Строение и функции биосферы. Круговорот веществ

Биосфера включает в себя все живое вещество планеты и среду его обитания. Впервые понятие «биосфера» (от греч. bios - жизнь, sphaira — шар) было введено в биологию французским натуралистом Ж.-Б. Ламарком в начале ХIХ в. Но основы науки о биосфере были заложены только в первой половине XX в. трудами академика В.И. Вернадского (1863-1945). В.И. Вернадский называл биосферой оболочку Земли, в пределах которой сосредоточено все живое вещество планеты. В этом смысле он различал газовую (атмосфера), водную (гидросфера) и каменную (литосфера) оболочки земного шара как составляющие биосферы, области распространения жизни.

1.3.1. Строение и функции биосферы. Состав, структура и энергетика современной биосферы обусловлены не только настоящей, но и прошлой деятельностью живых организмов. Исследуя строение и историю земной коры, В.И. Вернадский постепенно пришел к выводу о том, что в развитии земной коры ведущую роль играли живые организмы. Живое вещество и сегодня служит передаточным звеном между космосом и Землей, так как оно аккумулирует энергию космоса, трансформирует ее в энергию земных процессов (химическую, механическую, тепловую, электрическую), непрерывно обменивается веществом с косной (неживой) материей, обеспечивая образование нового живого вещества и определяя тем самым эволюцию биосферы. Неживые тела не способны самопроизвольно осуществлять столь сложные преобразования энергии в естественных процессах - они преимущественно рассеивают энергию в виде теплоты.

В.И. Вернадский много внимания уделял анализу вещества биосферы. Труды по этой проблеме представлены в монографии: Вернадский В.И. Живое вещество и биосфера /Отв. ред. АЛ. Яншин. - М.: Наука, 1994. В одном из ее разделов «О некоторых основных проблемах биохимии» (с. 480-492) он отмечает, что, несмотря на сложность живого вещества, в нем можно выделить следующие компоненты:

1) живое вещество - совокупность всех живых организмов на планете (растений, животных, микроорганизмов);

2) биогенное вещество - вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами на протяжении геологической истории (каменный уголь, битумы, известняки, нефть и др.);

3)косное вещество (твердое, жидкое, газообразное) – вещество не-

органического происхождения (в его образовании живое вещество не участвует;

4) биокосное вещество - вещество, которое создается одновременно в процессах жизнедеятельности живых организмов и в процессах неорганической природы, причем организмы играют ведущую роль (сюда относится почти вся вода биосферы, а также почвы, илы);

5) вещество, находящееся в процессе радиоактивного распада (радиоактивные элементы);

6) рассеянные атомы, непрерывно образующиеся из различных видов земного вещества под влиянием космического излучения;

7) вещество космического происхождения (космическая пыль, обломки метеоритов и т.д.).

Важнейшими компонентами биосферы являются первые четыре. Живое вещество, как наиболее активное (химически и геологически), участвует в образовании биогенных и биокосных веществ. Более того, оно создает и изменяет биосферу, проникая во все ее элементы, хотя и составляет весьма незначительную часть от объема планеты. В этой связи В.И. Вернадский в предисловии к американскому изданию своей книги «Биосфера и ноосфера» (1945) писал: «...Живое вещество сосредоточено в тонкой, более или менее сплошной пленке на поверхности суши в тропосфере, в лесах и полях, и проникает весь океан. Количество его исчисляется примерно 0,25% биосферы по весу» (с. 546 упомянутой выше монографии «Живое вещество и биосфера»). Роль живого вещества В.И. Вернадский оценивал следующим образом: «Живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей.... [Живое вещество] связано с окружающей средой биогенным током атомов: своим дыханием, питанием, размножением. Так выраженные явления жизни... выявляются как огромный геологический процесс, геологическая сила планетного характера» (см. Библиографический список к гл. 1 [1,с. 156—157]). Данные современной науки позволяют выделить пять основных функций биосферы: энергетическую, газовую, концентрационную, деструктивную, средообразующую.

Энергетическая функция выполняется за счет аккумулирования зелеными растениями солнечной энергии в процессе фотосинтеза. Одна часть этой энергии перераспределяется между остальными компонентами биосферы, другая накапливается в отмершей органике, образуя залежи биогенного вещества (торфа, угля, нефти), а третья часть рассеивается.

Газовая функция обеспечивает газовый состав биосферы в процессах миграции и превращения газов, большая часть которых имеет биогенное происхождение.

Концентрационная функция заключается в избирательном извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов из окружающей среды, обусловливая разницу в составе живого и косного вещества планеты. Благодаря этой функции живые организмы могут служить для человека источником как полезных (витаминов, аминокислот), так и опасных для здоровья веществ (тяжелых металлов, радиоактивных элементов, ядохимикатов).

Деструктивная функция обусловливает процессы, связанные с

разложением мертвой органики, с химическим разрушением горных пород и вовлечением образовавшихся веществ в биотический круговорот. В результате этого образуются биокосные и биогенные вещества, происходит минерализация органики.

Средообразующая функция состоит в трансформации химических параметров среды в условия, благоприятные для существования организмов. Она обеспечивает газовый состав атмосферы, состав осадочных пород литосферы и химический состав гидросферы, баланс веществ и энергии в биосфере, восстановление нарушенных человеком условий обитания.

Появление на Земле человека привело к тому, что специфическая оболочка Земли - биосфера - начинает преобразовываться. Поверхность земного шара подвергается активному вмешательству и переустройству в интересах человека. Интенсивность преобразований увеличивается по мере развития человеческого общества, освоения новых источников энергии, роста научного знания. Эту стадию в эволюции биосферы В.И. Вернадский назвал ноосферой, сферой разума.

Это высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и становлением в ней цивилизованного общества, с периодом, когда разумная деятельность человека становится главным, определяющим фактором развития. Среди функций ноосферы можно выделить функции, призванные служить сохранению и развитию здоровья человека, а также благополучия всего человечества. Однако современное состояние человеческого общества и отношение к природе заставляет задуматься о возможности перехода биосферы на эту стадию развития в обозримом будущем.

1.3.2. Круговорот веществ. В осуществлении функций биосферы по обеспечению жизнедеятельности организмов решающая роль принадлежит круговороту веществ, благодаря которому достигается динамическое равновесие и устойчивость биосферы в целом и отдельных ее частей. При этом в едином круговороте выделяют большой геологический круговорот, происходящий в результате действия абиотических факторов, а также малый биотический круговорот веществ в твердой, жидкой и газообразной фазах, происходящий при участии живых организмов.

Большой геологический круговорот происходит в течение сотен тысяч или миллионов лет. Он заключается в следующем: горные породы подвергаются разрушению, выветриванию и в конечном итоге смываются потоками воды в Мировой океан. Здесь они откладываются на дне, образуя осадочные породы, и лишь частично возвращаются на сушу с организмами, извлеченными из воды человеком или другими животными. Установлено, что в Мировой океан ежегодно выносится 12 км3 минерального вещества, в результате чего с поверхности континентов в среднем снимается слой толщиной около 0,08 мм. При таких темпах разрушения все континенты были бы уничтожены за 10-11 млн лет. Однако это не происходит, так как в противовес процессу разрушения материков действует процесс подъема вещества из глубин земной мантии. Крупные медленные геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещение морей и океанов приводят к тому, что морские отложения возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.

Малый биотический круговорот является частью большого. Скорость протекания процессов здесь значительно выше. В единый биотический круговорот вовлечены все виды живых организмов, населяющих планету. Если рассматривать этот круговорот как единую замкнутую цепь, то любые растения, животные, микроорганизмы составляют отдельные звенья этой цепи. Связь отдельных звеньев выражается в том, что вещество и энергия, приобретенные каждым предшествующим звеном, далее потребляются и перерабатываются в последующем звене. Это происходит до тех пор, пока остатки вещества не возвращаются к исходному звену.

Растения могут рассматриваться как сложные органические машины, осуществляющие фотосинтез (процесс образования органического вещества с использованием таких обязательных исходных компонентов, как вода и углекислый газ, и с выделением кислорода).

Часть химической энергии, аккумулированной зелеными растениями, далее усваивается травоядными животными, а затем плотоядными, поедающими травоядных. Остатки мертвого органического вещества, образующегося после смерти живых организмов или в процессе их жизнедеятельности (например, опавшие ветки, листья и т.д.), разрушаются деструкторами (прежде всего микроорганизмами), с определенной скоростью поступают в почву, воду, воздух и вновь включаются в биотический круговорот. При этом часть вещества исключается из биотического круговорота и с помощью геохимических процессов закрепляется в осадочных отложениях или переносится в океан.

Существуют определенные колебания темпов круговорота в различных географических зонах и природных комплексах. Они определяются интенсивностью потока солнечной радиации, химическим составом атмосферы, периодическими изменениями наклона земной оси по отношению к Солнцу и т.д. Это приводит к дифференциации регионов биосферы. Она характеризуется максимальным количеством биомассы живого вещества в тропических, экваториальных областях, большим разнообразием там растительных и животных видов.

В пустынях и полупустынях биомасса и разнообразие видов, лимитированные климатическими условиями, резко сокращаются, вновь увеличиваясь в умеренных широтах и уменьшаясь в приполярных зонах.

Знание круговорота веществ на Земле имеет большой практический смысл, так как они существенно влияют на жизнь человека и в то же время подвергаются влиянию со стороны человека. Последствия этих воздействий стали сравнимы с результатами геологических процессов. Возникают новые пути миграции элементов, появляются новые химические соединения, существенно изменяются скорости оборота веществ в биосфере.