Живое вещество биосферы, его функции.
Тема №3. Учение о биосфере
1. Биосфера. Понятие биосферы, ее структура
2. Живое вещество биосферы, его функции. С. 11
3. Круговорот веществ в природе. С. 15
4. Биогеохимические циклы наиболее жизненно важных биогенных веществ. С. 28
5. Биосфера и человек: структура биосферы. С. 29
6. Классификация природных экосистем биосферы на ландшафтной основе. С. 30
7. Пресноводные и морские экосистемы. С. 37
8.Основные направления эволюции биосферы. С. 40
9.Понятие о ноосфере. С. 49
Биосфера. Понятие биосферы, ее структура.
Изучая биосферу как особую оболочку Земного шара, необходимо предварительно ознакомиться со строением Земли. Это даст возможность глубже понять, в каких условиях формировалась жизнь, что ее защищает, а что представляет угрозу ее существованию.
При описании Земли выделяют так называемые геосферы - концентрические оболочки планеты различной плотности и химического состава. В направлении от периферии к центру Земли различают магнитосферу, атмосферу, земную кору, мантию Земли и ядро Земли.
МагнитосфераЗемли - область околоземного пространства, граница которой (магнитопауза) определяется равенством давления магнитного поля Земли и динамического давления солнечного ветра. Конфигурация магнитосферы непрерывно меняется, простираясь с дневной стороны до 10-12 R (R-земной радиус, около 6370 км), с ночной - вытянута, образуя так называемый магнитный хвост Земли в несколько сотен R. Она реагирует на проявление солнечной активности, сопровождающейся изменениями в солнечном ветре и его магнитном поле (магнитные бури). При этом частицы солнечного ветра вторгаются в магнитосферу, производят нагрев и усиление ионизации верхних слоев атмосферы, ускорение заряженных частиц, увеличение яркости полярных сияний, возникновение электромагнитных шумов, нарушение радиосвязи и т.д.
|
|
|
Магнитное поле Земли.Подсчитано, что каждую секунду на площадку в 1 м2 через границу атмосферы из Космоса в направлении земной поверхности влетают более 10 тысяч заряженных частиц со скоростями, близкими к световой. Характеризуясь огромной энергией, космическое излучение способно за относительно короткий срок разложить на ионы и электроны весь воздух атмосферы и уничтожить все живое на планете. Однако этого, к счастью, не происходит. Дело в том, что Земля представляет собой своеобразный магнит, его силовые линии окружают Земной шар и образуют вокруг него магнитосферу,которая защищает живые организмы от солнечного ветра. Итак, магнитное поле есть важнейший защитник Жизни на Земле, без которого она не смогла бы зародиться в прошлом, не смогла бы сохраниться в настоящем. Но наряду с этим есть и другие факторы стабильности, порожденные самим живым веществом биосферы.
|
|
|
Атмосфера - газовая оболочка Земли, которая удерживается планетой посредством силы тяжести и принимает участие в ее суточном и годовом вращении. Она состоит из смеси различных газов, водяных паров, аэрозолей, малых газовых составляющих и пыли.
С увеличением высоты плотность воздуха убывает, и атмосфера плавно переходит в космическое пространство. Она делится на слои: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу, которые отличаются температурой, ионизацией молекул и другими параметрами. Между атмосферой и земной поверхностью происходит постоянный обмен теплом и влагой, что вместе с циркуляцией атмосферы влияет на основные климатообразующие процессы. Атмосфера является активным участником физических процессов, которые протекают на суше (выветривание) и в верхних слоях водоемов (морские течения и т.п.).
Гидросфера - прерывистая водная оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и земной корой. Она включает в себя совокупность всех вод планеты: материковых (глубинных, почвенных, поверхностных), океанических и атмосферных. Гидросфера является колыбелью жизни на Земле. Она играет огромную роль в формировании природной среды нашей планеты.
|
|
|
Земная кора - твердая внешняя оболочка Земли толщиной до 70 км в горных областях, около 30 км под равнинами, 5-7 км под океанами. Верхняя часть земной коры - осадочный слой, он состоит из осадочных пород, средняя - «гранитный» слой (выражен только на материках), нижняя - «базальтовый» слой. Под земной корой располагается мантия (толщиной около 2900 км). Занимает 83% Земли (без атмосферы) по объему и 67% по массе. Мантия Земли состоит, видимо, преимущественно из тяжелых минералов, богатых магнием и железом. С процессами, происходящими в верхней (граничащей с земной корой) мантии Земли, тесно связаны тектонические движения, вулканизмы, горообразование и др.
Земная кора и верхняя (твердая) часть верхней мантии Земли составляют литосферу.
Литосфера(от греч. lithos - камень) - верхняя твердая оболочка Земли, ограниченная сверху атмосферой и гидросферой, а снизу - астеносферой (слоем пониженной твердости, прочности и вязкости, расположенным в верхней мантии Земли). Мощность литосферы колеблется в пределах 50-200 км. Процесс преобразования литосферы живыми организмами, начавшийся около 450 млн. лет назад, привел к образованию почвы, ее мощность достигает 2-3 м.
|
|
|
Ядро Земли - наиболее плотная центральная часть (геосфера) Земли. Его плотность составляет от 9400 кг/м3 в периферической области до 17200 кг/м3 (в два с лишним раза выше, чем у железа) в более глубоких слоях; давление достигает 140-350 ГПа (1,4-3,5 млн. атм.), температура 2000-5000°С. Предполагают, что по химическому составу вещество ядра сходно с веществом мантии Земли, но находится в металлическом состоянии.
Совокупность всех экосистем, имеющихся в пределах трех геосфер (атмосферы, гидросферы и литосферы) и с которыми находятся во взаимодействии живые организмы, образует самую крупную экосистему Земли – биосферу. Изучение биосферы, в которой все живые организмы тесно связаны между собой и со своим окружением, состоящим из элементов неживой природы (воды, воздуха, почвы, света, температуры и др.) – задача сложнейшего раздела экологии – глобальной экологии.
Первые представления о биосфере, как «области жизни» и оболочке Земли были высказаны ещё Жаном Батистом Ламарком, в чьих работах было немало геохимических идей. А вот термин «биосфера» появился в науке в 1875 году, когда в свет вышла небольшая книга австрийского геолога Эдуарда Зюсса о происхождении Альп. В последней главе этой работы, говоря о различных оболочках земного шара, он впервые употребляет термин «биосфера». Геолог понимал биосферу как тонкую плёнку жизни на земной поверхности. Несмотря на то, что концепция Зюсса не сыграла заметной роли в развитии научной мысли термин «биосфера» вошёл в науку с 1875 года.
В 1926 году появляется целостная концепция о биосфере. Автором этой концепции является русский учёный Владимир Иванович Вернадский, который посвятил себя изучению процессов, протекающих в биосфере.
Вернадский указывал на главное отличие биосферы от других оболочек планеты — проявление в ней геологической деятельности живых существ. По словам ученого, «все бытие земной коры, по крайней мере, по весу массы ее вещества, в своих существенных, с геохимической точки зрения, чертах обусловлено жизнью». Живые организмы Вернадский рассматривал как систему преобразования энергии солнечного света в энергию геохимических процессов.
Полное определение биосферы звучит следующим образом: «Биосфера – это оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяется прошлой и современной совместной деятельностью живых организмов».
В состав биосферы, кроме живого вещества(растения, животные и микроорганизмы), входят биогенное вещество(продукты жизнедеятельности живых организмов – каменный уголь, битумы, нефть), биокосное вещество(продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами – почвы, кора выветривания, все природные воды, свойства которых зависят от деятельности на Земле живого вещества) и, наконец, косное вещество,в образовании которого живые организмы не участвуют (горные породы магматического, неорганического происхождения, вода, космическая пыль, метеориты). Следовательно, биосфера - это та область Земли, которая охвачена или была охвачена влиянием живого вещества. Ее рассматривают как наиболее крупную, глобальную экосистему, поддерживающую планетарный круговорот веществ.
Вглубь Земли живые организмы проникают на небольшое расстояние прежде всего из-за температуры горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает с глубиной и на уровне 1,5–15 км превышает 100°С. Наибольшая глубина, на которой в породах земной коры были обнаружены живые бактерии, составляет 4 км. В Океане жизнь распространена до более значительных глубин, она встречается даже на дне океанических впадин в 10–11 км от поверхности. В Марианской впадине выявлена амеба диаметром до 10 см.
Верхняя граница жизни в атмосфере определяется уровнем УФ-радиации. На высоте 25–30 км бόльшую ее часть поглощает находящийся здесь относительно тонкий слой озона. Если живые организмы поднимаются выше защитного слоя озона, они погибают. Атмосфера над поверхностью Земли насыщена многообразными живыми организмами, которые передвигаются в воздухе активным или пассивным способом. Споры бактерий и грибов обнаруживают до высоты 20–22 км, но основная часть аэропланктона сосредоточена в слое до 1–1,5 км. В горах граница распространения земной жизни достигает 6 км над уровнем моря.
Концентрация и активность жизни особенно велика у поверхности нашей Земли. Водоемы заселены по всей толще со сгущениями у поверхности и у дна. Выделяются своим богатством прибрежные и мелководные участки. На суше более 99 % живого вещества или биомассы сосредоточено в слое на несколько метров вглубь и на несколько десятков метров (высокие деревья) вверх от поверхности. Следовательно, жизнь сосредоточена в тончайшей пленке планеты, где и протекают главные процессы взаимодействия живой и неживой (косной) природы. Этот тонкий деятельный слой нередко называют биогеосферой,биогеоценотическим покровом, ландшафтной оболочкой. Места наибольшей концентрации организмов в биосфере В.И. Вернадский назвал «пленками жизни».
Крайние пределы температур, которые выносят некоторые формы жизни (в латентном состоянии), – от практически абсолютного нуля (–273°С) до +180°С. Давление, при котором существует жизнь, – от малых долей атмосферы на большой высоте до тысячи и более атмосфер на больших глубинах. Для ряда бактерий верхние критические точки давления лежат в области 12 тыс. атмосфер. Споры бактерий, конидий и мицелий некоторых грибов не теряют жизнеспособности в условиях высокого вакуума, достигающего 10-13–10-11 мм. рт. ст. (космический вакуум составляет 10-16 мм. рт. ст.). Бактерии обнаружены в водах атомных реакторов, некоторые из них выдерживают облучение порядка 2–3 млн. рад.
Отсюда можно сделать принципиальной важности вывод: выносливость Жизни в целом к отдельным факторам среды намного шире диапазонов тех условий, которые существуют в границах современной биосферы.Следовательно, Жизнь обладает значительным «запасом прочности», устойчивости к воздействию внешней среды, а значит и потенциальной способностью к еще большему распространению.
Биосфера - глобальная экосистема, особая активная «оболочка» Земли, состав, строение и энергетика которой определяются деятельностью живых организмов. Для биосферы характерно огромное разнообразие живых организмов. Насчитывается около 5000 видов прокариот, около 1730000 видов животных и 340000 видов растений (по другим оценкам, общее число видов колеблется от 1,5 до 5 млн. и более).
Биосфера подразделяется на аэробиосферу (населенную аэробионтами), гидробиосферу(с гидробионтами) и геобиосферу(населенную геобионтами).
По вертикали биосфера разделяется на две чётко обособленные области:
§ фотобиосфера – верхняя, освещённая светом, в которой происходит фотосинтез;
§ меланобиосфера – нижняя, «тёмная», в которой фотосинтез невозможен.
Фотобиосферу определяют так же, как слой биосферы, освещаемый солнечными лучами (на поверхности суши и в верхних слоях гидросферы). Предполагалось, что фотосинтез у морских водорослей невозможен, если в толщу воды проникает менее 1% солнечной радиации. Однако сейчас уже открыты фотосинтезирующие красные водоросли, успешно развивающиеся в условиях проникновения всего 0,0005% солнечной радиации; нижняя граница фотобиосферы в океане теперь определяется на глубинах примерно 268 м.
Наиболее продуктивный слой на суше – фитосфера вместе с освещенными слоями гидросферы (ее фотосферой) составляет биофильм, или биокаллиму, т.е. активную пленку жизни. Наряду с фитосферой на поверхности суши вычленяют террабиосферу(с террабионтами). Часть биосферы, находящуюся в глубинах литосферы и в подземных водах, называют литобиосферой(с литобионтами).
В состав биосферы входят артебиосфера, апобиосфера, парабиосфера, стратобиосфера (эоловая зона), тропобиосфера, фитосфера, педосфера, гипотеррабиосфера, теллуробиосфера, гипобиосфера, метабиосфера. Кроме того выделяют панбиосферу, мегабиосферу, эубиосферу, гидробиосферу, фотосферу, афотобиосферу, афотосферу, дисфотосферу, аэробиосферу, геобиосферу, террабиосферу, литобиосферу (см. рис. 1).
Рис. 1. Строение биосферы
Рассмотрим подробнее вышеперечисленные термины. Начнем двигаться по рис. 1 сверху вниз. На самом верху надпись артебиосфера. Это — слой биосферной колонизации в околоземном пространстве, т.е. тот слой, в котором летают обитаемые искусственные спутники Земли. Надо сказать, что размеры этого пространства могут быть весьма велики. Ведь американцы уже летали до Луны (около 400 тыс. км), а сейчас мировое сообщество готовит экспедицию на Марс (56 млн. км)
Следующий термин апобиосфера. Это - высшие слои атмосферы (выше 60-80 км), в которые никогда, даже случайно не поднимаются живые организмы и куда биогенные вещества заносятся лишь в очень незначительном количестве.
Парабиосфера - эторасположенные между 6—7 и 60—80 км над подстилающей поверхностью слои атмосферы, куда живые организмы попадают случайно и где они могут существовать временно, но не в состоянии нормально жить и размножаться. Верхний аналог гипобиосферы. К парабиосфере относят также летательные аппараты в верхней тропосфере и стратосфере, а также космические аппараты, вращающиеся по своим орбитам вне Земли.
Стратобиосфера – это слой, где теоретически могут постоянно находиться живые организмы, главным образом микроорганизмы в виде спор в воздухе. На этом же уровне в горах обитают некоторые пауки и ногохвостки, питающиеся заносимой ветром органикой в эоловой (бесснежной низкотемпературной) зоне в горах. По высоте стратобиосфера простирается от 5-6 до 25 км (слой максимальной концентрации озона.
Тропобиосфера - слой положительных температур, над которым лежит стратобиосфера. Этопостоянно населенная часть аэробиосферы (т.е. аэробиосфера без стратобиосферы и парабиосферы). Тропобиосфера пространственно не совпадает с тропосферой, по вертикали достигая лишь 6—6,2 км — предела положительных температур в атмосфере.
Фитосфера -поверхностный слой над землей (до 150 м по высоте), где условия среды в значительной мере определяются растительностью.
Педосфера (от греч. pedon – почва, и sphaira – шар) – почвенная оболочка Земли.
В качестве синонима термина “педосфера” используется понятие “почвенный покров Мира” или Земли, т.к. составляющие педосферу почвы покрывают большую часть поверхности земной суши. Изучению педосферы посвящена особая естественно-историческая наука – почвоведение.
Гипотеррабиосфера - подтеррабиосфера, часть литобиосферы, где возможна жизнь аэробных организмов (литобионтов).
Теллуробиосфера – это часть литосферы ниже предела распространения подземной тропосферы, в пределах которой могут существовать лишь организмы-анаэробы.
Гипобиосфера - часть панбиосферы, слой литосферы, куда живые организмы могут попадать лишь в результате случайных причин и где они в состоянии временно существовать, но не нормально жить и размножаться.
Метабиосфера - слой литосферы (на глубине 6—15 км), который был преобразован живым или биогенным веществом, но в котором ныне живые организмы не встречаются.
Панбиосфера - слои атмосферы, вся гидросфера и часть литосферы, где постоянно или временно присутствуют живые организмы. Панбиосфера есть совокупность парабиосферы, собственно биосферы и гипобиосферы.
Мегабиосфера - слой атмосферы, вся гидросфера и часть литосферы, где постоянно или временно присутствуют и размножаются живые организмы или они в прошлом были преобразованы или испытывали влияние "былых биосфер". Мегабиосфера состоит из панбиосферы и метабиосферы.
Эубиосфера - часть биосферы (от -5 км до 6 км) — зона жизни, расположенная между верхней границей гипобиосферы и нижней границей парабиосферы.Наиболее насыщенный жизнью слой эубиосферы называют биофильмом.
Гидробиосфера - часть биосферы в пределах гидросферы. Живые существа “пропускают через себя” всю воду планеты за 2 млн. лет и таким образом очищают ее, но не являются ее творцами. Наоборот, жизнь зародилась в первичном океане, и он может считаться её “творцом”. Хотя между всеми подразделениями биосферы (аэробиосферой, террабиосферой и гидробиосферой) существует тесная связь и обмен веществом, каждое из составляющих обладает определенной автономией, в том числе своими незамкнутыми, но отдельными круговоротами веществ. Например, в гидробиосфере выделенный водорослями кислород усваивается водными животными, а углекислота — продукт дыхания и разложения после их смерти — возвращается в раствор и служит питанием для водорослей. Вместе с тем углекислый газ воздуха растворяется в воде, а при изменении её температуры выделяется обратно в атмосферу.
Гидросфера распадается на два системных образования океанбиосферу (или маринобиосферу с маринобионтами) - область морей и океанов и аквабиосферус аквабионтами, слой континентальных вод. В маринобиосфере выделяют 3 слоя — относительно ярко освещённую фотосферу, всегда очень сумеречную дисфотосферу (до 1% солнечной инсоляции) и слой абсолютной темноты — афотосферу.
Афотобиосфера -часть биосферы, куда не проникают солнечные лучи (в пределах гидросферы и литосферы).
Аэробиосфера - приземный слой атмосферы (от подстилающей поверхности до 6—7 км над нею), в котором постоянно присутствуют живые организмы, способные при наличии подходящих субстратов нормально жить и размножаться.
Субстратом для жизни в атмосфере микроорганизмов (аэробионтов) служат водные капельки — атмосферная влага, источником энергии — солнечная энергия и аэрозоли. От высоты наиболее частого расположения кучевых облаков простирается слой крайне разреженной микробиоты — альтобиосфера(с альтобионтами).
Геобиосферу населяют геобионты, субстратом, а отчасти и средой жизни для которых служит земная твердь. Геобиосфера состоит из области жизни на поверхности суши — террабиосфера(с террабионтами), и жизнь в глубинах Земли — литобиосфера (с литобионтами, живущими в порах горных пород, главным образом в подземных водах). Жизнь в неактивной форме может проникать глубже — в гипобиосферу. Глубже расположена абиосфера.
В глубинах литосферы есть 2 теоретических уровня распространения жизни — изотерма 100 C, при которой вода при нормальном атмосферном давлении вода кипит, и изотерма 460°C, где при любом давлении вода превращается в пар, т.е. в жидком состоянии быть не может.
Кратко опишем еще ряд слоев, изображенных на рис. 1.
Экзосфера- самая высокая, конечная часть атмосферной оболочки — «земная корона» выше 600-1000 км. Отсюда нейтральные газы — водород и гелий рассеиваются в межпланетное пространство.
Термосфера - слой верхней атмосферы над мезосферой (в среднем от 80 до 300-800 км). В термосфере происходит рост температуры до 1500°С (на высоте 500-600 км), связанный, главным образом, с поглощением солнечной коротковолновой радиации.
Мезосфера - средний слой атмосферы, лежащий над стратосферой на высотах от 50 до 80-85 км. Мезосфера характеризуется понижением средней температуры с высотой от 0°С на нижней границе до -90°С у верхней границы. Близ верхней границы мезосферы наблюдаются серебристые облака, освещаемые солнцем в ночное время. Давление воздуха на верхней границе мезосферы в 200 раз меньше, чем у подстилающей поверхности.
Стратосфера – слой атмосферы на высоте от 8 до 55 км над подстилающей поверхностью, который постепенно переходит в тропосферу на высоте 8 км над полюсами и от 18 км над тропиками. В нем становятся разреженными газы, составляющие тропосферу, в которых ничтожно содержание водяного пара и редко образование облаков, но увеличивается масса озона. До 80-100 м/с ускоряется движение воздуха и резки разницы в температурах. Если в нижней части стратосферы обычны температуры -40-80° (в зависимости от времени года и широты), то у верхней части они повышаются до -20° и +20°С, особенно быстро над тропическими широтами.
Тропосфера - нижний, основной слой атмосферы до высоты 8-10 км в полярных, 10-12 км в умеренных и 16-18 км в тропических широтах. Тропосфера - слой наиболее подверженный воздействию земной поверхности.
В тропосфере сосредоточено более 80% всей массы атмосферного воздуха, сильно развиты турбулентность и конвекция, сосредоточена преобладающая часть водяного пара, возникают облака, формируются воздушные массы и атмосферные фронты, развиваются циклоны и антициклоны и другие процессы, определяющие погоду и климат.
Подземная метаморфическая оболочка, стратисфера, нижняя метаморфическая оболочка - это прошлая биосфера. Преобразование литосферы Земли благодаря отмеченным особенностям её трансформации отличается глубоким проникновением в её недра. Так если на Марсе осадочный слой прерывист и его мощность измеряется метрами или десятками метров, то на Земле осадочный чехол практически сплошь покрывает кристаллический фундамент земной коры, в ряде мест достигая глубины 20 км. Глубокое преобразование литосферы можно назвать биосферизацией каменной оболочки. Впервые это было оценено академиком В.И. Вернадским, который считал, что земная кора захватывает в пределах нескольких десятков километров ряд геологических оболочек, которые когда-то были биосферами.
Глобальная эко- или биосфера распределяется:
1. На подсферы – террабиосфера (экосистема суши), аквабиосфера (экосистема воды), литобиосфера, аэробиосфера.
2. На крупные природно-климатические зоны.
3. В пределах природно-климатических зон выделяются биомы как крупные системно-географические подразделения (например, биом влажных тропических лесов).
4.Далее – ландшафты, обусловленные схожим для каждой конкретной территории комплексом абиотических факторов (природно-климатическими особенностями, геологическими условиями и т. п.), которые в свою очередь состоят из биогеоценозов – более или менее локальных участков территории, с установившимися взаимосвязями между окружающими биоту абиотическими факторами и биоценозами.
Живое вещество биосферы, его функции.
Живое вещество, в основном, состоит из элементов, являющихся водными и воздушными мигрантами, т.е. образующих газообразные и растворимые соединения. Заслуживает внимания то обстоятельство, что 99,9% массы живых организмов приходится на те элементы, которые преобладают и в земной коре, составляя в них 98,8%, хотя и в других соотношениях. Таким образом, жизнь есть химическое производное земной коры.В организмах обнаружены почти все элементы таблицы Д.И. Менделеева, т.е. они характеризуются теми же химическим особенностями, что и неживая природа.
В зависимости от количественного содержания и функциональной значимости элементарный набор организмов делят на три группы: макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.
Макроэлементысоставляют основную массу органических и неорганических соединений живых организмов. Они требуются постоянно и в большом количестве для осуществления жизненного цикла. Концентрация их изменяется от 60 до 0,001% массы тела. Это кислород, водород, углерод, азот, фосфор, кальций, калий, сера и др.
Микроэлементы –этопреимущественно ионы тяжелых металлов, являющиеся компонентами ферментов, гормонов и других жизненно важных соединений. Они столь же необходимы для жизнедеятельности, как макроэлементы, но требуются в значительно меньших концентрациях. Содержание их изменяется от 0,001 до 0,00001% массы тела. В данную группу входят марганец, бор, кобальт, медь, молибден, цинк, йод, бром, алюминий и другие. Укажем, что роль каждого микроэлемента строго специфична, его нельзя заменить в биохимических процессах никаким другим химическим элементом. В силу этого каждый микроэлемент выполняет свою роль без дублеров.
Содержание ультрамикроэлементов(к ним относятся уран, радий, золото, ртуть, бериллий, цезий, селен и другие рассеянные и редкие элементы) не превышает обычно 0,00001% массы тела. Физиологическая роль их в организмах растений и животных полностью еще не выяснена.
В жизненные циклы наземными растениями включено не менее 340 млрд. т химических элементов в виде минеральных веществ. Большинство их активно участвует в метаболических (обменных) процессах, а часть находится в связанном состоянии. Важной особенностью минеральных компонентов растений различных групп является регулярно повторяемое вовлечение их в жизненные процессы и возвращение обратно в среду (например, с опадающими листьями и другими отмирающими органами). При этом, чем больше зольность растений и величина их биомассы, тем выше годичный оборот элементов минерального питания.
В растительности Мирового океана сравнительно немного химических элементов – 36×106 т, т.е. всего 0,01% количества, содержащегося в наземной растительности.
Если исходить из закона константности, любое изменение количества живого вещества в одном из регионов биосферы неминуемо влечет за собой такую же по размеру перемену в другом регионе, но с обратным знаком. При этом высокоразвитые виды и экосистемы вытесняются другими, которые стоят на относительно более низком эволюционном уровне (и крупные организмы заменяются более мелкими), а полезные для человека формы – менее полезными, нейтральными и, подчас, даже вредными.
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; в) 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.
Итак, живое характеризуется исключительно высокой функциональной активностью.Она связана с его способностью к неограниченному развитию и количественному росту («напор жизни»поВ.И. Вернадскому).
Функции живого вещества
Живое вещество обеспечивает биогеохимический круговорот веществ и превращение энергии в биосфере. Выделяют следующие основные геохимические функции живого вещества:
1. Энергетическая (биохимическая) – связывание и запасание солнечной энергии в органическом веществе и последующее рассеяние энергии при потреблении и минерализации органического вещества. Эта функция связана с питанием, дыханием, размножением и другими процессами жизнедеятельности организмов.
2. Газовая – способность живых организмов изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. С газовой функцией связывают два переломных периода (точки) в развитии биосферы. Первая из них относится ко времени, когда содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 1% от современного уровня (первая точка Пастера). Это обусловило появление первых аэробных организмов (способных жить только в среде, содержащей кислород). С этого времени восстановительные процессы в биосфере стали дополняться окислительными. Это произошло примерно 1,2 млрд. лет назад. Второй переломный период связывают со временем, когда концентрация кислорода достигла примерно 10% от современной (вторая точка Пастера). Это создало условия для синтеза озона и образования озонового слоя в верхних слоях атмосферы, что обусловило возможность освоения организмами суши (до этого функцию защиты организмов от губительных космических излучений выполняла вода).
3. Концентрационная – «захват» из окружающей среды живыми организмами и накопление в них атомов биогенных химических элементов. Концентрационная способность живого вещества повышает содержание атомов химических элементов в организмах по сравнению с окружающей средой на несколько порядков. Содержание углерода в растениях в 200 раз, а азота в 30 раз превышает их уровень в земной коре. Содержание марганца в некоторых бактериях может быть в миллионы раз больше, чем в окружающей среде. Результат концентрационной деятельности живого вещества – образование залежей горючих ископаемых, известняков, рудных месторождений и т.п.
4. Окислительно-восстановительная– окисление и восстановление различных веществ с участием живых организмов. Под влиянием живых организмов происходит интенсивная миграция атомов элементов с переменной валентностью (Fe, Mn, S, Р, N и др.), создаются их новые соединения, происходит отложение сульфидов и минеральной серы, образование сероводорода и т.п.
5. Деструктивная – разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности, в том числе и после их смерти, как остатков органического вещества, так и косных веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют редуценты (деструкторы) – сапротрофные грибы и бактерии.
6. Транспортная – перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. Такой перенос может осуществляться на огромные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных. С транспортной функцией в значительной мере связана концентрационная роль сообществ организмов, например, в местах их скопления (птичьи базары и другие колониальные поселения).
7. Средообразующая – преобразование физико-химических параметров среды. Эта функция является в значительной мере интегральной – представляет собой результат совместного действия других функций. Она имеет разные масштабы проявления. Результатом средообразующей функции является и вся биосфера, и почва как одна из сред обитания, и более локальные структуры.
8. Рассеивающая – функция, противоположная концентрационной – рассеивание веществ в окружающей среде. Она проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, смене покровов и т.п. Железо гемоглобина крови рассеивается кровососущими насекомыми.
9. Информационная – накопление живыми организмами определенной информации, закрепление ее в наследственных структурах и передача последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.
10. Биогеохимическая деятельность человека – превращение и перемещение веществ биосферы в результате человеческой деятельности для хозяйственных и бытовых нужд человека. Например, использование концентраторов углерода – нефти, угля, газа и др.
Таким образом, биосфера представляет собой сложную динамическую систему, осуществляющую улавливание, накопление и перенос энергии путем обмена веществ между живым веществом и окружающей средой.
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 1982; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!