Глава 1.

Глава 2.Биосфера и человек

2.1. Строение, функции, эволюция биосферы

2.1.1 Состав биосферы

Биосфера – оболочка Земли, заселенная живыми организмами и преобразованная ими. Суть концепции биосферы была впервые предложена известным ученым-естествоиспытателем Ж.Б.Ламарком (1744-1829), но термин был введен в 1875 году австрийским геологом и палеонтологом Э.Зюсом (1831-1914), как область земной поверхности, населенной жизнью. Целостное учение о биосфере было разработано выдающимся российским естествоиспытателем В.И. Вернадским (1863-1945). Он рассматривает биосферу не как простую совокупность живых организмов, а как единую термодинамическую оболочку, в которой сосредоточена жизнь и осуществляется постоянное взаимодействие всего живого с неорганическими условиями среды.

В общем случае, можно сказать, что биосфера - это часть литосферы (литобиосфера), атмосферы (аэробиосфера) и гидросферы (гидробиосфера), заселенная живыми организмами. Границы биосферы определяются условиями существования жизни, такими, как достаточное количество воды, минеральных веществ, кислорода, углекислого газа, благоприятный температурный режим и др. Теоретические пределы биосферы чрезвычайно широки. Область жизни в атмосфере фактически исчезает за озоновым слоем. Гидросфера в настоящее время считается заселенной полностью. В литосфере основная масса живых организмов сосредоточена в почвенном слое, на глубине не превышающей несколько метров, однако теоретические пределы распространения жизни в ней гораздо шире. По максимальным оценкам специалистов граница литобиосферы находятся на глубине около 25 км должна существовать критическая температура в 460С, при которой при любом давлении вода превращается в пар и жизнь принципиально невозможна. Однако основная масса живого вещества сосредоточена в относительно узком пространстве, называемом биогеосферой, или пленкой жизни (см.рисунок 2.1). Ее верхняя граница расположена на высоте нескольких десятков метров над поверхностью растительного покрова на суше или над океаном; нижняя - по горизонту грунтовых вод или максимального проникновения корней растений и роющих животных. В океане биогеосфера ограничена слоем проникновения солнечных лучей, необходимых для осуществления фотосинтеза микроводорослями (не более 100 м) или глубиной сохранения биологической активности в донных осадках. Хотя в остальной части биосферы содержится ничтожное количество живых организмов, она заполнена продуктами их жизнедеятельности (газами атмосферы, органическими веществами).

Рисунок 2.1. Границы биосферы.

Гидросфера. В состав гидросферы (гидробиосферы) включают все типы водоемов. Ее подразделяют на Мировой океан, континентальные воды и подземные воды. К гидросфере часто относят воду, входящую в состав ледников и почвенную влагу.

Основная масса воды сосредоточена в водоемах океанического типа (71% поверхности Земли занимает Мировой океан, 5% - внутренние водоемы). В составе гидросферы океан составляет 94%, подземные воды - 4,1%, ледники - 1, 6%, озера - 0,016%, почвенная влага - 0,005%, пары атмосферы - 0,001%, а речные воды составляют лишь 0,0001%.

Вода имеет огромное значение для поддержания жизни на Земле. Без нее невозможно осуществление метаболизма. Это значение обусловлено, прежде всего, уникальными свойствами воды. Она является универсальным растворителем, поэтому в водной среде осуществляются все биохимические реакции. Большое экологическое значение имеют высокая плотность и вязкость воды. Плотность воды примерно в 800 - 1000 раз выше плотности воздуха (в зависимости от солености). В результате водные организмы (особенно активно передвигающиеся животные) сталкиваются с достаточно мощными силами гидродинамического сопротивления, что направило эволюцию многих групп животных на формирование органов и типов движения, снижающих лобовое сопротивление. В связи с высокой плотностью водной среды многие ее обитатели лишены обязательной связи с субстратом, характерной для наземных форм и вызванной силами гравитации. В толще Мирового океана сложились комплексы живых организмов, свободно "парящих" в воде и самостоятельно поддерживающих круговорот веществ. Благодаря этому жизнь распространена в гидросфере по всей ее толщине, встречаясь даже в самых глубоководных океанических впадинах - на глубине до 11 км, где давление достигает 100 атм.

Атмосфера. Атмосфера - это газовая (воздушная) среда вокруг Земли, вращающаяся вместе с ней. Современная атмосфера по химическому составу относится к азотно-кислородному типу (азота 78,09%, кислорода 20,95%, аргона 0,93%, углекислого газа 0,03%, неона 0,0018%, гелия 0,00052%, метана 0,00015%). Кислород, углекислый газ и азот – являются наиболее важными компонентами воздуха. Они участвуют во всех основных биологических циклах.

Своеобразие состава современной атмосферы Земли выражается в ничтожном содержании инертных газов (кроме аргона) и молекулярного водорода). Прозрачность атмосферы определяет то обстоятельство, что до поверхности планеты доходит порядка 47% падающего на внешнюю границу планеты потока солнечного излучения. Немногим менее половины его составляет фотосинтетически активная радиация с длиной волны 380 - 710 нм.

Свойства газовой оболочки Земли неодинаковы по вертикали. В частности, большое значение имеет высотное падение атмосферного давления, т.к. процессы фотосинтеза и дыхания зависят соответственно от величины парциального давления кислорода и углекислого газа в среде. Основной запас воздуха сосредоточен в нижнем слое атмосферы, тропосфере. Нижние, прилегающие к поверхности Земли слои тропосферы, высотой около 3 км подвержены действию географических факторов (рельеф, континенты или океаны). В этой части атмосферы сосредоточена основная масса водяного пара и загрязняющих веществ, поступающих с поверхности Земли. Над этим слоем располагается свободная атмосфера, которую от выше лежащей стратосферы отделяет тропопауза. Циркуляция воздушных масс в тропосфере регулирует погоду и ее изменения. Над тропосферой располагается стратосфера, в которой расположен так называемый озоновый слой, представляющий собой область повышенной концентрации озона (O₃), сосредоточенную на высоте 22-24 км. Озоновый экран имеет огромное значение для сохранения жизни на Земле: в слое озона поглощается большая часть идущего от Солнца ультрафиолетового излучения (его коротковолновая составляющая - "жесткое ультрафиолетовое излучение", наиболее губительное для живых организмов). До поверхности доходит только мягкая часть потока ультрафиолетовые излучения с длиной волны около 300 - 400 нм, относительно безвредных, а по некоторым параметрам необходимых для нормального развития и функционирования живых организмов.

Воздух как среда жизни обладает определенными особенностями. Так, высокое содержание кислорода определяет возможность формирования высокого уровня энергетического метаболизма (обмена веществ между организмом и средой). Не случайно именно в этой среде возникли гомойотермные животные (организмы, поддерживающие температуру тела на постоянном, не зависящем от среды уровне - птицы, млекопитающие), отличающиеся высоким уровнем энергетики организма, большой степенью автономности относительно внешних условий. Кроме того, атмосферный воздух отличается низкой и изменчивой влажностью, что ограничило возможности освоения воздушной среды, а у ее обитателей направило эволюцию системы водно-солевого обмена и структуру органов дыхания. Также следует отметить низкую плотность воздуха в атмосфере как среде жизни, благодаря чему жизнь сосредоточена вблизи поверхности земли, проникая в толщу атмосферы на высоту не более 50 - 70 м (кроны деревьев тропических лесов). Если исключить единичные случаи «рекордных подъемов», верхней границей распространения жизни в атмосфере (границей аэробиосферы) следует считать высоты порядка 8 - 10 км.

Литосфера. Литосфера – «каменная» оболочка Земли. Жизнь в ее пределах сосредоточена только в ее верхнем слое - почве. Почва – это продукт физического, химического и биологического выветривания поверхностного слоя литосферы, содержащий, как неорганические, так и органические компоненты. Как правило, этот слой выделяют в единую оболочку, которую называют эдафосферой или педасферой.

Значение почвы в биосфере можно определить как связующее звено биологического и геологического круговоротов. Почва служит источником вещества для образования минералов, горных пород, полезных ископаемых и способствует переносу аккумулированной солнечной энергии в глубокие слои литосферы.

Образование почвы невозможно без участия живых организмов, воды и воздуха. При определенных климатических условиях на каждой материнской породе поселяется определенный вид растительности. Между минеральными и органическими компонентами, растительностью и почвенными микроорганизмами возникает целая серия взаимосвязей, которая определяет состав почв. Большинство почв характеризуется наличием слоев с одинаковыми признаками, или горизонтов. Поверхностный горизонт обычно состоит из остатков растительности, составляющих основу гумуса.

Гумус - это высокомолекулярные темноокрашенные органические вещества почвы, содержащие гуминовые кислоты, фульвокислоты, гумин и ульмин. Образуется он в результате гумификации продуктов разложения органических остатков и содержит элементы питания растений. Избыток или недостаток гумуса определяет плодородие почвы, так как с его помощью осуществляется целая серия обменных процессов, в которых участвуют не только кислород, углерод, азот и вода, но и различные минеральные соли, присутствующие в почве.

В гумусе содержатся углерод, водород, кислород, азот, определенное количество фосфора, кальция, серы и других химических элементов. В верхних горизонтах почвы содержание гумуса колеблется от десятых долей процента до 18 % (в черноземных почвах). Мощность гумусового горизонта изменяется от нескольких сантиметров до 2,5 м. Под гумусовым горизонтом располагаются другие горизонты. Все они содержат смесь органических и минеральных элементов, которые в разной степени участвуют в деятельности почвенных микроорганизмов.

В состав минеральной части почв входят макроэлементы – кремний, алюминий, железо, калий, натрий, магний, кальций, фосфор, сера и некоторые микроэлементы - медь, молибден, йод, бор, фтор, свинец. Миграция и дифференциация химических элементов осуществляется благодаря почвенному раствору - жидкой части почвы.

Почва насыщена микроорганизмами (бактерии, водоросли, грибы, простейшие одноклеточные), в ней живут также черви и членистоногие. Так, на 1 га почвы приходится, кг: 1000-7000 бактерий, 100-3000 грибов, 10-300 водорослей, 5-10 простейших, до 1000 членистоногих и 350-1000 кольчатых червей.

Таким образом, почва в биосфере выполняет ряд важнейших функций: она фильтрует грунтовые воды, зaдерживaет питaтельные веществa и воду, необходимые для ростa растений, она является жизненной средой для многих организмов (среди которых и те, которые делают возможным рaспaд оргaнических веществ); поглощает, аккумулирует и отрaжaет солнечную энергию.

2.1.2. Типы веществ в биосфере.

В.И. Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, включающую как сами живые организмы, так и среду их обитания. В ее пределах он выделял семь разных, геологически взаимосвязанных 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 (например, породы магматического происхождения, некоторые осадочные породы).

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

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

5. Радиоактивное вещество – атомы радиоактивных элементов, присутствующие в земной коре, например, уран (²³⁸U, ²³⁵U), радон (²²²Rn, ²²⁰Rn), углерод (¹⁴C) и др.

6. Рассеянные атомы – отдельные атомы элементов, встречающиеся в природе в рассеянном состоянии.

7. Вещество космического происхождения – вещество, поступающая на поверхность Земли из космоса, например тела метеоритов.

Такая классификация не является логически безупречной, так как выделенные категории частично перекрывают друг друга. Так, вещество космического происхождения одновременно является и косным. Атомы многих элементов являются и радиоактивными и рассеянными одновременно. При этом они могут входить в состав как живого, так и косного вещества. А биокосное вещество по сути своей является не веществом, а динамической системой, состоящей одновременно как из живого, так и из косного вещества. Тем не менее такая классификация позволяет полноценно объяснять основные процессы, протекающие в биосфере.

Основными типами как по массе, так и по значению, являются живое, косное, биогенное и биокосное вещества. Масса живого вещества составляет всего 0.01% от всей массы биосферы, тем не менее именно оно является главным ее компонентом.

Благодаря своим уникальным свойствам живое вещество обладает крайне высокой преобразующей способностью. К ним относятся:

1. Способность быстро занимать (осваивать) все свободное пространство. Вернадский назвал это свойство «Всюдностью жизни». На основании этого свойства он сделал вывод, что для определенных биологических периодов количество живого вещества было примерно постоянным.

2. Движение не только пассивное (под действием силы тяжести и т.д.), но и активное (против течения, силы тяжести и т.д.).

3. Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти (включение в круговороты веществ).

4. Высокая приспособительная способность (адаптация) к разными условиям и в связи с этим освоение не только всех сред жизни, но и крайне трудных по физиологическим параметрам условий. Например, некоторые организмы переносят температуры, близкие к абсолютному нулю, в термальных источниках до 140 градусов, в водах атомных реакторов, в бескислородной среде, в ледниках.

5. Феноменально высокая скорость протекания реакций. На несколько порядков выше, чем в неживой природе.

6. Высокая скорость обновления. В среднем для биосферы она составляет 8 лет (для суши – 14 лет), для океана, где преобладают организмы с коротким периодом жизни – 33 дня.

Все вышеперечисленные свойства обуславливаются концентрацией в живом веществе больших запасов энергии.

Функции живого вещества в биосфере чрезвычайно важны и разнообразны. Это:

1. Энергетическая функция – связывание и запасание солнечной энергии в органическом веществе и последующее рассеяние энергии при потреблении и минерализации органического вещества.

2. Газовая функция – способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. Необходимо понимать, что все основные газы атмосферы Земли имеют биогенное происхождение, все подземные газы – продукт разложения отмершей органики.

3. Концентрационная – организмы накапливают в своих телах многие химические элементы – в порядке уменьшения концентрации – C, Ca, Si, I, P

4. Окислительно-восстановительная – окисление и восстановление различных веществ с помощью живых организмов. Организмы, обитающие в водоемах регулируют кислородный режим и создают условия для растворения осаждения ряда металлов и неметаллов с переменной валентностью.

5. Деструктивная – разложение организмами и продуктами их жизнедеятельности как остатков органического вещества, так и косного вещества.

6. Транспортная – перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов.

7. Средообразующая – преобразование физико-химических параметров среды.

8. Рассеивающая – рассеивание вещества в окружающей среде. Проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов.

9. Информационная – накопление живыми организмами определенной информации, закрепление ее в наследственных структурах и передача последующим поколениям.

10. Биогеохимическая деятельность человека – превращение и перемещение веществ биосферы в результате человеческой деятельности для хозяйственных и бытовых нужд человека.