|
|
Навигация:  Учение о биосфере
Учение о биосфере Согласно воззрениям основоположника современного учения о биосфере академика В.И. Вернадского, с момента возникновения жизни на Земле происходил процесс длительного формирования единства живой и косной материи, т. е. биосферы (от гр. bios — жизнь, sphaira — шар). Термин «биосфера» был введен в 1875 г. австрийским ученым, иностранным почетным членом Петербургской академии наук Э.Зюссом (1831 — 1914). Биосфера — область активной жизни Земли (ее оболочка), состав, структура и энергетика которой обусловлены в основном деятельностью живых организмов (живого вещества). Живое вещество, по Вернадскому, — это носитель свободной энергии в биосфере, где все главные организмы связаны со средой обитания самоуправляемыми биологическими и геохимическими процессами. Ученый четко обозначил верхний и нижний пределы распространения жизни. Верхний предел обусловливается лучистой энергией, приходящей из космоса, губительной для живых организмов. Здесь имеется в виду жесткое ультрафиолетовое излучение, которое задерживается озоновым слоем (экраном). Его нижняя граница проходит на высоте около 15 км, верхняя — на рекордной высоте полета птиц. Нижний предел жизни связан с повышением температуры в земных недрах. На глубине 3... 3,5 км температура достигает 100 "С. Нижний предел жизни в океане колеблется от 5 см до 114 м ниже поверхности морского дна. Общая структура биосферы, в состав которой входят нижняя часть атмосферы (до озонового пояса — на высоте 20...25 км); вся гидросфера — океаны, моря, поверхностные воды суши (до максимальных глубин — 11022 м); поверхность суши; литосфера — верхние горизонты твердой земной оболочки, приведена на рис. 1.1. Например озоновый «экран», или озоновый слой, — это слой атмосферы в пределах стратосферы, расположен на разной высоте от поверхности земли и имеет наибольшую плотность озона. Высота озонового слоя у полюсов равна 1... 8 км, у экватора 17... 18 км, а максимальная высота присутствия озона 45... 50 км. Выше озонового слоя существование жизни невозможно (из-за жесткого ультрафиолетового излучения Солнца). Важнейшие характеристики состояния биосферы — это атом биомассы, количество углерода и связанной в биомассе (на поверхности и в почве) энергии, годичный прирост и количество минеральных веществ, заключенных в биомассе. Живое вещество суши составляет 1012...1013 т, биомасса лесов — 1011...12 т, минеральные вещества и азот — 1010 т. Около 90% биомассы биосферы сосредоточено в лесах. Годичный прирост биомассы в тайге равен 4...7%, в лиственных лесах 10... 15%, прирост травы 30...50%. 
Рис. 1.1. Строение биосферы (по Г.В.Стадницкому, 1997)
На рис. 1.2 показаны границы биосферы и распределение в ней живых организмов. Организмы связаны с окружающей средой биогенным током атомов: своим дыханием и размножением. Миграция химических элементов с помощью живых организмов и создает необходимые для них условия существования.
Живые организмы аккумулируют солнечную энергию, превращают ее в химическую и создают все многообразие жизни. Миграция химических элементов в биосфере связана с жизнедеятельностью живых организмов, их дыханием, питанием, размножением, смертью и разложением. Живые организмы принимают участие в перераспределении химических элементов, образовании горных пород и минералов, выполняют особые геохимические функции: газообмен, концентрационную, окислительно-восстановительную, созидания и разрушения.
Живые организмы в биосфере можно изучать на уровне популяций (группа особей одного вида, совместно населяющих общую территорию), сообществ (организмов, связанных с неорганической средой) и экосистем (совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может осуществляться круговорот веществ). Экосистема относительно устойчива во времени и термодинамически открыта в отношении притока и оттока живого вещества и энергии.
Рис. 1.2. Распределение живых организмов в биосфере:
1 — озоновый слой; 2 — граница снегов; 3 — почва; 4 — животные, обитающие в пещерах; 5 — бактерии в нефтяных водах
В некоторых типах экосистем вынос живого вещества за их пределы настолько велик, что их стабильность поддерживается в основном за счет притока такого же количества вещества извне, тогда как внутренний круговорот малоэффективен. Таковыми являются проточные реки, ручьи, участки на крутых склонах гор. Другие экосистемы, например леса, луга, озера и др., имеют более полный круговорот веществ и относительно автономны.
Количество живого вещества тех или иных организмов или всего сообщества, приходящееся на единицу площади или объема, называется биомассой. Биомасса, производимая популяцией или сообществом (на единицу площади) в единицу времени, называется биологической продуктивностью. Участок земной поверхности с определенным составом живых и косных (приземный слой атмосферы, почва и др.) компонентов, объединенных обменом веществ и энергии, называется биогеоценозом, т. е. элементарной однородной единицей биосферы.
Основную долю биомассы суши составляют зеленые растения — 99,2%, а в океане только 6,3%, в то время как масса животных и микроорганизмов суши равна 0,8%, а в океане — 93,7%. Масса живого вещества на поверхности материков в 800 раз превышает биомассу океана. Биосфера в видовом и морфологическом отношении чрезвычайно многообразна. Сейчас на Земле существует более 2 млн видов организмов, из которых на долю животных приходится более 1,5 млн, растений — всего лишь около 500 тыс. видов.
Необходимо отметить, что в своих взглядах В.И.Вернадский подошел к биосфере как к планетарной среде, в которой распространено живое вещество. В отличие от ряда ученых, которые рассматривали биосферу только как совокупность живых организмов и продуктов их жизнедеятельности, Вернадский считал, что живое вещество (в биохимическом понимании) не может быть оторвано от биосферы, функцией которой оно является. Кроме того, биосфера есть область превращения космической энергии, ибо космические излучения, идущие от небесных тел, проникают сквозь всю толщину биосферы. Поэтому, по Вернадскому, биосфера есть «планетарное явление космического характера» [6], в котором преобладает живое вещество как основа биосферы. В живых организмах на порядок увеличивается скорость химических реакций в процессе обмена веществ.
К уникальным особенностям живого вещества можно отнести следующие признаки:
- способность быстро занимать или осваивать все свободное пространство. Данное свойство дало основание Вернадскому сделать вывод, что для определенных геологических периодов количество живого вещества было примерно постоянным;
- способность к адаптации в различных условиях и в связи с этим освоение не только всех средств жизни (водной, почвенной), но и крайне трудных по физико-химическим параметрам условий;
- высокая скорость протекания реакций. Она на несколько порядков выше, чем в неживом веществе. Например, гусеницы некоторых насекомых потребляют за день количество пищи, которое в 100...200 раз больше веса их тела;
- высокая скорость обновления живого вещества. Подсчитано, что для биосферы она составляет в среднем 8 лет, при этом для суши — 14 лет, а для океана, где преобладают организмы с коротким периодом жизни (например, планктон), — 33 дня;
устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти, с сохранением высокой физико-химической активности.
Так, в атмосфере смена кислорода происходит за 2000 лет, углекислого газа — за 6,3 года. Процесс полной смены вод на Земле (в гидросфере) осуществляется за 2800 лет, а время, необходимое для фотосинтетического разложения всей массы воды, насчитывает 5...6 млн лет.
В работах российских ученых доказано, что главными составными элементами живого вещества являются кислород (65... 70%) и водород (10%). Остальные элементы представлены углеродом, азотом, кальцием (от 1 до 10%), серой, фосфором, калием, кремнием (от 0,1 до 1%), железом, натрием, хлором, алюминием и магнием. Таким образом, живое вещество — это совокупность и биомасса живых организмов в биосфере. В.И.Вернадский писал: «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, вместе взятые».
Учение В.И.Вернадского о биосфере произвело переворот в геологии, во взглядах на причины ее эволюции. До Вернадского в эволюции верхних слоев литосферы, прежде всего земной коры, первенство отводилось физико-химическим процессам, в основном выветриванию. И только он показал преобразующую роль живых организмов, механизмов разрушения горных пород, изменения водной и атмосферной оболочек Земли. По Вернадскому, биосферу разделяют на необиосферу и палеобиосферу, более древнюю биосферу. В качестве примера последнего определения можно назвать скопления органических веществ (залежи каменных углей, нефти, горючих сланцев и др.) или запасы других соединений, образовавшихся при участии живых организмов (известь, мел, рудные образования, соединения кремния).
Важнейшими особенностями биосферы являются ее организованность и устойчивое равновесие. Например, можно говорить о термодинамическом уровне организованности биосферы — наличии двух взаимосвязанных «слоев» верхнего, освещенного (фотобиосфере), и нижнего, почвенного (афотобиосфере). Термодинамический уровень организованности биосферы проявляется в специфике градиентов температуры в гидросфере, атмосфере и литосфере. Выделяют и другие уровни организованности и устойчивости биосферы.
Современные философские концепции сводятся к тому, что процесс взаимодействия общества и биосферы должен быть управляемым во взаимных интересах. В отличие от биогенеза данный этап эволюции биосферы рассматривают в качестве этапа разумного развития, т.е. ноогенеза (от гр. noos — разум). Соответственно происходит постепенное превращение биосферы в ноосферу. Понятие «ноосфера» введено в XIX в. французским ученым и философом Э.Леруа (1870 — 1954) и развито французским философом Тейяр де Шарденом (1881 — 1955), а концепцию о ноосфере обосновал В. И. Вернадский. Под этим термином подразумевалось образование особой оболочки Земли со всеми ее атрибутами: обществом людей, строениями, языком и т.д. Ноосфера рассматривалась в качестве некоего «мыслящего пласта над биосферой».
В.И.Вернадский считал, что ноосфера — это новое геологическое явление на Земле. В ней впервые человек становится мощной геологической силой. Но мыслить и действовать человек, как и все живое, может только в биосфере, с которой он связан и из которой не может выйти. На данном этапе эволюции жизни развитие пойдет по пути ноогенеза, являющегося этапом разумного регулирования взаимоотношений человека и природы, т.е. исправление уже имеющихся нарушений в природе и предотвращение нарушений и отклонений в будущем. По Вернадскому, биосфера неизбежно превратится в ноосферу, т.е. в сферу, где разум человека будет играть доминирующую роль в развитии системы человек—природа. Некоторые ученые рассматривают этот закон как социальную утопию. Но совершенно очевидно, что если человечество не начнет регулировать собственные воздействия на природу, опираясь на ее законы, то оно обречено на гибель. Условием создания ноосферы академик Вернадский считал научное и культурное объединение всего человечества, усовершенствование средств связи и обмена, открытие новых источников энергии, подъем благосостояния, равенство всех людей и исключение войн из жизни общества.
К ключевым положениям учения о биосфере относятся функции живого вещества. К ним относится энергетическая функция — растения в процессе фотосинтеза аккумулируют солнечную энергию в виде органических соединений, энергия которых в дальнейшем является источником химической энергии биосферы. Внутри экосистемы эта энергия в виде «пищи» распределяется между животными. Например, коровы, овцы, козы и другие животные употребляют в качестве пищи траву и листву деревьев. Частично энергия рассеивается, а частично накапливается в отмершем органическом веществе.
Это вещество переходит в ископаемое состояние. Так образовались залежи торфа, каменного угля, нефти и других полезных ископаемых.
Другая функция — деструктивная, которая состоит в разложении, минерализации мертвого органического вещества и вовлечении образовавшихся минералов в биотический круговорот, а затем в разложении его (вещества) до простых органических соединений (углекислый газ, вода, метан, аммиак), которые вновь используются в начальном звене круговорота. Например, бактерии, водоросли, грибы, лишайники оказывают на горные породы сильнейшее химическое воздействие растворами целого комплекса кислот: угольной, азотной, серной. Разлагая с их помощью те или иные минералы, организмы извлекают и включают в биотический круговорот важнейшие питательные элементы: кальций, калий, натрий, фосфор, кремний.
Третья функция — концентрационная. Эта функция заключается в избирательном накоплении в организмах атомов веществ, рассеянных в природе. Например, в морских организмах по сравнению с природной средой накапливаются в большом количестве микроэлементы, тяжелые металлы, в том числе ядовитые (ртуть, свинец, мышьяк и другие химические элементы). Их концентрация в рыбах может в сотни раз превосходить содержание в морской воде. Благодаря этому морские организмы полезны как источник микроэлементов.
Четвертая функция живого вещества — средообразующая, состоит в трансформации параметров среды обитания (литосферы, гидросферы, атмосферы) в условиях, благоприятных для жизни организмов, в том числе человека, т. е. эта функция поддерживает в равновесии баланс вещества и энергии в биосфере.
Вместе с тем живое вещество способно восстанавливать условия обитания среды, нарушенные в результате природных катастроф или антропогенного воздействия, если производимые возмущения не превышают пороговых значений. Несмотря на то, что общая масса живого вещества, покрывающая Землю, ничтожно мала, результаты жизнедеятельности организмов сказываются на составе литосферы, гидросферы и атмосферы. В.И.Вернадский объясняет такое состояние экосистемы тем обстоятельством, что масса организмов осуществляет свою планетарную роль за счет быстрого размножения, т. е. весьма энергичного круговорота веществ, связанного с этим размножением.
Единственным источником энергии для всех природных процессов, развивающихся в биосфере, является солнечная радиация. Поток солнечной радиации на Землю приблизительно равен 4190 • 103 Дж/(м2- год). На единицу поверхности в среднем поступает 1/5 части общей величины потока. Сумма потоков солнечной энергии, приходящих к поверхности Земли и уходящих от нее, называется «радиационным балансом земной поверхности».
Энергия радиационного баланса расходуется на нагревание атмосферы, испарение, теплообмен со слоями гидро- или литосферы и ряд других процессов. Некоторые из этих процессов влияют на фотосинтез, переходящий в форму химической энергии, и на создание органического вещества. Организмы, синтезирующие из неорганических соединений органические вещества с использованием энергии Солнца, называются автотрофами, а за счет энергии, освобождающейся при химических реакциях, — хемотрофа-ми. Организмы, питающиеся готовыми органическими веществами, называются гетеротрофами. Автотрофы и хемотрофы, производящие органическое вещество из неорганических соединений, называются продуцентами. Организмы, питающиеся органическими веществами и преобразующие их в новые формы, называются консументами. Организмы, превращающие в ходе жизнедеятельности органические остатки в неорганические вещества, называются редуцентами.
Солнечная энергия на Земле вызывает два круговорота веществ: большой, или геологический, наиболее ярко проявляющийся в круговороте воды и циркуляции атмосферы, и малый, или биологический. Оба круговорота взаимосвязаны и представляют единый процесс. Геологический круговорот происходит в течение сотен тысяч или миллионов лет. Он заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе растворимые в воде, сносятся потоками воды в мировой океан. Здесь они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками.
Биологический круговорот является частью геологического и заключается в том, что питательные вещества почвы — вода, углерод — аккумулируются в живом веществе растений, расходуются на построение тела и осуществление жизненных процессов как их самих, так и организмов-консументов.
Продукты распада органического вещества попадают в почву из мезофауны (например, из бактерий, грибков, червей, моллюсков и др.) и вновь разлагаются до минеральных компонентов, опять-таки доступных растениям и вновь вовлекаемых ими в поток живых веществ. Малый круговорот веществ, втягивая в свои многочисленные орбиты косную среду, обеспечивает воспроизводство живого вещества и оказывает активное влияние на облик биосферы.
Одним из положений учения о биосфере является установление закона сохранения (бережливости) биосферы. Смысл закона заключается в том, что атомы, вошедшие в какую-нибудь форму живого вещества, или с трудом возвращаются, или не возвращаются назад, т. е. можно говорить об атомах, остающихся в живой материи в течение геологических периодов.
Похожие статьи: Навигация: Статьи по теме:
Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум |
|
|
|
|
Информационный сайт о строительных материалах и технологиях. Контакты: Никита Королёв - © 2008-2014 |
© Все права защищены.
Копирование материалов невозможно. |
|