Биосфера. Круговорот веществ
НАВИГАЦИЯ ПО СТРАНИЦЕ
легко понять и запомнить
Впервые термин ввел Э. Зюсс в 1875 году. Позже, в 1919 году В. И. Вернадский создал учение о биосфере, в котором дал точное определение. В этом же учении Вернадский ввел новое понятие: ноосфера — сфера человеческого разума.
Согласно теории Вернадского, биосфера сформирована из четырёх типов веществ: биогенного, биокосного, живого и косного.
Структура биосферы
Живое вещество — совокупность всех живых организмов (животные, растения, грибы, бактерии).
Биогенное вещество — образуется в результате жизнедеятельности организмов (торф, нефть, природный газ, горючие сланцы, каменный уголь, шелк, паутина, воск, мед, молоко, нектар, жемчуг).
Косное вещество — образуется без участия живых организмов (гранит, кварц).
Биокосное вещество — совместный результат деятельности живых организмов и небиологических процессов (почва, горные породы, вода, воздух).
Радиоактивные вещества.
Вещества космического происхождения.
Толщина биосферы примерно 17 км. Распространяется в атмосфере на высоту 20 км, далее радиация солнца не способствует жизни. В гидросфере распространяется на 11 км. В литосфере —до 7 км.
В связи с технологическим прогрессом, главным триггером которого выступает человек, сегодня мы рассматриваем деятельность людей как мощный геологический фактор, преобразующий биосферу.
Разумная деятельность человека, по убеждению Вернадского, должна вывести биосферу на высший этап развития земной природы и сформировать сферу разума — ноосферу.
Идея ноосферы достаточно объемна и включает в себя ряд принципов: рациональное природопользование, ограничение чрезмерных потребностей людей, применение оправданных и целесообразных технологий с максимальной переработкой отходов и применением вторичных ресурсов, контроль численности человечества и т.д.
Живое вещество и его функции
Роль живых организмов в модификации облика планеты чрезвычайно велика. По большому счету, сухая масса (биомасса) живого вещества Земли составляет лишь 0,01% от всей массы земной коры. И даже несмотря на столь малый показатель, Вернадский отмечает, что на Земле не существует иной силы, которая действовала бы более постоянно, чем живая сила. Этот факт определяет и масштаб конечных эффектов деятельности живого вещества.
Функции живого вещества в биосфере
Изучение деятельности живого вещества позволило Вернадскому сформировать представление о его ключевых функциях:
Газовая — выделение живыми организмами газов, изменяющих состав атмосферы. В процессе фотосинтеза образуется кислород, который обогащает атмосферу. Кислород расходуется гетеротрофами, в результате происходит высвобождение углекислого газа. Часть бактерий способна в процессе жизнедеятельности выделять азот, его оксиды, сероводород и др. Газовая функция не только формирует состав атмосферы, но и поддерживает его постоянство.
Концентрационная — способность биоты (живых организмов) перераспределять и концентрировать определенные химические элементы, извлекая их из объектов окружающей среды.
Энергетическая — в результате протекания процессов жизнедеятельности организмов постоянно происходит обмен энергии в биосфере. Данная функция связана с обеспечением поглощения солнечной энергии и ее аккумуляции в химических связях органических соединений.
Окислительно-восстановительная — протекание окислительно-восстановительных реакций в живых организмах способствует круговороту веществ в природе и сопровождается образованием солей, оксидов и свободных соединений (а затем и известняков, бокситов, различных руд).
Деструктивная — разрушение органических веществ до неорганических. Способствует круговороту веществ (точнее, завершает его). Осуществляется преимущественно организмами-редуцентами, расщепляющими мертвые органические остатки.
Особенности распределения биомассы на Земле:
Биомасса составляет 0,01 % массы всей биосферы.
Самые устойчивые биогеоценозы — лес, почва, Мировой океан.
Биомасса увеличивается от полюсов к экватору.
В океане находится только 0,1% биомассы Земли.
КПД использования солнечной энергии: в океане — 0,04%; на суше — 0,1%.
Круговорот веществ
Углерод является важнейшим биогенным элементом, служащим основой для всех органических полимеров и мономеров. Фиксация его осуществляется в ходе фотосинтеза растениями (образуются органические вещества). Далее полученная органика потребляется консументами. В ходе дыхания большая часть органических соединений будет окислена до СО2, а остальной органический субстрат (органические остатки) будут разлагаться и минерализоваться организмами-редуцентами.
В данный момент часть углерода хранится в виде неразложившихся органических остатков, формируя пласт почвы, залежи полезных ископаемых (бурого и каменного угля, нефти, природного газа, торфа и др.).
В гидросфере углерод связывается в виде гидрокарбонатов и карбонатов, формируя затем нерастворимый карбонат кальция. Это вещество является важным компонентом скелетов многих водных животных (в частности, простейших и кишечнополостных).
Скелеты погибших существ со временем формируют осадочные породы и надолго исключаются из круговорота веществ. Однако в ходе горообразования они вновь оказываются на поверхности и, подвергаясь влиянию биотических факторов, вновь вовлекаются в круговорот.
Деятельность человека также влияет на движение углерода в биосфере. В первую очередь, это определяется эксплуатацией таких ценных ресурсов как нефть и природный газ.
Азот несомненно является биогенным элементом, поскольку входит в состав аминокислот, белков, аденозинтрифосфата (АТФ), нуклеотидов, хитина и пр.
Поскольку азот в атмосфере химически инертен, он не может быть просто так усвоен растениями (хотя количество молекулярного азота в атмосфере колоссально — 79%).Так что, фиксация азота осуществляется азотфиксирующими бактериями (в т.ч. и цианобактериями), переводящими его в нитраты.
Растения, усваивая нитраты, включают их в состав ряда органических соединений (белковых молекул в первую очередь). Именно молекулы белков будут служить источником азота для растительноядных животных.
В то же время азотистые соединения будут покидать организм животных в процессе жизнедеятельности (обмен веществ). Тела погибших животных также будут разлагаться редуцентами на азотсодержащие соединения (образующийся аммиак частично утилизируется редуцентами для собственных нужд, другая же его часть преобразуется нитрифицирующими бактериями в нитраты, которые становятся вновь доступными для растений или денитрифицирующих бактерий, возвращающими его в атмосферу). Некоторая часть азота выходит из обозначенного круговорота, формируя глубоководные отложения.
Вследствие сельскохозяйственной деятельности человека, предполагающей использование азотных удобрений, круговорот азота нарушается. Этот же эффект прослеживается как результат применения компонентов с азотом в своем составе в различных сферах промышленности.
Результат: нарушение баланса азота в гидросфере, литосфере и нижних слоях атмосферы.
Сера является компонентом таких аминокислот, как метионин и цистеин. Она же входит в состав ряда других органических соединений. В природе, как правило, сера находится в связанном состоянии — в виде сульфидов и сульфатов. Микроорганизмы переводят сульфиды в форму, доступную для растений (т.е. сульфаты). После переработки серы редуцентами, сера возвращается обратно в круговорот.
Выбросы соединений серы в последние годы значительно увеличились, что привело к образованию такого феномена, как кислотные дожди. Выпадение подобных осадков ведёт не только к изменению кислотности почв, но и к прямому травмирующему действию, проявляющемуся по отношению к листьям и покровам растений. Наиболее распространенной причиной выделения серосодержащих веществ служит сжигание топлива.
Круговорот фосфора
Т.к. многие фосфаты нерастворимы, фосфор сохранился как компонент нерастворимых отложений, с течением времени вовлекаемых в круговорот деятельностью биоты. Это происходит крайне медленно, в результате постепенного вымывания отложений. Растения утилизируют лишь часть этого фосфора, тогда как остальное уносится в водоемы и вновь аккумулируется в виде осадочных пород.
Морепродукты всегда составляли сферу интересов человека (в первую очередь, из-за пищевой ценности). Также фосфорные удобрения позволяли повысить урожайность агрокультур. Эти и иные факты определили высокий уровень влияния человека на круговорот фосфора в природе.
Следует помнить, что запасы фосфорсодержащих отложений являются продуктом длительных процессов — миллионов лет. Энергичная утилизация человеком этих запасов приводит к их истощению и невозможности возобновления в скором будущем.
1,5 млрд м3 — объем запасов воды на Земле.
Атмосфера содержит куда меньшее количество воды, чем многочисленные реки, озера, моря и океаны. На поверхности суши вода оказывается в форме осадков и, двигаясь сверху вниз, размывает горные породы, создавая благоприятные условия для роста растений и лишайников.
Она же, достигая верхнего почвенного слоя, возвращается вместе с растворенными в ней солями и органическими соединениями в водоемы. Данный цикл продолжается примерно в течение года.
Круговорот воды между океаном и сушей является важнейшим звеном в поддержании жизни на Земле, поскольку не только удовлетворяет потребность организмов в воде, но и привносит в водные экосистемы минеральные и органические вещества, захватываемые на суше в процессе разрушения литосферы.
Эволюция биосферы
Биосфера является хрупкой и саморегулирующейся системой. Концентрация газов в ней динамична и определяется процессами биогенного и абиогенного плана.
Накоплению кислорода в атмосфере способствовало появление такого процесса как фотосинтез (что, в свою очередь, определяется наличием хлоропластов в растительной клетке). Сегодня процент кислорода от всех газов атмосферы равняется 21. Хотя еще 400 млн. лет назад этот показатель составлял 30%.
Сегодня мы тоже живём в стремительно меняющейся обстановке. Уровень углекислого газа существенно вырос на фоне активной хозяйственной деятельности человека. И он сохраняет тенденцию к росту. Так что в развитии биосферы можно выделить следующие вехи:
Первые этапы развития биосферы были детерминированы исключительно неживыми (абиотическими) факторами. Будь то формирование первичной атмосферы (с метаном, углекислым газом и прочими газами), массовая миграция атомов, спорадические (непредсказуемые, случайные) химические реакции, кислотные дожди, воздействие ионизирующего излучения — всё это имело крайне непредсказуемый и ненаправленный характер. Вместе с тем, вышеназванные факторы в совокупности подготавливали фундамент для зарождения жизни.
В дальнейшем образовавшиеся живые организмы, поддерживая свой собственный гомеостаз, сумели установить хрупкое равновесие. Они сумели запустить тот устойчивый каскад химических реакций, который в дальнейшем за счет таких свойств живого, как развитие и размножение лишь расширялся, вовлекая всё больший объем органических и неорганических компонентов планеты. При этом, формирование устойчивых связей между автотрофами и гетеротрофами неминуемо изменяло облик планеты. Влияние живого вещества сказывалось как на гидросфере (первичной среде обитания протобионтов), так и на литосфере, и на атмосфере.
Уже на этих этапах сказывалось действие естественного отбора. Влияние его ключевого принципа: выживания сильнейшего, приводило к массовым вымираниям одних групп организмов и увеличению численности других. Тем не менее, несмотря на эти массовые процессы, баланс между продуцентами, консументами и редуцентами сохранялся на прежнем уровне. Именно к этому балансу «стремится» биосфера. Именно этот баланс лежит в основе концепции устойчивого развития биосферы.
Сегодня мы утверждаем влияние антропогенного фактора среди главенствующих факторов живой природы. Поскольку только человек способен осознавать последствия своей деятельности и, исходя из абстрактных представлений, выстраивать модели поведения, всем нам надлежит выстраивать ноосферу — среду разума, краеугольным камнем которой станет рациональное природопользование.
