Начать Биосфера как глобальная экосистема Урок экологии Биосфера как глобальная экосистема

В начале XIX в. понятие «биосфера» было введено в науку великим французским естествоиспытателем Ж.Б. Ламарком (1744–1829). Термин «биосфера» для определения земной оболочки, занятой жизнью, одновременно с терминами «гидросфера» и «литосфера» в конце XIX в. Утвердил в научном обиходе знаменитый австрийский геолог Э. Зюсс (1831–1914).

Понятие биосферы Зюсс писал: «Одно кажется чужеродным на этом большом, состоящем из сфер небесном теле, а именно – органическая жизнь... На поверхности материалов можно выделить самостоятельную биосферу...» Создав новый термин, которому было суждено такое блестящее будущее, Зюсс не дал ему научного определения. Автор современного учения о биосфере В.И. Вернадский (1863–1945) стал употреблять термин «биосфера» с 1911 г., но впервые дал его определение в 1923 г. и с тех пор не менее 15 раз его уточнял, подчеркивая, что биосфера – это «особая охваченная жизнью оболочка» Земли – область распространения живого вещества на планете.

Понятие биосферы Биосферой В.И. Вернадский 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, гидро- и тропосфера). Ту часть биосферы, где живые организмы встречаются в настоящее время, обычно называют современной биосферой или необиосферой, а древние биосферы относят к палеобиосферам, или былым биосферам.

Что называется живым веществом? 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 составляет лишь незначительную часть массы биосферы (3 1018т). Если живое вещество равномерно распределить по поверхности нашей планеты, то оно покроет ее слоем толщиной только в 2 см.

Закон необходимого разнообразия 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.

Биосфера и ее границы В 1926 г. В.И. Вернадский впервые поставил вопрос о границах биосферы; он вернулся к нему в специальной статье «О пределах биосферы» в 1937 г. 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 (литосфере), нижних слоях атмосферы Земли (тропосфере) и в водной оболочке Земли (гидросфере).

Границы существования живых организмов в литосфере, атмосфере, гидросфере 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 океане жизнь распространена до более значительных глубин и встречается даже на дне океанических впадин глубиной 10–11 км. Верхняя граница жизни в атмосфере определяется нарастанием с высотой ультрафиолетовой радиации. Озоновый слой поглощает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца на высоте 22–25 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.

Основные специфические свойства живого вещества 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.

Основные специфические свойства живого вещества 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 = 10–9м), самые крупные животные, киты, достигают 33 м в длину, самое большое растение, секвойя, 100 м в высоту.

Функции живого вещества на нашей планете Энергетическая функция заключается в осуществлении связи биосферно-планетарных явлений с космическим излучением, преимущественно с солнечной радиацией. В основе этой функции лежит фотосинтетическая деятельность зеленых растений, в процессе которой происходит аккумуляция (накопление) солнечной энергии и ее перераспределение между отдельными компонентами биосферы. 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 функционирования 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. В составе живого вещества преобладают атомы легких элементов: водорода, углерода, азота, кислорода, натрия, магния, алюминия, кремния, серы, хлора, калия, кальция. Концентрация этих 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.

Функции живого вещества на нашей планете Окислительно-восстановительная функция заключается в химическом превращении главным образом тех веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисления (соединения железа, марганца и др.) При этом на поверхности Земли преобладают биогенные процессы окисления и восстановления. 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 образуются также биогенное и биокосное вещество биосферы. Средообразующая функция заключается в преобразовании физико- химических параметров среды в результате процессов жизнедеятельности. В. И. Вернадский писал: «Организм имеет дело со средой, к которой он не только приспособлен, но которая приспособлена к нему». 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.

Главный источник энергии на Земле Лучистая энергия Солнца – главный источник энергии, определяющий тепловой баланс и термический режим биосферы Земли. В связи с движением Земли вокруг Солнца по эллиптической орбите интенсивность солнечного излучения, приходящаяся на поверхность Земли, изменяется в течение года в соответствии с изменением расстояния Земля – Солнце. Минимальное расстояние Земли от Солнца (147 млн. км) – в начале января, а максимальное (152 млн. км) – в начале июля. Это изменение расстояния приводит к колебаниям суточного количества падающей радиации.

Первое употребление термина «ноосфера» (от греч. noos – разум) принадлежит двум современникам Вернадского, слушавшим его лекции по геохимии в Сорбонне: философу, математику, палеонтологу и антропологу Э. Леруа и его другу, палеонтологу и антропологу П.Т. де Шардену. Под ноосферой французские ученые понимали ту стадию эволюции природы, когда появился человеческий разум. Развернутое обоснование эта трактовка получила в книге П.Т. Де Шардена «Феномен человека», впервые опубликованной в 1959 г. В ней Шарден определял ноосферу как «новый покров», «мыслящий пласт», который, зародившись в конце третичного периода, разворачивается над миром растений и животных – вне биосферы и над ней.

Биосфера и ноосфера Ноосфера, по Вернадскому, это такой этап развития биосферы, при котором «проявляется как мощная, все растущая геологическая сила роль человеческого разума (сознание) и направленного им человеческого труда». Оценивая роль человеческого разума и научной мысли как планетарного явления, В.И. Вернадский пришел к следующим выводам: Ход научного творчества является той силой, которой человек меняет биосферу, в которой он живет. Это проявление изменения биосферы есть неизбежное явление, сопутствующее росту научной мысли. Это изменение биосферы происходит независимо от человеческой воли, стихийно, как природный естественный процесс. А 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.

Гипотеза Геи Абиотическая среда нашей планеты резко отличается от условий жизни на любой другой планете Солнечной системы. Этот факт привел американских ученых – физика Джеймса Лавлока и микробиолога Линн Маргулис – в 1973–1979 гг. к созданию «гипотезы Геи» (Гея – имя древнегреческой богини Земли). Согласно этой гипотезе, биосфера с течением времени не только создает подходящую для себя атмосферу, но и активно поддерживает ее современное состояние, не позволяет концентрациям входящих в нее газов значительно отклоняться в ту или иную сторону от оптимального значения. Таким образом, Лавлок и Маргулис считают, что организмы Земли не столько приспосабливаются к атмосфере, сколько приспосабливают ее к своим потребностям.

Понятие геологического круговорота Ученый В.Р. Вильямс считает, что солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ – геологический, или большой, круговорот и биологический, малый, круговорот. Геологический круговорот наиболее четко проявляется в круговороте воды. На Землю от Солнца ежегодно поступает 5, Дж излучаемой энергии. Около половины ее расходуется на испарение воды. При этом из океана испаряется воды больше, чем возвращается с осадками. На суше, наоборот, больше выпадает осадков, чем испаряется воды. Излишки ее стекают в реки и озера, а оттуда – снова в океан (перенося при этом определенное количество минеральных соединений). Это и обусловливает большой круговорот в биосфере, основанный на том, что суммарное испарение воды с Земли компенсируется выпадением осадков.

Как происходит биологический круговорот? С появлением живого вещества на основе геологического круговорота возник круговорот органического вещества, биологический (малый) круговорот. По мере развития живой материи из геологического круговорота постоянно извлекается все больше элементов, которые вступают в новый, биологический 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 разрушение органических соединений. В противоположность геологическому, биологический круговорот обладает ничтожной энергией. На создание органического вещества, как известно, затрачивается всего 0,1–0,2% всей поступающей на Землю солнечной энергии (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.

Закон биогенной миграции атомов В.И. Вернадского 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. В.И. Вернадский сформулировал закон биогенной миграции атомов в следующем виде: Миграция химических элементов в биосфере осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же протекает в среде, геохимические особенности которой (О 2, СО 2, Н 2 и т.д.) обусловлены живым веществом (тем, которое населяет биосферу в настоящее время, и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории).

Фонды природного круговорота Процессы, происходящие в различных оболочках Земли, находятся в состоянии динамического равновесия, и изменение хода какого-либо из них влечет за собой бесконечные цепочки подчас необратимых явлений. В каждом природном круговороте целесообразно различать две части, или два «фонда»: резервный фонд – большая масса медленно движущихся веществ, в основном неорганической природы; подвижный, или обменный, фонд – меньший, но более активный, для которого характерен быстрый обмен между организмами и окружающей средой. Обменный фонд образуется за счет веществ, которые возвращаются в круговорот либо за счет первичной экскреции (от лат. excretum – выделенное) животными, либо при разложении детрита микроорганизмами.

Дополнительные материалы Дополнительные материалы Дополнительная информация на сайте: Выход