Состав, строение и границы биосферы
Возникшая 3,5-4,0 млрд. лет назад, современная биосфера включает живые организмы (около 3 млн видов), их остатки, зоны атмосферы, гидросферы и литосферы, населенные и видоизмененные этими организмами.
Всю совокупность организмов на планете В.И. Вернадский назвал живым веществом,рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию. В состав биосферы, кроме живого вещества (растительного, животного и микроорганизмов), 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 - совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых, как считается, живые организмы не участвуют (горные породы магматического, неорганического происхождения, вода, космическая пыль, метеориты).
Следовательно, биосфера - это та область Земли, которая охвачена влиянием живого вещества. С современных позиций биосферу рассматривают как наиболее крупную, глобальную экосистему, поддерживающую планетарный круговорот веществ.
Современная жизнь распространена в верхней части земной коры (литосфере), в нижних слоях воздушной оболочки Земли (атмосфере) и в водной оболочке Земли (гидросфере).
В глубь Земли живые организмы проникают на небольшое расстояние. В литосфере жизнь ограничивает прежде всего температура 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 нефтяных месторождениях на глубине 2-2,5 км бактерии регистрируются в значительном количестве.
В океане жизнь распространена до более значительных глубин и встречается даже на дне океанических впадин в 10-11 км от поверхности.
Верхняя граница жизни в атмосфере определяется уровнем УФ-радиации. На высоте 25-30 км большую часть ультрафиолетового излучения Солнца поглощает находящийся здесь относительно тонкий слой озона - озоновый экран. 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 наземной жизни около 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 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. атм. Споры бактерий, конидий и мицелий некоторых грибов не теряют жизнеспособности в условиях высокого вакуума, достигающего 10-13 - 10-11 мм рт. ст. (вакуум космического пространства составляет 10-16мм рт.ст.). Бактерии обнаружены в водах атомных реакторов, некоторые из них выдерживают облучение порядка 2-3 млн. рад. При температурах жидкого воздуха (-192 °С), гелия (-268,9 °С), водорода (-259,1°С) ряд бактерий остаются живыми.
На основании приведенных данных можно сделать важный вывод: выносливость жизни в целом к отдельным факторам среды шире диапазонов тех условий, которые существуютв границах современной биосферы.Следовательно, жизнь обладает значительным «запасом прочности», устойчивости к воздействию среды и потенциальной способностью к еще большему распространению.
Живое вещество биосферы
Химический состав живых организмов во многом отличается от состава атмосферы и литосферы. Он ближе к химическому составу гидросферы по абсолютному преобладанию атомов водорода и кислорода. Но в отличие от гидросферы, в организмах относительно велика доля углерода, кальция и азота.
Живое вещество, в основном, состоит из элементов, являющихся водными и воздушными мигрантами, т.е. образующих газообразные и растворимые соединения. 99,9% массы живых организмов приходится на те элементы, которые преобладают и в земной коре, составляя вних 98,8%, хотя и в других соотношениях (табл.6.1). Таким образом, жизнь есть химическое производное земной коры. Ворганизмах обнаружены почти все элементы таблицы Д.И.Менделеева, т.е. они характеризуются теми же химическим особенностями, что и неживая природа.
Таблица 6.1
Средний химический состав живого вещества
| Постоянные компоненты | Главные ~ 99% | Н-11,0% С-18% О-70% |
| Сопутствующие ~1% | Na, Mg, Р, S, С1, К, Са, N, | |
| Следовые < 0,05 | В, F, Si, Mo, Y, Mn, Fe, Co, Cu, Zn | |
| Переменные компоненты | Сопутствующие (побочные) | Al, Ti, V, Cr, Ni, As, Br, Rb, Sr |
| Следовые | He, Li, Be, Ar, Se, Ga, Ge, Sc, Y, Nb, Ag, Cd, Sn, Sb, Ba, La, W, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Ra, Th, V |
Элементы, содержащиеся в организмах, группируются не только по количественному принципу, но и по функциональному (физиологическому) критерию. В зависимости от количественного содержания и функциональной значимости элементарный набор организмов делят на три группы: макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.
Макроэлементы составляют основную массу органических и неорганических соединений живых организмов. Они требуются организмам 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 - преимущественно ионы тяжелых металлов являются 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.
В зависимости от валентного состояния и структуры электронных уровней, роль каждого микроэлемента строго специфична, и поэтому 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.
Главной отличительной особенностью живого вещества в целом является способ использования энергии.Живые существа - уникальные природные объекты, могущие улавливать энергию, которая приходит из Космоса преимущественно в виде солнечного света, удерживать ее в виде сложных органических соединений (биомассы), передавать друг другу, трансформировать в механическую, электрическую, тепловую и другие виды энергии. Косные (неживые) тела не способны к столь сложным преобразованиям энергии, они преимущественно рассеивают ее: камень нагревается под действием солнечной энергии, но не может ни сойти с места, ни увеличить свою массу.
Другая особенность живых организмов состоит в их уникальной способности к самовоспроизведению, т.е. к производству на протяжении многих поколений форм, практически идентичных поструктуре и функционированию.
Живое вещество нашей планеты существует в виде огромного множества организмов разнообразных форм и размеров, со своими индивидуальными признаками.
В 1940 г. В.И. Вернадский открыл фундаментальные законы (принципы) геохимической деятельности живых организмов в биосфере (биогеохимические принципы):
1. Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению.
Это означает, что жизнь стремится заполнить в максимальном объеме любое пригодное для нее пространство. В процессе эволюции биосферы живое вещество, по мере захвата жизнью все новых зон обитания, усиливает свое преобразующее давление на окружающую неживую природу и на самое себя (например, на абиогенные химические элементы).
2. Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов биосферы.
Данный принцип весьма важен не только для понимания истории жизни, но и для решения современных задач выведения культурных растений, поскольку «увеличение биогенной миграции атомов» есть не что иное, как увеличение продуктивности растений и животных.
3. В течение всей истории планеты ее заселение было максимально возможным для живого вещества, которое тогда существовало.
4. Количество живого вещества биосферы (для данного геологического периода) есть константа.
Живое вещество, достигшее качественно новой, высшей формы развития - формы человеческого общества, получило возможность существования на всем пространстве земной поверхности. Однако 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 эволюционно относительно более низком уровне (и крупные организмы заменяются более мелкими), а полезные для человека формы — менее полезными, нейтральными и подчас даже вредными.
Итак, живое характеризуется исключительно высокой функциональной активностью.Она связана с его способностью к неограниченному развитию и количественному росту, названному В. И. Вернадским «напором жизни».
Различают пять основных функций живого вещества в масштабах планеты Земля: энергетическую, газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную и деструкционную.
Энергетическая функциясостоит в осуществлении связи биосферно-планетарных явлений с излучением Космоса и прежде всего с солнечной радиацией. Основой указанной функции является фотосинтез, в процессе которого происходит аккумуляция энергии Солнца иее последующее перераспределение между компонентами биосферы. Накопленная солнечная энергия обеспечивает протекание всех жизненных процессов. За время существования жизни на Земле живое вещество превратило вхимическую энергию огромное количество солнечной энергии. При этом существенная часть ее в ходе геологической истории накопилась в связанном виде (залежи угля, нефти и других органических веществ).
Благодаря газовой функциипроисходит миграция газов и их превращение, формируется газовый состав биосферы. Преобладающая масса газов на планете имеет биогенное происхождение. Так, кислород атмосферы накоплен за счет фотосинтеза. При этом количество молекул кислорода, выделяемых земными растениями, пропорционально количеству связываемых водой молекул диоксида углерода. Последний поступает в атмосферу за счет дыхания всех организмов. Другой, не менее мощный его источник — выделение по трещинам земной коры из осадочных пород за счет химических процессов под действием высоких температур.
Концентрационная функция проявляется в извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов из окружающей среды, которые используются для построения тела. Концентрация этих элементов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде.
Окислительно-восстановительная функциязаключается в химическом превращении веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисления (это в основном соединения железа, марганца и др.). В результате происходят превращения большинства химических соединений, при этом преобладают биогенные процессы окисления и восстановления.
Благодаря деструкционной функциипротекают процессы, связанные с разложением остатков мертвых организмов. При этом происходит минерализация органического вещества, т.е. превращение живого вещества в косное.
Таким образом, живое вещество трансформирует солнечную энергию и вовлекает неорганическую материю в непрерывный круговорот. Живое вещество определило современный состав атмосферы, гидросферы, почв и, в значительной степени, осадочных пород Земли. В. И. Вернадский писал: «Прекращение жизни было бы неизбежно связанно с прекращением химических изменений если не всей земной коры, то во всяком случае ее поверхности — лика Земли, биосферы».