I. Границы биосферы

Биосфера (в современном понимании) – своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Биосфера охватывает нижнюю часть воздушной оболочки (атмосферы), всю водную оболочку (гидросферу), и верхнюю часть твёрдой оболочки (литосферы).

В литосфере жизнь ограничивает прежде всего температура горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает с глубиной и на уровне 1,5-15 км превышает +100°С. Самая большая глубина, на которой в породах земной коры были обнаружены бактерии, составляет 4 км. В нефтяных месторождениях на глубине 2-2,5 км бактерии регистрируются в значительном количестве.

В гидросфере жизнь распространена до более значительных глубин и встречается даже на дне океанических впадин глубиной 10-11 км.

В атмосфере верхняя граница жизни определяется нарастанием с высотой ультрафиолетовой радиации. Большую часть ультрафиолетового излучения Солнца поглощает озоновый слой, поэтому, биосфера простирается до озонового экрана (у полюсов - 8-10 км, у экватора - 17-18 км, над остальными территориями - 20-25 км). Все живое, поднимающееся выше защитного слоя озона, погибает. Споры бактерий и грибов обнаруживают до высоты 20-22 км, но основная часть аэропланктона сосредоточена в слое до 1-1,5 км. В горах граница распространения наземной жизни проходит на высоте около 6 км над уровнем моря.

Границы биосферы (по г.В. Войткевичу и в.А. Вронскому)

Таким образом, границы биосферы определяются наличием живых организмов или «следами» их жизнедеятельности. Однако, распределение жизни в биосфере отличается крайней неравномерностью:

Наиболее велика концентрация живого вещества на границах раздела основных сред - в почве, т. е. пограничном слое между литосферой и атмосферой, в поверхностных слоях океана, на дне водоемов и особенно - на литорали (от лат. litoralis - прибрежный) - зоне морского дна, затопляемой во время прилива и осушаемой при отливе, в лиманах (от греч. limenas - гавань, бухта) и эстуариях (от лат. aestuarium - берег, заливаемый приливом) - затопляемых устьях рек, где все три среды - почва, вода и воздух - тесно взаимодействуют друг с другом. Места наибольшей концентрации организмов в биосфере В. И. Вернадский назвал "пленками жизни".

II. Состав и свойства биосферы

В книге «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения» В.И.Вернадский рассмотрел 7 типов вещества, слагающих биосферу. Это:

1. Живое вещество – это совокупность живых организмов, рассеянных в миллиардах особей, непрерывно умирающих и рождающихся, обладающих колоссальной действенной энергией (биогеохимической энергией) и являющихся могучей геологической силой.

2. Биогенное вещество - это вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами и являющееся мощным источником потенциальной энергии (например: каменный уголь, битумы, известняки, нефть и т.д.). Живые организмы в нем после образования геологически малоактивны.

3. Костное вещество – это вещество, образуемое процессами, в которых в которых живые организмы не участвуют. Оно может быть твердое, жидкое и газообразное.

4. Биокостное вещество - вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами и является закономерной структурой из живого и косного вещества. Таковы вся океаническая и почти вся другая вода биосферы, почва, кора выветривания и др. Организмы играют в них ведущую роль.

5. Вещество, находящееся в радиоактивном распаде

6. Вещество космического происхождения

Являясь глобальной экосистемой (экосферой), как и любая экосистема, биосфера, состоит из абиотической и биотической части.

Абиотическая часть представлена:

Почвой и подстилающими ее породами до глубины, где еще есть живые организмы, вступающие в обмен с веществом этих пород и физической средой порового пространства.

Атмосферным воздухом до высот, на которых возможны еще проявления жизни.

Водной средой - океаны, реки, озера и т.п.

Биотическая часть состоит из живых организмов всех таксонов, осуществляющих важнейшую функцию биосферы, без которых не может существовать сама жизнь: биогенный ток атомов. Живые организмы осуществляют этот ток атомов благодаря своему дыханию, питанию и размножению, обеспечивая обмен веществом между всеми частями биосферы.

Выделяют 5 основных свойств биосферы:

1. Биосфера – централизованная система. Центральным звеном ее выступают живые организмы (живое вещество). Это свой­ство всесторонне раскрыто В. И. Вернадским, но, к сожалению, часто недооценивается человеком и в настоящее время: в центр биосферы или ее звеньев ставится только один вид - человек (ан­тропоцентризм).

2. Биосфера – открытая система, существование которой невозможно без постоянного притока энергии. Она испытывает воздействие космических сил, прежде всего солнечной активности.

Впервые представления о влиянии солнечной активности на живые организ­мы (гелиобиология) были разработаны советским биофизиком Александром Леонилдовичем Чижевским (1897-1964), ко­торый показал, что многие явления на Земле и в биосфере тесно связаны с активностью солнца.

Все больше накапливается дан­ных, свидетельствующих, что резкое увеличение численности от­дельных видов или популяций («волны жизни») - результат измене­ния солнечной активности. Высказываются мнения, что солнечная активность оказывает воздействие на многие геологические про­цессы (катаклизмы, катастрофы), а также на социальную актив­ность человеческого общества.

 

3. Биосфера – саморегулирующаяся система, для которой, как отмечал В. И. Вернадский, характерна организованность. В настоящее время это свойство называют гомеостазом, понимая под ним способность биосферы возвращаться в исходное состояние, гасить возникающие возмущения включением ряда механизмов. Гомеостатические механизмы связаны в основном с живым веществом, его свойствами и функциями.

Биосфера за свою историю пережила ряд таких возмущений, многие из которых были значительными по масштабам, и справлялась с ними (извер­жения вулканов, встречи с астероидами, землетрясения, горообра­зование и т. п.) благодаря действию гомеостатических механиз­мов.

Современная экологическая ситуация характеризуется нарушением многих механизмов гомеостаза, что уже привело к региональным кризисам, а впоследствии грозит человечеству и глобальным кризисом биосферы.

4. Биосфера – система, характеризующаяся большим разнообразием, что является важнейшим условием устойчивости любой экосистемы и биосферы в целом. В настоящее время описано примерно 1,5 млн. видов животных и 0,5 млн. видов растений. Однако ученые считают, что число видов на Земле в 2-3 раза больше, чем их описано (учтены не все микроорганизмы, насекомые, обитатели глубинных частей океанов и других малоосвоенных местообитаний).

5. Биосфера – система, обеспечивающая круговорот веществ. Только благодаря круговоротам и наличию неисчерпаемого источника солнечной энергии обеспечивается непрерывность процессов в биосфере и ее потенциальное бессмертие.

Живое вещество планеты содержит все известные сегодня химические элементы. Если некоторые из них (водород, кислород, углерод, азот, фосфор и другие) являются основой жизни, то другие (рубидий, платина, уран) имеются в организмах в очень малых количествах.

Организмы участвуют в миграции химических элементов как прямо (выделение кислорода в атмосферу, окисление и восстановление различных веществ в почвах и гидросфере), так и косвенно (восстановление сульфатов, окисление соединений железа, марганца и других элементов).

Огромную роль в биогеохимической активности играет человек, извлекая ежедневно в ходе добычи полезных ископаемых миллиарды тонн горной породы. Влияние человека на глобальные геохимические процессы с каждым годом только растёт.

III. Живое вещество биосферы, его специфика и функции

Биосфера, согласно учению В. И. Вернадского, есть целостное единство, планетарная система, все элементы которой взаимосвязаны и взаимодействуют. В этой системе центральную роль играет живое вещество, поскольку с ним генетически связаны и образованы из него все структурные части биосферы благодаря прошлой или настоящей деятельности живых организмов.

Понятие «живое вещество» ввел в науку В.И. Вернадский. Под ним он понимал совокупность всех живых организмов планеты или форму активной материи, энергия которой тем больше, чем больше масса живого вещества.

Согласно последним оценкам, сухая масса живого вещества на Земле составляет 2-3 триллиона тонн. Это по сравнению с основными сферами земли очень малая величина. Она, например, в 1000 раз меньше массы тропосферы, в 10 млн. раз меньше массы земной коры и в миллиард раз меньше массы Земли.

В отличие от костной материи живое вещество обладает целым рядом специфических свойств:

1. Живое вещество биосферы характеризуется огромной свободной энергией. В неорганическом мире по количеству свободной энергии с живым веществом могут быть сопоставлены только недолговечные незастывшие лавовые потоки.

2. Резкое отличие наблюдается в скорости протекания химических реакций: в живом веществе реакции идут в тысячи и миллионы раз быстрее.

3. Отличительной особенностью живого вещества является то, что слагающие его индивидуальные химические соединения – белки, ферменты и пр. – устойчивы только в живых организмах (в значительной степени это характерно и для минеральных соединений, входящих в состав живого вещества).

4. Произвольное движение живого вещества, в значительной степени саморегулируемое. В.И. Вернадский выделял две специфические формы движения живого вещества:

а) пассивную, которая создается размножением и присуща как животным, так и растительным организмам;

б) активную, которая осуществляется за счет направленного перемещения организмов (она характерна для животных и в меньшей степени для растений). Живому веществу также присуще стремление заполнить собой все возможное пространство.

5. Живое вещество обнаруживает значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. Кроме того, в отличие от неживого абиогенного вещества живое вещество не бывает представлено исключительно жидкой или газовой фазой. Тела организмов построены во всех трех фазовых состояниях.

6. Живое вещество представлено в биосфере в виде дисперсных тел – индивидуальных организмов. Причем, будучи дисперсным, живое вещество никогда не находится на Земле в морфологически чистой форме – в виде популяций организмов одного вида: оно всегда представлено биоценозами.

7. Живое вещество существует в форме непрерывного чередования поколений, благодаря чему современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых эпох. При этом характерным для живого вещества является наличие эволюционного процесса, т.е. воспроизводство живого вещества происходит не по типу абсолютного копирования предыдущих поколений, а путем морфологических и биохимических изменений.

8. Еще одну отличительную особенность живого вещества выделил сам В.И. Вернадский - диссимметричность. Живая материя обладает неполной, нарушенной осевой симметрией, равенство правых и левых ее сторон не является абсолютным, тогда как для неживой материи характерна строгая осевая симметрия.

В.И. Вернадский считал, что:

- с самого начала своего существования биосфера должна была состоять из различных форм жизни с разнообразными геохимическими функциями

- функции жизни в биосфере - биохимические функции - неизменны в течение геологического времени, и ни одна из них не появлялась вновь в ходе геологического времени. Они непрерывно существуют одновременно.

В.И.Вернадский выделил девять функций биосферы:

1. Газовая - все газы атмосферы создаются и изменяются биогенным путем. Основные газовые функции биосферы следующие:

- Кислородно-углекислотная, ее носителем являются зеленые растения. Ими создается подавляющая масса кислорода на планете. Из-за того что ночью фотохимический процесс прекращается, а на смену ему приходит процесс образования углекислоты, эта функция называется кис-лородно-углекислотной.

- Углекислотная (отдельная от кислородной) - образование биогенной угольной кислоты как следствие дыхания животных, грибов и бактерий.

- Озонная и перекисьводородная. В.И.Вернадский считал, что озон и перекись водорода являются продуктами жизни (через кислород, идущий на образование озона и перекиси). Озон, образуясь из биогенного кислорода, защищает биосферу от губительного ультрафиолетового излучения.

- Азотная. В.И.Вернадский полагал, что свободный азот атмосферы создается живым веществом почвы за счет жизнедеятельности азотовыделяющих бактерий при разложении органического вещества.

- Углеводородная. Биогенные газы - углеводороды - создаются живым веществом (к их числу относятся, например, природный газ, терпены, содержащиеся в эфирных маслах, скипидаре и обусловливающие аромат цветов, запах хвойных). Их роль в биосфере очень велика, но мало изучена.

2. Окислительная функция - выражается в окислении с участием живых организмов (бактерий и, возможно, грибов) всех бедных кислородом соединений в почве, коре выветривания и гидросфере. В результате этого образуются соли, оксиды, новые вещества. С данной функцией связано формирование железных и марганцевых руд, известняков и т.п. Например, так образуются болотные железные руды, бурые железистые конкреции, ожелезненные горизонты.

3. Восстановительная функция - противоположна по своей сути окислительной. Благодаря ей в результате деятельности анаэробных бактерий в нижней трети профиля заболоченных почв, практически лишенного кислорода, образуются оксидные формы железа.

4. Кальциевая функция – выделение кальция в виде чистых солей, углекислых, фосфорокислых, щавелевокислых.

5. Концентрационная функция. Проявляется в способности живых организмов накапливать в своих телах многие химические элементы (на первом месте стоит углерод, среди металлов - кальций). Способность концентрировать элементы из разбавленных растворов - характерная особенность живого вещества. Например, морские организмы активно накапливают микроэлементы, тяжелые металлы (ртуть, свинец, мышьяк), радиоактивные элементы. В.И.Вернадский различал:

- концентрационные функции I рода, когда живым веществом из окружающей среды концентрируются те химические элементы, которые содержатся во всех без исключениях организмах (Н, С, N, О, Na, Mg, Al, Si, P, S, CI, K, Ca, Fe);

- концентрационные функции II рода, когда наблюдается накопление химических элементов, которые в живых организмах не встречаются или могут встречаться в очень малых количествах. Например, голотурии способны накапливать ванадий. Дождевые черви могут накапливать цинк, медь, свинец и кадмий в своих тканях. Водоросли рода ламинария накапливают в себе йод.

6. Функция разрушения органических соединений – обеспечивается деятельностью бактерий. В результате разложения мертвой органики происходит образование воды, углекислого газа и азота.

7. Функция восстановительного разложения - образование сероводорода, метана, водорода и т.п.

8. Биохимическая функция - определяется как размножение, рост и перемещение в пространстве живого вещества. Все это приводит к круговороту химических элементов в природе, их биогенной миграции. В.И.Вернадский выделял:

- I биохимическую функцию, которая связана с питанием, дыханием и размножением организмов

- II биохимическую функцию, которая связана с разрушением тел живых организмов после их смерти. При этом происходит ряд биохимических превращений: живое тело -> биокосное -> косное.

9. Функция биогеохимической деятельности человека. Связана с биогенной миграцией атомов, многократно усиливающейся под влиянием хозяйственной деятельности человека и его разума. Человек в ходе хозяйственной деятельности разрабатывает и использует для своих нужд большое количество веществ земной коры, в том числе таких, как уголь, газ, нефть, торф, сланцы, многие руды. Одновременно происходит антропогенное поступление в биосферу чужеродных веществ в количествах, превышающих допустимое значение.

!!! Эти биохимические функции выполняются самыми разными живыми организмами: бактериями, водорослями, мхами, простейшими одноклеточными, но организма, способного осуществить все эти функции сразу, в природе нет. Мало того, невозможна замена одного функционального исполнителя другим, так как это привело бы к обязательному преобразованию самой функции. И хотя человек может одновременно вызывать разнообразные химические процессы, этого он достигает, как писал Вернадский, умом и техникой, а не физиологической работой своего организма.

Таким образом, по мнению В.И.Вернадского, на Земле должна была зародиться сразу целая группа разнообразных одноклеточных организмов, способных выполнять перечисленные функции, или один простейший организм должен был быстро разделиться на разные формы, осуществляющие различные геохимические функции.