Учение В. И. Вернадского о биосфере. Распределение жизни в биосфере

Грандиозный геологический эффект деятельности организмов обусловлен тем, что их количество бесконечно велико и действуют они практически в течение бесконечно большого промежутка времени.

Венцом творчества В. И. Вернадского стало учение о ноосфере - сфере разума. В настоящее время под ноосферой понимают сферу взаимодействия человека и природы, в рамках которой определяющим фактором станет разумная человеческая деятельность.

Практическое значение учения о биосфере огромно. В наши дни оно служит естественнонаучной основой рационального природопользования и охраны окружающей среды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Распределение жизни в биосфере.

Биосфера – это область Земли, охваченная влиянием живого вещества. На поверхности Земли (на данный момент)  жизнь отсутствует лишь в области  обширных оледенений и в кратерах вулканов. Ее распределение в биосфере неравномерно. Слабое развитие в пустынях, тундрах, глубинах океанов, высоко в горах свидетельствует о том, что не все организмы устойчивы к экстремальным условиям среды. Например, крайние пределы выносливости наблюдаются  лишь у некоторых  форм жизни в латентном состоянии (скрытом периоде): от нуля градусов до плюс ста восьмидесяти по Цельсию. Причем, по давлению существуют более высокие интервалы: от тысячи атмосфер на глубине до долей атмосфер на высоте. Например, отдельный ряд бактерий имеет активность 12*108 Паскалей (при критической точке давления).  А вот на других участках  биосферы жизнь чрезвычайно разнообразна. Область распространения включает: нижнюю часть воздушной оболочки (атмосферы), всю водную оболочку и верхнюю часть твердой оболочки (литосферы). Вернадский четко обозначает верхний и нижний пределы распространения жизни. Верхний - обуславливается лучистой энергией, проходящей из космоса, губительной для живых существ. Речь идет о жестком ультрафиолетовом излучении; оно задерживается озоновым экраном10, расположенным на высоте 25 – 27 километров, нижняя граница которого проходит на высоте около 15 километров - это верхняя граница биосферы. Атмосфера над поверхностью Земли насыщена многообразными живыми организмами, передвигающимися в воздухе активным или пассивным способом. Нижний предел жизни связан с повышением температуры в земных недрах. На глубине 3 – 3,5 км температура достигает 100 градусов по Цельсию. Несмотря на это, жизнь распространена в литосфере до глубины 7,5 км. Мощность биосфера имеет в океане: от поверхности до максимальных глубин - до 10-11 км в нем обитают живые  существа. Также  высокая концентрация наблюдается там, где все три среды соседствуют близко друг с другом: в пограничном  разделе между литосферой и атмосферой, в поверхностных слоях океана и на дне водоемов, лиманах. И это самые густонаселенные области жизни.

            В. И. Вернадский говорил о  «всюдности» жизни в биосфере, его слова  подтверждаются повсеместным заселением живых организмов. По мнению ученого, это еще не окончательный процесс. Наличие жизни наблюдается также в средах с высокой химической концентрацией веществ.  Например,  в емкостях с бродящим уксусом обитают уксусные угрицы (нематоды), жизнь присутствует в насыщенных растворах солей и во фторидах натрия, а серные бактерии обитают в децимолярном растворе серной кислоты.  Даже радиация не страшна некоторым бактериям: они обнаружены в котлах ядерных реакторов. Ряд инфузорий выдерживают излучение, превышающее естественный радиоактивный фон в 3 миллиона раз. Это свидетельствует об обладании жизненным «запасом прочности».

О масштабах приспособляемости свидетельствует также история нашей планеты. Изначально жизнь появилась локально в водоемах, а впоследствии распространилась на  всех материках. Причем первые живые существа на Земле находились в бескислородной среде. И, сейчас, анаэробный обмен свойственен многим организмам различной организации клеток. Даже в полном вакууме жизнеспособность сохраняется в семенах и спорах растений, а также в анабиозе мелких животных. 

Основную часть биомассы растений составляют деревья, поэтому основное накопление биомассы на планете определяется распространением лесов на континентах. Наибольшее сгущение и разнообразие растений имеет место во влажных тропических лесах. Разнообразие и количество видов животных зависят от растительной массы, увеличиваются к экватору.

Основное условие поддержания жизни в биосфере определяют живые организмы, осуществляя круговорот неорганических и органических веществ.

 

 

Функции живого вещества в биосфере.

Основная планетарная функция живого вещества на Земле заключается в связывании и запасании солнечной энергии, которая потом идет на поддержание множества других геохимических процессов в биосфере.

За время существования жизни на Земле живое вещество превратило в химическую работу огромное количество солнечной энергии. Значительная часть накопилась в «связанном» виде (залежи угля, других органических вещества). Некоторые из которых начали формироваться еще в палеозое, мезозое и кайнозое.

За счет жизнедеятельности огромного числа гетеротрофов, в основном грибов, животных и микроорганизмов, происходит гигантская, в масштабах всей Земли, работа по разложению органических остатков. При деструкции органической массы протекают два параллельных процесса: минерализации и образования почвенного гумуса со значительным запасом энергии. Гумус – это основа почвенного плодородия. Его разложение протекает в дальнейшем очень медленно, под влиянием определенной микрофлоры почв, чем достигается постоянство в обеспечении растений элементами минерального питания.

Природные воды, обогащенные продуктами минерализации, становятся химически высокоактивными и разрушают горные породы.

Живые организмы создали и поддерживают газовый состав современной атмосферы. Некоторая несбалансированность процессов синтеза и разложения  органических веществ в биосфере определила кислородный режим современной воздушной оболочки Земли.

Кислород атмосферы накоплен за счет фотосинтеза. Единственный источник абиогенного поступления свободного кислорода – фотодиссациация молекул воды в верхних слоях атмосферы (очень незначительное количество). Вернадский пишет «вещество как бы само себе создает область жизни».

Выделенный растениями кислород используется на окисление углерода при минерализации органического вещества и дыхании организмов, но так как часть органических веществ захоранивается в осадочных породах, то эквивалентное количество кислорода остается в атмосфере. Значительная часть его идет на окисление минеральных веществ. Весь наличный запас свободного кислорода в атмосфере оценивается в 1,6 *1015 грамм, зеленые растения могут воссоздать его за 10 тысяч лет.

Углекислый газ поступает за счет дыхания всех организмов, выделение по трещинам земной коры из осадочных пород за счет химических процессов, совершающихся под действием высоких температур. Он  также имеет биогенное происхождение. А вот газ выделяемый из мантии при вулканических извержениях - из абиогенного источника.

Азот из атмосферы химически инертен, но и он участвует в процессах синтеза и распада органического вещества. Газ усваивают из атмосферы многие прокариотические организмы – азотфиксаторы. После гибели бактерий он переходит в доступные растениям соединения и включается в цепи питания и разложения. К газам органического происхождения относятся также сероводород, метан, и множество других летучих соединений, создаваемых живым веществом. Так, например, за один день один гектар можжевелового леса может выделить в атмосферу до 30 килограмм летучих веществ – фитонцидов.

Живое вещество перераспределяет атомы в биосфере. Многие организмы обладают способностью накапливать в своих телах до десяти процентов  магния, около двадцати процентов фосфора, в серных бактериях до десяти процентов серы. Также организмы концентрируют кальций, кремний, натрий, алюминий, йод. Отмирая и оседая в массе, они образуют скопления этих веществ. Возникают залежи таких соединений как известняки, бокситы, фосфориты, осадочная железная руда и другие породы. Многие из них человек использует как полезные ископаемые. Так, например, в архее в результате деятельности анаэробных железобактерий сформировались значительные толщи магнетизма, гематита – руд, содержащих недоокисленное двух валентное железо. Вместе с тем установлено, что кислород, имеющийся в составе пород фотосинтетического происхождения. Постепенно увеличивающиеся масштабы фотосинтетической активности цианобактерий привели к появлению и накоплению свободного кислорода  в окружающей среде. Переход восстановительной атмосферы в окислительную наметился в начале протерозоя, о чем свидетельствуют изменения химического состава земных пород. Железо стало осаждаться в полностью окисленной, трехвалентной форме. Так возникли, например,  железистые кварциты-джееспилиты  Курской магнитной аномалии. Курская магнитная аномалия (КМА) — самый мощный в мире железорудный бассейн. Крупнейший по запасам железа район в мире, по разведанным запасам богатых руд (около 30 миллиардов  тонн). Уступает лишь перспективному боливийскому Эль Мутун (около 40 миллиардов тонн). Расположен  в пределах Курской, Белгородской и Орловской областей. В настоящее время границы простирания залежей железных руд КМА охватывают площадь размером свыше 160 тысяч квадратных километров, захватывая территории девяти областей Центра и Юга страны. Перспективные запасы богатых железных руд уникального бассейна составляют многие миллиарды тонн, а железистых кварцитов — практически неисчерпаемы.

Огромна роль кислорода двухвалентного как регулятора жизни. «В начале» накопленная концентрация начинала интенсивно расходоваться на дыхание. Жизнь получила возможность распространиться почти до поверхности водоемов, так как ультрафиолетовые лучи за счет слабого озонового экрана могли проникать до глубины не более одного метра. Это второе пороговое содержание. Есть еще несколько пороговых величин. Первое, из которых:  образование кислорода производилось с помощью фотодиссоциации молекул воды. Этот уровень содержания в среде сохранялся стабильно, и жизнь  была возможна только лишь в анаэробном состоянии. Но появление молекул кислорода за счет фотосинтеза сделало возможным для живых клеток процесс дыхания. Жизнь в последующем порог за порогом обретает развитие, эволюцию от органических соединений до живых клеток. Цианобактерии существовали в породах древностью 3,8 миллиарда лет. Этот факт свидетельствует о существовании фотосинтеза и молекулярного кислорода, а также о его огромной роли в появлении жизни.

 

 

 

Механизмы устойчивости биосферы.

Движущие силы, которые поддерживают биосферу в устойчивом состоянии, - это динамика популяций, реализация разных жизненных стратегий организмов и занимаемых ими экологических ниш, сукцессии11 обществ, функции живого вещества, биотические круговороты, соблюдение принципа экологической эквивалентности.

Сохранность того или иного вида в сообществе основана на постоянной борьбе жизни и смерти. Популяция вида жизнестойка, если существует равномерный поток особей, протекающий через все возрастные классы данной популяции от рождения до биологической старости. Если смертность будет превышать численность приходящих на смену старым молодых видов, популяция деградирует. А если количество молодых видов будет превышать смертность – популяция будет распространяться и вытеснять другие виды. Такие выводы сделал Уиттекер в 1980году (видный американский ученый – биолог и фотоценолог, один из наболлее известных экологов в мире). Устойчивость биосферы основана на постоянной экспансии12 живого вещества, борьбе за существование и вытекающем из нее естественном отборе, охватывающем не только отдельные организмы, но и целые популяции, ценоэлементы, сообщества,  а в конечном счете биогеноценотический покров всей Земли. При ухудшении биотических и абиотических условий среды в популяции могут сохранится только те особи, которые генетически лучше приспособлены к суровому природному окружению. Это естественный отбор – выживет сильнейший.

К механизмам устойчивости сообществ относится то, что популяции представлены видами с различной жизненной стратегией заложенной в особых приспособлениях, которые обеспечивают возможность обитать совместно с другими организмами, занимать определенную экологическую нишу в соответствующем биоценозе.

Русский ботаник Л. Г. Раменский в 1938 году первым выделил три фитоценотипа: виоленты, патиэнты, экспленты.

Виоленты (львы) – сильные конкуренты, способные захватывать место и удерживать его за собой благодаря энергии жизнедеятельности и полноте использования среды. Патиенты (верблюды) – виды, способные довольствоваться незначительным количеством ресурсов и быть устойчивыми к суровым условиям среды. Экспленты (шакалы) - слабые конкуренты, способные временами взрывообразно резко повышать  свое участие в ценозах, но доминирующие относительно непродолжительное время.

Систему эколого-ценотических стратегий растений сформировал Э. Пианки в 1981 году. В ней представлены два типа стратегий одна из которых К-стратегия. Определяется энергетическими затратами на поддержание жизнедеятельности взрослых особей. Приспособлены к более-менее стабильным условиям среды, обладают равновесными популяциями и приспособлены к условиям острой конкуренции. Это многолетние растения с медленным развитием и жизненной формой от трав до деревьев. Другой тип:  r-стратегии. Напротив, его представители предпочитают нестабильные места обитания, характеризуются неравновесными популяциями. Это в основном одно-, малолетние растения с высокой репродуктивной активностью. Хотя ученый отмечает относительность разделения всех видов растений на два типа стратегий: «мир не окрашен только в черное и белое и крайние варианты, как правило, связанны гаммой переходов», его система получила широкое распространение в экологии.

Экологическая ниша – основной структурный элемент биогеноза. Каждая видовая популяция в сообществе реализует определенную экологическую нишу, границы которой контролируются условиями среды во времени, пространстве и в градиентах абиогенных факторов. Отсюда следует, что новый вид не может образоваться, если нет свободной ниши или если образующийся вид не может ее «отобрать» у какого-нибудь другого вида, участвующего в экосистеме.

 Описание связей между растениями и животными в рамках классификации В. Н. Беклемишева (русский зоолог), в которой все многообразие связей сведено к четырем фундаментальным типам: трофические (по питанию), топические (по месторасположению), форические (по переносу, например, между растением и опылителем), фабричные (по материалу, используемому животными для обустройства гнезд, укрытий). Эта система является исчерпывающей и позволяет описать любые типы взаимоотношений между экологическими нишами.

Функциональную структуру сообщества, образованную сочетанием экологических ниш, В. В. Жерихин 1994 году уподобляет генотипу организма, в котором записана программа, управляющая развитием системы в целом. Пока этот отбор остается постоянным, структура сообщества и его сукцессионная последовательность воспроизводятся в прежнем виде. Изменение этого набора означает отклонение от прежней нормы развития системы. Если это изменение фиксируется и впоследствии стабильно воспроизводится, можно говорить о переходе системы в новое состояние.