Введение
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. Понятие «живое вещество»
обозначает совокупность живых организмов биосферы. Область распространения
включает нижнюю часть воздушной оболочки (атмосферы), всю водную оболочку
(гидросферу), и верхнюю часть твёрдой оболочки (литосферы). Это понятие было
введено В. И. Вернадским. Он отметил, что между косной, безжизненной частью
биосферы, косными природными телами и живыми организмами, её населяющими идёт
непрерывный обмен энергией. Живое вещество играет наиболее важную роль по
сравнению с другими веществами биосферы, и выполняет рад важнейших функций.
Учение В. Вернадского о живом веществе
Живое вещество — совокупность ее живых организмов в биосфере. Термин введён В.И. Вернадским, который выделял живое вещество в ряду других типов веществ, слагающих биосферу (биогенное, косное, биокосное и др.)
Живое вещество представляет собой ничтожную часть биосферы, однако именно живому веществу принадлежит, по мнению Вернадского, главная роль в формировании земной коры. В состав живого вещества входят как органические (в химическом смысле), так и неорганические, или минеральные, вещества.
Вернадский писал: «Специфика живого вещества заключается в следующем: Живое вещество биосферы характеризуется огромной свободной энергией. В неорганическом мире по количеству свободной энергии с живым веществом могут быть сопоставлены только недолговечные незастывшие лавовые потоки.
Резкое отличие между живым и неживым веществом биосферы наблюдается в скорости протекания химических реакций: в живом веществе реакции идут в тысячи и миллионы раз быстрее.
Отличительной особенностью живого вещества является то, что слагающие его индивидуальные химические соединения — белки, ферменты и пр. — устойчивы только в живых организмах (в значительной степени это характерно и для минеральных соединений, входящих в состав живого вещества).
Произвольное движение живого вещества, в значительной степени саморегулируемое. В.И. Вернадский выделял две специфические формы движения живого вещества: а) пассивную, которая создается размножением и присуща как животным, так и растительным организмам; б) активную, которая осуществляется за счет направленного перемещения организмов (она характерна для животных и в меньшей степени для растений). Живому веществу также присуще стремление заполнить собой все возможное пространство.
Живое вещество обнаруживает значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. Кроме того, в отличие от неживого абиогенного вещества живое вещество не бывает представлено исключительно жидкой или газовой фазой. Тела организмов построены во всех трех фазовых состояниях.
Живое вещество представлено в биосфере в виде дисперсных тел — индивидуальных организмов. Причем, будучи дисперсным, живое вещество никогда не находится на Земле в морфологически чистой форме — в виде популяций организмов одного вида: оно всегда представлено биоценозами.
Живое вещество существует в форме непрерывного чередования поколений, благодаря чему современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых эпох. При этом характерным для живого вещества является наличие эволюционного процесса, т.е. воспроизводство живого вещества происходит не по типу абсолютного копирования предыдущих поколений, а путем морфологических и биохимических изменений.
Работа живого вещества в биосфере достаточно многообразна.
По Вернадскому, работа живого вещества в биосфере может проявляться в двух основных формах:
а) химической (биохимической) — I род геологической деятельности;
б) механической — II род такой деятельности.
Биогенная миграция атомов I рода проявляется в постоянном обмене вещества между организмами и окружающей средой в процессе построения тела организмов, переваривания пищи. Биогенная миграция атомов II рода заключается в перемещении вещества организмами в ходе его жизнедеятельности (при строительстве нор, гнезд, при заглублении организмов в грунт), перемещении самого живого вещества, а также пропускание неорганических веществ через желудочный тракт грунтоедов, илоедов, фильтраторов.
Для понимания той работы, которую совершает живое вещество в биосфере очень важными являются три основных положения, которые В.И. Вернадский назвал биогеохимическими принципами:
- Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению.
- Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов.
- Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с космической средой, его окружающей, и создается и поддерживается на нашей планете лучистой энергией Солнца.
КонцентрационнаяДеструктивная.СредообразующаяТранспортная«Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция) или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (О2, СО2, H2S и т.д.) преимущественно обусловлены живым веществом как тем, которое в настоящее время населяет данную систему, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории»
Средообразующая функция
Живая материя влияет на физико-химические параметры окружающей среды и создает условия, благоприятные для жизни. Она способна изменять состав воздуха, воды и почвы, обогащая их кислородом, углекислым газом и другими нужными для жизни веществами.
Процессы жизнедеятельности организмов также влияют на температуру и влажность окружающей среды, создавая комфортные условия для существования других организмов.
Благодаря средообразующей функции биосферы в ней поддерживается баланс между абиотическими (неорганическими) и биотическими (органическими) компонентами, что обеспечивает стабильность окружающей среды и существования разнообразных живых организмов.
Деструктивная функция
Минерализация
органических веществ, разложение отмершей органики до простых неорганических
соединений, химическое разложение горных пород, вовлечение образовавшихся
минералов в биотический круговорот определяет деструктивную (разрушительную)
функцию живого вещества. Данную функцию в основном выполняют грибы, бактерии.
Мертвое органическое вещество разлагается до простых неорганических соединений
(углекислого газа, воды, сероводорода, метана, аммиака и т. д.), которые вновь
используются в начальном звене круговорота. Этим занимается специальная группа
организмов — редуценты (деструкторы).
Особо
следует сказать о химическом разложении горных пород. Благодаря живому веществу
биотический круговорот пополняется минералами, высвобождаемыми из литосферы.
Например, плесневый грибок в лабораторных условиях за неделю высвобождал из
вулканической горной породы 3 % содержащегося в ней кремния, 11% алюминия, 59 %
магния, 64 % железа. Сильнейшее химическое воздействие на горные породы
растворами целого комплекса кислот — угольной, азотной, серной и разнообразных
органических оказывают бактерии, сине-зеленые водоросли, грибы и лишайники.
Разлагая с их помощью те или иные минералы, организмы избирательно извлекают и
включают в биотический круговорот важнейшие питательные элементы — кальций,
калий, натрий, фосфор, кремний, микроэлементы. Общая масса зольных элементов,
вовлекаемая ежегодно в биотический круговорот только на суше, составляет около
восьми миллиардов тонн, что в несколько раз превышает массу продуктов
извержения всех вулканов мира на протяжении года. Благодаря жизнедеятельности
организмов-деструкторов создается уникальное свойство почв – их плодородие.
Концентрационная функция
Концентрационная функция живого вещества в биосфере заключается в его способности к аккумуляции и концентрации различных веществ. Живые организмы могут накапливать и сохранять вещества из окружающей среды, что позволяет им использовать их в дальнейшем для выполнения различных жизненно важных процессов.
Одним из примеров концентрационной функции является способность растений поглощать минеральные вещества из почвы и концентрировать их в своих клетках. Это позволяет растениям получать необходимые питательные вещества для роста и развития.
Концентрационная функция также проявляется в способности животных накапливать определенные вещества в своих тканях. Например, морские губки могут накапливать кремний из окружающей среды, а некоторые морские водоросли — йод.
Концентрационная функция живого вещества играет важную роль в поддержании биологического равновесия в биосфере, обеспечивая природные системы с необходимыми ресурсами и материалами для поддержания жизни и эволюции различных организмов.
Круговорот вещества и энергии
Круговорот биогенных элементов, обусловленный синтезом и распадом органических веществ в экосистеме, называют биотическим круговоротом веществ.
Помимо этого в круговороте участвуют различные минеральные элементы, поэтому весь процесс химических превращений в биосфере принято именовать биогеохимическим круговоротом веществ в природе.
Остановимся подробнее на основных типах круговорота наиболее важных веществ в биосфере.
1. Для жизни на планете самым необходимым веществом является вода.Все организмы используют ее для процессов жизнедеятельности. Круговорот воды в природе в большей степени является физическим процессом, однако организмы принимают в нем значительное участие. Познакомимся с круговоротом воды на схеме.
Мировой круговорот воды начинается испарением влаги с поверхности водных объектов под воздействием солнечной энергии. Влага в атмосфере трансформируется в облака, которые переносятся ветром на значительные расстояния. Попадая в местность с низкими температурами, облака охлаждаются, что вызывает выпадение осадков. Влага в виде осадков поглощается почвой или стекает по ее поверхности, возвращаясь в моря и океаны. В круговороте воды следует учитывать и роль организмов. Ведь испарение влаги происходит и с поверхности листьев, а в процессах фотосинтеза принимает участие вода.
- Главным участником биотического круговорота является углерод как основа органических веществ. Познакомимся с круговоротом углерода в природе на схеме.
Природным источником углерода является углекислый газ. Именно с него начинается круговорот углерода в биосфере. Он содержится в воздухе, а также в растворенном состоянии в воде. В атмосферу этот газ попадает при выдыхании всеми организмами, при извержении вулканов, сжигании ископаемого топлива и лесов. Осадки разрушают породы, вынося растворенный углерод в океан, где происходит поглощение его морскими организмами. В процессе фотосинтеза углекислота превращается в органические вещества, которые используются животными для питания. Органические останки затем разлагаются редуцентами и углерод остается в почве в виде полезных ископаемых или используется растениями при минеральном питании. По подсчетам ученых, время оборота углерода в круговороте веществ составляет около 10 лет.
- Немаловажным элементом считается азот, который входит в структуру всех белков. Рассмотрим схему круговорота азота.
Круговорот азота в природе начинается с атмосферы, где его содержится до 80%. Частично азот поступает в экосистемы в виде оксида азота, образующегося под действием электрических разрядов во время грозы. Основная часть поступает в воду и почву в результате деятельности микроорганизмов – фиксаторов азота. К ним относятся бактерии и сине-зеленые водоросли. Эффективны бактерии, живущие в симбиозе с бобовыми растениями в клубеньках, развивающихся на корнях этих растений.
Азот из разных источников поступает к корням растений в форме нитратов, которые затем используются для минерального питания. Круговорот азота заканчивается деятельностью аммонифицирующих организмов или редуцентов. Они способствуют разложению продуктов жизнедеятельности живых существ и органических останков. В процессе их деятельности образуется аммиак и освобождается свободный азот.
- Круговорот фосфора во многом отличается от других элементов, таких как, например, азот. Рассмотрим особенности круговорота фосфора в природе.
Фосфор совершает круговорот в наземных экосистемах в качестве составной части клеток живых организмов.Редуценты минерализуют органические соединения фосфора отмерших организмов в фосфаты, которые затем потребляются корнями растений. Большие запасы фосфора содержатся в горных породах, которые при разрушении отдают наземные фосфаты экосистемам. Часть фосфатов вовлекается в круговорот воды и уносится в воды Мирового океана.
Получается, что круговорот фосфора разомкнут, так как значительная часть континентального стока фосфатов остается в океане. Эта разомкнутость существенно усилена антропогенным вмешательством, поскольку человек нарушил многие естественные пути возврата фосфора в почву, а их замена применением фосфорных удобрений недостаточна.
Все рассмотренные вещества включаются в глобальный круговорот веществ и энергии в биосфере. Основой этого круговорота является энергия Солнца.
Обобщенно важнейшие круговороты веществ и энергии можно представить в виде схемы.
Основные положения учения о биосфере
Ключевые положения учения Вернадский изложил в работах «Биосфера», «Область жизни», «Биосфера и космос». Ученый обозначил границы биосферы, включив в нее всю гидросферу вместе с океаническими глубинами, земную поверхность (верхний слой литосферы) и часть атмосферы до уровня тропосферы. Биосфера является целостной системой. Если один из ее элементов погибнет, то биосферная оболочка разрушится.
Вернадский первый из ученых, кто стал употреблять понятие «живое вещество». Жизнь он определял как фазу развития материи. Именно живые организмы подчиняют себе другие процессы, которые происходят на планете.
Характеризируя биосферу, Вернадский утверждал следующие положения:
- биосфера является организованной системой;
- живые организмы являются доминирующим фактором на планете, и они сформировали современное состояние нашей планеты;
- на земную жизнь оказывает влияние космическая энергия
Таким образом, Вернадский заложил основы биогеохимии и учений о биосфере. Многие его утверждения актуальны на сегодняшний день. Современные ученые продолжают изучать биосферу, но они также уверенно опираются на учение Вернадского. Жизнь в биосфере распространена везде и всюду обитают живые организмы, которые за пределами биосферы существовать не могут.
Отличительные черты и роль
Как же отличить живое вещество биосферы от неживого?
- Во-первых, и это самое главное и основное отличие, живое обладает энергией.
- Во-вторых, в нем химические реакции проходят гораздо быстрее. Причем разница в скорости протекания может достигать тысяч и даже миллионов раз.
- В-третьих, в состав живого вещества входят такие, которые в неживом существовать не могут. Например, белки.
- В-четвертых, живое вещество имеет способность к саморегулированию. То есть размножается и перемещается. Тем самым заполняя собой все свободное и пригодное пространство.
В-пятых, существует во всех фазовых состояниях. В-шестых, является индивидуальным организмом и при смене поколений, характеризуется преемственностью или наследственностью.
Живое вещество биосферы обеспечивает миграцию химических элементов как от одного организма к другому, так и между организмом и окружающей средой. Перемещение происходит, когда живые организмы переваривают пищу, развиваются и растут, а также передвигаясь в процессе жизнедеятельности. Первое такое перемещение элементов называется химически или биохимическим, а второе – механическим. Причем деятельность живых организмов стремится к тому, чтобы эта миграция шла максимально быстро, а энергия, получаемая от Солнца, использовалась наиболее эффективно. Для этого они постоянно и непрерывно приспосабливаются, адаптируются и развиваются.
Деструктивная функция
Деструктивная функция живого вещества в биосфере заключается в разрушении органического и неорганического материала, что способствует регуляции биосферных процессов и обновлению ресурсов.
Организмы, выполняющие деструктивную функцию, называются деструкторами или сапрофитами. Они осуществляют процессы детритификации, разлагая растительные и животные остатки, а также мёртвые организмы. Результатом этой деятельности являются продукты разложения, включающие в себя органические вещества, гумус, минеральные элементы и прочие химические соединения, которые затем попадают в окружающую среду.
Деструкция является важным этапом в круговороте веществ и энергии в биосфере. Она обеспечивает регенерацию минеральных ресурсов, создает условия для развития других живых организмов и способствует обогащению почвы природными питательными веществами
Помимо этого, деструктивная функция также способствует очистке окружающей среды от органических и неорганических отходов, что имеет важное значение для поддержания экологического баланса
Характеристика и свойства
- Наличие огромной свободной энергии. Все живое накапливает и сохраняет солнечную энергию, перенаправляя её в неживую среду в виде различных химических соединений (уголь и пр.), при распаде которых энергия высвобождается.
- Давление жизни, характеризующееся неизбежным распространением живого вещества по всей поверхности Земли. Если на каком-то участке жизнь отсутствует, то это явление временное, вызванное разрушением или сдерживанием внешними силами. Такое свойство всего живого заполнять собой свободное пространство связано с размножением организмов и их умением увеличивать поверхность собственных тел или сообществ, которые они образуют.
- Способность к адаптации в самых различных условиях. Благодаря этому свойству живые существа «захватывают» почвенную, водную и наземно-воздушную среды. Кроме того, существуют организмы (экстремофилы), приспособившиеся к жизни в экстремальных условиях: при экстремально низких или крайне высоких показателях температуры, кислотности, давления, кислорода и т. д.
- Произвольное движение. Только живые существа обладают способностью и пассивного, и активного перемещения. Примером пассивного движения может служить падение с высоты вниз, однако, это может сделать и неживой предмет под влиянием посторонних факторов. Но активное произвольное перемещение — движение против ветра или течения реки, подъем на высоту и т. д. — доступно только живым организмам.
- Саморегуляция в период с рождения до смерти, а затем быстрое разложение органических остатков. Способность всего живого к саморегуляции обеспечивает его жизнеспособность в изменяющихся условиях внешней окружающей среды. Это происходит за счёт поддержания баланса внутренней среды организма. Когда организм умирает, он теряет это свойство, и происходит распад на органические и неорганические вещества, которые включаются в биологический круговорот.
- Высокая скорость превращения одних веществ в другие. Химические реакции в организмах происходят с огромной скоростью. К примеру, в мозге человека ежесекундно одновременно происходят около 100 000 химических реакций. Птица колибри ежедневно потребляет нектар массой, сопоставимой с её собственной массой, умноженной на 2.
- Постоянное обновление совокупности организмов. Средняя скорость обновления для биосферы равна 8 годам. При этом лишь небольшая часть остатков организмов (менее 1 %) уходит в геологию, основная же масса включается в биологический круговорот.
- Многообразие (морфологическое и химическое), нехарактерное для неживого. При этом все живое материализуется в биосфере в виде уникальных индивидуумов, существующих на Земле в единственном экземпляре.
Роль деструктивной функции в биосфере
Деструктивная функция осуществляется различными биологическими организмами, такими как микроорганизмы, грибы, насекомые и другие. Они осуществляют процессы разложения органического материала, поглощения и переработки неорганических элементов.
Поскольку органический материал постоянно образуется в биосфере, его разложение не только позволяет очистить окружающую среду, но и обеспечивает повторное использование питательных веществ. Деструктивная функция способствует гармоничному обмену веществ в природе и сохранению биологического разнообразия.
Для успешного функционирования деструктивной функции в биосфере необходимо соблюдение равновесия между процессами образования и разложения органического материала. В случае нарушения этого равновесия, например, из-за загрязнения окружающей среды химическими веществами, деструктивная функция может быть нарушена, что приведет к нарушению биологического равновесия и функционирования биосферы в целом.
Водорегулирующая функция
В природе система «растительный покров — почва — подпочвенный грунт» представляет собой единый емкий резервуар влаги. Из этого коллектора идет подпитка ручьев и речек, крупных рек, мелких и крупных водоемов. Вследствие этого на реках лесных территорий паводки обычно ниже и случаются реже, чем на безлесых территориях. В сухие сезоны реки лесной зоны полноводнее. Также высок и речной сток с залесенной территории, несмотря на более высокую степень транспирации по сравнению с безлесыми районами.
Лесная и луговая растительность выступает в роли природного насоса. Высокая залесенность — надежная гарантия регулярного водоснабжения в вегетационный период.
Функции живого вещества биосферы
Живое вещество в биосфере выполняет ряд важных функций, которые поддерживают равновесие и продуктивность экосистем. Они включают деструктивную, концентрационную и средообразующую функции.
1. Деструктивная функция
Живое вещество в биосфере осуществляет деструктивную функцию, разлагая органические вещества. Он играет важную роль в природном цикле веществ, таких как углерод, азот и фосфор, перерабатывая их и возвращая их в окружающую среду. Это помогает поддерживать и эффективно использовать ресурсы биосферы.
2. Концентрационная функция
Живое вещество также выполняет концентрационную функцию путем удержания и концентрации важных элементов и соединений, необходимых для жизни. Например, растения и микроорганизмы могут накапливать и концентрировать минеральные вещества из почвы и воды, что обеспечивает доступность этих элементов для других организмов в биосфере.
3. Средообразующая функция
Живое вещество в биосфере играет важную роль в формировании и поддержании среды обитания для других организмов. Растения, например, не только предоставляют пищу и убежище для животных, но и определяют микроклимат в своих экосистемах. Они могут создавать тень, увлажнять воздух и изменять температуру, влияя на условия жизни других организмов.
В целом, функции живого вещества биосферы тесно связаны и взаимодействуют друг с другом для поддержания жизни и баланса в экосистемах. Их выполнение является неотъемлемой частью жизненного цикла биосферы.
Деструктивная функция
Для деструктивных процессов ответственны разнообразные экосистемы, в них обитающие микроорганизмы, грибы и другие разложители. Они эффективно разлагают органические вещества, такие как мертвые растения и животные, и превращают их в питательные вещества для других организмов.
Другим важным аспектом деструктивной функции биосферы является образование и распространение природных катастроф, таких как вулканические извержения, землетрясения, наводнения и ураганы. Эти события могут разрушить экосистемы, но в то же время они способствуют обновлению и передвижению материи, что является важным фактором в эволюции биосферы.
Концентрационная функция
Под этой функцией В. И. Вернадский подразумевал способность организмов к избирательному выбору из окружающей среды определенных химических элементов, в результате чего некоторые из них накапливаются в самих организмах.
Элементы концентрируются в связи с физиологическими потребностями организмов или вследствие сильного роста содержания какого-либо вещества в окружающей среде. Второй механизм играет значительную роль в жизнедеятельности людей. Организмы очищают окружающую среду, извлекая из нее загрязняющие вещества. Например, растения поглощают из атмосферы такие загрязняющие газы, как фтористый водород, хлор, диоксид азота, озон, оксид и диоксид углерода, существенно снижают содержание диоксида серы в воздухе.
Другим примером, который приводит в своей работе С. П. Горшков, является создание известкового скелета многими беспозвоночными. В таких организмах содержание кальция и диоксида углерода оказывается существенно большим, чем в окружающей среде.
Способность извлекать различные химические элементы и их соединения из растворов, а затем накапливать их в биомассе в концентрированной форме — одно из важнейших свойств живого вещества. Организмы заимствуют из водной среды углекислые соли кальция, магния, стронция, кремнезем, фосфаты, йод, фтор.
Выделения в организмах минеральной составляющей называют биоминералами. Например, в хвое деревьев содержатся тонкие, размером в микроны, частички кремнезема. В клетках некоторых бактерий присутствует сера. Коралловые постройки сложены кальцитом. В раковинах головоногих и двустворчатых моллюсков кроме кальцита присутствуют тонкие пластинки кристаллического арагонита.
В продуктах жизнедеятельности некоторых видов организмов содержание химических элементов во много раз превышает их содержание в окружающей среде: марганца — в 1 200 000 раз, железа—в 650 000 раз, ванадия — в 420 000 раз, серебра — в 240 000 раз.
Все химические элементы по их значению для микроорганизмов делятся на три группы: 1) существенные для питания и жизни клеток (Mg, К, Р, Mn, Zn, S и др.); 2) не существенные, но используемые в функциях клеток (Са, Na и др.); 3) токсичные (Hg, Аs, Cd, Pb, Ag, Be, В и др.).
Существуют группы бактерий, которые извлекают из горных пород определенные химические элементы, тем самым как бы играя роль обогатителей. Таковыми являются бактерии, извлекающие из горных пород железо, золото, серебро и другие элементы.
Организмы, обладающие способностью очищать окружающую среду от токсичных веществ и концентрировать их в себе, могут стать для человека источниками токсичных веществ. Это происходит при передаче по ступенькам трофической цепи поллютантов, когда их концентрация в биомассе быстро нарастает. Увеличение содержания загрязняющего вещества в каком-либо звене этой цепи по сравнению с концентрацией в окружающей среде называется коэффициентом накопления. Например, коэффициент накопления ДДТ для фитопланктона может достигать 8000, для планктонных рыб — 40 200, для хищных рыб — 134 500, для чаек — 2 500 000. Это означает, что при содержании ДДТ в воде 0,02 мг/л в тканях хищных рыб его становится 2,7 г на килограмм живой массы.
Вывод
Работы известного российского ученого распространены по всему миру и используются в наше время. Широкое применение учений Вернадского можно увидеть не только в экологии, но и в географии. Благодаря работам ученого охрана и забота о человечестве стала одной из самых актуальных задач на сегодняшний день. К сожалению, с каждым годом проблем с окружающей средой становится всё больше, что ставит под угрозу полноценное существование биосферы в будущем. В связи с этим, необходимо обеспечить устойчивое развитие системы и минимизировать развитие негативных воздействий на окружающую среду.