Лекция 8.. БИОСФЕРА

Лекция 8.

БИОСФЕРА

Учение В.И. Вернадского о биосфере

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, уже в качестве термина - австрийским ученым Э. Зюссом (1875). Заслуга в разработке стройного, целостного научного учения о биосфере, как «области жизни», принадлежит академику В.И. Вернадскому (1863-1945). Под биосферой он понимал область существования живого вещества. Он назвал биосферой оболочку Земли, в формировании которой живые организмы играли и играют основную роль. «Жизнь захватывает значительную часть атомов, составляющих материю земной поверхности, - писал В.И. Вернадский. - Под ее влиянием эти атомы находятся в непрерывном, интенсивном движении. Из них все время создаются миллионы разнообразнейших соединений. И этот процесс длится без перерыва десятки миллионов лет, от древнейших археозойских эр до нашего времени. На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом».

Таким образом, живым организмам Вернадский отводил рольглавнейшей преобразующей силы. При этом в понятие биосферы включается преобразующая деятельность организмов не только в границах распространения жизни в настоящее время (современная биосфера, или необиосфера), но и в прошлом (былые биосферы, или палеобиосферы). В таком случае под биосферой понимается все пространство (оболочка Земли), где существует либо когда-то существовала жизнь, т.е. где встречаются живые организмы или продукты их жизнедеятельности.

Современная биосфера представляет собой сложную систему, состоящую из многих компонентов, которые включают всю живую и неживую (среду обитания) природу. Она охватывает часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы, взаимосвязанные биогеохимическими циклами миграции веществ и энергии.

Границы биосферы. Верхняя граница биосферы в атмосфере определяется высотой 20-25 км - слоем озона; озоновый экран защищает все живое на Земле от ультрафиолетового излучения Солнца. Споры некоторых бактерий и плесневых грибов были обнаружены на высоте до 22 км.

В гидросфере границы доходят до максимальных глубин, жизнь встречается на дне океанических впадин, до 10-11 км от поверхности, где температура около 0°С.

В литосфере жизнь ограничивается прежде всего, температурой горных пород, постоянно возрастающей с глубиной. В породах земной коры бактерии были обнаружены на глубине 4 км.

В пределах биосферы выделяетсябиогеосфера («пленка жизни», «слой сгущения жизни», «биогеоценотический покров») - своеобразная оболочка земного шара, где сконцентрировано живое вещество планеты. В отличие от биосферы биогеосфера - это только область высокой концентрации живого вещества и располагается она на границе поверхности земной коры с атмосферой и в верхней части водной оболочки, занимая слой толщиной от нескольких метров (тундра, степь, пустыня) до сотен метров (леса, моря).

В основу учения Вернадского о биосфере положено представление о планетарной геохимической роли живого вещества в образовании биосферы как продукта длительного превращения веществ и энергии в ходе геологического развития Земли. В пределах биосферы везде встречается либо само живое вещество, либо следы его деятельности: газы атмосферы; природная вода; запасы нефти, угля, известняка, глины, сланцы, торф и т.д.

До трудов Вернадского в геологических явлениях и эволюции верхних слоев литосферы (земной коры) первенство отводилось физико-химическим процессам выветривания. В.И. Вернадский показал первостепенную преобразующую роль живых организмов и обусловливаемых ими механизмов разрушения горных пород, круговорота веществ, изменения водной и атмосферной оболочек Земли.

Структура биосферы. Функции и свойства живого вещества

В.И. Вернадский считал, что вещество биосферы состоит из семи глубоко разнородных частей, но геологически не случайных: живое вещество, биогенное, косное, биокосное, вещество в радиоактивном распаде, вещество рассеянных атомов и вещество космического происхождения. Наиболее важными являются первые четыре.

Живое вещество. Этот термин введен в литературу В.И. Вернадским. Под ним он понимал совокупность всех живых организмов, выраженную через массу, энергию и химический состав.

Биогенное вещество (уголь, нефть, известняки, торф, сланцы и др.) - органические и органоминеральные вещества, созданные живыми организмами на протяжении геологической истории Земли и являющиеся источником чрезвычайно мощной энергии.

Косное вещество представляет субстрат или среду обитания живых организмов, хотя образовано процессами, в которых живое вещество не принимало участия.

Биокосное вещество образовано в результате синтеза живого и неживого (косного) вещества (кора выветривания, почвы, илы, природные воды, осадочные породы и другие). Соотношение живого и косного в биокосном веществе варьирует. Например, почва в среднем состоит из 93% косных и 7% органических веществ.

Живое вещество - основа биосферы, хотя и составляет крайне незначительную ее часть (0,01% от массы всей биосферы). По Вернадскому, живое вещество - это совокупность существующих (или существовавших в определенный отрезок времени) живых организмов, являющихся мощным геологическим фактором. Живое вещество биосферы химически и геологически является чрезвычайно активным. Различают пять основных функций живого вещества на нашей планете.

1. Энергетическая функция заключается в осуществлении связи биосферно-планетарных явлений с космическим излучением, с солнечной радиацией. В основе этой функции лежит фотосинтез зеленых растений, в процессе которого происходит аккумуляция солнечной энергии и перераспределение ее между отдельными компонентами биосферы. За счет накопленной солнечной энергии протекают все жизненные явления на Земле.

2. Газовая функция обусловливает миграцию газов и их превращение, обеспечивает газовый состав атмосферы. Преобладающая масса газов на Земле имеет биогенное происхождение. В процессе функционирования живого вещества, создаются основные газы: азот, кислород, углекислый газ, сероводород, метан и другие. С газовой функцией связывают два переломных периода в развитии биосферы. Первый из них относится ко времени, когда содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 1% от современного уровня (первая точка Пастера), что произошло около 1,2 млрд лет назад. Это обусловило появление первых аэробных организмов. С этого времени восстановительные процессы дополнились окислительными. Второй переломный период связывают со временем, когда концентрация кислорода достигла примерно 10% от современной (вторая точка Пастера), что создало условия для синтеза озона и образования озонового слоя в атмосфере. Это обусловило выход организмов из воды на сушу. До этого времени функцию защиты организмов от губительных ультрафиолетовых лучей выполняла вода.

3. Окислительно-восстановительная функция связана с интенсификацией под влиянием живого вещества процессов окисления (благодаря обогащению среды кислородом) и восстановления, - когда идет разложение органических веществ при дефиците кислорода, что сопровождается образованием и накоплением сероводорода.

4. Концентрационная функция проявляется в способности организмов концентрировать в своем теле рассеянные химические элементы, повышая их содержание по сравнению с окружающей средой на несколько порядков. Состав живого вещества существенно отличается от состава косного вещества планеты. В нем преобладают легкие атомы водорода, углерода, кислорода, натрия, магния, серы, хлора, калия, фосфора, кальция. Концентрация этих элементов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде. Этим объясняется неоднородность химического состава биосферы. Результат концентрационной деятельности - залежи торфа, углей, известняков, мела, рудные месторождения и другие.

5. Деструкционная функция обусловливает процессы, связанные с разложением органических веществ после смерти, вследствие чего происходит минерализация органического вещества, т.е. превращение живого вещества в косное. В результате образуются также биогенное и биокосное вещества биосферы. Основной механизм этой функции связан с круговоротом веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют низшие формы жизни - грибы, бактерии (деструкторы, редуценты).

Биологический и геологический круговороты

Все вещества на планете находятся в процессе круговорота. Солнечная энергия вызывает на Земле два круговорота веществ: большой (геологический, биосферный) и малый (биологический).

Большой круговорот веществ в биосфере характеризуется двумя важными моментами: он осуществляется на протяжении всего геологического развития Земли и представляет собой современный планетарный процесс, принимающий ведущее участие в дальнейшем развитии биосферы.

Геологический круговорот связан с образованием и разрушением горных пород и последующим перемещением продуктов разрушения - обломочного материала и химических элементов. Значительную роль в этих процессах играли и продолжают играть термические свойства поверхности суши и воды: поглощение и отражение солнечных лучей, теплопроводность и теплоемкость. Неустойчивый гидротермический режим поверхности Земли вместе с планетарной системой циркуляции атмосферы обусловливал геологический круговорот веществ, который на начальном этапе развития Земли, наряду с эндогенными процессами, был связан с формированием континентов, океанов и современных геосфер. Со становлением биосферы в большой круговорот включились продукты жизнедеятельности организмов. Геологический круговорот поставляет живым организмам элементы питания и во многом определяет условия их существования.

Главные химические элементы литосферы: кислород, кремний, алюминий, железо, магний, натрий, калий и другие - участвуют в большом круговороте, проходя от глубинных частей верхней мантии до поверхности литосферы. Магматическая порода, возникшая при кристаллизации магмы, поступив на поверхность литосферы из глубин Земли, подвергается разложению, выветриванию в области биосферы. Продукты выветривания переходят в подвижное состояние, сносятся водами, ветром в пониженные места рельефа, попадают в реки, океан и образуют мощные толщи осадочных пород, которые со временем, погружаясь на глубину в областях с повышенной температурой и давлением, подвергаются метаморфозу, т. е. «переплавляются». При этой переплавке возникает новая метаморфическая порода, поступающая в верхние горизонты земной коры и вновь входящая в круговорот веществ (рис. 32).

Рис. 32. Геологический (большой) круговорот веществ

Наиболее интенсивному и быстрому круговороту подвергаются легкоподвижные вещества - газы и природные воды, составляющие атмосферу и гидросферу планеты. Значительно медленнее совершает круговорот материал литосферы. В целом каждый круговорот любого химического элемента является частью общего большого круговорота веществ на Земле, и все они тесно связаны между собой. Живое вещество биосферы в этом круговороте выполняет огромную работу по перераспределению химических элементов, беспрерывно циркулирующих в биосфере, переходя и.ч внешней среды в организмы и снова во внешнюю сроду.

Малый, или биологический, круговорот веществ– это циркуляция веществ между растениями, животными, грибами, микроорганизмами и почвой. Суть биологического круговорота заключается в протекании двух противоположных, но взаимосвязанных процессов - создания органических веществ и их разрушения. Начальный этап возникновения органических веществ обусловлен фотосинтезом зеленых растений, т. е. образованием живого вещества из углекислого газа, воды и простых минеральных соединений с использованием энергии Солнца. Растения (продуценты) извлекают из почвы в растворе молекулы серы, фосфора, кальция, калия, магния, марганца, кремния, алюминия, цинка, меди и других элементов. Растительноядные животные (консументы I порядка) поглощают соединения этих элементов уже в виде пищи растительного происхождения. Хищники (консументы II порядка) питаются растительноядными животными, потребляя пищу более сложного состава, включающую белки, жиры, аминокислоты и другие вещества. В процессе разрушения микроорганизмами (редуцентами) органических веществ отмерших растений и останков животных, в почву и водную среду поступают простые минеральные соединения, доступные для усвоения растениям, и начинается следующий виток биологического круговорота (рис. 33).

Рис. 33. Биологический круговорот веществ

Биогеохимические циклы

Обмен веществом и энергией, осуществляющийся между разными структурными частями биосферы и обусловленный жизнедеятельностью организмов, называетсябиогеохимическим циклом.Все биогеохимические циклы составляют современную динамическую основу существования жизни, они взаимосвязаны, и каждый из них играет свойственную ему роль в эволюции биосферы. Продолжительность циклов круговорота тех или иных веществ различна. Время, достаточное для полного оборота всего углекислого газа атмосферы через фотосинтез, составляет около 300 лет; кислорода атмосферы через фотосинтез – 2000-2500 лет; азота атмосферы через биологическую фиксацию, окисление электрическими разрядами - примерно 100 млн лет; воды через испарение - около 1 млн лет.

В большом и малом круговоротах участвуют множество химических элементов и их соединений. Но важнейшими из них являются круговороты биогенных элементов - кислорода, углерода, воды, азота, фосфора, серы. Большое значение имеют круговороты токсических элементов - ртути и свинца. Кроме того, из большого круговорота в биологический поступают многие вещества антропогенного происхождения (ДДТ, пестициды, радионуклиды и др.). Миграцию веществ в биохимических циклах можно рассмотреть на примере углерода (рис. 34).

Углерод содержится в основном в атмосфере в виде двуокиси углерода (CO₂). В состав органического вещества он включается в процессе фотосинтеза растений. Затем основная масса его поступает в пищевые цепи и накапливается в телах животных в виде различных углеводородных соединений. Для обеспечения процессов жизнедеятельности значительная часть органических веществ растений и животных разлагается в процессе дыхания с выделением CO₂ в атмосферу. Мертвое органическое вещество разлагается особой группой организмов (в основном микробами и грибами) до исходных минеральных веществ и углекислоты (СО₂), которая также возвращается в атмосферу. Некоторая часть углерода включается в большой, или геологический, круговорот между сушей и океаном. В последнем она также включается в круговорот, начинающийся с фотоситтаирующих организмов фитопланктона. Большая доля органического вещества и содержащегося в нем углерода, по выражению В.И. Вернадского, «ускользает» из круговорота и уходит в геологию (в ископаемое состояние) в виде угля, торфа, нефти и других горючих соединений. Другая часть таким же образом концентрируется в донных карбонатных отложениях океана. Этот углерод, как и углерод горючих ископаемых, в настоящее время в значительной мере высвобождается человеком, использующим эти вещества в качестве энергетических, строительных и других ресурсов.

Рис. 34. Схема круговорота углерода

Возникновение и развитие ноосферы

Эволюция органического мира на Земле прошланесколько этапов. Первый связан с возникновением биологического круговорота веществ в биосфере. Второй сопровождался формированием многоклеточных организмов, что усложнило циклическую структуру биосферы. Эти два этапа называютбиогенезом (от греч. bios - жизнь, genesis - происхождение). Третий этап связан с появлением человеческого общества, под влиянием которого в современных условиях происходит дальнейшая эволюция биосферы и превращение ее в сферу разума -ноосферу (от греч. noos - разум, sphaira - шар).

Ноосфера - новое состояние биосферы, когда разумная деятельность человека становится главным фактором, обусловливающим ее развитие.

Термин «ноосфера» был введен французскими учеными Э. Леруа и П.Т. де Шарденом в 1927 году. Они характеризовали ноосферу как особый, надбиосферный «мыслительный пласт», который «окутывает планету». В 30-40-е годы В.И. Вернадский углубил и развил учение о ноосфере. Он писал: «Ноосфера есть новое геологическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупной геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом, по сравнению с тем, что было раньше».

В.И. Вернадский понимал под ноосферой новый этап в развитии биосферы и призывал к разумному регулированию отношений человека и природы. Необходимые предпосылки для создания ноосферы:

1. Человечество стало единым целым. Сегодня событие, происшедшее в захолустном уголке любого континента или океана, отражается и имеет большие или малые последствия в ряде других мест, на всей поверхности Земли.

2. Преобразование средств связи и обмена информацией, обеспечивающих сегодня мгновенную ее передачу.

3. Реальное равенство людей - как необходимое условие ноосферы.

4. Рост общего уровня жизни, как условие реального равенства людей, а также возможность влияния народных масс на ход государственных и общественных дел.

5. Развитие энергетики, открытие и использование новых видов энергии, необходимых для подъема уровня жизни.

6. Исключение войн из жизни общества.

Создание этих предпосылок становится возможным в результате взрыва научной мысли в XX веке. Это обстоятельство соответственно приведет к трансформации биосферы в ноосферу. Становление ноосферы теснейшим образом связано с овладением всеми формами движения материи и созданием новых живых организмов с помощью методов и средств биотехнологии и генной инженерии. Идеи Вернадского сегодня широко обсуждают в научных кругах. Они становятся методологической основой для многих современных концепций и теорий, направленных на решение экологических проблем и сохранение человечества.

Биосфера существовала до появления на Земле человека, может существовать и без него. Но человек без биосферы существовать не может. Осознание глобальной экологической опасности, грозящей гибелью человечеству, заставило мировое сообщество искать новые пути выхода из создавшегося положения и привело к пониманию необходимости разработкиконцепции устойчивого развития. Концепция была принята на конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992), где была провозглашена необходимость перехода мирового сообщества на путь устойчивого развития, т. е. развития общества на базе экологически целесообразного природопользования, обеспечивающего высокое качество жизни для людей на протяжении ряда поколений.

Модель устойчивого развития предполагает:

1. Снижение материало- и энергоемкости производства, максимальное сокращение отходов, снижение оборота токсичных веществ и расширение использования возобновляемых ресурсов, включая источники энергии.

2. Переход к ценообразованию, учитывающему экологические критерии (цену ущерба окружающей среде) и стимулирующему использование новых, экономически безопасных ресурсо- и энергосберегающих технологий в сочетании с системой налогов и штрафов.

3. Содействие устойчивому ведению сельского хозяйства и развитию сельских районов через повышение продуктивности сельскохозяйственных культур, улучшение питательных свойств растительной и животной продукции, использование комплексных методов борьбы с вредителями сельского хозяйства и т.д.

4. Передачу индустриально развитыми странами передовых технологий развивающимся странам, в частности, новых технологий, созданных на основе генетических материалов, полученных из развивающихся стран.

5. Создание международных институтов, способных определить единую глобальную линию устойчивого развития, устанавливать единые для всех стран экологические стандарты, аккумулировать и перераспределять ресурсы в интересах всего сообщества, контролировать соблюдение всеми государствами единых правил экологического поведения.