2. Состав и границы биосферы

Биосфера является глобальной экосистемой и как любая экосистема состоит из абиотической и биотической частей.

Абиотическая часть представлена:

1) почвой и подстилающими ее породами;

2) атмосферным воздухом;

3) водной средой - до границ, в которых еще есть живые организмы.

Биотическая часть состоит из живых организмов, осуществляющих важнейшую функцию биосферы, без которой не может существовать сама жизнь: биогенный ток атомов. Живые организмы осуществляют этот ток атомов благодаря своему дыханию, питанию и размножению, обеспечиваю обмен веществом между всеми частями биосферы.

В основе биогенной миграции атомов в биосфере лежат два биохимических принципа:

- стремиться к максимальному проявлению, к «всюдности» жизни;

- обеспечить выживание организмов, что увеличивает саму биогенную миграцию.

Эти закономерности проявляются, прежде всего, в стремлении живых организмов «захватить» все мало-мальски приспособленные к их жизни пространства, создавая экосистему или ее часть. Но любая экосистема имеет границы, имеет свои границы в планетарном масштабе и биосфера (один из вариантов границ биосферы см. рисунок на листе А3).

Под живым веществом В.И. Вернадский понимал все количество живых организмов планеты как единое целое. Его химический состав подтверждает единство природы – он состоит из тех же элементов, что и неживая природа.

Живое вещество образует ничтожно тонкий слой в общей массе геосфер Земли.

По подсчетам ученых, его масса составляет 2420 млрд. т, что более чем в две тысячи раз меньше массы самой легкой оболочки Земли – атмосферы. Но эта ничтожная масса живого вещества встречается практически повсюду – в настоящее время живые существа отсутствуют лишь в области обширных оледенений и в кратерах действующих вулканов.

Если вернуться к рисунку, на котором показаны границы биосферы, то можно увидеть, что жизнь существует и в верхних слоях атмосферы, где царят холод и низкое давление, и в глубинах океана, где давление достигает 12 тыс. атмосфер. Это стало возможным потому, что пределы толерантности температур у различных организмов – от абсолютного нуля до +180 градусов Цельсия, а некоторые бактерии могут существовать даже в вакууме. Широким является также диапазон химических условий для ряда организмов – от жизни в уксусе до жизни под действием ионизирующей радиации (бактерии в котлах ядерных реакторов).

3. Круговорот веществ в природе

Существует два основных круговорота веществ в природе: большой (геологический) и малый (биогеохимический).

Большой круговорот веществ в природе (геологический) представляет собой перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли.

Примером большого круговорота является перераспределение осадочных горных пород между биосферой и внутренними оболочками Земли. Осадочные горные породы, образованные в результате выветривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и и давлений. Там они переплавляются и образуют магму – источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на земную поверхность и действия процессов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадочные породы.

Символом круговорота веществ является спираль, а не круг. Это означает, что новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то новое, что со временем приводит к весьма значительным изменениям.

Большой круговорот это и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу. Влага, испарившаяся с поверхности Мирового океана, переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стоков. Подсчитано, что в круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. кубических километров воды.

Малый круговорот веществ (биогеохимический) – это круговорот, который совершается только в пределах биосферы. Сущность малого круговорота вещества заключается в образовании живого вещества в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения.

Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез. Солнечная энергия неравномерно распределяется по поверхности земли. Кроме того, она теряется путем отражения, поглощается почвой и т.д. На фотосинтез тратится не более 5% от всей энергии, но чаще всего 2-3%.

В ряде экосистем перенос вещества и энергии осуществляется преимущественно посредством трофических цепей. Такой круговорот называется биологическим. Он предполагает замкнутый цикл веществ, многократно используемый трофической цепью. Такой круговорот возможен только в водных экосистемах, особенно в планктоне с его интенсивным метаболизмом.

В масштабах всей биосферы такой круговорот невозможен. Здесь действует биогеохимический круговорот, представляющий собой обмен макро- и микроэлементов и простых неорганических веществ (СО₂, Н₂О) с веществом атмосферы, гидросферы и литосферы.

Круговорот отдельных веществ В.И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Суть биогеохимического цикла в следующем: химические элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают, уходят в абиотическую среду, затем, через некоторое время, снова попадают в живой организм и т.д. Такие элементы называют биофильными. Этими циклами и круговоротом в целом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества в биосфере. В.И. Вернадский выделял пять таких функций:

1. газовая – основные газы атмосферы Земли, азот и кислород, имеют биогенное происхождение, как и все подземные газы являются продуктами разложения отмершей органики;

2. концентрационная – организмы накапливают в своих телах многие химические элементы, серди которых на первом месте углерод, среди металлов – кальций, концентраторами кремния являются диамовые водоросли, йода – водоросли (ламинария), фосфора – скелеты позвоночных животных;

3. окислительно-восстановительная – организмы, обитающие в водоемах, регулируют кислородный режим и создают условия для растворения или же осаждения ряда металлов (V, Mn, Fe) и неметаллов (S) с переменной валентностью;

4. биохимическая – размножение, рост и перемещение в пространстве («расползание») живого вещества;

5. биогеохимическая деятельность человека – охватывает все разрастающееся количество веществ земной коры, в т.ч. таких концентраторов углерода, как уголь, нефть, газ и др., для хозяйственных и бытовых нужд человека.

В биогеохимических круговоротах следует различать две части:

1) резервный фонд – это огромная масса движущихся веществ, не связанных с организмами,

2) обменный фонд – значительно меньший, но весьма активный, обусловленный прямым обменом биогенным веществом между организмами и их непосредственным окружением.

Если рассматривать биосферу в целом, то в ней можно выделить: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере (океан) и 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре (в геологическом круговороте).

Один-единственный на Земле процесс, который не тратит, а связывает солнечную энергию и даже накапливает ее – это создание органического вещества в результате фотосинтеза. В связывании и накапливании солнечной энергии и заключается основная планетарная функция живого вещества на Земле.