Понятие биосферы и ноосферы

Термин «биосфера» был введен в 1875 г. Австрийским ученым-геологом Эдуардом Зюссом. К ней он относил все то пространство оболочек Земли, где встречаются живые организмы.

В 20-х годах ХХ века В. И. Вернадский (1863−1945) разработал представление о биосфере как глобальной единой системе Земли, где весь основной ход геохимических и энергетических превращений определяется жизнью: ранее большинство процессов, менявших облик Земли в течение геологического времени, рассматривались как чисто физические, химические или физико-химические. Вернадский впервые создал учение о геологической роли живых организмов: их деятельность — главный фактор преобразования земной коры.

Биосферой Вернадский назвал ту область нашей планеты, в которой существует или когда-либо существовала жизнь, где встречаются живые организмы или продукты их жизнедеятельности и которая постоянно подвергается или подвергалась воздействию живых организмов.

Поскольку живых организмов на Земле очень много, они обладают высоким потенциалом размножения, активно взаимодействуют со средой обитания > в конечном счете представляют в своей совокупности особый, глобальный фактор, преобразующий верхние оболочки Земли.

Значение организмов обусловлено их большим разнообразием, повсеместным распространением, длительностью существования в истории Земли, избирательным характером биохимической деятельности и исключительно высокой химической активностью по сравнению с другими компонентами природы.

Всю совокупность организмов на планете Вернадский назвал живым веществом. Его основные характеристики: суммарная масса, химический состав и энергия.

Косное вещество — совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых живые организмы не участвуют (минералы).

Биогенное вещество — создается и перерабатывается совокупностями живых организмов. Это источник чрезвычайно мощной потенциальной энергии (каменный уголь, известняки, нефть). После образования биогенного в-ва живые организмы в нем малодеятельны.

Биокосное вещество — особая категория. Оно создается в биосфере одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя системы динамического равновесия тех и других. Организмы в биокосном веществе играют ведущую роль. Это почва, природные воды, свойства которых зависят от деятельности живого вещества.

Биосфера, т.о., это та область Земли, которая охвачена влиянием живого вещества. Это наиболее крупная экосистема планеты, поддерживающая глобальный круговорот веществ.

Распределение жизни в биосфере:

На поверхности Земли полностью лишены жизни лишь области обширных оледенений и кратеры действующих вулканов («всюдность» жизни по Вернадскому). биосфера вернадский живой вещество По современным представлениям, верхняя граница жизни в атмосфере примерно совпадает с озоновым слоем (до 25 км), дальше жизнь невозможна из-за наличия губительной космической ультрафиолетовой радиации. Ниже озонового экрана атмосфера насыщена жизнью, особенно до высоты 1,5 км (в горах — около 6 км над уровнем моря). Споры бактерий и грибов обнаруживают до высоты 20−22 км.

В глубь Земли живые организмы проникают на небольшое расстояние, до нескольких метров, ограничиваясь в основном почвенным слоем, но по отдельным трещинам и пещерам распространяется на сотни метров. В литосфере жизнь ограничивается прежде всего Т горных пород и подземных вод, которая с глубиной возрастает. Самая большая глубина, на которой были обнаружены бактерии в земной коре — 4 км. В нефтяных месторождениях бактерии в значительных количествах регистрируются на глубине 2−2,5 км.

В океане жизнь распространена до более значительных глубин и встречается даже на дне океанических впадин (в т.ч. Марианской — 11 022 м). но, по Вернадскому, нижнюю границу биосферы следует проводить еще глубже (накапливающиеся в океане гигантские толщи осадочных пород, связанные с деятельностью живых организмов — тоже часть биосферы).

Но распределение жизни в биосфере крайне неравномерно. Она слабо развита в пустынях, тундрах, глубинах океана, высоко в горах, а в других участках — очень обильна и разнообразна. Наиболее высока концентрация живого вещества на границах раздела основных сред: в почве (пограничный слой между литосферой и атмосферой), в поверхностных слоях океана, на дне водоемов (это т.н. «пленки жизни»).

Каждая из оболочек Земли, в которой существует биосфера, это особая, неповторимая среда жизни со своей спецификой, своеобразием жизненных форм и их адаптационными механизмами.

Т.о., биосфера, с одной стороны, среда жизни, а с другой — результат жизнедеятельности организмов. Специфика биосферы в том, что в ней все время поддерживается связанный с деятельностью живых существ круговорот веществ и четко направленные потоки энергии.

Солнце — изначальный источник энергии практически для всего живого на Земле. Поскольку биосфера — открытая система, она постоянно принимает солнечную энергию. Бульшая часть этой энергии тратится на различные физические и химические процессы, происходящие в оболочках Земли. Но есть процесс, при котором солнечная энергия не только тратится и перераспределяется, но и связывается, запасается на очень длительное время — это создание органических веществ в ходе фотосинтеза.

В процессе фотосинтеза солнечная энергия превращается в химическую > используется растениями на процессы жизнедеятельности, а часть переходит к растительноядным организмам > используется ими на процессы жизнедеятельности, часть — к плотоядным организмам и т. д.

Т.о. энергия запасается в тканях растений и животных в виде органических соединений, потребляемых другими животными и человеком. Часть энергии консервируется в нефти, угле, торфе и т. п.

Наряду с накоплением в живых организмах происходит почти равное по масштабам выделение энергии: при разрушении органических веществ, в процессе дыхания, брожения, гниения. Так в биосфере поддерживается баланс энергии. Потери энергии постоянно восполняются за счет световой энергии солнца.

Кроме круговорота энергии, в биосфере существуют круговороты различных химических элементов (N, O, P, S и т. д.) и воды.

Поток вещества (биогенная миграция атомов) — миграция химических элементов с помощью живых организмов. Она осуществляется за счет свойств (процессов) живых организмов (размножение, рост, обмен). Быстрее осуществляется одноклеточными организмами.

Эти процессы осуществляются следующими группами организмов:

Продуценты — организмы, производящие органические вещества из неорганических, первое звено в цепях питания. Это как правило зеленые растения.

Консументы — потребляют готовые органические вещества, создаваемые продуцентами. Первичные консументы (первого порядка) — травоядные животные, паразитические организмы и микроорганизмы. Вторичные консументы (второго, третьего и последующих порядков) — питаются животной пищей: хищники и паразиты.

Редуценты — разлагают органические останки продуцентов, консументов и продукты их жизнедеятельности до минеральных составляющих (грибы, бактерии).

Из этих групп организмов строятся цепи питания — цепи взаимосвязанных видов, последовательно извлекающих органическое вещество и энергию из исходного пищевого вещества. Каждое предыдущее звено — пища для последующего:

зеленый лист > гусеница > воробей > кошка > бактерии Поток энергии — переход энергии в виде химических связей органических соединений (пища) по цепям питания од одного трофического уровня к другому.

Пищевой (трофический) уровень — одно звено в цепи питания, представленное организмами определенной группы — продуцентами, консументами или редуцентами.

Пищевые и энергетические связи идут в направлении:

солнечная энергия > продуценты > первичные консументы > вторичные консументы > редуценты > неорганические вещества + рассеивание энергии в окружающую среду на каждом трофическом уровне (до 90%).

Функции живого вещества в биосфере:

• 1) Энергетическая — связана с запасанием энергии в процессе фотосинтеза, передачей её по цепям питания, рассеиванием.
• 2) Газовая — способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом (постоянный газообмен с окружающей средой в процессах дыхания и фотосинтеза); с этой f связывают 2 переломные точки в развитии биосферы:
• 1 — содержание О₂ в атмосфере достигло? 1% от современного уровня > появились первые аэробные организмы > восстановительные процессы стали дополняться окислительными (? 1,2 млрд. лет назад);
• 2 — концентрация О₂ достигла? 10% от современного уровня > условия для синтеза озона и образования озонового экрана > возможность освоения организмами суши.
• 3) Окислительно-восстановительная — под влиянием живого вещества (обмен веществом и энергией с внешней средой) более интенсивными становятся процессы окисления (при обогащении среды кислородом) и восстановления (разложение органических веществ при дефиците О₂). Восстановительные процессы сопровождаются обычно образованием и накоплением сероводорода и метана > глубинные слои болот и значительные придонные толщи воды становятся практически безжизненны.
• 4) Концентрационная — способность организмов концентрировать в своем теле определенные хим. элементы, повышая их содержание по сравнению с окружающей средой иногда на несколько порядков. Связана с биогенной миграцией атомов. В результате — залежи горючих ископаемых, известняки, рудные месторождения и т. д. Ракообразные концентрируют кальций, позвоночные — железо, моллюски — медь, грибы — соли тяжелых металлов, радионуклиды.
• 5) Деструктивная — разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности остатков органических веществ и косных веществ. Основной механизм связан с круговоротом веществ, основная роль — у грибов, бактерий.
• 6) Транспортная — перенос вещества и энергии в результате активного движения организмов (часто на большие расстояния — при кочевках животных).
• 7) Средообразующая — в значительной степени интегративна (результат совместного действия других функций). С ней связано преобразование физико-химических параметров среды (как всей среды, так и отдельных компонентов — образование почв).
• 8) Рассеивающая — противоположна концентрационной. Проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов (рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, смене покровов; рассеивание железа крови кровососущими насекомыми и т. д.).
• 9) Информационная — живые организмы и их сообщества накапливают определенную информацию, закрепляют её в наследственных структурах и затем передают последующим поколениям (одно из проявлений адаптационных механизмов).