Понятие, состав и структура биосферы

     1. Понятие,  состав и структура биосферы 

     Биосфера - глобальная экологическая система  планеты, включающая в себя все живые  организмы вместе со средой их обитания.

     Биосфера  представляет собой совокупность частей земных оболочек (лито-, гидро- и атмосферы), которая заселена живыми организмами, находится под их влиянием и занята продуктами их жизнедеятельности.

     В 20-е  годы X X - го столетия учение о биосфере было развито и преобразовано выдающимся естествоиспытателем академиком В.И. Вернадским. Он впервые подчеркнул исключительную роль живых организмов в образовании биосферы. По его определению, биосфера - структурная оболочка Земли, созданная самой жизнью, где не только живут, но которая преобразована живыми организмами и связана с их жизнедеятельностью. Таким образом, биосфера - это и среда жизни, и результат жизнедеятельности организмов.

     Размеры биосферы. По учению В.И. Вернадского, биосфера - это область нашей планеты, в  которой существует или когда-либо существовала жизнь и которая  постоянно подвергается воздействию  живых организмов. Поэтому биосфера представляет собой область существования  не только современных экосистем, но и включает области, где находятся  вещества, возникшие в результате жизнедеятельности живых организмов. Такие вещества называют биогенными. Почти весь кислород атмосферы имеет  биогенное происхождение. Биогенными являются также многие полезные ископаемые (нефть, уголь, газ и др.).

     Благодаря такому подходу В.И. Вернадский существенно  расширил границы биосферы, включив  в нее всю гидросферу (глубиной до 11 км), нижние слои атмосферы (до озонового  слоя, высотой 25-35 км), где сосредоточен практически весь кислород, и часть  литосферы до глубины залегания  полезных ископаемых биогенного происхождения (8-10 м, реже 3 км).

     Структура биосферы. Биосфера имеет иерархическую  структуру. Традиционно в структуре  биосферы выделяют атмосферу, гидросферу и литосферу. Атмосфера делится  на слои в зависимости от температуры  воздуха: ниже 0°С -альтобиосфера, выше 0 "С - тропобиосфера. Гидросфера включает в себя океанобиосферу и аквабиосферу, т.е. солено- и пресноводную среду, и также делится на слои в зависимости от освещенности: фото-, дисфото- и афотосферы. Гео(био)сфера состоит из террабиосферы (твердо-водной среды) и литобиосферы (твердо-воздушной среды). Выделенные подсферы включают экосистемы различного иерархического уровня.

     Состав  биосферы включает 7 глубоко разнородных  частей:

     1)  живое вещество;

     2) биогенное  вещество:

     3) косное  вещество:

     4) биокосное вещество;

     5) вещество  в радиоактивном распаде: 

     6) вещество  рассеянных атомов, не связанных  химическими реакциями; 

     7) вещество  космического происхождения. 

     Живое вещество совокупность организмов на планете (растительный и животный мир, микроорганизмы).

     Биогенное вещество - совокупность веществ, возникших  в результате жизнедеятельности  организмов (торф, нефть, мел, природный  газ и др.).

     Косное  вещество - совокупность веществ, в  образовании которых живые организмы  не участвуют, т.е. горные породы магматического, неорганического происхождения, вода,

     Биокосное вещество - продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами (почва, природные воды).

     2. Основные  функции биосферы 

     Благодаря способности трансформировать солнечную  энергию в энергию химических связей, растения и другие организмы  выполняют ряд фундаментальных  биологических функций планетарного масштаба.

     Газовая функция. Живые существа постоянно  обмениваются кислородом и углекислым газом с окружающей средой в процессах  фотосинтеза и дыхания. Растения сыграли решающую роль в формировании состава современной атмосферы. Они строго контролируют концентрации кислорода и углекислого газа, оптимальные для современной биоты.

     Концентрационная  функция. В процессе эволюции организмы  научились извлекать из разбавленного  водного раствора и других компонентов  природной среды необходимые  для них вещества, многократно  увеличивая их концентрацию в своем  теле.

     Таким образом, пропуская через свое тело большие объемы воздуха и природных  растворов, живые организмы осуществляют биогенную миграцию и концентрирование химических элементов и их соединений.

     Окислительно-восстановительная функция. Многие вещества в природе крайне устойчивы и не подвергаются окислению при обычных условиях. Живые клетки обладают настолько эффективным катализатором - ферментами, что способны осуществлять многие окислительно-восстановительные реакции в миллионы раз быстрее, чем это может происходить в абиотической среде. Благодаря этому живые организмы существенно ускоряют процессы миграции химических элементов в биосфере.

     Информационная  функция. С появлением первых живых  существ на планете появилась  и активная ("живая") информация, отличающаяся от той "мертвой" информации, которая является простым отражением структуры. Организмы оказались  способными к получению информации путем соединения потока энергии  с активной молекулярной структурой, играющей роль программы. Способность  воспринимать, хранить и передавать молекулярную информацию совершила  опережающую эволюцию в природе  и стала важнейшим экологическим  системообразующим фактором.

     Перечисленные функции живого вещества образуют мощную средообразующую функцию биосферы. Деятельность живых организмов обусловила современный состав атмосферы. Растительный покров существенно определяет водный баланс, распределение влаги и климатические особенности больших пространств. Живые организмы играют ведущую роль в самоочищении воздушной и водной сред. Благодаря растениям, животным и микроорганизмам создается почва и поддерживается ее плодородие. Таким образом, биота биосферы формирует и контролирует состояние окружающей среды.

     Следует четко представлять, что окружающая нас среда - это не возникшая когда-то фиксированная и непреходящая физическая должность, а живое дыхание природы, каждое мгновение создаваемое работой  множества живых существ.

     3. Биогеохимические  круговороты веществ в биосфере 

     Круговорот  веществ - закономерный процесс многократного  участия веществ в явлениях, протекающих  в биосфере планеты. Вещество, вовлеченное  в круговорот, не только перемещается, но и испытывает трансформацию и  нередко меняет свое физическое и  химическое состояния. Особенно активную роль в ускорении круговорота  и трансформации играют живые  организмы.

     Солнечная энергия на Земле вызывает два  вида круговоротов веществ:

     1)  большой (биогеохимический) - в пределах биосферы;

     2) малый  (биотический) - в пределах элементарных  экологических систем.

     Большой круговорот веществ - это безостановочный  планетарный процесс закономерного  циклического, неравномерного во времени  и пространстве перераспределения  вещества, энергии и информации, многократно входящих в непрерывно обновляющиеся экологические системы  биосферы.

     Малый круговорот веществ развивается  на основе большого и заключается в круговой циркуляции веществ между почвой, растениями, микроорганизмами и животными.

     Оба круговорота взаимосвязаны и  представляют собой единый процесс, который обеспечивает воспроизводство  живого вещества и оказывает активное влияние на облик биосферы.

     На  нашей планете всегда существовал  геохимический круговорот веществ, но с появлением жизни на Земле  геохимические связи стали биогеохимическими - более сложными и разнообразными. Поэтому говорят о биогеохимическом круговороте веществ или биогеохимическом цикле.

     Различают три основных типа биогеохимических круговоротов:

     1) круговорот  воды;

     2) круговорот  элементов преимущественно в  газовой фазе (кислорода, углерода, азота и др.);

     3) круговорот  элементов преимущественно в  твердой и жидкой фазах (фосфора  и др.).

     Круговорот  углерода на суше начинается с фиксации углекислого газа растениями в процессе фотосинтеза.

     Из  СО2 и НзО образуются углеводы и высвобождается кислород, Фиксированный в растениях углерод в некоторой степени потребляется животными. Отжившие животные и растения разлагаются микроорганизмами, в результате чего углерод мертвого органического вещества окисляется до углекислого газа и снова попадает в атмосферу. Кроме того, углерод частично выделяется на всех стадиях круговорота в составе CO2 во время дыхания растений и животных. Подобный круговорот углерода совершается и в океане.

     Круговорот  азота (рис.5). Азот, которого очень много  в атмосфере, усваивается растениями лишь после соединения его с водородом  или кислородом. Это, как правило, происходит в результате различных  физических явлений, протекающих в атмосфере (атмосферная фиксация) и производстве (промышленная фиксация), а также в результате действия азотфиксирующих бактерий или водорослей (биофиксация). Соединения азота используются растениями и через них по пищевым цепям попадают к животным. Растительные и животные отходы, мертвые организмы разлагаются, и с помощью денитрифицирующих бактерий происходит восстановление азота и возвращение его в атмосферу.  

       Рис. 5 - Круговорот азота 

     В настоящее  время сельское хозяйство и промышленность дают почти на 60% больше фиксированного азота, чем естественные наземные экосистемы, что приводит к накоплению нитратов в почве и далее в трофических  цепях.

     Биогеохимические  круговороты веществ и связанные  с ними превращения энергии являются основой динамического равновесия и устойчивости биосферы. Нормальные, ненарушенные биогеохимические циклы  имеют почти круговой, почти замкнутый  характер. Этим поддерживается известное  постоянство и равновесие состава, количества и концентрации компонентов  в биосфере, например состава атмосферного воздуха, концентрации солей в воде океанов и т.п. В свою очередь, подобное постоянство обусловливает  генетическую и физиологическую  приспособленность живых организмов к существованию на Земле,

     4. Эволюция  биосферы. Понятие ноосферы. Понятие  техносферы

     Возникновение и существование всех экологических  систем в биосфере обусловлено эволюцией. Самоподдерживающиеся динамические системы  эволюционируют в сторону усложнения организации и возникновения  системной иерархии, Первопричиной, источником движущей силы последовательных качественных изменений экологических  систем служит поток энергии через систему и отбор наиболее эффективных преобразователей энергии, вещества и информации.

     Эволюция  биосферы состоит из добиотической фазы, в ходе которой химическая эволюция подготовила возникновение жизни и, собственно, биотической эволюции.

     Добиотическая эволюция.

     1. Образование  планеты (около 4,5 млрд. лет назад). Первичная атмосфера имела высокую  температуру и содержала водород,  азот, пары воды, метан, аммиак, инертные  газы и другие простые соединения.

     2. Возникновение  абиотического круговорота веществ  в атмосфере за счет ее постепенного  остывания и энергии солнечного  излучения. Появляется жидкая  вода, формируются гидросфера, круговорот  воды, водная миграция элементов  и многофазные химические реакции  в растворах. Происходит отбор  и рост молекул. 

     3. Образование  органических соединений в процессах  конденсации и полимеризации  простых соединений С, Н, О, N за счет энергии ультрафиолетового излучения Солнца, радиоактивности, электрических разрядов и других энергетических импульсов. Аккумуляция лучистой энергии в органических веществах.

     4. Возникновение  круговорота органических соединений  углерода. Далънейшее усложнение органических веществ и появление устойчивых комплексов макромолекул; возникновение молекулярных систем самовоспроизведения.

     Биотическая эволюция.

     Возникновение жизни (около 3,5 млрд. лет назад). Структуризация белков и нуклеиновых кислот с  участием биомембран приводит к появлению вирусоподобных тел и первичных клеток, способных к делению. Возникает биотический круговорот, и формируются функции живого вещества.

     5. Развитие  фотосинтеза и обусловленное  им изменение состава среды:  увеличение количества кислорода.  Ускоряется биогенная миграция  элементов. 

     6. Появление  многоклеточных организмов, наземных  растений и животных приводит  к дальнейшему усложнению биогеохимического  круговорота. Возникают сложные  экологические системы, содержащие  все уровни трофической организации.  Достигается высокая ступень  замкнутости биогеохимического  круговорота.