С составом растений и животных (Виноградов, 1957)
БИосфера. ЕЕ Происхождение и Свойства
Основы учения о биосфере
Понятие «биосфера» имеет греческое происхождение: «bios» - жизнь; «sphaira» - шар и в буквальном переводе обозначает сферу жизни. Впервые термин «биосфера» был введен в биологию французским ученым Ж. Ламарком в начале XIX века («сферический организм»), а затем в геологию австрийским геологом Э.Зюссом в 70-х годах XIX века для обозначения поверхностно-географического образа Земли ( понятие «лика Земли») для обобщения исследований о строении и развитии земной коры. Однако сущность биосферы при этом не была раскрыта.
Однако создал учение о биосфере ученый с энциклопедическими знаниями, геохимик по образованию, основатель биохимии, профессор минералогии Московского университета В.И.Вернадский. Свои идеи о биосфере он изложил в работе «Биосфера» (1926 г.). По В.И. Вернадскому биосфера - это наружная область Земного шара, граничащая с Космосом, сосредоточившая в себе жизнь в различных формах ее проявления (латентном и активном), пронизывающая всю гидросферу, верхние слои литосферы и нижние слои атмосферы, в которой происходит аккумуляция, трансформация световой энергии и совершается геохимическая работа.
В определении понятия биосферы особое внимание следует обратить на следующие аспекты:
1. Оболочка планеты, состоящая из живых организмов, осуществляющая контакт с Космосом (1-я граничная поверхность).
2. Живая оболочка, пронизывающая в той или иной степени географические сферы (2-я граничная поверхность).
3. Живая оболочка как энергетический канал, улавливающий световую энергию (и космическую пыль) и связывающий этим Землю с Космосом.
4. Живая оболочка - аккумулятор энергии и преобразователь ее в геохимическую работу.
Биосфера, как считает В. И. Вернадский, сразу возникла как система, состоящая из примитивнейших безъядерных (прокариотических) организмов - прокариот. Однако одни из них питались готовыми органическими веществами - это были гетеротрофные бактерии. Другие же могли использовать энергию химических связей для созидания органического вещества. Такие организмы названы хемотрофами. Вместе они и создали систему пищевой (трофической) зависимости или биологический круговорот. Поэтому согласно В. И. Вернадскому жизнь на Земле представляет геологически вечное явление. Геологически вечное существование биосферы возможно благодаря определенным механизмам организации и в первую очередь пространственно- функциональной организации биосферы.
Жизнь стала возможной благодаря биологическому круговороту. А кто его осуществлял и осуществляет? Здесь нужно вспомнить типы питания, то есть способы добычи органического вещества. На основании типов питания каждая группа выполняет определенную функцию в биосфере.
Организмы с автотрофным типом питания стали в результате хемосинтеза и фотосинтеза создавать органическое вещество. Это продуценты. Те организмы, которые поглощают готовое органическое вещество (а это животные и человек в том числе), получили название консументов. И, наконец, из консументов была выделена еще одна функциональная группа редуцентов (бактерии, грибы), которые доводят весь органический опад до конечных продуктов минерализации (и питаются в основном осмотрофно). Эти три функциональные группы и ответственны за обеспечение биологического круговорота, а следовательно, за существование биосферы.
В самой биосфере можно выделить своеобразный энергетический сгусток (пласт) или тело ее, которое принято называть биостромой. Именно она и осуществляет всю гигантскую работу по преобразованию лика нашей планеты. Это, собственно, совокупность всех живых организмов планеты, названная В.И.Вернадским живым веществом. Важно то, что это живое вещество (растения, животные, грибы) на построение своего тела (стромы) извлекало и извлекает из окружающей среды (абиотического круговорота) химические (в основном биофильные) элементы (табл. 7.1).
Таблица 7.1.
Элементный состав звездного и солнечного вещества при сопоставлении
с составом растений и животных (Виноградов, 1957)
| Химический элемент | Содержание, % | |||
| звездное вещество | солнечное вещество | живое вещество | ||
| растения | животные | |||
| Водород (Н) | 81,8 | 87,0 | 10,0 | 10,0 |
| Гелий (Не) | 18,2 | 13,0 | - | - |
| Азот (N) Углерод (С) Магний (Mg) | 0,33 | 0,33 | 0,3 3,0 0,08 | 3,0 18,0 0,05 |
| Кислород (О2) | 0,03 | 0,25 | 79,0 | 65,0 |
| Кремний (Si) Сера (S) Железо (Fe) | 0,01 | 0,004 | 0,15 | 0,254 |
| Другие элементы | 0,001 | 0,04 | 7,49 | 3,696 |
С одной стороны, это свидетельствует о глубоких генетических корнях живого вещества с Космосом, а с другой - о глубоко зашедшей специализации живого вещества.
Живое вещество - это совокупность живых организмов, существовавших или существующих определенный промежуток времени и являющихся мощным геологическим фактором. Живое вещество является биогеохимическим фактором и характеризуется элементарным составом, массой и энергией. Это вещество аккумулирует и преобразовывает солнечную энергию и вовлекает неорганическую материю в непрерывный круговорот. В. И. Вернадский указывал, что живое вещество аккумулирует энергию космоса, превращает ее в энергию земных процессов (химическую, электрическую, механическую, тепловую и т.д.) и в непрерывном обмене веществ с косной материей планеты обеспечивает образование живого вещества. Последнее замещает отмирающие его массы и привносит новые качества, определяя процесс эволюции органического мира. Через живое вещество многократно проходят атомы почти всех химических элементов. Живое вещество определяет состав атмосферы, гидросферы, литосферы и играет большую роль в формировании биосферы.
При этом жизнь на Земле существует в двух формах: в активной и скрытой (латентной). Латентная форма жизни распространена значительно шире. Формами латентного состояния у животных могут быть цисты (у простейших), икринки, яйцо, а у растений - споры, семена, покоящиеся почки.
При этом латентное состояние расширяет рамки жизни. Замирание жизни ведет к ее расширению, растеканию (по В. И. Вернадскому). В этом - проявление закона диалектики - закон единства и борьбы противоположностей. Границы жизни зависят от различных параметров.
В целом же распределение жизни в биосфере носит резко неравномерный характер. Наибольшая плотность жизни наблюдается на границах сред обитания. Эти сгущения жизни принято называть, пользуясь терминологией В. И. Вернадского, «пленками жизни», основными из которых являются:
- граница контакта почвы и воздуха - 2-3 см толщины;
- зона контакта воздушной, почвенной и морской сред жизни - прибрежная зона и зона апвелинга (достигаемая морскими брызгами);
- эуфотическая зона океана (до 200 м), т. е. зона свободного проникновения солнечного луча. В эуфотической зоне выделяют еще более насыщенный жизнью слой в 2-3 см зону контакта водной и воздушной сред. Это настоящий инкубатор жизни.
Таких пленок жизни можно назвать еще несколько. Это и дно Мирового океана, и Саргассовое море скопление (заросли) бурой водоросли Саргасса и др.
Таким образом, жизнь широко распространена на Земле, она преобразует «лик Земли», оставляет свои следы повсюду, где она есть или была: это и окаменелости древних видов растений и животных, и каменный уголь, известняки и т. д. Но образовались они в прошлых геологических эпохах, в прошлых биосферах. Не случайно, есть понятие «следы былых биосфер».
Во взглядах В. И. Вернадского особенно важны следующие два положения:
1. Понятие о живом веществе как о ведущем факторе миграции и перераспределения химических элементов на поверхности Земли.
2. Неразрывная связь и единство живых организмов и окружающей среды. Единство биосферы поддерживается непрекращающимся обменом вещества и энергии между средой и организмами. Обмен веществ происходит путем миграции химических элементов, захватываемых и выделяемых организмами в процессе их жизнедеятельности.
Жизненные процессы, включающие процессы биогеохимической миграции элементов, по своей природе являются цикличными и незамкнутыми. Биогеохимические циклы бывают разного ранга - от обмена на уровне микроорганизмов до суммарного эффекта деятельности живого вещества планеты Земля. Это создает своеобразный механизм функционирования биосферы и ее отдельных звеньев. Цикличность массообмена химических элементов поддерживает состав окружающей среды в состоянии подвижного равновесия.
Незамкнутость процессов способствует направленному изменению состава среды. Биогеохимия - наука, изучающая закономерности распределения химических элементов в живых организмах и окружающей среде для выяснения биогеохимических циклов массообмена. Биогеохимия является частью учения о биосфере.
Идеи В. И. Вернадского о единстве общества и природы актуальны и в настоящее время: «Все страхи и рассуждения обывателей, а также некоторых представителей гуманитарных и философских дисциплин о возможности гибели цивилизации связаны с недооценкой силы и глубины геологических процессов, каким является происходящий ныне, нами переживаемый переход биосферы в ноосферу».
Учение В. И. Вернадского о ноосфере включает четыре основные положения:
1. Ноосфера является исторически последним состоянием геологической оболочки биосферы, преобразованной деятельностью человека.
2. Ноосфера - сфера разума и труда.
3. Изменения в биосфере обусловлены как сознательной, так и бессознательной деятельностью человека. В последнем случае изменения в биосфере являются стихийными.
4. Дальнейшее развитие ноосферы связано с развитием социально-экономических факторов, таких как установление мира на планете Земля, освобождение трудящихся и дальнейшее развитие науки в их интересах.
Ноосфера сильно отличается от биосферы в генетическом ускоренном развитии. Например, биосфера в мезозойском периоде находилась в устойчивом состоянии миллионы лет. Ноосфера значительно изменяется за десятки лет.
Заслугой Вернадского является и то, что понятие биосферы он распространил и на другие планеты, на которых вследствие стечения благоприятных обстоятельств возникла и существует жизнь.
Обобщая сказанное можно сказать, что биосфера - это то пространство на земном шаре, в котором обитают и функционируют сложные взаимосвязанные системы, включающие сообщества живых существ и их среду обитания (экосистемы). Именно в биосфере, благодаря деятельности отдельных экосистем, солнечная энергия осуществляет коренные изменения физических и химических свойств вещества Земли.