Характеристика и состав биосферы

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 10Следующая ⇒

В буквальном переводе термин “биосфера” обозначет сферу жизни и в таком смысле он впервые был введен в науку в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831 – 1914). Однако задолго до этого под другими названиями, в частности " пространство жизни", " картина природы", " живая оболочка Земли" и т.п., его содержание рассматривалось многими другими естествоиспытателями.

Первоначально под всеми этими терминами подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом скорее обращалось внимание на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической природы. Даже автор самого термина " биосфера" Э.Зюсс в своей книге " Лик Земли", опубликованной спустя почти тридцать лет после введения термина (1909 г.), не замечал обратного воздействия биосферы и определял ее как " совокупность организмов, ограниченную в пространстве и во времени и обитающую на поверхности Земли".

Первым из биологов, который ясно указал на огромную роль живых организмов в образовании земной коры, был Ж.Б.Ламарк (1744 – 1829). Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.

Очень важным для понимания биосферы было установление немецким физиологом Пфефером (1845 – 1920) трех способов питания живых организмов:

- автотрофное – построение организма за счет использования веществ неорганической природы;

- гетеротрофное – строение организма за счет использования низкомолекулярных органических соединений;

- миксотрофное – смешанный тип построения организма (автотрофно-гетеротрофный).

Биосфера (в современном понимании) – своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.

Атмосфера – наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с космическим пространством; через атмосферу осуществляется обмен вещества и энергии с космосом.

Атмосфера имеет несколько слоев:

- тропосфера – нижний слой, примыкающий к поверхности Земли (высота 9–17 км). В нем состредоточено около 80% газового состава атмосферы и весь водяной пар;

- стратосфера;

- ноосфера – там “живое вещество” отсутствует.

Преобладающие элементы химического состава атмосферы: N₂ (78%), O₂(21%), CO₂ (0, 03%).

Гидросфера – водная оболочка Земли. В следствие высокой подвижности вода проникает повсеместно в различные природные образования, даже наиболее чистые атмосферные воды содержат от 10 до 50 мгр/л растворимых веществ.

Преобладающие элементы химического состава гидросферы: Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl^–, S, C. Концентрация того или иного элемента в воде еще ничего не говорит о том, насколько он важен для растительных и животных организмов, обитающих в ней. В этом отношении ведущая роль принадлежит N, P, Si, которые усваиваются живыми организмами. Главной особенностью океанической воды является то, что основные ионы характеризуются постоянным соотношением во всем объеме мирового океана.

Литосфера – внешняя твердая оболочка Земли, состоящая из осадочных и магматических пород. В настоящее время земной корой принято считать верхний слой твердого тела планеты, расположенный выше сейсмической границы Мохоровичича. Поверхностный слой литосферы, в котором осуществляется взаимодействие живой материи с минеральной (неорганической), представляет собой почву. Остатки организмов после разложения переходят в гумус (плодородную часть почвы). Составными частями почвы служат минералы, органические вещества, живые организмы, вода, газы.

Преобладающие элементы химического состава литосферы: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K. Ведущую роль выполняет кислород, на долю которого приходится половина массы земной коры и 92% ее объема, однако кислород прочно связан с другими элементами в главных породообразующих минералах. Т.о. в количественном отношении земная кора – это “царство” кислорода, химически связанного в ходе геологического развития земной коры.

Постепенно идея о тесной взаимосвязи между живой и неживой природой, об обратном воздействии живых организмов и их систем на окружающие их физические, химические и геологические факторы все настойчивее проникала в сознание ученых и находила реализацию в их конкретных исследованиях. Биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы, от которой она, с одной стороны зависит, а с другой – сама воздействует на нее. Только подобный подход может дать ясное и глубокое представление о концепции биосферы.

Такую задачу как раз и поставил перед собой выдающийся российский ученый Владимир Иванович Вернадский (1863 – 1945).Еще в книге " Химическое строение биосферы Земли и ее окружения", вышедшей в 1922 г., В.И. Вернадский выделил 7 типов земного вещества, из которых слагается биосфера; с учетом некоторых поправок эти типы представлены в табл. 12.

Типы вещества биосферы Земли Таблица 12

Характер вещества Градации по исходному веществу Типы вещества

земного происхождения внеземного происхождения

Живое биогенное живое вещество (синонимы: биос, биота) неизвестно

абиогенное неизвестно неизвестно

Неживое биогенное биогенное вещество а) необиогенное б) палеобиогенное (синоним: органогенное вещество) ?

абиогенное абиогенное вещество земного происхождения (синоним: косное вещество) абиогенное вещество внеземного происхождения (синоним: вещество космического происхождения)

Биогенное вещество создано в результате жизнедеятельности организмов (например, речной рак за 20 лет жизни сбрасывает 50 панцирей); подразделяется на необиогенное вещество, образованное существующим в настоящий момент живым веществом, и палеобиогенное вещество, сохранившееся в составе горных пород (" жизнь, превращенная в камень" ). В 1997 г. вновь вспыхнул интерес к биогенному веществу внеземного происхождения; одной из первых публикацией, в которой были описаны необычные микроскопические образования, встречающиеся в метеоритах, была статья в журнале " Nature" в 1961 г. (см. также статью С.И. Жмур и др. в журнале " Природа", 1997, № 8).

Примером абиогенного вещества земного происхождения могут служить продукты вулканизма и газы, выделяющиеся из недр Земли. По современным оценкам (Лапо, 1987) ежегодный “...приход абиогенного вещества в биосферу составляет около 3 млрд. т в год”.

Но вернемся к характеристике живого вещества биосферы.

Живое вещество - основа биосферы, хотя и составляет крайне незначительную ее часть: 0, 01% от массы всей биосферы.

Свойства живого вещества. К основным особенностям живого вещества, обусловливающим его крайне высокую преобразующую деятельность, можно отнести следующие:

1. Способность быстро занимать (осваивать) все свободное пространство. В.И. Вернадский назвал это всеюдностью жизни.

2. Движение не только пассивное (под действием силы тяжести, гравитационных сил и т.п.), но и активное. Например, против течения воды.

3.Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти (включение в круговороты), сохранение при этом высокой физико-химической активности.

4.Высокая приспособительная способность (адаптация) к различным условиям и в связи с этим освоение не только всех сред жизни (водной, наземно-воздушной, почвенной, организменной), но и крайне трудных по физико-химическим параметрам условий.

5.Феноменально высокая скорость протекания реакций. Она на несколько порядков (в сотни, тысячи раз) значительнее, чем в неживом веществе.

6. Высокая скорость обновления живого вещества.

Функции живого вещества

Всю деятельность живого вещества в биосфере можно, с определенной долей условности, свести к нескольким основополагающим функциям. Мы приводим их в соответствии с классификацией А.В. Лапо (1987):

1. Энергетическая. Связана с запасением энергии в процессе фотосинтеза, передачей ее по цепям питания, рассеиванием.

2. Газовая. Это способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом.

3. Окислительно-восстановительная. Связана с интенсификацией под влиянием живого вещества процессов как окисления, благодаря обогащению среды кислородом, так и восстановления, прежде всего в тех случаях, когда идет разложение органических веществ при дефиците кислорода.

4. Концентрационная - способность организмов концентрировать в своем теле рассеянные химические элементы, повышая их содержание, по сравнению с окружающей организмы средой, на несколько порядков (по марганцу, например, в теле отдельных организмов - в миллионы раз).

5. Деструктивная - разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности, в том числе и после их смерти, как самих остатков органического вещества, так и косных веществ.

6. Транспортная - перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов.

7. Средообразующая. Эта функция является в значительной мере интегративной.

8. Рассеивающая. Наряду с концентрационной функцией живого вещества выделяется противоположная ей по результатам - рассеивающая. Она проявляется через трофическую (питательную) и транспортную деятельность организмов.

9. Важна также информационная функция живого вещества, выражающаяся в том, что живые организмы и их сообщества накапливают определенную информацию, закрепляют ее в наследственных структурах и затем передают последующим поколениям. Это один из проявлений адаптационных механизмов.

Организация биосферы

Организованность биосферы – явление многоплановое. В самом крупном плане биосфера представляет собой единство живого и минеральных элементов, вовлечённых в сферу жизни. Существенная составная часть единства – биотический круговорот, основанный на взаимодействии организмов, создающих и разрушающих органическое вещество.

При более детальном рассмотрении нетрудно обнаружить гетерогенность биотического круговорота, его более древнюю часть, составленную из одноклеточных синтетиков и деструкторов, и относительно позднюю надстройку из многоклеточных организмов.

Ещё более внимательный анализ показывает, что биосфера распределена по поверхности Земли неравномерно. В различных природных условиях она сформирована в виде относительно самостоятельных природных комплексов, получивших название экосистем, или биогеоценозов. Понятие «биогеоценоз» введено в науку советским ботаником Академиком В. Н. Сукачевым и означает сообщество организмов разных видов, обитающее в определённых природных условиях.

Каждый биогеоценоз, или экосистема, представляет собой своеобразную модель биосферы в миниатюре. Он, как правило, включает фотосинтетиков – хлорофиллоносные растения, создающие органическое вещество, гетеротрофов, живущих на созданной автотрофами органике, деструкторов, разрушающих органическое вещество тел растений и животных до минеральных элементов, а также субстрат с каким-то запасом минеральных элементов.

В зависимости особенностей субстрата, климата, исторических факторов формирования жизни биогеоценозы могут весьма существенно различаться. Известный американский эколог Е. Одум (1968), говоря об основных экосистемах мира, называет следующие экосистемы: моря, эстуарии и морские побережья, ручьи и реки, озёра и пруды, пресноводные болота, пустыни тундры, травянистые ландшафты, леса.

Каждая из перечисленных Одумом крупных экосистем, характеризующаяся некоторыми специфическими особенностями, в свою очередь распадается на экосистемы, или биогеоценозы различных лесов - хвойных, лиственных, тропических, каждый из которых отличается своими особями чертами и прежде всего характерным круговоротом вещества. Точно так же экосистема моря включает в свой состав биогеоценозы коралловых островов, весьма богатых жизнью.

Один из основателей экологии как самостоятельной науки, известный английский учёный Ч. Элтон (1960), обращает внимание на то, что разные биогеоценозы насыщены жизнью в разной степени.

Живая часть биогеоценоза – биоценоз – слагается из популяций организмов, принадлежащих к разным видам. В распределении видов в составе биоценоза обнаруживаются интересные закономерности. Чем меньше вес организма, тем больше численность его особей (Э. Макфельден, 1965).

Изучение частоты встречаемости представителей разных видов позволяет обнаружить другую более важную закономерность: наибольшим распространением отличается сравнительно небольшое число видов.

В состав биоценозов входят, с одной стороны, высокоспециализированные виды, способные существовать только в условиях данного биоценоза, с другой – виды с более широким спектром потребностей. При существенных изменениях среды обитания первыми вымирают специализированные виды.

Во многих биоценозах наряду с видами, встречающимися в данном сообществе постоянно, имеются виды, входящие в состав либо на какой-то стадии развития, либо в течение ограниченного сезона. Большую роль играют отношения типа паразит – хозяин. В последнее время открыта принципиально новая форма связей – передача наследственных особенностей от одних видов к другим с помощью бактериофагов и вирусов. Такая форма связи, по-видимому, широко распространена среди бактерий. Какую она играет роль во взаимодействии между другими членами биоценоза, пока ещё не достаточно ясно. Анализ структуры биосферы не заканчивается на биогеоценозах. Они, в свою очередь, состоят из популяций разнообразных видов, т.е. из качественно своеобразных форм организации живой материи, каждая из которых ведёт своё начало от общего предка. В биогеоценозе, таким образом, существуют популяции видов с разной историей; основа биогеоценоза полифилетчина.

В организации биосферы как системы биогеоценозов снова находит своё выражение общий принцип формирования сложного из относительно простого:

1.Имеется масса специфических компонентов – популяции отдельных видов.

2.Различные виды организмов не только способны образовывать связи друг с другом, они уже не могут существовать без этих связей.

3.Связи между организмами обеспечиваются в основном одним источником энергии – солнечным излучением. Каждый биогеоценоз – своеобразный трансформатор солнечной энергии в энергию биосинтезов.

4.Принцип разделения труда, достаточно хорошо выраженный в биогеоценозах, придаёт им черты целостности, относительной независимости существования и, как следствие этого, большей устойчивости.

5.Относительная независимость биоценозов друг от друга при условии конкуренции между ними за местообитание, вещество и энергию создаёт оптимальные условия для эволюций всей биосферы.

Конец второго тысячелетия завершился глобальным воздействием человечества на структуру и функции биосферы. Развеян миф о бесконечности и неисчерпаемости ресурсов биосферы – водных, биологических, минеральных и других. На любом участке суши или водоёма можно встретить «следы человечества». Нарушений «равновесий» в природе так много, что люди всё чаще задумываются над проблемой «человек и биосфера».

Разрешение назревающего конфликта в системе «биосфера и человечество» люди видят в Науке и Мире. Только наращивая уровень знаний в естественных и гуманитарных науках и осмотрительно и активно внедряя их, человечество сможет, вопреки паническим прогнозам, не только приостановить загрязнение биосферы, но и во много раз увеличить использование ресурсов биосферы без подрыва производительности сил Земли. Один из путей мелиорации планеты состоит в широком использовании циклических процессов в производстве; создание замкнутых по воде циклов в промышленности – лекарство первой помощи.

Естественно, что без хорошо разработанной теории нельзя успешно решить ни один из вопросов проблемы «биосфера и человечество». Мы можем гордиться, что в нашей стране впервые в мире было создано фундаментальное учение о биосфере. Его создателем был выдающийся естествоиспытатель В. И. Вернадский. Опираясь на труды и идеи В. И. Вернадского, необходимо приступить к глубокой количественной разработке всех аспектов учения о биосфере и скорейшему внедрению их в практику.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒