Понятие биосферы, границы и состав биосферы

Биосфера – оболочка Земли, населенная живыми организмами (В.И. Вернадский – 1926г. определял как «область планеты, в которой существует или когда-либо существовала жизнь, и которая подвергается или подвергалась воздействию живых организмов.)

Биосфера – динамическая (термодинамическая) система живых и неживых компонентов, взаимодействующих между собой.

Границы биосферы:

- верхняя граница – расположена на высоте озонового слоя атмосферы – 20–25 км (выше живое погибает от ультрафиолетового излучения);

- нижняя граница – ограничивается температурой горных пород и подземных вод (в разных участках литосферы температура 100 ˚С достигается на глубине от 1,5 до 15 км), находится на 2–3 км (максимально до 4 км) ниже поверхности суши и на 1–2 км ниже дна океана. В нефтяных месторождениях бактерии регистрируются в больших количествах на глубине 2–2,5 км;

- поверхность земли – в настоящее время полностью лишена жизни лишь в области обширных оледенений и в кратерах действующих вулканов;

- температурные пределы – для отдельных форм жизни – от практически абсолютного нуля до 180 ˚С;

- пределы давления – от долей атмосферы на большой высоте до тысячи и более на больших глубинах. Семена и споры растений, мелкие животные в анабиозе могут сохранять жизнеспособность в полном вакууме.

Таким образом, биосфера – предельно большая экосистема земли, та ее область, которая охвачена влиянием живого вещества, включает:

1) живое вещество – совокупность живых организмов, имеющих определенную суммарную массу, химический состав и энергию;

2) косное вещество – совокупность веществ в биосфере, в образовании которых живые организмы не участвуют;

3) биогенное вещество – создается и перерабатывается живыми организмами – мощный источник потенциальной энергии (каустобиолиты, известняки). После образования биогенного вещества живые организмы в нем малодеятельны;

4) биокосное вещество – создается в биосфере одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя системы динамического равновесия тех и других (почвы, коры выветривания, все природные воды).

Согласно современным взглядам для понимания функционирования биосферы не обязательно учитывать все пространство, где встречаются следы жизни. Важнее рассматривать пространство и вещества, которые находятся под контролем потребления, трансформации и продуцирования современными живыми организмами. Это ограничивает биосферу:

- от нескольких метров над поверхностью растительного покрова на суше или над океаном до нижнего горизонта грунтовых вод или максимального проникновения корней растений или роющих животных;

- из биосферы исключаются «надсферы» и «подсферы» и оставлены только террабиосфера и часть гидробиосферы;

- эта область включает фотический слой воды в океане.

За границами остается ничтожная часть живых организмов, но находятся огромные массивы продуктов их жизнедеятельности и в атмосфере (газы, водяной пар), и в гидросфере (растворенная, взвешенная и донная органика).

Функционирование биосферы

Один из центральных вопросов экологии – выяснение существа взаимоотношений организмов с окружающей средой.

Благодаря способности трансформировать солнечную энергию в энергию химических связей биота биосферы выполняет ряд фундаментальных биогеохимических функций планетарного масштаба.

Газовая функция.Кислород атмосферы накоплен за счет фотосинтеза, единственный абиогенный источник кислорода – диссоциация воды на больших высотах – незначителен. Накапливание кислорода в атмосфере происходит за счет захоронения углерода в виде органического вещества. Количество кислорода в атмосфере до сих пор неуклонно растет несмотря на его громадный расход человечеством.

Весь запас свободного кислорода в атмосфере (1,6 – 10¹⁵ г., 1.6 млрд. т.) зеленые растения могут воссоздать за 10 тысяч лет, а за 7 лет поглощается весь углекислый газ атмосферы.

Создание озонового слоя из кислорода в верхних слоях тропосферы – результат деятельности живого вещества. Вернадский писал, что «живое вещество как бы само создает себе область жизни».

Биохимическая переработка продуцирование и потребление углекислого газа, азота, сероводорода, метана, других летучих веществ (фитонциды) формирует и поддерживает постоянство состава атмосферы, например 1 га можжевелового леса производит за 1 день 30 кг фитонцидов.

Концентрационная функция. Живые организмы пропускают через свое тело большие объемы воздуха и природных растворов, осуществляют биогенную миграцию и концентрирование химических элементов и их соединений:

- биосинтез органики;

- строительство раковин и скелетов, образование коралловых островов, толщ осадочных известняков;

- окисление и восстановление элементов с переменной валентностью микроорганизмами (азот, сера, железо, марганец и др.) Геологические результаты – месторождения серы, сульфидов, скопления железомарганцевых конкреций на дне океана и т.п.

Окислительно-восстановительная функция тесно связана с биогенной миграцией элементов и концентрированием веществ. Многие вещества в природе крайне устойчивы и не подвергаются окислению при обычных условиях. Например, молекулярный азот – один из важнейших биогенных элементов. Живые клетки располагают эффективными катализаторами – ферментами и способны производить окислительно-восстановительные реакции в миллионы раз быстрее, чем это может происходить в абиогенной среде.

Информационная функция. С появлением первых примитивных живых существ на планете появилась и генетическая информация – активная («живая») информация, отличающаяся от той «мертвой» информации, которая является простым отражением структуры. Организмы оказались способными к получению информации путем соединения потока энергии с молекулярной структурой, играющей роль программы. Способность воспринимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию стала важным экологическим системообразующим фактором.

Суммарный запас генетической информации биоты биосферы оценивается в 10¹⁵ бит. Общая мощность потока молекулярной информации, связанной с обменом веществ и энергии во всех клетках глобальной биоты – 10³⁶ бит/с.

Перечисленные функции живого вещества биосферы обращены в основном к внешним факторам существования. Все вместе они образуют мощную средообразующую функцию биосферы. Она тесно связана со средорегулирующей функцией – биотической регуляцией окружающей среды. Биота в глобальном масштабе способна с большой точностью и длительное время поддерживать на постоянном уровне важные параметры окружающей среды несмотря на исключительную сложность и динамичность регулируемой системы. Таким образом, биота биосферы формирует и контролирует состояние окружающей среды.

Функционирование биосферы осуществляется в рамках бесконечного множества круговоротов вещества различного уровня под действием потока энергии от солнца. Примеры круговоротов веществ:

1. Круговорот воды в пределах ландшафтов – испарение – конденсирование – осадки.

2. Круговорот воды в пределах планеты – водообмен – океаны – материки (рис. 7).

3. Круговороты отдельных химических элементов – углерода, кислорода, азота и др.

Круговороты (биологические) отдельных ландшафтов – характеризуются:

- скоростью – количеством живого, образующегося и разлагающегося в единицу времени;

- емкостью – количество химических элементов, находящихся одновременно в составе живого в данной экосистеме.

Рис. 7. Резервуары и круговорот воды на земле. Объемы резервуаров (подчеркнуты) – в тыс. км3. Потоки влаги (испарение, перенос в атмосфере, осадки, сток) – в тыс. км3/год

Эволюция биосферы

Изменения окружающей среды на земле всегда происходили параллельно с эволюцией жизни. Два этих процесса в биосфере развивались параллельно и взаимосвязано:

- изменение параметров абиотических факторов влекло за собой каскад изменений живого (принцип влияния неживого на живое);

- меняющееся живое вещество активно воздействует на среду своего обитания, формируя ее новые параметры (принцип влияния живого на неживое).

Высокая степень замкнутости биотического круговорота и биотическая регуляция окружающей среды является результатом эволюции биосферы.

Важнейшим двигателем планетарной химической и органической эволюции является непрерывный поток солнечной энергии, постоянно организующий, воспроизводящий и усложняющий путем автокатализа и отбора циклические динамические системы вещества на Земле. Многие детали эволюционного процесса неизвестны, но динамика химических циклов в биосфере указывает на прямую связь химической и биологической эволюции на планете.

В эволюции биосферы принято выделять два этапа: добиотический и биотический этапы эволюции.

Добиотическая эволюция – химическая эволюция, подготавливала субстраты, конструкции и реакции для возникновения жизни, включает в себя 4 подэтапа.

1. Образование планеты и ее атмосферы (около 4,5 млрд лет назад):

- газовые компоненты веществ, из которых формировалась планета – ювенильная атмосфера – улетучились в пространство;

- примитивная вторичная атмосфера, формируемая эмиссиями остывающей коры и вулканическими извержениями, имела высокую температуру, была резко восстановительной и содержала водород, азот, пары воды, метан, аммиак, инертные газы, диоксид серы, сероводород, возможно, также окись углерода, цианистый водород, формальдегид и другие простые соединения.

2. Возникновение абиотического круговорота веществ в атмосфере:

- появляется жидкая вода;

- горячий первичный океан имеет на порядок меньший объем, чем современная гидросфера, но представляет собой более концентрированный раствор;

- формируется круговорот воды, водная миграция элементов и многофазные химические реакции в растворах;

- образуются микромолекулы при действии различных видов энергии на компоненты атмосферы и гидросферы;

- автокатализ способствует отбору и росту молекул, органических мономеров – простых кислот, альдегидов, ароматических циклов, нуклеотидов.

3. Образование сложных органических веществ, биополимеров – белков, нуклеиновых кислот, жирных кислот, полисахаридов.

Органические вещества возникали в процессах конденсации и полимеризации мономеров и других простых соединений: С, Н, О, N, за счет энергии ультрафиолетового излучения Солнца, радиоактивности, электрических разрядов и других энергетических импульсов.