Биосфера

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

В буквальном переводе термин “биосфера” обозначает сферу жизни и в таком смысле он впервые был введен в науку в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831 – 1914). Однако задолго до этого под другими названиями, в частности "пространство жизни", "картина природы", "живая оболочка Земли" и т.п., его содержание рассматривалось многими другими естествоиспытателями.

Первоначально под всеми этими  терминами подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих  на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом скорее обращалось внимание на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической природы. Даже автор самого термина "биосфера" Э.Зюсс в своей книге "Лик Земли", опубликованной спустя почти тридцать лет после введения термина (1909 г.), не замечал обратного воздействия биосферы и определял ее как "совокупность организмов, ограниченную в пространстве и во времени и обитаюшую на поверхности Земли".

Первым из биологов, который ясно указал на огромную роль живых организмов в образовании земной коры, был Ж.Б.Ламарк (1744 – 1829). Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.

Факты и положения о биосфере накапливались постепенно в связи с развитием ботаники, почвоведения, географии растений и других преимущественно биологических наук, а также геологических дисциплин. Те элементы знания, которые стали необходимыми для понимания биосферы в целом, оказались связанными с возникновением экологии, науки, которая изучает взаимоотношения организмов и окружающей среды. Биосфера является определенной природной системой, а ее существование в первую очередь выражается в круговороте энергии и веществ при участии живых организмов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Понятие ,  структура 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  атмосферы, гидросферу и верхнюю  часть литосферы.

• Атмосфера – наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с космическим пространством; через атмосферу осуществляется обмен вещества и энергии с космосом.

Атмосфера имеет несколько слоев:

• тропосфера – нижний слой, примыкающий к поверхности Земли (высота 9–17 км). В нем состредоточено около 80% газового состава атмосферы и весь водяной пар;
• стратосфера;
• ноносфера – там “живое вещество” отсутствует.

Преобладающие элементы химического  состава атмосферы: N2 (78%), O2 (21%), CO2 (0,03%).

• Гидросфера – водная оболочка Земли. В следствие высокой подвижности вода проникает повсеместно в различные природные образования, даже наиболее чистые атмосферные воды содержат от 10 до 50 мгр/л растворимых веществ.

Преобладающие элементы химического  состава гидросферы: Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl^–, S, C.  Концентрация того или иного элемента в воде еще ничего не говорит о том, насколько он важен для растительных и животных организмов, обитающих в ней. В этом отношении ведущая роль принадлежит N, P, Si, которые усваиваются живыми организмами. Главной особенностью океанической воды является то, что основные ионы характеризуются постоянным соотношением во всем объеме мирового океана.

• Литосфера – внешняя твердая оболочка Земли, состоящая из осадочных и магматических пород. В настоящее время земной корой принято считать верхний слой твердого тела планеты, расположенный выше сейсмической границы Мохоровичича. Поверхностный слой литосферы, в котором осуществляется взаимодействие живой материи с минеральной (неорганической), представляет собой почву. Остатки организмов после разложения переходят в гумус (плодородную часть почвы). Составными частями почвы служат минералы, органические вещества, живые организмы, вода, газы.

Преобладающие элементы химического  состава литосферы: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K. 

Ведущую роль выполняет кислород, на долю которого приходится половина массы земной коры и 92% ее объема, однако кислород прочно связан с другими элементами в главных породообразующих минералах. Т.о. в количественном отношении земная кора – это “царство” кислорода, химически связанного в ходе геологического развития земной коры.

Постепенно идея о тесной взаимосвязи между живой и неживой природой, об обратном воздействии живых организмов и их систем на окружающие их физические, химические и геологические факторы все настойчивее проникала в сознание ученых и находила реализацию в их конкретных исследованиях. ¹Этому способствовали и перемены, произошедшие в общем подходе естествоиспытателей к изучению природы. Они все больше убеждались в том, что обособленное исследование явлений и процессов природы с позиций отдельных научных дисциплин оказывается неадекватным. Поэтому на рубеже ХIХ – ХХ вв. в науку все шире проникают идеи холистического, или целостного, подхода к изучению природы, которые в наше время сформировались в системный метод ее изучения.

Результаты такого подхода незамедлительно  сказались при исследовании общих проблем воздействия биотических, или живых, факторов на абиотические, или физические, условия. Так, оказалось, например, что состав морской воды во многом определяется активностью морских организмов. Растения, живущие на песчаной почве, значительно изменяют ее структуру. Живые организмы контролируют даже состав нашей атмосферы. Число подобных примеров легко увеличить, и все они свидетельствуют о наличии обратной связи между живой и неживой природой, в результате которой живое вещество в значительной мере меняет лик нашей Земли. Таким образом, биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы, от которой она, с одной стороны зависит, а с другой – сама воздействует на нее. Поэтому перед естествоиспытателями возникает задача – конкретно исследовать, каким образом и в какой мере живое вещество влияет на физико-химические и геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в земной коре. Только подобный подход может дать ясное и глубокое представление о концепции биосферы. Такую задачу как раз и поставил перед собой выдающийся российский ученый Владимир Иванович Вернадский (1863 – 1945).

2.  В.И.Вернадский о биосфере  и “живом веществе”.

Центральным в этой концепции является понятие о живом веществе, которое  В.И.Вернадский определяет как совокупность живых организмов. Кроме растений и животных, В.И.Вернадский включает сюда и человечество, влияние которого на геохимические процессы отличается от воздействия остальных живых существ, во-первых, своей интенсивностью, увеличивающейся с ходом геологического времени; во-вторых, тем воздействием, какое деятельность людей оказывает на остальное живое вещество.

Это воздействие сказывается, прежде всего, в создании многочисленных новых видов культурных растений и домашних животных. Такие виды не существовали раньше и без помощи человека либо погибают, либо превращаются в дикие породы. Поэтому Вернадский рассматривает геохимическую работу живого вещества в неразрывной связи животного, растительного царства и культурного человечества как работу единого целого.

Поскольку живое вещество является определяющим компонентом биосферы, постольку можно утверждать, что  оно может существовать и развиваться  только в рамках целостной системы  биосферы. Не случайно поэтому В.И.Вернадский считает, что живые организмы  являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей.

             Исходной основой существования биосферы и происходящих в ней биогеохимических процессов является астрономическое положение нашей планеты и в первую очередь ее расстояние от Солнца и наклон земной оси к эклиптике, или к плоскости земной орбиты. Это пространственное расположение Земли определяет в основном климат на планете, а последний в свою очередь – жизненные циклы всех существующих на ней организмов. Солнце является основным источником энергии биосферы и регулятором всех геологических, химических и биологических процессов на нашей планете.

В.И.Вернадский высказывает предположение, что живое вещество, возможно, имеет и свой процесс эволюции, проявляющийся в изменении с ходом геологического времени, вне зависимости от изменения среды.

Для подтверждения своей мысли  он ссылается на непрерывный рост центральной нервной системы  животных и ее значение в биосфере, а также на особую организованность самой биосферы. По его мнению, в упрощенной модели эту организованность можно выразить так, что ни одна из точек биосферы "не попадает в то же место, в ту же точку биосферы, в какой когда-нибудь была раньше”. В современных терминах это явление можно описать как необратимость изменений, которые присущи любому процессу эволюции и развития.

Поскольку эволюция и возникновение  новых видов предполагают существование  своего начала, постольку закономерно  возникает вопрос: а есть ли такое начало у жизни? Если есть, то где его искать – на Земле или в Космосе? Может ли возникнуть живое из неживого?

Во всяком случае нельзя не считаться  со взглядами тех натуралистов и  философов, которые защищали тезис  о возникновении живой материи  из неживой, а в настоящее время даже выдвигают достаточно обоснованные гипотезы и модели происхождения жизни.

Предположения относительно абиогенного, или неорганического, происхождении  жизни делались неоднократно еще  в античную эпоху, например, Аристотелем, который допускал возможность возникновения мелких организмов из неорганического вещества. С возникновением экспериментального естествознания и появлением таких наук, как геология, палеонтология и биология, такая точка зрения подверглась критике как не обоснованная эмпирическими фактами. Еще во второй половине XVII в. широкое распространение получил принцип, провозглашенный известным флорентийским врачом и натуралистом Ф.Реди, что все живое возникает из живого. Утверждению этого принципа содействовали исследования знаменитого английского физиолога Уильяма Гарвея (1578 – 1657), который считал, что всякое животное происходит из яйца, хотя он и допускал возможность возникновения жизни абиогенным путем.

В дальнейшем, по мере проникновения  физико-химических методов в биологические исследования снова и все настойчивее стали выдвигаться гипотезы об абиогенном происхождении жизни. Выше мы уже говорили о химической эволюции как предпосылке возникновения предбиотической, или предбиологической, стадии возникновения жизни. С указанными результатами не мог не считаться В.И. Вернадский, и поэтому его взгляды по этим вопросам не оставались неизменными, но, опираясь на почву точно установленных фактов, он не допускал ни божественного вмешательства, ни земного происхождения жизни. Он перенес возникновение жизни за пределы Земли, а также допускал возможность ее появлении в биосфере при определенных условиях. Он писал: “Принцип Реди... не указывает на невозможность абиогенеза вне биосферы или при установлении наличия в биосфере (теперь или раньше) физико-химических явлений, не принятых при научном определении этой формы организованности земной оболочки.”

Несмотря на некоторые противоречия, учение Вернадского о биосфере представляет собой новый крупный шаг в  понимании не только живой природы, но и ее неразрывной связи с исторической деятельностью человечества.

3. Первичная продукция и факторы среды

Вся жизнь на Земле, ее прогресс и  эволюция полностью зависят от масштабов фотосинтетической деятельности растительных организмов — от первичной продукции. Общая интенсивность фотосинтеза растений представляет собой первичную валовую продукцию. Часть запасенной в первичной валовой продукции энергии растения тратят в процессе дыхания на передвижение веществ, создание новых органов и тканей, поглощение элементов минерального питания и на поддержание других жизненных функций. Валовая первичная продукция за вычетом веществ (энергии), потраченных на дыхание растений-продуцентов, представляет собой чистую первичную продукцию.² Последняя выражается в количестве созданной за определенное время биомассы (представленной в виде сухого вещества) растениями, занимающими определенную площадь поверхности Земли. Обычно употребляют такие величины, как т/га в год, г/м² в суткп, г/м² в год. Иногда первичная продукция выражается в количестве усвоенного растениями углерода или количестве запасенной энергии. Первичную продукцию фитопланктона в некоторых случаях рассчитывают на литры или кубометры воды в единицу времени.

Первичная продукция зависит от многих факторов внешней среды. Если значение хотя бы одного из них существенно отличается от оптимума, продукция резко снижается. К важнейшим факторам относятся солнечный свет, углекислота, вода, температура почвы и воздуха, наличие необходимых для жизнедеятельности растений солей азота, фосфора, калия и некоторых других минеральных веществ.

Первостепенное значение для фотосинтетических  процессов, происходящих в биосфере, а следовательно, и для первичной (валовой и чистой) продукции имеют  количество световой энергии, падающее на зеленый лист, и качественный (спектральный) состав радиации.

Солнце излучает радиацию практически  во всем интервале длин волн, однако основное излучение приходится на коротковолновую  область от 300 до 700 нм. Общее количество солнечной энергии, которое наша планета получает в течение года, составляет 558-10¹⁹ кдж (134-10¹⁹ икал). Из этого количества энергии 37% отражается в мировое пространство, а 63% поглощается атмосферой и поверхностью Земли, обусловливая большой круг планетарных процессов: движение атмосферы и океанских вод, испарение воды, фотосинтез и т. д.

Поток солнечной радиации, достигающий  поверхности Земли, изменчив как  по количеству приносимой энергии, так  и по качественному составу. Земная атмосфера «фильтрует» солнечный свет, значительно изменяя его спектральный состав. Большую часть губительной для живых организмов ультрафиолетовой радиации задерживает слой озона атмосферы. Значительное количество инфракрасной (тепловой) радиации поглощается углекислым газом, содержащимся в атмосфере. Кроме того, часть солнечной энергии поглощается водяными парами, азотом, кислородом, пылью и аэрозолями. В конечном итоге только половина солнечной радиации, поступающей на внешнюю границу атмосферы, достигает поверхности Земли. Количество солнечной энергии, поступающей ва земную поверхность, варьирует от 290 кдж/см² (70 ккал/см²) в год в полярных районах до 917 кдж/см² (220 ккал/см²) в год в субтропических и тропических пустынях.