В.И. Вернадского

Лекция 4. Концепция биосферы и биосферы-ноосферы

Формирование концепции биосферы. Понятие биосферы – не такое элементарное, каким его иногда представляют себе студенты, определяя биосферу как «сферу обитания живых существ на Земле». В.И.Вернадский (1863-1945) понимал биосферу более широко, включая в нее и то вещество, которое прошло через живые существа в отдаленном прошлом. Таким образом, в понятие биосферы Вернадский включал такие те компоненты литосферы и косной среды, которые не заселены, но ранее были преобразованы живыми организмами, поэтому многие горные породы и практически вся атмосфера с кислородом, образованным фотосинтезирующими входят в состав биосферы.

По последним данным, толщина биосферы 40...50 км. Она включает нижнюю часть атмосферы (до высоты 25...30 км, до озонового слоя), практически всю гидросферу (реки, моря и океаны) и верхнюю часть земной коры - литосферу (до глубины 3 км). Важнейшими компонентами биосферы являются: живое вещество; биогенное вещество; косное вещество; биокосное вещество.

Представление о жизни как о сплошной «пленке» живого вещества, покрывающего Землю, сформировал в XVIII в. Ламарк, а в 1920-х годах В.И. Вернадский предложил научное обоснование биосферы. Он доказал, что все три оболочки Земли связаны с живым веществом, которое непрерывно воздействует на неживую природу.

С именем В.И. Вернадского связано создание социально-экономической концепции биосферы, отражающей ее превращение на определенном этапе в ноосферу. Это связано с деятельностью человека, которая приобретает роль самостоятельной геологической силы. Биосфера - гигантская экологическая сис-тема, в которой человек выступает и как ее частица и как ее преобразователь. Конечная цель человека - управление всеми процессами в биосфере, преобразо-вание ее в ноосферу - сферу разума.

Концепция живого вещества. Основной особенностью живого существа является, кроме клеточной деятельности и передачи информации, способ использования энергии. Живые существа улавливают энергию космоса в виде солнечного света, удерживают ее в виде энергии сложных органических соединений (биомасса), передают ее друг другу и трансформируют в другие виды энергии (механическую, электрическую, тепловую). Неживые вещества преимущественно рассеивают энергию. Живое вещество, биосфера, преобразует энергию Солнца в свободную энергию, способную совершать работу. Работа, производимая жизнью, состоит в переносе и перераспределении химических элементов в биосфере.

К особенностям функционирования живых существ относятся:

ü способность к самовоспроизведению;

ü способность образования полимерных оболочек, ограж­дающих живое вещество от косной среды;

ü способность аккумулировать и передавать химическую энергию, а также осуществлять химические реакции в нормальных условиях температуры и давления без образования побочных продуктов. Жизнь на Земле идеально экологична.

Эволюция биосферы. На первом этапе (примерно 3 млрд лет тому назад) происходило образование органического вещества в результате синтеза в абиотичес-ких процессах. Атмосфера Земли состояла из водорода, азота, окиси углерода, метана; содержала вредный для жизни хлор и пр., не содержала кислорода. Ультра-фиолетовое излучение (озона тогда не было) вызвало химическую реакцию, в результате которой появились аминокислоты - сложные молекулы органических веществ. Сформировались анаэробные организмы, которые находились под водой.

За счет их деятельности через миллиард лет появился кислород, который частично превратился в озон и защитил Землю от ультрафиолетового излучения. Далее жизнь распространилась по суше, содержание кислорода в атмосфере достигло 3...4% - это около 1 млрд лет назад. Еще примерно 700 млн лет спустя содержание кислорода увеличилось до 8%, образовались многоклеточные организмы. Произошел взрыв жизни: появились водоросли, моллюски, кораллы. Началось связывание энергии путем фотосинтеза, резко возросло количество кислорода. Когда около 400 млн лет назад его количество достигло 20%, возникли крупные организмы. Были периоды (в конце палеозоя) увеличения углекислого газа и уменьшения кислорода (парниковый эффект), но все, в конце концов восстановилось.

Рост хозяйственной деятельности человека нарушает основные принципы естественного устройства биосферы: энергетический баланс, сложившийся круговорот веществ, многообразие и единство биологических сообществ. Человек активно вмешивается в экологические круговороты, используя в своих целях вещество планеты с очень невысокой эффективностью, с образованием большого количества отходов. В биосфере нарушается естественный баланс элементов. Чтобы обеспечить жизнь одного человека, ежегодно из Земли извлекается 20 т сырья, при этом количество полезного продукта составляет не более 2% используемых природных ресурсов.

Характеристика потока энергии в биосфере. Поддержание жизнедея-тельности организмов и круговорот веществ в экосистемах возможны только за счет постоянного притока энергии. Более 99% энергии, поступающей на поверхность Земли, составляет излучение Солнца. Эта энергия в огромном количестве растрачивается на физические и химические процессы в атмосфере, гидросфере и литосфере: перемешивание воздушных потоков и водных масс, испарение, перераспределение веществ, растворение минералов, поглощение и выделение газов.

Только 1/2000000 часть солнечной энергии достигает поверхности Земли, при этом 1— 2% ее ассимилируется растениями. На Земле существует единственный процесс, при котором энергия солнечного излучения не только тратится и перераспределяется, но и связывается, запасается на очень длительное время. Этот процесс - создание органического вещества в ходе фотосинтеза.

Основная планетарная функция растений (автотрофов) заключается в связывании и запасании солнечной энергии, которая затем расходуется на поддержание биохимических процессов в биосфере.

Пищевые связи и трофические уровни. Гетеротрофы получают энергию с пищей. Все живые существа являются объектами питания других, т.е. связаны между собой энергетическими отношениями. Пищевые связи в биоценозах являются механизмом передачи энергии от одного организма к другому. Организмы любого вида являются потенциальным источником энергии для другого вида. В каждом сообществе трофические связи образуют сложную сеть. Однако энергия, поступившая в трофическую сеть, не может долго мигрировать в ней. Она может передаваться не более чем через 4 - 5 звеньев, т.к. в цепях питания существуют потери энергии. Место каждого звена в пищевой цепи называют трофическим уровнем.

Первый трофический уровень - это продуценты, создатели растительной биомассы; растительноядные животные (консументы 1-го порядка) относятся ко второму трофическому уровню; плотоядные животные, живущие за счет растительноядных форм - это консументы 2-го порядка; плотоядные, поедающие других плотоядных - консументы 3-го порядка и т.д.

Передача энергии в химических реакциях в организме происходит, согласно второму закону термодинамики, с потерей части ее в виде тепла. Особенно велики эти потери при работе мышечных клеток животных, коэффициент полезного действия которых очень низок.

Траты на дыхание также во много раз больше энергетических затрат на увеличение массы организма. Таким образом, большая часть энергии при переходе от одного звена пищевой цепи к другому теряется, т.к. использована другим, следующим звеном может быть только энергия, заключённая в биомассе предыдущего звена. Подсчитано, что эти потери составляют около 90%, т.е. только 10% потребленной энергии аккумулируется в биомассе (правило Линдемана).

В соответствии с этим, запас энергии, накопленный в растительной биомассе, в цепях питания стремительно иссякает. Потерянная энергия может быть восполнена только за счет энергии Солнца. В связи с этим, в биосфере не может быть круговорота энергии, подобного круговороту веществ. Биосфера функционирует только за счет однонаправленного потока энергии, постоянного поступления её извне в виде солнечного излучения.

Трофические цепи, которые начинаются с фотосинтезирующих организмов, называются цепями потребления, а цепи, которые начинаются с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных - детритными цепями разложения.