Лекция 6 УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ

 Лекция 6

УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ

1. Границы биосферы

Впервые понятие «биосфера» (от греч. bios - жизнь и sphaira - шар) введено в био­логию французским натуралистом Ж.-Б. Ламарком в Париже в начале XIX столетия, а затем в геологию австрийским ученым Э. Зюссом в конце XIX в. Заслуга в разработке стройного, целостного учения о биосфере как «области жизни» принадлежит академику В.И. Вернад­скому.

Биосфера по вертикали разделяется на две четко обособленные области: верхнюю, освещенную светом, - фотобиосферу, в которой происходит фотосинтез, и нижнюю, «темную», - меланобиосферу, в которой фотосинтез невозможен. На суше граница между ними проходит по поверхности Земли

Биосфера включает в себя:

• аэробиосферу - нижнюю часть атмосферы;

• гидробиосферу - всю гидросферу;

• литобиосферу - верхние горизонты литосферы (твердой земной оболочки).

В.И. Вернадский отмечал, что «пределы биосферы обусловлены, прежде всего, полем существования жизни». На развитие жизни, а, следовательно, и границы биосферы оказывают влияние многие факторы и, прежде всего, наличие кислорода, углекислого газа, воды в ее жидкой фазе. Ограничивают область распространения жизни и слишком высокие или низкие температуры. Элементы минерального питания также влияют на развитие жизни. К ограничивающему фактору можно отнести  и сверхсоленую среду (превышение концентрации солей в морской воде примерно в 10 раз). Лишены жизни подземные воды с концентрацией солей свыше 270 г/л. Верхняя граница теоретически определяется озоновым слоем. Для необиосферы - это нижняя граница озонового слоя (около 20 км), ослабляющего до приемлемого уровня губительное космическое ультрафиолетовое излучение, а для палеобиосферы - это верхняя граница  же слоя (около 60 км), ибо кислород в атмосфере Земли  есть результат преимущественно жизнедеятельности растительности (так же, как и другие газы в соответствующей мере). Практически же максимальная высота над уровнем моря, на которой может существовать живой организм, ограничена Уровнем, до которого сохраняются положительные температуры и могут жить хлорофиллосодержащие растения - продуценты (6200 м в Гималаях). Выше, до «линии снегов», обитают лишь пауки, ногохвостки и некоторые клещи, питающиеся зернами растительной пыльцы, спорами растений, микроорганизмами и другими органическими частицами, заносимыми ветром. Еще выше живые организмы могут попадаться лишь случайно. На высотах 7500-8000 м критически низкого для абсолютного большинства организмов значения достигает другой абиотический фактор - абсолютное атмосферное давление. Наиболее зависимы от величины давления птицы и летающие насекомые, преимущественно занимающие нижнюю зону (0-1000 м), хотя отдельные виды птиц (орлы, кондоры) могут постоянно жить и на высотах 4000-5000 м.

Вся толща Мирового океана по современным представлениям полностью занята жизнью. Нижняя граница существования активной жизни традиционно определяется дном океана 11022 м (максимальная глубина Марианской впадины) и глубиной литосферы, характеризующейся температурой 100°С (около 6000 м, по данным сверхглубокого бурения на Кольском полуострове). В основном жизнь в литосфере распространена лишь на несколько метров вглубь, ограничиваясь почвенным слоем. Однако по отдельным трещинам и пещерам она распространяется на сотни метров, достигая глубин 3000-4000 м. Возможно, пределы биосферы намного шире, так как в гидротермах дна океана на глубинах около 3000 м при температуре 250°С обнаружены организмы. Теоретически на глубинах 25000 м относительно уровня моря должна иметь место критическая температура 460°С, при которой при любом давлении вода существует только в виде пара, а следовательно, жизнь невозможна.

В планетарной биосфере выделяют континентальную и океаническую биосферы, которые отличаются геологическими, географическими, биологическими, физическими и другими условиями. Нижний предел распространения живого ограничивается дном океана (глубина около 11 км) или изотермой в 100°С в литосфере (по  данным сверхглубокого бурения на Кольском полуострове эта цифра составляет около 6 км). Фактически жизнь в литосфере прослеживается до глубины 3-4 км. Таким образом, вертикальная мощность океанической биосферы составляет 17 км, сухопутной до 12 км. Вверх, в атмосферу, биосфера простирается не выше наибольших плотностей озонового экрана, что составляет 22-24 км. Следовательно, предел протяженности биосферы на Земле выражается цифрой 33-35км, хотя теоретически он может быть более широким.

2. Состав биосферы

Вещественный состав биосферы также разнообразен. В.И. Вернадский включает в него семь глубоко разнородных, но геологически не случайных частей:

-         живое вещество;

-         биогенное вещество – рождаемое и перерабатываемое живыми организмами горючие ископаемые, известняки и т. д.);

-         косное вещество, образуемое без участия живых организмов (твердое, жидкое и газообразное);

-         биокосное вещество – косное вещество, преобразованное живыми организмами (вода, почва, кора выветривания, илы);

-         вещество радиоактивного распада (элементы и изотопы уранового, ториевого и актиноуранового ряда);

-         рассеянные атомы земного вещества и космических излучений;

-         вещество космического происхождения в форме метеоритов, космической  пыли и др.

В строении и морфологии биосферы исключительно важное значение  для развития живого вещества имеют следующие ее элементы (сверху вниз):

-         слой живого вещества, так называемая «пленка жизни»;

-         педосфера, или почвенный покров;

-         ландшафтно-экологические системы – функциональные системы, включающие живые организмы и среду их обитания;

-         кора выветривания, т. е. зона разрушения и преобразования  горных пород, их минерально-геохимических изменений в верхней части земной коры под воздействием различных факторов;

-         древняя биосфера (палеобиосфера) – комплекс горных пород, рельефа и других ландшафтных компонентов, залегающих ниже современной биосферы и погребенных под ее новейшими образованиями. Это горные породы, рудные и нерудные минералы, химические элементы, широко используемые в промышленности;

-         многочисленные минералы верхней части земной коры и биосферы: глины, известняки, бокситы и т. д.;

-         природные воды осадочной оболочки;

-         миллионы органических и органоминеральных соединений: уголь, графит, гумусовые вещества, нефть, природные газы;

-         минеральные ресурсы биосферы и земной коры, распространенные в форме свободных элементов: меди, серебра, золота, висмута, платины и т. д. Все они – главный источник сырья для металлургии, химической промышленности и многих других отраслей. Их добыча и использование в экономике растут год от года.

Из сказанного вытекает, что биосфера является результатом сложнейшего механизма геологического и  биологического развития косного и  биогенного вещества. С одной стороны, это среда жизни, а с другой – результат жизнедеятельности. Главная специфика современной биосферы – это четко направленные потоки энергии и биогенный (связанный с деятельностью живых существ) круговорот веществ.

Различают следующие ос­новные функции живого вещества на нашей планете:

Энергетическая функция заключается в осуществлении связи биосферно-планетарных явлений с космическим излучением, преимущественно с солнечной радиацией. В ее основе лежит фотосинтетическая деятельность зеленых растений, благодаря которой происходит Аккумуляция солнечной энергии и ее перераспределение между компонентами биосферы. За счет энергии Солнца, накопленной зелеными растениями, протекают все жизненные явления на Земле.

Солнечный свет для биосферы является рассеянной лучистой энергией электромагнитной природы. Почти 99% этой энергии, поступившей в биосферу, поглощается атмосферой, гидросферой и литосферой, а также участвует в вызванных ею физических и химических процессах (движение воздуха и воды, выветривание и др.) и только около 1% накапливается на первичном звене ее поглощения и передается потребителям уже в концентрированном виде. Первичным звеном поглощения солнечной лучистой энергии являются растения, которые преобразуют ее в концентрированную энергию химических связей, или энергию пищи. Без этого процесса накопления и передачи энергии живым веществом невозможно было бы развитие жизни на Земле и образование современной биосферы.

Газовая функция заключается в участии живых организмов в миграции газов и их превращениях. В зависимости от того, о каких газах идет речь, выделяется несколько газовых функций.

1. Кислородно-диоксидуглеродная – создание основной массы свободного кислорода на планете. Носителем данной функции является каждый зеленый организм. Выделение кислорода идет только при солнечном свете, ночью этот фотохимический  процесс сменяется выделением зелеными растениями углекислого газа.

2. Диоксидуглеродная, не зависимая от кислородной – образование биогенной угольной кислоты как следствие дыхания животных, грибов и бактерий. Значение функции возрастает в области подземной тропосферы, не имеющей кислорода.

3. Озонная и пероксидводородная – образование озона (и, возможно, пероксида водорода). Биогенный кислород, переходя в озон, предохраняет жизнь от разрушительного действия радиации Солнца. Выполнение этой функции вызвало образование защитного озонового экрана.

4. Азотная – создание основной массы свободного азота тропосферы за счет выделения его азотовыделяющими бактериями при разложении органического вещества. Реакция происходит в условиях, как суши, так и океана.

5. Углеводородная – осуществление превращений многих биогенных газов, роль которых в биосфере огромна. К их числу относятся, например, природный газ, терпены, содержащиеся в эфирных маслах, скипидаре и обусловливающие аромат цветов, запах хвойных.

Вследствие выполнения живым веществом газовых биогеохимических функций в течение геологического развития Земли сложились современный химический состав атмосферы с уникально высоким содержанием кислорода и низким содержанием углекислого газа, а также умеренные температурные условия. 

Окислительно-восстановительная функция живого вещества тесно связана с биогенной миграцией элементов и концентрированием веществ. Многие вещества в природе устойчивы и не подвергаются окислению при обычных условиях, например, молекулярный азот - один из важнейших биогенных элементов. Но живые клетки располагают настолько эффективными катализаторами - ферментами, что способны осуществлять многие окислительно-восстановительные реакции в миллионы раз быстрее, чем это может происходить в абиогенной среде.

Вследствие выполнения окислительно-восстановительных функций осуществляются химические превращения веществ, содержащих атомы с переменной валентностью. Окислительная функция выражается в окислении с участием бактерий и, возможно, грибов всех бедных кислородом соединений в почве, коре выветривания и гидросфере. Например, так образуются болотные железные руды, бурые железистые конкреции, ожелезненные горизонты.

Восстановительная функция противоположна по своей сути окислительной. Благодаря ей в результате деятельности анаэробных бактерий в нижней трети профиля заболоченных почв, практически лишенного кислорода, образуются оксидные формы железа. 

Концентрационная функция. Пропуская через свое тело большие объемы воздуха и природных растворов, живые организмы осуществляют биогенную миграцию и концентрирование химических элементов и их соединений. Это относится не только к биосинтезу органики, но и к таким явлениям, как строительство раковин и скелетов, образование коралловых островов, толщ осадочных известняков, месторождений серы, некоторых металлических руд, скоплений железо-марганцевых конкреций на дне океана и т.п.

Информационная функция живого вещества биосферы. Именно с появлением первых примитивных живых существ на планете появилась и активная («живая») информация, отличающаяся от той «мертвой» информации, которая является простым отражением структуры. Организмы оказались способными к получению информации путем соединения потока энергии с активной молекулярной структурой, играющей роль программы. Способность воспринимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию совершила опережающую эволюцию в природе и стала важнейшим экологическим системообразующим фактором. Суммарный запас генетической информации биоты биосферы оценивается в 10¹⁵ бит. А общая мощность потока молекулярной информации, связанной с обменом веществ и энергии во всех клетках глобальной биоты, достигает 10³⁶ бит/с.

Деструкционная функция обусловливает процессы, связанные с разложением организмов после их смерти. Происходит минерализация органического вещества или превращение живого вещества в косное, что приводит к образованию биогенного и биокосного вещества биосферы.

Перечисленные функции живого вещества биосферы обращены в основном к внешним факторам существования. Все вместе они составляют мощную средообразующую функцию. Работа растений обусловила современный состав атмосферы. От состава атмосферы зависит радиационный и тепловой режим на планете, спектральный состав достигающего поверхности Земли солнечного света. Растительный покров существенно определяет водный баланс, распределение влаги и климатические особенности больших пространств. Живые организмы играют ведущую роль в самоочищении воздуха, рек и озер, от них во многом зависит солевой состав природных вод и распределение химических веществ между сушей и океаном. Благодаря растениям, животным и микроорганизмам создается почва и поддерживается ее плодородие. Наконец, биота - главное богатство планеты и окружающей человека среды — одарила человека пищей, одеждой, множеством других вещей. Следует четко представлять, что окружающая нас среда - это не фиксированная физическая данность, а живое дыхание природы, каждое мгновение воссоздаваемое работой множества живых существ.