3. Процессы в биосфере

Специфической чертой биосферы как особой оболочки Земли является происходящий в ней круговорот веществ, регулируемый деятельностью живых организмов. Живое вещество выполняет в биосфере следующие биогеохимические функции:

1. газовую (поглощает и выделяет газы);

2. окислительно-восстановительную (окисляет, например, уг­леводы до углекислого газа и восстанавливает СО₂ до углеводов);

3. концентрационную (организмы-концентраторы накаплива­ют в своих телах и скелетах азот, фосфор, кремний, кальций, магний и другие элементы).

Охарактеризуем в более развернутом плане функции живого вещества в биосфере (Е.И.Шилова, Т.А.Банкина, 1994):

• энергетическая — характеризуется поглощением солнечной энергии при фотосинтезе, химической энергии в результате раз­ложения энергонасыщенных веществ; передачей энергии по пи­щевой цепи разнородного живого вещества;

• концентрационная — заключается в избирательном накопле­нии в ходе жизнедеятельности определенных видов вещества, ис­пользуемых для построения организма и удаляемых из него при метаболизме;

• деструктивная — реализуется через минерализацию био- и небиогенного органического вещества, разложение неживого не­ органического вещества, вовлечение образовавшихся веществ в биологический круговорот;

• средообразующая — связана с преобразованием физико-хими­ческих параметров среды;

• транспортная — выражается в переносе вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении.

В результате выполнения этих функций живое вещество био­сферы из минеральной основы создает, в частности, природные почвы и воды. При участии биоты происходит выветривание, в результате которого горные породы включаются в геохимические процессы. Газовая и окислительно-восстановительная функции вещества тесно связаны с процессами фотосинтеза и дыхания. Живые организмы создали в прошлом и поддерживают милли­оны лет атмосферу нашей планеты в результате процессов жизне­деятельности автотрофных фотосинтезирующих организмов. Уве­личение концентрации кислорода в атмосфере планеты повлия­ло, в частности, на скорость и интенсивность окислительно-вос­становительных реакций в литосфере. Например, многие микро­организмы непосредственно участвуют в окислении железа и об­разовании железных руд или восстанавливают сульфаты, образуя биогенные местонахождения серы.

Концентрации вещества, которые используются для жизнедея­тельности живых организмов, регулируются биохимическими про­цессами. Конечно, биота не может изменить такие природные процессы, как поток солнечного излучения, приливы и отливы, вулканическая деятельность. Однако неблагоприятные изменения биота может компенсировать путем направленного изменения концентраций биогенов в окружающей среде. Например, атмос­ферная концентрация СО₂ регулируется биотой океана. Анализ пузырьков воздуха в ископаемых льдах Гренландии и Антарктиды показал, что концентрация углекислого газа в атмосфере остава­лась постоянной сотни тысяч лет.

Основным процессом, происходящим в биосфере, является фотосинтез. Солнечная энергия, поступающая на Землю, расхо­дуется биосферой на развитие жизни. Типичным примером фото­синтеза может служить реакция образования глюкозы из Н₂О и СО₂, протекающая при участии хлорофилла зеленых растений за счет энергии солнечного излучения. Обратный процесс, при ко­тором вновь образуются диоксид углерода и вода, называют дыха­нием:

В общем случае этот процесс можно записать в виде реакции

где X = О, S (для анаэробных организмов).

Природный процесс фотосинтеза — окислительно-восстано­вительная реакция, протекающая в два этапа: первый — образо­вание О₂ при поглощении нескольких квантов света (окисление), второй — темновая реакция синтеза органического вещества. Ме­тодом «меченых» атомов экспериментально установлено, что кис­лород образуется из молекул воды, а не из углекислого газа:

• окисление

• восстановление

Подсчитаем, сколько квантов света необходимо для получения одной молекулы кислорода. Известно, что для фотосинтеза глю­козы необходимо затратить 708 ккал = 2974 кДж (на шесть молей воды). На две молекулы Н₂О приходится 708 : (3 • 6,02•10²³) = 39,15 • ^10-23 ккал = 164- ^10-23 кДж.

Квант света при длине волны, например, X = 0,65 мкм облада­ет энергией

Таким образом, для получения одной молекулы кислорода не­обходимо для данной длины волны самое меньшее пять квантов (164: 30 = 5,46). Для более коротковолновой области спектра количество квантов для получения одной молекулы кислорода будет меньше, для ИК области — больше. Например, для λ = 6,5 мкм имеем hv = 7,2 • 10^-24 ккал, т.е. один квант в видимой области при λ = 0,65 мкм эквивалентен 10 квантам при λ = 6,5 мкм.

Каждый год фотосинтезирующими организмами (главным об­разом зелеными растениями) на Земле создается около 100 млрд т органического вещества. Такое же количество за этот промежуток времени окисляется, превращаясь в СО₂ и Н₂О, в результате ды­хания всех живых организмов планеты. Зеленые растения — ос­новные поставщики атмосферного кислорода. Ежегодно всей рас­тительностью планеты воспроизводится около 2,5 • 10¹¹ т кисло­рода. А среди 3 млн видов живых организмов растений, как указы­валось ранее, не так уж и много — всего 300 тыс. видов. Вот поче­му и с этой точки зрения так важно оберегать и сохранять зеле­ный покров нашей планеты, постоянно восстанавливая посадки лесов после их вырубки. Интересно отметить, что биомасса расте­ний использует для фотосинтеза лишь небольшую часть солнеч­ной энергии, поступающей на Землю, — всего 0,03 %. За счет этой энергии ежегодно воспроизводится (1,5 — 5,5)- 10⁹ т расти­тельной биомассы на суше, а в морях — в пять-шесть раз больше.

Для химических процессов в биосфере характерны следующие особенности:

• участие в химических и биохимических реакциях большого числа органических и неорганических веществ;

• химические реакции смешанного типа, часто без непосред­ственного контакта взаимодействующих веществ (например, окис­литель и восстановитель в живых организмах в большинстве слу­чаев находятся в разных частях тела);

• неравновесность процессов;

• участие в химических реакциях живых организмов.

Записать химические реакции, протекающие в биосфере, в виде уравнений в большинстве случаев сложно или даже невозможно. Обычно рассматривают лишь общую схему процесса. Например, для анализа взаимодействия планктона с кислородом первый ус­ловно представляют в виде (CH₂О)₁₀₆(NH₃)₁₆H₃PО₄. Тогда процесс окисления планктона можно записать в виде

В основе учения о биосфере лежит понимание диалектического единства, взаимосвязи и взаимообусловленности процессов меж­ду минеральной, водной и газовой оболочками Земли. Приведен­ная на рис. 3 функциональная схема показывает всеобщность и разнообразие взаимодействий между атмосферой (А), гидросфе­рой (Г), литосферой (Л) и биосферой (Б), которая объединяет все оболочки. Стрелками показаны возможные взаимодействия и обмен веществом и энергией между оболочками планеты с уче­том их постоянного и переменного состава, обусловленного ант­ропогенными загрязнителями.

Рис. 3. Схема обменных вза­имодействий в биосфере:

А — атмосфера; Б — биосфера; Г — гидросфера; Л — литосфера.

За миллиарды лет существования биосфера прошла сложный путь развития, называемый эволюцией. В течение большой части геологического периода Земли заметная часть органического ве­щества не расходовалась и не разлагалась. Ученые полагают, что избыток органического вещества привел к образованию горючих ископаемых, используя которые человек и совершил промыш­ленную революцию. Преобладание фотосинтеза над дыханием яви­лось причиной уменьшения СО₂ в атмосфере и накопления кис­лорода, что сделало возможным эволюцию и развитие высших форм жизни на планете.

В настоящее время в отличие от первичной биосферы выделя­ется некоторое новое состояние природы — биотехносфера. Со­гласно этой концепции человек в будущем должен проектировать и формировать новую природно-техногенную среду, способствуя устойчивому и гармоничному развитию глобальной системы «При­рода — Общество». Техника не должна быть чужда биосфере, она должна стать качественно новой. Образно можно сказать, что тех­ника, механизмы и технологии XX в. будут губительны для XXI в. Но главное — новым должно стать мировоззрение людей планеты. До сих пор система преподавания естественно-научных дисцип­лин, давая знания, ориентировалась в основном на разум челове­ка. В эпоху научно-технической революции это приносило (и при­носит) ощутимые и убедительные плоды. Но в эпоху глобальных и местных экологических проблем необходимо достучаться и до души человека. Только когда будет достигнута «критическая мас­са» таких людей, особенно среди специалистов, создателей тех­носферы, можно рассчитывать на реальные положительные ре­зультаты. Сейчас даже само техническое знание должно носить гуманитарный характер.

Возникает вопрос: каким путем пойдет развитие человека в биосфере, как избежать необратимых последствий и предотвра­тить распад биосферы, если невозможно остановить социальный и научно-технический прогресс человеческого общества. Очевид­но, следует так управлять взаимоотношениями человека с био­сферой, чтобы они были взаимовыгодны и не привели к деграда­ции биосферы. С экологических позиций можно говорить о сба­лансированности процессов положительной и отрицательной об­ратной связи между обществом и средой. Данный этап эволюции жизни рассматривается как ноогенез — развитие коллективного разума. Только тогда будет происходить постепенное превращение биосферы в ноосферу, ибо последняя — высшая ступень развития биосферы, сфера разума.

Основателем учения о ноосфере и ее современном понимании был В. И. Вернадский. Он показал, что ноосфера находится не над биосферой, не вне ее, а является закономерным и неизбежным этапом разумного регулирования взаимоотношений человека и природы. К этому должно стремиться все человечество во имя со­хранения жизни на планете Земля. На это, а также на устойчивое развитие системы «Природа — Общество — Человек» должно быть ориентировано и экологическое (ноосферное) образование.