Учение о биосфере В.И.Вернадского

СОДЕРЖАНИЕ: 1. Введение ……………………………...……………….……... 3 2. Основная часть ………………….…………………...…….3 2.1. Понятие о биосфере… ………………………..…….…….3 2.2. Учение В.И.Вернадского о б иосфере………..……….....4 2.3. Структура и функции биосферы………….…… ………..8 2.4. Границы биосферы………………………….…………...10 2.5. Живое вещество планеты………………………….… …13 2.6. Функции живого вещества………………….……….. …16 3. Заключение ………….…………………………..………....21 4. Список литературы ……………………………..………22 1. ВВЕДЕНИЕ “…Когда его избирали поче тным членом научных учреждений, то это было почетно и для самого Вернадс кого, однако не в меньшей мере и для тех учреждений, которые его избирали… Со времени расцвета его научного творчества прошло уже более полувека, с рок очень большой, однако в течение его не было ни одного ученого, который мог бы сравняться с ним… Стать новым Вернадским очень трудно, но тем не менее нашим молодым учены м падать духом не следует. Дорога для них открыта широко… Если поставить вопрос, будет ли кто-нибудь из них вторым Вернадским, то положительный от вет дать трудно. Конечно, в природе все бывает, и надежды терять не надо… Самое важное это то, что каждый из нас может повысить качество своей рабо ты, может добиться новых, необходимых результатов, следуя примеру Вернад ского, изучая методику его работы, применяя особенности этой работы”. Так говорил выдающийся геол ог нашего времени, лауреат Ленинской премии академик Дмитрий Васильеви ч Наливкин на 100- летнем юбилее Вернадского в 1963 году. 2. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 2.1. Понятие о биосфер е Понятие биосфера вошло в науку до некоторой степени случайно. Ок оло ста лет назад, в 1875 году, австрийский геолог Эдуард Зюсс, говоря о разли чных оболочках земного шара, впервые употребил этот термин в последней г лаве своей небольшой книги о происхождении Альп. Однако эта концепция не сыграла заметной роли в развитии научной мысли до тех пор, пока в 1926 году н е были опубликованы две лекции русского минералога Владимира Иванович а Вернадского. Концепция биосферы, которую мы принимаем сейчас, в основн ом опирается на идеи Вернадского, развитые им спустя 50 лет после работ Зюс са. Сам Вернадский считал, что впервые к понятию биосферы подошел францу зский натуралист Жан Батист Ламарк, в чьих работах можно обнаружить немало геохимических идей, пусть и архаично изложенных. Биосферой называется та ч асть земного шара, в пределах которой существует жизнь. Однако такое опр еделение порождает ряд вопросов и требует уточнений. Пропуская через фи льтр воздух, взятый на больших высотах, можно найти в нем споры бактерий и грибов. Но этот «аэропланктон», очевидно, не имеет активного метаболизма . Даже на поверхности Земли немало мест, слишком холодных, слишком жарких или слишком сухих, для того чтобы там могли существовать организмы с акт ивным метаболизмом. Но и в таких местах всегда можно найти споры. Таким об разом, оболочка Земли, называемая биосферой, имеет неправильную форму, т. к. она окружена некоей «парабиосферной» областью, в которой жизнь присут ствует только в покоящемся состоянии. В настоящее время живой организм может, конечно, существовать далеко за пределами естественной биосферы, находясь в космическом корабле или скафандре. Такие искусственные мест а обитания можно рассматривать как участки биосферы, вырванные из нее и временно заброшенные в космос. Что же характерно для биосферы как особой оболочки земного шара? Во-перв ых, это область, в которой имеется в значительных количествах жидкая вод а. Во-вторых, на нее падает мощный поток энергии от Солнца. Наконец, в-треть их, в биосфере имеются поверхности раздела между веществами, находящими ся в жидком, твердом и газообразном состояниях 2.2. Учение В.И.Вернадского о биосфере Одним из выдающихся естествоиспытателей, который посвятил себя из учению протекающих в биосфере процессов, был академик В.И.Вернадс кий. Он стал основоположником научного направления, названного им биоге охимией, которое легло в основу современного учения о биосфере. До появления работ В. И. В ернадского роль живых организмов на Земле представлялась ученым очень скромной. Действительно, казалось бы, какое может быть сравнение последс твий их жизнедеятельности с мощью внутренних сил планеты, вздымающих вы сочайшие горы, разверзающих океанские пучины, перемещающих целые конти ненты. В. И. Вернадский доказал, что, как бы слаб ни был каждый организм в отдельности, все они, вместе взятые, н а протяжении длительного отрезка времени выступают как мощный геологи ческий фактор, играющий существенную роль в жизни нашей планеты. Геологи ческая деятельность живых организмов проявляется как следствие следую щих их особенностей: они теснейшим образом связаны с окружающей средой и взаимодействуют с ней в процессе обмена веществом и энергией; обмен вещ еств организмов со средой осуществляется в процессе биологического кр уговорота; суммарный эффект результатов деятельности организмов прояв ляется на протяжении очень длительных (в сотни миллионов лет) отрезков в ремени. Таким образом, приоритет в разработке теоретических основ учени я о биосфере принадлежит отечественным ученым. По определениям ученых, возраст Земли равен приблизительно 5 млрд. лет. На иболее древние следы живых организмов найдены в Южной Африке (Восточный Трансвааль), в толще горных пород, возраст которых равен 3,2 млрд. лет. Эти ор ганизмы напоминали современных нитчатых бактерий. Ученые даже дали им н азвание – эобактериум изолятум. Таким образом, можно считать, что биосф ера Земли возникла около трех миллиардов лет назад. Наземные организмы появились около 400 млн. лет назад. Это были первые прим итивные растения. С появлением на суше живых организмов и возникновение м растений начинается важнейший этап в истории развития биосферы. С этог о периода началось их быстрое распространение по планете, и в настоящее время Землю населяет огромное количество разнообразнейших растительн ых и животных организмов. В 19 веке в России постепенно складывалось представление о единстве чело века и природы, о тех проблемах, с которыми неизбежно столкнется человеч ество при необузданном стремлении всецело подчинить себе природу. Вооб ще идея цельного знания, основанного на органической полноте жизни, прин адлежит русской философии. Она легла в основу направления общественной жизни, получившего название «русский космизм». Именно тогда в научной ср еде засверкали имена психолога и физиолога И. М. Сеченова, химика Д. И. Менд елеева, почвоведа В. В. Докучаева, основоположника космонавтики К. Э. Циолк овского. К плеяде этих выдающихся ученых принадлежит и В. И. Вернадский. В 1926 году Вернадский опубликовал в Ленинграде книгу под названием «Биосф ера», которая ознаменовала рождение новой науки о природе, о взаимосвязи с ней человека. В этой работе биосфера впервые показана как единая динам ическая система, населенная и управляемая жизнью, живым веществом плане ты. «Биосфера – организованная, определенная оболочка земной коры, соп ряженная с жизнью». В работах по биосфере ученый показал, что взаимодейс твие живого вещества с веществом косным есть часть большого механизма з емной коры, благодаря которому происходят разнообразные геохимические и биогенные процессы, миграции атомов, осуществляется их участие в геол огических и биологических циклах. В. И. Вернадский впервые показал, что химическое состояние наружной коры нашей планеты всецело находится под влиянием жизни и определяется живы ми организмами, с деятельностью которых связан великий планетарный про цесс – миграция химических элементов в биосфере. Эволюция видов, отмеча л ученый, приводящая к созданию форм жизни, устойчива в биосфере 21 и должна идти в направлении увеличения биогенной миграции атомов. Биосфера представляет собо й сложнейшую планетарную оболочку жизни, населенную организмами, соста вляющими в совокупности живое вещество. Это самая крупная (глобальная) э косистема Земли – область системного взаимодействия живого и косного вещества на планете. Совокупная деятельность живых организмов в биосфере проявляется как г еохимический фактор планетарного масштаба. Биосфера по вертикали разде ляется на две четко обособленные области: верхнюю, освещенную светом, - фо тобиосферу (в которой происходит фотосинтез), и нижнюю, «темную», - меланоб иосферу (в которой фотосинтез невозможен). На суше граница между ними про ходит по поверхности Земли. Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы до высоты озонового экрана (20-25 км), верхнюю часть литосферы (кора выветривания) и всю гидросферу до глу бинных слоев океана. В. И. Вернадский отмечал, что «пределы биосферы обусл овлены, прежде всего, полем существования жизни». На развитие жизни, а, сле довательно, и границы биосферы оказывают влияние многие факторы и прежд е всего наличие кислорода, углекислого газа, воды в ее жидкой фазе. Ограни чивают область распространения жизни и слишком высокие или низкие темп ературы. Элементы минерального питания также влияют на развитие жизни. К ограничивающему фактору можно отнести и сверхсоленую среду (превышени е концентрации солей в морской воде примерно в 10 раз). Лишены жизни подзем ные воды с концентрацией солей свыше 270 г/л. В планетарной биосфере выделяют континентальную и океаническую биосфе ры, которые отличаются геологическими, географическими, биологическим и, физическими и другими условиями. Нижний предел распространения живог о ограничивается дном океана (глубина около 11 км) или изотермой в 100 C 0 в литосфере (по данным свер хглубокого бурения на Кольском полуострове эта цифра составляет около 6 км). Фактически жизнь в литосфере прослеживается до глубины 3-4 км. Таким об разом, вертикальная мощность океанической биосферы составляет 17 км, сух опутной до 12 км. Вверх, в атмосферу, биосфера простирается не выше наиболь ших плотностей озонового экрана, что составляет 22-24 км. Следовательно, пре дел протяженности биосферы на Земле выражается цифрой 33-35км, хотя теорети чески он может быть более широким. На основе работ В. И. Вернадск ого и других исследователей, внесших большой вклад в изучение биосферы планеты, предлагается различать три основны е ее формы : · формы биологической систематики, включающие популяции, ви ды, роды, семейства и др., принятые в ботанике и зоологии; · биогеографические формы – терри тории, характеризующие географическое распространение и распределени е растений и животных, специфику флоры и фауны. Это биогеографические зо ны, области и т.д. Отдельно выделяются ботанико-географические и зоогеог рафические территории, дающие представление о составе и характере флор ы и фауны; · экологические формы, известные под названием экосистем (биогеоценозов), экотопов, биотопов и др. Напомним, чт о биотоп – это участок с однородными экологическими условиями, занятый определенными биоценозами, экотоп – это место обитания сообщества. В от личие от биотопа, понятие «экотоп» включает внешние по отношению к сообщ еству факторы среды. Это совокупность абиотических условий неорганиче ской среды данного участка, представляющего собой местообитание конкр етного сообщества. Экологические формы определяют специфику изучения биосферы в экологических аспектах. Вещественный состав биосферы также разнообразен. В. И. Вернадский вк лючает в него семь глубоко разнородных, но геологически не случайных час тей: q живое вещество; q биогенное вещество – рождаемо е и перерабатываемое живыми организмами (горючие ископаемые, известняк и и т. д.); q косное вещество, образуемое без уч астия живых организмов (твердое, жидкое и газообразное); q биокосное вещество – косное веще ство, преобразованное живыми организмами (вода, почва, кора выветривания , илы); q вещество радиоактивного распада ( элементы и изотопы уранового, ториевого и актиноуранового ряда); q рассеянные атомы земного веществ а и космических излучений; q вещество космического происхожде ния в форме метеоритов, космической пыли и др. В строении и морфологии биосферы исключите льно важное значение для развития живого вещества имеют следующие ее элементы (сверху вниз): § слой живого вещества, т ак называемая «пленка жизни»; § педосфера, или почвенный покров; § ландшафтно-экологические системы – функциональные системы, включающие живые организмы и среду их обитан ия; § кора выветривания, т. е. зона разруш ения и преобразования горных пород, их минерально-геохимических измене ний в верхней части земной коры под воздействием различных факторов; § древняя биосфера (палеобиосфера) – комплекс горных пород, рельефа и других ландшафтных компонентов, зале гающих ниже современной биосферы и погребенных под ее новейшими образо ваниями. Это горные породы, рудные и нерудные минералы, химические элеме нты, широко используемые в промышленности; § многочисленные минералы верхней части земной коры и биосферы: глины, известняки, бокситы и т. д.; § природные воды осадочной оболочк и; § миллионы органических и органоми неральных соединений: уголь, графит, гумусовые вещества, нефть, природны е газы; § минеральные ресурсы биосферы и зе мной коры, распространенные в форме свободных элементов: меди, серебра, з олота, висмута, платины и т. д. Все они – главный источник сырья для металл ургии, химической промышленности и многих других отраслей. Их добыча и и спользование в экономике растут год от года. Из сказанного вытекает, что биосфера является результатом сложнейшего механизма геологического и биологического развития косного и биогенного вещества. С одной стороны , это среда жизни, а с другой – результат жизнедеятельности. Главная спец ифика современной биосферы – это четко направленные потоки энергии и б иогенный (связанный с деятельностью живых существ) круговорот веществ. Разрабатывая учение о биосфере, В.И. Вернадский пришел к выводу, что главн ым трансформатором космической энергии является зеленое вещество раст ений. Только они способны поглощать энергию солнечного излучения и синт езировать первичные органические соединения . Для объяснения большой с уммарной энергии биосферы ученый произвел расчеты, которые действител ьно показали огромное значение фотосинтезирующих растений в создании общей органической массы. Ученый подсчитал, что поверхность Земли соста вляет меньше одной десятитысячной поверхности Солнца. Общая же площадь трансформационного аппарата зеленых растений в зависимости от времени года составляет уже от 0,86 до 4,2% площади поверхности Солнца. Разница колосс альная. Этот зеленый энергетический потенциал и лежит в основе сохранен ия и поддержания всего живого на нашей планете. В.И. Вернадский так же, как и Ламарк 140 лет назад попытался дать главные исче рпывающие признаки каждого царства живого. И чем больше он вникал в проб лему, тем более ясно становилось, что вырисовывается новый разрез мира. В. И. Вернадский составил таблицу из 16-ти пунктов, где рассмотрел несходство живого и неживого в физическом, химическом и термодинамическом смысле. Анализ таблицы показывал, что в природе нет никаких переходов от неживог о к живому: они настолько противоречивы, что живое ни при каких условиях н е может происходить от неживого. Организм и косную материю разделяет неп роходимая стена. Принцип итальянского естествоиспытателя и врача Фран ческо Реди, гласящий, что живое происходит только от живого, между живым и неживым веществом проходит резкая граница, хотя и имеется постоянное вз аимодействие, - получил свое подтверждение . 2.3. Структура и функции биосферы Атмосфера. Это воздушная оболочка, состоящая в основном из азо та и кислорода; достигает мощности до 20000 км. В меньших концентрациях она со держит углекислый газ и озон. Состояние атмосферы оказывает большое вли яние на физические, химические и особенно биологические процессы на зем ной поверхности и в водной среде. Наибольшее значение для биологических процессов имеют кислород атмосферы, используемый для дыхания организм ов и минерализации омертвевшего органического вещества, углекислый га з, расходуемый при фотосинтезе, а также озон, экранирующий земную поверх ность от жесткого ультрафиолетового излучения. Вне атмосферы существо вание живых организмов невозможно. Это видно на примере лишенной жизни Л уны, у которой нет атмосферы. Исторически развитие атмосферы связано с г еохимическими процессами, а также жизнедеятельностью организмов. Так, а зот, углекислый газ, пары воды образовались в процессе эволюции планеты благодаря (в значительной мере) вулканической активности, а кислород – в результате фотосинтеза. Гидросфера. Вода является важной составной частью всех компонентов биосферы и одним из необходимых факторов существования живых организмов. Основна я ее часть (95%) заключена в Мировом океане, который занимает примерно 70% пове рхности Земного шара. Общая масса океанических вод составляет свыше 1300 мл н. км 3 . Около 24 млн. км 3 воды содержится в ледниках, причем 90% этого объема приходится на ледяной покров Антарктиды. Столько же воды содержится под землей. Поверхностные воды озер составляют приблизительно 0,18 млн. км 3 (из них половина соленые), а рек – 0,002 млн. км 3 . Количество воды в телах живых организмов составляет примерно 0,001 млн. км 3 . Из газов, растворенных в воде, наибольшее зн ачение имеют кислород и углекислый газ. Количество кислорода в океаниче ских водах изменяется в широких пределах в зависимости от температуры и присутствия живых организмов. Концентрация углекислого газа также вар ьирует. А общее количество его в океане в 60 раз превышает его содержание в атмосфере. Литосфера. Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, сосредоточена в почве нном слое, глубина которого обычно не превышает нескольких метров. Почвы представлены минеральными веществами, образующимися при разрушении г орных пород, и органическими веществами – продуктами жизнедеятельнос ти организмов. Биотический круговорот. Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговоротов х имических элементов. Глобальный биотический круговорот осуществляетс я при участии всех населяющих планету организмов. Он заключается в цирку ляции веществ между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмам и. Благодаря биотическому круговороту возможно длительное существован ие и развитие жизни при ограниченном запасе доступных химических элеме нтов. Используя неорганические вещества, зеленые растения за счет энерг ии Солнца создают органическое вещество, которое другими живыми сущест вами – гетеротрофами – разрушается, с тем, чтобы продукты этого разруш ения могли быть использованы растениями для новых органических синтез ов. Важная роль в глобальном круговороте веществ принадлежит циркуляции в оды между океаном, атмосферой и верхними слоями литосферы. Вода испаряет ся и воздушными течениями переносится на многие километры. Выпадая на по верхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород , делая их доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с растворенными в ней химическими соедин ениями и взвешенными органическими частицами в океаны и моря. Подсчитан о, что с поверхности Земли за 1 мин испаряется около 1 млрд. т воды. Энергия, з атрачиваемая на испарение воды, возвращается в атмосферу. Циркуляция во ды между Мировым океаном и сушей представляет собой важнейшее звено в по ддержании жизни на Земле и основное условие взаимодействия растений и ж ивотных с неживой природой. В качестве примеров биотического круговорота рассмотрим круговороты у глерода и азота в биосфере. Круговорот углерода начинается с фиксации атмосферного диоксида углерода в процессе ф отосинтеза. Часть образовавшихся при фотосинтезе углеводов используют сами растения для получения энергии, часть потребляется животными. Угле кислый газ выделяется в процессе дыхания растений и животных. Мертвые ра стения и животные разлагаются, углерод их тканей окисляется и возвращае тся в атмосферу. Аналогичный процесс происходит и в океане. Круговорот азота также охватывает все обла сти биосферы. Хотя его запасы в атмосфере практически неисчерпаемы, высш ие растения могут использовать азот только после соединения его с водор одом или кислородом. Исключительно важную роль в этом процессе играют аз отфиксирующие бактерии. При распаде белков этих микроорганизмов азот с нова возвращается в атмосферу. Показателем масштаба биотического круговорота служат темпы оборота уг лекислого газа, кислорода и воды. Весь кислород атмосферы проходит через организмы примерно за 2 тыс. лет, углекислый газ – за 300 лет, а вода полность ю разлагается и восстанавливается в биотическом круговороте за 2 млн. ле т. 2.4. Границы биосферы Горизонтальных границ у биосферы нет, и речь следует вести только о ее вертикальной размерности. Верхняя граница распространения жизни в атмосфере определяется, по все й видимости, не столько низкими температурами, сколько губительным дейс твием солнечной радиации. Так, пыльца цветковых и голосеменных растений , споры грибов, мхов, папоротников и лишайников, бактерии и простейшие жив отные организмы постоянно или с сезонной ритмикой присутствуют в возду хе. Над сушей и акваторией в дожде, снеге, в облаках и туманах кроме пыльцы и спор обнаружены микроорганизмы. Вся воздушная среда представляет соб ой суспензию жизнеспособных пыльцы, спор и микроорганизмов, содержание которых уменьшается с высотой. Интенсивность радиации, создаваемой кос мическими лучами, на высоте 9 км в десятки раз больше, чем на уровне моря, а н а высотах 15-18 км возрастает уже в сотни раз. Высотное распространение микр оорганизмов ограничивается в основном потоком жесткой ультрафиолетов ой радиации Солнца, убивающей все живое. Можно утверждать, что вся тропосфера, высота которой 8-10 км в полярных широ тах и 16-18 км у экватора, в большей или меньшей степени заселена живыми орган измами, которые находятся в ней либо временно, либо постоянно. Уже в тропо паузе резко изменяются физические и температурные характеристики биос феры, в частности прекращается интенсивное турбулентное перемешивание воздушных масс. Стратосфера, находящаяся выше тропопаузы, вряд ли приго дна для существования микроорганизмов. Верхний предел биосферы, или пол я существования жизни, довольно ясно просматривается в тропопаузе. Одна ко верхний предел занесения спор и микроорганизмов, определяющий “поле устойчивости жизни” (живые организмы существуют, но не размножаются), во зможен до верхней границы стратосферы. Таким образом, область распространения живых организмов ограничена в о сновном тропосферой. Например, верхняя граница полета орлов находится н а высоте 7 км; растения в горных системах и насекомые в воздушной среде не распространены выше 6 км; верхняя граница постоянного обитания человека – 5 км, обрабатываемых земель – 4,5 км, леса в горных системах тропиков не р астут выше 4 км. Тропосфера представляет собой воздушную среду, в которой осуществляет ся только передвижение организмов, нередко при помощи своеобразно прис пособленных для этого органов. Настоящего аэропланктона, постоянно оби тающего и размножающего в воздушной среде, видимо, нет. В противном случа е тропосфера представляла бы собой “кисель”, максимально насыщенный ми кроорганизмами. Весь цикл своего развития, включая размножение, организ мы осуществляют только в литосфере и гидросфере, а также на границе возд ушной среды с этими оболочками. Верхние слои тропосферы и стратосферы, в которые возможно занесение мик роорганизмов, а также наиболее холодные и жаркие районы земного шара, гд е организмы могут существовать лишь в покоящемся состоянии, называются парабиосферой. В состав биосферы полностью включается гидросфера – озера, реки, моря и океаны. В морях и океанах наибольшая концентрация жизни приурочена к эвф отической зоне, куда проникает солнечный свет. Обычно ее глубина не прев ышает 200 м в морях и континентальных пресноводных бассейнах. Именно в фото биосфере, где возможен фотосинтез, сосредоточены все фотосинтезирующи е организмы и продуцируется первичная биологическая продукция. Афотическая зона (меланобиосфера), начинающаяся с глубины 200 м, характериз уется темнотой и отсутствием фотосинтезирующих растений. Она представ ляет собой водную среду обитания активно перемещающихся животных. Вмес те с тем через нее непрерывным потоком опускаются на дно морей и океанов отмершие растения, выделения и трупы животных. О нижнем, литосферном, пределе биосферы ясного представления пока нет. В большинстве работ, посвященных биосфере, указывается, что ее нижний пред ел на континентах составляет в среднем 2-3 км. Здесь в условиях низких, по ср авнению с более глубокими слоями, температуры и давления, но при участии живых организмов (микроорганизмов) и воды, прекращается миграция химиче ских элементов. Микробиологические исследования свидетельствуют о том , что микроорганизмы присутствуют также в пластовых водах, омывающих неф ть, хотя сама нефть стерильна. Под океанами литосферный предел биосферы, вероятно, распространяется н а 0,5-1,0 км и, возможно, на 3,0 км ниже дна. Однако существует более обоснованное п редположение, что заселенным микроорганизмами может оказаться только 200-250-метровый слой донных осадков. Достоверно установлено, что микрофлора обитает в донных осадках мощностью от 5 см (Черное море) до 10-12 м (Тихий и Инди йский океаны) и 114 м (Каспийское море). О более глубоком проникновении жизни в литосферу, несмотря на интенсивные буровые работы, достоверной информ ации нет. Точную массу и объем биосферы установить очень трудно, посколь ку неизвестно точное положение ее вертикальных границ. Можно говорить т олько о приближенных значениях этих характеристик. Масса всей биосферы ( атмосфера+гидросфера+литосфера в границах биосферы) составляет 3• 10 9 млрд. т, или 0,05% массы Земли, а объе м – 10 млрд. км 3 , или 0,4% объема Земли. Ниже литосферной границы биосферы лежит «область былых биосфер», под ко торой В.И.Вернадский понимал оболочку Земли, в геологическом прошлом под вергшуюся воздействию жизни. Ученый отмечал, что земная кора, мощностью в несколько десятков км, с осадочными породами и гранитной оболочкой ког да-то была на поверхности планеты и входила в состав биосферы. Каменный у голь, нефть, мрамор, доломит, известняк, мел, железная руда и другие горные породы осадочного происхождения – свидетели существования жизни в «б ылых биосферах». Некоторые ученые (В. А. Ковда, А. Н. Тюрюканов) в состав биосферы включают не только область жизни, но и другие структуры Земли, генетически связанные с другим веществом, т.е. «былые биосферы», в настоящее время лишенные жизн и. Такую многослойную оболочку Земли, сформировавшуюся в результате дея тельности живого вещества, предположено было назвать мегабиосферой (от греч. mega – большой). Мегабиосфера включает в себя (Лапо, 1987): а) апобиосферу – верхнюю часть атмосферы Земли выше уровня распростран ения форм жизни в состоянии анабиоза; б) парабиосферу; в) биосферу; г) метабиосферу, соответствующую «области былых биосфер» В. И. Вернадско го. В физической географии используется понятие, предложенное А.А.Григо рьевым в 1937 г., — «географическая оболочка», которым обозначается област ь взаимодействия лито-, гидро-, био- и атмосферы. Верхнюю границу оболочки обычно определяют несколько ниже слоя максимальной концентрации озона – в стратосфере на высоте 20-25 км. Иногда ее вертикальное простирание сужа ют или расширяют до мезопаузы на высоте 70-80 км. Нижняя граница географичес кой оболочки находится в подкорковом слое несколько ниже «поверхности Мохоровича». В научных работах, посвященных географической оболочке, биосфера долго рассматривалась как совокупность живых организмов, или органической м атерии. При таком подходе недостаточно полно учитывались особенности б иосферы как планетарного образования. В современном представлении гео графов понятие «биосфера» отражает лишь частный, биоцентрический взгл яд на географическую оболочку, которая представляет собой единственну ю на Земле геосистему планетарного уровня (Исаченко, 1991). 2.5. Живое вещество плане ты Одним из центральных звен ьев концепции биосферы является учение о живом веществе. Исследуя проце ссы миграции атомов в биосфере, В.И.Вернадский подошел к вопросу о генези се (происхождение, возникновение) химических элементов в земной коре, а п осле этого и к необходимости объяснить устойчивость соединений, из кото рых состоят организмы. Анализируя проблему миграции атомов, он пришел к выводу, что “нигде не существуют органические соединения, независимые о т живого вещества”. Позже он формулирует понятие “живого вещества”: “Жив ое вещество биосферы есть совокупность ее живых организмов… Я буду назы вать совокупность организмов, сведенных к их весу, химическому составу и энергии, живым веществом”. Главное предназначение живого вещества и его неотъемлемый атрибут – накопление свободной энергии в биосфере. Обычн ая геохимическая энергия живого вещества производится прежде всего пу тем размножения. Научные идеи В. И. Вернадск ого о живом веществе, о космичности жизни, о биосфере и переходе ее в новое качество – ноосферу своими корнями уходят в 19-начало 20 в., когда философы и естествоиспытатели предприняли первые попытки осмыслить роль и зада чи человека в общей эволюции Земли. Именно их усилиями человек начал сво е продвижение к вершинам естественной эволюции живого, постепенно зани мая экологическую нишу, отведенную ему природой. В 30-е годы В.И.Вернадский из общей массы живого вещества выделяет человече ство как его особую часть. Такое обособление человека от всего живого ст ало возможным по трем причинам. Во-первых, человечество является не прои зводителем, а потребителем биогеохимической энергии. Такой тезис требо вал пересмотра геохимических функций живого вещества в биосфере. Во-вто рых, масса человечества, исходя из данных демографии, не является постоя нным количеством живого вещества. И в-третьих, его геохимические функции характеризуются не массой, а производственной деятельностью. Характер усвоения человечеством биогеохимической энергии определяется разумо м человека. С одной стороны, человек – это кульминация бессознательной эволюции, “продукт” спонтанной деятельности природы, а с другой – зачин атель нового, разумно направленного этапа самой эволюции. Какие же характерные особенности присущи живому веществ у? Прежде всего, это огромная свободная энергия. В процессе э волюции видов биогенная миграция атомов, т.е. энергия живого вещества би осферы, увеличилась во много раз и продолжает расти, ибо живое вещество п ерерабатывает энергию солнечных излучений, атомную энергию радиоактив ного распада и космическую энергию рассеянных элементов, приходящих из нашей Галактики. Живому веществу присуща также высокая скорость протек ания химических реакций по сравнению с веществом неживым, где похожие пр оцессы идут в тысячи и миллионы раз медленнее. К примеру, некоторые гусен ицы в сутки могут переработать пищи в 200 раз больше, чем весят сами, а одна с иница за день съедает столько гусениц, сколько весит сама. Для живого вещества характерно то, что слагающие его химические соедине ния, главнейшими из которых являются белки, устойчивы только в живых орг анизмах. После завершения процесса жизнедеятельности исходные живые о рганические вещества разлагаются до химических составных частей. Живое вещество существует на планете в форме непрерывного чередования поколений, благодаря чему вновь образовавшееся генетически связано с ж ивым веществом прошлых эпох. Это главная структурная единица биосферы, о пределяющая все другие процессы поверхности земной коры. Для живого вещ ества характерно наличие эволюционного процесса. Генетическая информа ция любого организма зашифрована в каждой его клетке. В.И.Вернадский кла ссифицировал живое вещество на однородное и неоднородное. Первое в его представлении – это родовое, видовое вещество и т. п., а второе представлено закономерны ми смесями живых веществ. Это лес, болото, степь, т.е. биоценоз. Характеризо вать живое вещество ученый предлагал на основе таких количественных по казателей, как химический состав, средний вес организмов и средняя скоро сть заселения ими поверхности земного шара. В.И.Вернадский приводит ср едние цифры скорости «передачи жизни в биосфере». Время захвата данным в идом всей поверхности нашей планеты у разных организмов может быть выра жено следующими цифрами (сутки): Бактерия холеры 1,25 Инфузория 10,6 (максимум) Диатомовые 16,8 (максимум) Зеленый планктон 166-183 (среднее) Насекомые 366 Рыбы 2159 (максимум) Цветковые растения 4076 Птицы (куры) 5600-6100 Млекопитающие: крысы 2800 дикая свинья 37600 слон индийский 376000 Жизнь на нашей планете существует в неклеточной и клеточной формах. Неклеточная форма живого вещества представлена вирусами, которые л ишены раздражимости и собственного синтеза белка. Простейшие вирусы со стоят лишь из белковой оболочки и молекулы ДНК или РНК, составляющей сер дцевину вируса. Иногда вирусы выделяют в особое царство живой природы – Vira . Они могут размножаться только вну три определенных живых клеток. Вирусы повсеместно распространены в при роде и являются угрозой для всего живого. Поселяясь в клетках живых орга низмов, они вызывают их смерть. Описано около 500 вирусов, поражающих тепло кровных позвоночных, и около 300 вирусов, уничтожающих высшие растения. Бол ее половины болезней человека обязаны своим развитием мельчайшим виру сам (они в 100 раз меньше бактерий). Это полиомиелит, оспа, грипп, инфекционны й гепатит, желтая лихорадка и др. Клеточные формы жизни представлены прокариотами и эукариотами. К прокариотам относятся различные бактерии. Эукариоты – это все высшие ж ивотные и растения, а также одноклеточные и многоклеточные водоросли, гр ибы и простейшие. 2.6. Функции живого вещества Понятие «живое вещество», как уже говорилось выше, введено В.И.Вернадским. По сравнению с другими ве ществами биосферы (биогенным, косным, биокосным, радиоактивным, рассеянн ыми атомами и веществом космического происхождения) живое вещество игр ает наибольшую роль и выполняет ряд важнейших функций. В.И.Вернадский от мечал, что между косной, безжизненной частью биосферы, косными природным и телами и живыми организмами, ее населяющими, идет непрерывный обмен эн ергией и веществом. Живое вещество в биосфере выполняет две основные фун кции: энергетическую и средообразующую. Энергетическая функция . Чтобы биосфера могла существовать и развиваться, ей необходима энергия, собственных источников которой она не имеет. Она может потреблять энерг ию только от внешних источников. Таким главным источником для биосферы я вляется Солнце. Энергетический вклад других поставщиков (внутреннее те пло Земли, энергия приливов, излучение космоса) в функционирование биосф еры по сравнению с Солнцем ничтожно мал (около 0,5% от всей энергии, поступаю щей в биосферу). Солнечный свет для биосферы является рассеянной лучистой энергией эле ктромагнитной природы. Почти 99% этой энергии, поступившей в биосферу, погл ощается атмосферой, гидросферой и литосферой, а также участвует в вызван ных ею физических и химических процессах (движение воздуха и воды, вывет ривание и др.) и только около 1% накапливается на первичном звене ее поглощ ения и передается потребителям уже в концентрированном виде. Первичным звеном поглощения солнечной лучистой энергии являются растения, котор ые преобразуют ее в концентрированную энергию химических связей, или эн ергию пищи. Без этого процесса накопления и передачи энергии живым вещес твом невозможно было бы развитие жизни на Земле и образование современн ой биосферы. Каждый последующий этап развития жизни сопровождался все более интенс ивным поглощением биосферой солнечной энергии. Одновременно нарастала энергоемкость жизнедеятельности организмов в изменяющейся природной среде, и всегда накопление и передачу энергии осуществляло живое вещест во. Энергия определяется как общая количественная мера движения и взаимод ействия всех видов материи. Ее свойства описываются следующими законам и термодинамики. Первый – закон сохранения энергии – гласит, что энерг ия может переходить из одной формы в другую, но она не исчезает и не создае тся вновь. Второй – закон энтропии (от греч. entropia – поворот, превращение) – можно сформулировать следующим обр азом: энергия любой системы стремится к состоянию термодинамического р авновесия или максимальной энтропии. Если температура какого-либо тела или поверхности, допустим, валуна или участка суши, выше температуры воз духа, то данная система стремится к равновесию. Валун или участок суши бу дет отдавать тепло до тех пор, пока его температура не сравняется с темпе ратурой воздушной среды. Энергия любого живого организма также может бы ть рассеяна в тепловой форме. В конечном итоге достигается состояние тер модинамического равновесия, и дальнейшие энергетические процессы стан овятся невозможными. Чтобы не наступило состояние максимальной энтроп ии, организм или система должны постоянно извлекать энергию извне и стре миться к нарушению термодинамического равновесия. В противном случае п роисходит гибель организма, необратимая деградация системы. Жизнь сводится к непрерывной последовательности роста, самовоспроизве дения и синтеза сложных химических соединений. Без переноса энергии, соп ровождающего эти процессы, невозможно было бы ни существование самой жи зни, ни образование надорганизменных систем всех уровней организации. Е сли бы солнечная энергия на планете только рассеивалась, то жизнь на Зем ле была бы невозможной. Чтобы биосфера существовала, она должна получать и накапливать энергию извне. И эта работа выполняется организмами. Част ь энергии, запасенной организмами и не израсходованная в биосфере, с их о тмиранием «складируется» в виде торфа, углей, горючих сланцев и других п олезных ископаемых, используемых в теплоэнергетике. Человек, извлекая э ту «складированную» энергию и возвращая ее биосфере, активизирует в ней теплоэнергетические процессы, которые в конечном итоге приводят к парн иковому эффекту. Современная биосфера образовалась в результате длительной эволюции по д влиянием совокупности космических, геофизических и геохимических фа кторов. Первоначальным источником всех процессов, протекавших на Земле, было Солнце, но главную роль в становлении и последующем развитии биосфе ры сыграл фотосинтез. Биологическая основа генезиса биосферы связана с появлением организмов, способных использовать внешний источник энерги и, в данном случае энергию Солнца, для образования из простейших соедине ний органических веществ, необходимых для жизни. Под фотосинтезом понимается превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами при участи и энергии света и поглощающих свет пигментов (хлорофилл и др.) простейших соединений (воды, углекислого газа и минеральных элементов) в сложные ор ганические вещества, необходимые для жизнедеятельности всех организмо в. Процесс протекает следующим образом. Фотон солнечного света взаимодей ствует с молекулой хлорофилла, содержащегося в хлоропласте зеленого ли ста, в результате чего высвобождается электрон одного из ее атомов. Этот электрон, перемещаясь внутри хлоропласта, реагирует с молекулой АДФ, кот орая, получив достаточную дополнительную энергию, превращается в молек улу АТФ – вещества, являющегося энергоносителем. Возбужденная молекул а АТФ в живой клетке, содержащей воду и диоксид углерода, способствует об разованию молекул сахара и кислорода, а сама при этом утрачивает часть э нергии и превращается вновь в молекулу АДФ. В результате фотосинтеза растительность земного шара ежегодно усваива ет около 200 млрд. т углекислого газа и выделяет в атмосферу примерно 145 млрд. т свободного кислорода, при этом образуется более 100 млрд. т органического вещества. Если бы не жизнедеятельность растений, исключительно активны е молекулы кислорода вступили бы в различные химические реакции, и свобо дный кислород исчез бы из атмосферы примерно за 10 тыс. лет. К сожалению, вар варское сокращение человеком массивов зеленого покрова планеты являет реальную угрозу уничтожения современной биосферы. В процессе фотосинтеза одновременно с накоплением органического вещес тва и продуцированием кислорода растения поглощают часть солнечной эн ергии и удерживают ее в биосфере. На фотосинтез используется около 1% солн ечной энергии, падающей на Землю. Возможно, этот низкий показатель связа н с малой концентрацией углекислого газа в атмосфере и гидросфере. Ежего дно фотосинтезирующие организмы суши и океана связывают около 3·10 18 кДж солнечной энергии, что приме рно в 10 раз больше той энергии, которая используется человечеством. В отличие от зеленых растений некоторые группы бактерий синтезируют ор ганическое вещество за счет не солнечной энергии, а энергии, выделяющейс я в процессе реакций окисления серных и азотных соединений. Этот процесс именуется хемосинтезом. В накоплении органического вещества в биосфер е он, по сравнению с фотосинтезом, играет ничтожно малую роль. Синтезированные зелеными растениями и хемобактериями органические ве щества (сахара, белки и др.), последовательно переходя от одних организмов к другим в процессе их питания, переносят заключенную в них энергию. Раст ения поедают растительноядные животные, которые в свою очередь становя тся жертвами хищников и т. д. Этот последовательный и упорядоченный пото к энергии является следствием энергетической функции живого вещества в биосфере. Средообразующая функция . Биосфера, согласно учению В.И.Вернадского, есть целостное единство, планетарная система, все элементы которой взаимосвязаны и взаимодейст вуют. В этой системе центральную роль играет живое вещество, поскольку с ним генетически связаны и образованы из него все структурные части биос феры благодаря прошлой или настоящей деятельности живых организмов. Ок ружающая живое вещество физико-химическая среда изменена вследствие е го функционирования до такой степени, что биотические и абиотические пр оцессы оказались неразделимыми. В результате их взаимовлияния живые ор ганизмы преобразуют среду своего обитания или поддерживают ее в таком с остоянии, которое удовлетворяет условиям их существования. Выполняя ср едообразующие функции, живые организмы контролируют состояние окружаю щей среды. Средообразующая роль живого вещества в биосфере имеет, по В.И.Вернадском у, химическое проявление и выражается в соответствующих биогеохимичес ких функциях, которые свидетельствуют об участии живых организмов в хим ических процессах изменения вещественного состава биосферы. Живое вещ ество выполняет следующие биогеохимические функции: газовые, концентр ационные, окислительно-восстановительные, биохимические и биогеохимич еские, связанные с деятельностью человека (Вернадский, 1965). Газовые функции заключаются в участии живых организмов в миграции газо в и их превращениях. В зависимости от того, о каких газах идет речь, выделя ется несколько газовых функций. 1. Кислородно-диоксидуглерод ная – создание основной массы свободного кислорода на планете. Носител ем данной функции является каждый зеленый организм. Выделение кислород а идет только при солнечном свете, ночью этот фотохимический процесс сме няется выделением зелеными растениями углекислого газа. 2. Диоксидуглеродная, не зави симая от кислородной – образование биогенной угольной кислоты как сле дствие дыхания животных, грибов и бактерий. Значение функции возрастает в области подземной тропосферы, не имеющей кислорода. 3. Озонная и пероксидводородн ая – образование озона (и, возможно, пероксида водорода). Биогенный кисло род, переходя в озон, предохраняет жизнь от разрушительного действия рад иации Солнца. Выполнение этой функции вызвало образование защитного оз онового экрана. 4. Азотная – создание основн ой массы свободного азота тропосферы за счет выделения его азотовыделя ющими бактериями при разложении органического вещества. Реакция проис ходит в условиях как суши, так и океана. 5. Углеводородная – осуществ ление превращений многих биогенных газов, роль которых в биосфере огром на. К их числу относятся, например, природный газ, терпены, содержащиеся в эфирных маслах, скипидаре и обусловливающие аромат цветов, запах хвойны х. Вследствие выполнен ия живым веществом газовых биогеохимических функций в течение геологи ческого развития Земли сложились современный химический состав атмосф еры с уникально высоким содержанием кислорода и низким содержанием угл екислого газа, а также умеренные температурные условия. Следует отметить, что, в соот ветствии с гипотезой О.Г.Сорохтина, не весь кислород атмосферы имеет био генное происхождение, 30% его поступило в воздушный бассейн в результате д егазации недр. Концентрационные функции связаны с аккумуляцией живыми организмами из внешней среды химических элементов – водорода, углерода, азота, кисл орода, кальция, магния, натрия, калия, фосфора и многих других, включая тяж елые металлы. Отмирание живого вещества (естественная смерть или случай ная гибель), особенно массовое, приводит к аномально высокому содержанию большинства этих элементов в почве и литосфере вплоть до образования го рных пород однородного химического состава – торфа, углей, известняков , сапропелей, мела, железных руд осадочного происхождения и многих други х. Вследствие выполнения окислительно-восстановительных функций осуще ствляются химические превращения веществ, содержащих атомы с переменн ой валентностью. Окислительная функция выражается в окислении с участи ем бактерий и, возможно, грибов всех бедных кислородом соединений в почв е, коре выветривания и гидросфере. Например, так образуются болотные жел езные руды, бурые железистые конкреции, ожелезненные горизонты. Восстан овительная функция противоположна по своей сути окислительной. Благод аря ей в результате деятельности анаэробных бактерий в нижней трети про филя заболоченных почв, практически лишенного кислорода, образуются ок сидные формы железа. Биохимические функции связаны с жизнедеятельностью живых организмов – их питанием, дыханием, размножением, смертью и последующим разрушени ем тел. В результате происходит химическое превращение живого вещества сначала в биокосное, а затем, после умирания, в косное. Следует различать р азрушение тел организмов после их смерти, идущее повсеместно и вызываем ое микробами, грибами и некоторыми насекомыми, и разрушение, связанное с массовым захоронением растительных и животных остатков после их смерт и или гибели. В последнем случае совместное или последовательное выполн ение живым веществом концентрационных и биохимических функций приводи т к геохимическому преобразованию литосферы. Биогеохимические функции, связанные с деятельностью человека, обеспе чили большие изменения химических и биохимических процессов в биосфер е, способствуют становлению ее нового эволюционного состояния – ноосф еры. Уже сегодня локальное и планетарное загрязнение в результате разви тия теплоэнергетики, промышленности, транспорта и сельского хозяйства может привести к необратимым последствиям в биосфере, так как человек ин тенсивнее, чем другие организмы, изменяет физические условия среды. Кроме указанных, к функциям живого вещества в биосфере следует отнести также водную, которая связана с биогенным круговоротом воды, имеющим ва жное значение в круговороте воды на планете. Выполняя перечислен ные функции, живое вещество адаптируется к окружающей среде и приспосаб ливает ее к своим биологическим потребностям. При этом живое вещество и среда его обитания развиваются как единое целое, однако контроль над сос тоянием среды осуществляют живые организмы. 3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Изучение биосферы становит ся все более важной и актуальной задачей. Это вызвано непрерывно возраст ающим и усложняющимся воздействием человека на окружающую среду. Уже се йчас мы должны уметь ясно предвидеть все возможные последствия нашего в лияния на природу. Возможность и правильность такого прогноза зависят о т глубины наших познаний о строении и функционировании биосферы в целом и ее различных участков и компонентов. Особенно важно иметь представлен ие о роли живых организмов – основной движущей силы в биосфере. Судьба биосферы – проблема , касающаяся не только всех без исключения ученых, независимо от их специ альности, но практически каждого из нас. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: 1. Воронов А. Г. «Биогеография с ос новами экологии», издат. МГУ, 1987 2. Второв П. П., Дроздов Н. Н. «Расска зы о биосфере», М.: Просвещение, 1976 3. Дажо Р. «Основы экологии», пер. с фр. М.: Пр огресс, 1975 4. Камшилов М. М. «Эволюция биосферы», М.: На ука, 1974 5. Кашапов Р. Ш. «Живая оболочка Земли», М.: П росвещение, 1984 6. Лапо А. В. «Следы былых биосфер», М.: Знани е, 1979 7. Шкловский И.С. «Вселенная, жизнь, разум» , М.: Наука, 1987 8. Ярыгин В. Н. «Биология», М.: Высш. шк., 1997 9. Баландин Р.К. «Вернадский: жизнь, мысль, бессмертие», -М.: Знание, 1988г.