Лекция № 8 - Учение о биосфере

Цель лекции: дать студентам понятие о биосфере, как тесно взаимосвязанной единой экологической системе земного шара, характеризующейся целостностью и относительной устойчивостью; выявление факторов, определяющих границы биосферы; знание о живом веществе; об эволюции биосферы по пути ноосферы.

План лекции:

1. Биосфера как глобальная экосистема. Закон Эшби.

2. Биосфера и ее границы.

3. Живое вещество. Геохимическая функция живого вещества. Закон константности.

4. Ноосфера.

5. Круговорот и биохимические циклы веществ.

Основные понятия по теме: биосфера, живое вещество, границы биосферы, закон константности В.И.Вернадского, функции живого вещества, ноосфера, гипотеза Геи, геологический (большой) круговорот, биологический (малый) круговорот, биогеохимические циклы, биогенная миграция вещества.

В начале XIX в. понятие «биосфера» было введено в науку великим французским естествоиспытателем Ж.Б.Ламарком (1744-1829). Термин «биосфера» для обозначения земной оболочки, занятой жизнью, был утвержден в научном обиходе знаменитым австрийским геологом Э.Зюссом, однако он не дал ему научного определения. Автор современного учения о биосфере В.И.Вернадский стал употреблять термин «биосфера» с 1911 г. и подчеркивал, что биосфера – это «особая охваченная жизнью оболочка» земли – область распространения живого вещества на планете.

В.И.Вернадский биосферой назвал ту область нашей планеты, в которой существует или когда-либо существовала жизнь и которая постоянно подвергается или подвергалась воздействию живых организмов (верхняя часть литосферы, гидросферы и тропосфера). Биосфера включает в себя:

• живое вещество, т.е совокупность всех живых организмов (растении, живое микроорганизмы, человек)

• биогенное вещество, т.е органическо-минеральные или органические продукты, созданные живым веществом (торф, каменный уголь, нефть);

• биокосное вещество, созданное живыми организмами вместе с неживой (косной) природой (водой, атмосферой, горными породами – почвенный покров).

Все компоненты биосферы тесно взаимодействуют между собой, составляя целостную, сложно организованную систему, развивающуюся по своим внутренним законам и под действием внешних сил, в том числе космических (солнечного излучения, гравитационных и магнитных полей Солнца, Луны и других небесных тел).

Ведущим фактором, преобразующим лик Земли, является жизнь. Ее особенность заключается не только в ускорении химических реакций – некоторые реакции вне организме вообще не происходит при нормальных температурах и давлениях Л.С.Берг говорил: «Организмы осуществляют с физической точки зрения невероятное так, жиры и углеводы окисляются в организме при температуре около 37ºС, а вне организма – при температурах 400-500ºС. Синтез аммиака из молекулярного азота в промышленных условия осуществляется при температуре 500ºС и давлении 300-500 атмосферы. А микроорганизмы с легкостью проводят эту реакцию при обычной температуре и атмосферном давлении. Биосфера Земли представляет собой глобальную открытую систему со своими «входом» и «выходом». Ее «вход» – это поток солнечной энергии, поступающей из космоса, «выход» – те образованные в процессе жизнедеятельности организмов вещества, которые в силу каких-либо причин ускользнули из биотического круговорота. Образно говоря, это выход в «геологию». На языке современной науки биосферу называют саморегулируемой кибернетической системой, обладающей свойствами гомеостаза. Согласно закону необходимого разнообразия Эшби, кибернетическая система только тогда обладает устойчивостью для стабилизации внешних и внутренних факторов, когда она имеет достаточное внутреннее разнообразие.

Земля как планета характеризуется значительным разнообразием природных условий. Это определяется ее шарообразной формой, ее движением вокруг Солнца и вокруг собственной оси, значительное разнообразие природных условий создается сложным рельефом Земли. Но основное разнообразие биосферы Земли создается живыми организмами. Считают, что в современной биосфере представлено около 2 млн. видов живых организмов. За время существования биосферы их характерной особенностью биосферы как динамической системы является ее неравномерность – следствие работы живого вещества и притока солнечной энергии.

Не менее важной отличительной особенностью биосферы является ее «обводненность». Вернадскому очень нравилось определение жизни как «одушевленной воды», данное французским биологом Р.Дюбуа.

Еще одна характерная особенность биосферы – это ее неразрывная связь с космосом (в наибольшей степени – с Солнцем).

В 1926г. В.И.Вернадский впервые поставил вопрос о границах биосферы. Однако вопрос, как тогда, так и сейчас не имеет однозначного ответа.

Какие же физико-химические условия наиболее благоприятны для существования жизни?

- Достаточное количество углекислого газа и кислорода

- Достаточное количество воды (причем обязательно – в жидком состоянии).

- Температурный режим, исключающий как слишком высокие температуры (вызывающие свертывание белков), так и слишком низкие (прекращающие работу ферментов).

- Наличие «прожиточного минимума» элементов минерального питания – определенная соленость водной среды.

Современная жизнь распространена в верхней части земной коры (литосфера), нижних слоях атмосферы Земли (тропосфера) и в водной оболочке Земли (гидросфере).

В литосфере жизнь ограничивает прежде всего горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает с глубиной и на уровне 1,5-15 км превышает +100ºС. Самая большая глубина, на которой в породах земной коры были обнаружены бактерии, составляет 4 км. В океане жизнь распространена до более значительных глубин и встречается даже на дне океанических впадин в 10-11 км от поверхности. Верхняя граница жизни в атмосфере определяется нарастанием с высотой ультрафиолетовой радиации. Озоновый слой поглощает большую часть ультрафиолетового излучение Солнца на высоте 22-25 км. Все живое, поднимающиеся выше защитного слоя озона, погибает. Места наибольшей концентрации организмов в биосфере называют «пленками жизни», таковыми является литорали (от лат. litovalis – прибрежный), лиманы (от греч. limenas – гавань, бухта) и эстуарии (от лат. destuarium – берег, заливаемый приливом) и почва.

Всю совокупность организмов на планете В.И.Вернадский назвал живым веществом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию. Закон константности, сформулированный В.И.Вернадским, гласит: количество живого вещества биосферы (для данного геологического периода) есть величина постоянная константа. Общий вес живого вещества оценивается величиной 1,8-2,5·10¹²т (в сухом весе) и составляется лишь незначительную часть массы биосферы (3·10¹т). Если живое вещество равномерно распределить по поверхности нашей планеты, то оно покроет ее слоем толщиной только в 2 см. С точки зрения современной науки, живое вещество обладает некоторыми специфическими свойствами и выполняет в биосфере определенные биогеохимические функции.

Специфические свойства и особенности живого вещества:

- живое вещество биосферы характеризуется большим запасом энергии.

- резкое различие между живым и неживым веществом наблюдается в скорости протекания химических реакций. В живом веществе реакции идут в тысячи, а иногда в миллионы раз быстрее;

- отличительной особенностью живого вещества является то, что слагающие его индивидуальные химические соединения – белки, ферменты и др. – устойчивы только в живых организмах;

- произвольное движение, в значительной степени, саморегулируемое, является общим признаком всякого живого вещества в биосфере;

- живое вещество обнаруживает значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. Известно, свыше 2 млн. органических соединений, входящих в состав живого вещества, в то время, как количество природных соединений (минералов) неживого вещества составляет около 2 тыс., т.е. на три порядка меньше;

-Живое вещество представлено в биосфере в виде индивидуальных организмов, размеры которых колеблются в огромных пределах. Величина самых мелких вирусов не превышает 20 нм (1 нм=10^-9), самое крупное животное – кит – достигает 33 м в длину, самое высокое растение – секвойя – 100 м в высоту.

Основные биогеохимические функции живого вещества:

- энергетическая функция заключается в осуществлении связи биосферно – планетарных явлений с космическим излучением. В основе этой функции лежит фотосинтетическая деятельность зеленых растений, в процессе которой происходит аккумуляции Солнечной энергии. За счет накопленной солнечной энергии протекают все жизненные явления на Земле;

- газовая функция обусловливает миграцию газов и их превращения, обеспечивает газовый состав биосферы. Преобладающая масса газов на Земле имеет биогенное происхождение. В процессе функционирование живого вещества создаются основные газы: азот, кислород, углекислый газ, сероводород, метан и др.:

- концентрационная функция проявляется в извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов окружающей среды концентрация важнейших элементов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде. Этим объясняется неоднородность химического состава биосферы и ее существенное отличие от состава неживого вещества планеты;

- окислительно–восстановительная функция заключается в химическом превращении атомы с переменной степенью окисления (соединений железа, марганца и др.);

- деструктивная функция обусловливает процессы, связанные с разложением организмов после их смерти, вследствие которой происходит минерализация органического вещества, т.е превращение живого вещества в косное. В результате образуют также биогенное и биокосное вещество биосферы;

- средообразующая функция заключается в преобразовании физико-химических параметров среды в результате процессов жизнедеятельности;

- транспортная функция – это осуществление переноса вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении. Живое вещество – единственный (помимо поверхностного натяжения) фактор, обусловливающий обратное перемещение вещества снизу вверх, из океана – на континенты, реализующий тем самым «восходящую» ветвь биогеохимических циклов;

Эволюция биосферы шла по пути усложнения структуры биологических сообществ, умножая число видов и совершенствуя приспособленности. Эволюционный процесс сопровождался увеличением эффективности преобразования энергии и вещества биологическими и химическими системами. Вершиной эволюции живого на Земле явился человек, который как биологический вид на основе многочисленных эволюционных изменений приобрел не только сознание, но и способность изготавливать и использовать в своей жизни орудия труда. Применяя орудия труда, человечество стало создавать фактически искусственную среду своего обитания (поселения, жилища, одежду, продукты питания, машины и многое другое). С этих пор эволюция биосферы вступила в новую фазу, где человеческий фактор стал мощной природной движущей силой.

Такой этап развития биосферы, при котором «проявляется как мощная, все растущая геологическая сила, роль человеческого разума и направленного им человеческого труда» называется ноосферой. Под ноосферой понимают ту стадию эволюции природы, когда появился человеческий разум. Так как среда жизни – биосфера – есть организованная оболочка планеты, то вхождение в нее в ходе ее геологически длительного существования, нового фактора ее изменения – научной работы человечества есть природный процесс перехода биосферы в новую фазу, в новое состояние – в ноосферу. Чтобы биосфера могла существовать и развиваться, на Земле постоянно должен происходить круговорот биологически важных веществ, т.е после использования они должны вновь переходить в усвояемую для других организмов форму.

Этот переход биологически важных веществ может осуществляться только при определенных затратах энергии источником, которой является Солнце. Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ – геологический, или большой круговорот, и биологический, малый круговорот. Геологический круговорот можно объяснить на примере круговорота воды по Г.В.Войткевичу и В.А.Вронскому. С появлением живого вещества на основе геологического круговорота возник круговорот органического вещества, биологический (малый) круговорот. В отличие от простого переноса минеральных веществ в большом круговороте, как в виде растворов, так и в виде механических осадков, в малом круговороте самыми важными моментами являются синтез и разрушения органических веществ. В противоположность геологическому, биологический круговорот обладает ничтожной энергией. На создания органического вещества, как известно, затрачивается всего 0,1-0,2% всей поступающей на Землю солнечной энергии, а на геологический круговорот – до 50 %. Несмотря на это, энергия, вовлеченная в биологический круговорот, производит огромную работу по созданию первичной продукции.

С появлением на Земле живой материи химические элементы непрерывно циркулируют в биосфере, переходя из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. Такая циркуляция веществ по более или менее замкнутым путям называется биогеохимическим циклом. Основными биогеохимическими циклами являются круговороты кислорода, углерода, воды, азота, фосфора, серы и других биогенных элементов. Биогенная миграция вещества одна из форм всеобщей миграции элементов в природе. Под биогенной геохимической миграцией следует понимать миграцию органического и косного вещества, участвующего в росте и развитии живых организмов и производимого последними в результате сложных биохимических и биогеохимических процессов. Миграция химических элементов в биосфере осуществляется или при непосредственном участии живого вещества или же протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом. Человек воздействует прежде всего на биосферу и ее живое населения, поэтому он тем самым изменяет условия биогенной миграции атомов, создавая предпосылки для глубоких химических перемен. Таким образом, процесс может стать саморазвивающимся, не зависящим от желания человека, и при глобальном масштабе практически неуправляемыми.

Выводы

Таким образом, биосфера является глобальной единой системой Земли, где весь основной ход геохимических и энергетических превращений определятся жизнью. Деятельность живых существ является главным фактором преобразования земной коры. Значение организмов обусловлено их большим разнообразием, повсеместным распространением, избирательным характером биохимической деятельности и исключительно высокой химической активностью по сравнению с другими компонентами природы, границами биосферы являются верхняя часть литосферы, нижние слои атмосферы и гидросфера. Живым веществам характерны основные биогеохимические функции такие, как: энергетическая, газовая, концентрационная, окислительно – восстановительная, деструктивная, средообразующая, транспортная. Живые организмы играют важную роль в круговороте веществ. Они представляют собой звенья биогеохимических круговоротов (циклов), с помощью которых осуществляется обмен веществ между различными компонентами биосферы.

Контрольные вопросы

1.Что такое биосфера и чем она отличается от других оболочек Земли?

2. Назовите основные оболочки Земли?

3. Что понимал В.И.Вернадский под живым веществом и какие биохимические принципы лежат на основе биогенной миграции?

4. Как и какие важнейшие функции живого вещества обеспечиваются посредством малого круговорота веществ в природе?

5. Назовите основные структурные единицы биосферы.

6. Из каких частей состоит биогеохимический круговорот веществ?

7. Что такое «ноосфера» и почему возникло это понятие?

8. Возможно ли возникновение ноосферы в развитии коэволюции между человеческим обществом и природной средой?