Биосфера – место обитания живых существ. Зарождение жизни тесно связано с развитием оболочек земли. Она начала свое формирование около 4 миллиардов лет назад, затем появились первые признаки жизни на нашей планете.

Становление биосферы и ее поэтапное формирование обусловлено влиянием ряда факторов: действием на Землю космической энергии, развитием живых организмов и человечества.

Термин биосфера ввел австрийский ученый Зюсс еще в 19 столетии, он выделил все оболочки Земли, но подробное их описание совершил в 20 ст. отечественный ученый В.И. Вернадский (первый президент Украинской Академии Наук). Он описал границы биосферы, разработал единое учение о биосфере.

Свойства биосферы необходимые для возникновения и продолжения жизни

Что такое биосфера


  • Наличие CO2 и кислорода;
  • вода – источник жизни на земле, присутствие, как пресных водоемов, так и соленых;
  • регуляция температуры: отсутствие резких перепадов, сверхвысоких и низких показателей;
  • обеспечение всего живого продуктами питания;

До сих пор нет единого определения. Существует три версии, что такое биосфера:

  1. Общая масса всех живых существ, которые обитают в оболочках земли, является биосферой.
  2. Организмы и места их жизнедеятельности вместе составляют биосферу.
  3. Это следствие продолжительной жизни существ, обитавших задолго до наших дней.

Ученые-геологи считают правильной первую точку зрения, так как другие не имеют теоретического подкрепления.

Биосфера простилается по всей поверхности Земли (горы, поля, реки, моря, океаны) и создает условия для жизнедеятельности всех организмов. Человек также является составляющим звеном.

Границы

Где проходят границы биосферы
Границы биосферы в км

Чем определяются границы распространения биосферы?


Поскольку Живое — главная составляющая биосферы, ее границы определяются возможностью выживать отдельных индивидуумов в условиях окружающей среды. В верхних слоях ультрафиолетовое излечение не дает развиваться живым организмам – это определяет верхнюю границу биосферы. Высокие температуры в земных глубинах устанавливают нижнюю черту жизни.

Где проходят границы биосферы?

Атмосфера – воздушный слой земного шара, состоит из азота, кислорода, диоксида углерода и др. Она защищает Землю от перегрева, действия космической радиации, ультрафиолета, метеоритов. В составе атмосферы выделяют: тропосферу, стратосферу, ионосферу.

Тропосфера (озоновый слой земли) является верхней границей биосферы, находится на высоте 20 км.

Стратосфера – располагается на высоте 50 км над уровнем моря, воздух разжижается, нагревается, увеличивается концентрация озона, условия становятся непригодными для жизни.

Ионосфера – поверхностный слой атмосферы, поддается воздействию космического излучения, поэтому сильно ионизированный.

Литосфера – земная кора, твердый слой, который уходит на глубину 200км. К биосфере относится верхний шар, населенный живыми организмами. Нижняя граница по литосфере достигает 4км, глубина где были найдены бактерии. Опускаясь ниже, температура возрастает, достигая 100 градусов, что несовместимо с существованием живых организмов, происходит денатурация белка, все живое – гибнет.

iv>

Гидросфера – совокупность наземных и подземных вод. Это одна из оболочек нашей планеты, которая окружает материки и острова, составляет 70% поверхности земного шара. Нижняя граница биосферы расположена на глубине около 11 км. (в области Тихого океана).

Схема границ биосферы
Схема границ биосферы

Слои биосферы

Эубиосфера – основная прослойка биосфера. 99,9% живых существ постоянно населяют данный слой. Ширина эубиосферы 12-17км.

Парабиосфера, метабиосфера – соответственно верхний и нижний слои бисоферы, куда жизнь попадет случайно, заносится из эубиосферы.

Апобиосфера и абиосфера — самый верхний и самый нижний слои, куда жизнь не может попасть даже случайно.

В зависимости от среды обитания живых организмов выделяют:

  • Аэробиосферу (жизнь осуществляется за счет атмосферной влаги и солнечной энергии, от верхушек деревьев до стратосферы);
  • геобиосферу (организмы населяют почву, поверхность суши, деревья);
  • гидробиосферу (все водные структуры заселенные гидробионтами, исключая подземные воды).

Структура биосферы и ее состав

Живое вещество Вернадский описывал как общее число всех живых организмов населяющих планету в данный период времени.

Основные свойства:

  • В нем сосредоточено огромное количество энергии;
  • скорость течения реакций в живом организме быстрее, чем в искусственно созданных условиях;
  • составляющие живого вещества стабильны только в жизнеспособном организме;
  • возможность существовать в разных условиях, заполняя все пространство. Это явление Вернадский назвал «всюдностью жизни»;
  • отдельные особи всегда являются частью экосистемы;
  • живое вещество эволюционирует, приобретает новые свойства, адаптируется к изменчивости внешней среды.

Биогенное вещество – продукты жизнедеятельности живого. В процессе жизни организмы пропускают через себя многократно все составляющие биосферы, так образуются залежи нефти, газа, угля, торфа и др.

Косное вещество – формируется без участия живой материи (небиогенные горные породы, минералы).

Биокосное вещество – создается при взаимодействии живого и неживого (вода, приземная атмосфера, почва).

>
Структура и состав биосферы
Структура и состав биосферы

Живое вещество распределено не равномерно на просторах земли, ее концентрация увеличивается возле экваториальной плоскости, на полюсах планеты жизни мало.

Скопление живых организмов находятся на границах слоев биосферы: на дне океана – проходит граница между литосферой и гидросферой, в поверхностных водах Мирового океана – рубеж между гидросферой и атмосферой, на границе литосферы и атмосферы находится почва – место обитания микроорганизмов, насекомых, других животных. В этих местах создаются благоприятные условия для существования: высокая концентрация кислорода, доступ к солнечному свету, влага, питательные вещества.

Соотношение видов живых организмов показывает преобладание растительности, она занимает 99% от всего живого, животные – 1%, люди – 0,0002%.

Функции биосферы

Энергетическая – аккумуляция солнечного излучения в процессе фотосинтеза (переход энергии солнечного света с помощью пигментов растений в органические связи) и ее трансформация, с последующим распределением между всеми живыми организмами.

Газообразующая – поддержание стабильного газового состава атмосферы (выделение кислорода, поглощение диоксида углерода).

Концетрационная – сосредотачивают в теле химические вещества, образуя в дальнейшем полезные ископаемые.


Круговорот вещества в биосфере

Растения в процессе роста и развития используют минеральные вещества из почвы, адсорбируют воду с помощью корня, перерабатывают энергию Солнца, образуют органические вещества из неорганических, из атмосферного воздуха листьями поглощается диоксид углерода и выделяется кислород посредством фотосинтеза.

Животные и человек дышат кислородом, используют органические вещества образованные растениями. После смерти, скопление органических веществ растений и животных разлагается под действием микроорганизмов, и переходят в неорганическое состояние.

Процесс преобразования энергии и вещества начинается сначала – это и есть жизненный круговорот.

Источник: animals-world.ru

Живое вещество и его роль в биосфере

В уче­нии о Б. центр. ме­сто при­над­ле­жит по­ня­тию «жи­вое ве­ще­ст­во», под ко­то­рым В. И. Вер­над­ский по­ни­мал со­во­куп­ность всех жи­вых ор­га­низ­мов (жи­вот­ных, рас­те­ний, мик­ро­ор­га­низ­мов), чис­лен­но вы­ра­жен­ную в их эле­мен­тар­ном хи­мич.


­ста­ве, мас­се и энер­гии. Наи­бо­лее важ­ная функ­ция Б. – ре­гу­ляр­ное вос­соз­да­ние жи­во­го ве­ще­ст­ва, на­ка­п­ли­ваю­ще­го­ся и удер­жи­ваю­ще­го энер­гию. Все вме­сте взя­тые жи­вые ор­га­низ­мы поч­ти за 2,5 млрд. лет ис­то­рии Б., ак­ку­му­ли­руя энер­гию Солн­ца и транс­фор­ми­руя её в зем­ную хи­мич. энер­гию (ту сво­бод­ную энер­гию, ко­то­рая спо­соб­на про­из­во­дить ог­ром­ную ра­бо­ту по пе­ре­рас­пре­де­ле­нию ве­ще­ст­ва зем­ной ко­ры и соз­да­нию но­вых хи­мич. со­еди­не­ний), пред­став­ля­ют пла­не­тар­ное яв­ле­ние кос­мич. мас­шта­ба. «На зем­ной по­верх­но­сти, – пи­сал Вер­над­ский, – нет си­лы бо­лее по­сто­ян­но дей­ст­вую­щей, а по­то­му и бо­лее мо­гу­ще­ст­вен­ной по сво­им ко­неч­ным по­след­ст­ви­ям, чем жи­вые ор­га­низ­мы взя­тые в це­лом. И чем бо­лее мы изу­ча­ем хи­мич. яв­ле­ния био­сфе­ры, тем боль­ше убе­ж­да­ем­ся, что на ней нет слу­ча­ев, где бы они бы­ли не­за­ви­си­мы от жиз­ни. И так дли­лось в те­че­ние всей гео­ло­гич. ис­то­рии». Б. ох­ва­ты­ва­ет участ­ки зем­ной ко­ры, ко­то­рые в те­че­ние всей гео­ло­гич. ис­то­рии во все эта­пы эво­лю­ции жиз­ни под­вер­га­лись воз­дей­ст­вию жи­во­го ве­ще­ст­ва. В них на­ря­ду с жи­вым ве­ще­ст­вом и ми­нер. ве­ще­ст­ва­ми, в об­ра­зо­ва­нии ко­то­рых жи­вые ор­га­низ­мы не при­ни­ма­ют уча­стия («кос­ное ве­ще­ст­во»), обя­за­тель­но при­сут­ст­ву­ют био­ген­ные и био­кос­ные ве­ще­ст­ва. К био­ген­ным от­но­сят­ся, напр., из­вест­ня­ки, уг­ли, нефть, ки­сло­род ат­мо­сфе­ры, ко­то­рые соз­да­ва­лись и пе­ре­ра­ба­ты­ва­лись жи­вы­ми ор­га­низ­ма­ми.

о­кос­ные ком­по­нен­ты Б. соз­да­ют­ся при уча­стии и ор­га­низ­мов, и абио­тич. фак­то­ров. Та­ко­вы поч­ва, при­род­ные во­ды, тро­по­сфе­ра. Т. о., Б. пред­став­ля­ет­ся как еди­ная ди­на­мич. сис­те­ма, в ко­то­рой жи­вое ве­щест­во не­от­де­ли­мо от ок­ру­жаю­щей не­жи­вой (кос­ной) сре­ды. Иде­ям Вер­над­ско­го со­звуч­на по­пу­ляр­ная в 1970–90-е гг. кон­цеп­ция «Гайи» (англ. инженер Дж. Лав­ло­к и амер. микробиолог Л. Маргулис, 1975), в со­от­вет­ст­вии с ко­то­рой жизнь на Зем­ле можно представить как сложную са­морегулирующуюся единую систему.

В раз­ных при­род­ных ус­ло­ви­ях Б. сфор­ми­ро­ва­на в ви­де от­но­си­тель­но са­мо­сто­ят. при­род­ных ком­плек­сов – эко­си­стем или био­гео­це­но­зов. Осн. ис­точ­ни­ком энер­гии для всех про­ис­хо­дя­щих в Б. про­цес­сов яв­ля­ет­ся сол­неч­ный свет. По­верх­но­сти Зем­ли дос­ти­га­ет все­го ок. 15% сол­неч­ной ра­диа­ции, по­сту­паю­щей в верх­ние слои ат­мо­сфе­ры, и толь­ко 0,1–1% этой энер­гии ис­поль­зу­ет­ся ав­то­троф­ны­ми ор­га­низ­ма­ми (гл. обр. зе­лё­ны­ми рас­те­ния­ми) для соз­да­ния живого вещества при уча­стии ди­ок­си­да уг­ле­ро­да и во­ды (т. н. чистой первичной продукции) в про­цес­се фо­то­син­те­за. Ве­ли­чи­на этой про­дук­ции оце­ни­ва­ет­ся в пе­ре­счё­те на уг­ле­род при­мерно в 2,26· 1017 г в год, что со­от­вет­ст­ву­ет еже­год­но­му по­гло­ще­нию 1,15·1018 ккал (4,98·1018 кДж).


ен­но эта энер­гия, за­па­сён­ная в фор­ме хи­мич. свя­зей раз­но­об­раз­ных хи­мич. со­еди­не­ний, оп­ре­де­ля­ет жиз­не­дея­тель­ность всех ос­таль­ных ге­те­ро­троф­ных ор­га­низ­мов, обес­пе­чи­вая их пи­щей и энер­ги­ей. Для раз­ру­ше­ния ве­ще­ст­ва пи­щи, рос­та и раз­мно­же­ния жи­вот­ные ис­поль­зу­ют ки­сло­род, выделяемый так­же зе­лё­ны­ми рас­те­ния­ми. От­мер­шие те­ла рас­те­ний и жи­вот­ных слу­жат пи­щей для мик­ро­ор­га­низ­мов (ор­га­низ­мов-де­ст­рук­то­ров), раз­ла­гаю­щих их до ми­не­раль­ных со­лей, диок­си­да уг­ле­ро­да и во­ды. В свою оче­редь, эти про­стые со­еди­не­ния вновь ис­поль­зу­ют­ся рас­те­ния­ми для соз­да­ния ор­га­нич. ве­ще­ст­ва (см. Тро­фи­че­ская цепь). Т. о. в Б. про­ис­хо­дит кру­го­во­рот уг­ле­ро­да. Его осу­ще­ст­в­ле­ние за счёт ис­поль­зо­ва­ния по­сто­ян­но по­сту­паю­щей сол­неч­ной энер­гии яв­ля­ет­ся ус­ло­ви­ем не­пре­рыв­но­го функ­цио­ни­ро­ва­ния Б. как це­ло­ст­ной сис­те­мы. По­сто­ян­ный об­мен ве­ще­ст­вом и энер­ги­ей ме­ж­ду ор­га­низ­ма­ми и ок­ру­жаю­щей сре­дой в хо­де пи­та­ния, ды­ха­ния и раз­мно­же­ния и свя­зан­ных с ни­ми про­цес­сов соз­да­ния, на­ко­п­ле­ния и рас­па­да ор­га­нич. ве­ще­ст­ва обес­пе­чи­ва­ет не­пре­рыв­ный по­ток ато­мов – био­ген­ную ми­гра­цию, ко­то­рая про­яв­ля­ет­ся в фор­ме био­гео­хи­ми­че­ских цик­лов. Цикл уг­ле­ро­да не­от­де­лим от кру­го­во­ро­тов мн. дру­гих хи­мич. эле­мен­тов. Осн. эле­мен­та­ми, вхо­дя­щи­ми в со­став лю­бо­го жи­во­го ор­га­низ­ма (т. н. био­ген­ные эле­мен­ты), яв­ля­ют­ся ки­сло­род (70%), уг­ле­род (18%) и во­до­род (10%). Каль­ций, ка­лий, азот, фос­фор, крем­ний, мар­га­нец, се­ра, хлор, же­ле­зо и на­трий со­став­ля­ют 1,5–4%, а мик­ро­эле­мен­ты (их со­дер­жа­ние оп­ре­деля­ет­ся ты­сяч­ны­ми до­ля­ми про­цен­та и ни­же) – алю­ми­ний, цинк, мо­либ­ден, ко­бальт, иод, бром и др. – все­го лишь 0,4–0,5%, хо­тя их роль для ор­га­низ­мов очень важ­на.

Разл. ор­га­низ­мы спо­соб­ны из­вле­кать из сре­ды оби­та­ния прак­ти­че­ски все эле­мен­ты пе­рио­дич. сис­те­мы и из­би­ра­тель­но на­ка­п­ли­вать не­ко­то­рые из них в ко­ли­че­ст­вах, ино­гда в сот­ни ты­сяч раз пре­вы­шаю­щих их со­дер­жа­ние в ок­ру­жаю­щей сре­де. Напр., же­ле­зо­бак­те­рии ак­ку­му­ли­ру­ют же­ле­зо; фо­ра­ми­ни­фе­ры, мн. мол­лю­ски и ки­шеч­но­по­ло­ст­ные – каль­ций; диа­то­мо­вые во­до­рос­ли, ра­дио­ля­рии и хво­щи – крем­ний; губ­ки – иод; ас­ци­дии – ва­на­дий; фи­ал­ки и гри­бы – цинк, и т. д. Со­дер­жа­ние уг­ле­ро­да в рас­те­ни­ях в 200 раз, а азо­та – в 30 раз пре­вы­ша­ет их от­но­сит. ко­ли­че­ст­во в зем­ной ко­ре. Дея­тель­ность ор­га­низ­мов обу­слов­ли­ва­ет ин­тен­сив­ную ми­гра­цию ато­мов эле­мен­тов с пе­ре­мен­ной ва­лент­но­стью – же­ле­за, мар­ган­ца, се­ры, фос­фо­ра, хро­ма, азо­та. При этом соз­да­ют­ся их но­вые со­еди­не­ния, про­ис­хо­дит от­ло­же­ние суль­фи­дов и ми­не­раль­ной се­ры, об­ра­зо­ва­ние се­ро­во­до­ро­да и др.

Жи­вое ве­ще­ст­во рас­пре­де­ле­но на Зем­ле чрез­вы­чай­но не­рав­но­мер­но. Ок. 99% пред­став­ле­но рас­те­ния­ми на су­ше; жи­вот­ные и др. ор­га­низ­мы со­став­ля­ют ме­нее 1% жи­во­го ве­ще­ст­ва. Мас­са фо­то­син­те­зи­рую­щих ор­га­низ­мов в Ми­ро­вом ок. при­мер­но в 10000 раз мень­ше, чем на кон­ти­нен­тах. При этом ско­рость обо­ро­та био­мас­сы в тол­ще во­ды в 1000–2000 раз вы­ше, чем рас­те­ний – на су­ше. По­это­му био­мас­са ге­те­ро­тро­фов в океа­нах в 10–15 раз боль­ше био­мас­сы фи­то­планк­то­на. Тем не ме­нее, бла­го­да­ря ог­ром­ной раз­ни­це в мас­се рас­тит. ор­га­низ­мов на су­ше и в океа­не, пер­вич­ная био­ло­гич. про­дук­ция на кон­ти­нен­тах, за­ни­маю­щих все­го 1/4 по­верх­но­сти Зем­ли, со­став­ля­ет не ме­нее 50% (по не­ко­то­рым оцен­кам – до 60%) всей пер­вич­ной про­дук­ции Б. Био­мас­са всей Б. оце­ни­ва­ет­ся в 1,8·1018 г (в пе­ре­счё­те на су­хое ве­ще­ст­во).

В. И. Вер­над­ский пред­ло­жил раз­ли­чать два ти­па ско­п­ле­ний жи­во­го ве­ще­ст­ва в био­сфе­ре – плён­ки и сгу­ще­ния жиз­ни. Плён­ки жиз­ни ох­ва­ты­ва­ют боль­шие про­стран­ст­ва, как, напр., планк­тон, осн. мас­са ко­то­ро­го за­ни­ма­ет срав­ни­тель­но тон­кий, но рас­про­стра­няю­щий­ся по всей по­верх­но­сти Ми­ро­во­го ок. слой. Та­кой же плён­кой мож­но счи­тать и бен­тос – со­во­куп­ность ор­га­низ­мов, оби­таю­щих на дне во­до­ёмов. На су­ше од­на плён­ка жиз­ни мо­жет быть пред­став­ле­на, напр., со­во­куп­но­стью ор­га­низ­мов, оби­таю­щих в ус­ло­ви­ях с вы­со­кой сте­пе­нью ос­ве­щён­но­сти. Сгу­ще­ния жиз­ни свя­за­ны с на­зем­ной рас­ти­тель­но­стью (до­ж­де­вые тро­пич. ле­са, пой­мы рек) и мел­ко­во­дья­ми. Так, в при­бреж­ных рай­онах мо­рей, где бла­го­да­ря ма­лым глу­би­нам сол­неч­ный свет дос­ти­га­ет дна, раз­ви­ва­ет­ся мощ­ный по­яс во­до­рос­лей-мак­ро­фи­тов. В этих при­бреж­ных за­рос­лях, на­зы­вае­мых ино­гда мор­ски­ми ле­са­ми, со­че­та­ние вы­со­кой ос­ве­щён­но­сти с вы­со­ким со­дер­жа­ни­ем эле­мен­тов ми­нер. пи­та­ния обес­пе­чи­ва­ет об­ра­зо­ва­ние пер­вич­ной про­дук­ции в ко­ли­че­ст­вах, со­пос­та­ви­мых с наи­бо­лее про­дук­тив­ны­ми эко­си­сте­ма­ми су­ши. Осо­бый слу­чай при­бреж­ных сгу­ще­ний пред­став­ля­ют ко­рал­ло­вые ри­фы. В та­ких сгу­ще­ни­ях дос­ти­га­ют­ся макс. зна­че­ния пер­вич­ной про­дук­ции и, бла­го­да­ря это­му, обес­пе­чи­ва­ет­ся наи­боль­шее ви­до­вое бо­гат­ст­во жи­вот­но­го на­се­ле­ния. Од­ним из са­мых мощ­ных ак­ку­му­ля­то­ров жи­во­го ве­ще­ст­ва яв­ля­ет­ся поч­ва, осо­бен­но её пло­до­род­ный гу­му­со­вый го­ри­зонт. Для неё ха­рак­тер­но оби­лие ор­га­низ­мов, вы­со­кая плот­ность на­се­ле­ния (мас­са жи­вот­ных в поч­ве на­мно­го боль­ше, чем на её по­верх­но­сти).

Наи­бо­лее ин­тен­сив­но био­гео­хи­мич. про­цес­сы идут в сгу­ще­ни­ях жиз­ни. В то же вре­мя в ка­ж­дой кон­крет­ной эко­си­сте­ме био­ло­гич. ак­тив­ность со­во­куп­но­стей ор­га­низ­мов за­ви­сит от са­мых раз­ных фак­то­ров. На су­ше она обу­слов­ле­на в пер­вую оче­редь се­зон­ны­ми ко­ле­ба­ния­ми тем­пе­ра­ту­ры, ко­ли­че­ст­вом осад­ков; в вод­ных эко­си­сте­мах, кро­ме све­та и те­п­ла, важ­ней­шее, час­то ре­шаю­щее зна­че­ние име­ют гид­ро­ло­гич. осо­бен­но­сти во­до­ёма, от ко­то­рых, в ча­ст­но­сти, за­ви­сит обес­пе­чен­ность ав­то­троф­ных ор­га­низ­мов био­ген­ны­ми эле­мен­та­ми. Рас­пре­де­ле­ние жиз­ни на пла­не­те оп­ре­де­ля­ет­ся пре­ж­де все­го ко­ли­че­ст­вом по­сту­паю­щей на по­верх­ность Зем­ли сол­неч­ной энер­гии.

Прак­ти­че­ски весь ки­сло­род и азот ат­мо­сфе­ры, ди­ок­сид уг­ле­ро­да и мно­гие др. при­род­ные га­зы яв­ля­ют­ся про­из­вод­ны­ми жи­во­го ве­ще­ст­ва. Весь ди­ок­сид уг­ле­ро­да ат­мо­сфе­ры про­хо­дит че­рез фо­то­син­тез рас­те­ний при­мер­но за 200 лет; в те­че­ние од­но­го го­да жиз­ни жи­вые ор­га­низ­мы пе­ре­ме­ща­ют (в раз­ной фор­ме) в неск. раз боль­ше га­зов, чем их со­дер­жит­ся в ат­мо­сфе­ре. Бла­го­да­ря дея­тель­но­сти фо­то­син­те­зи­рую­щих ор­га­низ­мов ок. 2 млрд. лет на­зад на­ча­лось на­ко­п­ле­ние в ат­мо­сфе­ре сво­бод­но­го ки­сло­ро­да, за­тем об­ра­зо­вал­ся озо­но­вый эк­ран; фо­то­син­тез зе­лё­ных рас­те­ний и ды­ха­ние аэроб­ных организмов под­дер­жи­ва­ют совр. га­зо­вый со­став ат­мо­сфе­ры.

Человек и биосфера

Че­ло­век как био­ло­гич. вид за­ни­ма­ет до­воль­но скром­ное ме­сто в Б. Сум­мар­ная био­мас­са лю­дей на Зем­ле срав­ни­ма с био­мас­сой до­ж­де­вых чер­вей в поч­вах пла­не­ты, а ко­ли­че­ст­во по­треб­ляе­мой ими рас­тит. пи­щи со­став­ля­ет не бо­лее 1–2% от чис­той пер­вич­ной про­дук­ции Б. Но с то­го вре­ме­ни, ко­гда лю­ди пе­ре­шли от со­би­ра­тель­ст­ва и охо­ты к с. х-ву как осн. спо­со­бу про­из­вод­ст­ва пи­щи, воз­дей­ст­вие че­ло­ве­ка на при­ро­ду при­об­ре­ло гло­баль­ный мас­штаб и при­ве­ло к су­ще­ст­вен­но­му из­ме­не­нию об­ли­ка Б. По не­ко­то­рым рас­чё­там, био­мас­са че­ло­ве­че­ст­ва (соб­ст­вен­но че­ло­ве­ка как ви­да, с куль­ти­ви­руе­мы­ми рас­те­ния­ми и раз­во­ди­мы­ми жи­вот­ны­ми) в сер. 20 в. пре­вы­си­ла на су­ше био­мас­су при­род­ных эко­си­стем. На су­ше поя­вил­ся но­вый тип эко­си­стем – аг­ро­эко­си­сте­мы. Пло­щадь рас­па­хан­ных зе­мель на Зем­ле со­став­ля­ет не ме­нее 10% от всей тер­ри­то­рии су­ши. В ре­зуль­та­те рас­ши­ре­ния с.-х. уго­дий пло­щадь ле­сов уже со­кра­ти­лась бо­лее чем на 50% и про­дол­жа­ет со­кра­щать­ся на 0,3–1% в год. Кро­ме то­го, све­де́­ние ле­сов со­про­во­ж­да­ет­ся сни­же­ни­ем уров­ня под­поч­вен­ных вод, уве­ли­чи­ва­ет ве­ро­ят­ность за­сух. Рас­паш­ка сте­пей при­ве­ла к раз­ру­ше­нию струк­ту­ры почв и к воз­ник­но­ве­нию эро­зии; это по­слу­жи­ло при­чи­ной опус­ты­ни­ва­ния ог­ром­ных тер­ри­то­рий в Сев. Аме­ри­ке, Аф­ри­ке и Азии. Раз­ви­тие пром-сти, транс­пор­та, рост го­ро­дов и др. ви­ды че­ло­ве­че­ской дея­тель­но­сти тре­бу­ют за­трат энер­гии, пре­вы­шаю­щих в 15–20 раз её ко­ли­че­ст­во, по­лу­чае­мое в ви­де пи­щи. По­сколь­ку осн. ис­точ­ни­ком этой до­пол­нит. энер­гии до сих пор ос­та­ёт­ся ис­ко­пае­мое то­п­ли­во, ко­ли­че­ст­во ди­ок­си­да уг­ле­ро­да, вы­бра­сы­вае­мое в ат­мо­сфе­ру при сжи­га­нии неф­ти, уг­ля и при­род­но­го га­за, при­мер­но во столь­ко же раз долж­но быть боль­ше то­го, что вы­де­ля­ет всё че­ло­ве­че­ст­во в про­цес­се ды­ха­ния. Это так­же от­ра­жа­ет­ся на из­ме­не­нии гло­баль­но­го цик­ла уг­ле­ро­да и пре­ж­де все­го на уве­ли­че­нии со­дер­жа­ния ди­ок­си­да уг­ле­ро­да в ат­мо­сфе­ре. Т. к. ди­ок­сид уг­ле­ро­да от­но­сит­ся к чис­лу т. н. пар­ни­ко­вых га­зов, по­вы­ше­ние его кон­цен­тра­ции мо­жет быть при­чи­ной из­ме­не­ния кли­ма­та Зем­ли в ре­зуль­та­те ра­зо­гре­ва ат­мо­сфе­ры.

Ан­тро­по­ген­ные воз­дей­ст­вия на Б., при­няв­шие гло­баль­ный ха­рак­тер, ста­вят под уг­ро­зу воз­мож­ность под­дер­жа­ния го­мео­ста­за при­род­ных сис­тем. В свя­зи с этим уче­ние о Б. как еди­ной, оп­ре­де­лён­ным об­ра­зом ор­га­ни­зо­ван­ной ди­на­мич. сис­те­ме при­об­ре­та­ет ис­клю­чи­тель­но важ­ное зна­че­ние для все­го че­ло­ве­че­ст­ва (см. «Че­ло­век и био­сфе­ра»). Оно ока­зы­ва­ет ог­ром­ное влия­ние на раз­ви­тие мн. на­ук, на ха­рак­тер мыш­ле­ния и под­хо­дов при ре­ше­нии всех слож­ней­ших во­про­сов, свя­зан­ных с взаи­мо­от­но­ше­ни­ем при­ро­ды и об­ще­ст­ва. В. И. Вер­над­ский раз­вил пред­став­ле­ние о пе­ре­хо­де Б. в ноо­сфе­ру, в та­кое со­стоя­ние, при ко­то­ром её раз­ви­тие бу­дет управ­лять­ся че­ло­ве­че­ским ра­зу­мом. См. так­же За­гряз­не­ние ок­ру­жаю­щей сре­ды, Ох­ра­на ок­ру­жаю­щей сре­ды.

В гео­гра­фич. нау­ках по­ня­тие «Б.» тра­ди­ци­он­но ис­поль­зо­ва­лось для обо­зна­че­ния од­ной из гео­сфер, вхо­дя­щих в со­став гео­гра­фи­че­ской обо­лоч­ки.

Источник: bigenc.ru

Понятие «биосфера» ввел в геологию австрийский ученый Э. Зюсс в 1875 г. Классифицируя оболочки Земли, он выделил в них ту область, где существует жизнь. Она охватывает пространство верхних слоев литосферы, всю гидросферу и нижние слои атмосферы. Учение о биосфере связано с именем нашего крупного отечественного ученого, геохимика В. И. Вернадского. Он впервые представил биосферу не только как место пребывания жизни, но и как полностью преобразованную ею часть планеты. Основная идея учения В. И. Вернадского о биосфере — признание жизни мощной и активной силой, не только сравнимой по результатам действия с геологическими явлениями, но и превосходящей их по ряду величин.

Биосфера, по В.И.Вернадскому, приспособлена к жизни и жизнью воссоздаваема. Любой реальный организм неразрывно связан с окружающей средой, и можно отделить

96

его от нее только мысленно. Через организмы проходят вихри химических элементов из окружающей среды. «Всякий организм … постоянно, неудержимо, захватывает прямо или косвенно лучистую энергию Солнца и превращает ее в свободную, т.е. способную производить работу, химическую энергию. Значительная часть лучистой энергии Солнца, достигающей земной поверхности, таким образом захватывается и превращается в новую форму. Особенно геохимически важен такой захват зелеными растениями». В геохимии планеты жизнь проявляется совместным действием множества отдельных организмов, а геохимические последствия их деятельности грандиозны.

Для того чтобы иметь возможность изучать роль жизни в геохимии планеты и сравнивать с другими формами нахождения элементов (минералами, горными породами, магмами, водными растворами и т.п.) В. И. Вернадский предложил ввести понятие «живое вещество». «Я буду называть живым веществом, — писал он, — совокупность живых организмов, выраженную в весе, в химическом составе, в мерах энергии и характере пространства. Прилагая новую мерку изучения жизни, совершенно отличную от обычной, мы подходим к явлениям и перспективам, до сих пор невиданным. Сложный эффект мельчайших явлений, не привлекавших до сих пор внимания в биологических науках, принимает неожиданные размеры».

В. И. Вернадский подчеркивал, что жизнь захватывает значительную часть атомов, составляющих материю земной поверхности. Под ее влиянием эти атомы находятся в непрерывном, интенсивном движении. Из них все время создаются миллионы разнообразнейших соединений. И этот процесс длится без перерыва миллиарды лет. «На земной поверхности, — писал В. И. Вернадский, — нет химической силы более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом». Прекращение жизни было бы неизбежно связано с прекращением химических изменений поверхности Земли— биосферы. «С исчезновением жизни на земной поверхности шли бы лишь медленные, от нас скрытые изменения, связанные с земной тектоникой. Они проявлялись бы не в наши годы и столетия, а в годы и столетия геологического времени. Лик Земли стал бы так же неизменен и химически инертен, как является неподвижным лик Луны, как инертны осколки небесных светил, захватываемые притяжением Земли. метеориты. Так жизнь является великим, постоянным и непрерывным нарушителем химической косности поверхности нашей планеты».

97

Идеи В. И. Вернадского, высказанные ими впервые в 20-х годах ХХ века, намного опередили состояние современной ему науки и в должной мере были оценены лишь спустя несколько десятилетий, после возникновения учения об экосистемах. Стало очевидным, что биосферу следует рассматривать как самую крупную, глобальную экосистему, поддерживающую себя круговоротом веществ и потоками солнечной энергии .Последующие исследования подтвердили многие положения учения о биосфере.

Биосфера распространена на несколько километров вверх и вниз от поверхности земли и океана. Ее верхняя граница определяется в атмосфере слоем озона — озоновым экраном, защищающим жизнь от губительного коротковолнового ультрафиолетового излучения на высоте 16 — 25 км. Все живое, поднимающееся выше защитного слоя озона, погибает. Однако, химический состав атмосферы выше озонового слоя во многом определяется деятельностью живого вещества. Вся гидросфера пронизана жизнью до самых больших глубин (около 11 км). Вглубь литосферы живые организмы могут проникать до 3-4 км, как показали находки бактерий при глубоком бурении. Здесь ограничивающим фактором является высокая температура глубинных пород и подземных вод, превышающая 100 градусов. Однако и более глубокие породы относятся к области биосферы, поскольку даже в метаморфизированном, переработанном в глубинах Земли виде, они представляют собой слои, созданные когда-то на дне океана при участии жизни.

Все вещество биосферы разделено В.И.Вернадским на четыре категории: косное, живое, биогенное и биокосное. Косное — это совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых живые организмы не участвуют. Биогенное — создается и перерабатывается живыми организмами. Оно концентрирует в себе мощную потенциальную энергию (угли, нефть, известняки, битумы и др.). После его образования живые организмы в биогенном веществе малодеятельны. Биокосное — особое вещество, создается живыми организмами и биокосными процессами, представляя системы динамического равновесия. Живые организмы играют ведущую роль в поддержании свойств биокосных веществ. Ими являются все природные воды, почвы, кора выветривания. Так, вода, лишенная жизни и ее производных — кислорода, углекислоты и т.п. в условиях земной поверхности является телом химически мало деятельным, инертным.

В. И. Вернадский указывал на широкое поле устойчивости жизни и ее «всюдность» в биосфере. Крайние пределы температур, которые выносят организмы, не теряя жизнеспособности (в латентном состоянии) — от практически абсолютного нуля до

98

+ 180 — 200 градусов — дают интервал почти в 500 градусов. Жизнь существует при давлении от долей атмосферы на большой высоте до тысячи и более атмосфер на больших глубинах, а в экспериментах некоторые формы выдерживают и полный вакуум. Различные виды, особенно бактерий, могут существовать в широком диапазоне химических условий среды: в атмосфере свободного кислорода и полностью без кислорода, в горячих борных источниках, насыщенных растворах поваренной соли, купороса, селитры, в растворах фтористого натрия, сулемы и т.п. Некоторые особо устойчивые формы могут выдерживать даже высокие дозы ионизирующей радиации — бактерии обнаружены в котлах действующих реакторов, а инфузории выдерживают облучение в 3 млн. доз превышающее естественный радиоактивный фон Земли. В биосфере нет мест, которые не были бы заняты той или иной формой жизни, ее нет только в жерлах действующих вулканов.

Наряду с этим жизнь в биосфере распространена неравномерно, мозаично. Она слабо выражена в холодных и жарких пустынях, высоко в горах, в центрах океанов. Высокая концентрация, богатство и разнообразие жизни присущи областям раздела разных сред: газообразной, жидкой и твердой. Жизнь сосредоточена на контакте литосферы и атмосферы (наземная жизнь и особенно — в почвах), атмосферы и гидросферы (поверхностные слои океана), литосферы и гидросферы (дно водоемов). Особенно богаты жизнью области , где почвы, вода и воздух близко соседствуют друг с другом — побережья и мелководья морей, лиманы, эстуарии рек . Места наибольшей концентрации организмов в биосфере В. И. Вернадский назвал «пленками жизни».

Суммарный химический состав живого вещества свидетельствует, что жизнь — это химическое производное земной коры, «плоть от плоти» Земли. По относительному числу атомов в литосфере наиболее распространены (более 1%) :кислород, кремний, алюминий, железо, натрий, водород, кальций, магний, калий. В гидросфере преобладают атомы водорода и кислорода, в атмосфере — азота и кислорода, в живом веществе — водород, кислород и углерод. Живое вещество в основном состоит из элементов, образующих газообразные и растворимые в воде соединения. В живых организмах 99,9% массы приходится на те 14 элементов, которые преобладают и в земной коре (98,9%), хотя находятся в ней в других соотношениях. На воспроизведение тех реакций, которые протекают в организмах с помощью катализаторов — ферментов, потребовались бы в неживой природе огромные затраты энергии.

Живое вещество совершает на Земле огромную геохимическую «работу».

99

В. И. Вернадский рассматривал биосферу прежде всего как область превращений космической энергии. До него еще К.А.Тимирязев говорил о космической роли зеленых растений. Основная планетарная функция живого вещества — это связывание и запасание, концентрирование солнечной энергии. Эта энергия расходуется затем в большом количестве геохимических процессов. Современными исследователями подсчитано. что ежегодная продукция в биосфере составляет 2, 32 х 1011 т. Следовательно, только за миллиард лет вся наработанная масса живого вещества весит в 10 раз больше земной коры, а длительность существования жизни на планете, по последним данным — около четырех миллиардов лет. Сжигая в топках уголь, газ или нефть, мы используем солнечную энергию, законсервированную живыми организмами далекого прошлого — мезозойской, палеозойской и протерозойской эры.

Газовая функция живого вещества заключается в создании и поддержании состава современной атмосферы. В настоящее время имеется достаточно много убедительных доказательств того, что атмосфера на ранней Земле была бескислородной и включала другие газы. Считается, что их состав был сходен с теми, которые выбрасывают действующие ныне вулканы. Предполагается преобладание окислов углерода (угарного и углекислого газов), метана, водорода, аммиака, значительные примеси серы и ее соединений, «кислых дымов» HCl и HF и др. Главные составляющие современной атмосферы — молекулярный азот , кислород и углекислый газ — производные жизни. Кислород — самый распространенный в верхних слоях планеты элемент — содержался на древней Земле в связанном виде.

Свободный кислород атмосферы накоплен в процессах фотосинтеза, за счет активности цианобактерий («синезеленых водорослей») и зеленых растений. Другие его источники на Земле, например, фотодиссоциация молекул воды в верхних слоях атмосферы, дают ничтожную массу. В.И.Вернадский отмечал исключительную роль этого соединения в истории биосферы. «Свободный кислород… в форме газа и еще больше в водных растворах играет совершенно исключительную роль во всех химических реакциях земной поверхности. Можно сказать, что он своим присутствием меняет весь их ход.Свободный кислород — самый могущественный деятель из всех известных нам химических тел земной коры. Он изменяет — окисляет — огромное количество химических соединений, он всегда находится в движении, все время вступает в соединения. История всех циклических элементов земной коры определяется их отношением к свободному кислороду». Озон и перекись водорода, присутствующие в

100

атмосфере, также генетически связаны с жизнью, так как подавляющая масса кислорода, из которой они образуются, является продуктом живого вещества.

Современный растительный покров продуцирует за год 430-470 млрд. т молекулярного кислорода. В пресных и океанических водах этого газа содержится от 9 до 14 мг/л.

Молекулярный азот стал накапливаться в атмосфере за счет окисления поступающего из недр Земли аммиака. Первые количества кислорода, освобождаемого фотосинтезом, шли на окисление газов атмосферы и горных пород. Атомы в молекуле азота объединены очень прочной связью, на разрыв которой требуется много энергии. Атмосферный азот поэтому инертен, трудно вовлекается в реакции. Атмосфера стала его гигантским резервуаром.

Углекислый газ в составе современного воздуха — также почти исключительно производное жизни. Он поступает в атмосферу в результате дыхания многочисленных организмов, включая растения. Наибольшее его количество выделяется живым миром почв. Первоначально углекислый газ попадает в воздушную и водную оболочки Земли в продуктах дегазации мантии, но не накапливается в них. Его удаление происходит главным образом при образовании карбонатов, как химическим, так и биологическим путем, а также при использовании в процессах фотосинтеза. Современные источники углекислого газа из недр планеты поставляют лишь 0,01% от выделенного живыми организмами, а общее содержание в атмосфере составляет около 0,03%

К газам органического происхождения относятся также сероводород, метан и множество других соединений, поставляемых в воздушную среду жизнедеятельностью разных видов. Например, гектар можжевелового или соснового леса может выделить за день до 30 кг летучих веществ — фитонцидов. Продуцируя и потребляя газообразные вещества, организмы биосферы поддерживают постоянство состава воздушной оболочки Земли.

К концентрационной функции живого вещества В. И. Вернадский относил те процессы организма, которые сводятся к избирательному выбору из окружающей среды определенных химических элементов. Часть таких элементов входит в состав тел всех живых существ, а часть — встречается только у определенных групп. У некоторых организмов концентрация отдельных элементов составляет более 10% от веса тела. Такие организмы ученый предложил называть по элементу; кремневые, серные, железные. Кремневыми, например, являются радиолярии, диатомовые водоросли, многие губки.

101

Железными — железобактерии, до 20% веса которых составляет этот элемент. К магниевым организмам следует относить литотамниевые водоросли, к кальциевым — моллюсков, фораминифер, плеченогих, некоторых ракообразных. При содержании какого-либо элемента, заметно превышающего его концентрацию в окружающей среде и составляющего 1 -2 процента от веса тела, организмы относятся к группе богатых этим элементом. Так, богаты кремнием злаки, хвощи; богаты фосфором дрожжи, все позвоночные животные; хлором — растения-солянки; калием — водоросли Макроцистис; йодом — некоторые морские губки, водоросли ламинарии и фукусы. Отмирая и захораниваясь в массе, они образуют скопления этих веществ, формируя горные породы. Органогенные породы давно выделялись геологами : известняковые хребты, состоящие из остатков раковин морских животных, залежи угля. Но в целом роль живых организмов в образовании пород считалась второстепенной. В.И.Вернадский показал большую роль живого вещества в формировании всех осадочных горных пород, включая такие, как глины, пески и др. Он пришел к выводу, что и гранитные породы образовались за счет переплавления осадочных, и в своем начальном происхождении также связаны с влиянием жизни. Многие из пород, концентрирующих отдельные элементы, человек использует как полезные ископаемые: железные руды, бокситы, фосфориты, известняки и многие другие.

Окислительно-восстановительная функция живого вещества также подчеркивалась В. И. Вернадским. В биосфере постоянно идет окисление более бедных кислородом соединений (в почвах, коре выветривания и в гидросфере): солей, закиси железа и закиси марганца, нитрита, сероводорода, азота и др. Эта функция выполняется, прежде всего, бактериями. Восстановительные процессы резко выражены для сульфатов с образованием сероводорода. В результате возникают пирит и другие сульфиды, образующие часто крупные скопления и залежи в земной коре.

Биогенное перемещение атомов — также одна из функций живого вещества на планете. Кроме вовлечения в химические реакции, вещества перемещаются живыми организмами и в пространстве. Растения выносят химические элементы из почвы на ее поверхность, формируя свои тела порой до десятков метров в высоту. Перемещают большие массы почвы и грунтов роющие животные. На далекие расстояния разносят вещество летающие организмы. Эти процессы, умноженные на время, выявляют грандиозные масштабы происходящего.

102

Одна из важнейших биогеохимических функций на Земле — деструкционная. Она заключается в разложении создаваемой биологической продукции и возвращении биогенных элементов в окружающую среду. В осуществление этого процесса включено огромное разнообразие живых организмов. Многие органические соединения (целлюлоза, лигнин и др.) обладают высокой прочностью и устойчивостью, они не разрушаются в природе в отсутствии редуцентов. На планете постоянно идет гигантская работа по минерализации созданного органического вещества. Параллельно протекает процесс гумификации: часть промежуточных продуктов распада в результате деятельности разных групп организмов вступает в новый синтез, образуя гумус — сложный комплекс веществ, богатых энергией. Гумус является основой почвенного плодородия. Он разлагается определенными микроорганизмами очень медленно и постепенно, обеспечивая постоянство и надежность в снабжении растений биогенными элементами.

Продукты минерализации органических веществ, растворяясь в природных водах, многократно усиливают их химическую активность в разрушении горных пород.

Стабильность биосферы основывается на биогеохимических круговоротах веществ.

Глобальный биогеохимический круговорот вещества представляет собой систему сложно переплетенных циклов химических элементов. Круговороты планетарного масштаба создаются из бесчисленных циклических перемещений атомов, движимых жизнедеятельностью организмов в отдельных экосистемах, и тех перемещений, которые вызываются причинами геологического и ландшафтного характера: поверхностный и подземный сток, ветровая эрозия, вулканизм, горообразование, движение морского дна и т.п. Различают малые и большие круговороты, т.е. локальные и общепланетарные.

Биологические круговороты характеризует неполная замкнутость. Часть химических элементов и их соединений выпадает из общей циркуляции и скапливается вне живых организмов. Так постепенно накапливались кислород и азот атмосферы, горючие ископаемые, осадочные породы. Незамкнутость циклов может быть ничтожной, но помноженная на геологическое время, она приводит к глобальным эффектам, к изменеиям состояния и структуры биосферы. Современная биосфера сильно отличается от биосферы прошедших времен, когда, например, господствовали только микроорганизмы, или когда сложная жизнь была развита только в океане.

Главным для биосферы является цикл органического углерода.

Биологический цикл углерода определяется первичной продукцией организмов за счет фотосинтеза растений и цианобактерий, частично — хемосинтезирующих бактерий и

103

последующей деструкцией созданного органического вещества всеми, как аэробными, так и анаэробными организмами. Конечный продукт деструкции — углекислый газ, связывающий цикл органического углерода с неорганическим и с циклом кислорода. Основные запасы углерода находятся в связанном виде в осадочных породах Земли ( в основном в составе карбонатов), значительная часть растворена в водах океана, и относительно небольшая часть присутствует в составе воздуха. Общие пропорции углерода в литосфере, гидросфере и атмосфере, по уточненным расчетам, 28570: 57: 1.

Таким образом, в биологическом круговороте участвуют лишь доли процента от общего его количества на Земле. Атмосфера и гидросфера представляют обменный фонд, откуда его черпают зеленые растения. Выделение углерода из недр Земли в составе вулканических газов примерно равно скорости погружения его вглубь литосферы в составе осадочных пород, т.е. большой геологический цикл углерода уравновешен. Из биологических круговоротов на суше и в океане часть углерода надолго выводится из-за недостаточной скорости деструкционных процессов. Так образуются залежи горючих ископаемых, обогащение органическим углеродом осадочных пород и смыкание большого и малого круговоротов. Временным резервуаром углерода являются тела долгоживущих организмов и запасы мертвой органики (мортмассы), еще не успевшей разложиться, и почвенного гумуса. В растительном покрове суши связано 4,5 х 1011 т С, в почве — 7 х 1011 т. Экосистемы могут оказаться накопителями органического углерода даже при низкой продуктивности, все определяет отставание скорости разложения от скорости создания органического вещества. К таким экосистемам относятся, например, болота, моховые тундры, таежные леса с большим запасом подстилки.

Суммарная биомасса организмов зависит от количества углерода, участвующего в системе биологического круговорота. Известную регуляторную роль играет растительность, которая способна до некоторых пределов поглощать избыток углекислого газа воздуха и резервировать углерод в своих телах, увеличивая продуктивность и биомассу. Углекислый газ относится к парниковым, и даже небольшое увеличение его содержания в воздухе может заметно повлиять на средние температуры и климат Земли. Поэтому уменьшение суммарной массы растительности, особенно лесной, при современных масштабах антропогенного уничтожения лесов, грозит подрывом тонкого равновесия в цикле органического углерода, связанного и с циклами многих других веществ в биосфере.

104

Кислород. Находится в основном в составе воды и минералов. Это самый распространенный химический элемент на Земле. Свободный молекулярный кислород накапливается в биосфере как побочный продукт фотосинтеза и используется на дыхание организмов и окисление всех недоокисленных веществ на поверхности Земли . Растворимость кислорода в воде невелика, его концентрация, при полном насыщении, в среднем в 21 раз ниже, чем в воздухе. Резерва, имеющегося в воздушной среде, при прекращении фотосинтеза хватило бы не более чем на 2000 лет. Накопление О2 в атмосфере и гидросфере происходит в результате неполной замкнутости цикла углерода. Захоронение органики в осадочных породах, углях, торфах послужило основой поддержания обменного фонда О2 в атмосфере. Современное человечество усиленно «работает» на уменьшение запасов свободного кислорода в биосфере. Этому способствует сведение лесов и беспрецедентное связывание О2 за счет сжигания топлива промышленностью и транспортом. Оно достигло уже почти 14 млрд. т в год, что составляет почти тридцатую часть поставляемого растительностью кислорода, т.е. вполне сопоставимо по масштабам с биосферными процессами.

Азот. Входит в состав важнейших органических молекул — ДНК, белков, липопротеидов, АТФ, хлорофилла и др. Его общее отношение к углероду в биомассе составляет 16:106. Недостаток азота часто является фактором, лимитирующим биологическую продукцию. Молекулярный азот атмосферы недоступен растениям. Ассимиляция ими азота возможна только из его связанных форм — аммиака, нитратов, мочевины. Биологический круговорот азота поэтому целиком поддерживается деятельностью бактерий. Многие из них обладают способностью к фиксации атмосферного азота. Этот процесс требует больших затрат энергии на разрыв прочных связей между двумя атомами азота. Аммонифицирующие бактерии, разлагая органическое вещество, переводят азот в аммиачную форму, а продолжающие этот процесс нитрификаторы окисляют его до нитритов и нитратов. Денитрифицирующие бактерии завершают цикл, освобождая азот из нитратов и переводя вновь в молекулярную форму. Растения, усваивая азот на потоке его превращений бактериями, не могли бы существовать без бактериальной системы этого круговорота.

Независимый от жизнедеятельности бактерий механизм вовлечения молекулярного азота в биологические циклы — разряды молний, способствующие возникновению аммиака и нитрата. Однако, эти процессы не восполняют потерь при денитрификации. Современная промышленность удобрений фиксирует азот атмосферы в количествах,

105

превышающих природную азотфиксацию. Избытки нитратов, поступающих через загрязнение вод и продуктов питания к человеку, угрожают его здоровью. Деятельность человека все сильнее влияет на круговорот азота в природе.

Фосфор. Входит в состав нуклеиновых кислот, энергетических молекул АТФ и АДФ, фосфолипидов клеточных мембран, скелетных тканей животных. Его среднее отношение к органическому углероду в биомассе составляет 1 : 106. Специфика круговорота фосфора связана с тем, что он не образует летучих соединений и плохо растворим в воде. Источником доступного растениям фосфора является в основном его выщелачивание из подстилающих почвы горных пород. На суше из разлагающейся органики соединения фосфора возвращаются в почву, но частично вымываются в водоемы и, в конечном счете, в океан. В воде они почти не остаются в растворенном виде , а захораниваются в осадках, переходя в систему геологического круговорота. Дефицит фосфора в центрах океанов — один из главных лимитирующих факторов продуктивности водорослей в фотическом слое. Но и у берегов континентов в морских экосистемах жизнь рассчитана на невысокие концентрации фосфора. В биосфере, по сути дела, осуществляется однонаправленный поток фосфора из горных пород суши в глубины океана, и обменный фонд его в гидросфере очень ограничен. Промышленное производство фосфорных удобрений усиливает поступление этого элемента, через смыв с полей, в пресные водоемы и является одной из главных причин их бурной эвтрофикации, а также грозит нарушением природного равновесия в морях.

Все биогеохимические циклы элементов связаны друг с другом в общую систему, поскольку атомы, имеющие разную «судьбу» в атмосфере, гидросфере и литосфере, вступают друг с другом в реакции, объединяясь в разных пропорциях в составе органических молекул.

Все химические элементы, используемые в процессах жизнедеятельности организмов, совершают постоянные перемещения, переходя из живых тел в соединения неживой природы и обратно. Возможность многократного использования одних и тех же атомов делает жизнь на Земле практически вечной при условии постоянного притока нужного количества энергии. Однако формы жизни меняются и влияют на геологическую историю.

Историю Земли делят на три большие отрезка — архей (первые два миллиарда лет ее существования), протерозой (следующие два миллиарда лет) и фанерозой, который начался около 570 млн. лет назад. В архее господствовали бактериальные формы жизни

106

при отсутствии озонового экрана над Землей. Образующийся в результате фотосинтеза цианобактерий кислород шел на окисление восстановленных и недоокисленных соединений в атмосфере и гидросфере. В протерозое началось накопление свободного кислорода, приведшее к расцвету аэробных эукариотических одноклеточных организмов (простейших и водорослей), а к концу протерозоя — и многоклеточных форм. Фанерозой начался со взрывного образования многоклеточных скелетных животных, в возникновении которых большую роль сыграло дальнейшее увеличение концентрации кислорода в атмосфере и воде. Формирование в результате этого полноценного озонового экрана сделало возможным выход сложных форм жизни на сушу, возникновение растительного покрова, уменьшение сноса в океан продуктов эрозии. Почти 370 млн. лет на суше шумят леса, но сначала они состояли из споровых растений, а затем сменились голосеменными и покрытосеменными. Почвы из примитивных сначала пленочных сменились, под первыми лесами, полуводными образованиями, в анаэробных условиях которых шло захоронение древесины с последующим превращением в каменные угли. В современных почвах, имеющих развитый профиль, господствуют аэробные процессы разложения органики, идут активные процессы минерализации и образуются резервы гумуса. Жизнь на Земле, с одной стороны, вечна, а с другой — изменяема.

Процессы изменения биосферы многократно усилились с возникновением и развитием человеческого общества. Они идут по нарастающей, быстро ускоряющимися темпами. Угрожающе увеличивается риск сбоев в природной саморегуляции устойчивости биосферы. Перед современным человечеством встает вопрос о саморегуляции в меняющемся мире, поскольку масштабы его отрицательного влияния на окружающую среду сравнимы с биосферными процессами. В связи с этим в центр внимания выдвигается идея «устойчивого развития», провозглашенная в 1992 г. на Международном форуме в Рио-де-Жанейро. Мировому сообществу приходится решать задачи, по масштабам не имеющие себе равных в истории человеческого общества. Становится понятным, что человечество может продолжать развиваться на планете только при условии принятия в расчет экологических ограничений, на которых основывается стабильность всей биосферы. Международные рекомендации всем государствам — развитие экологической политики, в основу которой должны быть положены:

1. содействие восстановлению ресурсов, предельно экономному использованию из них невозобновимых и переход на технологии. потребления в основном возобновимых со строгим соблюдением норм их изъятия; 2. жесткие нормы предельного загрязнения среды

107

с развитием новых технологий, способствующих снижению этого загрязнения; 3. охрану редких экосистем и видов, сохранение биологического разнообразия планеты, с достаточной мерой ответственности за нарушения.

В целом вопрос стоит о том, как вписать экономическое развитие общества в экологические ограничения биосферы. Отсюда вырастает роль развития экологической науки и экологического образования. Не нарушать природное равновесие в такой грандиозной по сложности природной системе как биосфера можно только хорошо зная закономерности ее функционирования. Надо уметь определять емкость среды, устанавливать формы и пределы допустимого воздействия, чего нельзя сделать без опоры на фундамент знаний, собираемых кропотливым трудом ученых .

Естественно, что необходимым условием устойчивого развития общества является достаточно высокая экологическая культура населения. Еще в 1977 г. на Международной конференции в Тбилиси было признано необходимым и приоритетным экологическое и природоохранное просвещение всех социальных и возрастных групп населения, т.е. «непрерывное экологическое образование».

Решение экологических проблем связано, прежде всего, с осознанием всем населением планеты масштабов надвигающейся экологической катастрофы, важности обеспечения экологической безопасности, охраны природы и изменения всего стиля хозяйствования человечества на Земле. В .И. Вернадский оптимистично отмечал приближение «ноосферы» — времени, когда биосферные процессы будут регулироваться разумом человека. Глобальное влияние человека на биосферу уже наглядно проявляется, и в основном отрицательно, но до разумной регуляции мощных природных сил пока еще далеко, хотя человечество уже знает, в каком направлении надо действовать. Очевидно, что это требует гигантских объединенных усилий науки, экономики, политики и просвещения.

Вопросы к лекции 8.

1. Что такое биосфера? В чем основная суть идеи биосферы В. И. Вернадского?

2. Как сформировался газовый состав современной атмосферы?

3. Какие изменения произвела жизнь на планете за время ее существования?

4. В чем заключаются главные механизмы устойчивости жизни на Земле?

5. Почему для человечества главным становится вопрос своего «устойчивого развития»?

Источник: texts.news