 |
Биосфера. Ее границы, подразделения, параметры, стационарная и динамическая структура.
|
|
|
|
Биосфера представляет собой сложнейшую планетарную оболочку жизни, населенную организмами, составляющими в совокупности живое вещество. Это самая крупная экосистема Земли – область системного взаимодействия живого и косного вещества на планете. Современная жизнь распространена в верхней части земной коры (литосфере), в нижних слоях воздушной оболочки Земли (атмосферы) и в водной оболочке Земли (гидросфере). В литосфере жизнь ограничивает прежде всего температура горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает с глубиной и на уровне 1,5-15 км уже превышает 100°C. В нефтяных месторождениях на глубине 2-2,5 км бактерии регистрируются в значительном количестве. В океане жизнь распространена на всех глубинах и встречается даже на дне океанических впадин в 10-11 км от поверхности, так как температура там около 0°C. Однако нижняя граница биосферы проходит еще глубже, так как постепенно накапливающиеся в океане толщи осадочных пород, происхождение которых связано с деятельностью живых существ тоже являются частями биосферы.
Верхняя граница жизни в атмосфере определяется уровнем ультрафиолетовой радиации. На высоте 25-27 км большую часть ультрафиолетового излучения Солнца поглощает находящийся здесь озоновый экран. Все живое, поднимающееся выше защитного слоя озона, погибает. Атмосфера же над поверхностью Земли насыщена многообразными живыми организмами, передвигающимися в воздухе активным или пассивным способом. Споры бактерий и грибов обнаруживают до высоты 20–22 км, но основная «живая» часть сосредоточена в слое до 1-1,5 км. В горах граница распространения наземной жизни около 6 км над уровнем моря. В биосфере планетного масштаба выделяют континентальную и океаническую биосферы.
|
|
|
Границы биосферы распределяются следующим образом. Если к биосфере относить те зоны Земли, где длительное время существуют постоянные сообщества живых организмов, то верхнюю границу биосферы (эубиосферы) следует проводить по высоте рекордных активных залетов летающих животных - до 10 км. Выше этой границы до озонового экрана располагается парабиосфера. По данным, полученным с помощью геофизических ракет, бактерии в состоянии анабиоза встречаются на высоте до 70 км, в стратосфере. Эта зона получила название апобиосфера. Мощность эубиосферы по вертикали составляет менее 20 км: нижний - до 10 км - слой атмосферы, вся толща воды в океане и незначительная донная пленка жизни - до 11 км, а на континентах - тонкий наземный и мощный подземный слой (гипобиосфера) - более 3 км. Ниже, в пределах нескольких десятков километров, земная кора охватывает ряд геологических оболочек, сформированных прежними состояниями биосферы. Это - метабиосфера. Все названные оболочки: метабиосфера, эубиосфера, парабиосфера и апобиосфера образуют многослойную мегабиосферу, под которой находится базальтовый слой земной коры.
Принято выделять три основные формы биосферы: 1. Формы биологической систематики (популяции, виды, роды, семейства и т.д., принятые в ботанике и зоологии). 2. Биогеографические формы (территории, биогеографические зоны, области, зоогеографические территории и т.п.). 3. Экологические формы (экосистемы, экотопы, биотопы и др).
Вещественный состав биосферы также разнообразен. По Вернадскому выделяют семь частей:
- живое вещество;
- биогенное вещество – рождаемое и перерабатываемое живыми организмами (горючие ископаемые, известняки и т.д.);
- косное вещество – образуемое без участия живых организмов (твердое, жидкое и газообразное);
- биокосное вещество - косное вещество, преобразованное живыми организмами (вода, почва, кора выветривания, илы);
|
|
|
- радиоактивное вещество (элементы и изотопы уранового, ториевого и актиноуранового ряда);
- рассеянные атомы земного происхождения и космических излучений;
- вещество космического происхождения – метеоритs, космическая пыль и др.
Живое вещество биосферы
Живое вещество биосферы – это совокупность всех ее живых организмов. Главное предназначение живого вещества и его неотъемлемый атрибут - накопление свободной энергии в биосфере. Обычная биогеохимическая энергия живого вещества производится прежде всего путем размножения.
Основными свойствами живого вещества являются: огромная свободная энергия; высокая скорость протекания химических реакций; химические соединения, слагающие живое вещество устойчивы только в живых телах; существует в форме непрерывного чередования поколений; в живом веществе присутствует эволюционный процесс. 1. Живое вещество перерабатывает энергию солнечных излучений, атомную энергию радиоактивного распада и космическую энергию рассеянных элементов, приходящих из нашей Галактики, увеличивая во много раз количество свободной энергии. 2. В неживом веществе, построенном из тех же химических элементов, что и живое, происходят похожие химические процессы, однако, скорость протекания химических реакций в неживом веществе значительно меньше (в тысячи и миллионы раз медленнее). 3. После завершения процесса жизнедеятельности исходные живые органические вещества распадаются до химических составных частей. 4. По химическому составу живое вещество Земли схоже с веществом космического происхождения, но генетическую связь можно проследить только в веществе земного происхождения. В связи с чем, вновь образовавшееся вещество генетически связано с живым веществом прошлых эпох. 5. Генетическая информация любого организма зашифрована в каждой его клетке. При этом клеткам изначально предначертано быть самими собой, за исключением яйцеклетки, из которой развивается целый организм.
Функции живого вещества
Живое вещество это часть биосферы. Круговорот отдельных веществ получил название биогеохимические циклы. Они обеспечивают важнейшие функции живого вещества в целом. Вернадским было выделено пять таких функций: газовая, концентрационная, окислительно-восстановительная, биохимическая и биогеохимической деятельности человека.
|
|
|
1. Газовая функция. Осуществляется зелеными растениями, выделяющими кислород в процессе фотосинтеза, а также всеми растениями и животными, выделяющими углекислый газ в результате дыхания. К основным газовым функциям (по Вернадскому) относят: кислородно-углекислотную (носителями являются хлорофилльные растения); углекислотную (результат жизнедеятельности животных, грибов и бактерий, в результате чего создается биогенная углекислота); озонную и перекисьводородную (образование озонового экрана); азотную (живое вещество биосферы создает свободный азот атмосферы); углеводородную (образование биогенных газов – углеводородов); водную (биогенный круговорот воды); сероводородную и сульфидную.
2. Концентрационная функция. Проявляется в способности живых организмов накапливать в своих телах многие химические элементы (на первом месте стоит углерод, среди металлов – кальций). Способность концентрировать элементы из разбавленных растворов – характерная особенность живого вещества. Например, морские организмы активно накапливают микроэлементы, тяжелые металлы (ртуть, свинец, мышьяк), радиоактивные элементы.
Различают концентрационные функции I рода, когда живым веществом из окружающей среды концентрируются те химические элементы, которые содержатся во всех без исключениях организмах (Н, С, N, О, Na, Mg, Al, Si, P, S, CI, K, Ca, Fe) и концентрационные функции II рода, когда наблюдается накопление химических элементов, которые в живых организмах не встречаются или могут встречаться в очень малых количествах. Например, голотурии способны накапливать ванадий. Дождевые черви могут накапливать цинк, медь, свинец и кадмий в своих тканях. Водоросли рода ламинария накапливают в себе йод.
3. Окислительно-восстановительная функция. Выражается в химических превращениях веществ в процессе жизнедеятельности организмов. В результате этого образуются соли, оксиды, новые вещества. С данной функцией связано формирование железных и марганцевых руд, известняков и т.п.
|
|
|
4. Биохимическая функция. Определяется как размножение, рост и перемещение в пространстве живого вещества. Это приводит к круговороту химических элементов в природе, их биогенной миграции.
5. Функция биогеохимической деятельности человека. Связана с биогенной миграцией атомов, многократно усиливающейся под влиянием хозяйственной деятельности человека. Человек в ходе хозяйственной деятельности разрабатывает и использует для своих нужд большое количество веществ земной коры, в том числе таких, как уголь, газ, нефть, торф, сланцы, многие руды. Одновременно происходит антропогенное поступление в биосферу чужеродных веществ в количествах, превышающих допустимое значение.
В общей динамике вещества, энергии и информации в биосфере живое вещество выполняет несколько функций, поддающихся формализации. Отметим наиболее очевидные.
1. Энергетическая функция включает поглощение и связывание солнечной энергии при фотосинтезе, а химической - при разложении энергонасыщенных веществ, передачу энергии по пищевой цепи разнородного живого вещества и высвобождение энергии во внешнюю среду.
2. Концентрационная функция связана с избирательным накоплением в ходе жизнедеятельности определенных видов вещества, используемых для построения живых тел и удаляемых из них при химической регуляции.
3. Деструктивная (разрушительная) функция предполагает: минерализацию отмирающего живого вещества; разложение неживого неорганического вещества; вовлечение образовавшихся веществ в биогенный круговорот.
4. Транспортная функция - перенос вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении.
5. Средообразующая функция связана с преобразованием живым веществом физико-химических параметров среды.
6. Информационная функция включает накопление, хранение, реорганизацию и передачу информации о структурных и динамических характеристиках активной подсистемы в пространственно-временной протяженности.
Такая работа живого вещества оказывается единственным способом обеспечения собственного длительного существования и развития в условиях ограниченности доступных минеральных веществ, необходимых для этого.
|
|
|
