Становление биосферы и ее характеристика

Понятие биосферы

Пространство нашей планеты, в котором существует и «работает» живое вещество, называют биосферой (от греч. биос - жизнь и сфера - сфера).

Первые представления о биосфере как об «участке жизни» и о внешней оболочке Земли сформулировал Ж.-Б. Ламарк(1802). В науку впервые этот термин ввел австрийский геолог Э. Зюсс в 1875 г. Однако, целостное учение о биосфере создал наш выдающийся соотечественник, основатель и первый президент Академии наук Украины В. И. Вернадский.

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 - это целостный комплекс всех экосистем планеты, открытая термодинамическая система, которая извне получает энергию и вещества для синтеза органических соединений и выделяет в природную среду отходы, что и обеспечивает ее стойкость.

Понятие биосферы имеет два аспекта: с одной стороны как специфическая оболочка земного пространства, с другой - как глобальная экосистема. С точки зрения составляющих компонентов биосфера - это нижняя часть атмосферы, гидросфера и верхняя часть литосферы, населенные живыми организмами, или по выражению В.И Вернадского - "область распространения живого вещества".

Биосфера возникла с появлением жизни на Земле, ее жизненный возраст составляет приблизительно 3,6-3,8 млрд. лет, объем - около 0,4% объема планеты, ее масса - 10¹⁶ кг (~0,05 % массы Земли).

В.Вернадский выделял шесть типов веществ биосферы:

• живое вещество - совокупность всех существующих на Земле растений, животных, микроорганизмов, грибов;

• биогенное вещество - продукт жизнедеятельности организмов (торф, мел, горючие сланцы, апатит);

• безжизненное вещество (косное) - в образовании которого организмы не брали участия (горные породы абиогенного происхождения);

• биокосное вещество - продукт взаимодействия живого вещества и безжизненной материи (почва);

• радиоактивное вещество - радионуклиды, которые предопределяют существование радиогенной теплоты, и продукты их распада;

• космическое вещество - космическая пыль и метеориты.

Границы биосферы

Границы биосферы определяются границами распространения и активной работы живого вещества:

• нижняя часть атмосферы (от поверхности Земли до озоновой оболочки, т.е. до высоты 25 км), которая ограничена слоем озона, задерживающим губительнуе для жизни коротковолновую часть ультрафиолетового излучения Солнца;

• вся гидросфера (живые организмы проникают на всю глубину Мирового океана - до 10-11 км);

• верхняя часть литосферы, что обусловлено температурой земных недр и условием проникновения воды в жидком состоянии (до глубины приблизительно 5-7 км и в некоторых случаях глубже).

Хотя границы биосферы довольно узки, именно эта незначительная по размерам оболочка планеты является областью зарождения, развития и сохранения на протяжении миллиардов лет жизни в одной из точек Вселенной.

Эволюция биосферы

По оценкам разных источников биосфера возникла 3,5 - 4,5 млрд лет назад.

По современным представлениям, развитие безжизненной геосферы, т.е. оболочки, образованной веществом Земли, происходило на ранних стадиях существования нашей планеты, миллиарды лет назад. Изменения облика Земли были связаны с геологическими процессами, происходившими в земной коре, на поверхности и в глубинных слоях планеты и находили проявление в извержениях вулканов, землетрясениях, подвижках земной коры, горообразовании. Такие процессы происходят и сейчас на безжизненных планетах солнечной системы и их спутниках - Марсе, Венере, Луне.

С возникновением жизни (саморазвивающихся устойчивых форм) сначала медленно и слабо, затем все быстрее и значительнее стало проявляться влияние живой материи на геологические процессы Земли. Деятельность живого вещества, проникшего во все уголки планеты, привела к возникновению нового образования - биосферы - тесно взаимосвязанной единой системы геологических и биологических тел и процессов преобразования энергии и вещества.

Размеры преобразований, осуществляемых живой материей, достигли планетарных масштабов, существенно видоизменив облик и эволюцию Земли.

Эволюция биосферы тесно связана с эволюцией Земли и условно делится на несколько фаз:

1. Формирование ранней земной коры, атмосферы и гидросферы, возникновение геологического круговорота веществ; большой геологический круговорот - циркуляция атмосферных масс, воды и содержащихся в них минералов, перемещение продуктов разрушения горных пород на поверхность планеты и снова в ее недра (около 4,6 млрд лет тому назад);

2. Химическая эволюция (4,6-3,8 млрд лет назад) - развитие процессов синтеза и накопление простых органических соединений, необходимых для существования жизни (аминокислот, простых пептидов, азотистых оснований, простых углеводов);

3. (3,8-1,2 млрд лет назад) - развитие давней биосферы, эволюция прокариотического мира, возникновение биологического круговорота веществ, формирование кислородной атмосферы;

4. Возникновение эукариотов, заселение суши, развитие современного биоразнообразия мира (1,2 млрд лет назад - по настоящее время). Первые живые организмы были анаэробами (существовали в безкислородной среде), потом появились организмы автотрофы, способны синтезировать органические вещества из неорганических соединений (углекислого газа, воды, нитрогеносодержащих и фосфоросодержащих соединений) с помощью солнечной энергии (фотосинтез) или окислительных реакций (хемосинтез). Первыми фотосинтезирующими организмами были бактерии (цианобактерии, которые дали начало развития процессов в трофической цепи "продуценты - консументы - редуценты" - цепи питания, которая через неживое вещество - минеральные соединения – замкнулась в круг. Из потока веществ в этом круге образовался биологический круговорот веществ.

Геологический и биологический круговороты веществ вместе составили биогеохимический круговорот, соединив в нем огромную мощность геологического и чрезвычайные скорость и активность биологического. Биогеохимический круговорот формировался в течение 1,5-2 млрд лет, потом стабилизировался и существенно не изменялся последние 2 млрд лет.

Известковые скелеты беспозвоночных образовали осадочные породы (мел, известняк). Отмирание сине-зеленых и красных водорослей способствовало отложению кальция. Некоторые виды водорослей и губок обусловили накопление кремнезема. Каменный уголь образовался из растительных остатков, нефть - из планктона древних морей и других водоемов.

Круговорот вещества и энергии в биосфере

Биосфера, возникнув и сформировавшись 1-2 млрд. лет назад (к этому времени относятся первые обнаруженные остатки живых организмов), находится в постоянном динамическом равновесии и развитии. На Земле ежегодно производится и разрушается 10 т живого вещества. Такой интенсивный круговорот веществ, создавший биосферу и определяющий ее устойчивость и целостность, связан с жизнедеятельностью всей биомассы планеты. В отличие от мертвой материи живое вещество способно к аккумулированию энергии, к размножению и обладает огромной скоростью реакций.

Биосфера является открытой термодинамической системой. Энергию она получает от Солнца и из недр Земли (тепловая энергия радиоактивного распада веществ в земной коре и ядре планеты).

В биосфере полученная извне энергия трансформируется и рассеивается, подчиняясь двум фундаментальным законам термодинамики. Первый закон термодинамики - это закон сохранения энергии (энергия не может ни появиться, ни исчезнуть, она лишь трансформируется из одной формы в другую). Второй закон термодинамики изучает направление качественных изменений энергии в процессе ее трансформации из одной формы в другую (закон описывает соотношение полезной и напрасной работы во время трансформаций форм энергии). По второму закону термодинамики, любая работа сопровождается трансформацией высококачественной энергии в энергию низшего и наиболее низкого качества - теплоту - и приводит к росту энтропии (количества энергии наиболее низкого качества, непригодной к полезной работе, т.е. рассеяние энергии); энтропия экосистем - мера их неустроенности, мера количества энергии, недосягаемой для использования; максимальная энтропия характерная для деградированных экосистем, или таких, которые находятся на стадии вымирания.

Благодаря солнечной энергии, внутренней энергии Земли в природе происходят беспрерывные процессы образования, трансформации и расписания многих химических соединений, а также переноса веществ в пределах планеты. Совокупность таких явлений В.И. Вернадский назвал геохимическими процессами. Одни и те самые химические элементы в пределах "исторического прошлого Земли входили в состав определенных соединений, которые испытывали изменений, преобразований и переноса. Эти закономерные процессы многоразового участия химических элементов и веществ в явлениях, которые происходят в атмосфере гидросфере и литосфере, называют круговоротами веществ.

В зависимости от того, или принимают участие в круговоротах живые организмы или нет, различают абиотический и биотический круговороты.

Абиотический круговорот. Абиотический (большой, или геологический) круговорот веществ существует в пределах геологических оболочек Земли и осуществляется за счет непосредственного влияния солнечной энергии и энергии Земли на вещества. Неравномерное распределение энергии в оболочках Земли способствует переносу веществ и обеспечивает тем самым их циркуляцию. Растрескивание горных пород вследствие нагревания и охлаждения, течения воздуха и воды, перенесение этими течениями разных веществ, выветривание, вымывание водой разных химических элементов - все это составные части большого круговорота веществ в природе. Самым ярким примером абиотического кругооборота является циркуляция воды в природе. Понятно, что абиотический кругооборот существовал задолго до возникновения жизни на нашей планете и образования биосферы.

Биотический круговорот. С возникновением жизни на Земле и с образованием в пределах ее геологических оболочек биосферы на планете круговорот веществ ускорился вследствие жизнедеятельности живых организмов. Благодаря созданным трофическим цепям и сетям возник биотический круговорот веществ.

Биотический круговорот - это явление беспрерывного, цикличного, но неравномерного во
времени и пространстве закономерного перераспределения вещества, энергии и информации в
пределах экологических систем разного уровня организации. Его называют еще биотическим, или малым, потому что он происходит еще в меньшем пространстве, чем абиотический, - в биосфере. Время, необходимое для прохождения полного цикла обращения веществ в биотическом круговороте намного меньше, чем в абиотическом.

Живые организмы в биотическом круговороте выступают своеобразными катализаторами, которые быстро синтезируют новые, трансформируют и разрушают имеющиеся органические соединения.

Благодаря цепям питания в биосфере постоянно происходит не только круговорот воды, постоянный обмен энергии, а и круговорот веществ, которые живые организмы используют на образование и поддержание жизнедеятельности своих тел, а также обеспечение процессов размножения. Всего известно около 80 химических элементов, необходимых биоте. С продуктами жизнедеятельности или после смерти эти элементы повторно попадают в окружающей среду и снова используются другими организмами (постоянный круговорот веществ).

Химические элементы, которые по обыкновению используются в больших количествах (не менее чем 0,1% общей массы организма) - это макроэлементы (биогенные элементы): С, Н, N, Р, С, К, Са и др. Они поглощаются организмами из окружающей среды и концентрируются в клетках. Элементы, нужные организмам в меньших количествах (до 0,1%), называют микроэлементами: Си, Мо, В и др.

Эволюция биосферы шла по пути усложнения структуры биологических сообществ, умножения числа видов и совершенствования их приспособляемости. Эволюционный процесс сопровождался увеличением эффективности преобразования энергии и вещества биологическими системами: организмами, популяциями, сообществами. Вершиной эволюции живого на Земле явился человек, который как биологический вид на основе многочисленных изменений приобрел не только сознание (совершенную форму отображения окружающего мира), но и способность изготавливать и использовать в своей жизни орудия труда. Посредством орудий труда человечество стало создавать фактически искусственную среду своего обитания (поселения, жилища, одежду, продукты питания, машины и многое другое).

Рост населения, качественный скачок в развитии науки и техники за последние два столетия, и особенно в наши дни, привели к тому, что деятельность человека стала фактором планетарного масштаба, направляющей силой дальнейшей эволюции биосферы.

За последние сто лет, особенно в последние десятилетия XX ст., антропогенная деятельность привела к значительным нарушениям круговорота веществ в биосфере, развитию глобального экологического кризиса. Именно деятельность человека значительно ускорила процессы выветривания горных пород, обусловила накопление в атмосфере такого количества вредных веществ, что привело к развитию отрицательных климатических изменений (парниковый эффект), появлению озоновых дыр и кислотных дождей, деградации почв вследствие чрезмерного накопления в них токсичных химических соединений. Из-за увеличения в природных водах и почвах концентрации тяжелых металлов, нефтепродуктов, пестицидов деградируют и гибнут экосистемы, замедляются процессы круговорота веществ в биологическому цикле, и других неблагоприятных воздействий, что приводит к нарушениям функционирования экосистем. Человек продуцирует также в огромных количествах вещества, которые не могут быть привлечены к биологическому круговороту (пластмассы, полиэтилен и т.п.), поскольку не разлагаются редуцентами.