Учение о биосфере

Лекция 8

Глава 5. Учение о биосфере

1 Общие представления о геосферах

Изучая биосферу как особую оболочку земного шара, необходимо предварительно ознакомиться со строением Земли. Это даст возможность глубже понять, в каких условиях формировалась жизнь, что ее защищает, а что представляет угрозу ее существованию.

При описании Земли выделяют так называемые геосферы – концентрические оболочки планеты различной плотности и химического состава. В направлении от периферии к центру Земли различают магнитосферу, атмосферу, земную кору, мантию Земли и ядро Земли.

Магнитосфера Земли – область околоземного пространства, граница которой (магнитопауза) определяется равенством давления магнитного поля Земли и динамического давления солнечного ветра. Конфигурация магнитосферы непрерывно меняется, простираясь с дневной стороны до 10…12 R (R – земной радиус, около 6370 км), с ночной – вытянута, образуя так называемый магнитный хвост Земли в несколько сотен R. Она реагирует на проявление солнечной активности, сопровождающейся изменениями в солнечном ветре и его магнитном поле (магнитные бури). При этом частицы солнечного ветра вторгаются в магнитосферу, производят нагрев и усиление ионизации верхних слоев атмосферы, ускорение заряженных частиц, увеличение яркости полярных сияний, возникновение электромагнитных шумов, нарушение радиосвязи и т.д.

Атмосфера – газовая оболочка Земли, которая удерживается планетой посредством силы тяжести и принимает участие в ее суточном и годовом вращении. Она состоит из смеси различных газов, водяных паров и пыли. С увеличением высоты плотность воздуха убывает, и атмосфера плавно переходит в космическое пространство. Она делится на слои: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу, которые отличаются температурой, ионизацией молекул и другими параметрами. Между атмосферой и земной поверхностью происходит постоянный обмен теплом и влагой, что вместе с циркуляцией атмосферы влияет на основные климатообразующие процессы. Атмосфера является активным участником физических процессов, которые протекают на суше и в верхних слоях водоемов (выветривание, морские течения и т.п.).

Гидросфера – прерывистая водная оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и земной корой. Она включает в себя совокупность всех вод планеты: материковых (глубинных, почвенных, поверхностных), океанических и атмосферных. Гидросфера является колыбелью жизни на нашей планете. Она играет огромную роль в формировании природной среды Земли.

Земная кора – твердая внешняя оболочка толщиной до 70 км в горных областях, около 30 км под равнинами, 5…7 км под океанами. Верхняя часть ее – осадочный слой, он состоит из осадочных пород, средняя - «гранитный» слой (выражен только на материках), нижняя - «базальтовый» слой.

Под земной корой располагается мантия (толщиной около 2900 км). Занимает 83 % Земли (без атмосферы) по объему и 67 % по массе. Мантия Земли состоит, видимо, преимущественно из тяжелых минералов, богатых магнием и железом. С процессами, происходящими в верхней (граничащей с земной корой) мантии Земли, тесно связаны тектонические движения, вулканизм, горообразование и др. Земная кора и верхняя (твердая) часть верхней мантии Земли составляют литосферу.

Литосфера (от греч. lithos – камень) - верхняя твердая оболочка Земли, ограниченная сверху атмосферой и гидросферой, а снизу – астеносферой (слоем пониженной твердости, прочности и вязкости, расположенным в верхней мантии Земли). Мощность литосферы колеблется в пределах 50…200 км. Процесс преобразования литосферы живыми организмами, начавшийся около 450 млн. лет назад, привел к образованию почвы, ее мощность достигает 2…3 м.

Ядро Земли – наиболее плотная центральная часть (геосфера) Земли. Его плотность составляет от 9400 кг/м3 в периферической области до 17200 кг/м3 (в два с лишним раза выше, чем у железа) в более глубоких слоях; давление достигает 140…350 ГПа (1,4…3,5 млн. атм.), температура 2000…5000 °С. Предполагают, что по химическому составу вещество ядра сходно с веществом мантии Земли, но находится в металлическом состоянии.

2 Состав, строение и границы биосферы

Возникшая 3,5…4,0 млрд. лет назад, современная биосфера включает живые организмы (около 3 млн. видов), их остатки, зоны атмосферы, гидросферы и литосферы, населенные и видоизмененные этими организмами.

Всю совокупность организмов на планете В.И. Вернадский назвал живым веществом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию.

В состав биосферы кроме живого вещества входят биогенное вещество (продукты жизнедеятельности живых организмов – каменный уголь, битумы, нефть), биокосное вещество (продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами – почвы, кора выветривания, все природные воды, свойства которых зависят от деятельности на Земле живого вещества) и, наконец, косное вещество – совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых, как считается, живые организмы не участвуют (горные породы магматического, неорганического происхождения, вода, космическая пыль, метеориты).

Следовательно, биосфера – это та область Земли, которая охвачена влиянием живого вещества. С современных позиций биосферу рассматривают как наиболее крупную, глобальную экосистему, поддерживающую планетарный круговорот веществ.

Современная жизнь распространена (рисунок 1) в верхней части земной коры (литосфере), в нижних слоях воздушной оболочки Земли (атмосфере) и в водной оболочке Земли (гидросфере).

I – пределы жизни в биосфере; II – схематический разрез почвы: А0 – лесная подстилка, А1 – гумусовый горизонт, А2 – горизонт вымывания (подзолистый), В – горизонт вымывания (иллювиальный), С – подстилающая порода.

Рисунок 1 – Строение биосферы

В глубь Земли живые организмы проникают на небольшое расстояние. В литосфере жизнь ограничивает прежде всего температура горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает с глубиной и на уровне 1,5…15 км превышает 100 °С. Наибольшая глубина, на которой в породах земной коры были обнаружены живые бактерии, составляет 4 км. В нефтяных месторождениях на глубине 2…2,5 км бактерии регистрируются в значительном количестве.

В океане жизнь распространена до более значительных глубин и встречается даже на дне океанических впадин в 10…11 км от поверхности.

Верхняя граница жизни в атмосфере определяется уровнем УФ-радиации. На высоте 25…30 км большую часть ультрафиолетового излучения Солнца поглощает находящийся здесь относительно тонкий слой озона – озоновый экран. Если живые организмы поднимаются выше защитного слоя озона, они погибают. Атмосфера над поверхностью Земли насыщена многообразными живыми организмами, которые передвигаются в воздухе активным или пассивным способом. Споры бактерий и грибов обнаруживают до высоты 20…22 км, но основная часть аэропланктона сосредоточена в слое до 1…1,5 км. В горах граница распространения наземной жизни – около 6 км над уровнем моря.

Концентрация и активность жизни особенно велики у поверхности Земли. Водоемы заселены по всей толще, со сгущениями у поверхности и у дна. Выделяются своим богатством прибрежные и мелководные участки. На суше более 99 % живого вещества, или биомассы, сосредоточено в слое на несколько метров вглубь и на несколько десятков метров (высокие деревья) вверх от поверхности. Следовательно, жизнь сосредоточена в тончайшей пленке планеты, где и протекают главные процессы взаимодействия живой и неживой (косной) природы. Этот тонкий деятельный слой нередко называют биогеосферой, биогеоценотическим покровом, ландшафтной оболочкой. Места наибольшей концентрации организмов в биосфере В.И. Вернадский назвал «пленками жизни».

Однако, выносливость жизни в целом к отдельным факторам среды шире диапазонов тех условий, которые существуют в границах современной биосферы. Следовательно, жизнь обладает значительным «запасом прочности», устойчивости к воздействию среды и потенциальной способностью к ещё большему распространению.

3 Живое вещество биосферы

Химический состав живых организмов во многом отличается от состава атмосферы и литосферы. Он ближе к химическому составу гидросферы по абсолютному преобладанию атомов водорода и кислорода. Но в отличие от гидросферы в организмах относительно велика доля углерода, кальция и азота.

Живое вещество в основном состоит из элементов, являющихся водными и воздушными мигрантами, т.е. образующих газообразные и растворимые соединения. Заслуживает внимания то обстоятельство, что 99,9 % массы живых организмов приходится на те элементы, которые преобладают и в земной коре, составляя в них 98,8 %, хотя и в других соотношениях. Таким образом, жизнь есть химическое производное земной коры. В организмах обнаружены почти все элементы таблицы Д.И. Менделеева, т.е. они характеризуются теми же химическим особенностями, что и неживая природа.

Элементы, содержащиеся в организмах, группируются не только по количественному принципу, но и по функциональному (физиологическому) критерию. В зависимости от количественного содержания и функциональной значимости элементарный набор организмов делят на три группы: макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.

Макроэлементы составляют основную массу органических и неорганических соединений живых организмов. Они требуются организмам постоянно и в большом количестве для осуществления жизненного цикла. Концентрация их изменяется от 60 до 0,001 % массы тела. Это кислород, водород, углерод, азот, фосфор, кальций, калий, сера и др.

Микроэлементы – преимущественно ионы тяжелых металлов являются компонентами ферментов, гормонов и других жизненно важных соединений. Они столь же необходимы для жизнедеятельности, как макроэлементы, но требуются в значительно меньших концентрациях. Содержание их изменяется от 0,001 до 0,00001 % массы тела. В данную группу входят марганец, бор, кобальт, медь, молибден, цинк, йод, бром, алюминий и др. В зависимости от валентного состояния и структуры электронных уровней роль каждого микроэлемента строго специфична, и поэтому его нельзя заменить в биохимических процессах никаким другим химическим элементом. В силу этого каждый микроэлемент выполняет свою роль без дублеров.

Содержание ультрамикроэлементов (к ним относятся уран, радий, золото, ртуть, бериллий, цезий, селен и другие рассеянные и редкие элементы), не превышает обычно 0,00001 % массы тела. Физиологическая роль их в организмах растений и животных полностью еще не выяснена.

В 1940 г. В.И. Вернадский открыл фундаментальные законы (принципы) геохимической деятельности живых организмов в биосфере (биогеохимические принципы):

1. Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению.

Это означает, что жизнь стремится заполнить в максимальном объеме любое пригодное для нее пространство.

2. Эволюция видов, в ходе геологического времени приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов биосферы.

Данный принцип весьма важен не только для понимания истории жизни, но и для решения современных задач выведения культурных растений, поскольку «увеличение биогенной миграции атомов» есть не что иное как увеличение продуктивности растений и животных.

3. В течение всей истории планеты ее заселение было максимально возможным для живого вещества, которое тогда существовало.

Указанный принцип тесно связан с другим законом В.И. Вернадского – законом константности: количество живого вещества биосферы (для данного геологического периода) есть константа.

Живое вещество характеризуется исключительно высокой функциональной активностью. Она связана с его способностью к неограниченному развитию и количественному росту, названному В.И. Вернадским «напором жизни».

Различают пять основных функций живого вещества в масштабах планеты Земля: энергетическую, газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную и деструкционную.

Энергетическая функция состоит в осуществлении связи биосферно-планетарных явлений с излучением Космоса, и, прежде всего, с солнечной радиацией. Основой указанной функции является фотосинтез, в процессе которого происходит аккумуляция энергии Солнца и ее последующее перераспределение между компонентами биосферы. Накопленная солнечная энергия обеспечивает протекание всех жизненных процессов. За время существования жизни на Земле живое вещество превратило в химическую энергию огромное количество солнечной энергии. При этом существенная часть ее в ходе геологической истории накопилась в связанном виде (залежи угля, нефти и других органических веществ).

Благодаря газовой функции происходит миграция газов и их превращение, формируется газовый состав биосферы. Отметим, что преобладающая масса газов на планете имеет биогенное происхождение. Так, кислород атмосферы накоплен за счет фотосинтеза. При этом количество молекул кислорода, выделяемых земными растениями, пропорционально количеству связываемых водой молекул диоксида углерода. Последний поступает в атмосферу за счет дыхания всех организмов. Другой, не менее мощный его источник – выделение по трещинам земной коры из осадочных пород за счет химических процессов под действием высоких температур.

Концентрационная функция проявляется в извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов из окружающей среды, которые используются для построения тела. Концентрация этих элементов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде.

Окислительно-восстановительная функция заключается в химическом превращении веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисления (это в основном соединения железа, марганца и др.). В результате происходят превращения большинства химических соединений, при этом преобладают биогенные процессы окисления и восстановления.

Благодаря деструкционной функции протекают процессы, связанные с разложением остатков мертвых организмов. При этом происходит минерализация органического вещества, т.е. превращение живого вещества в косное.

Таким образом, живое вещество трансформирует солнечную энергию и вовлекает неорганическую материю в непрерывный круговорот. Живое вещество определило современный состав атмосферы, гидросферы, почв и, в значительной степени, осадочных пород Земли.

Вопросы для самоконтроля

Общие представления о геосферах.

Состав, строение и границы биосферы.

Живое вещество биосферы.

PAGE 1

Учение о биосфере