Тема 30. Учение о биосфере

Биосфера (от греч. bios – жизнь) – сфера жизни; область распространения жизни на Земле; пред­ставляет собой живые организмы планеты и то пространство, в кото­ром они обитают и которое преобразуют. Б. включает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы, населенные живыми организмами; в пределах Б. везде встречается либо живое вещество, либо следы его биохимической активности. В биосфере постоянно происходит круговорот веществ и превращение энергии (непрерывный поток атомов из живого вещества в косное вещество и обратно), главную роль в котором играют живые организмы. Основным источником энергии Б., движущей силой потоков вещества и энергии и регулятором биологических процессов являются излучения Солнца. Основной круговорот хим. элементов в Б. осуществляется растениями, вклад которых в общую биомассу составляет 99% (лишь 1% – животные, микроорганизмы, грибы). По своему составу, строению и организованности Б. – это сложноорганизованная оболочка, которая включает в себя: 1) живое вещество; 2) биогенное вещество; 3) косное вещество; 4) биокосное вещество; 5) вещество космического происхождения. Характерными чертами эволюции биосферы являются: ее усложнение как экологической системы, т.е. общее усложнение экосистем и возрастание "суммы жизни"; возникновение биотического круговорота веществ; эволюция видов (нарастание биоразнообразия) , которое ведет к ускорению биогенной миграции атомов химических элементов; постоянство массы живого вещества (биомассы) и неизменность видового состава (числа видов) на протяжении геологических периодов. Учение о биосфере создано В.И.Вернадским (1863-1945); он рассматривал Б. как оболочку Земли, в которой деятельность живых организмов, включая человека, является геохимическим фактором планетарного значения. Перед современной наукой о Б. стоят задачи выяснения основ устойчивости биосферы и изучения структуры биосферы как экологической системы.

Живое вещество – совокупность живых организмов, включая человека, населяющих нашу планету. По В.И.Вернадскому, отличием ЖВ от косной материи является гомеостаз (саморегуляция). ЖВ охватывает и перестраивает все химические процессы биосферы и есть мощная геологическая сила, растущая со временем.

Биогенное вещество – вещество, созданное в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, уголь, нефть, известняки и т.п.).

Косное вещество – вещество, сформированное без участия жизни, без наличия живых организмов; к нему относятся атмосфера, гидросфера и литосфера.

Биокосное вещество – вещество, являющееся результатом взаимодействия жизнедеятельности организмов и небиологических процессов (например, почва, озерная вода).

Вещество космического происхождения – электромагнитные поля, космические излучения, генерируемые ядром Галактики, нейтронными звездами, ближайшими звездными системами, Солнцем и планетами, которые пронизывают биосферу и все пространство в ней. В этом потоке основное место принадлежит солнечному излучению, которое оказывает постоянное воздействие на все явления на Земле.

Функции живого вещества – формы химической и геологической активности живого вещества (газовая, концентрационная, деструктивная, средообразующая, энергетическая), основанные на том, что живые организмы своими дыханием, питанием, метаболизмом, непрерывной сменой поколений порождают грандиознейшее планетное явление — миграцию химических элементов в биосфере.

Газовая функция – активная роль ЖВ в определении газового состава атмосферы – миграции газов и их превращений; преобладающая масса газов на планете биогенна; в результате действия ЖВ создаются основные газы нашей планеты (N₂, O₂, CO₂, H₂S, CH₄ и др.). Выделяют несколько газовых функций ЖВ: кислородно-диоксидуглеродную; диоксидуглеродную, не зависимую от кислородной; озонную и пероксидводородную; азотную; углеводородную.

Концентрационная (накопительная) функция – избирательное накопление живыми организмами химических элементов (водорода, углерода, азота, кислорода, кальция, магния, натрия, калия, фосфора и др.) из окружающей среды (примеры: раковины моллюсков, панцири диатомовых водорослей, скелеты животных).

Деструктивная функция – накопление и отложение живыми организмами в почвах и гидросфере химических соединений, минерализация органических и неорганических веществ, разложение неживого неорганического вещества (в основном грибами и бактериями) и вовлечение образовавшихся веществ в биологический круговорот. Мертвое органическое вещество разлагается до простых неорганических соединений (углекислого газа, воды, сероводорода, метана, аммиака и т. д.), которые вновь используются в начальном звене круговорота.

Транспортная функция – перенос живого вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении.

Энергетическая функция – поглощение живым веществом (прежде всего, растениями) солнечной энергии при фотосинтезе, а химической энергии – путем разложения энергонасыщенных веществ и передача энергии по пищевой цепи разнородного живого вещества.

Средообразующая функция – преобразование живыми организмами физико-химических параметров среды в условия, благоприятные для их существования. Эта функция ЖВ обусловливает такие изменения как преобразование газового состава первичной атмосферы Земли, фотосинтез органических соединений в процессе преобразования солнечной энергии, возникновение почвенного покрова на поверхности суши и т.п. (к примеру, леса регулируют поверхностный сток, увеличивают влажность воздуха, обогащают атмосферу кислородом).

Биогенная миграция атомов – главная особенность биосферы; постоянный круговорот активных химических элементов, переходящих из организма в организм, в неживую природу и снова в организм. БМА осуществляется при перемещении биомассы в пищевых цепях; осуществляется быстрее, чем в неживой природе; расширяется благодаря расселению и передвижению живых существ. БМА вызывается энергией Солнца и проявляется в процессе обмена веществ, росте и размножении организмов.

Биогеохимические принципы – принципы биогенной миграции атомов (БМА), сформулированные В.И.Вернадским: 1) в процессе эволюции биосферы скорость БМА стремится к максимуму, что приводит к возникновению "всюдности" жизни; 2) в процессе эволюции биосферы появляются новые виды, которые увеличивают БМА.

Закон биогенной миграции атомов – закон В.И.Вернадского, согласно которому миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом. биогенное происхождение всей земной поверхности свидетельствует о том, что жизнь – созидающая сила на планете.

Закон максимума биогенной энергии – закон В.И.Вернадского–Э.С.Бауэра, согласно которому любая биологическая или другая система с участием живого, находясь в состоянии динамического равновесия с окружающей ее средой и эволюционно развиваясь, увеличивает свое воздействие на среду.

Закон постоянства живого вещества биосферы – закон В.И.Вернадского, согласно которому количество живого вещества в биосфере постоянно; поэтому любое изменение количества живого вещества в одном месте биосферы неминуемо влечет за собой такую же по размеру его перемену в другом/других местах, но с обратным знаком.

Превращение энергии – трансформация поступающей на Землю энергии солнечной радиации в энергию химических связей. Превращение энергии осуществляется зелеными растениями в процессе фотосинтеза. Энергия либо расходуется на процессы жизнедеятельности всех живых организмов, либо выделяется в форме теплоты, либо консервируется в земной коре в виде залежей угля, нефти, торфа.

Гелиобиология – раздел биофизики, исследующий влияние активности Солнца на функционирование биологических систем (земные организмы и их сообщества), в частности на колебания уровня их заболеваемости и смертности. Основоположником Г. считается А.Л.Чижевский (1897-1965).