Биосфера

  Млекопитающие: крысы 2800 дикая свинья 37600 слон индийский 376000

  Жизнь на нашей планете существует в неклеточной  и клеточной формах.

  Неклеточная форма живого вещества представлена вирусами, которые лишены раздражимости  и собственного синтеза белка. Простейшие вирусы состоят лишь из белковой оболочки и молекулы ДНК или РНК, составляющей сердцевину вируса. Иногда вирусы выделяют в особое царство живой природы – 
Vira. Они могут размножаться только внутри определенных живых клеток. 
Вирусы повсеместно распространены в природе и являются угрозой для всего живого. Поселяясь в клетках живых организмов, они вызывают их смерть. 
Описано около 500 вирусов, поражающих теплокровных позвоночных, и около 300 вирусов, уничтожающих высшие растения. Более половины болезней человека обязаны своим развитием мельчайшим вирусам (они в 100 раз меньше бактерий). 
Это полиомиелит, оспа, грипп, инфекционный гепатит, желтая лихорадка и др.

  Клеточные формы жизни представлены прокариотами и эукариотами. К прокариотам  относятся различные бактерии. Эукариоты  – это все высшие животные и  растения, а также одноклеточные  и многоклеточные водоросли, грибы и простейшие.  

  ФУНКЦИИ ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА

  Понятие «живое вещество», как уже говорилось выше, введено В. И. 
Вернадским. По сравнению с другими веществами биосферы (биогенным, косным, биокосным, радиоактивным, рассеянными атомами и веществом космического происхождения) живое вещество играет наибольшую роль и выполняет ряд важнейших функций. В. И. Вернадский отмечал, что между косной, безжизненной частью биосферы, косными природными телами и живыми организмами, ее населяющими, идет непрерывный обмен энергией и веществом. Живое вещество в биосфере выполняет две основные функции: энергетическую и средообразующую.

  Энергетическая  функция. Чтобы биосфера могла существовать и развиваться, ей необходима энергия, собственных источников которой  она не имеет. Она может потреблять энергию только от внешних источников. Таким главным источником для  биосферы является Солнце. Энергетический вклад других поставщиков (внутреннее тепло Земли, энергия приливов, излучение  космоса) в функционирование биосферы по сравнению с Солнцем ничтожно мал 
(около 0,5% от всей энергии, поступающей в биосферу).

  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.

  Каждый  последующий этап развития жизни  сопровождался все более интенсивным  поглощением биосферой солнечной  энергии. Одновременно нарастала энергоемкость  жизнедеятельности организмов в  изменяющейся природной среде, и всегда накопление и передачу энергии осуществляло живое вещество.

  Энергия определяется как общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. Ее свойства описываются  следующими законами термодинамики. Первый – закон сохранения энергии –  гласит, что энергия может переходить из одной формы в другую, но она  не исчезает и не создается вновь. Второй – закон энтропии (от греч. entropia – поворот, превращение) – можно  сформулировать следующим образом: энергия любой системы стремится  к состоянию термодинамического равновесия или максимальной энтропии. Если температура какого-либо тела или поверхности, допустим, валуна или  участка суши, выше температуры воздуха, то данная система стремится к  равновесию. Валун или участок  суши будет отдавать тепло до тех  пор, пока его температура не сравняется с температурой воздушной среды. Энергия любого живого организма  также может быть рассеяна в тепловой форме. В конечном итоге достигается  состояние термодинамического равновесия, и дальнейшие энергетические процессы становятся невозможными. 
Чтобы не наступило состояние максимальной энтропии, организм или система должны постоянно извлекать энергию извне и стремиться к нарушению термодинамического равновесия. В противном случае происходит гибель организма, необратимая деградация системы.

  Современная биосфера образовалась в результате длительной эволюции под влиянием совокупности космических, геофизических и геохимических  факторов. 
Первоначальным источником всех процессов, протекавших на Земле, было 
Солнце, но главную роль в становлении и последующем развитии биосферы сыграл фотосинтез. Биологическая основа генезиса биосферы связана с появлением организмов, способных использовать внешний источник энергии, в данном случае энергию Солнца, для образования из простейших соединений органических веществ, необходимых для жизни.

  Под фотосинтезом понимается превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами при участии энергии света  и поглощающих свет пигментов (хлорофилл  и др.) простейших соединений (воды, углекислого газа и минеральных  элементов) в сложные органические вещества, необходимые для жизнедеятельности  всех организмов.

  Процесс протекает следующим образом. Фотон  солнечного света взаимодействует  с молекулой хлорофилла, содержащегося  в хлоропласте зеленого листа, в  результате чего высвобождается электрон одного из ее атомов. Этот электрон, перемещаясь  внутри хлоропласта, реагирует с  молекулой АДФ, которая, получив  достаточную дополнительную энергию, превращается в молекулу АТФ –  вещества, являющегося энергоносителем. 
Возбужденная молекула АТФ в живой клетке, содержащей воду и диоксид углерода, способствует образованию молекул сахара и кислорода, а сама при этом утрачивает часть энергии и превращается вновь в молекулу АДФ.

  В результате фотосинтеза растительность земного  шара ежегодно усваивает около 200 млрд. т углекислого газа и выделяет в атмосферу примерно 
145 млрд. т свободного кислорода, при этом образуется более 100 млрд. т органического вещества. Если бы не жизнедеятельность растений, исключительно активные молекулы кислорода вступили бы в различные химические реакции, и свободный кислород исчез бы из атмосферы примерно за 
10 тыс. лет. К сожалению, варварское сокращение человеком массивов зеленого покрова планеты являет реальную угрозу уничтожения современной биосферы.

  В процессе фотосинтеза одновременно с накоплением  органического вещества и продуцированием  кислорода растения поглощают часть  солнечной энергии и удерживают ее в биосфере. На фотосинтез используется около 1% солнечной энергии, падающей на Землю. Возможно, этот низкий показатель связан с малой концентрацией  углекислого газа в атмосфере  и гидросфере. 
Ежегодно фотосинтезирующие организмы суши и океана связывают около 3×10 в 18-й кДж солнечной энергии, что примерно в 10 раз больше той энергии, которая используется человечеством.

  В отличие  от зеленых растений некоторые группы бактерий синтезируют органическое вещество за счет не солнечной энергии, а энергии, выделяющейся в процессе реакций окисления серных и азотных  соединений. Этот процесс именуется  хемосинтезом. В накоплении органического  вещества в биосфере он, по сравнению  с фотосинтезом, играет ничтожно малую  роль.

  Синтезированные зелеными растениями и хемобактериями органические вещества (сахара, белки  и др.), последовательно переходя от одних организмов к другим в  процессе их питания, переносят заключенную  в них энергию. Растения поедают  растительноядные животные, которые  в свою очередь становятся жертвами хищников и т. д. Этот последовательный и упорядоченный поток энергии  является следствием энергетической функции живого вещества в биосфере.

  Средообразующая функция. Биосфера, согласно учению В. И. Вернадского, есть целостное единство, планетарная система, все элементы которой взаимосвязаны и взаимодействуют. В этой системе центральную роль играет живое вещество, поскольку с ним генетически связаны и образованы из него все структурные части биосферы благодаря прошлой или настоящей деятельности живых организмов. Окружающая живое вещество физико-химическая среда изменена вследствие его функционирования до такой степени, что биотические и абиотические процессы оказались неразделимыми. В результате их взаимовлияния живые организмы преобразуют среду своего обитания или поддерживают ее в таком состоянии, которое удовлетворяет условиям их существования. Выполняя средообразующие функции, живые организмы контролируют состояние окружающей среды.

  Средообразующая роль живого вещества в биосфере имеет, по В. И. 
Вернадскому, химическое проявление и выражается в соответствующих биогеохимических функциях, которые свидетельствуют об участии живых организмов в химических процессах изменения вещественного состава биосферы. 
Живое вещество выполняет следующие биогеохимические функции: газовые, концентрационные, окислительно-восстановительные, биохимические и биогеохимические, связанные с деятельностью человека.

  Газовые функции заключаются 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.

  Концентрационные  функции связаны с аккумуляцией живыми организмами из внешней среды  химических элементов – водорода, углерода, азота, кислорода, кальция, магния, натрия, калия, фосфора и многих других, включая тяжелые металлы. Отмирание  живого вещества (естественная смерть или случайная гибель), особенно массовое, приводит к аномально высокому содержанию большинства этих элементов  в почве и литосфере вплоть до образования горных пород однородного  химического состава – торфа, углей, известняков, сапропелей, мела, железных руд осадочного происхождения  и многих других.

  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.

  Биохимические функции связаны с жизнедеятельностью живых организмов – их питанием, дыханием, размножением, смертью и последующим разрушением тел. В результате происходит химическое превращение живого вещества сначала в биокосное, а затем, после умирания, в косное. Следует различать разрушение тел организмов после их смерти, идущее повсеместно и вызываемое микробами, грибами и некоторыми насекомыми, и разрушение, связанное с массовым захоронением растительных и животных остатков после их смерти или гибели. В последнем случае совместное или последовательное выполнение живым веществом концентрационных и биохимических функций приводит к геохимическому преобразованию литосферы.

  Биогеохимические  функции, связанные с деятельностью  человека, обеспечили большие изменения  химических и биохимических процессов  в биосфере, способствуют становлению  ее нового эволюционного состояния  – ноосферы. Уже сегодня локальное  и планетарное загрязнение в  результате развития теплоэнергетики, промышленности, транспорта и сельского  хозяйства может привести к необратимым  последствиям в биосфере, так как  человек интенсивнее, чем другие организмы, изменяет физические условия  среды.

  Кроме указанных, к функциям живого вещества в биосфере следует отнести также водную, которая связана с биогенным  круговоротом воды, имеющим важное значение в круговороте воды на планете.