Биосфера и предельные возможности Земли

Планета Земля существует уже 4,5 млрд. лет. За этот огромный интервал времени на ее поверхности постоянно протекали сложные физико-химические процессы, возникла жизнь, сформировалась кислородосодержащая атмосфера, развились высокоорганизованные животные и растения. Эти изменения происходили очень медленно, растягивались на сотни миллионов лет, что обеспечивало возникновение процессов самоорганизации.

Что такое биосфера? Каковы ее особенности и закономерности существования?

На эти вопросы ответить непросто. Не только потому, что они частично не разработаны до конца. Обилие научных исследований и разработок, посвященных биосфере, создает значительные трудности из-за разноголосицы авторов, произвольных толкований некоторых терминов и понятий, ошибок и упущений.

А ведь в учении о биосфере сливаются воедино науки о Земле, о жизни, о Космосе. И все-таки, если биосфера – одна из планетных оболочек, познание ее должно проходить прежде всего в глобальном масштабе, с позиций общепланетных, характерных для наук о Земле.

Отдельные разделы учения пользовались за последние годы большой популярностью, а другие оставались в тени. О биосфере пишут специалисты, знатоки конкретных наук, со своих частных позиций.

До сих пор часть ученых продолжает толковать биосферу по-своему, понимая это научное понятие своеобразно: скажем, как совокупность всех организмов. Ясно, что подобные «двойные» и «тройные» толкования одного и того же термина создают излишнюю неразбириху. А ведь в учении о биосфере речь идет о той части нашей планеты, которая пронизана солнечными лучами и жизнью. Биосфера определяет изменчивый и прекрасный облик Земли, соединяет в своем лоне все живое и освещает изнутри светом человеческого разума. Мы всецело принадлежим биосфере – и телом, и духовной жизнью, прошлым и будущим, став органом ее самопознания и преобразования.

Основа организации биосферы. Понятие биосферы

Термин биосфера был введен для обозначения общего облика поверхности Земли, обусловленного наличием на ней всей массы живых организмов. Два главных компонента биосферы – живые организмы и среда их обитания (включая нижние слои атмосферы, водную среду) – сосуществуют в постоянном взаимодействии, образуя целостную систему. Отдельные популяции живых организмов не являются изолированными от окружения. В ходе эволюции образуются биоценозы – сообщества животных, растений, микроорганизмов. В совокупности со средой обитания биоценозы образуют биогеоценозы. В них происходит непрерывный обмен веществом и энергией, которые реализуются множеством трофических цепочек и биогеохимических циклов. Биогеоценозы служат элементарными ячейками биосферы, которые, взаимодействуя между собой, устанавливают динамическое равновесие в ней. Живое вещество выполняет системообразующую роль в суперсистеме жизни – биосфере. Живое вещество – это совокупность и биомасса живых организмов в биосфере. Живое вещество существует в виде огромного множества организмов разнообразных форм и размеров, объединенных в системы различного уровня. Традиционно выделяют следующие уровни организации жизни: особь (организм) – популяция – биоценоз – биогеоценоз (экосистема) – биосфера.

В итоге своего существования живое вещество Земли покрыло практически всю ее поверхность, сформировав особую сферу. Биосфера (от греч. bios – жизнь и sphaira – шар) – это оболочка Земли, в которой развивается и функционирует жизнь, а процессы обмена веществ и энергии происходит, главным образом, за счет жизнедеятельности организмов. Биосфера включает в себя живые организмы, биогенное (уголь, нефть и др.), косное (в его образовании живое не участвует) и биокосное (система совместного функционирования косных тел и живых организмов) вещество, а также вещество космического происхождения.

Биосфера охватывает верхние слои литосферы, водную оболочку до глубины 12 км и нижний слой атмосферы высотой до 15 км.

Основные функции биосферы

В связи с тем, что жизнь опосредует все другие планетарные процессы, необходимо уяснить, чем же живые организмы отличаются от остальных природных тел и почему область, занятую жизнью, выделяют в особую оболочку – биосферу.

Особенность живых объектов заключается не только в ускорении химических реакций, но и в том, что некоторые реакции при нормальных температурах и давлениях вне организмов вообще не происходят. Снижение температуры окисления обеспечивается наличием в организмах особых катализаторов (ферментов), ускоряющих протекание химических процессов.

В целом взаимодействие живой неживой компонент определяется биогеохимическими функциями биосферы (табл. 1).

Таблица 1

Биогеохимические функции живого вещества в биосфере

 Биосфера является глобальной экосистемой. Планетарной биоте принадлежит центральное место в глобальной экосистеме и что живое вещество не рядовой компонент природной среды, а выступает в ней в роли надкомпонента, по состоянию которого следует судить о биосфере в целом.

На основе изложенного выше можно заключить, что живое вещество биосферы, подразделяемое на растения, животные, грибы и микроорганизмы, имеет существенное значение как единая сила, преобразующая поверхность планеты.

Из закона вытекает, что биоту Земли нельзя рассматривать лишь как структуру, возобновляющие экологические ресурсы. Способность живого вещества оказывать преобразующее действие на окружающую среду и определенным образом организовывать ее, свидетельствует о его обладании функциями управления.

В результате осуществления этих функций биосфера обладает свойством саморегуляции, позволяющими по некоторым показателям и особенностям оставаться постоянной даже на весьма длительные промежутки времени. В основном эта особенность связана со средним химическим свойством и массой живого вещества биосферы, так как живая часть неизменно составляет определенную долю массы всей биосферы. Только при этом условии на протяжении длительных периодов существования биосферы не нарушается постоянство химических процессов приповерхностной части литосферы, в которой выражается химическое действие жизни. Следовательно, с момента образования биосферы жизнь уже должна состоять из многочисленных и разнообразных форм, имеющих различные функции.

Биохимические функции можно классифицировать и по основным (ведущим) химическим элементам.

Так, кислородно-углеродная функция осуществляется зелеными растениями. Практически весь кислород возник в результате деятельности организмов путем разложения молекул углекислоты.

Углекислотная функция, независимо от кислородной, осуществляется всеми живыми организмами, в том числе и бактериями. В результате их деятельности образующийся газ, растворяясь в водах, оказывает огромное влияние на миграцию большинства химических элементов.

Озонная и перекисьводородная функции заключаются в продуцировании сильных окислителей – озона и перекиси водорода.

Азотная функция заключается в накоплении азота в результате жизнедеятельности микроорганизмов и других биогенных процессов.

Углеводородная функция обеспечивается в бескислородной среде при микробиологическом разложении органических остатков, что приводит к образованию метана и других углеводородов.

Сероводородная функция обеспечивается также в бескислородной среде, содержащей органические остатки и сульфаты, сульфатредуцирующими бактериями, разлагающими органические вещества и сульфаты с выделением углекислого газа и сероводорода.

Водородная функция заключается в образовании в бескислородной среде водорода при разложении органических остатков бактериями.

Важно осознать, что нет организма, который один мог бы исполнять все биогеохимические функции. Исключено также и то, чтобы в ходе геологического времени происходила смена организмов, замещающих друг друга в исполнении какой-либо одной биогеохимической функции, без изменения ее самой. Только со времени появления в биосфере цивилизованного человечества один организм оказался способным одновременно вызывать разнообразные химические процессы, достигая этого разумом и техникой, а не физиологической работой своего организма.

Строение биосферы

Сегодня структура биосферы необычайно сложна и полностью ассиметрична. Это проявляется в неравномерном распределении континентов и океанов, широком сочетании горных массивов и равнинной местности, в разнообразии почв, континентальных и морских водоемов, климатических условий и т.д.

Важнейшей особенностью строения биосферы является наличие поля устойчивости (существования) жизни. Первое поле характеризуется условиями, которые выдерживает жизнь, не прекращая свои функции, а второе – условиями репродукции организмов.

Принципиальные границы биосферы определены как границы существования активной жизни.

Живое вещество в биосфере распределено весьма неоднородно: его основная масса сосредоточена в относительно узком пространстве, называемом пленкой жизни (рис. 1).

Рис. 1. Схема строения биосферы

В настоящее время детально охарактеризованы две формы концентрации жизни:

· Жизненные пленки, прослеживаемые на огромных площадях;

· Сгущения жизни, имеющие локальное распространение.

Основные для биосферы три горизонтальные пленки жизни расположены на границах раздела «литосфера – гидросфера – атмосфера»: в водоемах близ поверхности, на дне морей и океанов, на поверхности суши.

Учение Вернадского о биосфере

Российский ученый геобиохимик В.И.Вернадский – классик науки, великий ученый, основоположник учения о биосфере. Вернадский рассматривал биосферу как особое геологическое тело, строение и функции которого определяются особенностями Земли и космоса. А живые организмы, популяции, виды и все живое вещество – это формы, уровни организации биосферы.

«Решать биологические вопросы изучением только одного – во многом автономного организма нельзя, - писал Вернадский. – Мы знаем, что организм в биосфере – не случайный гость: он часть сложной закономерной организованности». Чем же характеризуется эта организованность, в чем она проявляется? Вернадский отвечал на этот вопрос так: «Организованность резко отличается от механизма тем, что она находится непрерывно в становлении, в движении всех ее самых мельчайших материальных и энергетических частиц. В ходе времени – в обобщениях механики и в упрощенной модели – мы можем выразить организованность так, что никогда ни одна из ее точек не возвращается закономерно, не попадает в то же место, в ту же точку биосферы, в какой когда-нибудь была раньше».

Развивая учение о биосфере, Вернадский пришел к следующим выводам (биогеохимическим принципам): «Биогенная миграция химических элементов в биосфере стремится к максимальному своему проявлению».

«Эволюция видов, приводящая к созданию форм, устойчивых в биосфере, должна идти в направлении, увеличивающем проявление биогенной миграции атомов в биосфере». Этот биогеохимический принцип Вернадского утверждает высокую приспосабливаемость живого вещества, пластичность, изменчивость во времени.

«Земная оболочка биосферы, обнимающая весь земной шар, имеет резко обособленные размеры; в значительной мере она обуславливается существованием в ней живого вещества – им заселена. Между ее костной частью и живыми веществами, ее населяющими, идет непрерывный материальный и энергетический обмен, выражающийся в движении атомов, вызванном живым веществом. Этот обмен в ходе времени выражается закономерно меняющимся, устремляющимся к устойчивости равновесием. Так неотделимо и неразрывно биосфера на всем протяжении геологического времени связана с живым заселяющим ее веществом. В этом биогенном токе атомов и связанной с ним энергии проявляется планетарное, космическое значение живого вещества»: писал Вернадский в своем труде «Натуралист».

В своих работах Вернадский не ограничивался общим описанием биосферы и выяснением ее закономерностей. Он провел и частные, детальные исследования, выразив, как мы знаем, в формулах и цифрах активность живого вещества, а также проследив судьбу некоторых химических элементов в биосфере. Он показал место биосферы в системе других геосфер планеты. Учению Вернадского о биосфере суждено было стать ключевой концепцией современного естествознания.

Заключение

Успехи современной молекулярной биологии, биохимии и биофизики позволили вскрыть чрезвычайно сложную, подвижную и стройную картину молекулярной структуры всего живого. Однако проблемы сущности, происхождения и усложнения организации живых существ во многом еще не разрешены и до сих пор остаются предметом серьезных научных споров.

Если на микроуровне выявлена кристаллическая структура органических молекул, то на уровне живого вещества и биосферы подобная статичность полностью отсутствует. Здесь идет постоянное движение (миграция) атомов, соединяющихся в сложнейшие молекулы, рассыпающихся и сливающихся вновь в новых сочетаниях; атомы и молекулы переходят из атмосферы в гидросферу, в земную кору и замыкают свои круговороты, возвращаясь в первоначальную среду.

Живое вещество активно регулирует геохимическую миграцию атомов. Благодаря ему сотни миллионов лет геологической истории сохраняется стабильность биосферы и осуществляется эволюция как живых организмов, так и всей биосферы в целом. Этот особый вид постоянно изменчивого равновесного состояния называется динамическим равновесием.

В биосфере динамическое равновесие неустойчивое. Другими словами, биосфера не только «работает и изнашивается», но и развивается в процессе работы, самосовершенствуется, все более полно, активно и в большем масштабе накапливает, трансформирует энергию, усложняет свою организацию, обогащается информацией.

Особая роль у живого вещества, активно трансформирующего солнечную энергию в химическое молекулярное движение и в сложность биологических структур. Между смежными геосферами идет непрерывный обмен веществ и энергии, накапливаемой в биосфере и земной коре. Получается так, словно за долгую геологическую историю солнечные лучи пронизывают всю земную кору в среднем до тридцати километров. Следовательно, геохимическая энергия жизни сказывается на всей литосфере. Земная кора – область былых биосфер и аккумуляции солнечной энергии.

Биосфера охватывает иные, более значительные масштабы пространства и времени. В этих масштабах наиболее существенно проявляются геологические закономерности, связывающие воедино деятельность живого вещества, организацию биосферы и динамику геосфер, среди которых земной коре принадлежит особая и очень важная роль аккумулятора и трансформатора солнечной и биохимической энергии.

И еще. Связывая учение о биосфере с деятельностью человека не только геологической, но и вообще с многообразными проявлениями бытия личности и жизни человеческого общества, можно сделать вывод, что все мы, люди – это неразрывная часть живого вещества, приобщенная к его бессмертию, необходимая часть планеты и космоса, продолжатели деятельности жизни, дети Солнца.

Литература

биосфера вернадский живой молекулярный

1 Воробьев А.Е., Пучков Л.А. «Человек и биосфера: глобальное изменение климата»: Учебник. Ч.1. – М.: Изд-во РУДН, 2006.

2 Концепции современного естествознания: 100 экзаменационных вопросов / Экспресс справочник для студентов вузов / Под общей редакцией С.И.Самыгина. – М.: ИКЦ «МарТ», Ростов н/Д: Издат. центр «МарТ», 2003.

3 Баландин Р.К. «Вернадский: жизнь, мысль, бессмертие». – М.: Знание, 1988.