Биосфера

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение

Глава 1. Понятие о биосфере 3

1.1. Границы биосферы 4

1.2. Состав и свойства  биосферы 6

Глава 2. Живое вещество биосферы 9

2.1. Свойства живого вещества 9

2.2. Функции живого вещества 11

Глава 3. Геохимические циклы, круговороты кислорода, углекислого  газа, азота 13

3.1. Круговорот углекислого  газа 14

3.2. Круговорот азота 17

3.3 Круговорот кислорода  и водорода 20

Глава 4. Глобальные проблемы компонентов биосферы

Заключение

Литература

Глава 1. Понятие  о биосфере

 

Это дом, созданный на Земле  жизнью и для жизни

Б. Колилонера

Впервые понятие биосфера, как «область жизни», было введено  в науку Ж.Б. Ламарном в начале 19 века, а в геологию Э. Зюссом в 1875 г. Он понимал под этим термином совокупность всех организмов. Это определение близко к современному понятию биота.

Вернадский пошел значительно  дальше. Его «биосфера не есть только так называемая область жизни». Это  единство живого и косного вещества планеты. Но не только. Это еще и  связь с космосом, с космическими излучениями, принимаемыми нашей планетой, строящими ее биосферу.

Биосфера составляет верхнюю  оболочку или геосферу, одной из больших концентрических областей нашей планеты Земли.

Если с понятием «биосферы» по Зюссу связывалось только наличие  в трех сферах земной оболочки (твердой, жидкой, газообразной) живых организмов, то по В.И. Вернадскому, им отводится  роль главнейшей геохимической силы.

В таком случае под понятием биосферы понимается все пространство, где существует или когда-либо существовала жизнь, то есть, где встречаются живые  организмы или продукты их жизнедеятельности.

Биосфера охватывает часть  атмосферы, верхнюю часть литосферы  и гидросферу. Верхняя граница  биосферы проходит на высоте примерно 20 км над поверхностью Земли, а нижняя на 6-7-километровой глубине. Биосфера принципиально  отличается от прочих земных оболочек поскольку является «комплексной». Она не только «покров» из живого вещества, но и среда обитания миллионов видов живых существ, в том числе и человека.

Вернадский не только сконкретизировал и очертил границы жизни в биосфере, роль живых организмов в процессах планетарного масштаба. Он показал, что в природе нет более мощной геологической средообразующей) силы, чем живые организмы и продукты их жизнедеятельности. Ту часть биосферы, где живые организмы встречаются в настоящее время обычно называют современной биосферой, или необиосферой, а древние биосферы относят к палеобиосферам, или к белым биосферам.

 

1.1. Границы биосферы

 

Биосфера в атмосфере  простирается примерно д озонового  экрана (у полюсов – 8-10 км, у экватора – 17-18 км, над остальными территориями – 20-25 км).

Гидросфера практически  вся, в том числе и самая  глубокая впадина (Марианская) Мирового океана (11022 м) занята жизнью. К необиосфере следует относить также и донные отложения, где возможно существование живых организмов.

В литосферу жизнь проникает  на несколько километров, но в основном ограничивается почвенным слоем, но по отдельным трещинам и пещерам  она распространяется на сотни метров.

Границы палеобиосферы в атмосфере примерно совпадают с необиосферой, под водами к палеобиосфере следует относить и осадочные породы, которые практически полностью претерпели переработку живыми организмами. Это толща от сотен метров до десятков километров. Это применимо и к литосфере, пережившей водную стадию функционирования.

Таким образом, границы биосферы определяются наличием живых организмов или «следами» их жизнедеятельности.

Живое вещество образовало ничтожно тонкий слой в общей массе геосфер  Земли. Его масса составляет 2420 млрд. тонн, что более чем в 2 тысячи раз меньше массы самой легкой оболочки Земли – атмосферы. Но эта  ничтожная масса живого вещества встречается практически повсюду  – в настоящее время живые  существа отсутствуют лишь в областях обширного оледенения и в кратерах действующих вулканов.

«Всюдность жизни» в биосфере обязана потенциальным возможностям и масштабу приспомобляемости организмов, которые постепенно, захватив моря и океаны, вышли на сушу и захватили ее. В.И. Вернадский считал, что этот захват продолжается.

На рис. 4. наглядно показаны границы биосферы от высот атмосферы, где царят холод и низкое давление, до глубин океана, где давление достигает 12 тысяч атмосфер. Это стало возможным, потому что пределы толерантности  температур у различных организмов – от абсолютного 0 до +180°С, а некоторые бактерии могут существовать в вакууме. Широк диапазон химических условий среды для ряда организмов – от жизни в уксусе до жизни под действием ионизирующей радиации (бактерии в котлах ядерных реакторов). Более того, выносливость некоторых живых существ по отношению к отдельным факторам выходит даже за пределы биосферы, то есть у них есть еще определенный «запас прочности» и потенциальные возможности к распространению. Однако все организмы выживают еще и потому, что везде, где бы ни было их место обитания, существует биогенный ток атомов. Этот ток не смог бы иметь места, во всяком случае, в наземных условиях, если бы не было почвы.

В целом экологический  диапазон распространения живого вещества очень велик.

1. В 1977 г. в океане на глубине нескольких километров были обнаружены горячие вулканические зоны, в которых при температуре 350°С существуют многочисленные термофильные бактерии.
2. В экспериментах американского исследователя Камерона сине-зеленые водоросли на протяжении нескольких месяцев не теряли жизнеспособности в условиях, которые соответствовали марианским.
3. Живое вещество не гибнет в жидком азоте.
4. Некоторые виды, например, те же сине-зеленые водоросли, не гибнут под действием мощного ионищирующего излучения и поселяются в эпицентре ядерного взрыва уже после нескольких дней его действия.
5. Живое вещество может сохраняться даже в условиях открытого космоса. Так, третья экспедиция американских астронавтов забыла на Луне телекамеру. Когда через полгода ее возвратили на Землю, на внутренней стороне крышки были обнаружены земные бактерии, которые без каких-либо вредных последствий пережили длительное нахождение за пределами родной планеты.

 

1.2. Состав и  свойства биосферы

 

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

Абиотическая часть представлена:

1. Почвой и подстилающими ее породами до глубины, где еще есть живые организмы, вступающие в обмен с веществом этих пород и физической средой порового пространства.
2. Атмосферным воздухом до высот, на которых возможны еще проявления жизни.
3. Водной средой – океаны, реки, озера и т.п.

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

В основе биогенной миграции атомов в биосфере лежат два биохимических  принципа:

6. стремиться к максимальному проявлению, к «всюдности» жизни;
7. обеспечить выживание организмов, что увеличивает саму биогенную миграцию.

Эти закономерности проявляются прежде всего в стремлении живых организмов «захватить» все мало-мальски приспособленные к их жизни пространства, создавала экосистему или ее часть. Но любая экосистема имеет границы, имеет свои границы в планетарном масштабе и биосфера.

При общем рассмотрении биосферы, как планетарной экосистемы, особое значение приобретает представление  о ее живом веществе, как о некой  общей живой массе планеты.

Под живым веществом В.И. Вернадский понимает все количество живых организмов планеты как  единое целое.

Его химический состав подтверждает единство природы – он состоит  из тех же элементов, что и неживая  природа, только соотношение этих элементов  различное и строение молекул  иное.

Свойства биосферы

Биосфере, как и составляющим ее другим экосистемам более низкого ранга, присуща система свойств, которые обеспечивают ее функционирование, саморегулирование, устойчивость и другие параметры. Рассмотрим основные из них.

1. Биосфера – централизованная система.

Центральным звеном ее выступают  живые организмы (живое вещество).

2. Биосфера – открытая система. Ее существование немыслимо без поступления энергии из вне.

Она испытывает воздействие  космических сил, прежде всего солнечной  активности.

3. Биосфера – саморегулирующаяся  система, для которой, как отмечал  Вернадский, характерна организованность. В настоящее время это свойство  называется гомеостазом, понимая  под ним способность возвращаться в исходное состояние, гасить возникающие возмущения включением ряда механизмов. Биосфера за свою историю пережила ряд таких возмущений, справляясь о *** (извержение вулканов, встречи с астероидами, землетрясения, горообразование и т.п.), благодаря действию гомеостатических механизмов и, в частности, принципа Ле-Гиателье-Брауна при действии на систему сил, выводящих ее из состояния устойчивого равновесия, последнее смещается в том направлении, при котором эффект этого воздействия ослабляется.

Опасность современной экологической  ситуации связана прежде всего с тем, что нарушается линия механического гомеостаза и принцип Ле-Гиателье-Брауна, если не в планетарных, то в крупных региональных масштабах. Результат – распад экосистем, либо появление неустойчивых, практически лишенных свойств гомеостаза систем типа агроценоза или урбанизированных комплексов.

4. Биосфера – система,  характеризующаяся большим разнообразием.

Разнообразие – важнейшее  свойство всех экосистем. Биосфера как  глобальная экосистема, характеризующаяся  максимальным среди других систем разнообразием. Разнообразие рассматривается как  основное условие устойчивости любой  экосистемы и биосферы в целом. Это  условие так универсально, что  сформировалось в качестве закона.

5. Важнейшее свойство биосферы  – наличие в ней механизмов, обеспечивающих круговорот вещества  и связанного с ним неисчерпаемость  отдельных химических элементов  и их соединений.

Глава 2. Живое вещество биосферы

 

«На земной поверхности нет  химической силы, могущественней по своим  конечным последствиям, чем живые  организмы, взятые в целом».

Что принципиально отличает нашу планету от какой-либо другой планеты  Солнечной системы? Наявность жизни. «Если бы на Земле не было жизни, лицо ее было бы точно также неизменным и химическим инертным, как недвижимое лицо Луны, как инертные обломки небесных светил».

Живое вещество биосферы есть совокупность всех ее живых организмов. Как ученый В.И. Вернадский понимает, что объект его исследований требует  некоторых характеристик, а поэтому  отмечает: «Я буду называть совокупность организмов, сведенных к массе, химического  состава и энергии, живым веществом». Живое вещество в его понимании  – это форма активной материи, и ее энергия тем больше, чем  больше масса живого вещества. Понятие  «живое вещество» ввел в науку  В.И. Вернадский и понимал над  ним совокупность всех живых организмов планеты.

Какие же свойства живого вещества?

 

1. Свойства живого вещества

 

1. Живое вещество биосферы характеризуется огромной свободной энергией, которую можно было бы сравнить разве что с огненным потоком лавы, но энергия лавы не долговременна.
2. В живом веществе, благодаря присутствию ферментов, химические реакции происходят в тысячи, а иногда и в миллионы раз быстрее, чем в неживой. Для жизненных процессов характерно то, что полученные организмом вещества и энергия перерабатываются и отдаются в значительно больших количествах. Например, масса насекомых, которых съедает синица за день, равна ее собственной массе, а некоторые гусеницы употребляют и перерабатывают за сутки в 200 раз больше еды, чем весят сами.
3. Индивидуальные химические элементы (белки, ферменты, а иногда и отдельные минеральные соединения синтезируются только в живых организмах).
4. Живое вещество стремится заполнить собой все возможное пространство. В.И. Вернадский называет две специфические формы движения живого вещества:

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

б) активную, которая осуществляется за счет направленного движения организмов (меньшей мерой характера для растений).

5. Живое вещество проявляет значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. В природе известно более 2 млн. органических соединений, которые входят в состав живого вещества, тогда когда количество минералов неживого вещества составляет около 2 тыс., то есть на три порядка ниже.
6. Живое вещество представлено дисперсными телами – индивидуальными организмами, каждый из которых имеет свой собственный генезис, свой генетический состав. размеры индивидуальных организмов колеблется от 2 нм у наименьших до 100 м (диапазон более 109). Крупнейшими из растений считаются секвойи, а из животных – киты. По мнению Вернадского, минимальные и максимальные размеры организмов определяются граничными возможностями их газового обмена со средой.
7. Будучи дисперсным, живое вещество никогда не попадается на Земле в морфологически чистой форме, например в виде популяционного вида. Она может существовать только в виде биоценоза: «… даже простенький биоценоз какого-то сухого соснячка на песочке есть группировка, которая состоит приблизительно из тысячи видов живых организмов».
8. Принцип Реди (флорентийский академик, врач и натуралист, 1626-1697: «все живое из живого» - является отличительной особенностью живого вещества, которое существует на Земле в форме беспрерывного чередования поколений и характеризуется генетической связью с живым веществом всех прошлых геологических эпох. Неживые абиогенные вещества, как известно, поступают в биосферу из космоса, ним же выносятся порциями из оболочки земного шара. Они могут быть аналогичными по составу, но генетической связи в общем случае у них нет. «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» [8].
9. Живое вещество в лице конкретных организмов, в отличие от неживого, осуществляет на протяжении своей исторической жизни грандиозную работу. По сути, только биогенные вещества метабиосферы – это интеграл массы живого вещества, тогда как масса неживого вещества земного происхождения является величиной постоянной в геологической истории: 1 г архейского гранита и сегодня остается 1 г того же вещества, а та же масса живого вещества, то есть 1 г, на протяжении миллиардов лет существовала за счет изменения поколений и все это время выполняла геологическую работу.