Биосфера — оболочка Земли, заселённая живыми организмами и преобразованная ими. Она проникает во всю гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы, то есть населяет экосферу. Биосфера

Вопрос 1

Биосфера — оболочка Земли, заселённая живыми организмами и преобразованная ими. Она проникает во всю гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы, то есть населяет экосферу. Биосфера представляет собой совокупность всех живых организмов. Человек тоже является частью биосферы, его деятельность превосходит многие природные процессы и, как сказал В. И. Вернадский: «Человек становится могучей геологической силой».

Целостное учение о биосфере создал биогеохимик и философ В. И. Вернадский. Он впервые отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая их деятельность не только в настоящее время, но и в прошлом.

Верхняя граница в атмосфере: 15—20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое ультрафиолетовое излучение, губительное для живых организмов.

Нижняя граница в литосфере: 3,5—7,5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами.

Граница между атмосферой и литосферой в гидросфере: 10—11 км. Определяется дном Мирового Океана, включая донные отложения.

Вопрос 2

Геосферы - слои, охватывающие всю планету, меняющиеся с глубиной, в вертикальном разрезе, и отличающиеся друг от друга характерными для каждой, только ей свойственными физическими, химическими и биологическими свойствами. Основными геосферами являются атмосфера, состоящая из протоносферы, ионосферы, мезосферы, стратосферы, тропосферы, гидросфера, литосфера, мантия и ядро (внутреннее и внешнее). По признаку наличия какого-либо особого свойства выделяются также функциональные геосферы: стратисфера (область распространения осадочных пород), педосфера (почвенный покров), социосфера (совокупность общественных систем), биосфера (область распространения живых организмов) и др.
Круговорот веществ – основное свойство геосфер различных уровней, отражение единства вещества на планете. Он создает основной механизм превращения на Земле вещества (солей, газов, взвесей и т.д.) и энергии (теплоты) и объединяет разные слои (оболочки) планеты. Например, вулканические извержения поставляют СО2 в атмосферу и гидросферу, а фотосинтез и карбонатообразование изымают СО2, связывая углерод в карбонатах и органических соединениях. Таким образом, происходит обратная связь между глубокими частями земной коры (а возможно, и верхней мантии) и биосферой, названная А.И. Перельманом «геохимическим циклом (круговоротом)», в котором участвует земная кора (биосфера, стратисфера, метаморфическая и гранитная оболочки) и который включает в себя тектономагматические и биосферные циклы.

Вопрос 3

Закономерности работы биосферы. Биосфера вечный двигатель.

Закономерности эволюции биосферы обусловлены тремя категориями факторов: своеобразием отношения биосферы к среде, взаимодействием живого и неживого в пределах биосферы, особенностями взаимных отношений между организмами.

Среда биосферы, включая космические, геологические о геохимические факторы, определяет саму возможность существования жизни. При ее существенных изменениях биосфера вынуждена к ним приспосабливаться, реагируя вымиранием групп организмов, не способных к приспособлению, и усилением развитием более выносливых. Сохраняются, как правило, одноклеточные и сравнительно мало специализированные многоклеточные. Происходит то, что известный американский палеонтолог Э.Кон назвал в конце прошлого века переживанием неспециализированного. Таким образом, во время критических изменений в среде биосферы живое бывает вынуждено как бы отступать в ходе прогрессивной эвлюции. В качестве одного из примеров подобных отступлений можно указать на вымирание высокоспециализированных рептилий в меловом периоде, уступившим место сравнительно примитивным видам млекопитающим.

Взаимодействие живого и неживого в пределах биосферы включает контуры обратных связей и потому, по мере развития жизни, биосфера начинает выступать в качестве саморегулирующей системы. Способность к саморегуляции обеспечивает относительную устойчивость обязана точному воспроизведению всех элементов биосферы на всех ее уровнях, Точность воспроизведения в свою очередь зависит от особенностей воспроизведения живого.

Живая составляющая биосферы подчиняется биологическим факторам, среди которых особое значение имеет наследственность, изменчивость, особенности формирования фенотипа, борьба за существование и естественный отбор.

Вопрос 4

Жизнь это космос, космос это жизнь

Вернадский попытался примирить два основных противоборствующих мнения относительно проблемы возникновения жизни на Земле. Уже к концу позапрошлого столетия эти мнения сформировались достаточно чётко. Согласно позиции сторонников теории абиогенного синтеза жизнь на Земле появилась вследствие пока не установленного наукой, не имевшего место превращения неживой материи в живую материю. То есть путём определённых химических процессов в определённых сложившихся условиях неорганические вещества смогли преобразоваться в органические, а уже из них сформировались первые живые организмы.

Прямо противоположна им позиция сторонников теории биогенного синтеза – живая материя не может образоваться из неживой материи, следовательно, все известные науке виды живых организмов произошли от первичных живых организмов. Вернадский придерживался мнения о так называемой геологической вечности жизни на Земле – то есть жизнь существовала на всём протяжении стабильного существования нашей планеты. Первоначально он поддерживал концепцию абиогенного синтеза, но впоследствии, признавая факт отсутствия реальных доказательства этой версии, заявил, что разделение абиогенного и биогенного синтеза не имеет значения. Жизнь является вечной, так как представляет собой неотъемлемую характеристику космоса, Вселенной. И с этой точки зрения различия между формально неживой материей и живой материей является условной. В этой связи Вернадский признавал действительно существенными три хронологических гипотезы возникновения жизни на Земле.

Жизнь старше Земли

Первая гипотеза гласит, что жизнь возникла задолго до образования Земли как стабильной системы и, таким образом, была занесена на нашу планету извне. Впоследствии, с началом активного изучения космического пространства, у этой теории появились определённые фактические основания. Дело в том, что на различных небесных телах, в астероидах, кометах и метеоритах, обнаружены различные органические вещества, такие, как муравьиная кислота, формальдегиды, этиловый спирт и другие. Согласно данной гипотезе, молодая Земля в результате контакта с различными космическими объектами (падение метеоритов и астероидов, прохождения через «облака» космической пыли и так далее) была «засеяна» органическими веществами. Эти вещества попали в благоприятные условия (в то время Земля уже была покрыта водой) и сумели благодаря биохимическим процессам осуществить превращение условно неживой материи в живую.

Жизнь и планета неразлучны

Вторая гипотеза, которую и поддерживал Вернадский, является предположение о геологической вечности жизни, то есть о неразрывной связи между Землёй и жизнью. Она основывалась на том факте, что наука не могла обнаружить на Земле геологические пласты, которые бы не содержали следов присутствия тех или иных живых существ или органических веществ. Отсюда и делался вывод о геологической вечности жизни – то есть условия для возникновения жизни на нашей планете присутствовали изначально. А уже сам процесс превращения условно неживой материи в живую и появления живых существ это, по мнению того же Вернадского, лишь технические детали. В данном случае, конечно, на первый план выходит теория абиогенного синтеза, но для учёного это был второстепенный вопрос.

Гипотеза геологической вечности жизни утверждала, что наличие веществ, необходимых для возникновения жизни, это одно из важнейших свойств космоса, все эти вещества изначально содержались на Земле. Когда планета стала стабильной и на ней появились благоприятные условия, жизнь смогла «саморазвиться»; например, в астероидах, где условия неблагоприятны, она так и осталась в «замороженном» состоянии.

Утром – земля, вечером – жизнь

Третья гипотеза завершает логическую цепь: если первая относила возникновение жизни к периоду до образования Земли, вторая – к самому моменту появления планеты, то в данном случае Земля считается первичной, а жизнь – вторичной. Согласно этой гипотезе, довольно долгое время после образования Земли наша планета была безжизненной, то есть на ней не только не было никаких живых существ, но и просто не существовало никаких органических веществ, которые могли бы послужить основой для возникновения жизни.

В течение почти миллиарда лет на Земле, представлявшей тогда один огромный Океан, происходила медленная химическая эволюция – вещества, содержавшиеся в воде, под воздействием изменяющихся условий (температуры земного ядра, интенсивности солнечной радиации, скорости и орбиты вращения Земли и так далее), были вовлечены в многочисленные и сложные химические реакции. В результате в верхних слоях океана образовались химические соединения, которые и смогли осуществить абиогенный синтез и примерно 4,8 миллиардов лет назад появились первые живые организмы, из которых путём дальнейшей эволюции и развилась во всём своём многообразии видов жизнь.

Вопрос 5

Для понимания той работы, которую совершает живое вещество, очень важным является три основных положения, которые В.И. Вернадский назвал «биогеохимическими принципами»:

Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению

Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию форм жизни устойчивых в биосфере, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов в биосфере(другая формулировка» При эволюции видов выживают те организмы, которые своею жизнью увеличивают биогенную геохимическую энергию»)

В течение всего геологического времени, с криптозоя, заселение планеты должно было быть максимально возможное для всего живого вещества, которое тогда сущесвовало.

Для Вернадского 1 биогеохимический принцип был тесно связан со способностью живого вещества неограниченно размножаться в оптимальных условиях. «Вихрь атомов», которых представляет собой жизнь, по определению Жоржа Кювье, стремится к безграничной экспансии. Следствием этого и является максимальное проявление биогенной миграции атомов в биосфере.

2 биогеохимический принцип, по существу, затрагивает кардинальную проблему современной биологической теории – вопрос о направленности эволюции организмов. По мысли Вернадского, преимущества в ходе эволюции получают те организмы, которые приобрели способность усваивать новые формы энергии или «научились» полнее использовать химическую энергию, запасенную в других организмах. В ходе биологической эволюции, таким образом, увеличивается «КПД» биосферы в целом. Чисто математически это показал В.В. Алексеев, который на основе расчетов пришел к следующим выводам:»Эволюция должна идти в направлении увеличения скорости обмена веществом в системе». И далее:»Становится понятным, почему образовались ферменты, роль которых заключается в резком увеличении скоростей реакции, идущих при обычных условиях исключительно медленно»

3 биогеохимический принцип также связан с «всюдностью» или «давлением» жизни. Этот фактор обеспечивает безостановочный захват живым веществом любой территории, где возможно нормальное функционирование живых организмов.

Вопрос 6

Долгое время науки о живой и неживой природе развивались отдельно друг от друга, взаимопроникновение этих областей знаний происходило с трудом.

А. Гумбольдт, Ч. Ляйелль, В.В. Докучаев и В.И. Вернадский показали, что живые и неживые (косные) компоненты Земли взаимосвязаны и составляют единую систему. Совокупность живых организмов планеты он назвал живым веществом биосферы.

Представления о живом веществе бытовали в естествознании и философии XJX в., но В.И. Вернадский применил это понятие в совершенно новом для науки значении. Он считал, что понятия "жизнь", "живое" - не точны. Они выходят за пределы науки в область философии и религии. В.И. Вернадский предложил использовать эмпирическое понятие "живое вещество". В.И. Вернадский подчеркивал, что живым веществом он называет "совокупность организмов, сведенных к их весу, химическому составу и энергии". В таком понимании понятие "живое вещество" однозначно, имеет количественные характеристики и его можно изучать, описывать, измерять.

Живое вещество - неотъемлемый компонент биосферы, так как именно жизнедеятельность живых организмов - ведущий фактор преобразования поверхности планеты, основа существования самой биосферы.

Количество живого вещества в биосфере (биомасса) есть величина постоянная или мало меняющаяся с течением геологического времени, так как организмы, составляющие биомассу, обладают громадной способностью к воспроизводству - размножению и распространению по планете. Современное живое вещество генетически родственно живому веществу всех прошлых эпох. Жизнь на планете существует благодаря космической энергии Солнца. Преобразуя и аккумулируя солнечную энергию, живое вещество во все геологические эпохи влияло на химический состав земной коры, являясь мощной геохимической силой, преобразующей лик планеты.

В состав биосферы входят также другие компоненты: неживое биогенное вещество, образованное живым веществом современной и минувших геологических эпох (продукты жизнедеятельности организмов, их ископаемые остатки, нефть, уголь, торф, осадочные породы, например известняки), косное вещество, в создании которого живое вещество не участвует (газы, твердые частицы, водяные пары, выбрасываемые вулканами, гейзерами и др.), биокосное вещество, создаваемое одновременно живыми организмами и косным веществом (почва, земная кора, вода обитаемых водоемов и пр.).

Работа живого вещества в биосфере достаточно многообразна. По Вернадскому, работа живого вещества в биосфере может проявляться в двух основных формах:

а) химической (биохимической) – I род геологической деятельности; б) механической – II род транспортной деятельности.

Биогенная миграция атомов I рода проявляется в постоянном обмене вещества между организмами и окружающей средой в процессе построения тела организмов, переваривания пищи. Биогенная миграция атомов II рода заключается в перемещении вещества организмами в ходе его жизнедеятельности (при строительстве нор, гнезд, при заглублении организмов в грунт), перемещении самого живого вещества, а также пропускание неорганических веществ через желудочный тракт грунтоедов, илоедов, фильтраторов.

Для понимания той работы, которую совершает живое вещество в биосфере очень важными являются три основных положения, которые В. И. Вернадский назвал биогеохимическими принципами:

Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению.

Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов.

Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с космической средой, его окружающей, и создается и поддерживается на нашей планете лучистой энергией Солнца.

Вопрос 7

Специфические свойства и особенности живого вещества:

Живое вещество биосферы характеризуется большим запасом энергии.

Резкое различие между живым и неживым веществом наблюдается в скорости протекания химических реакций (в живом веществе реакции идут в тысячи, а иногда в миллионы раз быстрее).

Отличительной особенностью живого вещества является то, что слагающие его индивидуальные химические соединения - белки, ферменты и др. - устойчивы только в живых организмах.

Произвольное движение, в значительной степени саморегулируемое, является общим признаком всякого живого вещества в биосфере.

Живое вещество обнаруживает значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. Известно свыше
2 млн. органических соединений, входящих в состав живого вещества, в то время, как количество природных соединений (минералов) неживого вещества составляет около 2 тыс., т. е. на три порядка меньше.

Живое вещество представлено в биосфере в виде индивидуальных организмов, размеры которых колеблются в огромных пределах. Величина самых мелких вирусов не превышает 20 нм (1 нм = 10-9м), самые крупные животные - киты - достигают 33 м в длину, самое большое растение - секвойя - 100 м в высоту.

**Основные биогеохимические функции живого вещества:

Энергетическая функция заключается в осуществлении связи биосферно-планетарных явлений с космическим излучением, преимущественно с солнечной радиацией. В основе этой функции лежит фотосинтетическая деятельность зеленых растений, в процессе которой происходит аккумуляция (накопление) солнечной энергии и ее перераспределение между отдельными компонентами биосферы. За счет накопленной солнечной энергии протекают все жизненные явления на Земле.

Газовая функция обусловливает миграцию газов и их превращения, обеспечивает газовый состав биосферы. Преобладающая масса газов на Земле имеет биогенное происхождение. В процессе функционирования живого вещества создаются основные газы: азот, кислород, углекислый газ, сероводород, метан и др.

Концентрационная функция проявляется в извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов окру-
жающей среды. В составе живого вещества преобладают атомы легких элементов: водорода, углерода, азота, кислорода, натрия, магния, алюминия, кремния, серы, хлора, калия, кальция. Концентрация этих элементов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде. Этим объясняется неоднородность химического состава биосферы и ее существенное отличие от состава неживого вещества планеты.

Окислительно-восстановительная функция заключается в химическом превращении главным образом тех веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисления (соединения железа, марганца и др.) При этом на поверхности Земли преобладают биогенные процессы окисления и восстановления.

Деструктивная функция обусловливает процессы, связанные с разложением организмов после их смерти, вследствие которой происходит минерализация органического вещества, т. е. превращение живого вещества в косное. В результате образуются также биогенное и биокосное вещество биосферы.

Средообразующая функция заключается в преобразовании физико-химических параметров среды в результате процессов жизнедеятельности. В. И. Вернадский писал:"Организм имеет дело со средой, к которой он не только приспособлен, но которая приспособлена к нему".

Транспортная функция - это осуществление переноса вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении. Живое вещество - единственный (помимо поверхностного натяжения) фактор, обусловливающий обратное перемещение вещества - снизу вверх, из океана - на континенты, реализующий тем самым "восходящую" ветвь биогеохимических циклов.

Вопрос 8

^ Принцип целостности биосферы обеспечивается самосогласованностью всех процессов в биосфере. Жизнь ограничена узкими пределами — физическими константами, уровнями радиации и пр. Гравитационная постоянная определяет размеры звезд, температуру и давление в них. Если она станет меньше, звезды будут иметь меньшие массы, их температура станет недостаточной для протекания ядерных реакций; если чуть больше, звезды перейдут свою «критическую массу», выйдут из общего круговорота и превратятся в черные дыры. Постоянная электромагнитного взаимодействия определяет химические превращения, отвечает за электронную оболочку атомов и прочность связей в молекулах. Константа слабого взаимодействия, отвечающего за превращения элементарных частиц, при своем изменении «подорвет» весь наш мир. Константа сильного взаимодействия, отвечающего за стабильность ядер атомов, тоже не должна меняться, иначе в звездах реакции пойдут по-другому, могут не образоваться углерод и азот. Да и непонятно, возможна ли будет вообще жизнь нашего типа.

Вопрос 9

^ Принцип гармонии биосферы и ее организованности связан с предыдущим. Законы преобразования энергии на Земле, законы движения атомов есть отражение гармонии Космоса, ритмичности движения небесных тел. Основа существования биосферы — положение Земли в Космосе, наклон земной оси к эклиптике, определяющий климат и жизненные циклы всех организмов. Солнце — основной источник энергии биосферы и регулятор биологических процессов. Как отметил еще Ю. Р. Майер, «жизнь есть создание солнечного луча».

Вопрос 10.

Биохимичекая функция, связанная с питанием, дыханием, размножением организмов.

Биохимичекая функция, связанная с разрушением тела отмерших организмов, то есть с разрушением тела живого вещества и переходом его в косное состояние.

Для живого вещества с планетной точки зрения основным явлением должна считаться функция размножения и роста организмов. Обе функции выяляются внутри тел живого вещества. Но источники этих проявлений лежат в окружающей данное живое вещество среде, и эти явления могут быть представлены в атомной форме кК закономерная биогенная миграция определенных химических элементов (атомов) из внешней среды в живое вещество и из живого вещества в окружающую среду. Рост и размножении химически выражаются в сложных процесса увеличения количества живого вещества, которое в конце концов приводит к закономерному максимальному увеличению его массы на нашей планете и территории, им на ней занятой. Оба эти процесса, сложно зависимые друг от друга, совершаются в биосфере с ярко выраженным давлением на окружающую среду. Это давление является наиболее ярким выражением биохимической энергии роста и размножения, может быть точно количественно выражено и является различным и характерным видовым признаком для каждого вида, расы, рода.

Биогеохимические функции живого вещества распространяются на всю планету, могут выражаться в виде геосфере и явно не зависят от территориальных условий геосферы. Они определяют в планетном масштабе основные химические проявления жизни и являются основными химическими реакциями живого вещества, поскольку они химически отражаются на окружающей организм внешней среде.

Такие функции могут быть разделены на пять групп:

Газовые

Концентрационные

Биохимические

Окислительно-восстановительные

Биогеохимические

Вместе взятые они определяют основные химические проявления живого вещества в биосфере.

Дата добавления: 2015-08-29