Структура и состав биосферы. Функции живого вещества
1. Нижняя часть воздушной оболочки (атмосфера). Верхняя граница биосферы: примерно на высоте 15 км находится озоновый слой, являющийся своего рода экраном, задерживающим вредное УФ излучение, губительное для живых организмов.
2. Практически вся водная оболочка (гидросфера). Основная масса живого вещества находится в океане.
3. Верхняя часть твёрдой оболочки (литосфера). Нижняя граница биосферы: примерно на глубине 3,5 км (нижним пределом распространения жизни является высокая температура в недрах Земли).
Всё это области распространения живого вещества.
В биосфере обитают живые организмы, находятся минеральные вещества, а также продукты деятельности живого вещества. К биосфере относится и любое общество с его производством.
1. Живое вещество (организмы).
2. Биогенное вещество (органические и органо-минеральные продукты жизнедеятельности организмов, к примеру, каменный уголь, торф, плодородный слой почвы…).
3. Биокосное вещество (создаётся живыми организмами при участии неживой природы, к примеру, приземная атмосфера, осадочные породы, глинистые материалы…).
Основные признаки биосферы:
1. Биосфера ─ это открытая термодинамическая система (обмен энергией: поступает солнечная энергия).
2. Биосфера ─ саморегулирующаяся система.
Функции живого вещества.
Сущность процессов, протекающих в биосфере, заключается в основных функциях живого вещества (энергетической, деструктивной, концентрационной, средообразующей).
А. В. Лаппо (1987 г.).
1. Энергетическая функция выполняется растениями. Зелёные растения улавливают солнечные лучи. В процессе фотосинтеза энергия в виде пищи распределяется между животными. Растения ─ главные механизмы биосферы.
Пример: образование залежей торфа, нефти, каменного угля и других горючих полезных ископаемых (частично энергия переходит в ископаемое состояние).
2. Деструктивная функция состоит в разложении мёртвого органического вещества, химическом разложении горных пород, вовлечении образовавшихся минералов в круговорот живого вещества.
Ежегодно в круговорот вовлекаются 8 млрд. т веществ. Эта функция способствует увеличению плодородия почвы.
3. Концентрационная функция заключается в избирательном поглощении атомов веществ, рассеянных в природе, живыми организмами. Наиболее активные концентраторы многих элементов ─ микроорганизмы.
Пример: кальциевые организмы (моллюски, кораллы…) используют минералы для образования своего скелета; многие морские организмы способны накапливать тяжёлые металлы, радиоактивные элементы.
4. Средообразующая функция состоит в организации благоприятных для организмов условий жизни. Происходит преобразование параметров среды (литосферы, гидросферы, атмосферы). Включает в себя другие функции живого вещества.
Выполнение всех функций поддерживают устойчивое развитие живых организмов; равновесие баланса вещества и энергии в биосфере.
Способность живого вещества восстанавливать условия существования организмов выражает принцип Ле Шателье: изменение любых параметров системы в результате внешних воздействий на неё происходит в направлении компенсации производимых воздействий.
В любой системе способность к сохранению устойчивости параметров называется гомеостазом.
Примеры выполнения функций живым веществом:
─ преобразование газового состава;
─ образование осадочных пород;
─ ослабление «парникового эффекта»;
─ самоочищение и т. д.
Важное место в учении о биосфере занимает закон сохранения (бережливости) К. Бэра (этот закон касается использования живым веществом химических элементов): атомы живой материи всё время находятся в движении, перемещении и не выходят (назад) в неживую материю.
Таким образом, основа функционирования живого вещества состоит в круговороте веществ живой природы (биотический круговорот веществ).
14. Учение о биосфере. Состав и структура биосферы. Функции живого вещества. Круговороты веществ:биологический и экологический. Роль живых организмов в круговоротах в-в
Заслуга в разработке стройного, целостного научного учения о биосфере, как «области жизни», принадлежит русскому академику В.И. Вернадскому (1926). В основе его учения лежат представления о планетарной геохимической роли живого вещества и о самоорганизованности биосферы.
По современным представлениям, биосфера — это особая оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.
Вещественный состав биосферы в соответствии с учением В.И. Вернадского включает в себя семь глубоко разнородных, но геологически не случайных частей:
живое вещество — совокупность всех живых организмов, населяющих нашу планету (люди, животные, птицы, растения, рыбы, микроорганизмы и т.д.);
биогенное вещество — органические и органоминеральные вещества, созданные живыми организмами на протяжении геологической истории Земли и являющиеся источником чрезвычайно мощной энергии (все формы детрита, а также торф, уголь, известняк, нефть, газ биогенного происхождения и т.д.);
косное вещество — совокупность всех неживых тел, образующихся в результате процессов, не связанных с деятельностью живых организмов (породы магматического и метаморфического происхождения, некоторые осадочные породы и т.д.);
биокосное вещество — совокупность неживых тел, образованных в результате жизнедеятельности живых организмов (почва, кора выветривания, ил, природные воды, приземный воздух атмосферы и т.д.);
вещество радиоактивного распада (элементы и изотопы уранового, ториевого и актиноуранового ряда);
рассеянные атомы земного вещества и космических излучений;
вещество космического происхождения в форме метеоритов, космической пыли и т.д.
В учении о биосфере выделяют следующие основные подходы:
энергетический (связь биосферных явлений с космическим излучением (прежде всего, излучением Солнца) и радиоактивными процессами в недрах Земли);
биогеохимический (роль живого в распределении атомов в биосфере);
информационный (принципы организации и управления в живой природе);
пространственно-временной (формирование и эволюция различных структур биосферы);
ноосферный (глобальные аспекты воздействия человека на окружающую среду
Живое вещество — это совокупность всех форм жизни в биосфере.
Единство действия живого вещества в биосфере, сформулированное В. И. Вернадским, считается одним из основных законов всего органического мира.
Другое важное обобщение, сделанное В. И. Вернадским и названное им как биогеохимический принцип, заключается в том, что в биосфере с помощью живого вещества постоянно совершается биогенная миграция химических элементов (атомов) из внешней среды в живое вещество и из живого вещества в окружающую среду.
Важнейшая функция биосферы — регулярное создание живого вещества. Количество живого вещества всех групп растительных и животных организмов составляют биосферу.
Основными функциями живого вещества в биосфере являются:
Газовая — способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. Живые существа постоянно обмениваются кислородом и углекислым газом с окружающей средой в процессах фотосинтеза и дыхания. Они строго контролируют концентрации газов, оптимальные для всей биоты. Преобладающая масса газов на Земле (азот, метан) имеет биогенное происхождение.
Концентрационная — «захват» из окружающей среды живыми организмами и накопление в них атомов биогенных химических элементов. Пропуская через своё тело большие объёмы природных веществ, живые организмы осуществляют биогенную миграцию и концентрирование химических элементов и их соединений. В теле живых организмов в основном концентрируются водород, углерод, кислород, азот, натрий, магний, кремний, кальций, калий, хлор, сера. Это объясняет неоднородность химического состава биосферы и её отличие от химического состава неживого вещества планеты.
Энергетическая — 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.
Окислительно-восстановительная — окисление и восстановление различных веществ с помощью живых организмов. Под влиянием живых организмов происходит интенсивная миграция атомов элементов с переменной валентностью (Fe, Mn, S, P, N и др.), создаются их новые соединения, происходит отложение сульфидов и минеральной серы, образование сероводорода и т.п.
Информационная — для живых организмов активная информация записана в молекулярной накопленной живыми организмами определенной информации, закрепление ее в наследственных структурах и передача последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.
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) — сапрофитные грибы и бактерии.
Транспортная — перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов.
Средообразующая — преобразование физико-химических параметров среды в результате процессов жизнедеятельности организмов.
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.
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.
Круговоротом веществ называют взаимный обмен веществами между различными природными телами. На Земле различают два круговорота веществ: большой, или геологический, и малый, или биологический.
Большой круговорот веществ в природе (геологический) обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и перераспределяет вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли. Этот круговорот в системе «магматические породы — осадочные породы — метаморфические породы (преобразованные температурой и давлением) — магматические породы» происходят за счет процессов магматизма, метаморфизма, литогенеза и динамики земной коры. Символом круговорота веществ является спираль: каждый новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то новое, что со временем приводит к весьма глубоким изменениям
Малым, или биологическим, круговоротом веществ называют обмен химическими элементами (атомами) между живыми организмами и косными компонентами биосферы: атмосферой, гидросферой и литосферой.
Биологический круговорот характеризуется наличием четырех обязательных взаимосвязанных компонентов:
Биосфера
Биосфера (греч. bios — жизнь + sphaira — шар) — наружная оболочка Земли, населенная живыми организмами, составляющими в совокупности живое вещество планеты. Термин «биосфера» предложен австрийским геологом Э. Зюссом, учение о биосфере было создано и развито российским и советским ученым Вернадским Владимиром Ивановичем.
Биосфера — совокупность всех биогеоценозов, это открытая система, структура и свойства которой определяются деятельностью организмов в прошлом и настоящем. Биосферу можно рассматривать как часть лито-, гидро- и атмосферы, заселенную живыми существами.
Запомните, что наибольшая концентрация живого вещества сосредоточена на границе сред (к примеру, на границе литосферы и атмосферы).
Границы биосферы
Общая толщина биосферы приблизительно 17 км. Живые организмы проникают вглубь литосферы на расстояние до 6-7 км, заселяют всю толщу гидросферы (до самого дна мирового океана). В атмосфере живые организмы встречаются в нижней части — тропосфере, которую сверху ограничивает озоновый слой (часть стратосферы).
Выше «озонового экрана» существование жизни в привычном для нас виде невозможно, так как губительное УФ (ультрафиолетовое) излучение уничтожает все живое. Возникновению жизни в недрах Земли препятствует высокая температура, оказывающая разрушительное воздействие.
Вещество биосферы
Многокомпонентная сложная система биосферы включает несколько отдельных элементов. Вернадский В.И. создал учение, в соответствии с которым вещество биосферы состоит из:
- Живое вещество
Совокупность всех живых организмов на нашей планете. Именно Вернадский показал, что деятельность живых существ — важнейший фактор геологических изменений планеты.
Формируется без участия живых организмов. Базальт, гранит, песок, золотоносные руды. К косному веществу можно отнести горные породы магматического происхождения, образовавшиеся в результате извержения вулканов.
Это вещество образуется живыми организмами в процессе их жизнедеятельности. Примерами биогенного вещества могут послужить залежи известняка, природный газ, кислород, нефть, каменный уголь, торф.
Биокосное вещество создается одновременно деятельностью живых организмов и косными процессами. Таким образом, биокосное вещество объединяет в себе живое и косное вещества.
К биокосному веществу относятся пресная и соленая вода, почва, воздух. Почва является верхним наиболее плодородным слоем литосферы Земли. Почва — уникальный продукт совместной деятельности живых организмов, то есть биологических и геологических процессов, протекающих в живой природе.
Функции живого вещества
Важнейший компонент биосферы — живое вещество, то есть — живые организмы. Их деятельность приводит к наиболее значительным геологическим изменениям в биосфере, они обеспечивают круговорот веществ — главное условие зарождения новой жизни.
Перечислим важнейшие функции живого вещества:
- Энергетическая
Живые организмы постоянно получают и преобразуют энергию. Растения преобразуют энергию солнечного света в энергию химических связей, а животные передают ее по цепочке. После смерти растений и животных энергия возвращается в круговорот благодаря бактериям и грибам — сапротрофам (греч. sapros – гнилой), разлагающим мертвое органическое вещество.
Деятельность живых организмов обеспечивает постоянный газовый состав атмосферы. В ходе дыхания животные поглощают кислород и выделяют углекислый газ, а растения в ходе фотосинтеза поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Бактерии хемотрофы также выделяют в атмосферу некоторые газы, полученные окислением сероводорода, азота.
Я никогда не перестану восхищаться этой функцией живого вещества. Вы только вдумайтесь: на одной и той же почве, рядом друг с другом, растут совершенно разные растения по форме, размеру и окраске плодов, цветков! Каждый раз задумываешься: как это возможно?
Это связано с тем, что каждое живое существо избирательно накапливает определенные химические элементы. К примеру, многие моллюски накапливают кальций, образуют известковый скелет — раковину. После их смерти раковины опускаются на дно, в результате чего создаются залежи полезных ископаемых — известняка (мела).
В результате жизнедеятельности мха сфагнума образуется полезное ископаемое — торф, а папоротниковидные образуют каменный уголь. Это концентрат углеродистых и кальциевых соединений в погибших растениях, которые тысячелетиями отмирали и образовали залежи ископаемых.
Живые организмы способны окислять и восстанавливать различные химические вещества. На реакциях окисления и восстановления основан метаболизм (обмен веществ) любого живого существа, подобные реакции протекают постоянно в ходе фотосинтеза, энергетического обмена.
Без разрушения «старой» жизни, невозможно возникновение «новой». После смерти живых существ их останки подвергаются разрушению, из них высвобождается энергия, накопленная в связях химических веществ. Непрерывный круговорот должен продолжаться всегда — это главное условие жизни.
Теория биогенной миграции атомов Вернадского В.И.
При непосредственном участии живого вещества в биосфере непрерывно осуществляется биогенная миграция атомов. Даже сейчас, с каждым вашим вдохом, атомы кислорода соединяются с гемоглобином эритроцитов, доставляются по крови к клеткам тканей организма и становятся частью ваших клеток.
Откуда взялся кислород, которым мы дышим? Его в процессе фотосинтеза выделили растения. Для процесса фотосинтеза необходим углекислый газ, который в процессе дыхания выделяют животные, углекислый газ, который образуется при разложении останков растений и животных. Получается круговорот атомов.
Все атомы, которыми мы обладаем, которые стали частью наших рук, глаз, носа, языка — все эти атомы кому-то принадлежали до нас! За миллиарды лет существования Земли они успели побывать в мириадах растений, грибов и животных. То, что наши атомы сейчас с нами — великое чудо и немыслимая случайность.
Я искренне восхищаюсь этой теорией, она показывает непрерывность жизни, бесконечность нашего существования и единство всего живого.
Ноосфера
Ноосфера (греч. noos — разум и sphaira — шар) — термин введенный русским ученым В.И. Вернадским. Ноосфера подразумевает взаимодействие природы и общества, при котором человек является главным определяющим фактором эволюции. Человек становится крупнейшей геологической силой.
Споры о том, можно ли считать современный этап развития цивилизации ноосферой остаются открытыми. Основная идея ноосферы — разумное, рациональное поведение человека, при котором он сосуществует в гармонии со всеми другими формами жизни.
К сожалению, нынешняя ситуация напоминает старую поговорку: «Пока не потеряешь, не осознаешь ценность». Неужели растения должны исчезнуть с лица Земли, чтобы мы вспомнили о том, что благодаря фотосинтезу в их листьях мы дышим кислородом? В этом случае чувство нашего ложного величия может сильно пострадать.
Круговорот веществ
Углерод находится в природе в основном в составе углекислого газа, угольной кислоты и ее нерастворимых солей — карбоната кальция (из которого состоят раковины моллюсков). Отмирая, живые организмы образуют залежи полезных ископаемых: торф, древесину, каменный уголь, нефть. Известняк может надолго исключить углерод из круговорота веществ.
Подобно этому, долгое время нефть и уголь были почти полностью исключены из круговорота веществ, однако в настоящее время человек «вернул их в строй» вместе с выхлопными газами.
Азот находится в воздухе, которым мы дышим, и составляет 78% от его объема. Большая часть азота поступает в почву и воду благодаря деятельности микроорганизмов, бактерий и водорослей.
Широко известны клубеньковые бактерии на корнях бобовых растений, находящиеся с ними в симбиозе. Клубеньковые бактерии переводят атмосферный азот в нитраты, которые необходимы для роста и развития растения и могут быть усвоены им, в отличие от атмосферного азота (газа).
В листьях в процессе биосинтеза азот преобразуется в белки. Травоядные животные поедают растения, таким образом, белок включается в их состав. После смерти животных белки разлагаются сапротрофами, которые выделяют аммиак, нитраты. Часть нитратов усваивается растениями, а часть восстанавливается бактериями до атмосферного азота — цикл замыкается.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2023
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.