Состав, строение и границы биосферы.

УЧЕНИЕ ВЕРНАДСКОГО О БИОСФЕРЕ.

Биосфе́ра (от др.-греч. βιος — жизнь И σφαῖρα — сфера, шар) — оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; «пленка жизни»; глобальная экосистема Земли.

Термин «биосфера» был введён в биологии Жаном-Батистом Ламарком в начале XIX в., а в геологии предложен австрийским геологом Эдуардом Зюссом в 1875 году^[1].

Целостное учение о биосфере создал русский биогеохимик и философ В. И. Вернадский. Он впервые отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая их деятельность не только в настоящее время, но и в прошлом.

Существует и другое, более широкое определение: Биосфера — область распространения жизни на космическом теле. При том что существование жизни на других космических объектах, помимо Земли пока неизвестно, считается что биосфера может распространяться на них в более скрытых областях, например, в литосферных полостях или в подлёдных океанах. Так, например, рассматривается возможность существования жизни в океане спутника Юпитера Европы.

 

Академик В.И. Вернадский всю совокупность организмов на планете называл живым веществом, вне зависимости от их систематической принадлежности, рассматривая в качестве основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию.

В состав живого вещества входят как органические (в химическом смысле), так и неорганические, или минеральные, вещества. Вернадский писал:

Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4-3,6×10¹² т (в сухом весе) и составляет менее 10⁻⁶ массы других оболочек Земли. Но это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты».

Современная биосфера включает более 3 млн. видов организмов.

Живое вещество развивается там, где может существовать жизнь, то есть на пересечении атмосферы, литосферы и гидросферы. В условиях, не благоприятных для существования, живое вещество переходит в состояние анабиоза.

 

В состав биосферы, кроме живого вещества входит:

БИОГЕННОЕ ВЕЩЕСТВО вещество, возникшее в результате жизнедеятельности организмов, например, уголь, нефть, битумы, известняки и пр.

Вещества, образуемые без участия живых организмов и не вовлеченные в круговорот жизни, Вернадский назвал костными веществами. Это, например, горные породы, продукты извержения вулканов и т.п. “Неживых” веществ в природе не бывает, практически любое вещество может быть вовлечено в круговорот жизни.

Кроме того, Вернадский выделял в особую группу биокостное вещество, которое в отличие от костного так или иначе обусловлено воздействием жизни и вовлечено в ее круговорот. Это, например, вода, почва и т.п. Вода, например, по праву считается веществом, дающим жизнь. Некоторые исследователи утверждают, что она обладает способностью запоминать информацию в своих структурах. А так как практически вся земная вода основательно переработана жизнью, то отнести ее к костным веществам мы никак не можем. То же самое можно сказать и про почвы, которые некоторые почвоведы считают “биологическим телом”. Поэтому подобные вещества вынесены в особую промежуточную группу.

- биокостное вещество (все природные воды, атмосферные газы, продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами);

Жизнь распространена в верхней части земной коры (литосфере), нижних слоях атмосферы и в воде (гидросфере).

- в литосфере жизнь ограничивает температура подземных пород (вод), которая постепенно возрастает с глубиной. Максимальная глубина на которой обнаружены живые бактерии – около 4 км;

- в океане жизнь распространена до более значительных глубин и встречается даже на дне впадин 10-11 км;

- в атмосфере граница определена озоновым слоем, выше которого все живое гибнет от Солнечной радиации, споры грибов и бактерий обнаруживаются до высоты 20-22 км.

Более 99% суммарного живого вещества сосредоточено в слое нескольких метров вглубь и несколько десятков метров вверх от поверхности. Т.о. главные процессы взаимодействия живой и неживой природы протекают в тончайшей пленке планеты, которую называют биогеосферой или ландшафтной оболочкой.

Пределы температур при которых могут существовать некоторые формы жизни – от практически абсолютного нуля до 180С. Давление, которое допустимо для некоторых форм жизни от малых долей атмосферы на большой высоте до тысяч атмосфер на больших глубинах, радиационное воздействие до зон атомных реакторов.

ВЫВОД: выносливость жизни к отдельным факторам среды шире диапазонов тех условий, которые реализуются в границах современной биосферы. Это дает жизни значительный «запас прочности», устойчивости к воздействию среды и потенциальной возможностью к еще большему распространению.

Основную долю биомассы суши составляют зеленые растения -99,2%, а в океане только 6,3%, в то время как, масса животных и микроорганизмов суши равна 0,8%, а в океане – 93,7%.

Главными составными элементами живого вещества является кислород (65-70%) и водород (10%). Остальные элементы представлены углеродом, азотом, кальцием (от 1 до 10%), серой, фосфором, калием, кремнием (от 0,1 до 1%), железо, натрий, хлор, алюминий (менее 0,1%).

В пределах биосферы каждый химический элемент проходит через цепочку живых организмов и включается в систему биогеохимических превращений. Так, весь кислород планеты обновляется через каждые 2000 лет, а весь углекислый газ через 6,3 года. Обновление живого вещества происходит в среднем за 8 лет.

Для синтеза живого вещества необходимо примерно 40 элементов, жизненно важными из которых являются компоненты белка: углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера. Другие элементы требуются в меньших количествах: кальций, железо, калий, натрий, магний. Все элементы попеременно переходят из живой материи в костную, участвуя в сложных биологических циклах. Рассмотрим круговороты основных биогенных элементов в биосфере:

Круговорот углерода

Углерод на Земле встречается в различных состояниях, от чистого (уголь, графит, алмаз) до высокомолекулярных белковых соединений. Основой биогенного круговорота углерода является диоксид углерода (углекислый газ), который при взаимодействии с водой образует углекислоту. Единственным источником углерода, используемого растениями для синтеза органического вещества, является углекислота, которая входит в состав атмосферы, или растворенная в воде.

В результате фотосинтеза в растениях происходит превращение угольной кислоты в углеводы, которое сопровождается выделением в атмосферу кислорода. Часть углеводов растения используют для роста и развития, а часть употребляется животными в пищу, для обеспечения собственных энергетических потребностей. Возврат двуокиси углерода в атмосферу происходит при дыхании животных, а так же при разложении тканей отмерших животных и растений. Другим источником возврата газа в атмосферу являются процессы горения органических топлив любого химического состава, начиная от дров заканчивая многочисленными нефтепродуктами. Химическая сущность этих процессов одинакова, а именно окисление углерода в составе топлив до двуокиси углерода с выделением энергии. Исторически процессы связывания диоксида углерода растениями и его выделения в отмеченных выше процессах находилось в равновесии. Однако, последние десятилетия, резкое увеличение объемов сжигаемого топлива, с одной стороны, и вырубание лесов, с другой стороны, привели к накоплению диоксида углерода в атмосфере. Вследствие особенностей термодинамических свойств диоксида углерода, как трехатомной молекулы, в сравнении с двухатомными молекулами кислорода и азота, которые составляют атмосферу, появилась реальная угроза парникового эффекта и глобального изменения климата.

Круговорот кислорода

В атмосфере кислород содержится в форме двухатомной молекулы, а так же в незначительном количестве в виде трехатомной молекулы озона, который образуется в результате воздействия высоких энергий на кислород (молнии, космическое излучение).

Круговороты кислорода и углерода связаны между собой химически. Фактически фотосинтез представляет собой разложение диоксида углерода на углерод и кислород, который пополняет атмосферу. Противоположный процесс удаления кислорода из атмосферы при его взаимодействии с углеродом, представлен реакциями горения топлива и гниения.

В настоящее время на промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется 23 % кислорода. Отрицательным моментом является сокращение площадей лесов планеты, что снижает продукцию кислорода и может привести глобальному изменению состава воздуха и экологической катастрофе.

Круговорот азота

Круговорот азота охватывает все области биосферы, распространяясь на газообразную и минеральную фазы. Хотя запасы азота в атмосфере неисчерпаемы, его вовлечение в круговорот затруднено химической инертностью элемента. Растения могут усваивать азот в виде легко растворимых соединений с водородом и кислородом в виде иона аммония или нитрата. Для перехода азота в эти формы необходимо участие азотофиксирующих бактерий или сине-зеленых водорослей (цианобактерий). Азотофиксирующие бактерии ведут свою жизнедеятельность на бобовых растениях, которые после отмирания обогащают земли связанным азотом.

Кроме бактериального пути фиксация азота до окислов происходит в разрядах молний с последующим попаданием в почву с дождем.

За год в биосфере фиксируется из воздуха до 700 мг/куб. м. азота. В основном это биологическая фиксация бактериями и лишь незначительное количество за счет электрических процессов.

Круговорот фосфора

Фосфор – широко распространенный на земле элемент (до 0,09%), входящий в состав разных минералов в форме фосфат иона. Основные запасы фосфора содержат горные породы, которые за счет вымывания и выветривания отдают фосфаты наземным экосистемам. Фосфаты потребляются растениями различных уровней для синтеза аминокислот, ферментов и др. В этой форме фосфор передается по пищевым цепям другим организмам экосистемы.

Фосфор – один из важнейших элементов живого веществ, обеспечивающий жизнедеятельность организма. Без фосфора не возможен синтез белка, а, следовательно, и жизнь. Он необходим для построения генов и молекул соединений, переносящих энергию внутри клетки. (более подробно будет рассмотрено в последующих лекциях).

В настоящее время человеком изымается из круговорота все большее количество фосфора за счет добычи фосфорных пород, вылова рыбы и промысловых ракообразных.

Круговорот серы

Сера играет важную роль в круговороте веществ в биосфере. Соединения серы участвуют в биохимических процессах живой клетки, формировании химического состава почв и подземных вод. В природе сера образует минералы сульфиды, которые подвержены естественному разложению путем выщелачивания с усвоением продуктов растениями. Другой источник серы в почве – разложение органических веществ растительного происхождения. Из почвы по корневым системам сера поступает в растения, где синтезируются серусодержащие аминокислоты. На континентах круговорот серы осуществляются с помощью растений. После их отмирания сера переходит в почву, где одни микроорганизмы восстанавливают серу до минеральной, а другие, уже окисляют ее до сульфатов, которые вновь поглощаются корнями растений. Круговорот серы в морях происходит с помощью сульфатирующих бактерий, которые восстанавливают сульфаты до сероводорода, а он затем поднимается в верхние слои воды, где окисляется кислородом и с участием сернистых бактерий.

С ростом промышленной деятельности человека в балансе серы в окружающей среде появился значимый техногенный фактор – выбросы окислов серы в атмосферу при сгорании топлив. Все минеральные топлива (особенно нефть и уголь) содержат серу, которая в процессе сгорания окисляется и поступает в воздух с продуктами сгорания. Техногенные выбросы серы составляют 75 – 100 млн. т. в год.

 

Рассмотренные выше процессы круговорота основных биогенных элементов в биосфере показывает, что существование жизни на Земле поддерживается в результате постоянного обмена веществом и энергией. Гипотетическая остановка любого из этих процессов приведет к угнетению растительности, что вызовет дефицит питания и гибель высших организмов. Например, прекращение кругооборота азота приведет к резкому снижению образования кормовой продукции, гибели всех организмов по цепи поедания (животных и, в конечном итоге, человека). Кроме того, азот, поступающий с пищей, является одним из основных элементов, из которых состоят аминокислоты основа белка без которого нет жизни.