(41) 5. Учение в.И. Вернадского о биосфере, основные его положения

 

   Центральным пунктом изучения в теории Вернадского является понятие о живом веществе, т.е. совокупности всех живых организмов. Кроме живого вещества Вернадский выделял еще косное вещество (воздух, вода, минералы). Между живым веществом и косным находятся биокосные вещества (остатки живых организмов, например, навоз).

   Отличия живого вещества от косного заключаются в следующем:

1. изменения и процессы в живом веществе происходят быстрее, чем в косных телах, поэтому для характеристики изменений в живом веществе используется понятие исторического времени, а в неживых телах геологического времени. 1 секунда геологического времени = 100 тысяч лет исторического;

2. в живых организмах существует непрерывный ток атомов: из живых в неживое, и наоборот;

3. только в живых организмах происходят качественные изменения в ходе геологического времени, т.е. эволюция;

4. живые организмы изменяются в зависимости от окружающей среды.

   Вернадский выдвинул предположение, что живые организмы сами по себе эволюционируют. Он поставил вопрос: «Есть ли у жизни начало?», на который он отвечает в поддерживаемой им концепции вечной жизни о том, что Земля существует вечно, и поэтому жизнь на ней не имеет начала.

   Согласно данной теории биосфера выполняет несколько функций:

1. кислородная, т.к. часть биосферы выделяет кислород;

2. почвообразующая;

3. хемосинтезирующая – синтез органических веществ из неорганических, возможный только в бактериях (например, только бактерии способны аккумулировать азот из воздуха);

4. круговорот веществ (атомов) в природе, в котором участвует вся атмосфера в целом;

5. структурная – некоторые живые организмы способны изменять облик Земли и т.д.

   По Вернадскому работа живого вещества в биосфере может быть выражена в двух основных формах:

• химическая или биохимическая ( I род геологической деятельности );

• механическая ( II род геологической деятельности).

   I род геологической деятельности проявляется в обмене веществ внутри живых организмов, в результате которого происходит постоянных кругооборот атомов.

   При этом большое значение имеет количество пропускаемых веществ через тот или иной живой организм. По некоторым данным установлено, что через организм человека за всю его жизнь проходит около: 75 т воды, 17 т углеводов, 2,5 т белка, 1,5 т жира.

   Сущность II рода геологической деятельности проявляется только в тех экосистемах, где хорошо развит почвенный покров, который позволяет создавать норы, укрытия, т.е. разрыхлять почву.

   Вернадский для понимания работы живого вещества в биосфере ввел 3 биогеохимических принципа:

1. биогенная миграция атомов всегда стремится к максимальному значению. Это выражается в способности некоторых живых организмов неограниченно размножаться;

2. эволюция видов в ходе геологического времени ведет к образованию таких организмов, которые увеличивают миграцию атомов;

3. заселение планеты должно быть максимально возможным для всего живого вещества.

   С появлением человека, по учению Вернадского, биосфера переходит в качественно новую сферу – ноосферу, т.е. сферу человеческого разума.

   Для этого должны быть выполнены следующие условия:

1. заселение человеком всей планеты;

2. резкое преобразование средств связи и обмена между странами;

3. усиление связей, в т.ч. политических, между всеми странами;

4. начало преобладания роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в земной коре;

5. расширение границ биосферы и выход в космос;

6. открытие новых источников энергии;

7. равенство людей всех рас и религий;

8. увеличение роли народных масс в решении вопросов внутренней и внешней политики;

9. свобода научной мысли и научного искания от давления религиозных, философских и политических построений, а также создание в государстве благоприятных условий для свободного развития научной мысли;

10. продуманная система народного образования и повышения благосостояния трудящихся; создание реальной возможности не допустить голода, нищеты;

11. разумное преобразование первичной природы Земли с целью сделать ее способной удовлетворить все материальные, эстетические и духовные потребности;

12. исключение войн из жизни общества.

6. Органические вещества, их классификация, значение в живой природе

 

   До начала XIX столетия все известные вещества делили по их происхождению на две группы: вещества минеральные и вещества органические. Многие ученые тех времен считали, что органические вещества могут образоваться только в живых организмах при помощи «жизненной силы». Такие идеалистические взгляды назывались виталистическими. Виталистические взгляды о невозможности синтезировать органические вещества из неорганических задерживали развитие химии.

   Большой удар взглядам виталистов нанес немецкий химик Ф. Велер. Он получил органические вещества из неорганических: в 1824 г. – щавелевую кислоту, а в 1828 г. – мочевину.

   Дальнейшие органические синтезы (в 1845 г. немецкий ученый Г. Кольбе искусственным путем получил уксусную кислоту, в 1854 г. французский ученый М. Бертло синтезировал жиры, а в 1861 г. русский ученый А.М. Бутлеров получил сахаристое вещество) полностью опровергли утверждение виталистов о том, что органические вещества могут образоваться только в живых организмах.

   Почему же тогда органические вещества рассматривают в специальном курсе, который традиционно называют органической химией? Одной из причин этого является тот факт, что в состав молекул всех органических веществ входит углерод, тогда как в неорганической химии подобного примера нет. (Однако это определение не является абсолютно точным, т.к., например, оксиды углерода (IV и II), угольная кислота, карбонаты, карбиды и некоторые другие соединения, в состав молекул которых входит углерод, по характеру свойств относят к неорганическим веществам.)

   Насчитывается около 6,5 млн. органических веществ, и их число продолжает расти. Это объясняется тем, что атомы углерода способны соединяться между собой и образовывать различные цепи практически любого размера. Неорганических веществ известно же всего около 500 000.

   Самая краткая классификация органических соединений выглядит следующим образом:

• предельные углеводороды (алканы или парафины);

• циклопарафины (циклоалканы);

• непредельные углеводороды (этилен и его гомологи, алкадиены, каучуки, ацетилен и его гомологи);

• ароматические углеводороды (арены);

• спирты;

• фенолы;

• альдегиды;

• карбоновые кислоты;

• сложные эфиры;

• жиры;

• углеводы (глюкоза, сахароза, крахмал, целлюлоза);

• амины;

• аминокислоты;

• белки.

   Ценный вклад в развитие органической химии внес русский ученый А.М. Бутлеров, который создал теорию химическог строения органических соединений. На основе этой теории органическая химия стала быстро развиваться как отдельная отрасль науки. В сравнительно короткий срок было синтезировано множество органических соединений, и возникли совершенно новые отрасли химической промышленности. Русский ученый Н.Н. Зинин в 1842 г. разработал промышленный метод получения анилина из бензола. Этот метод стал основой для производства синтетических красителей. Огромную роль в развитии органической химии и химической промышленности сыграли также С.В. Лебедев, В.В. Марковников, Н.Д. Зелинский.

   В наши дни особая роль принадлежит органической химии в разработке методов производства веществ, заменяющих жиры и масла, а также предназначенных для переработки сельскохозяйственных продуктов, нефти, природного газа и каменного угля.

(40)  Биосфера и ее структура

Понятие о биосфере. Изучение многообразия форм органического мира и закономерностей его развития не будет полным без понимания места и роли живых организмов в целом на всей планете Земля.

Термин «биосфера» предложил в 1875 г. австрийский геолог Эдуард Зюсс (1831 —1914), однако его точного определения он не дал. Спустя полстолетия русский геохимик В.И. Вернадский (1863—1945) создал учение о биосфере, основные положения которого он изложил в опубликованной в 1926 г. небольшой брошюре под названием «Биосфера». В.И. Вернадский назвал биосферой оболочку Земли, основная роль в формировании которой принадлежит живым организмам.

Живое вещество — главная биогеохимическая сила в биосфере. Главным компонентом биосферы является живое вещество — совокупность всех живых организмов планеты, численно выраженная в элементарном химическом составе, массе, энергии. Это вещество геохимически чрезвычайно активно, так как при осуществлении процессов питания, дыхания, выделения, размножения оно тесно связано с окружающей средой, благодаря чему почти все химические элементы проходят в общей цепи превращений через биогеохимическое звено. Таким образом, жизнедеятельность организмов — это глубокий и мощный геологический процесс планетарного характера. Миграция химических элементов из организма в среду и обратно не прекращается ни на секунду. Эта миграция была бы невозможной, если бы элементарный химический состав организмов не был близок к химическому составу земной коры. В,И. Вернадский писал: «Организм имеет дело со средой, к которой не только он приспособлен, но которая приспособлена и к нему».

Благодаря зеленым растениям, осуществляющим процесс фотосинтеза, в биосфере создаются сложные по строению молекулы органических веществ. Заключенную в них энергию используют для процессов жизнедеятельности гетеротрофные организмы. В этом состоит космическая функция зеленых растений биосферы. Без живого вещества работа солнечного луча сводилась бы лишь к перемещению газообразных, жидких и твердых тел по поверхности планеты и к временному их нагреванию. Живое вещество выступает в качестве гигантского аккумулятора и уникального трансформатора связанной лучистой энергии Солнца. Солнечная энергия без живого вещества не совершала бы на Земле созидательной деятельности, так как не могла бы ни удержаться на ней, ни преобразоваться в необходимую для этого энергию.

Улавливание солнечной энергии осуществляется преимущественно растениями. Но в удержании и преобразовании заключенной в них энергии Солнца, перемещении ее по поверхности, а также из внешнего в более глубокие слои планеты принимает участие все живое вещество. Этот процесс осуществляется благодаря размножению, последующему росту и перемещению организмов. Скорость размножения, по В.И. Вернадскому, — это скорость передачи в биосфере геохимической энергии.

Элементарной структурной и функциональной единицей биосферы является биогеоценоз. Именно в биогеоценозе организмы и среда их обитания тесно взаимно приспособлены друг к другу и благодаря этому осуще-ствяетсябиологический круговорот веществ — основа бесконечности жизни

на планете. В ходе осуществления биологического круговорота ограниченные запасы химических веществ приобретают свойство бесконечных, так как находятся в непрерывном круговом обращении. Поэтому круговорот веществ в видебиогеохимических циклов является необходимым условием существования биосферы. Весь круговорот веществ в биосфере происходит благодаря одному источнику энергии — Солнцу. Между величиной поступающей на планету солнечной энергии и количеством образуемого живого вещества установилась тесная зависимость. Так, в результате многолетних исследований ученых разных стран удалось подсчитать, что ежегодно в биосфере образуется примерно 150—200 млрд т сухого органического вещества.

Таким образом, создание учения о биосфере явилось важным достижением человечества. Впервые живая природа стала рассматриваться как целостная система, тесно взаимодействующая с абиотической средой. В.И. Вернадский заложил основы современных научных представлений о планетарном и космическом значении жизни, о взаимосвязи и взаимодействии живой и неживой природы.

Протяженность биосферы. На планете Земля различают несколько геосфер, в пределах которых существует жизнь (рис. 7.2).

Атмосфера — воздушная оболочка Земли. С высотой плотность воздуха быстро убывает: 75% массы атмосферы сосредоточено в слое до 10 км, 90% — до 15 км, 99% — до 30 км, 99,9% — до 50 км. Воздух, лишенный влаги и твердых примесей, состоит из азота (78,1%), кислорода (21%), аргона (0,9 %), углекислого газа (около 0,03%) и незначительного количества некоторых других газов.

Большое влияние на состояние атмосферы, т.е. на формирование погоды и климата, играют различные примеси — переменные составные части атмосферы. К важнейшим из них относится вода, которая в виде водяного пара содержится в нижнем 20-километровом слое атмосферы. Водяной пар вместе с углекислым газом, метаном и некоторыми другими примесями участвует в нагревании внутренних слоев атмосферы (так называемый парниковый эффект). Это обусловлено способностью атмосферы пропускать солнечную радиацию к поверхности Земли и поглощать отраженное от нее тепловое излучение. Благодаря парниковому эффекту температура в атмосфере растет с понижением высоты, и ее нижние слои оказываются теплыми.

Область биосферы простирается лишь в нижнем слое атмосферы — тропосфере (от греч. tropos — перемена). Высота тропосферы изменяется от 8—10 км в полярных широтах до 16—18 км на экваторе. Над тропосферой располагаетсястратосфера (от лат. stratum — слой) высотой 100 км. В ней на высоте 15—25 км свободный кислород под влиянием солнечной радиации превращается в озон (О 2-> О 3), который, образуя экран, поглощает губительное для живых организмов коротковолновое ультрафиолетовое излучение.

Литосфера (от греч. lithos — камень) — внешняя твердая оболочка планеты. В ней различают два слоя: верхний — слой осадочных пород с гранитом и нижний — базальтовый. Слои расположены неравномерно, поэтому в некоторых местах гранит выходит на поверхность. Граница распространения живого вещества в литосфере не опускается ниже 3—4 км. На такой глубине можно встретить лишь анаэробных бактерий. Наибольшая плотность живого вещества в литосфере отмечается в поверхностном слое земной коры — почве.

Гидрьсфера представляет собой совокупность вод океанов, морей, озер, рек, подземных вод и ледяных покровов. Гидросфера образует прерывистую водную оболочку планеты. Основная масса вод сосредоточена в Мировом океане, средняя глубина которого составляет 3,8 км, максимальная (Мариинская впадина Тихого океана) — 11,034 км. Незначительная часть гидросферы представлена пресными водами.

Живые организмы населяют всю толщу гидросферы вплоть до максимальных ее глубин, однако наибольшая их плотность приходится на поверхностные слои и прибрежье, прогреваемые и освещаемые солнцем. Зоны непосредственного контакта и активного взаимодействия литосферы, атмосферы и гидросферы плотнее всего заселены живыми организмами, так как в этих местах создаются наиболее благоприятные условия для жизни — оптимальные температура, влажность, наличие кислорода и необходимых для жизнедеятельности организмов химических элементов.

Пространственная неоднородность биосферы. Условия для жизни организмов в биосфере чрезвычайно разнообразны. Особенно они различаются

в наземной и водной средах. Поэтому выделяют континентальную и океаническую части биосферы.

Континентальная часть биосферы — суша — занимает 148 млн км 2 , или 29% всей площади планеты. Особенностью ее является крайняя неоднородность, выражающаяся в наличии широтной и высотной зональности.

Широтная зональность обусловлена шарообразностью нашей планеты и наклоном ее оси вращения, вследствие чего земная поверхность неодинаково обеспечивается теплом и влагой. Наибольшее количество тепла получают тропические и субтропические пояса, наименьшее — полярные. Наблюдается большое различие и в обеспеченности разных областей влагой. Например, для тундры характерен избыток, а для пустынь — недостаток атмосферных осадков, области умеренных широт характеризуются средними величинами водообеспечения.

Высотная ландшафтная зональность континентальной части биосферы формируется в связи с тем, что с увеличением высоты местности воздух становится более разреженным, с меньшим содержанием кислорода, углекислого газа и водяных паров, а температура его понижается. Из-за недостатка углекислого газа и влаги нарушается нормальный ход фотосинтеза, поэтому на высотах более 6 тыс. м высшие растения не произрастают.

Океаническая часть биосферы занимает 361 млн км 2, или 71% площади планеты. Определяющими факторами жизни организмов в ней являются солевой и газовый состав воды, содержание биогенных элементов, глубина, подвижность вод. Для этой части биосферы также характерна зональность. По условиям жизни особенно различаются между собой полярные и экваториально-тропические зоны гидросферы, а также поверхностная ее часть, освещаемая солнцем, и глубинная зона, куда солнечный свет не проникает. Наиболее благоприятна для развития жизни в гидросфере небольшая по площади (8%) прибрежная зона — шельф, которая хорошо освещена и обогрета солнечными лучами, обеспечена достаточным количеством элементов минерального питания, поступающих из донных отложений и поверхности суши. Большая часть площади дна Мирового океана расположена на глубинах более 4000 м и около четверти площади — на глубинах более 5000 м. Температура здесь низкая (от 0,5 до 4°С) и довольно постоянная. Свет в эту зону не проникает. На морском дне происходит накопление органических остатков в виде ила и других отложений.

Распределение живого вещества в биосфере. Биомасса живого вещества продуцентов (зеленых растений) и консументов (животных и микроорганизмов) в океанической и континентальной частях биосферы приведена в таблице 7.1.

Представленные в таблице данные свидетельствуют о том, что основная масса живого вещества биосферы (свыше 99,8%) сосредоточена на континентах. Вклад океаносферы в общую биомассу составляет только 0,13%.