Понятие биосферы

Понятие биосферы.

Биосфера (от греч. Bios - жизнь и sphaira - шар) - оболочка Земли, состав, структура и свойства которой в той или иной степени определяются наличием жизни, настоящей или прошлой деятельностью живых организмов.

Термин «биосфера» впервые применил Э. Зюсс (1875), понимавший ее как тонкую пленку жизни на земной поверхности, в значительной мере определяющую «Лик Земли». Однако заслуга создания целостного учения о биосфере принадлежит В.И. Вернадскому, так как именно он развил представление о живом веществе как огромной геологической (биогеохимической) силе, преобразующей свою среду обитания. Большое влияние на В.И. Вернадского оказали работы В.В. Докучаева о почве как о естественно-историческом теле. Основы учения о биосфере, изложенные В.И. Вернадским в 1926 г. в книге «Биосфера» и разрабатывавшиеся им до конца жизни, сохраняют свое значение в современной науке[6].

Эволюция биосферы.

Эволюцию биосферы изучает раздел экологии, который называется эволюционной экологией.

Одним из важнейших направлений в изучении эволюции является изучение развития форм жизни. Здесь можно отметить несколько этапов.

Этап 1. Клетки без ядра, но имеющие нити ДНК, напоминают нынешние бактерии и синезеленые водоросли. Возраст этих самых древних организмов - более 3 млрд. лет. Они обладают такими свойствами, как подвижность, питание и способность запасать пищу и энергию, защита от нежелательных воздействий, размножение, раздражимость, приспособление к изменяющимся внешним условиям, способность к росту.

Этап 2. На данном этапе (приблизительно 2 млрд. лет тому назад) в клетке появляется ядро. Одноклеточные организмы с ядром называются простейшими. Их 25-30 тыс., видов. Самые простые из них - амебы. Инфузории имеют еще и реснички. Ядро простейших окружено двухмембранной оболочкой с порами и содержит хромосомы и нуклеоли. Ископаемые простейшие - радиолярии и фораминиферы - являются основной частью осадочных горных пород. Многие простейшие обладают сложным двигательным аппаратом.

Этап 3. На данном этапе (примерно 1 млрд. лет тому назад)
появляются многоклеточные организмы. В результате растительной деятельности - фотосинтеза - из углекислоты и воды при
использовании солнечной энергии, улавливаемой хлорофиллом, возникло органическое вещество. Возникновение и распространение растительности привело к коренному изменению состава атмосферы, первоначально имевшей очень мало свободного кислорода. Растения, ассимилирующие углерод из углекислого газа, создали атмосферу, содержащую свободный кислород, который представляет собой не только активный химический агент, но и источник озона, преградившего путь коротким ультрафиолетовым лучам к поверхности Земли.

Палеонтология, занимающаяся изучением ископаемых остатков, подтверждает факт возрастания сложности организмов. В самых древних породах встречаются организмы всего нескольких типов, имеющих простое строение. Постепенно их разнообразие и сложность возрастают. Многие виды, появляющиеся на каком-либо стратиграфическом уровне, затем исчезают. Таким образом происходит возникновение и вымирание видов.
В соответствии с данными палеонтологии можно считать, что в протерозойскую геологическую эру (700 млн. лет назад) появились бактерии, водоросли, примитивные беспозвоночные; в палеозойскую (365 млн. лет назад) - наземные растения, амфибии; в мезозойскую (185 млн. лет назад) - млекопитающие, птицы, хвойные растения; в кайнозойскую (70 млн. лет назад) - современные группы организмов. Конечно, следует иметь в виду, что палеонтологическая летопись неполна.

Веками накапливавшиеся остатки растений образовали в земной коре грандиозные энергетические запасы органических соединений (уголь, торф), а развитие жизни в Мировом океане привело к созданию осадочных горных пород, состоящих из скелетов и других останков морских организмов[4].

Границы биосферы.

Для возникновения и дальнейшего существования биосферы Земли необходимы три условия. Во-первых, наличие воды в жидком состоянии, что автоматически подразумевает достаточно плотную атмосферу и определенный диапазон температур. Во-вторых, на неё падает мощный поток лучистой энергии от Солнца. В-третьих, в ней имеются выраженные поверхности раздела между веществом в различных фазовых состояниях - газообразном, жидком и твёрдом. Исходя из этого, можно сделать вывод о том, что биосфера имеет определенные границы. Она занимает нижнюю часть атмосферы, верхние слои литосферы, поверхность суши и всю гидросферу[2].

Границы биосферы в большей степени условны. Лимитирующим фактором проникновения жизни в верхние слои атмосферы служит наличие капель воды и положительных температур, а также твердых аэрозолей, поднимающихся с поверхности земли. На больших высотах в горах (около 6км) расположена высотная часть биосферы - эоловая зона. Здесь уже невозможна жизнь высших растений и вообще организмов-продуцентов, но ветры приносят сюда с более низких вертикальных поясов органическое вещество и при отрицательных температурах воздуха еще достаточно тепла от прямой солнечной инсоляции для существования жизни. Это царство членистоногих и некоторых микроорганизмов.
Еще одним лимитирующим фактором проникновения жизни вверх является жесткое космическое излучение. На высоте 22-24км от поверхности Земли наблюдается максимальная концентрация озона - озоновый экран. Озон образуется из кислорода воздуха под действием солнечной радиации. Озоновый экран отражает губительные для живых организмов космические излучения (гамма- и рентгеновские лучи) и частично ультрафиолетовые лучи.
Выше эоловой зоны жизнь проникает лишь случайно и не часто. Здесь организмы могут временно существовать, но не могут нормально жить и размножаться.

Жизнь в океанах достигает их дна. Живые организмы встречаются даже на глубине более 11км, где температура воды около +200°С, но из-за высокого давления вода не кипит. Ниже, в базальтах, жизнь едва ли возможна.

Проникновение жизни вглубь литосферы ограничено высокими температурами земных недр и наличием жидкой влаги. Нижняя граница жизни по литосфере фактически не опускается глубже 3-4, максимум 6-7 км на суше, и не более 1-2км ниже дна океана.

Вещество биосферы.

В.И. Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, включающую наряду с организмами и среду их обитания. Он выделил в биосфере несколько типов веществ.

1. Живое вещество - живые организмы, населяющие нашу планету.

2. Косное вещество - неживые тела, образующиеся в результате процессов, не связанных с деятельностью живых организмов (породы магматического и метаморфического происхождения, некоторые осадочные породы).

3. Биогенное вещество - неживые тела, образующиеся в результате деятельности живых организмов (некоторые осадочные породы: известняки, мел и др., а также нефть, газ, каменный уголь, кислород атмосферы и др.).

4. Биокосное вещество - биокосные тела, представляющие собой результат деятельности живых организмов и геологических процессов (почвы, илы, кора выветривания и др.).

Распределение живого вещества в биосфере.

Масса живого вещества составляет лишь 0,01% от массы всей биосферы. Тем не менее живое вещество биосферы это главнейший ее компонент.

Важнейшим свойством живого вещества является способность к воспроизводству и распространению по планете. Живое вещество распространено в биосфере неравномерно: пространства, густо заселенные организмами, чередуются с менее заселенными территориями.
Наибольшая концентрация жизни в биосфере наблюдается на границах соприкосновения земных оболочек: атмосферы и литосферы (поверхность суши), атмосферы и гидросферы (поверхность океана), гидросферы и литосферы (дно океана), и собенно на границе трех оболочек
атмосферы, литосферы и гидросферы (прибрежные зоны). Эти места наибольшей концентрации жизни В.И. Вернадский назвал «пленками жизни». Вверх и вниз от этих поверхностей концентрация живой материи уменьшается.

В настоящее время по видовому составу на Земле преобладают животные (более 2,0 млн. видов) над растениями (0,5 млн.) В то же время, запасы фитомассы составляют 99% запасов живой биомассы Земли. Биомасса суши в 1000 раз превышает биомассу океана. На суше биомасса и количество видов организмов в целом увеличивается от полюсов к экватору[6].

Важные свойства живых систем.

1. Компактность - в 5·10-15 ДНК, содержащейся в оплодотворенной яйцеклетке кита, заключена информация для подавляющего большинства признаков животного, которое весит 5·107 г (масса возрастает на 22 порядка).

2. Способность создавать порядок из хаотического теплового движения молекул и тем самым противодействовать возрастанию энтропии. Живое потребляет отрицательную энтропию и работает против теплового равновесия, увеличивая, однако, энтропию окружающей среды. Чем более сложно устроено живое вещество, тем больше в нем скрытой энергии и энтропии.

3. Обмен с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Живое способно ассимилировать полученные извне вещества, т.е. перестраивать их, уподобляя собственным материальным структурам, и за счет этого многократно воспроизводить их.

4. Способность образовывать петли обратной связи, образующиеся при автокаталитических реакциях. «В то время как в неорганическом мире обратная связь между “следствиями” (конечными продуктами) нелинейных реакций и породившими их “причинами” встречается сравнительно редко, в живых системах обратная связь (как установлено молекулярной биологией), напротив, является скорее правилом, чем исключением» [8]. В живых системах имеют место автокатализ, кросс-катализ и автоингибиция (процесс, противоположный катализу, - если присутствует данное вещество, оно не образуется в ходе реакции). Для создания новых
структур необходима положительная обратная связь, для устойчивого существования - отрицательная обратная связь.

5. Многообразие и сложность форм жизни. Жизнь качественно превосходит другие формы существования материи в плане многообразия и сложности химических компонентов и динамики протекающих в живом превращений. Живые системы характеризуются гораздо более высоким уровнем упорядоченности и асимметрии в пространстве и времени. Структурная компактность и энергетическая экономичность живого - результат высочайшей упорядоченности на молекулярном уровне.

6. В самоорганизации неживых систем молекулы просты, а механизмы реакций сложны; в самоорганизации живых систем, напротив, схемы реакций просты, а молекулы сложны.

7. Наличие прошлого. У неживых его нет. «Целостные структуры атомной физики состоят из определенного числа элементарных ячеек, атомного ядра и электронов и не обнаруживают никакого изменения во времени, разве что испытывают нарушение извне. В случае такого внешнего нарушения они, правда, как-то реагируют на него, но если нарушение было не слишком большим, они по прекращении его снова возвращаются в исходное положение. Но организмы - не статические образования. Древнее сравнение живого существа с пламенем говорит о том, что живые организмы, подобно пламени, представляют собой такую форму, через которую материя в известном смысле проходит как поток»[3].

8. Наследственность и изменчивость. Жизнь организма зависит от двух факторов - наследственности, определяемой генетическим аппаратом, и изменчивости, зависящей от условий окружающей среды и реакции на них индивида. Интересно, что сейчас жизнь на Земле не могла бы возникнуть из-за кислородной атмосферы и противодействия других организмов. Раз зародившись, жизнь находится в процессе постоянной эволюции.

9. Способность к избыточному самовоспроизводству: «Прогрессия размножения, столь высокая, что она ведет к борьбе за жизнь и ее последствию - естественному отбору»[5]. [4].

Круговорот веществ в биосфере.

         Биосфера Земли характеризуется определенным образом сложившимися круговоротом веществ и потоком энергии. Круговорот веществ и потоком энергии. Круговорот веществ - многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том числе в тех слоях, которые входят в состав биосферы Земли. Круговорот веществ осуществляется при непрерывном поступлении (потоке) внешней энергии Солнца и внутренней энергии Земли.
В зависимости от движущей силы, с определенной долей условности, внутри круговорота веществ можно выделить геологический, биологический и антропогенный круговороты. До возникновения человека на Земле осуществлялись только первые два.

1. Геологический круговорот (болъшой круговорот веществ в природе) - круговорот веществ, движущей силой которого являются экзогенные и эндогенные геологические процессы.

Эндогенные процессы (процессы внутренней динамики) происходят под влиянием внутренней энергии Земли. Это энергия, выделяющаяся в результате радиоактивного распада, химических реакций образования минералов, кристаллизации горных пород и т.д. К эндогенным процессам относятся: тектонические движения, землетрясения, магматизм, метаморфизм. Экзогенные процессы (процессы внешней динамики) протекают под влиянием внешней энергии Солнца. Экзогенные процессы включают выветривание горных пород и минералов, удаление продуктов разрушения с одних участков земной коры и перенос их на новые участки, отложение и накопление продуктов разрушения с образованием осадочных пород. К экзогенным процессам относятся геологическая деятельность атмосферы, гидросферы (рек, временных водотоков, подземных вод, морей и океанов, озер и болот, льда), а также живых организмов и человека. Крупнейшие формы рельефа (материки и океанические впадины) и крупные формы (горы и равнины) образовались за счет эндогенных процессов, а средние и мелкие формы рельефа (речные долины, холмы, овраги, барханы и др.), наложенные на более крупные формы, - за счет экзогенных процессов. Таким образом, эндогенные и экзогенные процессы противоположны по своему действию. Первые ведут к образованию крупных форм рельефа, вторые - к их сглаживанию.