Происходят изменения рельефа суши. Теплые течения согревают атмосферу в тех местах, где они протекают; холодные наоборот — охлаждают. В виде пара и облаков вода постоянно находится в атмосфере. От рельефа местности зависит скорость и направление течения рек. В процессе извержении в атмосферу выбрасываются различные газы и вулканический пепел. От ветра зависит направление морских течений. Он также влияет на рельеф местности, особенно пустынь, покрытых песками. Количество осадков влияет на полноводность рек. Итак, между оболочками Земли существует постоянная связь. Они объединяются в целостную систему и создают условия, подходящие для .

Живые организмы, в свою очередь, также оказывают влияние на оболочки Земли.

Первые живые существа возникли в воде и были гораздо проще по сравнению даже с простейшими существами, которые живут в настоящее время. Водоросли обогатили воду и кислородом. Постепенно выходя на сушу, во влажных местах бактерии, одноклеточные животные и растения принимали участие в создании почвы. Таким образом создавались условия для жизни растений на суше. Растения обогатили воздух кислородом, способствовали созданию озонового экрана; используя солнечные лучи, создавали органические вещества, необходимые для животных. Постепенно живые организмы освоили все оболочки Земли. Они существенно изменили облик планеты: превратили верхнюю часть литосферы, создав почву; способствовали изменению состава атмосферы и гидросферы.

Живые организмы создают особую оболочку, которая проникает в другие сферы Земли и связывает все компоненты в крупнейшую экосистему — биосферу.

Биосфера — это оболочка Земли, которую образуют и на развитие которой влияют все живые организмы.

Верхняя граница биосферы находится в атмосфере, заселенной только до озонового экрана, так как низкие температуры и ультрафиолетовое излучение губительно действует на живых существ. Даже на высоте 20-25 км встречаются споры грибов, бактерии.

Гидросфера заселена полностью, но большее разнообразие организмов наблюдается в толще воды, куда проникает солнечный свет.

Нижняя граница биосферы проходит в литосфере. На глубинах 0,5 — 2 м от поверхности количество живых организмов быстро уменьшается. На глубине свыше 10 м. живые существа не встречаются, поскольку большая плотность среды и повышение температуры ограничивают возможность их существования. Но и здесь бывают исключения. В нефтяных месторождениях на глубине примерно 2-3 км были найдены бактерии.

Наибольшая плотность живых организмов на суше, поверхности воды океана и на его дне до глубины 200 м, куда еще поступают солнечные лучи. Именно на границе атмосферы, гидросферы и литосферы благоприятные условия для жизни.

Основные функции биосферы

Современная наука выделяет пять важнейших функций биосферы:

1. энергетическую функцию , которая выполняется за счет использования растениями энергии солнца в процессе фотосинтеза. На собственные нужды организма в среднем расходуется 10-12% ассимилированной ими энергии. Остальная ее часть перераспределяется внутри экосистемы: частично распределяется между остальными компонентами биосферы, частично накапливается в отмершей органике, образуя залежи биогенного вещества (торфа, угля, ), а частично рассеивается в атмосфере.
2. газовую функцию , которая обусловливает миграцию газов и их превращения, обеспечивает газовый состав биосферы. Преобладающая масса газов на Земле имеет биогенное происхождение. В процессе функционирования живого вещества создаются основные газы: азот, кислород, углекислый газ, сероводород, метан и др.
3. концентрационную функцию , которая заключается в избирательном извлечении и накоплении живыми организмами биогенных из окружающей среды. Благодаря этой функции живые организмы могут служить для человека источником как полезных (витаминов, аминокислот), так и опасных для здоровья веществ (тяжелых , радиоактивных элементов, ядохимикатов).
4. деструктивную функцию , которая состоит в разложении, минерализации мертвого вещества, в химическом разложении горных пород, вовлечении образовавшихся минералов в биотический круговорот. Специальная группа организмов (редуцентов) деструкторов разлагает мертвое органическое вещество до простых неорганических соединений: углекислого газа, воды, сероводорода, метана, аммиака, которые затем вновь используются в начальном звене круговорота.
5. средообразующую функцию , которая заключается в преобразовании физикохимических параметров среды (литосферы, гидросферы, атмосферы) в условия, максимально подходящие для существования живыхорганизмов. С известной долей условности можно утверждать, что эта функция является результатом совместного действия всех рассмотренных выше функций биосферы. В результате именно средообразующей функции образовался покров осадочных пород, был преобразован газовый состав атмосферы, изменился химический состав вод первичного океана, возник почвенный покров на поверхности суши.

Человек и биосфера

Появившись на Земле, человек получил от природы все необходимое для жизни: воздух, воду, пищу, почву, пригодную для земледелия, природные материалы для изготовления орудий труда и предметов быта.

За время своего существования на Земле человек очень долго была потребителем природных благ. Ему хватало чистой воды, чистого воздуха, плодородной почвы, рыбы в водоемах, зверей в лесах и степях; природных материалов было вполне достаточно для удовлетворения разнообразных потребностей. В то же время и самих людей на планете было сравнительно немного.

Но уже давно люди начали вмешиваться в жизнь естественных экосистем, разрушая их. Опустошив место жительства, люди кочевали в поисках новых, плодородных земель, богатых животными лесов. Убытки природы от деятельности человека все увеличивались.

Экосистемы сравнительно быстро преодолевали эти проблемы, восстанавливая и возрождая природные комплексы. Со временем численность человеческого населения на Земле росло. Появилась мощная техника, которую человек применял для удовлетворения своих потребностей, увеличилось влияние людей на окружающую среду. В результате деятельности человека изменяется состав атмосферы, гидросферы, литосферы. Любое вмешательство в биосферу меняет среду обитания, сказывается на жизнедеятельности организмов. Сейчас вред, который наносит человечество биосфере, может оказаться необратимым и непоправимым.

Человек давно заметил, что на бережное отношение природа всегда откликается. Примером положительной деятельности человека может быть создание парков, лесопарков, садов, скверов.

Карьеры, образовавшиеся после открытой разработки месторождений полезных ископаемых, существенно влияют на изменения рельефа. Но если засыпать их сначала шлаком, остающейся после сгорания угля на электростанциях, сверху покрыть слоем пустой шахтной породы и засыпать тонким слоем почвы, смешанным с золой из фильтров теплоэлектростанций, то на таком месте можно выращивать различные культурные растения.

Очистка воды в океане от загрязнения нефтью можно проводить с использованием бактерий, уменьшает вредное воздействие.

Для очистки пресных водоемов используются растения-санитары: водяной гиацинт, рогоз, хвощ болотный и другие.

Также важным вопросом на сегодня остается строительство очистных сооружений на производствах с вредными выбросами в атмосферу.

Человек может существовать только при использовании ресурсов биосферы. Мы должны познавать законы природы и использовать эти знания разумно. Человечество уже осознало необходимость научно обоснованного природопользования, когда достижения науки согласовывают деятельность человека и жизни природы. Это необходимые условия сохранения жизни на планете.

Охрана биосферы. Красная книга

Человек и биосфера неотделимы друг от друга. Функции биосферы обеспечивают человека необходимыми для жизни веществами и энергией. Человек заботится о биосфере: проявляет заботу о ее жителях, охраняет среду их обитания. Сейчас вопросы охраны биосферы волнует всех людей на Земле.

Международное сотрудничество по охране биосферы проявляется в создании таких организаций, как Гринпис, Общества по охране природы, Всемирного фонда охраны природы и других. Ученые обнаруживают виды и группировки организмов, которым угрожает опасность, выясняют, сколько их осталось в природе и где, разрабатывают мероприятия по охране окружающей среды. В 1948 при ООН была создана Комиссия по охране видов растений и животных, которые исчезают, а впоследствии — Международная Красная книга, в которую вошли данные о живых существах, которые оказались на грани вымирания.

В России первую Красную книгу выпустили в 1983 г. — это был том «Животные», а в 1988 г. к нему добавился том «Растения». Позже книга была переиздана в 2001 и в 2017 гг., каждый раз дополняясь. В Красную книгу занесено 8 видов земноводных, 21 вид пресмыкающихся, 128 видов птиц и 74 вида млекопитающих, всего вместе с беспозвоночными животными — 434 вида. Красная книга является государственным документом, который содержит сведения об исчезающих видах растений, животных, грибов и советы по приумножению их популяции.

Важный шаг на пути защиты и спасения природы — выделение территорий, где растения и животные сохраняются в неприкосновенности. Это создание заповедников, заказников, национальных парков. Сегодня в мире существует около 350 биосферных заповедников, 37 из которых расположены в России, крупнейшие это: Алтайский государственный природный биосферный заповедник, Кавказский государственный биосферный заповедник, Байкальский заповедник, Баргузинский заповедник, Брянский лес — государственный природный биосферный заповедник.

Заповедники — это территории, на которых запрещена любая хозяйственная деятельность человека; в них охраняются не только живые организмы, но и условия их существования.

Национальные природные парки — территории, которые охраняет государство, но здесь разрешен организованный туризм и учебные экскурсии.

Заказники — территории, на которых охраняются определенные виды животных и растений. Они создаются на определенный срок, пока не исчезнет угроза для организмов, взятых под охрану.

Образование в области окружающей среды рассматривается ныне педагогической общественностью как непрерывный процесс, охватывающий все возрастные, социальные и профессиональные группы населения. Однако ее центральным звеном является школа, так как именно в школьные годы формирования личности происходит наиболее интенсивно.

Биосфера – место обитания живых существ. Зарождение жизни тесно связано с развитием оболочек земли. Она начала свое формирование около 4 миллиардов лет назад, затем появились первые признаки жизни на нашей планете.

Становление биосферы и ее поэтапное формирование обусловлено влиянием ряда факторов: действием на Землю космической энергии, развитием живых организмов и человечества.

Термин биосфера ввел австрийский ученый Зюсс еще в 19 столетии, он выделил все оболочки Земли, но подробное их описание совершил в 20 ст. отечественный ученый В.И. Вернадский (первый президент Украинской Академии Наук). Он описал границы биосферы, разработал единое учение о биосфере.

Свойства биосферы необходимые для возникновения и продолжения жизни

• Наличие CO 2 и кислорода;
• вода – источник жизни на земле, присутствие, как пресных водоемов, так и соленых;
• регуляция температуры: отсутствие резких перепадов, сверхвысоких и низких показателей;
• обеспечение всего живого продуктами питания;

До сих пор нет единого определения. Существует три версии, что такое биосфера:

1. Общая масса всех живых существ, которые обитают в оболочках земли, является биосферой.
2. Организмы и места их жизнедеятельности вместе составляют биосферу.
3. Это следствие продолжительной жизни существ, обитавших задолго до наших дней.

Ученые-геологи считают правильной первую точку зрения, так как другие не имеют теоретического подкрепления.

Биосфера простилается по всей поверхности Земли (горы, поля, реки, моря, океаны) и создает условия для жизнедеятельности всех организмов. Человек также является составляющим звеном.

Границы

Границы биосферы в км

Чем определяются границы распространения биосферы?

Поскольку Живое — главная составляющая биосферы, ее границы определяются возможностью выживать отдельных индивидуумов в условиях окружающей среды. В верхних слоях ультрафиолетовое излечение не дает развиваться живым организмам – это определяет верхнюю границу биосферы. Высокие температуры в земных глубинах устанавливают нижнюю черту жизни.

Атмосфера – воздушный слой земного шара, состоит из азота, кислорода, диоксида углерода и др. Она защищает Землю от перегрева, действия космической радиации, ультрафиолета, метеоритов. В составе атмосферы выделяют: тропосферу, стратосферу, ионосферу.

Тропосфера (озоновый слой земли) является верхней границей биосферы, находится на высоте 20 км.

Стратосфера – располагается на высоте 50 км над уровнем моря, воздух разжижается, нагревается, увеличивается концентрация озона, условия становятся непригодными для жизни.

Ионосфера – поверхностный слой атмосферы, поддается воздействию космического излучения, поэтому сильно ионизированный.

Литосфера – земная кора, твердый слой, который уходит на глубину 200км. К биосфере относится верхний шар, населенный живыми организмами. Нижняя граница по литосфере достигает 4км, глубина где были найдены бактерии. Опускаясь ниже, температура возрастает, достигая 100 градусов, что несовместимо с существованием живых организмов, происходит денатурация белка, все живое – гибнет.

Гидросфера – совокупность наземных и подземных вод. Это одна из оболочек нашей планеты, которая окружает материки и острова, составляет 70% поверхности земного шара. Нижняя граница биосферы расположена на глубине около 11 км. (в области Тихого океана).

Слои биосферы

Эубиосфера – основная прослойка биосфера. 99,9% живых существ постоянно населяют данный слой. Ширина эубиосферы 12-17км.

Парабиосфера, метабиосфера – соответственно верхний и нижний слои бисоферы, куда жизнь попадет случайно, заносится из эубиосферы.

Апобиосфера и абиосфера — самый верхний и самый нижний слои, куда жизнь не может попасть даже случайно.

В зависимости от среды обитания живых организмов выделяют:

• Аэробиосферу (жизнь осуществляется за счет атмосферной влаги и солнечной энергии, от верхушек деревьев до стратосферы);
• геобиосферу (организмы населяют почву, поверхность суши, деревья);
• гидробиосферу (все водные структуры заселенные гидробионтами, исключая подземные воды).

Структура биосферы и ее состав

Живое вещество Вернадский описывал как общее число всех живых организмов населяющих планету в данный период времени.

Основные свойства:

• В нем сосредоточено огромное количество энергии;
• скорость течения реакций в живом организме быстрее, чем в искусственно созданных условиях;
• составляющие живого вещества стабильны только в жизнеспособном организме;
• возможность существовать в разных условиях, заполняя все пространство. Это явление Вернадский назвал «всюдностью жизни»;
• отдельные особи всегда являются частью экосистемы;
• живое вещество эволюционирует, приобретает новые свойства, адаптируется к изменчивости внешней среды.

Биогенное вещество – продукты жизнедеятельности живого. В процессе жизни организмы пропускают через себя многократно все составляющие биосферы, так образуются залежи нефти, газа, угля, торфа и др.

Косное вещество – формируется без участия живой материи (небиогенные горные породы, минералы).

Биокосное вещество – создается при взаимодействии живого и неживого (вода, приземная атмосфера, почва).

Живое вещество распределено не равномерно на просторах земли, ее концентрация увеличивается возле экваториальной плоскости, на полюсах планеты жизни мало.

Скопление живых организмов находятся на границах слоев биосферы: на дне океана – проходит граница между литосферой и гидросферой, в поверхностных водах Мирового океана – рубеж между гидросферой и атмосферой, на границе литосферы и атмосферы находится почва – место обитания микроорганизмов, насекомых, других животных. В этих местах создаются благоприятные условия для существования: высокая концентрация кислорода, доступ к солнечному свету, влага, питательные вещества.

Соотношение видов живых организмов показывает преобладание растительности, она занимает 99% от всего живого, животные – 1%, люди – 0,0002%.

Функции биосферы

Энергетическая – аккумуляция солнечного излучения в процессе фотосинтеза (переход энергии солнечного света с помощью пигментов растений в органические связи) и ее трансформация, с последующим распределением между всеми живыми организмами.

Газообразующая – поддержание стабильного газового состава атмосферы (выделение кислорода, поглощение диоксида углерода).

Концетрационная – сосредотачивают в теле химические вещества, образуя в дальнейшем полезные ископаемые.

Круговорот вещества в биосфере

Растения в процессе роста и развития используют минеральные вещества из почвы, адсорбируют воду с помощью корня, перерабатывают энергию Солнца, образуют органические вещества из неорганических, из атмосферного воздуха листьями поглощается диоксид углерода и выделяется кислород посредством фотосинтеза.

Животные и человек дышат кислородом, используют органические вещества образованные растениями. После смерти, скопление органических веществ растений и животных разлагается под действием микроорганизмов, и переходят в неорганическое состояние.

Процесс преобразования энергии и вещества начинается сначала – это и есть жизненный круговорот.

Планета Земля сочетает в себе уникальные компоненты, которые позволили когда-то зародиться и с тех пор получить широкое распространение и разнообразие жизни. В пределах нашей Солнечной системы больше ни на одной планете пока существования такого количества биомассы во всем ее сложном и многогранном проявлении не обнаружено. Это лишний раз подтверждает то, насколько необычна, прекрасна и уникальна наша Земля. Такими качествами ее наделяет оболочка - биосфера. Ее и рассмотрим более подробно в данной статье.

Понятие о биосфере

В общем понимании данным термином принято обозначать все многообразие живых существ на нашей планете и продуктов, ими производимых. Однако структура биосферы строго разграничена, она имеет свои составляющие компоненты, пределы и выполняет определенные функции.

Дословно перевести термин можно как "сфера жизни". Это точно отражает суть. Вообще биосфера, ее структура и функции являются предметом изучения уже не одного поколения ученых. Но целостную теорию, учение сумел создать только В. И. Вернадский, который и определил данное понятие как совокупность всех существующих экосистем и продуктов их переработки.

История термина

Самым первым ученым, высказавшим мысль о том, что живые существа взаимодействуют друг с другом, вырабатывают продукты и тем самым оказывают влияние на окружающую среду и планету в целом, стал Жан Батист Ламарк. Еще в XVIII веке он указал на то, что биомасса принимает активное участие в формировании земной коры.

После него многие ученые, естествоиспытатели занимались изучением этого вопроса и подтверждали данное высказывание. Так, например, понятие биосферы, ее структура были описаны Эдуардом Зюссом в XIX веке. Однако многих фактов им учтено не было, поэтому целостной картины не получилось.

А вот наш русский ученый В. И. Вернадский и француз Тейяр де Шарден сумели создать настоящее объемное учение, давшее полную характеристику данного понятия, пояснившее, что такое биосфера, ее структура и границы. Основополагающую роль сыграл все же Вернадский.

Структура биосферы

К основным элементам, составляющим суть оболочки Земли, можно отнести разные типы веществ, находящиеся в ней. Вернадским выделяется горизонтальная и вертикальная структура биосферы. Первая включает в себя охват живыми существами всех возможных оболочек Земли. Можно рассмотреть структуру горизонтальной биосферы следующим образом:

• Верхняя граница - нижний слой атмосферы (озоновый). От поверхности Земли приблизительно 10 километров. Выше ни один организм не жизнеспособен, так как действуют строгие ограничивающие пределы по концентрации кислорода и ультрафиолетового излучения. На подобной высоте способны к развитию и жизни только споры грибов и бактерий, попадающие туда из литосферы, гидросферы и так далее.
• Нижняя граница - различна для литосферы и гидросферы. Почва (литосфера) может быть заселена представителями живой природы до глубины 7,5 км. Здесь встречаются такие организмы, как бактерии, споры грибов, простейшие. Лимитирующими факторами выступают давление, отсутствие кислорода и света, ограничение содержания воды.
• Состав и структура биосферы также включает в себя гидросферу, причем до глубины 11 км. Все слои имеют важное значение, так как густо заселены живыми существами.

Типы обитателей водной оболочки

Гидросфера - это структура биосферы, которая включает в себя абсолютно все водные источники: океаны, моря, реки, озера, болота и так далее. Организмы по месту распределения в водной среде делятся на:

• планктонные - заселяют поверхностные воды, движение осуществляется без затрат энергии током воды;
• нектон - срединная часть водоемов;
• бентосная часть - ее составляют те существа, которые живут на дне и зарываются в ил.

Структура биосферы, по Вернадскому, в нижней части земной коры ограничивается следами так называемых былых биосфер. Это ископаемые остатки, накопленные в массе, и сформировавшие горные и осадочные породы.

Живое вещество

Владимир Иванович Вернадский выделял несколько типов вещества, составляющего общую массу биосферы в целом. В первую очередь это живое вещество. Оно складывается из всей биомассы. То есть к данной группе можно отнести представителя абсолютно любого царства живой природы, в том числе и вирусы.

Элементарной структурой биосферы является биоценоз, который также включается в состав живого вещества. Человек и вся его деятельность, которая направлена на взаимосвязь с животными, растениями, микроорганизмами, также является частью живого вещества.

Эволюция и структура биосферы складываются таким образом, что распределение биомассы на планете неравномерно. Главная подавляющая часть живых существ находится в верхнем слое почвы, наземной среде жизни и приповерхностном океанском слое. Глубины гидро- и литосферы остаются малозаселенными местами.

Живое вещество, количество которого отражает структура биосферы, кратко можно распределить по массе следующим образом:

1. Подавляющее большинство приходится на беспозвоночных животных, простейших и микроорганизмы.
2. Второе место по распространенности занимают растения.
3. Высшие позвоночные животные - самая малочисленная группа.
4. Человек и вся его деятельность занимает особое положение в составе живого вещества биосферы.

При таком распределении продукция биомассы тем не менее разными группами вырабатывается в неодинаковом количестве. Так, основную часть необходимых веществ дают растения (около 92%). Меньше всего полезной продукции приносят беспозвоночные, хотя по численности и стоят на первом месте.

Вернадский отмечал, что биоценозы - это важная структурная часть биосферы, а все процессы, происходящие внутри них, - определяющие в живой природе и эволюции. Глядя на количественное распределение биомассы, становится очевидным, что преобладают несовершенные виды, те, которые находятся на более низкой ступени эволюции, более просто организованные и лучше всего приспособленные.

В целом же живое вещество биосферы играет определенную роль, которую можно выразить несколькими пунктами.

Функции живого вещества

Постоянная циркуляция атомов, молекул, соединений между элементами живой и неживой природы - это одна из основополагающих характеристик биосферы в целом. Преобразование энергии, сохранение постоянства состава, геологические новшества и преобразования - все это делается биомассой и в итоге является необходимым условием существования и формирования биосферы. Конкретно биомасса выполняет также и ряд других важных функций.

1. Функция газообмена. Структура биосферы затрагивает достаточно значительную часть атмосферы. А она, в свою очередь, формируется под влиянием количества углекислого газа и кислорода. Известно, что газ, поддерживающий жизнь, вырабатывают для всех живых существ, в том числе и для себя, зеленые друзья нашей планеты - растения. Остальные живые организмы являются лишь потребителями и продуцентами углекислого газа. Тем не менее совместно биомасса оказывает значительное влияние на изменение компонентного состава атмосферного воздуха, то есть осуществляет газовую функцию.
2. Концентрационная роль биомассы. Заключается в накоплении тех или иных соединений, атомов и молекул и передаче их в виде продуктов жизнедеятельности или после отмирания в неживую среду.
3. Биохимическая функция. Современная наука в структуре биосферы важное место уделяет роли ноосферы. И она тесно связана с биохимическими преобразованиями, происходящими внутри живых организмов. Сам Вернадский определял ее как сферу разума и человеческих возможностей при действии на живую природу, ее состав и функционирование. То, что человек имеет возможность вмешиваться практически во все биохимические преобразования в живых системах, может управлять ими, подстраивать под себя и получать от этого выгоду, есть высшее достижение разума человека. Это и включают в себя ноосфера, а также любые механические, технические, генетические и мутагенетические воздействия, которые способны оказать люди на живой мир. Особое место ученый отводил способности людей охранять и оберегать живое, находить выходы из сложных ситуаций исчезновения и загрязнения окружающей среды.

Энергетическая, или окислительно-восстановительная функция

Основные продуценты энергии - это растения. Ведь именно они в процессе фотосинтеза способны поглощать солнечную энергию и переводить ее в другую форму, удобоваримую для остальных живых организмов - химические связи в соединениях запасного питательного вещества.

Далее для преобразования энергии подключаются животные, начинают работать экологические цепи питания, пирамиды. Итогом является накопление в геологических породах таких полезных ископаемых, богатых энергией химических соединений, как нефть, газ, уголь, торф и другие. Также часть энергии рассеивается в окружающую среду, создавая определенный атмосферный фон. Определение и структура биосферы сводятся к тому, что именно эта функция является наиболее значимой и важной.

Косное вещество

Еще один элемент, которым характеризуются биосфера, ее структура и функции, - это косное вещество. К такому относятся все соединения, предметы, материалы и так далее, в создании которых не принимали участие живые организмы. Типичным примером могут служить:

• вулканические извержения (магма и ее продукты);
• движения подземных плит и образуемые в результате вещества;
• метеориты и другие космические находки на поверхности Земли.

В совокупности с живыми существами косное влияет на то, как формируется структура биосферы.

Биокосное вещество

К такому продукту следует относить совместный гармоничный результат производства живого и косного вещества. Например, почва, верхний плодородный слой земли, и более глубокие подпочвенные слои. Почва является средой жизни для огромного количества живых существ, но при этом в ее формировании принимают участие и горные породы, и тектонические движения плит, метеоритные остатки, химические соединения и другие компоненты.

Также к таким веществам можно отнести и воду, атмосферу, кору выветривания. Термин "биокосное вещество" ввел в обиход сам Вернадский в 1926 году. Сегодня создано много моделей, на которых отражена структура биосферы. Картинки на эту тему широко распространены.

Неживое биогенное вещество

По названию становится понятно, что в формировании данного материала принимали участие живые организмы, однако впоследствии он стал неживым. К таким биогенным веществам относятся:

• нефть;
• уголь;
• торф;
• сапропель;
• различные руды;
• мел и известняк и другие.

Таким образом, функциональная структура биосферы представлена не только оболочками планеты, но и основными типами веществ в пределах Земли.

Эволюция биосферы по Вернадскому

Конечно, рассмотрена нами структура биосферы кратко. Например, у Вернадского на описание основных ключевых моментов ушел не один год. Поэтому мы рассмотрели только общие черты.

Стоит еще заметить, что эволюционное развитие и формирование биосферы Вернадский описывал как процесс, длящийся с самого возникновения жизни на Земле. Поэтому и возраст ее такой же, как и геологический возраст нашей планеты.

В книге представлены разнообразные материалы, отражающие характер взаимосвязи между современным состоянием биосферы и экономической политикой. На основании обобщения данных, имеющихся в зарубежной и отечественной литературе, а также используя материалы собственных исследований, авторы показывают реальное положение дел в этой области. Это позволяет им присоединиться к предупреждениям специалистов о том, что возможности биотической регуляции окружающей нас среды близки к исчерпанию.

Книга предназначена для тех, кто серьезно обеспокоен проблемами в области экологии и экологической политики. Материалы книги могут быть использованы в качестве пособия для студентов биологических факультетов вузов, преподавателей биологии, экологии, а также для исследовательских проектов аспирантов и ученых, занимающихся биосферными явлениями.

В составе биосферы присутствуют вещества, которые различаются между собой по ряду признаков: природные вещества, живое вещество, биогенное вещество, косное вещество, биокосное вещество, органическое вещество, биологически активное вещество, антропогенное и вредное вещества .

Особую значимость для живых систем имеют следующие компоненты:

1) живое вещество;

2) биогенное вещество;

3) косное вещество;

4) биокосное вещество;

5) радиоактивное вещество;

6) рассеянные атомы;

7) вещество космического происхождения.

Здесь необходимо понимать, что «…биосфера – это понятие планетарное, широкое, намного превосходящее по объему поле исследования биолога, почвоведа и т. д., которое ограничивается «областью жизни». Вот почему при всей яркости термина «биосфера», при всей оригинальности и глубине общего учения о биосфере его нельзя полностью отождествлять ни с «областью жизни», ни с дисциплинами, ее изучающими» (Тюрюканов, 1990). Просто непостижимо, но факты свидетельствуют о том, что все атомы подавляющего числа элементов таблицы Менделеева прошли в своей истории через состояние живого вещества. Кроме этих величин, важной характеристикой биосферы являются: ее биомасса, видовое разнообразие растительного и животного мира, скорость продуцирования, т. е. способность видовых популяций создавать органическое вещество. По разным оценкам в наше время на Земле существует около 3,5 млн биологических видов, из них на долю растений приходится около 500 000 видов. Остальная часть биоразнообразия представлена животными и микроорганизмами, а среди первых больше всего видов насчитывает класс насекомых.

Какие же функции выполняет биосфера ?

1. Газовая функция . Она заключается в том, что метаболизм организмов, их дыхание и обмен с внешней средой охватывает обширную совокупность разнообразных газовых реакций, ведущих в конечном итоге к поглощению кислорода и выделению углекислого газа, парообразной воды и т. д. Подсчитано, что для полного оборота углекислого газа атмосферы через фотосинтез достаточно 300 лет, а кислорода – 2000–2500 лет, воды через испарение – около 1 млн лет. Ясно, что эта функция в настоящее время может быть изменена за счет интенсивной вырубки лесов и распахивания степей. Роль человека в изменении облика биосферы значительна, что подтверждают данные табл. 2.

Таблица 2

Размеры основных экосистем суши, полученные по данным спутниковых наблюдений (по Лосеву, 1985, с. 57)

2. Окислительно-восстановительная функция . Живое вещество определяет большой спектр химических превращений веществ, включающих атомы элементов с переменной валентностью, – соединений железа, марганца, микроэлементов и т. д. В качестве примера можно привести процесс круговорота азота.

Напомним, что включение азота в соединения, могущие использоваться организмами, называется фиксацией. Среди азотфиксаторов наибольшее практическое значение имеют микроорганизмы, живущие в симбиозе с растениями. Известно 200 видов растений, на корнях которых могут развиваться клубеньковые бактерии, усваивающие азот из воздуха. Бактерии Bact. Radicicola обитают на корнях бобовых культур – клевера, люцерны, гороха, сои, люпина. Выяснено, что количество азота, поступающего в растения от клубеньковых бактерий, составляет в некоторых случаях до 50–80 % от общего количества азота, усвоенного растениями. В гидросфере ежегодно фиксируется около 10 млн т азота.

Цепь реакций, с помощью которых организмы окисляют ион аммония до нитратного, или нитритного, или нитритный до нитратного состояния, называется нитрификацией. Эти процессы осуществляются с помощью бактерий Nitrosomonas, Nitrobacter. Первоначально окисляется аммиак до азотистой кислоты: NH 3 + + 3O > HNO 2 + 66 ккал/моль. Далее происходит реакция кисления нитритов до нитратов: KNO 2 + O > KNO 3 + 15, 5 ккал/моль.

Денитрификация имеет место, когда в анаэробных условиях микроорганизмы используют для окисления различных веществ кислород нитратов с высвобождением из них азота. Наибольшая роль в денитрификации принадлежит бактериям Pseudomonas. В пресных, загрязненных водах, эту роль выполняет кишечная палочка Escherichia coli. Известно, что «денитрификация почти не идет в аэробных условиях, т. к. в присутствии свободного кислорода организмам энергетически выгоднее использовать его в качестве акцептора электронов при окислении органических веществ, а не кислород, связанный в нитратах. Однако в гидросфере имеются обширные области с анаэробными условиями, благоприятствующие денитрификации, – они наблюдаются всюду, где органических веществ поступает больше, чем кислорода, необходимого для их биологического окисления. К таким областям относятся гипо-лимнион эвтрофных озер, болота и те места, где идет великий приток органики» (Константинов, 1979, с. 336–337).

Аммонификация – это разложение органического вещества до аммиачных соединений азота. Этот процесс происходит, например, в почве под действием аммонифицирующих бактерий по схеме: Белки, гуминовые вещества > Аминокислоты > Амиды > Аммиак.

Аммонификация осуществляется аэробными и анаэробными бактериями. При аммонификации получаются органические кислоты, спирты, оксид углерода и аммиак. Затем эти вещества превращаются в воду, водород, метан. Аммиак частично вступает в реакцию с органическими и минеральными кислотами (угольной, азотной, уксусной и др.).

3. Концентрационная функция . Проявляется в способности живых организмов аккумулировать разные химические элементы, в том числе микроэлементы, из внешней среды (почва, вода, атмосфера). Обычно наибольшая доля в составе живого вещества приходится на кислород (65–70 %) и водород (10 %). Остальные 2025 % представлены разнообразными элементами общим числом более 70. Существуют организмы, обладающие способностью преимущественного накопления отдельных химических элементов в бпольшем количестве по сравнению с составом земной коры и литосферы. Кроме этого в составе животных организмов обнаруживается гораздо более высокое, чем в растениях, содержание Na, Ca, P, N, S, F, Cl, Zn. Следовательно, геохимическая роль растительного и животного мира имеет свой специфический характер. Имеются химические элементы – биофилы, без которых невозможна жизнедеятельность организмов. Это C, H, O, N, P, S, Cl, J, B, Cs, Mg, K, Na, V, Mn, Fe, Cu, Zn, Mo, Co, Se.

4. Деструкционная функция . Борьба за пищу как источник энергии и питательных веществ не ограничивается признаком живого.

5. Выделительная и деструктивная – не менее важные функции живых организмов. Можно сформулировать закон, согласно которому ни один организм не может существовать в среде своих выделений (метаболитов) и трупов предков. Если бы не процессы разложения органических веществ до минеральных, то организмы погибли бы от отравления своими выделениями и от «трупных ядов» своих предков. Именно благодаря огромному биоразнообразию живого вещества эта функция сбалансирована, а там где внедряются монокультуры (агроценозы) эта часть пространства характеризуется крайней неустойчивостью. В силу этого природа отвергает монокультуру. Вот почему сохранение биогеоценозов в первозданном виде является жизненнонеобходимой задачей человека, который, вторгаясь в сообщества (промысел, охота, вырубка леса и т. д.), сдвигает их равновесие не в лучшую сторону. Ясно, что среда освобождается от метаболитов за счет действия других факторов – температур, химических агентов. Часть вымывается из почвы и речным стоком уносится в океан. Однако роль живого вещества в этом процессе первостепенна. Можно полагать, что агрессивное воздействие алкоголя на организм животных и человека объясняется тем, что на заре становления живого единственными элементами выделения микроорганизмов, существующих в анаэробных процессах, был спирт (эффект брожения). Поэтому данные отходы жизнедеятельности первичных организмов не могли в процессе эволюции стать еще одним (необходимым) источником энергии для нашего организма. Следовательно, он (алкоголь) для живых систем является ядом. Кроме вышеупомянутых функций живого вещества следует охарактеризовать еще одну – это скорость его растекания по планете. Что имеется в виду?

Живое вещество характеризуется не только биомассой, видовым разнообразием, но и геохимической энергией, т. е. способностью перемещать химические элементы в биосфере. Возможность оценить эту роль количественно предложил В. И. Вернадский. Он предложил за единицу геохимической энергии считать скорость передачи жизни, определяемую темпами размножения. Итак, скорость растекания жизни (V) можно вычислить по формуле:

V = (13963,3 ?)/ lgN max ,

где? – показатель прогрессии размножения вида, – стационарное число особей вида или другой систематической единицы, при заполнении им земной поверхности (5,1 108 км 2), 13963,3 – величина, полученная при делении стационарного числа на 365.

Кроме этого, необходимо учитывать предельно наибольшее расстояние, по которому может распространяться жизнь, равное земному экватору (40 075 721 м). Следует иметь в виду следующий факт: геохимическая энергия жизни зависит от скорости размножения организмов – не как автономного биологического процесса, а в соответствии со свойствами биосферы – явления планетарного.

Например, потомство одной бактерии способно захватить поверхность всей планеты всего за 1,47 суток, «растекаясь» со скоростью 33,1 м/с. Для индийского слона эта скорость составит 0,09 см/с. Чтобы воспроизвести массу бактерий равной массе земной коры при беспрепятственном размножении бактериям нужно всего 1,6 суток, зеленым водорослям – 24,5 суток, слонам – 1300 лет (Чернова и др., 1997, с. 8–9).

Живое вещество суши представлено биомассами растений, животных, бактерий и грибов. В составе зообиомассы основная доля (90–99,5 %) приходится на беспозвоночных, и может достигать 105 кг/км 2 . Особенно велики биомассы беспозвоночных в черноземных, луговых почвах. Если сравнивать фитомассы древесных и луговых сообществ, то по общей величине доминируют древесные, но по биологической активности, наибольшей продуктивности в течение года наибольший эффект в образовании гумуса и почвенного плодородия принадлежит не многолетним формациям древесной растительности, а формациям травянистой растительности. Именно травянистые сообщества, с их быстро текущими жизненными циклами и мощной корневой системой, обеспечивают образование в почвах высокого содержания перегноя и формирование почв высокого плодородия, таких как черноземные, луговые и пойменные. Механизм данного явления можно объяснить тем, что в биоте сформирована (эволюционным путем) важная закономерность.

Так, например, чем крупнее размеры организмов, тем меньше число их видов, тем меньше численность их индивидуумов и тем дольше продолжительность их жизни. И наоборот, с уменьшением размеров организмов крайне возрастает численность их видов и число индивидуумов, но весьма сокращается продолжительность жизни отдельных особей.

Действительно, достаточно сравнить среди гидробионотов показатели динамики численности калуги, белуги или анчоуса, хамсы, а среди наземных популяций животных – тигров и мышевидных грызунов и т. д., чтобы убедиться в справедливости этого правила.

Биосфере присущи многие функции, но энергетическая является одной из центральных. Трудно себе представить облик и состав биоты без этих посредников между Солнцем и другими представителями органического мира. Именно растениям принадлежит главная роль в «переизлучении» солнечной энергии до конечных потребителей – гетеротрофных животных. Однако эволюция, а точнее, законы движения материи (термодинамические закономерности) «распорядились» так, что на каждом трофическом уровне (правило десяти процентов) существуют неизбежные потери некоторой ее части.

В чем причина такого явления?

Попробуем ответить на этот вопрос в следующей главе.

<<< Назад

Вперед >>>

Введение

Животные и растения, грибы и бактерии существуют не сами по себе, независимо друг от друга, а в тесном взаимодействии - влияют на проявления жизнедеятельности одних и сами зависят от других организмов.

С момента своего появления, около 3,5 млрд. лет назад, живые организмы стали оказывать значительное влияние на эволюцию земной коры и атмосферы.

Около 60 лет назад выдающийся русский ученый, академик В.И. Вернадский разработал учение о биосфере - оболочке Земли, населенной живыми организмами. В.И. Вернадский выявил геологическую роль живых организмов и показал, что их деятельность представляет собой важнейший фактор преобразования минеральных оболочек планеты. Правильнее определять биосферу как оболочку Земли, которая населена и преобразуется живыми организмами.

В буквальном переводе термин «биосфера» обозначает сферу жизни и в таком смысле он впервые был введен в науку в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831-1914). Однако задолго до этого под другими названиями, в частности «пространство жизни», «картина природы», «живая оболочка Земли» и т.п., его содержание рассматривалось многими другими естествоиспытателями.

Первоначально под всеми этими терминами подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом скорее обращалось внимание на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической природы.

Структура и функции биосферы

В составе биосферы различают:

· живое вещество, образованное совокупностью организмов;

· биогенное вещество, которое создается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, известняки и др.);

· косное вещество, образующееся без участия живых организмов (основные породы, лава вулканов, метеориты);

· биокосное вещество, представляющее собой общий результат жизнедеятельности организмов и абиогенных процессов, например почвы.

Эволюция биосферы обусловлена тесно взаимосвязанными между собой тремя группами факторов: 1) развитием нашей планеты как космического тела и протекающими в ее недрах химическими преобразованиями, 2) биологической эволюцией живых организмов и 3) развитием человеческого общества. Изучение биосферы, ее свойств и закономерностей развития становится актуальной задачей нашего времени.

Структура биосферы

Границы биосферы определяются факторами земной среды, которые делают невозможным существование живых организмов (рис. 1). Верхняя граница проходит примерно на высоте 20 км от поверхности планеты и отграничена слоем озона, который задерживает губительную для жизни коротковолновую часть ультрафиолетового излучения Солнца. Таким образом, живые организмы могут существовать в тропосфере и нижних слоях стратосферы. В гидросфере земной коры организмы проникают на всю глубину Мирового океана - до 10-11 км. В литосфере жизнь встречается на глубине 3,5-7,5 км, что обусловлено температурой земных недр и уровнем проникновения воды в жидком состоянии.

Атмосфера . Газовая оболочка состоит в основном из азота и кислорода. В небольших количествах в ней содержатся диоксид углерода (0,03%) и озон. Состояние атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и биологические процессы на поверхности Земли и в водной среде. Для биологических процессов наибольшее значение имеют: кислород, используемый для дыхания и минерализации мертвого органического вещества, диоксид углерода, участвующий в фотосинтезе, и озон, экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения. Азот, диоксид углерода, пары воды образовались в значительной мере благодаря вулканической деятельности, а кислород - в результате фотосинтеза.

Рис. 1.

1 - уровень озонового слоя, задерживающего жесткое ультрафиолетовое излучение; 2 - граница снегов; 3- почва; 4 - животные, обитающие в пещерах; 5 - бактерии в нефтяных скважинах; 6 - придонные организмы

Гидросфера . Вода - важный компонент биосферы и один из необходимых факторов существования живых организмов. Основная ее часть (95%) находится в Мировом океане, который занимает около 70% поверхности земного шара и содержит 1300 млн. км 3 воды.

Поверхностные воды (озера, реки) включают всего 0,182 млн. км 3 , а количество воды в живых организмах составляет ничтожное количество по сравнению с этими цифрами -- всего 0,001 млн. км 3 . Значительные запасы воды (24 млн. км 3) содержат ледники.

Большое значение имеют газы, растворенные в воде: кислород и диоксид углерода. Их содержание широко варьирует в зависимости от температуры и присутствия живых организмов. В воде содержится в 60 раз больше диоксида углерода, чем в атмосфере.

Гидросфера формировалась в связи с развитием литосферы, которая в течение геологической истории Земли выделяла большое количество водяного пара.

Литосфера . Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, находится в почвенном слое, глубина которого не превышает нескольких метров. Почва включает минеральные вещества, образующиеся при разрушении горных пород, и органические вещества-- продукты жизнедеятельности организмов.

Живое вещество на Земле строго организовано. В настоящее время выделяют несколько уровней организации живой материи.

Молекулярный. Любая живая система, как бы сложно она нибыла организована, проявляется на уровне функционирования биополимеров (сложных органических соединений, отличающихся крупными молекулами), построенных из большого количества единиц - мономеров (исходных, повторяющихся, более просто устроенных соединений). На этом уровне начинаются важнейшие процессы жизнедеятельности организма: обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации и др.

Клеточный. Клетка является структурной и функциональнойединицей, а также единицей развития живых организмов. Она представляет собой саморегулирующуюся, самовоспроизводящуюся живую систему. Свободноживущих неклеточных форм жизни на Земле не существует.

Тканевый. Ткань представляет собой совокупность сходных построению клеток и межклеточного вещества, объединенных выполнением общей функции.

Органный. Органы - это структурно-функциональные объёдинения нескольких типов тканей. Например, печень человека как орган включает эпителии и соединительную ткань, которые вместе выполняют целый ряд функций, в том числе синтез белков крови, желчных кислот, обезвреживание ядовитых веществ, поступающих из кишечника, накопление животного крахмала - гликогена.

Организменный. Многоклеточный организм представляет собой целостную систему органов, специализированных для выполнения различных функций. Одноклеточный организм - это целостнаяживая система, способная к самостоятельному существованию.

Популяционно-видовой. Совокупность организмов одного и того же вида, объединенных общим местом обитания, называется популяцией. Популяция - система надорганизменного уровня. Именно здесь протекают простейшие эволюционные преобразования.

Биогеоценотический (экосистемный). Биогеоценоз - совокупность организмов разных видов и факторов среды их обитания, объединенных обменом веществ и энергии в единый природный комплекс.

Биосферный. Биосфера - система высшего порядка. На этомуровне происходят круговорот веществ и превращение энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов, обитающих на нашей планете.

Функции биосферы

Деятельность живых организмов служит основой круговоротавеществ в природе. Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов, который выражается в циркуляции веществ между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами.

Круговорот воды . Вода испаряется и воздушными течениями переносится на большие расстояния. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делает их доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с растворенными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими частицами в моря и океаны (рис. 2). Циркуляция воды между океаном и сушей представляет собой важнейшее звено в поддержании жизни на Земле. Благодаря этому процессу происходит постепенное разрушение литосферы, компоненты которой переносятся в моря и океаны.

Рис. 2.

Круговорот углерода . Углерод входит в состав разнообразных органических веществ, из которых состоит все живое. В процессе фотосинтеза зеленые растения используют углерод диоксида углерода и водород воды для синтеза органических соединений, а освободившийся кислород поступает в атмосферу. Им дышат различные животные и растения, а конечный продукт дыхания - СО 2 - выделяется в атмосферу.

Круговорот азота . Атмосферный азот включается в круговорот благодаря деятельности азотфиксирующих бактерий и водорослей, синтезирующих нитраты, пригодные для использования растениями. Часть азота фиксируется в результате образования оксидов во время электрических разрядов в атмосфере. Соединения азота из почвы поступают в растения и используются для построения белков. После отмирания живых организмов гнилостные бактерии разлагают органические остатки до аммиака. Хемосинтезирующие бактерии превращают аммиак в азотистую, затем в азотную кислоту. Некоторое количество азота, благодаря деятельности денитрифицирующих бактерий, поступает в воздух. Часть азота оседает в глубоководных отложениях и на длительный срок выключается из круговорота; эта потеря компенсируется поступлением азота в воздух с вулканическими газами.

Круговорот серы . Сера входит в состав ряда аминокислот и также представляет собой жизненно важный элемент. Находящиеся глубоко в почве и в морских осадочных породах соединения серы с металлами - сульфиды - переводятся микроорганизмами в доступную форму - сульфаты, которые и поглощаются растениями. С помощью бактерий осуществляются отдельные реакции окисления - восстановления. Глубоко залегающие сульфаты восстанавливаются до H 2 S, который поднимается вверх и окисляется аэробными бактериями до сульфатов.

Круговорот фосфора . Фосфор сосредоточен в отложениях, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. Постепенно он вымывается из них и попадает в экосистемы. Растения используют только часть этого фосфора; много его уносится реками в моря и снова отлагается в осадках. Хотя запасы фосфорсодержащих пород велики, придется предпринимать меры для возвращения фосфора в круговорот веществ.