3.2 Состав и границы биосферы. Функции живого вещества в биосфере

Биосфера является одной из геологических оболочек Земли или геосфер.

Совокупная биомасса Земли составляет примерно 2,4 ∙ 10¹² т (около 0,01 % массы всей биосферы). 97 % из этого количества занимают растения, 3 % – животные. В настоящее время на Земле известно несколько миллионов видов живых организмов.

Границы биосферы

• Верхняя граница в атмосфере: примерно 20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое УФ-излучение, губительное для живых организмов.

• Нижняя граница в литосфере: примерно 3 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами.

• Нижняя граница в гидросфере: 10÷11 км. Она определяется дном Мирового Океана, включая донные отложения.

Таким образом, в состав биосферы входят следующие основные компоненты:

Абиотическая часть:

• Атмосфера – до высоты озонового слоя, т.е. до 20 км

• Гидросфера – вся (подземные и поверхностные воды)

• Литосфера – до глубины 3 км

• Почвы

Биотическая часть:

• Живое вещество планеты – совокупность живых организмов планеты как единое целое.

Функции живого вещества в биосфере:

1. Энергетическая

2. Газовая

3. Концентрационная

4. Окислительно-восстановительная

5. Деструктивная

6. Транспортная

7. Средообразующая

8. Информационная.

3.3 Биогеохимические круговороты веществ

В организмах содержатся все известные сегодня химические элементы. Если некоторые из них (водород, кислород, углерод, азот, фосфор и другие) являются основой жизни, то другие (рубидий, платина, уран) имеются в организмах в очень малых количествах. Организмы участвуют в миграции химических элементов как прямо (выделение кислорода в атмосферу, окисление и восстановление различных веществ в почвах и гидросфере), так и косвенно (восстановление сульфатов, окисление соединений железа, марганца и других элементов). Биогенная миграция атомов вызвана тремя основными процессами: обменом веществ, ростом и размножением организмов. Огромную роль в биогеохимической активности играет человек, извлекая ежедневно в ходе добычи полезных ископаемых миллиарды тонн горной породы. Влияние человека на глобальные геохимические процессы с каждым годом только растёт.

Циклические процессы перемещения и превращения веществ называются круговоротами веществ. Важнейшими из них являются круговорот воды (гидрологический цикл), кислорода, углерода, азота, фосфора, кальция и других элементов.

Вода испаряется с поверхности океанов и морей, переносится ветром в виде туч и осадками выпадает на сушу. Часть воды испаряется с суши обратно в атмосферу, другая часть через грунтовые воды даёт начало рекам, третья часть поглощается организмами. По пути сквозь горные породы вода вымывает минеральные вещества; в конце концов они попадают в океан, изменяя с течением времени его состав. На круговорот воды в природе тратится огромная энергия: 10,5 ∙ 10³² Дж в год (10 % всей получаемой Землёй от Солнца энергии).

Рисунок – Круговорот воды в природе

Кратко остановимся на круговоротах важнейших веществ.

Круговорот углерода. Углерод поглощается из атмосферы растениями, растения поедаются животными. Скорость усваивания углерода растениями составляет 1,5 ∙ 10¹¹ т в год (для сравнения общая масса углерода в растениях составляет около 5 ∙ 10¹¹ т, в животных – 5 ∙ 10⁹ т, в атмосфере – 6,4 ∙ 10¹¹ т). В результате дыхания часть углерода возвращается обратно в атмосферу. Из останков мёртвых организмов углерод попадает в почву и накапливается там, образуя гумус, торф, каменный уголь, нефть, природный газ. В активном круговороте углерода участвует лишь небольшое количество этого элемента; огромные запасы углерода законсервированы в известняках и других породах.

Сжигание этих веществ увеличивает содержание углекислого газа в атмосфере, что по некоторым данным увеличивает парниковый эффект.

Рисунок – Круговорот углерода

Рисунок – Схема круговорота углерода

Круговорот кислорода. Кислород выделяется в процессе фотосинтеза в атмосферу и поглощается из неё организмами во время дыхания, связываясь при этом в углекислом газе. Используется кислород и редуцентами – при разложении мёртвой органики. В верхних слоях атмосферы происходит взаимное превращение кислорода в озон и обратно под действием солнечных лучей. Небольшое количество кислорода фиксируется в полезных ископаемых.

Человек вносит заметные изменения в круговорот кислорода. Всё больше и больше кислорода связывается за счёт сжигания органического топлива (каменного угля, нефти, газа). Использование хлорфторуглеводородов (например, фреона) истончает озоновый слой, который защищает всё живое на Земле от губительных ультрафиолетовых лучей.

Рисунок – Упрощенная схема некоторых путей круговорота кислорода на Земле

Рисунок – Упрощенная схема круговорота кислорода в биосфере

Круговорот азота. Большинство живых организмов не могут усваивать азот в газообразной форме. Исключением являются только некоторые бактерии и сине-зелёные водоросли (при этом некоторые бактерии наоборот восстанавливают нитраты до молекулярного азота). В растениях азотсодержащие соли преобразуются в органические соединения, которые передаются дальше по цепям питания. Обратно в среду соединения азота попадают с мочой или уже после гибели организма.

Чрезмерное использование азотистых удобрений приводит к увеличению содержания нитратов в пищи. Кроме того, растения усваивают лишь часть (меньшую часть) удобрений, а остальное смывается дождями в водоёмы, что в конечном итоге приводит к зарастанию водоёмов водорослями.

Рисунок – Круговорот азота

Рисунок – Схеме круговорота азота

Круговорот серы. Сера поступает в пищевые цепи через растения. Сера содержится в любом организме как составная часть протеинов. После гибели организма сера редуценты разлагают серосодержащие соединения до сульфатов и сероводорода (последний является причиной характерного запаха, например, от тухлых яиц). Окисление и восстановление серы также производится с участием бактерий-продуцентов. Накапливаясь в горных породах и полезных ископаемых, сера постепенно выводится из круговорота. Обратно она возвращается с вулканическими газами и в процессе выветривания горных пород.

Сжигание полезных ископаемых приводит к выбросу в атмосферу оксида серы SO₃. Растворяясь в дождевой воде, это вещество вызывает кислотные дожди, губительно действующие на наземные и водные экосистемы.

Рисунок – Круговорот серы

Круговорот фосфора. В отличие от других макроэлементов из круговорота фосфора исключена газообразная форма; в атмосфере он может присутствовать только в виде пыли. В пищевую цепь фосфор поступает в виде фосфатов, преобразуясь в продуцентах в органические вещества. После гибели организма редуценты разлагают органику с выделением фосфатов, замыкая круговорот фосфора. Часть фосфора изымается из круговорота в осадочных породах; обратно этот фосфор возвращается в процессе выветривания.

Человек вносит на поля фосфатные удобрения; большая часть из них смывается в водоёмы. При изобилии фосфатов начинается взрывообразный рост одноклеточных водорослей – водоёмы «цветут». Редуценты перестают справляться с разложением отмерших водорослей, и над водоёмом появляется характерный запах. Кроме того, при разложении отмерших водорослей расходуется большое количество кислорода; его перестаёт хватать рыбам и другим водным животным.

Рисунок – Круговорот фосфора

3.4 Биоразнобразие биосферы как результат ее эволюции

Биоразнообра́зие (биологи́ческое разнообра́зие) — разнообразие жизни во всех ее проявлениях. В более узком смысле, под биоразнообразием понимают разнообразие на трех уровнях организации: генетическое разнообразие (разнообразие генов и их вариантов — аллелей), разнообразие видов в экосистемах и, наконец, разнообразие самих экосистем.

Биоразнообразие — ключевое понятие в природоохранном дискурсе. На саммите ООН в Рио де Жанейро (1992 год) биоразнообразие было определено как «вариабельность живых организмов из всех источников, включающих, inter alia (лат. „среди прочих“) наземные, морские и прочие водные экосистемы и экологические комплексы, частью которых они являются: это включает разнообразие в пределах вида, разнообразие видов и разнообразие экосистем». Это определение стало официальным определением с точки зрения буквы закона, поскольку вошло в конвенцию ООН по вопросам биоразнообразия, которая принята всеми странами Земли, за исключением Андорры, Брунея, Ватикана, Ирака, Сомали и США. ООН установила Международный день биологического разнообразия.

Международный день биологического разнообразия — отмечается ежегодно 22 мая начиная с 2001 года. Этот Международный день был провозглашён Генеральной Ассамблеей ООН (ГА ООН) в 1995 году в специальной резолюции (№ A/RES/49/119) на основе рекомендации Конференции сторон Конвенции о биологическом разнообразии (КБР), которая состоялась в 1994 году.

Регулярно публикуются послания Генерального секретаря ООН по случаю Международного дня биологического разнообразия. В послании 2005 года, в частности, сказано, что биоразнообразие это фактор, на котором зиждется устойчивое развитие и который обеспечивает защиту общества от последствий непредвиденных потрясений.

Основные этапы:

1. Образование органического вещества

2. Возникновение жизни - простейших живых организмов (анаэробных); более 3,5 млрд лет назад

3. Появление фотосинтезирующих микроорганизмов; ок. 3,5млрд лет назад (важнейший этап)

4. Появление многоклеточных организмов (ок. 1,4 млрд лет назат)

5. Возникновение большого числа новых форм жизни (губки, кораллы, черви, моллюски и др.); ок. 600 млн лет назад

6. Выход жизни на сушу вследствие накопления в атмосфере кислорода и образования озонового слоя, а так же дальнейшие процессы формирования почвы, растительного покрова, появления крупных млекопитающих и др.ок. 500 млн лет назад

7. Возникновение человека; ок. 100.000 лет назад.

Теорий возникновения жизни на Земле создано довольно много. Основные из них можно разбить на пять групп:

• креационизм;

• теория стационарного состояния;

• спонтанное зарождение;

• панспермия;

• биохимическая эволюция.

Креационизм. Креационисты уверены, что жизнь возникла в результате какого-то сверхъестественного события в прошлом; её придерживаются последователи большинства религиозных учений (особенно христиане, мусульмане, иудеи). Никаких научных подтверждений этой точки зрения нет: в религии истина постигается через божественное откровение и веру. Процесс сотворения мира мыслится как имевший место лишь единожды и недоступный для наблюдения. Этого достаточно, чтобы вынести указанную концепцию за рамки научного исследования.

Теория стационарного состояния. Согласно теории стационарного состояния Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда способна поддерживать жизнь, которая, если и изменялась, то очень мало. Сторонники этой теории считают, что наличие ископаемых остатков древних животных указывает лишь на то, что в исследуемый период их численность увеличивалась, либо они жили в местах, благоприятных для сохранения остатков. В настоящее время приверженцев этой теории почти не осталось.

Спонтанное зарождение. Теория спонтанного зарождения возникла в древнем Китае, Вавилоне и Греции в качестве альтернативы креационизму, с которым она сосуществовала. Приверженцем этой теории был и Аристотель. Её последователи считали, что определённые вещества содержат «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм. Одним из экспериментов, якобы подтверждавшим эту теорию, был эксперимент Ван Гельмонта, в котором у этого ученого за 3 недели из грязной рубашки и горсти пшеницы в тёмном шкафу появились мыши. Открытие Левенгуком микроорганизмов добавило ей новых приверженцев. Однако тщательные и аккуратные эксперименты, поставленные Франческо Реди, Ладзаро Спалланциани и Луи Пастером, поставили крест на теории спонтанного зарождения.

1

Рисунок - На найденном в Антарктиде метеорите обнаружены объекты, которые можно идентифицировать как следы жизнедеятельности микроорганизмов из космоса

Панспермия. Сторонники теории панспермии предполагают, что жизнь на Землю занесена извне с метеоритами, кометами или даже НЛО. Шансов обнаружить жизнь в пределах Солнечной системы (не считая Земли) ничтожно мало, однако, вполне возможно, что жизнь могла возникнуть возле какой-то другой звезды. Астрономические исследования показали, что в составе некоторых метеоритов и комет имеются органические соединения (в частности, аминокислоты), которые могли сыграть роль «семян» при падении на Землю. Однако, доводы панспермистов не дают ответа на вопрос, откуда взялась жизнь в других мирах.

Теория биохимической эволюции имеет наибольшее количество сторонников среди современных учёных. Земля возникла около пяти миллиардов лет назад; первоначально температура её поверхности была очень высокой. По мере её остывания образовались твёрдая поверхность (литосфера). Атмосфера, первоначально состоявшая из лёгких газов (водород, гелий), не могла эффективно удерживаться недостаточно плотной Землёй, и эти газы заменялись более тяжёлыми: водяным паром, углекислым газом, аммиаком и метаном. Когда температура Земли опустилась ниже 100° C, водяной пар начал конденсироваться, образуя мировой океан. В это время из первичных соединений и образовывалась сложные органические вещества; энергию для реакций синтеза доставляли грозовые разряды и интенсивная ультрафиолетовая радиация. Накоплению веществ способствовало отсутствие живых организмов – потребителей органики – и главного окислителя – кислорода.

2

Рисунок -В опытах Миллера и Опарина из углекислоты, аммиака, метана, водорода и воды в условиях, приближённых к атмосфере молодой Земли, удалось синтезировать аминокислоты, нуклеиновые кислоты и простые сахара

Наиболее сложной проблемой в современной теории эволюции является превращение сложных органических веществ в простые живые организмы. По-видимому, белковые молекулы, притягивая молекулы воды, образовывали коллоидные гидрофильные комплексы. Дальнейшее слияние таких комплексов друг с другом приводило к отделению коллоидов от водной среды (коацервация). На границе между коацерватом и средой выстраивались молекулы липидов – примитивная клеточная мембрана. Предполагается, что коллоиды могли обмениваться молекулами с окружающей средой (прообраз гетеротрофного питания) и накапливать определённые вещества. Образовывавшиеся параллельно нуклеиновые кислоты научились «запоминать» последовательность аминокислот, находящихся с ними в паре. В случае случайного разрушения они могли достаточно быстро восстановить белок. Впоследствии это обеспечило способность к самовоспроизведению протоорганизмов.

Некоторые учёные считают, что первыми организмами были не гетеротрофы, а хемолитотрофы, обеспечивающие свою жизнедеятельность за счёт оксилительно-восстановительных химических реакций. Выделение молекулярного кислорода в таких реакциях охлаждало протоорганизмы, что способствовало их сохранению (температура Земли на ранних стадиях эволюции была очень высока); образовывавшиеся в результате этого процесса углеводороды использовались для роста протоорганизмов. В результате повышения содержания кислорода в атмосфере появились организмы и с другими типами питания.

Возможно, именно так выглядел первый протоорганизм. Впрочем, ряд учёных весьма скептически настроены по отношению к этой гипотезе. «Мысль о возникновении живого в результате описанных выше случайных взаимодействий молекул так же нелепа, – говорят они, – как и утверждение о том, что торнадо, пронёсшееся над кучей мусора, способно собрать из неё «Боинг-747».