Границы биосферы, живое вещество и его функции по Вернадскому: газовая, концентрационная, окислительно-восстановительная, деструктивная
Понятие биосферы
Биосфера — оболочка Земли, населённая живыми организмами и преобразованная их жизнедеятельностью; это глобальная экосистема планеты, включающая всю совокупность живых организмов (живое вещество) и часть неживой природы, с которой они непрерывно взаимодействуют. Термин «биосфера» ввёл в науку в 1875 году австрийский геолог Эдуард Зюсс, однако целостное учение о биосфере как об особой оболочке Земли, преобразуемой жизнью в геологическую силу планетарного масштаба, создал в 1920-30-е годы выдающийся российский и советский учёный, естествоиспытатель, академик Владимир Иванович Вернадский. Его труд «Биосфера» (1926) заложил основы современной науки о биосфере и во многом предвосхитил развитие экологии как науки.
Границы биосферы
Биосфера охватывает часть трёх геологических оболочек Земли, в которых возможно существование живых организмов. В атмосфере верхняя граница биосферы проходит на высоте примерно 15-20 км, ограничиваясь слоем озона (озоновым экраном), поглощающим губительное для живых клеток жёсткое ультрафиолетовое излучение Солнца; выше этого слоя жизнь в активной форме невозможна (хотя отдельные споры бактерий и грибов заносятся воздушными потоками значительно выше). Гидросфера заселена организмами практически полностью — от поверхностных вод до максимальных глубин Мирового океана (свыше 10 км в глубоководных желобах), где обнаружены специализированные хемосинтезирующие организмы. В литосфере жизнь распространена значительно менее глубоко — до глубины нескольких километров (предел определяется главным образом ростом температуры недр Земли с глубиной, а также ограниченностью кислорода); наиболее плотно заселён живыми организмами тонкий поверхностный слой почвы.
| Оболочка Земли | Пределы распространения жизни | Ограничивающий фактор |
|---|---|---|
Атмосфера | До высоты 15-20 км (озоновый слой) | Жёсткое УФ-излучение, низкая температура и давление |
Гидросфера | Заселена практически полностью, включая глубоководные желоба | Давление и отсутствие света на больших глубинах (компенсируется хемосинтезом) |
Литосфера | До нескольких километров вглубь (плотнее всего — почвенный слой) | Рост температуры недр Земли, недостаток кислорода |
Живое вещество и его свойства
Центральное понятие учения Вернадского — живое вещество: совокупность всех живых организмов биосферы, выраженная в единицах массы, энергии и химического состава. Вернадский подчёркивал, что живое вещество, несмотря на ничтожную долю в массе всей планеты, обладает огромной геохимической активностью и за миллиарды лет эволюции коренным образом преобразовало облик Земли — состав атмосферы, гидросферы и верхних слоёв литосферы. Живое вещество характеризуется рядом уникальных свойств: огромной свободной энергией (в сравнении с косной, неживой материей), высокой скоростью протекающих в нём химических реакций, способностью к самовоспроизведению и эволюции, а также исключительным разнообразием форм, несравнимым с разнообразием форм неживой природы.
Типы вещества биосферы
В составе биосферы Вернадский выделял несколько категорий вещества. Живое вещество — тела живых организмов. Биогенное вещество — вещество, созданное в процессе жизнедеятельности организмов в прошлые геологические эпохи (каменный уголь, нефть, торф, известняк, образованный из раковин морских организмов). Косное вещество — вещество, образованное без участия жизни (магматические горные породы, минералы). Биокосное вещество — вещество, создаваемое совместно живыми организмами и неживыми процессами (почва, ил, природные воды) — это результат теснейшего взаимодействия живого и косного вещества в биосфере.
| Тип вещества | Определение | Пример |
|---|---|---|
Живое вещество | Совокупность тел живых организмов | Растения, животные, микроорганизмы |
Биогенное вещество | Продукт жизнедеятельности организмов прошлых эпох | Каменный уголь, нефть, известняк, торф |
Косное вещество | Образуется без участия живых организмов | Магматические горные породы, минералы |
Биокосное вещество | Совместный продукт живого и неживого | Почва, природные воды, ил |
Функции живого вещества по Вернадскому
Вернадский показал, что живое вещество выполняет в биосфере ряд важнейших геохимических функций, обеспечивающих непрерывный круговорот химических элементов и поддерживающих состав атмосферы, гидросферы и почвы в состоянии, пригодном для жизни.
Газовая функция заключается в способности живых организмов создавать и поддерживать газовый состав атмосферы Земли. Благодаря фотосинтезу зелёных растений и цианобактерий атмосфера обогащается кислородом (именно деятельность фотосинтезирующих организмов на протяжении миллиардов лет сформировала современную кислородную атмосферу планеты — так называемая кислородная революция), а в процессе дыхания организмы выделяют в атмосферу углекислый газ. Живые организмы также участвуют в образовании азота, метана, сероводорода и других атмосферных газов.
Концентрационная функция состоит в способности организмов избирательно накапливать (концентрировать) в своих телах определённые химические элементы из окружающей среды, где эти элементы содержатся в значительно более низкой, рассеянной концентрации. Например, диатомовые водоросли и радиолярии концентрируют кремний, строя из него свои скелеты; кораллы и моллюски концентрируют кальций для построения известковых раковин и скелетов; в результате многовековой концентрационной деятельности организмов образовались мощные толщи осадочных пород — известняков, кремнистых сланцев, а также залежи некоторых руд.
Окислительно-восстановительная функция заключается в участии живых организмов (прежде всего микроорганизмов) в химических реакциях окисления и восстановления соединений в биосфере, что определяет миграцию и превращение многих химических элементов с переменной валентностью — железа, марганца, серы, азота. Например, деятельность серобактерий и железобактерий обеспечивает круговорот серы и железа, а хемосинтезирующие бактерии окисляют неорганические соединения, получая энергию для синтеза органических веществ.
Деструктивная функция состоит в разложении (минерализации) отмерших организмов и продуктов их жизнедеятельности редуцентами (бактериями, грибами) до простых неорганических соединений, которые вновь становятся доступными для использования продуцентами. Именно деструктивная функция замыкает биогеохимический круговорот веществ в биосфере, предотвращая накопление на поверхности планеты неразложившейся органики и обеспечивая непрерывность жизни.
| Функция живого вещества | Суть и пример |
|---|---|
Газовая | Формирование и поддержание газового состава атмосферы (кислород — продукт фотосинтеза) |
Концентрационная | Избирательное накопление организмами химических элементов (кальций в раковинах, кремний в панцирях диатомей) |
Окислительно-восстановительная | Участие организмов в реакциях окисления-восстановления элементов с переменной валентностью (Fe, S, Mn) |
Деструктивная | Разложение редуцентами органических остатков до минеральных веществ, замыкание круговорота |
Биосфера как единая система
Ключевая идея Вернадского состояла в том, что биосфера — не просто сумма отдельных экосистем, а целостная, саморегулирующаяся планетарная система, в которой живое вещество выступает мощнейшим геологическим фактором, сопоставимым по своему воздействию на облик планеты с такими процессами, как вулканизм или горообразование. По расчётам Вернадского, вся масса живого вещества, несмотря на её относительно небольшую долю в массе земной коры, за миллиарды лет многократно «пропустила» через себя атомы основных биогенных элементов, определив современный химический облик атмосферы, гидросферы и осадочных пород.
Понятие ноосферы
В поздних работах Вернадский развил представление о ноосфере (от греч. noos — разум) — новой стадии развития биосферы, на которой разумная деятельность человека становится мощным фактором, сопоставимым по масштабу воздействия с природными геологическими процессами. Вернадский полагал, что человечество, вооружённое наукой, должно осознанно взять на себя ответственность за состояние биосферы, направляя своё воздействие на природу в русло, обеспечивающее устойчивое сосуществование цивилизации и природной среды, — эта идея во многом предвосхитила современную концепцию устойчивого развития.
Типичные ошибки
Частая ошибка — путать биосферу с одной из геологических оболочек Земли (например, считать её синонимом атмосферы или гидросферы); на самом деле биосфера — это не отдельная оболочка, а совокупность частей всех трёх оболочек (атмосферы, гидросферы и литосферы), заселённых жизнью. Другая ошибка — путать живое, биогенное, косное и биокосное вещество; важно чётко различать, что биогенное вещество (нефть, уголь) само по себе уже не является живым, а лишь создано живыми организмами в прошлом. Также нередко путают функции живого вещества между собой — например, приписывают образование известняков (концентрационная функция) окислительно-восстановительной функции; для чёткого разграничения полезно запомнить конкретные примеры-«якоря» для каждой функции.
Краткий словарь терминов
Биосфера — оболочка Земли, населённая живыми организмами и преобразованная их жизнедеятельностью.
Живое вещество — совокупность всех живых организмов биосферы, выраженная в единицах массы, энергии и химического состава.
Биогенное вещество — вещество, созданное живыми организмами в прошлые геологические эпохи (уголь, нефть, известняк).
Биокосное вещество — вещество, образуемое совместно живыми организмами и неживыми процессами (почва).
Газовая функция живого вещества — формирование и поддержание газового состава атмосферы организмами.
Концентрационная функция живого вещества — избирательное накопление организмами определённых химических элементов.
Ноосфера — стадия развития биосферы, на которой разумная деятельность человека становится геологическим по масштабу фактором.
Заключение
Учение В.И. Вернадского о биосфере показало, что жизнь на Земле — не случайное явление, происходящее на фоне неизменной неживой природы, а мощная геологическая сила, на протяжении миллиардов лет формирующая химический состав атмосферы, гидросферы и осадочных пород планеты через газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную и деструктивную функции живого вещества. Это понимание служит фундаментом для следующей темы — круговорота веществ и энергии в биосфере, где рассматриваются конкретные биогеохимические циклы углерода, азота и воды.
