26. Живое вещество биосферы. Функции живого вещества. Геологический круговорот веществ в биосфере. Биологический круговорот веществ в биосфере. Эволюция биосферы. Понятия ноосферы и техносферы.

По Вернадскому, живое вещество — это совокупность существующих (или существовавших в определенный отрезок времени) живых организмов, являющихся мощным геологическим фактором. Живое вещество как биогеохимический фактор трансформирует солнечную энергию и вовлекает неорганическую материю в непрерывный круговорот. Через живое вещество многократно прошли атомы почти всех химических элементов. В конечном итоге живое вещество определило состав атмосферы, гидросферы, почв и в значительной степени осадочных пород нашей планеты.

Вернадский указывал, что живое вещество аккумулирует энергию космоса, трансформирует ее в энергию земных процессов (химическую, механи-ческую, тепловую, электрическую и пр.) и в непрерывном обмене веществ с косной материей планеты обеспечивает образование нового живого вещества, которое не только замещает отмирающие его массы, но и привносит новые качества, определяя процесс эволюции органического мира.

Таким образом, живое вещество биосферы химически и геологически является чрезвычайно активным. При его участии образуются органические осадочные породы — биогенные вещества биосферы, а также биокосные вещества — почти вся вода биосферы, почва, кора выветривания и т. д. Вместе с тем живое вещество контролирует все основные химические превращения в биосфере. Различают 5 основных функций живого вещества на нашей планете.

1. Энергетическая функция заключается в осуществлении связи биосферно-планетарных явлений с космическим излучением, преимущественно с солнечной радиацией. В основе этой функции лежит фотосинтетическая деятельность зеленых растений, в процессе которой происходит аккумуляция солнечной энергии и ее перераспределение между отдельными компонентами биосферы. За счет накопленной солнечной энергии протекают все жизненные явления на Земле.

2. Газовая функция обусловливает миграцию газов и их превращение, обеспечивает газовый состав биосферы. Преобладающая масса газов на Земле имеет биогенное происхождение. В процессе функционирования живого вещества появляются основные газы: кислород, азот, углекислый газ, сероводород, метан и др.

3. Концентрационная функция проявляется в извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов окружающей среды. Состав живого вещества существенно отличается от состава косного вещества планеты. В нем преобладают легкие атомы водорода, углерода, азота, кислорода, натрия, магния, алюминия, кремния, серы, хлора, калия, кальция. Концентрация этих элементов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде. Этим объясняется неоднородность химического состава биосферы.

4. Окислительно-восстановительная функция заключается в химическом превращении в основном веществ, содержащих атомы с переменной степенью окисления (соединения железа, марганца и др.). В результате происходит превращение большинства химических соединений. При этом на поверхности Земли преобладают биогенные процессы окисления и восстановления.

5. Деструкционная функция обусловливает процессы, связанные с разложением организмов после их смерти, вследствие которой происходит минерализация органического вещества, т.е. превращение живого вещества в косное. В результате образуются также биогенное и биокосное вещества биосферы.

С появлением живого вещества на основе круговорота атмосферы, воды, растворенных в ней минеральных соединений, т.е. на базе абиотического, геологического, круговорота возник круговорот органического вещества, или малый, биологический круговорот. По мере развития живой материи из геологического круговорота постоянно извлекается все больше элементов, которые вступают в новый, биологический круговорот. В отличие от простого переноса — перемещения минеральных элементов в большом круговороте — в малом круговороте самыми важными моментами являются синтез и разрушение органических соединений. Эти два процесса находятся в определенном соотношении, что лежит в основе жизни и составляет одну из главных ее особенностей. В противополож-ность геологическому биологический круговорот обладает более низкой энергией. На создание органического вещества, как известно, затрачивается всего 0,1—0,2% падающей на Землю солнечной энергии (на геологический круговорот — до 50%). Несмотря на это энергия, вовлеченная в биологический круговорот, затрачивается на огромную работу по созиданию на Земле первичной продукции.

С появлением на Земле живой материи химические элементы беспрерывно циркулируют в биосфере, переходя из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. Такая циркуляция по более или менее замкнутым путям называется биогеохими-ческим циклом. Основными биогеохимическими циклами являются круговороты кислорода, углерода, воды, азота, фосфора, серы и биогенных элементов.

Миграцию веществ в биогеохимических циклах можно рассмот-реть на примере круговорота углерода. На суше он начинается с фиксации СО₂ растениями в процессе фотосинтеза. Далее из СО₂ и Н₂О образуются углеводы и высвобождается О₂. При этом углерод частично выделяется во время дыхания растений в составе СО₂. Фиксированный в растении углерод в некоторой степени потребляется животными. Животные при дыхании также выделяют углекислый газ. Отжившие животные и растения разлагаются микроорганизмами, в результате чего углерод мертвого органического вещества окисляется до углекислого газа и снова попадает в атмосферу. Подобный круговорот углерода совершается и в океане.

По В.Р. Вильямсу, солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ — геологический, или большой, круговорот и малый, биологический (биотический), круговорот.

Геологический круговорот наиболее четко проявляется в круговороте воды и циркуляции атмосферы. На Землю от Солнца ежегодно поступает примерно 21-10²⁰ кДж лучистой энергии. Около половины ее расходуется на испарение воды. Это и обусловливает большой круговорот. Круговорот воды в биосфере основан на том, что суммарное ее испарение с поверхности Земли компенсируется выпадением осадков. При этом из океана испаряется воды больше, чем возвращается с осадками. На суше, наоборот, больше выпадает осадков, чем испаряется воды. Излишки ее стекают в реки и озера, а оттуда — снова в океан. В процессе геологического круговорота с одного места в другое в масштабе всей планеты переносятся минеральные соединения, а также изменяется агрегатное состояние воды (жидкая; твердая — снег, лед; газообразная — пары). Наиболее интенсивно вода циркулирует в парообразном состоянии.

Возникновение и развитие биосферы

Жизнь возникла на основе круговорота органического вещества, обусловленного взаимодействием процессов его синтеза и разрушения (деструкция). Это произошло вследствие того, что из общего геологического круговорота веществ выделился биотический круговорот. Живое вещество, образовавшись на Земле, вовлекло в грандиозный круговорот все элементы ее поверхности. Так начался процесс создания биосферы, продолжающийся до настоящего времени. Вначале биосфера функционировала как взаимодействие одноклеточных синтетиков и деструкторов между собой и с абиотическими факторами. Затем появились многоклеточные организмы. Они развились до современных форм, но тем не менее, как считает М.М. Камшилов, «прогрессивная эволюция биосферы невозможна без сохранения ее основы — круговорота органического вещества, регулируемого в основном деятельностью одноклеточных организмов. Как не могут нормально функционировать клетки мозга без клеток кишечника, почек, печени, крови, так же невозможно существование и развитие высших форм жизни без низших. Низшие одноклеточные — необходимая составная часть биосферы, обеспечивающая ее нормальное функционирование, а следовательно, и возможность прогрессивного развития. Их постоянство — основа эволюции всей биосферы».

Биосфера с момента возникновения претерпевает постоянные изменения, проявляющиеся в увеличении разнообразия видов, в усложнении их организации, в росте биомассы. В процессе жизнедеятельности организмов в корне преобразовалась и неживая часть биосферы. В атмосфере появился свободный О₂, а в ее верхних слоях — О₃ экран; углекислота, извлеченная организмами из воды и воздуха, законсервировалась в отложениях угля и карбоната кальция; некоторые вещества надолго выключились из круговорота веществ (залежи полезных ископаемых). Вместе с этим происходило выветривание горных пород, в котором живые организмы также принимали активное участие. Выделяя углекислоту, органические и минеральные кислоты, они способствовали тем самым миграции химических элементов. В геологических масштабах времени в истории Земли происходили очень значительные преобразования. Облик планеты постоянно менялся. На смену жаркому климату приходил холодный. В результате подъемов и опускания суши большим изменениям подвергались очертания и размеры материков и океанов. Возникали новые формы организмов, а неспособные продолжать «эстафету жизни» вымирали.

Основные этапы эволюции биосферы как глобальной среды жизни на Земле иногда целесообразно рассматривать с точки зрения закономерности и последовательности формирования основных сред жизни. С этой позиции четко выделяются 5 исторических этапов эволюции биосферы:

I — возникновение и развитие жизни в воде;

II — появление у гидробионтов симбионтов (паразиты, мутуалисты и др.), т.е. формирование новой среды жизни — организмов-хозяев;

III — заселение организмами суши со сформировавшимися новыми средами жизни: наземно-воздушной и почвой;

IV — появление человека и превращение его из обычного биологического вида в биосоциальное существо;

V — переход биосферы под влиянием разумной деятельности человека в новое качественное состояние — в ноосферу.

Эволюция органического мира на нашей планете прошла несколько этапов. Первый характеризовался возникновением биологического круговорота веществ и биосферы. Второй сопровождался формированием многоклеточных организмов и вследствие этого усложнением циклической структуры жизни. Эти два этапа часто называют биогенезом (отгреч. bios — жизнь и genesis — происхождение, возникновение).

Третий этап связан с появлением человеческого общества, под влиянием которого в современных условиях происходит дальнейшая эволюция биосферы и превращение ее в сферу разума — в ноосферу (от греч. noos — разум и sphaira — шар). Это новое состояние биосферы, когда разумная деятельность человека становится главным фактором, обусловливающим ее развитие.

Понятие ноосферы было введено в употребление Э.Леруа и П.Тейяром де Шарденом в 1927 г. Они характеризовали ноосферу как особый, надбиосферный «мыслительный пласт», который «окутывает планету». В 30–40-х гг. В.И. Вернадский дальше развил и углубил учение о ноосфере. Он указывал, что биосфера XX в. становится ноосферой, создаваемой прежде всего за счет развития науки и социального труда. Вернадский понимал под ноосферой новый этап в развитии биосферы и призывал к разумному регулированию отношений человека и природы. Он постоянно подчеркивал, что ноосфера — это биосфера, переработанная научной мыслью, что она «не есть кратковременное и преходящее геологическое явление».

По мере развития человеческое общество начинало оказывать все более разрушительное воздействие на биосферу. В современных условиях человек уже осознает, что он должен считаться с ее законами развития и возможностями. При переходе биосферы в ноосферу перед человечеством возникает огромная по масштабам и значению задача — научиться сознательно регулировать взаимоотношения общества и природы. Только целесообразная, осознанная и планомерная деятельность людей может обеспечить гармоническое развитие природы и общества, не ограниченное во времени. При этом ноогенез — этап становления ноосферы — предполагает развитие не только биосферы и общества, но и каждой отдельной личности.

Ноосфера — это период, когда человечество с помощью науки сможет осмысленно управлять природными и социальными процессами. Поэтому нельзя ноосферу считать особой оболочкой Земли. Ноосфера не может быть охвачена ни одной естественной наукой; здесь имеет место взаимодействие и взаимопроникновение естественных и общественных наук. Кризисные экологические ситуации, приближение глобального экологического кризиса, энергетический, продовольственный, экономический и другие кризисы — это результат социальных условий.

Техносфера - глобальная совокупность орудий, объектов и продуктов человеческого производства.

Техносфера - это глобальная совокупность орудий, объектов, материальных процессов и продуктов общественного производства. Техносферу можно определить также как пространство геосфер Земли, находящееся под воздействием производственной деятельности человека и занятое ее продуктами.

В XX в. человек раздвинул границы техносферы далеко за пределы биосферы - в ближний и дальний космос, в глубины земной коры, под дно океана, в субмолекулярный микромир, создав особую материально-энергетическую оболочку планеты. Она охватывает и пронизывает всю биосферу, особенно сильно на суше, и придает значительной части поверхности планеты совершенно особый облик. Вряд ли остались участки живой природы, которые не испытали бы на себе действие техногенеза. Мировое хозяйство стало не только глобальной технико-экономической, но и глобальной эколого-географической системой.

По различным оценкам, общая масса техносферы в настоящее время составляет от 10 до 20 тыс. Гт. (Это больше биомассы живого вещества всей биосферы! - см. §. 3.4). Основную ее часть образуют скопления горной массы, отработанных руд, перемещенных грунтов, производственных отходов, оставленные сооружения, развалины и т.п., т.е. накопившееся за всю историю человечества техногенное вещество. «Действующая» Техносфера, т.е. используемые людьми в настоящее время основные производственные фонды, сооружения, орудия производства, предметы потребления, составляет малую часть общей массы - всего лишь (!) 150 - 200 Гт. В них, в свою очередь, преобладают капитальные сооружения со сроками амортизации во многие десятки лет. Наиболее активная часть техносферы, т.е. вся совокупность орудий производства, машин, механизмов, агрегатов, реакторов, действующих коммуникаций и т.п., имеет массу порядка 10-15 Гт и в настоящее время обновляется за средний срок порядка 10 лет.