верхние горизонты литосферы, подвергающиеся ныне (или подвергавшиеся в прошлом) воздействию живых организмов. К биосфере, например, относятся некоторые полезные ископаемые, в частности каменный уголь – продукт фотосинтеза растений в прошлые геологические эпохи. С учетом протяженности всех названных слоев по вертикали общая мощность биосферы оценивается в 33-35 км.
Процессы, протекающие в биосфере и обеспечивающие ее функционирование как глобальной экосистемы, связаны с активным обменом веществом и энергией между ее компонентами. В этой связи важное значение имеют особенности физико-химической среды биосферы, такие как значительное содержание в ней жидкой воды, наличие многочисленных поверхностей раздела между твердыми, жидкими и газообразными фазами, и наконец, мощный поток солнечной энергии, проходящий через биосферу.
Роль биосферы (живого вещества) на Земле
Захват и создание запасов солнечной энергии в процессе фотосинтеза
Создание органического вещества и его перенос по планете
Концентрация химических элементов
Отложение органического вещества на длительный период (известняки, мел, каменный уголь, нефть, и так далее)
Окислительно-восстановительная активность (анаэробные и аэробные организмы)
Создание почвы и ее плодородного слоя
Санитарно-очистительная функция (разложение мертвых органических остатков)
Концентрация химических элементов организмами
Живое вещество – все количество живых организмов планеты как единое целое.
Ключевую роль во всех биосферных процессах играют живые организмы и сущность этих процессов раскрывается через функции живого вещества в биосфере, обусловленные его специфическими свойствами. К таким свойствам следует отнести способность быстро осваивать свободное пространство, способность к активному движению (против действующих сил), высокую приспособительную способность организмов к различным условиям, устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти, феноменально высокие скорости биохимических реакций в живых организмах и высокую скорость обновления живого вещества в биотическом круговороте. Все эти свойства живого вещества проистекают из концентрации в нем больших запасов энергии.
Современная классификация функций живого вещества из которого состоит биосфера (по А.В.Лапо) выделяет десять основных функций.
1. Энергетическая функция связана с запасанием энергии в процессе фотосинтеза, передачей ее по цепям питания, и рассеиванием.
2. Газовая функция проявляется в способности изменять и поддерживать определенных газовый состав среды обитания и атмосферы в целом.
3. Окислительно-восстановительная функция выражается в интенсификации под влиянием живого вещества процессов окисления и восстановления.
4. Концентрационная функция заключается в способности живых организмах концентрировать в своем теле рассеянные химические элементы, поглощаемые из среды.
5. Противоположная по результатам рассеивающая функция проявляется через питательную и транспортную деятельность организмов.
6. Деструктивная функция состоит в разрушении организмами и продуктами их жизнедеятельности, в том числе после их смерти, как мертвого органического вещества, так и косных веществ.
7. Транспортная функция выражается в переносе вещества в результате активной формы движения.
8. Средообразующая функция является результатом совместного действия других функций и состоит в преобразовании физико-химических параметров среды в условия, благоприятные для существования живых организмов.
9. Средорегулирующая функция –исключительно точной биотической регуляцией окружающей среды. Она задается высокой степенью замкнутости биотического круговорота – равенством скоростей синтеза и распада органических веществ.
10. Информационная функция живого вещества биосферы. Именно с появлением первых примитивных живых существ на планете появилась и активная («живая») информация, отличающаяся от той «мертвой» информации, которая является простым отражением структуры. Организмы оказались способными к получению информации путем соединения потока энергии с активной молекулярной структурой, играющей роль программы. Способность воспринимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию совершила опережающую эволюцию в природе и стала важнейшим экологическим системообразующим фактором.
Распределение живого вещества по планете
Энергетическая функция – основа фотосинтез, отсюда обеспечение всех жизненных процессов на Земле
Газовая функция – формирование газового состава биосферы
Концентрационная функция – накопление и извлечение живыми организмами биогенных элементов из окружающей среды, отсюда использование для построения тела
Окислительно-восстановительная функция – химическое превращение веществ
Деструкционная функция – разложение остатков мертвых организмов, отсюда превращение живого вещества в косное
Редуценты (деструкторы) – восстановители. Возвращают вещества снова в неживую природу, разлагая органику.
Несмотря на специфичность и самостоятельность отдельных оболочек Земли как составляющих биосферы, суммарная деятельность населяющих эти оболочки живых организмов интегрируется на уровне биосферы как целостной функциональной системы. Выше уже показана связь гидросферы, атмосферы и почвы. На границах сред жизни регистрируются интенсивные процессы обмена органическим веществом, водой, минеральными солями и т. д. Природные границы можно рассматривать как биологически активные зоны: здесь часто обитает больше видов, через эти границы трансформируются большие потоки энергии. Важную роль в обмене веществ между атмосферой, почвой и гидросферой играет речной сток. Прибрежные мелководья морей получают огромное количество органических веществ от обитающих на суше или скапливающихся на пролете птиц. В устьях рек и в регионах мангровых зарослей обитает почти 2/3 видов промысловых рыб.
Формы функциональных связей наземного и водного биоциклов весьма многообразны; по существу, лишь на уровне биосферы в целом можно судить о сложной системе обмена веществ и потоков энергии между неживой и живой материей. Биосфера как функциональная экосистема планетарного масштаба в значительной степени есть результат этих процессов.
Важная функция биосферы -- устойчивое поддержание жизни -- основывается на непрерывном круговороте веществ, связанном с направленными потоками энергии. Хотя биологический круговорот может быть осуществлен не только на уровне биоциклов, но и конкретных экосистем, в реальных условиях обособленных круговоротов нет: на уровне биосферы эти процессы объединяются в единую систему глобальной функции живого вещества. В этой системе не только полностью завершаются отдельные биогенные циклы, но и реализуется тесная взаимосвязь с абиотическими процессами формирования и переформирования горных пород, становления и поддержания специфических свойств гидросферы и атмосферы, образования почв и поддержания их плодородия и т. п. В этом едином цикле функции живого вещества существенно шире, нежели осуществление круговорота отдельных элементов.
Живые организмы и надорганизменные системы активно участвуют в формировании особенностей климата, типов почв, вариантов ландшафта, характера циркуляции вод и во многих других процессах, на первый взгляд не относящихся к категории биогенных. В конечном итоге многообразные формы жизни в их глобальной взаимосвязи определяют уникальные свойства биосферы как самоподдерживающейся системы, гомеостаз которой запрограммирован на всех уровнях организации живой материи. Функциональная теснейшая связь биологических систем разных уровней превращает дискретные формы жизни в интегрированную глобальную систему -- биосферу.
Специфическое свойство жизни -- обмен веществ со средой. Любой организм должен получать из внешней среды определенные вещества как истопники энергии и материал для построения собственного тела. Продукты метаболизма, уже непригодные для дальнейшего использования, выводятся наружу. Таким образом, каждый организм или множество одинаковых организмов (популяция, вид) в процессе своей жизнедеятельности ухудшают условия своего обитания. Возможность обратного процесса -- поддержания жизненных условий или даже их улучшения, -- о чем говорилось выше, определяется тем, что биосферу населяют разные организмы (виды) с разным типом обмена веществ.
Физиологическая разнокачественность живых организмов представляет собой фундаментальное условие устойчивого существования жизни как планетарного явления. Теоретически можно представить возникновение жизни в одной форме, но в этом случае запрограммирована конечность жизни как явления: видоспецифичность обмена веществ неизбежно ведет к исчерпанию ресурсов и “загрязнению” среды продуктами жизнедеятельности, которые невозможно использовать вторично.
В простейшем виде такой комплиментарный набор качественных форм жизни представлен продуцентами, консументами и редуцентами, совместная деятельность которых обеспечивает извлечение определенных веществ из внешней среды, их трансформацию на разных уровнях трофических цепей и минерализацию органического вещества до составляющих, доступных для очередного включения в круговорот.
Основные элементы, мигрирующие по цепям биологического круговорота,-- углерод, водород, кислород, азот, калий, кальций, кремний, фосфор и др. Совместная деятельность различных живых организмов определяет закономерный круговорот отдельных элементов и химических соединений, включающий введение их в состав живых клеток, преобразования химических веществ в процессах метаболизма, выведение в окружающую среду, и деструкцию органических веществ, в результате которой высвобождаются минеральные вещества, вновь включающиеся в биологические циклы. Процессы круговорота происходят в конкретных экосистемах, но в полном виде биогеохимические циклы реализуются лишь на уровне биосферы в целом. Ниже рассматриваются наиболее значимые элементы круговорота веществ. Круговорот углерода существует в природе во многих формах, в том числе в составе органических соединений. Неорганическое вещество, лежащее в основе биогенного круговорота этого элемента, диоксид углерода (или углекислый газ, С0 2). В природе С0 2 входит в Состав атмосферы, а также находится в растворенном состоянии в гидросфере. Включение углерода в состав органических веществ происходит в процессе фотосинтеза, в результате которого на основе СО 2 и Н 2 О образуются сахара. В дальнейшем другие процессы биосинтеза преобразуют эти углеводы в более сложные (крахмал, гликоген), а также в протеиды, липиды и др. Все эти соединения не только формируют ткани фотосинтезирующих организмов, но и служат источником органических веществ для животных и незеленых растений. В процессе дыхания все организмы окисляют сложные органические вещества; конечный продукт этого процесса, С0 2 , выводится во внешнюю среду, где вновь может вовлекаться в процесс фотосинтеза.
Углеродсодержащие органические соединения тканей живых организмов после их смерти подвергаются биологическому разложению организмами-редуцентами, в результате чего углерод в форме углекислоты вновь поступает в круговорот. Этот процесс составляет сущность так называемого почвенного дыхания. При определенных условиях в почве разложение накапливающихся мертвых остатков идет замедленным темпом -- через образование сапрофагами (животными и микроорганизмами) гумуса, минерализация которого воздействием грибов и бактерий может идти с различной, в том числе и с низкой, скоростью. В некоторых случаях цепь разложения органического вещества бывает неполной. В частности, деятельность сапрофагов может подавляться недостатком кислорода или повышенной кислотностью. В этом случае органические остатки накапливаются в виде торфа; углерод не высвобождается и круговорот приостанавливается. Аналогичные ситуации возникали и в прошлые геологические эпохи, о чем свидетельствуют отложения каменного угля и нефти. В гидросфере приостановка круговорота углерода связана с включением СО 2 в состав СаСО 3 в виде известняков, мела, кораллов. В этом случае углерод выключается из круговорота на целые геологические эпохи. Лишь поднятие органогенных пород ней уровнем моря приводит к возобновлению круговорота через вьпцелачивание известняков атмосферными осадками, а также биогенным путем -- действием лишайников, корней растений. Круговорот азота. Главный источник азота органических соединений -- молекулярный азот в составе атмосферы. Переход его в доступные живым организмам соединения может осуществляться разными путями. Так, электрические разряды при грозах синтезируют из азота и кислорода воздуха оксиды азота, которые с дождевыми водами попадают в почву в форме селитры или азотной кислоты. Имеет место и фотохимическая фиксация азота.
Более важной формой усвоения азота является деятельность азотфиксирующих микроорганизмов, синтезирующих сложные протеиды. Отмирая, они обогащают почву органическим азотом, который быстро минерализуется. Таким путем в почву ежегодно поступает около 25 кг азота на 1 га (для сравнения -- путем фиксации азота разрядами молний -- 4--10 кг/га). Наиболее эффективная фиксация азота осуществляется бактериями, формирующими симбиотические связи с бобовыми растениями. Образуемый ими органический азот диффундирует в ризосферу, а также включается в наземные органы растения-хозяина. Таким путем в наземных и подземных органах растений (например, клевера или люцерны) на 1 га накапливается за год 150--400 кг азота. Существуют азотфиксирующие микроорганизмы, образующие симбиоз и с другими растениями. В водной среде и на очень влажной почве непосредственную фиксацию атмосферного азота осуществляют цианобактерии (способные также к фотосинтезу). Во всех этих случаях азот попадает в растения в форме нитратов. Эти соединения через корни и проводящие пути доставляются в листья, где используются для синтеза протеинов; последние служат основой азотного питания животных.
Экскреты и мертвые организмы составляют базу цепей питания организмов-сапрофагов, разлагающих органические соединения с постепенным превращением органических азотсодержащих веществ в неорганические. Конечным звеном этой редукционной цепи оказываются аммонифицирующие организмы, образующие аммиак NH 4 , который затем может войти в цикл нитрификации: окисляют его в нитриты, a окисляют нитриты в нитраты. Таким образом, цикл азота может быть продолжен.
В то же время происходит постоянное возвращение азота в атмосферу действием бактерий-денитрификаторов, которые разлагают нитраты до Ni. Эти бактерии активны в почвах, богатых азотом и углеродом. Благодаря их деятельности ежегодно с 1 га почвы улетучивается до 50--60 кг азота. Азот может выключаться из круговорота путем аккумуляции в глубоководных осадках океана. В известной мере это компенсируется выделением молекулярного Мг в составе вулканических газов.
Круговорот воды. Вода - необходимое вещество в составе любых живых организмов. Основная масса воды на планете сосредоточена в гидросфере. Испарение с поверхности водоемов представляет источник атмосферной влага; конденсация ее вызывает осадки, с которыми, в конце концов, вода возвращается в океан. Этот процесс составляет большой круговорот воды на поверхности Земного шара.
В пределах отдельных экосистем осуществляются процессы, усложняющие большой круговорот и обеспечивающие его биологически важную часть. В процессе перехвата растительность способствует испарению в атмосферу части осадков раньше, чем они, достигнут поверхности земли. Вода осадков, достигшая почвы, просачивается в нее и либо образует одну из форм почвенной влаги, либо присоединяется к поверхностному стоку; частично почвенная влага может по капиллярам подняться на поверхность и испариться. Из более глубоких слоев почвы влага всасывается корнями растений; часть ее достигает листьев и транспортируется в атмосферу.
Эвапотранспирация -- это суммарная отдача воды из экосистемы в атмосферу. Она включает как физически испаряемую воду, так и влагу, транспирируемую растениями. Уровень транспирации различен для разных видов и в разных ландшафтно-климатических зонах.
Если количество воды, просочившейся в почву, превышает ее влагоемкость, она достигает уровня грунтовых вод и входит в их состав. Подземный сток связывает почвенную влагу с гидросферой. Таким образом, для круговорота воды в пределах экосистем наиболее важны процессы перехвата, эвапотранспирации, инфильтрации и стока. В целом круговорот воды характеризуется тем, что в отличие от углерода, азота и других элементов вода не накапливается и не связывается в живых организмах, а проходит через экосистемы почти без потерь; на формирование биомассы экосистемы используется лишь около 1 % воды, выпадающей с осадками.
Круговорот фосфора. В природе фосфоров больших количествах содержится в ряде горных пород. В процессе разрушения этих пород он попадает в наземные экосистемы или выщелачивается осадками и, в конце концов, оказывается в гидросфере. В обоих случаях этот элемент вступает в пищевые цепи. В большинстве случаев организмы-редуценты минерализуют органические вещества, содержащие фосфор, в неорганические фосфаты, которые вновь могут быть использованы растениями и таким образом снова вовлекаются в круговорот. В океане часть фосфатов с отмершими органическими остатками попадает в глубинные осадки и накапливается там, выключаясь из круговорота. Процесс естественного круговорота фосфора в современных условиях интенсифицируется применением в сельском хозяйстве фосфорных удобрений, источником которых служат залежи минеральных фосфатов. Это может быть поводом для тревоги, поскольку соли фосфора при таком использовании быстро выщелачиваются, а масштабы эксплуатации минеральных ресурсов все время растут, составляя в настоящее время около 2 млн. т/год.
Круговорот серы. Сера попадает в почву в результате естественного разложения некоторых горных пород (серный колчедан FeS2, медный колчедан CuFeS2), а также как продукт разложения органических веществ (главным образом растительного происхождения). Через корневые системы сера поступает в растения, в организме которых синтезируются содержащие этот элемент аминокислоты цистин, цистеин, метионин. В организме животных сера содержится в очень малых количествах и попадает в них с кормом. Сера из органических соединений попадает в почву благодаря разложению мертвых органических остатков микроорганизмами. В этом процессе органическая сера может быть восстановлена в H 2 S и минеральную серу или же окислена в сульфаты, которые поглощаются корнями растений, т. е. вновь вступают в круговорот. В наше время в круговорот вовлекается и сера промышленного происхождения (дымы), переносимая с дождевой водой. Круговорот биогенных катионов. В метаболических процессах живых организмов необходимое участие принимают различные катионы. Некоторые из них содержатся в довольно значительных количествах и соответственно относятся к категории макроэлементов. Таковы натрий, калий, кальций, магний. Другие содержатся в малых количествах (миллионные доли сухого вещества), но, тем не менее, жизненно необходимы. Это катионы железа, цинка, меди, марганца и др., относимые к микроэлементам. Главным источником биогенных катионов на суше служит почва, в которую они поступают в процессах разрушения горных пород. Через корневую систему они попадают в растения, а в составе растительных тканей -- в организмы растительноядных животных и высшие звенья пищевых цепей. Частично животные могут получать эти элементы и прямо из почвы (процесс солонцевания). Минерализация экскрементов и мертвых организмов возвращает биогенные элементы в почву и делает их доступными для включения в повторный круговорот. Этот простой цикл нарушается выносом биогенных элементов с поверхностным стоком в реки и, наконец, в моря. Выщелачивание дождевыми водами приводит к деградации коллоидального абсорбирующего комплекса и к ослаблению корневых систем растений. Особенно заметно этот процесс проявляется во влажном климате; в умеренной зоне это приводит к оподзоливанию почв. В сельском хозяйстве вынос биогенных элементов при уборке урожая неизбежен; компенсация его внесением органических и минеральных удобрений решает проблему лишь частично.
Биосфера Земли - это сложная глобальная совокупность, объединяющая все живые организмы и ту часть неживой природы, которая обменивается энергией с живым веществом, влияет на него и сама подвергается его влиянию. Термин «биосфера» появился в науке благодаря Ж. Ламарку и Э. Зюссу еще в XIX веке. Однако учение о биосфере было создано только в начале XX века, и огромный вклад в его разработку принадлежит выдающемуся советскому ученому В. И. Вернадскому. Он впервые рассмотрел функционирование всего живого и взаимодействие его с планетой как комплексный динамический процесс.
Вернадский также уделил внимание эпохе, когда возникла биосфера, то есть наиболее ранним этапам истории Земли.
Границы распространения жизни на Земле
Границы биосферы определяются пригодностью физико-химических условий для существования живых организмов. Нижней границей распространения жизни принято считать изотерму 100 °C в литосфере, расположенную на глубине около 6 км, либо дно океана (около 11 км). Однако эти оценки могут оказаться заниженными, поскольку существуют глубоководные организмы-экстремофилы, переносящие температуры свыше 200 °C (при высоком давлении вода там не кипит). Так что литосфера теоретически может быть населена значительно глубже, но в целом ниже 3-4 км вряд ли возможна активная жизнедеятельность.
Верхние границы биосферы определяются высотой озонового слоя и не поднимаются выше 15-20 км. Фактически же живые организмы могут быть активны на высотах до 8-9 км. В общем, жизнь весьма разнообразна и умеет приспосабливаться к самым разным условиям. Но когда и как возникло все это богатство?
Лаборатория на молодой планете
Первичный органический синтез вполне мог идти в газопылевом протопланетном облаке на ранних этапах формирования Солнечной системы. Так что новорожденная Земля, вероятно, уже имела в своем составе достаточное количество простой органики.
Есть также геологические свидетельства того, что температурный режим Земли с самого начала (возраст нашей планеты составляет 4,5-4,6 млрд лет) позволял существование воды в жидкой фазе. Дегазация недр должна была проходить достаточно активно, поскольку мощной коры планета еще не имела. Вулканы создавали первичную атмосферу и гидросферу, поставляли химически активные вещества. На поверхность выпадали метеориты и кометы. В геохимический круговорот было вовлечено множество веществ, которые непрерывно вступали в реакции, превращались в новые соединения, а те, в свою очередь, реагировали друг с другом.
Автокатализ - двигатель прогресса
Но как все-таки из подобной смеси ингредиентов могла получиться хотя бы самая примитивная живая система? Долгое время поиски ответа на этот вопрос многие ученые вообще считали бесперспективными. Проблема сдвинулась с мертвой точки только в начале 1980-х годов, когда к решению ее подключили теорию самоорганизующихся систем.
Пусть на одном субстрате идет несколько реакций. Тогда более медленные из них станут затухать и прекратятся, то есть будут вытеснены быстротекущими. Так, уже на самых ранних стадиях предбиологической эволюции начинает действовать естественный отбор. Преимущество получают цепные (автокаталитические) реакции, ускоряемые собственными продуктами. На следующих уровнях организации - автокаталитических циклах и гиперциклах - процессы также отбираются на эффективность и сложность, поскольку по достижении определенного уровня сложность системы становится самоподдерживающейся и может возрастать.
Следует заметить, что классическая термодинамика бессильна помочь в вопросе о том, как и когда возникла биосфера, и все эти выводы сделаны учеными в рамках неравновесной, пригожинской термодинамики. В этом контексте жизнь определяется как процесс химической самоорганизации на основе автокатализа высокомолекулярных соединений углерода в неравновесных условиях, и можно считать живой первобытную среду - лужу, в которой протекают упомянутые реакции. Это в буквальном смысле живое вещество - без существ. Такая первичная биосфера - практически ровесница Земли. Во всяком случае, если она моложе нашей планеты, то не намного.
Мир РНК и первые живые существа
Согласно очень перспективной и успешно развиваемой в последнее время теории, первые организмы, обособленные от внешней среды, появились на основе РНК-циклов. Ни ДНК, ни белков они еще не имели.
ДНК в современных организмах хранит наследственную информацию, белки выполняют в клетке активную работу, РНК в общем случае служит неким посредником - считывает информацию и обеспечивает синтез белка. И ДНК, и белок беспомощны друг без друга и без РНК, а вот она умеет делать все - правда, похуже, чем «узкие специалисты», но поначалу это могло и не быть критическим недостатком. В противном случае придется признать, что на каком-то этапе химическая эволюция создала сразу ДНК, РНК, белки, заключила их в первые клетки и строго распределила функции - вероятность этого действительно исчезающе мала.
Первые примитивные РНК, во всяком случае, гораздо эффективнее синтезировались из низкомолекулярной органики, чем сложная «двойная спираль». Параллельно шел процесс образования коацерватов - водно-липидных капель, предшественников клеточной мембраны. И как только «живой раствор» РНК обернулся коацерватной оболочкой, возник первый автономный организм. Пленка мембраны сохраняла химический градиент между внутренней полостью и средой, не давала живому веществу рассеяться - это стало огромным преимуществом.
В ходе дальнейшего развития биосферы эстафету в деле хранения наследственной информации перехватила ДНК, обеспечивающая большую точность, каталитическую активность взяли на себя белки, наштампованные той же РНК, но последняя без дела не осталась. Ведь без нее клетка мертва.
Следы древней жизни в камне и генах
Ответы на вопросы о том, как и когда возникла биосфера, какова ее ранняя история, ученые вынуждены искать в теоретических моделях и лабораторных экспериментах, поскольку первичная поверхность Земли давно уничтожена последующими геологическими процессами.
Древнейшие на сегодняшний день следы жизни обнаружены в Гренландии, Канаде, Австралии. Наиболее достоверные из них датируются временем 3,7 млрд лет назад и свидетельствуют о том, что уже тогда существовали сложные сообщества микроорганизмов, некоторые из них были фотосинтезирующими (цианобактерии или их предшественники).
Другое направление исследований лежит в области молекулярной биологии. Поскольку все ныне существующие виды - родственники, можно, построив филогенетическое дерево видов, приблизительно установить время, когда существовал «последний универсальный общий предок» (англ. Last Universal Common Ancestor, LUCA). Это не первый организм на Земле, но жил он очень давно - по оценкам ученых, около 4 млрд лет назад. Для этого организма определен набор точно имевшихся у него генов, но не известно, был ли «Лука» отдельным видом микроорганизмов или же сообществом видов, обменивающихся наследственным материалом.
Жизнь преобразует планету
Биосфера и на ранних этапах своего существования активнейшим образом участвовала в эволюции Земли. Самой главной заслугой древних докембрийских одноклеточных является, конечно, создание устойчиво-окислительной атмосферы. Но жизнь оказала огромное влияние также на характер осадконакопления и рудообразования. Например, важнейшие железорудные месторождения, такие как Курская магнитная аномалия, образовались благодаря деятельности фотосинтезирующих бактерий в океанах палеопротерозойской эры 2,5-2 млрд лет назад.
Выйдя на сушу, жизнь принялась за работу над ландшафтами. Собственно, сушу как таковую создала именно биосфера. Ведь пока не возникли почвы и не распространились высшие растения, не существовало четкой границы «суша-водоем», сток воды в океаны был площадным, не было устойчивых русел рек.
Про нефть и уголь знают все. Но вот горные цепи Гималаев, Альп, Кавказа - они сложены известняками, а большая часть этой породы имеет биогенное происхождение. Эти горы когда-то были морскими животными. Их раковины, от мельчайших до крупных, образовали одну из самых распространенных осадочных пород.
Функции биосферы
Мы рассмотрели несколько примеров того, как жизнь меняет лик планеты. Обобщим то, что известно о функциях биосферы.
В-первых, она участвует в изменении и поддержании состава атмосферы и природных вод. Во-вторых, переносит, а также накапливает или рассеивает, то есть перераспределяет различные вещества. В-третьих, исполняет средообразующую функцию. Все это можно суммировать как процесс упорядочения и стабилизации геохимических циклов Земли. Осуществляется он за счет поглощения, преобразования, аккумуляции и высвобождения солнечной энергии структурными составляющими, выделенными еще Вернадским в его учении о биосфере: совокупностью живых организмов, биогенным, биокосным и косным веществом.
Неотделима от Земли
С момента, когда возникла биосфера (хотя точного момента, скорее всего, не было), все компоненты ее тесно взаимодействуют между собой и с остальными геологическими оболочками планеты - атмосферой, гидросферой, литосферой. Система «Земля - биосфера» охвачена множеством положительных и отрицательных обратных связей на самых разных уровнях - от отдельных биогеоценозов до глобальных процессов в масштабах геологического времени.
