Чтобы определить функции биосферы, надо, прежде всего, определить, что в этом случае следует понимать под функциями и в каком качестве рассматривать биосферу. Такой подход может сразу показаться неприемлемым, но до сих пор нет единого понимания. Начиная с выдающихся ученых и основателей теории и до настоящего времени, однозначного определения функций именно биосферы нет. Существуют различные перечни функции биосферы. Это и обеспечения круговорота химических элементов, и абстрактные, например, энергетическая, о которой говорится, что она обеспечивается за счет аккумулирования зелеными растениями солнечной энергии и совсем не объясняет в чем же суть такой функции. Некоторые сводят их к роли только живых организмов. А может быть, все следует объединить?

Что такое функция? Это обязанность, или работа, или роль, или предназначение чего-либо или кого-либо.

Что такое биосфера? Упрощенно, это место, где обитают все живое на Земле и находятся остатки их жизнедеятельности. Кроме того, оно преобразовывается этими организмами. Из такого определения можно сделать вывод, что ее функции пассивные, потому как она – это, во-первых, только место или область пребывания.

И во-вторых, подвергается стороннему воздействию, под которым вынужденно изменяется. Если рассматривать биосферу с такой точки зрения, то называемые функциями энергетическую, газовую, концентрационную, деструктивную и средообразующую, функциями как раз назвать и нельзя. Они являются либо деятельностью организмов, либо последствиями этой деятельности.

Например, аккумулирование солнечной энергии зелеными растениями в процессе фотосинтеза является «работой» растений, а не энергетической функцией биосферы. Распределение энергии между другими организмами следует отнести к пищевой цепи, но не места их обитания. Также обстоит дело и с другими «функциями».

Процесс миграции и превращения газов, что обеспечивает газовый состав биосферы. Извлечение и накопление организмами биогенных веществ из окружающей среды. Деятельность редуцентов по разложению мертвой органики и вовлечение ее элементов в биотический кругооборот. Трансформация химических параметров окружающей среды, то есть формирование условий для благоприятного существования жизни во всех слоях – атмосфере, гидросфере и литосфере. Все это деятельность живых существ и ее последствия, в том числе преобразующие место их существования. Но никак ни функции самого места.

Складывается впечатления, что функции биосферы и деятельность живых организмов одно и то же. Но они лишь часть биосферы. Небольшая по массе и очень важная, так как единственная наделена энергией, необходимой для синтеза и миграции химических элементов.

Единственной функцией биосферы, как «места», может быть то, что она является хранилищем веществ, не вовлеченных в биогенный оборот.

Система и цель

Рассмотрение биосферы только как места жительства, является не только неполным, но и тупиковым. Она имеет свои функции, потому что является глобальной экосистемой. И в таком качестве объединяет функции всех ее частей, которые являются одновременно и ее. Самыми главными функциями являются самоорганизация и саморегулирование, которые обеспечивают ей состояние динамического равновесия. Состояние равновесия является основным условием существования системы, иначе, под воздействием внешних факторов, система разбалансируется и прекратит свое существование.

Биосфера, как система, возникла с рождением первых живых организмов. По некоторым данным от 3,5 до 3,7 млрд. лет назад. По теории В.И. Вернадского, первые живые существа имели довольно значительное видовое разнообразие. Хотя, существует также мнение, что первый простейший был одного вида. Утверждают также, что все направлено на достижение одной цели – обеспечение существования жизни. Человек развил эту мысль. Биосфера необходима для обеспечения максимально комфортного его существования на Земле. Этим оправдывается его активное и неограниченное вмешательство в нее. Тот же В.И. Вернадский дал этому процессу определение – ноосфера.

Главную роль в обеспечении существования жизни на планете Земля играют живые организмы. Как говорил один известный персонаж: «Спасение утопающих – дело рук самих утопающих».

В.И. Вернадский утверждал, что живое вещество является одновременно и функцией биосферы и могучей биохимической силой Земли. Он выделял их девять. В настоящее время ученые выделяют шесть и одну итоговую или их объединяющую.

Оно представлено в первую очередь растительным миром, который составляет 90% его массы. Основной энергетический источник – солнечная энергия. Она используется зелеными растениями в процессе фотосинтеза для получения свободного кислорода, который является источником дыхания для остальных. Питание, дыхание, создание и распад органических веществ – это составные части постоянного круговорота химических веществ и энергии в природе.

Миграция основных химических элементов, таких как кислород, углерод, водород, азот, кальций и так далее проходит через живое вещество с разной скоростью. Например, весь, существующий на планете, кислород оборачивается за 2000 лет, а углекислый газ – за 300. Живое вещество обладает огромной свободной энергией, которая обеспечивает высокую скорость протекания в ней химических реакций. Концентрируется эта энергия в белковых соединениях, которые могут быть только в живых организмах. Существование живого вещества обеспечивается размножением и непрерывной сменой поколений, а также способностью к адаптации и эволюционным изменениям. Следующее поколение не является копией предыдущего, а является его измененной и «улучшенной» моделью.

Человек и другие составляющие системы

Человек, без сомнения, является частью биосферы. Однако его роль несколько отличаются от роли других ее частей. Представляя себя на высшей ступени развития, человек считает, что вся она существует только для его комфортной жизни. Он вмешивается в существование других, влияет и изменяет окружающую среду, эксплуатирует природные ресурсы и загрязняет природу продуктами своей жизнедеятельности. Оценив последствия влияния человека на природу трудно утверждать, что он единственный носитель разума на Земле. Скорее наоборот.

К функциям человека относят биогеохимическую его деятельность. Это биогенная миграция атомов усиленная хозяйственной деятельностью человека. Деятельность человека существенно отличается от деятельности любого живого организма. Человек не производит энергию, а ее потребляет. Его воздействие на окружающую среду не определяется его биомассой, а зависит от производственной деятельности. Если бы он взаимодействовал с природой обычным для остальных живых организмов способом, то популяция людей на Земле не превышала 100 тысяч человек.

Учение В.И. Вернадского о ноосфере, ставило человека разумного в центр биосферы. Теперь она должна была меняться не только под воздействием живых организмов и внешних факторов, но в соответствии с желаниями и целями человека. Думается, что не такие формы и методы преобразования биосферы человеком представлял себе великий ученый.

Рассматривать значение и роль только человека и живых организмов в системе биосферы несколько неправильно и неполно. Нельзя оставить в стороне косное вещество как хранителя запасов химических элементов или соединения в состоянии радиоактивного распада. Недостаточно изучено влияние космических тел и приносимых ими на Землю инородных веществ.

Видео — Человек и биосфера

Все живые существа планеты Земля вступают в тесную связь друг с другом и с окружающей средой, образуя тем самым экосистемы. Эти сообщества взаимодействующих организмов не изолированы одно от другого. Они связаны между собой различными взаимоотношениями, прежде всего пищевыми. Совокупность экосистем образует единую планетарную экосистему, которая называется биосферой. В этой статье будет рассмотрено строение биосферы, ее состав и основные функции.

Наука

Данное понятие было впервые введено в науку Ж. Б. Ламарком в далеком 1803 году и означало совокупность всех живых организмов планеты Земля . В конце девятнадцатого века термин " биосфера" использовал Ж. Зюсе , который включил неживую материю осадочных пород в строение биосферы. Учение о биосфере появилось в 1926 году, когда В. И. Вернадский обобщил огромное количество научных сведений, так или иначе иллюстрирующих взаимосвязь между живым и неживым веществом. Ученый смог показать, что наша планета не только заселена живыми организмами, но и активно ими преобразуется. Кроме того, по мнению Вернадского, вмешательство людей в природные процессы настолько существенно, что возможно говорить о ноосфере - новой фазе развития биосферы. На сегодняшний день наука о биосфере объединяет в себя данные из разных областей знания. Среди них можно отметить биологию, химию, геологию, климатологию, океанологию, почвоведение и прочие.

Строение биосферы таково, что живые организмы могут самостоятельно поддерживать необходимый состав почвы, атмосферы и гидросферы. Они играют ключевую средообразующую роль. На основании этого ученые выдвинули гипотезу о том, что почва и воздух были созданы самими живыми организмами на протяжении сотен миллионов лет эволюции. Изучив сходство в строении геологических пород, залегающих глубже кембрийских, с более поздними породами, Вернадский предположил, что в виде простейших организмов жизнь на планете существовала едва ли не изначально. Позже геологи доказали ошибочность этой гипотезы.

Так как солнце является энергетической основой существования всего живого на Земле, биосферу можно рассматривать как оболочку, структура и состав которой формируются за счет совместной деятельности живых организмов и определяются притоком солнечной энергии. Теперь давайте познакомимся со строением биосферы Земли.

Живое и неживое

Рассматривая состав и строение биосферы, прежде всего стоит отметить, что она состоит из живого и неживого вещества (инертной материи). Основная масса живых организмов сосредотачивается в трех геологических оболочках Земли: атмосфере (воздушный слой), гидросфере (океаны, моря и так далее) и литосфере (верхний слой породы). Однако распределяются эти оболочки в самой большой экосистеме неравномерно. Так, гидросфера представлена в строении биосферы полностью, а литосфера и атмосфера - частично (верхний и нижний слои соответственно).

Неживой компонент биосферы состоит из:

1. Биогенного вещества, которое является продуктом жизнедеятельности живых организмов. К нему относятся: каменный уголь, нефть, торф, природные известняки, газ и прочее.
2. Биокосного вещества, представляющего собой совместный результат жизнедеятельности организмов и небиологических процессов. Сюда входят: почва, ил, вода водоемов и так далее.
3. Косного вещества, которое входит в но не является продуктом жизнедеятельности живых организмов. К этой группе относятся: вода соли металлов, атмосферный азот и прочее.

Границы биосферы

Такие понятия, как состав, строение и границы биосферы, тесно связаны друг с другом. Несмотря на то что бактерии и споры были обнаружены на высоте до 85 километров, считается, что верхний предел биосферы составляет 20- 25 км. На больших высотах концентрация живого вещества ничтожно мала из-за сильного воздействия солнечного излучения.

В гидросфере жизнь присутствует повсюду. И даже в Марианской впадине, глубина которой составляет 11 км, ученый из Франции Ж. Пикар наблюдал не только беспозвоночных, но и рыб. Под более чем 400-метровой толщей антарктического льда живут бактерии, водоросли, фораминиферы и ракообразные. Бактерии встречаются под километровым слоем ила и в подземных водах. Тем не менее наибольшая концентрация живых существ наблюдается на глубине до 3 км. Таким образом, границы и строение биосферы в разных частях планеты могут быть разными.

Атмосфера, литосфера и гидросфера

Атмосфера состоит главным образом из кислорода и азота. В небольших количествах в ней содержатся аргон, углекислый газ и озон. От состояния атмосферы зависит жизнь как сухопутных, так и водных существ. Кислород необходим для дыхания живых организмов и минерализации отмирающих органических веществ. Ну а углекислый газ используется растениями для фотосинтеза.

Литосфера имеет толщину от 50 до 200 км, тем не менее основное количество видов живых организмов сосредотачивается в ее верхнем слое толщиной несколько десятков сантиметров. Распространение жизни вглубь литосферы ограничено в силу ряда факторов, главными из которых являются: отсутствие света, высокая плотность среды и высокая температура. Таким образом, нижней границей распространения жизни в литосфере является глубина в 3 км, на которой были обнаружены некоторые виды бактерий. Справедливости ради стоит отметить, что они жили не в грунте, а в подземных водах и нефтеносных горизонтах. Ценность литосферы состоит в том, что она дает жизнь растениям, питая их всеми необходимыми веществами .

Гидросфера является важнейшим компонентом биосферы. Порядка 90 % запаса воды приходится на Мировой океан, который занимает 70 % поверхности планеты. Он содержит 1,3 млрд км 3 , а реки и озера - 0,2 млн км 3 воды. Важнейшим фактором жизнедеятельности организма является содержание в воде кислорода и углекислого газа.

Увлекательные цифры

И состав, и строение, и функции биосферы удивляют своими масштабами. С некоторыми интересными фактами мы с вами сейчас познакомимся. В воде содержится в 660 раз больше углекислого газа, чем в воздухе. На суше преобладает разнообразие растительного мира, а в море - животного. 92 процента всей биомассы на суше приходится на зеленые растения. В океане же 94 % составляют микроорганизмы и животные.

В среднем раз в восемь лет биомасса Земли обновляется. Растениям суши для этого нужно 14 лет, океана - 33 дня. На то, чтобы вся вода земного шара прошла через живые организмы, понадобится 3000 лет, кислород - до 5000 лет, а углекислый газ - 6 лет. У азота, углерода и фосфора эти циклы еще более длительные. Биологический круговорот не замкнут - порядка 10 % живого вещества переходит в осадочные отложения и захоронения.

На биосферу приходится всего 0,05 % от массы нашей планеты. Она занимает порядка 0,4 % от объема Земли. Масса живых существ составляет всего 0,01- 0,02 % от массы косного вещества, тем не менее они играют весьма значительную роль в геохимических процессах.

Ежегодно продуцируется 200 млрд тонн сухого веса органики, а в процессе фотосинтеза поглощается 170 млрд тонн углекислого газа. В процессе жизнедеятельности микроорганизмов в биогенный круговорот каждый год вовлекается 6 млрд тонн азота и 2 млрд тонн фосфора, а также огромное количество железа, магния, серы, кальция и прочих элементов. За это время человечество добывает порядка 100 млрд тонн полезных ископаемых.

В процессе своей жизнедеятельности организмы делают существенный вклад в круговорот веществ, стабилизируя и преображая биосферу, свойства и строение которой заставляют задуматься о наличии высших сил.

Энергетическая функция

Познакомившись со строением и составом биосферы, переходим к ее функциям. Начнем с энергетической. Как известно, растения поглощают солнечное излучение и насыщают биосферу жизненно необходимой энергией. Примерно 10 % улавливаемого света продуценты используют для своих нужд (в основном для клеточного дыхания). Все остальное через пищевые цепи распространяется по всем экосистемам биосферы. Часть энергии консервируется в недрах земли, насыщая их своей силой (уголь, нефть и т. д.).

Даже рассматривая функции и строение биосферы кратко, всегда выделяют окислительно-восстановительную функцию как подвид энергетической. Будучи продуцентами, могут извлекать энергию из реакций окисления и восстановления неорганических соединений. В процессе окисления сероводорода энергией питаются серобактерии, а железа (из 2-валентного в 3-валентное) - железобактерии. Нитрифицирующие также не сидят без дела. Они окисляют аммонийные соединения до нитратов и нитритов. Именно для этого фермеры удобряют свои поля соединениями аммония, которые сами по себе растениями не усваиваются. При удобрении грунта непосредственно нитратами запасающие ткани растений перенасыщаются водой, что приводит к ухудшению их вкусовых качеств и увеличению опасности возникновения заболеваний пищеварительной системы у тех, кто употребляет их в пищу.

Средообразующая функция

Живые организмы формируют почву, а также регулируют состав воздушной и Если бы на планете не существовало фотосинтеза, запас атмосферного кислорода был бы израсходован за 2000 лет. Кроме того, буквально через один век, из-за увеличения концентрации углекислого газа в воздухе, организмы начали бы гибнуть. За один день лесной массив может поглотить из 50-метрового слоя воздуха до 25 % двуокиси углерода. Дерево среднего размера способно обеспечить кислородом четырех человек. Один гектар лиственного леса, расположенный около города, ежегодно задерживает порядка 100 тонн пыли. Озеро Байкал, которое славится своей кристальной чистотой, является таковым благодаря меленьким рачкам, которые трижды за год «процеживают» его. И это лишь несколько примеров того, как живые организмы регулируют состав веществ в биосфере.

Концентрационная функция

Живые существа, и в особенности микроорганизмы, способны концентрировать множество химических элементов, находящихся в биосфере. Практически 90 % почвенного азота являются результатом деятельности синезеленых водорослей. Бактерии могут концентрировать железо (к примеру, окисляя гидрокарбонат, растворимый в воде, до гидроксида, оседающего в среде их обитания), марганец и даже серебро. Эта удивительная особенность позволила ученым полагать, что именно благодаря микроорганизмам на земле столько месторождений металлов.

В некоторых странах такие элементы, как германий и селен добывают из растений. может накапливать в 10 тысяч раз больше титана, чем содержится в окружающей ее морской воде. В каждой тонне бурых водорослей содержится несколько килограмм йода. Австралийский дуб накапливает алюминий, сосна - бериллий, береза - барий и стронций, лиственница - ниобий и марганец, а торий концентрируется в осине, черемухе и пихте. Кроме того, некоторые растения даже «собирают» драгоценные металлы. Так, в 1 тонне золы полыни может быть до 85 граммов золота!

Деструктивная функция

Химическое строение биосферы Земли и ее окружения предполагает не только созидательные, но и разрушающие процессы. Впрочем, они также играют большую роль в регуляции веществ на планете. При активной жизнедеятельности живых организмов происходит минерализация органических остатков и выветривание горных пород. Бактерии, грибы, синезеленые водоросли и лишайники могут разрушать твердые породы за счет выделения угольной, азотистой и серной кислот. Разъедающие соединения также выделяют корни деревьев. Есть такие бактерии, которые даже могут разрушить стекло и золото.

Транспортная функция

Рассматривая строение и функции биосферы, нельзя упустить из виду перенос масс вещества. Дерево поднимает воду из земли в атмосферу, крот выбрасывает землю наверх, рыба плывет против течения, стая саранчи мигрирует - все это является проявлением транспортной функции биосферы.

Живое вещество может проделывать грандиозную геологическую работу, формируя новый облик биосферы и активно участвуя во всех ее процессах.

Отдельно стоит отметить процесс формирования осадочных пород. Первой стадией этого процесса является выветривание - разрушение верхних слоев литосферы под действием воздуха, солнца, воды и микроорганизмов. Внедряясь в породу, корни растений могут разрушать ее . Вода, которая просачивается в трещины, образованные корнями, растворяет и уносит вещество. Это происходит благодаря разъедающим компонентам растения. Особенно обильно органические кислоты выделяют лишайники. Таким образом, физическое выветривание происходит вместе с химическим.

Благодаря отмиранию организмов планктона на дне мирового океана ежегодно отлагается до 100 млн тонн известняков. Многие из них имеют химическое происхождение, находясь, к примеру, в области контакта кислотных и щелочных подземных вод. При отмирании одноклеточных водорослей и радиолярий формируются кремнийсодержащие илы, которые покрывают сотни тысяч км 2 морского дна.

Почвообразующая функция

Свойства и строение биосферы настолько всеобъемлющи, что все ее функции тесно связаны между собой. Так, почвообразование является одним из ответвлений обмена масс и средообразования, но рассматривается отдельно в силу свое важности. При разрушении и дальнейшей переработки горных пород микроорганизмами образуется рыхлая плодотворная оболочка земли, именуемая почвой. Корни крупных растений извлекают минеральные элементы из глубоких горизонтов, обогащая ими верхние слои грунта и повышая их плодотворность. Почва получает органические соединения из мертвых корней и стеблей растений, а также экскрементов и трупов животных. Эти соединения являются пищей для почвенных организмов, которые минерализуют органику, продуцирую углекислый газ, органические кислоты и аммиак.

Беспозвоночные животные, насекомые, а также их личинки, играют важнейшую структурообразующую роль. Они делают почву рыхлой и пригодной для жизни растений. Позвоночные животные (кроты, землеройки и прочие) разрыхляют землю, способствуя благополучному произрастанию в ней кустарников. Ночью в землю проникает охлажденный сжатый воздух, который необходим для дыхания корней и микроорганизмов.

Такое вот удивительно строение у биосферы.

Введение

Биосфера (в современном понимании) - своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. Понятие «живое вещество» обозначает совокупность живых организмов биосферы. Область распространения включает нижнюю часть воздушной оболочки (атмосферы), всю водную оболочку (гидросферу), и верхнюю часть твёрдой оболочки (литосферы). Это понятие было введено В.И. Вернадским. Он отметил, что между косной, безжизненной частью биосферы, косными природными телами и живыми организмами, её населяющими идёт непрерывный обмен энергией. Живое вещество играет наиболее важную роль по сравнению с другими веществами биосферы, и выполняет рад важнейших функций.

Энергетическая функция

Энергетическая функция выполняется, прежде всего, растениями, которые в процессе фотосинтеза аккумулируют солнечную энергию в виде разнообразных органических соединений. Чтобы биосфера могла существовать и развиваться, ей необходима энергия. Собственных источников энергии она не имеет и может потреблять энергию только от внешних источников. Главным источником для биосферы является Солнце. По сравнению с Солнцем, энергетический вклад других поставщиков (внутреннее тепло Земли, энергия приливов, излучение космоса) в функционирование биосферы ничтожно мал (около 0,5% от всей энергии, поступающей в биосферу). Солнечный свет для биосферы является рассеянной лучистой энергией электромагнитной природы. Почти 99% этой энергии, поступившей в биосферу, поглощается атмосферой, гидросферой и литосферой, а также участвует в вызванных ею физических и химических процессах (движение воздуха и воды, выветривание и др.) Только около 1% накапливается на первичном звене ее поглощения и передается потребителям уже в концентрированном виде. По словам Вернадского, зеленые хлорофилльные организмы, зеленые растения, являются главным механизмом биосферы, который улавливает солнечный луч и создает фотосинтезом химические тела - своеобразные солнечные консервы, энергия которых в дальнейшем становится источником действенной химической энергии биосферы, а в значительной мере - всей земной коры. Без этого процесса накопления и передачи энергии живым веществом невозможно было бы развитие жизни на Земле и образование современной биосферы.

Каждый последующий этап развития жизни сопровождался все более интенсивным поглощением биосферой солнечной энергии. Одновременно нарастала энергоемкость жизнедеятельности организмов в изменяющейся природной среде, и всегда накопление и передачу энергии осуществляло живое вещество. Современная биосфера образовалась в результате длительной эволюции под влиянием совокупности космических, геофизических и геохимических факторов. Первоначальным источником всех процессов, протекавших на Земле, было Солнце, но главную роль в становлении и последующем развитии биосферы сыграл фотосинтез. Биологическая основа генезиса биосферы связана с появлением организмов, способных использовать внешний источник энергии, в данном случае энергию Солнца, для образования из простейших соединений органических веществ, необходимых для жизни.

Под фотосинтезом понимается превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами при участии энергии света и поглощающих свет пигментов (хлорофилл и др.) простейших соединений (воды, углекислого газа и минеральных элементов) в сложные органические вещества, необходимые для жизнедеятельности всех организмов. Процесс протекает следующим образом. Фотон солнечного света взаимодействует с молекулой хлорофилла, содержащегося в хлоропласте зеленого листа, в результате чего высвобождается электрон одного из ее атомов. Этот электрон, перемещаясь внутри хлоропласта, реагирует с молекулой АДФ, которая, получив достаточную дополнительную энергию, превращается в молекулу АТФ - вещества, являющегося энергоносителем. Возбужденная молекула АТФ в живой клетке, содержащей воду и диоксид углерода, способствует образованию молекул сахара и кислорода, а сама при этом утрачивает часть энергии и превращается вновь в молекулу АДФ.

В результате фотосинтеза растительность земного шара ежегодно усваивает около двухсот миллиардов тонн углекислого газа и выделяет в атмосферу примерно сто сорок пять миллиардов тонн свободного кислорода, при этом образуется более ста миллиардов тонн органического вещества. Если бы не жизнедеятельность растений, исключительно активные молекулы кислорода вступили бы в различные химические реакции, и свободный кислород исчез бы из атмосферы примерно за десять тысяч лет. К сожалению, варварское сокращение человеком массивов зеленого покрова планеты являет реальную угрозу уничтожения современной биосферы. В процессе фотосинтеза одновременно с накоплением органического вещества и продуцированием кислорода растения поглощают часть солнечной энергии и удерживают ее в биосфере. На фотосинтез используется около 1% солнечной энергии, падающей на Землю. Возможно, этот низкий показатель связан с малой концентрацией углекислого газа в атмосфере и гидросфере. Ежегодно фотосинтезирующие организмы суши и океана связывают около 3*1018 кДж солнечной энергии, что примерно в десять раз больше той энергии, которая используется человечеством.

В отличие от зеленых растений некоторые группы бактерий синтезируют органическое вещество за счет не солнечной энергии, а энергии, выделяющейся в процессе реакций окисления серных и азотных соединений. Этот процесс именуется хемосинтезом. В накоплении органического вещества в биосфере он, по сравнению с фотосинтезом, играет ничтожно малую роль. Внутри экосистемы энергия в виде пищи распределяется между животными. Синтезированные зелеными растениями и хемобактериями органические вещества (сахара, белки и др.), последовательно переходя от одних организмов к другим в процессе их питания, переносят заключенную в них энергию. Растения поедают растительноядные животные, которые в свою очередь становятся жертвами хищников и т. д. Этот последовательный и упорядоченный поток энергии является следствием энергетической функции живого вещества в биосфере.

Главная функция биосферы безусловно заключается в обеспечении круговоротов химических элементов. Все функции биосферы так или иначе предопределены деятельностью живого вещества в биосфере, которые в определенной степени условно можно свести к нескольким основополагающим функциям. В.И. Вернадским отмечал, что все без исключения геохимические фун­кции живого вещества в биосфере могут выполняться простейшими одноклеточными организмами. Однако одна форма жизни не может выполнять все геохимические функции. Именно поэтому, в ходе геологическо­го времени, происходила смена разных организмов, которые замещали друг друга в исполнении функции без изменения самой функции. Ученым было выделено девять биогеохимических функций биосферы:

Газовая (все газы атмосферы создаются и изменяются био­генным путем);

Кислородная (образование свободного кислорода);

Окислительная (окисление бедных кислородом соединений);

Кальциевая (выделение кальция в виде чистых солей);

Восстановительная (создание сульфидов металлов и серово­дорода);

Концентрационная (скопление элементов рассеянных в ок­ружающей среде);

Функция разрушения органических соединений (разложение с выделением воды, углекислого газа и азота);

Функция восстановительного разложения (образование серо­водорода, метана, водорода и т. п.);

Функция метаболизма и дыхания (поглощение кислорода и воды, выделение углекислого газа с миграцией органических элемен­тов).

Современная классификация несколько видоизменена - некоторые биогеохимические функции объединены, а часть переименована. Наиболее современной является классификация, предложенная А.В. Лапо, в которой выделены следующие функции: газовая; энергетическая; окислительно-восстановительная; концентрационная; деструктивная; транспортная; средообразующая; рассеивающая.

Газовая функция. Под газовой функцией понимается способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. В частности, включение углерода в процессы фотосинтеза, а затем в цепи питания обусловливало аккумуляцию его в биогенном веществе (органические остатки, известняки и т.п.) В результате этого шло постепенное уменьшение содержания углерода и его соединений, прежде всего двуокиси (СО 2) в атмосфере с десятков процентов до современных 0,03%. Это же относится к накоплению в атмосфере кислорода, синтезу озона и другим процессам.

С газовой функцией в настоящее время связывают два переломных периода (точки) в развитии биосферы. Первая из них относится ко времени, когда содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 1% от современного уровня (первая точка Пастера). Это обусловило появление первых аэробных организмов (способных жить только в среде, содержащей кислород). С этого времени восстановительные процессы в биосфере стали дополняться окислительными. Это произошло примерно 1,2 млрд. лет назад. Второй переломный период в содержании кислорода связывают со временем, когда концентрация его достигла примерно 10 % от современной (вторая точка Пастера). Это создало условия для синтеза озона и образования озонового экрана в верхних слоях атмосферы, что обусловило возможность освоения организмами суши (до этого функцию защиты организмов от губительных ультрафиолетовых лучей выполняла вода, под слоем которой возможна была жизнь).

В ходе эволюции регуляция газового состава осуществлялась как в результате жизнедеятельности организмов и при разложении их остатков, так и при процессах метаморфизации и вулканизма. Выделяемый диоксид углерода живыми организмами и образующийся в ходе различных превращений в неживой природе (например, сжигание топлива) в ходе фотосинтеза СО 2 связывается наземными и водными растениями, с образованием кислорода. Так, например, зеленая масса насаждений на площади 1 га способна производить до 70 т кислорода за вегетационный период. Вернадский считал, что большинство газов, выделяемых при метаморфизме горных пород и извержении вулканов, по своему происхождению биогенны, т.к. являются преобразованными продуктами жизнедеятельности организмов.

Энергетическая функция . Эта функция определяется свойствами светочувствительного вещества - хлорофилла зеленых растений, благодаря которому растения способны улавливать, ассимилировать, трансформировать и аккумулировать солнечную энергию, преобразуя ее в энергию химических связей молекул органических веществ. Органические вещества, созданные зелеными растениями, служат источником энергии для представителей иных царств живых существ.

С энергетической точки зрения образова­ние живого вещества - это процесс поглощения солнечной энергии, которая в потенциальной форме аккумулируется в свободном кисло­роде и органических соединениях. Фотосинтез является первичным источником всей биомассы планеты, в том числе органических ископаемых. Наземная и водная растительность планеты способна аккумулировать в течение 1 года 31021 Ккал. энергии Солнца (примерно в 100 раз больше, чем вырабатывается во всем мире). Минерализация органических со­единений как внутри живых организмов, так и во внешней среде со­провождается освобождением энергии, поглощенной при фотосинтезе. Энергия освобождается не только в тепловой, но и химической форме, носителями которой служат природные воды: обогащаясь СО 2 , Н 2 S и другими продуктами минерализации, воды становятся химически вы­сокоактивными, преобразуя компоненты неживой природы. Бла­годаря автотрофам солнечная энергия не просто отражается от по­верхности Земли, а глубоко проникает вглубь земной коры.

Окислительно-восстановительная функция . Функция связана с интенсификацией под влиянием живого вещества таких процессов как окисление (благодаря обогащению среды кислородом), так и восстановление элементовс переменной валентностью, таких как азот, сера, железо, марганец и др., и прежде всего в тех случаях, когда идет разложение органических веществ при дефиците кислорода. Восстановительные процессы обычно сопровождаются образованием и накоплением сероводорода, а также метана. Это, в частности, делает практически безжизненными глубинные слои болот, а также значительные придонные толщи воды (например, в Черном море).

Микроорганизмы-восстановители гетеротрофны и используют в качестве источника энергии готовые органические вещества. К ним относятся, например,

Денитрифицирующие бактерии, восстанавливающие из окисленных форм азот до элементарного состояния;

- сульфатредуцирующие бактерии, восстанавливающие из окисленных форм серу до сероводорода (H 2 S).

Микроорганизмы-окислителимогут быть какавтотрофами,так игетеротрофами. Это бактерии, окисляющие сероводород и серу, и нитрофицирующие микроорганизмы, железные и марганцевые бактерии, концентрирующие эти металлы в своих клетках.

Геологические результаты деятельности этих организмов проявляются в образовании осадочных месторождений серы, образовании залежей сульфидов металлов, возникновение железных и железомарганцевых руд.

Концентрационная функция . Концентрационная функция есть накопление определенных веществ в живых существах. Раковины моллюсков, панцири диатомовых водорослей, скелеты животных - все это примеры проявления концентрационной функции живого вещества.

Данная функция связана с избирательным поглоще­нием веществ из внешней среды. Это может быть концентрация в ион­ной форме из истинных растворов (так строят скелет морские беспо­звоночные) или из коллоидных растворов фильтрующими организма­ми. Организмы массами извлекают из ненасыщенных растворов угле­кислые соли кальция, магния и стронция, кремнезем, фосфаты, йод, фтор и др. Водоросли концентрируют элементы, содержащиеся в среде в концентрациях не менее 10 мг/л, более энергично действуют бакте­рии. Животные потребляют их из живого вещества автотрофов, кон­центрация многих элементов в них выше, чем в автотрофах. Некото­рые элементы сильно концентрируются в продуктах выделения жи­вотных (например, содержание урана в гуано побережья Перу в 10 тыс. раз выше, чем в морской воде). Некоторые элементы концентрируются очень немногими организмами, но в значительных количествах, например редкий элемент ванадий входит в состав крови примитивных хордовых - асцидий, их культивируют в Японии. В Новой Зеландии нашли кустарник, в золе листьев которого содержится до 1% никеля.

Для оценки степени концентрации элементов живыми организ­мами применяют коэффициент биологического поглощения. Если раз­делить содержание элементов в золе наземных растений на их процент в почве, то полученные коэффициенты составят для кальция, натрия, калия магния, стронция, цинка, бора, селена единицы и десятки, а для фосфора, серы, хлора, йода и брома десятки и сотни.

У морских орга­низмов отношение содержания металлов на сухой вес к их содержа­нию в морской воде измеряется десятками и сотнями тысяч (для тита­на железа, марганца, никеля и кобальта), а иногда и превышают мил­лион (хром). В целом говорят о биофильности элементов биосферы: отношения их среднего содержания в живом веществе к содержанию данного элемента в литосфере. Наибольшей биофильностью характе­ризуется углерод, менее биофильны азот и водород.

Концентрация химических элементов живым веществом может проявляться в виде морфологически оформленных минеральных обра­зований и в виде органоминеральных соединений. Минеральные обра­зования являются продуктами секреции специальных желез, мине­ральный скелет живых организмов может быть карбонатный, фосфат­ный, сульфатный, образованный гидратами, гидроокисями и силика­тами. Скелет животных может быть внутренним и наружным. Мине­ральная составляющая высших растений представлена фитолитами - продуктами выделения в виде кристаллов или округлых включений, состоящих из кремнезема или щавелевокислого кальция. Некоторые многоклеточные водоросли предпочитают подпорки из карбоната кальция. У некоторых животных скелет может быть построен из двух минералов, а иногда в их теле представлен и какой-нибудь третий ми­нерал. Например, у некоторых моллюсков раковины сложены из ара­гонита и кальцита, а жевательный аппарат инкрустирован кристаллами гетита - гидрата окиси железа.

Наибольшее количество минералов образуют многоклеточные животные: моллюски (20 минералов) и позвоночные (17). Большинст­во минеральных образований плохо растворимо в морской воде и по­сле отмирания организмов накапливается в осадках. Органоминераль­ные образования быстро разлагаются и вновь включаются в биологи­ческий круговорот.

Рассеивающая функция – функция живого вещества противоположная по результатам концентрационной функции. Она проявляется через трофическую (питательную) и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, гибели организмов при разного рода перемещениях в пространстве, смене покровов. Железо гемоглобина крови рассеивается, например, кровососущими насекомыми и т. п.

Деструктивная функция . Основной механизм этой функции связан с круговоротом веществ. Минерализация органических веществ, разложение отмершей органики до простых неорганических соединений определяет деструктивную функцию живого вещества. За счет жизнедеятельности огромного числа гетеротрофов, в основном грибов, животных и микроорганизмов, происходит гигантская в масштабах всей Земли, работа по разложению органических остатков. С учетом потребности в кислороде выделяют 2 основных типа процессов разложения: аэробное дыхание и анаэробное дыхание.

Аэробное дыхание – это процесс обратный "нормальному фотосинтезу". В этом процессе синтезированное органическое вещество {СН 2 O} n вновь разлагается с образованием СО 2 и H 2 О и с высвобождением энергии. Все высшие растения и животные и большинство микроорганизмов получают энергию для поддержания жизнедеятельности и построения клеток именно с помощью этого процесса.

Анаэробное (бескислородное) дыхание служит основой жизнедеятельности главным образом у сапрофагов (бактерии, дрожжи, плесневые грибы, простейшие), хотя, как звено метаболизма, оно может встречаться и в некоторых тканях высших животных. Хороший пример облигатных анаэробов - метановые бактерии, которые разлагают органические соединения, образуя метан путем восстановления, либо органического углерода, либо углерода карбонатов. К общеизвестным организмам, использующим брожение, относятся дрожжи, в изобилии встречаются в почве, где играют ключевую роль в разложении растительных остатков.

Многие группы бактерий (например, факультативные анаэробы) способны и к аэробному и к анаэробному дыханию. Однако конечные продукты этих двух процессов различны, и количество высвобождающейся энергии при анаэробном дыхании значительно меньше. Итак, при деструкции органической массы протекают два параллельных процесса разложение органических соединений:

В конечном счете до углекислого газа, аммиака и воды в аэробных условиях, а

В анаэробных условиях еще и до водорода и углеводородов, что представляет собой процесс минерализации. Продукты минерализации вновь используются автотрофами.

Процесс разложения органических веществ, характерен для всех частей биосферы, где есть живые организмы. Часть органического вещества, попадая в условия, неблагоприятные для деятельности деструкторов, захоранивается и консервируется в составе осадочных пород, именно эта некоторая несбалансированность процессов синтеза и разложения органических веществ в биосфере определила кислородный режим современной воздушной оболочки Земли.

Однако процесс разложения имеет место не только для органического вещества, разлагается также и неорганическое вещество. Например, "сверлящие"’ цианобактерии и некоторые водоросли селятся на карбонатных породах, возвращая в биологический круговорот каль­ций, магний, фосфор. Коралловые рифы разгрызаются некоторыми рыбами и морскими ежами, которые поглощают карбонаты кальция, а извергают известковый ил. Алюмосиликаты разлагаются при химиче­ском воздействии: цианобактерии, бактерии, грибы, лишайники воз­действуют на горные породы растворами угольной, азотной, серной кислот (с концентрацией до 10%). Корни елей на бедных почвах также выделяют сильные кислоты. Химически разлагаются в биосфере као­лин, апатит и многие другие минералы. Разлагая минералы, организмы избирательно поглощают из них макро- и микроэлементы. Так, слоновая трава в африканских сава­нах извлекает с 1 га за год 250 кг кремния и 80 кг щелочных и щелоч­ноземельных элементов, а растительность джунглей - даже 8 т крем­ния.

Транспортная функция . Транспортная функция связана с переносом вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. Часто такой перенос осуществляется на колоссальные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных. С транспортной функцией в значительной мере связана концентрационная роль сообществ организмов, например, в местах их скопления (птичьи базары и другие колониальные поселения). Пищевые взаимодействия живого вещества приводят к перемещению огромных масс химических элементов и веществ как против сил тяжести, так и в горизонтальном направлении, в то время как не­живое вещество в биосфере перемещается только под действием силы тяже­сти, исключительно сверху вниз. Живое вещество – единственный (помимо поверхностного натяжения) фактор, обусловливающий обратное перемещение вещества – снизу вверх (например, растения перемещают растворы из подземных органов в надземные), против уклона местности, из океана – на континент, реализующий, восходящую ветвь биохимических циклов. В горизонтальном перемещении веществ главную роль играют птицы, крылатые насекомые, а также стаи морских рыб, поднимающихся на нерест вверх по рекам. Перенос вещества при этом сопоставим с дей­ствием смерчей и ураганов.

В обобщающем виде роль живого вещества сформулирована законом биогенной миграции атомов (А.И. Перельман предложил назвать «законом Вернадского»): «Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция) или же она протекает в среде, геохимические особенности которой преимущественно обусловлены живым веществом как тем, которое в настоящее время населяет данную систему, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории» .

Средообразующая функция . Эта функция является в значительной мере результатом совместного действия других функций (интегративной). В конечном счете именно с ней связано преобразование живым веществом физико-химических параметров среды.

Эту функцию можно рассматривать как глобально - вся природная среда создана живыми организмами, они же и поддерживают в относительно стабильном состоянии ее параметры практически во всех геосферах, так и в более узком смысле. В более узком плане средообразующая функция живого вещества проявляется, например, в образовании почв или в том, что леса регулируют поверхностный сток, увеличивая при этом влажность воздуха и обогащая атмосферу кислородом. В. И. Вернадский, как отмечалось выше, почву называл биокосным телом, подчеркивая тем самым большую роль живых организмов в ее создании и существовании.

Локальная средообразующая деятельность живых организмов и особенно их сообществ проявляется также в трансформации ими метеорологических параметров среды. Известно, что в лесных сообществах микроклимат существенно отличается от открытых (полевых) пространств. Например, здесь меньше суточные и годовые колебания температур.

Наиболее очевидное проявление средообразующей функции- механическое воздействие, или второй род геологической деятельности живого. Многоклеточные животные, строя свои норы в грунте, сильно изменяют его свойства (при рыхле­нии червями объем воздуха увеличивается в 2,5 раза). Изменяют меха­нические свойства почвы и корни высших растений, скрепляют, пре­дохраняют от эрозии. Например лес способен удерживать почву на склоне 20-40°. Подобно дейст­вуют нитчатые цианобактерии, создающие подобие сети, которая за­щищает почву от эрозии (например в горных почвах Таджикистана содержится иногда более 100 м нитчатых цианобактерий в 1 г почвы - это уже не почва, а войлок).

К основным параметрам, характеризующим физико-химическое состояние среды, относится водородный показатель и окислительно-восстановительный потенциал. Биогенное вещество, образующееся после отмирания живого, попадая на дно водоемов, в болотные почвы, разлагается, и в условиях недостатка кислорода формируется резко восстановительная среда.

Основные газы атмосферы образуются биогенно: кислород и азот, кроме того, доказано, что 50% водорода возникает в результате деятельности живых организмов. Окись углерода также биогенна, в водах океана ее содержание в сотни раз превышает концентрацию, равновесную с атмосферой.

Через биогенное вещество меняется состав природных вод. Продукты разложения степных трав образуют растворы нейтральной и слабобощелочной реакции, полыни и опад саксаула - щелочной, а масса отмершей хвои, вереска, лишайников и сфагнума - кислой.

В донных осадках физико-химическая обстановка опре­деляется наличием органического вещества: восстановительная созда­ется при разложении органики сульфатвосстанавливающими бакте­риями с образованием сероводорода (при наличии сульфатов). Если не удаляется сероводород идет самоотравление системы (сероводородная зона Черного моря).

Наибольшее средообразующее влияние оказывают микроорга­низмы, они изменяют среду в соответствии с потребностями. В силь­нокислой среде выделяют нейтральные продукты, в щелочной - ки­слоты. По мнению некоторых ученых, эволюция микроорганизмов шла по пути развития способности изменять среду.

Недавно установлено, что живое вещество изменяет не только химические, но и физические параметры среды, ее термические, элек­трические и механические характеристики. Например, в Черном и Белом морях обнаружен "биоэлектрический эффект": фитопланктон создает электрическое поле с отрицательным зарядом, а скопление отмершего планктона - с положительным зарядом.

Наука получает все новые данные о средообразующей роли жи­вого, при этом растения воздействуют на газовый состав атмосферы и ионный состав океанической воды, а животные почти не влияют на атмосферу, но изменяют катионный состав морской воды.

В книге представлены разнообразные материалы, отражающие характер взаимосвязи между современным состоянием биосферы и экономической политикой. На основании обобщения данных, имеющихся в зарубежной и отечественной литературе, а также используя материалы собственных исследований, авторы показывают реальное положение дел в этой области. Это позволяет им присоединиться к предупреждениям специалистов о том, что возможности биотической регуляции окружающей нас среды близки к исчерпанию.

Книга предназначена для тех, кто серьезно обеспокоен проблемами в области экологии и экологической политики. Материалы книги могут быть использованы в качестве пособия для студентов биологических факультетов вузов, преподавателей биологии, экологии, а также для исследовательских проектов аспирантов и ученых, занимающихся биосферными явлениями.

В составе биосферы присутствуют вещества, которые различаются между собой по ряду признаков: природные вещества, живое вещество, биогенное вещество, косное вещество, биокосное вещество, органическое вещество, биологически активное вещество, антропогенное и вредное вещества .

Особую значимость для живых систем имеют следующие компоненты:

1) живое вещество;

2) биогенное вещество;

3) косное вещество;

4) биокосное вещество;

5) радиоактивное вещество;

6) рассеянные атомы;

7) вещество космического происхождения.

Здесь необходимо понимать, что «…биосфера – это понятие планетарное, широкое, намного превосходящее по объему поле исследования биолога, почвоведа и т. д., которое ограничивается «областью жизни». Вот почему при всей яркости термина «биосфера», при всей оригинальности и глубине общего учения о биосфере его нельзя полностью отождествлять ни с «областью жизни», ни с дисциплинами, ее изучающими» (Тюрюканов, 1990). Просто непостижимо, но факты свидетельствуют о том, что все атомы подавляющего числа элементов таблицы Менделеева прошли в своей истории через состояние живого вещества. Кроме этих величин, важной характеристикой биосферы являются: ее биомасса, видовое разнообразие растительного и животного мира, скорость продуцирования, т. е. способность видовых популяций создавать органическое вещество. По разным оценкам в наше время на Земле существует около 3,5 млн биологических видов, из них на долю растений приходится около 500 000 видов. Остальная часть биоразнообразия представлена животными и микроорганизмами, а среди первых больше всего видов насчитывает класс насекомых.

Какие же функции выполняет биосфера ?

1. Газовая функция . Она заключается в том, что метаболизм организмов, их дыхание и обмен с внешней средой охватывает обширную совокупность разнообразных газовых реакций, ведущих в конечном итоге к поглощению кислорода и выделению углекислого газа, парообразной воды и т. д. Подсчитано, что для полного оборота углекислого газа атмосферы через фотосинтез достаточно 300 лет, а кислорода – 2000–2500 лет, воды через испарение – около 1 млн лет. Ясно, что эта функция в настоящее время может быть изменена за счет интенсивной вырубки лесов и распахивания степей. Роль человека в изменении облика биосферы значительна, что подтверждают данные табл. 2.

Таблица 2

Размеры основных экосистем суши, полученные по данным спутниковых наблюдений (по Лосеву, 1985, с. 57)

2. Окислительно-восстановительная функция . Живое вещество определяет большой спектр химических превращений веществ, включающих атомы элементов с переменной валентностью, – соединений железа, марганца, микроэлементов и т. д. В качестве примера можно привести процесс круговорота азота.

Напомним, что включение азота в соединения, могущие использоваться организмами, называется фиксацией. Среди азотфиксаторов наибольшее практическое значение имеют микроорганизмы, живущие в симбиозе с растениями. Известно 200 видов растений, на корнях которых могут развиваться клубеньковые бактерии, усваивающие азот из воздуха. Бактерии Bact. Radicicola обитают на корнях бобовых культур – клевера, люцерны, гороха, сои, люпина. Выяснено, что количество азота, поступающего в растения от клубеньковых бактерий, составляет в некоторых случаях до 50–80 % от общего количества азота, усвоенного растениями. В гидросфере ежегодно фиксируется около 10 млн т азота.

Цепь реакций, с помощью которых организмы окисляют ион аммония до нитратного, или нитритного, или нитритный до нитратного состояния, называется нитрификацией. Эти процессы осуществляются с помощью бактерий Nitrosomonas, Nitrobacter. Первоначально окисляется аммиак до азотистой кислоты: NH 3 + + 3O > HNO 2 + 66 ккал/моль. Далее происходит реакция кисления нитритов до нитратов: KNO 2 + O > KNO 3 + 15, 5 ккал/моль.

Денитрификация имеет место, когда в анаэробных условиях микроорганизмы используют для окисления различных веществ кислород нитратов с высвобождением из них азота. Наибольшая роль в денитрификации принадлежит бактериям Pseudomonas. В пресных, загрязненных водах, эту роль выполняет кишечная палочка Escherichia coli. Известно, что «денитрификация почти не идет в аэробных условиях, т. к. в присутствии свободного кислорода организмам энергетически выгоднее использовать его в качестве акцептора электронов при окислении органических веществ, а не кислород, связанный в нитратах. Однако в гидросфере имеются обширные области с анаэробными условиями, благоприятствующие денитрификации, – они наблюдаются всюду, где органических веществ поступает больше, чем кислорода, необходимого для их биологического окисления. К таким областям относятся гипо-лимнион эвтрофных озер, болота и те места, где идет великий приток органики» (Константинов, 1979, с. 336–337).

Аммонификация – это разложение органического вещества до аммиачных соединений азота. Этот процесс происходит, например, в почве под действием аммонифицирующих бактерий по схеме: Белки, гуминовые вещества > Аминокислоты > Амиды > Аммиак.

Аммонификация осуществляется аэробными и анаэробными бактериями. При аммонификации получаются органические кислоты, спирты, оксид углерода и аммиак. Затем эти вещества превращаются в воду, водород, метан. Аммиак частично вступает в реакцию с органическими и минеральными кислотами (угольной, азотной, уксусной и др.).

3. Концентрационная функция . Проявляется в способности живых организмов аккумулировать разные химические элементы, в том числе микроэлементы, из внешней среды (почва, вода, атмосфера). Обычно наибольшая доля в составе живого вещества приходится на кислород (65–70 %) и водород (10 %). Остальные 2025 % представлены разнообразными элементами общим числом более 70. Существуют организмы, обладающие способностью преимущественного накопления отдельных химических элементов в бпольшем количестве по сравнению с составом земной коры и литосферы. Кроме этого в составе животных организмов обнаруживается гораздо более высокое, чем в растениях, содержание Na, Ca, P, N, S, F, Cl, Zn. Следовательно, геохимическая роль растительного и животного мира имеет свой специфический характер. Имеются химические элементы – биофилы, без которых невозможна жизнедеятельность организмов. Это C, H, O, N, P, S, Cl, J, B, Cs, Mg, K, Na, V, Mn, Fe, Cu, Zn, Mo, Co, Se.

4. Деструкционная функция . Борьба за пищу как источник энергии и питательных веществ не ограничивается признаком живого.

5. Выделительная и деструктивная – не менее важные функции живых организмов. Можно сформулировать закон, согласно которому ни один организм не может существовать в среде своих выделений (метаболитов) и трупов предков. Если бы не процессы разложения органических веществ до минеральных, то организмы погибли бы от отравления своими выделениями и от «трупных ядов» своих предков. Именно благодаря огромному биоразнообразию живого вещества эта функция сбалансирована, а там где внедряются монокультуры (агроценозы) эта часть пространства характеризуется крайней неустойчивостью. В силу этого природа отвергает монокультуру. Вот почему сохранение биогеоценозов в первозданном виде является жизненнонеобходимой задачей человека, который, вторгаясь в сообщества (промысел, охота, вырубка леса и т. д.), сдвигает их равновесие не в лучшую сторону. Ясно, что среда освобождается от метаболитов за счет действия других факторов – температур, химических агентов. Часть вымывается из почвы и речным стоком уносится в океан. Однако роль живого вещества в этом процессе первостепенна. Можно полагать, что агрессивное воздействие алкоголя на организм животных и человека объясняется тем, что на заре становления живого единственными элементами выделения микроорганизмов, существующих в анаэробных процессах, был спирт (эффект брожения). Поэтому данные отходы жизнедеятельности первичных организмов не могли в процессе эволюции стать еще одним (необходимым) источником энергии для нашего организма. Следовательно, он (алкоголь) для живых систем является ядом. Кроме вышеупомянутых функций живого вещества следует охарактеризовать еще одну – это скорость его растекания по планете. Что имеется в виду?

Живое вещество характеризуется не только биомассой, видовым разнообразием, но и геохимической энергией, т. е. способностью перемещать химические элементы в биосфере. Возможность оценить эту роль количественно предложил В. И. Вернадский. Он предложил за единицу геохимической энергии считать скорость передачи жизни, определяемую темпами размножения. Итак, скорость растекания жизни (V) можно вычислить по формуле:

V = (13963,3 ?)/ lgN max ,

где? – показатель прогрессии размножения вида, – стационарное число особей вида или другой систематической единицы, при заполнении им земной поверхности (5,1 108 км 2), 13963,3 – величина, полученная при делении стационарного числа на 365.

Кроме этого, необходимо учитывать предельно наибольшее расстояние, по которому может распространяться жизнь, равное земному экватору (40 075 721 м). Следует иметь в виду следующий факт: геохимическая энергия жизни зависит от скорости размножения организмов – не как автономного биологического процесса, а в соответствии со свойствами биосферы – явления планетарного.

Например, потомство одной бактерии способно захватить поверхность всей планеты всего за 1,47 суток, «растекаясь» со скоростью 33,1 м/с. Для индийского слона эта скорость составит 0,09 см/с. Чтобы воспроизвести массу бактерий равной массе земной коры при беспрепятственном размножении бактериям нужно всего 1,6 суток, зеленым водорослям – 24,5 суток, слонам – 1300 лет (Чернова и др., 1997, с. 8–9).

Живое вещество суши представлено биомассами растений, животных, бактерий и грибов. В составе зообиомассы основная доля (90–99,5 %) приходится на беспозвоночных, и может достигать 105 кг/км 2 . Особенно велики биомассы беспозвоночных в черноземных, луговых почвах. Если сравнивать фитомассы древесных и луговых сообществ, то по общей величине доминируют древесные, но по биологической активности, наибольшей продуктивности в течение года наибольший эффект в образовании гумуса и почвенного плодородия принадлежит не многолетним формациям древесной растительности, а формациям травянистой растительности. Именно травянистые сообщества, с их быстро текущими жизненными циклами и мощной корневой системой, обеспечивают образование в почвах высокого содержания перегноя и формирование почв высокого плодородия, таких как черноземные, луговые и пойменные. Механизм данного явления можно объяснить тем, что в биоте сформирована (эволюционным путем) важная закономерность.

Так, например, чем крупнее размеры организмов, тем меньше число их видов, тем меньше численность их индивидуумов и тем дольше продолжительность их жизни. И наоборот, с уменьшением размеров организмов крайне возрастает численность их видов и число индивидуумов, но весьма сокращается продолжительность жизни отдельных особей.

Действительно, достаточно сравнить среди гидробионотов показатели динамики численности калуги, белуги или анчоуса, хамсы, а среди наземных популяций животных – тигров и мышевидных грызунов и т. д., чтобы убедиться в справедливости этого правила.

Биосфере присущи многие функции, но энергетическая является одной из центральных. Трудно себе представить облик и состав биоты без этих посредников между Солнцем и другими представителями органического мира. Именно растениям принадлежит главная роль в «переизлучении» солнечной энергии до конечных потребителей – гетеротрофных животных. Однако эволюция, а точнее, законы движения материи (термодинамические закономерности) «распорядились» так, что на каждом трофическом уровне (правило десяти процентов) существуют неизбежные потери некоторой ее части.

В чем причина такого явления?

Попробуем ответить на этот вопрос в следующей главе.

<<< Назад

Вперед >>>