Лучи солнца обусловили главные черты механизма биосферы вещество биосферы благодаря солнечным лучам

Лучи солнца обусловили главные черты механизма биосферы вещество биосферы благодаря солнечным лучам

2.4. Функции живого вещества

Для того чтобы понять сущность процессов, протекающих в биосфере, рассмотрим основные функции живого вещества в биосфере: энергетическую, метаболическую, деструктивную, концентрацион- ную и средообразующую.

Энергетическая функция живого вещества как носителя

свободной энергии – его основная функция в биосфере. Она выполняется прежде всего растениями. Чтобы биосфера могла существовать и

развиваться, ей необходима энергия. Первоначальным и главным

источником всех процессов, протекающих на Земле, является Солнце. Оно дарит Земле колоссальное количество энергии – 2,5 1024 Дж в год.

Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с

космической средой и поддерживается на нашей планете космической энергией Солнца. «Лучи Солнца обусловили главные черты механизма биосферы. Вещество биосферы (масса) благодаря солнечным лучам

проникнуто энергией. Оно становится активным и способным производить работу» (Вернадский, 1967).

Солнечный свет для биосферы является рассеянной лучистой энергией электромагнитной природы. Почти 99 % энергии, поступающей в биосферу, поглощается атмосферой, гидросферой и литосферой. И только около 1 % ее непосредственно передается потребителям –

растениям. Если бы поток солнечного излучения, направленного к

Земле, только рассеивался, то жизнь была бы невозможной.

Энергетическая функция выполняется растениями, которые в процессе фотосинтеза аккумулируют солнечную энергию в виде разнообразных органических соединений. По словам Вернадского,

зеленые хлорофилльные организмы, которые улавливают солнечный луч

и создают фотосинтезом химические тела, – своеобразные солнечные консервы, энергия которых в дальнейшем является источником действенной химической энергии биосферы. Таким образом, главную роль в становлении и развитии биосферы сыграл фотосинтез.

Фотосинтез – процесс превращения углекислого газа и воды в сахар и крахмал, а также свободный кислород. Фотосинтез играет главную роль в создании кислорода атмосферы и органических веществ.

Он протекает по такой схеме:

углекислый газ + вода + солнечная энергия = глюкоза + кислород.

Зеленые растения поглощают неорганические вещества, угле-

кислоту, воду, минеральные соли и, используя солнечный свет,

образуют органические вещества, глюкозу (углеводы), необходимые для их роста и развития.

Этот процесс преобразования части солнечной энергии в органическое вещество путем фотосинтеза называют «работой»

зеленых растений, или вос-

становлением (рис. 4).

Таким образом, производятся не только такие органические вещества, как углеводы (глюкоза),

Рис 4. Схема фотосинтеза

но и аминокислоты (класс

органических соединений – карбо-

ксильные (СООН) и аминогруппы (NH), обладающие свойствами как кислот, так и оснований), белки и другие жизненно важные соединения.

Органические вещества необходимы для жизнедеятельности всех живых организмов.

Вместе с тем фотосинтетический процесс освобождает большое количество свободного кислорода. Это единственный процесс, который уже два миллиарда лет поддерживает содержание кислорода в атмосфере Земли. Свободный кислород образуется из кислорода воды. За эту

продуктивность растения называют продуцентами или автотрофами

Дыхание – обратный фотосинтезу процесс, при котором органические вещества окисляются с помощью атмосферного кислорода, выделяя двуокись углерода.

Редуценты (деструкторы), разлагая отмершие остатки организмов,

освобождают неорганические (биогенные) элементы: углерод, кислород, азот, фосфор, серу и др. Редуценты являются санитарами Земли. К ним относятся грибы и бактерии, а также черви, личинки мух, личинки жуков-могильщиков и трупоедов и т. д.

Важным этапом в развитии биосферы явилось возникновение такой ее части, как почвенный покров. Биогенные элементы хранятся некоторое время в почве. Почвенный покров (гумусовая оболочка)

служит как бы общепланетарным аккумулятором в распределении энергии. Почвенный покров является своеобразным складом (депо) важнейших биогенных элементов (углерода, азота, фосфора и т. д.),

хранящим их от быстрого смыва в Мировой океан. Они поступают в круговорот, необходимый для существования биосферы. С возникновением почвы достаточно развитого профиля биосфера

становится целостно завершенной системой. В ней все части взаимосвязаны и зависят друг от друга.

Каждый год продуцентами на Земле создается около 100 млрд т органического вещества. Это продукция биосферы. Примерно такое же количество живого вещества за год, окисляясь, превращается в СО2 и Н2О в результате дыхания организмов. Этот процесс называется глобальным распадом. Он начался около 60 млн лет назад.

Но этот баланс существовал не всегда. Примерно 1 млрд лет назад часть образуемого продуцентами вещества не расходовалась на дыхание и не разлагалась. В биосфере не было достаточного числа редуцентов. В результате этого органическое вещество сохранялось и задерживалось в осадках. Преобладание синтеза органического вещества над его разложением привело к уменьшению в атмосфере Земли количества

углекислого газа и накоплению кислорода. Около 300 млн лет назад избыток органической продукции привел к образованию горючих

ископаемых (угля, нефти и т. д.). Образуются ли полезные ископаемые осадочного происхождения в настоящее время?

За последние полвека в результате хозяйственной деятельности человека, связанной со сжиганием горючих ископаемых, концентрация углекислого газа в атмосфере повысилась, а кислорода – уменьшилась. Это создает критическую ситуацию для устойчивости атмосферы.

Таким образом, живое вещество, как носитель энергии участвует в круговороте вещества, определяемого глобальной продукцией и распадом.

Метаболическая функция – вторая нами рассматриваемая функция живого вещества. Метаболизм (греч. метаболе – перемена) –

обмен веществ и энергии в организме или биологической системе.

Живое вещество (биота) обусловливает преобладающую часть химических превращений в биосфере. Оно выполняет глобальную метаболическую функцию. Отсюда – суждение В. И. Вернадского об огромной преобразующей геологической роли живого вещества. На протяжении эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через себя – свои органы, ткани, клетки, кровь – всю атмосферу, весь объем Мирового океана, часть массы почв, огромную массу минеральных веществ. И не только пропустили, но и изменили всю земную среду. Обмен веществ и энергии – основа жизнедеятельности живой и саморазвития неживой материи, т.е. самоорганизации всей природы.

В нормальном состоянии любой экосистеме присуще устойчивое состояние – гомеостаз. Оно характеризуется динамическим (подвижным) равновесием. Например: мы наблюдаем подвижное динамическое равновесие между рождаемостью и смертностью, потреблением и освобождением вещества и энергии. Или: если в системе «олень – волк» численность оленей растет, то за счет этого и число волков может увеличиться. Волки не дадут оленям быстро размножаться и истребить слишком большое количество растений – продуцентов. Описанный процесс отражает действие закона внутреннего динамического равновесия. Согласно этому закону, вещество и энергия настолько взаимосвязаны, что изменение одного из них вызывает изменение другого. Изменение происходит в направлении, обеспечивающем сохранение общей суммы веществ, т. е. устойчивости. Например: количество оленей уменьшается, тогда волки будут питаться зайцами; если их нет, то место волка займет другое животное, более всеядное – медведь. Основа устойчивости биоценозов – это сложный и разнообразный видовой состав, который необходим: а) для быстрой и качественной замены выбывших членов общества; б) для дальнейшего совершенствования организмов с помощью конкуренции.

Источник

Идеи В.И. Вернадского о биосфере

Особая роль в развитии учения о биосфере — оболочке Земли, строение и организованность которой обусловлены жизнедеятельностью организмов, — принадлежит русскому ученому академику В.И. Вернадскому. По его утверждению, биосфера — планетарное явление космического характера. «Мысль о жизни как о космическом явлении, — пишет В.И. Вернадский, — существовала уже давно. В конце XVII в. голландский ученый X. Гюйгенс в книге «Космотеорос», переведенной в России по инициативе Петра I, сделал следующее научное обобщение: «жизнь есть космическое явление, в чем — то резко отличное от косной материи». Вернадский назвал это обобщение «принципом Гюйгенса».

В. И. Вернадский в студенческие годы в Петербурге был учеником В. В. Докучаева, которого справедливо называют основоположником современной физической географии. Докучаев первым в конце XIX в. отметил присущую географии потребность синтезировать знания частных наук для комплексного изучения природы земной поверхности. Приведем его слова, подытоживающие достижения естествознания XIX в. и намечающие новые задачи географии:

«Не подлежит сомнению, что познание природы — ее сил, стихий, явлений и тел — сделало в течение XIX столетия такие гигантские шаги, что само столетие нередко называют веком естествознания, веком натуралистов. Но, всматриваясь внимательнее в эти величайшие приобретения человеческого знания, нельзя не заметить одного весьма существенного и важного недочета. Изучались, главным образом, отдельные тела — минералы, горные породы, растения и животные — и явления, отдельные стихии — огонь (вулканизм), вода, земля, воздух, в чем наука достигла удивительных результатов, но не их соотношение, не та генетическая, вековечная и всегда закономерная связь, какая существует между силами, телами и явлениями, между мертвой и живой природой, между растительными, животными и минеральными царствами, с одной стороны, и человеком, его бытом, и даже духовным миром — с другой. А между тем именно эти соотношения, эти закономерные взаимодействия и составляют сущность познания естества, ядро истинной натурфилософии — лучшую и высшую прелесть естествознания».

Вся «Биосфера» Вернадского пронизана идеей взаимодействия не только земных, но и космических тел и явлений. И главную роль среди них играют живые организмы, «живое вещество» планеты. «Своеобразным, единственным в своем роде, отличным и неповторяемым в других небесных телах представляется нам лик Земли — ее изображение в космосе, вырисовывающееся извне, со стороны, из дали бесконечных небесных пространств», — так начинает Вернадский свою книгу «Биосфера».

Понимание идей Вернадского пришло только в 60-е гг. XX-го столетия. Оно крепло по мере осознания человечеством угрозы экологического кризиса. Решение глобальных экологических проблем невозможно без понимания законов, управляющих живыми организмами в биосфере.

Вернадский раскрывает ведущую роль живых организмов в трансформации солнечной энергии и преобразовании веществ, слагающих наружные оболочки Земли. «По существу, биосфера может быть рассматриваема как область земной коры, занятая трансформаторами, переводящими космические излучения в действенную земную энергию, — пишет Вернадский, — лучи Солнца обусловливают главные черты механизма биосферы. Солнцем в корне переработан и изменен лик Земли, пронизана и охвачена вся биосфера».

«Живое вещество, — по словам Вернадского,- выполняет космическую функцию, связывая Землю с космосом. Вещество биосферы благодаря им (т. е. солнечным лучам) проникнуто энергией; оно становится активным, собирает и распределяет в биосфере полученную в форме излучений энергию, превращает ее в конце концов в энергию в земной среде свободную, способную производить работу. Лик Земли ими меняется, ими в значительной мере лепится. Он не есть только отражение нашей планеты, проявление ее вещества и ее энергии — он одновременно является и созданием внешних сил космоса».

Вернадский подчеркивает, что, используя солнечную энергию, живое вещество выполняет гигантскую химическую работу. Поскольку речь идет о преобразовании живыми организмами земных веществ, Вернадский назвал эти процессы биогеохимическими: «Жизнь захватывает значительную часть атомов, составляющих материю земной поверхности. Под ее влиянием эти атомы находятся в непрерывном, интенсивном движении. Из них все время создаются миллионы разнообразнейших соединений. И этот процесс длится без перерыва десятки миллионов лет. «

Понятие биосферы, по мнению В. И. Вернадского, было сформулировано (без употребления самого термина) Ж. Б. Ламарком в начале XIX в. А. Гумбольдт выделял сферу жизни как неотъемлемую часть географической оболочки. Наконец, Э. Зюсс в 1875 г. при рассмотрении основных оболочек Земли полагал, что в области взаимодействия верхних сфер и литосферы можно выделять самостоятельную оболочку — биосферу. Э. Зюсс впервые ввел этот термин в науку.

Определяя биосферу, Вернадский вводит понятие живое вещество — совокупность всех живых организмов. Область распространения живого вещества включает нижнюю часть воздушной оболочки (атмосферу), всю водную оболочку (гидросферу) и верхнюю часть твердой оболочки (литосферу).

Вернадский четко обозначает верхний и нижний пределы распространения жизни. Верхний — обусловливается лучистой энергией, приходящей из космоса, губительной для живых существ. Речь идет о жестком ультрафиолетовом излучении; оно задерживается озоновым экраном, нижняя граница которого проходит на высоте около 15 км: это верхняя граница биосферы.

Нижний предел жизни связан с повышением температуры в земных недрах. На глубине 3-3,5 км температура достигает 100 °С. Наибольшую мощность биосфера имеет в океане: от поверхности до максимальных глубин в нем обитают живые существа.

Для биосферы характерно не только присутствие живого вещества. Она обладает также следующими тремя особенностями: во-первых, в ней в значительном количестве содержится жидкая вода; во-вторых, на нее падает мощный поток солнечной энергии; в-третьих, в биосфере проходят поверхности раздела между веществами, находящимися в трех фазах — твердой, жидкой и газообразной. Все это служит предпосылкой для активного обмена веществом и энергией, в котором большую роль играют живые организмы. Живые организмы — это трансформаторы лучистой энергии, особый механизм, строящий материю живой оболочки земной коры — биосферы.

Биосфера — главная арена жизни и хозяйственной деятельности человека.

ЗЕМНЫЕ ОБОЛОЧКИ ПО ВЕРНАДСКОМУ В.И., 1926

Энергия, выделяемая организмами, есть в основном, а может быть, и целиком энергия Солнца.

Итак, биосфера сочетает как сугубо земные, так и космические процессы, отражает их изменения в истории космоса. Биосферу нельзя понять, изучая явления, происходящие только в ней, без учета связей земных процессов со всем космическим пространством.

Живое вещество. По мнению В. И. Вернадского, «живой организм» биосферы должен изучаться целиком, как особое тело. Через организмы регулируются все химические процессы на поверхности планеты. Жизнь захватывает значительную часть атомов, составляющих земную кору. Из них организмы создают миллионы разнообразнейших соединений, и этот процесс длится без перерыва миллиарды лет. Чем больше изучаются химические явления на земной поверхности, тем больше доказательств того, что нет случаев, где химические превращения независимы от жизни. Становится ясным, что прекращение биологической жизни приведет к прекращению и геохимической жизни. Тогда установится химическое спокойствие, временами нарушаемое поступлением из земных глубин газов, лав и других веществ. Но эти вещества быстро примут формы, характерные для безжизненной планеты. И даже нагревание Солнцем и деятельность воды мало изменили бы картину, ибо с прекращением жизни исчезнет свободный кислород, увеличится содержание углекислого газа в атмосфере. Да и вода, лишенная биогенного кислорода, при температуре и давлении на поверхности Земли, в инертной газовой среде стала бы химически безразличным телом. Так, жизнь является великим нарушителем спокойствия, инертности и косности нашей планеты.

Зеленые растения — это та часть единого «живого вещества», которая непосредственно использует солнечные лучи и создает энергетически активные химические соединения, т. е. «живое вещество» первого порядка. Даже по своей морфологии (гр. тоrphe — форма) зеленые организмы приспособлены к исполнению своей космической функции — улавливанию солнечного луча. Свет как будто лепит формы листа. Условия биосферы обеспечивают встречу луча с зеленым растением.

Превращение солнечной энергии в химическую в зеленых, хлорофиллоносных организмах — главное свойство живого вещества, его основная функция.

С зеленой частью биосферы неразрывно связан и весь остальной живой мир. Дальнейшую переработку созданных растениями химических соединений осуществляет живое вещество второго порядка — животные. Их деятельность можно рассматривать как развитие единого процесса превращения солнечной энергии в работающую энергию Земли. После смерти организмы попадают в иное термодинамическое поле среды и разрушаются, выделяя энергию. Следовательно, совокупность всех живых организмов, все «живое вещество» — это область превращения световых излучений Солнца и накопления солнечной энергии в виде химической энергии.

Значение этого процесса огромно. Непрерывно падает на Землю поток солнечного света и непрерывно работает по всей поверхности Земли (и суши, и моря) аппарат его улавливания » превращения — живое вещество. Живое вещество, подобно массе газа, растекается по земной поверхности и в окружающей среде, обходит препятствия и овладевает пространством.

Размножение организмов, обеспечивающее это движение, идет с определенным темпом. Размножение организмов — важнейшее проявление «механизма земной коры», и в нем главное отличие живого от мертвого.

Несмотря на чрезвычайную изменчивость жизни, размножение, рост и т. д., работа по превращению солнечной энергии в земную подчиняется стройным математическим закономерностям, мере и гармонии, какие мы видим в движениях небесных светил и в системах атомов.

Область жизни — вся поверхность планеты. По выражению В. И. Вернадского: Жизнь «всюдна» и стремится охватить все доступное пространство, расширяясь в геологическом времени. Растекание жизни есть проявление ее внутренней энергии. Эта энергия переносит химические элементы и создает из них новые тела — это геохимическая энергия жизни. Наблюдая за заселением пустых пространств, человек может созерцать движение солнечной энергии, превращенной в земную — биохимическую».

При отсутствии препятствий во внешней среде любые организмы, особенно бактерии, могли бы создать с непостижимой быстротой невероятные количества сложнейших химических соединений, являющихся вместилищем огромной химической энергии. Так, обитающие в морской воде шаровые бактерии объемом 10 -12 см 3 менее чем за 1,5 суток образовали бы пленку, покрывающую земной шар. Скорость продвижения шаровых бактерий по земной поверхности была бы равна 33 100 см/с. Эта скорость может рассматриваться как потенциальная скорость распространения жизни. С такой скоростью бактерия могла бы за 1,47 суток путем размножения совершить полный оборот вокруг земного шара.

Скорость передачи жизни на наибольшее доступное ей расстояние есть характерная для каждого вида организмов постоянная величина; она отражает пределы возможного распространения вида, ограниченные размерами данной планеты. Как вес тела зависит от того, на какой планете оно находится, так и скорость распространения жизни на Земле должна отличаться от таковой на других планетах (если она там есть). Жизнь в биосфере есть чисто земное планетное явление, ограниченное пределами физических свойств планеты, и прежде всего ее размерами. Предельное, одинаковое для всех организмов расстояние, по которому может распространяться жизнь, равно длине земного экватора — 40 075 721 м. Скорость продвижения организмов зависит от их размеров и темпов размножения.

Для самых мелких организмов скорость продвижения жизни близка к скорости звука — 33 100 см/с, для крупных она составляет доли сантиметра в секунду; для индийского слона, например, 0,09 см/с. Кроме того, существует максимально возможное число особей для каждого вида, которое никогда не может быть превышено, N_max. Эта величина соответствует максимальному заполнению данным организмом земной поверхности. Скорость достижения N_max(v) для каждого вида своя и зависит от числа организмов, появляющихся в единицу времени (Δ) и определяется формулой

Газовый обмен организмов, т. е. дыхание, также имеет важнейшее значение. Газы в биосфере те же, что образуются при газовом обмене в живых организмах: О₂ N₂, СО₂, Н₂О, Н₂, СН₄, NН₃. И это не случайность. Свободный кислород образуется только благодаря зеленым организмам.

Тесная связь газов с жизнью указывает но то, что газовый состав биосферы — чисто земное явление, определяемое фотосинтезом и дыханием организмов в масштабе планеты.

Количество организмов, появляющихся путем размножения в единицу времени, не может выйти за пределы, нарушающие свойства газов, т. е. число организмов в 1 см 3 среды не может превышать числа газовых молекул в нем (около 2,7 ·10 19 ). В биосфере идет борьба не только за пищу, но и за нужный газ, так как последний контролирует размножение.

В каждый момент живое вещество в биосфере разрушается и вновь создается, главным образом не ростом, а размножением. Поколения создаются в сроки от десятков минут до сотен лет. Ими обновляется биосфера. Главное условие жизни определяется полем существования зеленой растительности, т. е. областью планеты, пронизанной солнечным светом. Здесь же собраны не только автотрофные, но и гетеротрофные организмы, так как в своем существовании они тесно связаны с продуктами жизни зеленых организмов — кислородом и органическими веществами.

На протяжении миллионов лет геологического времени шло и сейчас идет постоянное проникновение живого вещества в обе стороны от зеленого покрова. Мы живем в стадии медленного расширения поля жизни. Может быть, одним из проявлений этого является биохимическое создание новых форм лучистой энергии гетеротрофными организмами. К таковым можно отнести свечение микроскопических организмов в морских глубинах или свечение поверхности моря, которое позволяет фитопланктону синтезировать органические вещества в часы, когда до него не доходит солнечный свет.

Глубоководные экспедиции встречали зеленые растения (водоросли На1ionella в Тихом океане) на глубине 2 км, т. е. там, куда не проникают лучи Солнца. Эти факты еще ждут объяснений. Но если бы оказалось, что живое вещество способно трансформировать лучистую энергию не только в химическую, но и во вторичную лучистую, возможно, это расширило бы область жизни. Кроме того, в глубоководных зонах океана могут доминировать хемоавтотрофные организмы.

Новой в биосфере является и световая энергия, созданная человеком: электричество, например. Но пока в фотосинтезе планеты она практически не играет никакой роли, так как составляет ничтожную долю по сравнению с солнечной энергией, используемой растениями.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник