8. Биосфера – особая оболочка планеты
Биосфера – особая оболочка планеты, объемлющая все формы активной жизни. В более развернутом плане под биосферой понимается нижняя часть атмосферы, гидросфера и верхняя часть литосферы, включающие совокупность всех живых организмов. Исторически сложившаяся многоуровневая, саморегулирующаяся система.
Биосфера - «область жизни», пространство на поверхности земного шара, в котором распространены живые существа. Целостное учение о биосфере было создано в начале 20 века академиком В. И. Вернадским, согласно которому биосфера представляет собой одну из геологических оболочек земного шара, глобальную систему земли, в которой геохимические и энергетические превращения определяются суммарной активностью всех живых организмов – живого вещества.
Биосфера имеет определенные границы и охватывает относительно небольшой слой поверхностных оболочек нашей планеты. Каждая из геологических оболочек имеет свои специфические свойства, которые определяют не только набор форм живых организмов, обитающих в данной части биосферы, но и их основные морфофизиологические особенности. При этом атмосфера, гидросфера и литосфера предстают не только как емкости, заполненные жизнью, но как основные среды жизни, активно формирующие ее состав и биологические свойства.
Биосферу, как местообитание организмов, можно разделить на три подсферы:
- геобиосфера (верхняя часть литосферы, населенная геобионтами);
- гидробиосфера (океаны, моря и континентальные пресные воды, населенные гидробионтами);
- аэробиосфера(нижняя часть атмосферы, населенная тропобионтами, до 22-24км, где располагается озоновый слой).
Биосфера как целое образует единую экологическую систему Земли, в которой сконцентрировано живое вещество планеты – биота.
Биота – совокупность взаимосвязанных и независимых биологических видов, объединенных общей областью распространения; исторически сложившийся комплекс живых организмов. Различают биоту Земли, государства, гидросферы и т.д.
Некоторые особенности биосферы
1. Биосфера – закономерный продут эволюции планеты Земля.
2. Биосфера Земли – большая (глобальная) открытая система, у которой на входе – поток солнечного излучения, а на выходе – минералы (вещества), образовавшиеся в процессе жизнедеятельности организмов и выпавшие из биогеохимических циклов (биогеохимического круговорота). Например, уголь, торф, нефть, горючие сланцы и т.п.
3. Биосферу Земли можно рассматривать как кибернетическую систему, обладающую свойством саморегулирования, что обеспечивается живыми организмами. Примером может служить практически постоянный солевой состав мирового океана, хотя реки ежегодно несут в него значительное количество различных химических соединений, в том числе около 2,5 млн.т карбоната кальция.
4. Огромное внутренне разнообразие биосферы определяет её устойчивость, обеспечивающую блокирование (нейтрализацию) внешних и внутренних возмущений, вплоть до возмущений, носящих катастрофический характер.
5. Биосферу как особую динамическую систему отличает неравновесность, определяемая принципом Бауэра (принципом устойчивого неравновесия живых систем).
6. Биосфера – это не тонкая непрерывная “пленка” живого вещества планеты, а единая сложная организация, созданная сообществами дискретных организмов.
7. Оводненность биосферы – еще одна из её отличительных особенностей. В биосфере практически нет воды без жизни (исключение – воды вулканов и некоторые рассолы) и, что более понятно, жизни без воды.
8. Химические процессы в биосфере протекают или при непосредственном участии живых организмов, либо в среде, чьи физико-химические свойства в значительной мере определяются деятельностью различных организмов на протяжении длительного времени геологической истории Земли. Например, кислород атмосферы, являющийся продуктом фотосинтеза, обновляется при участии хлорофилла растений каждые 2 тысячи лет.
9. Биосфера способна к эволюции, к переходу в высшую стадию развития, называемую ноосферой – сферой разума.
Средний химический состав оболочек планеты
Оболочка планеты
|
Состав, мас. %
|
Атмосфера
|
O – 23,15 %, N – 75,52 %
|
Гидросфера
|
O – 88,8 %, H – 11,2 %
|
Литосфера
|
O – 50 %, Si – 26 %
|
Биосфера (биота)
|
O – 70 %, C – 18 %
|
Средний элементный химический состав живого вещества суши
Элемент
|
Содержание,
% от живой массы
|
Элемент
|
Содержание,
% от живой массы
|
O
|
70
|
Mg
|
4٠10-2
|
C
|
18
|
Cl
|
2٠10-2
|
H
|
10,5
|
Na
|
2٠10-2
|
Ca
|
5٠10-1
|
Fe
|
1٠10-2
|
N
|
3٠10-1
|
Al
|
5٠10-3
|
K
|
3٠10-1
|
Ba
|
3٠10-3
|
Si
|
2٠10-1
|
Sr
|
2٠10-3
|
P
|
7٠10-2
|
Mn
|
1٠10-3
|
S
|
5٠10-2
|
B
|
1٠10-3
|
Разведанные запасы некоторых химических элементов и их ежегодное
накопление живым веществом
Элемент
|
Концентрируется при фотосинтезе, т
|
Мировые запасы
сырья, т
|
Элемент
|
Концентрируется при фотосинтезе, т
|
Мировые запасы
сырья, т
|
C
|
1011
|
1012
|
Co
|
105
|
106
|
P
|
109
|
1010
|
Ni
|
106
|
107
|
Cr
|
105
|
108
|
Cu
|
107
|
108
|
Mn
|
107
|
108
|
Zn
|
107
|
107
|
Fe
|
108
|
1011
|
Mo
|
105
|
106
|
Процессы в биосфере
Специфической чертой биосферы как особой оболочки Земли является происходящий в ней круговорот веществ, регулируемый деятельностью живых организмов. Живое вещество выполняет в биосфере следующие биогеохимические функции:
– газовую (поглощает и выделяет газы);
– окислительно-восстановительную (окисляет, например, углеводы до углекислого газа и восстанавливает его до углеводов);
– концентрационную (организмы-концентраторы накапливают в своих телах и скелетах азот, фосфор, кремний, кальций, магний и другие элементы).
Основные функции живого вещества в биосфере
Функции
|
Краткая характеристика процессов
|
Энергетическая
|
Поглощение солнечной энергии при фотосинтезе, химической энергии в результате разложения энергонасыщенных веществ; передача энергии по пищевой цепи разнородного живого вещества.
|
Концентрационная
|
Избирательное накопление в ходе жизнедеятельности определенных видов вещества, используемых для построения тела организма и удаляемых из него при метаболизме.
|
Деструктивная
|
Минерализация био- и небоигенного органического вещества; разложение неживого неорганического вещества; вовлечение образовавшихся веществ в биологический круговорот.
|
Средообразующая
|
Преобразование физико-химических параметров среды.
|
Транспортная
|
Перенос вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении.
|
Круговорот веществ – это многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере. Геологический (большой) круговорот веществ связан с образованием и разрушением различных форм рельефа в результате геологических процессов при участии энергии Солнца (горообразование, выветривание горных пород, подъем новых материков). Геологический круговорот протекает без участия живых организмов и охватывает обширные области за пределами биосферы.
Движущей силой биологического (биогеохимического или малого) круговорота веществ является деятельность живых организмов, а главным источником энергии является солнечная радиация. Он совершается в пределах биосферы, а его интенсивность определяется в первую очередь температурой окружающей среды и количеством воды (в тропиках скорость круговорота выше, чем в тундре).
Движущей силой антропогенного круговорота веществ является хозяйственная деятельность человека, которая приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению природной среды, что обусловливает незамкнутость антропогенного круговорота (обмена) веществ.
Из всех химических элементов наиболее важными для организмов и наиболее значимыми для биосферы являются круговороты основных элементов, входящих в состав живого вещества: углерода, кислорода, азота, фосфора и серы, поскольку они являются компонентами для построения основных молекул живого вещества - углеводов, липидов, белков и нуклеиновых кислот. Эти круговороты создаются живым веществом и одновременно поддерживают жизнедеятельность самих живых организмов. В процессе фотосинтеза за год зелеными растениями потребляется 480 млрд т вещества, уходит в атмосферу 250 млрд т свободного кислорода; при этом создается 240 млрд т живого вещества, в круговорот вовлекается 1,0 млрд т азота, 260 млн т фосфора, 200 млн т серы.
За время существования биосферы свободный кислород атмосферы обновлялся не менее миллиона раз, а воды Мирового океана прошли через биогенный цикл не менее 300 раз.
Круговорот воды является одним из грандиозных процессов на поверхности земного шара. Он играет главную роль в связывании геологического и биотического круговоротов. В биосфере вода совершает большой и малый круговороты, непрерывно переходя из одного состояния в другое. Испарение воды с поверхности океана, перенос и конденсация водяного пара в атмосфере, выпадение осадков на поверхность океана или на сушу с последующим возвращением воды в океан с речным и подземным стоком образуют большой круговорот. Взаимодействуя с литосферой, атмосферой и живым веществом, круговорот воды связывает воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды и атмосферную влагу.
Активность водообмена (по М.И Львовичу)
Часть гидросферы
|
Объем, тыс. км3
|
Активность
водообмена,
число лет
|
Океан
|
1 370 000
|
3 000
|
Подземные воды
В том числе зоны
активного водообмена
|
60 000
|
5 000
|
4 000
|
300
|
Полярные ледники
|
24 000
|
8 000
|
Поверхностные воды суши
|
280
|
7
|
Реки
|
1,2
|
0,030
|
Почвенная влага
|
80
|
1
|
Пары атмосферы
|
14
|
0,027
|
Вся гидросфера
|
1 454 000
|
2 800
|
Малый круговорот воды отличается тем, что он происходит в пределах экосистемы, представляя собой круговую циркуляцию воды между гидросферой, почвой, атмосферой, растениями, животными и микроорганизмами.
Круговорот углерода в биосфере начинается с поглощения СО2 при фотосинтезе зелеными растениями и фотосинтезирующими водорослями, включает прохождение углерода по цепям питания в составе разнообразных органических соединений и заканчивается выделением углерода в составе СО2, образующегося при окислении органических веществ в процессе дыхания всех видов организмов или их разложения после гибели. Часть углерода может выводится из круговорота и при последующем захоронении детрита накапливаться в литосфере в виде торфа, угля, горных сланцев, рассеянной органики или осадочных горных пород. Теперь человечество в огромных количествах добывает ископаемое топливо для обеспечения потребностей в энергии и, сжигая его, в определенном смысле завершает круговорот углерода, возвращая в атмосферу углекислый газ.
Другой путь углерода связан с созданием карбонатной системы в различных водоемах, где CO2 переходит в H2CO3, HCO31- и CO32-, а затем с помощью растворенного в воде кальция (реже магния) происходит осаждение карбонатов CaCO3 биогенным и абиогенным путями с образованием залежей известняков.
Круговорот углерода неразрывно связан с круговоротом кислорода – одного из наиболее активных газов, занимающего в составе земной атмосферы второе место после азота. Круговорот кислорода весьма сложен, поскольку он входит в состав множества химических соединений минерального и органического миров, но одним из ключевых звенев его также является СО2 В течение геологической истории Земли содержание СО2 в атмосфере все время снижалось, составляя когда-то 60%, но за последние 100 лет его концентрация вновь стала возрастать и, увеличилась на 25%, что, при сохранении этой тенденции, по мнению многих, может привести к глобальному потеплению. Парниковым эффектом (т.е. способностью задерживать тепловое излучение Земли в космос) обладают многие газы: фреоны (хлорфторуглероды, например - CCl2F2), метан CH4, оксиды азота, пары воды и другие, однако СО2 обеспечивает около 60% этого эффекта, последствиями которого может стать повышение уровня Мирового океана и затопление прибрежных территорий, изменение климата и усиление штормовой активности, смещение климатических зон, таяние многолетней мерзлоты и т.д.
С циркуляцией кислорода связана также проблема разрушения озонового слоя атмосферы, куда в результате человеческой деятельности попадают сотни веществ, многие из которых являются парниковыми газами и разрушителями озона: например, соединение хлора и брома, оксиды азота и серы и т.д.
По прогнозам при сокращении озонового слоя на 5% поток ультрафиолетового излучения увеличится на 10%, а количество заболеваний раком кожи – на 20-30%.
Круговорот азота является примером саморегулирующегося цикла с большим резервным фондом в атмосфере, в который азот составляет 78%. Большую роль в этом цикле играют микроорганизмы - азотфиксаторы (клубеньковые бактерии бобовых растений, некоторые водоросли и грибы), переводящие N2 в нитраты, доступные остальным растениям, от которых по пищевым цепям он передается другим организмам экосистемы. Продукты их жизнедеятельности и мертвые тела, разлагаясь с помощью бактерий, возвращают азот в почву, главным образом в аммонийной (NH4+) форме, которую некоторые бактерии - нитрификаторы могут переводить в нитритную (NО2-) или нитратную форму (NО3-), усваиваемые любыми растениями. Восстановление связанного азота до газообразного N2 или оксидов азота NxOy осуществляется бактериями – денитрификаторами.
Проблемы, связанные с круговоротом азота заключаются в том, что для повышения продуктивности агроценозов, человек вносит в почву азотные удобрения, которые усваиваются не более чем на 50%. Смытые в реки нитраты приводят к эвтрофированию водоемов, а накопленные в овощах могут вызвать отравление. Оксиды азота, которые образуются в двигателях внутреннего сгорания и входят в состав фотохимического смога, взаимодействуя на свету с не полностью сгоревшими углеводородами топлива, образуют ядовитые озон и ПАН (пероксиацетилнитрат). Кроме того окислы азота в некоторых районах дают до 40% кислотных дождей, под воздействием которых не только гибнут природные сообщества, но и разрушаются памятники архитектуры.
Кислотные дожди связаны и с круговоротом серы, который имеет свои особенности. Сера – биогенный элемент, который почти не бывает в дефиците, имея обширный резервный фонд в почве в виде сульфатов и образуя свыше 420 минералов. В круговороте серы наряду с геохимическими и метеорологическими процессами большую роль играют микроорганизмы, одни из которых выполняют функцию окисления (например, аэробное окисление H2S до SO42- серо- и тиобактериями) а другие восстановления (анаэробное восстановление SO42- до H2S сульфатредуцирующими бактериями). Сульфат SO42- - это основная доступная для живых организмов форма серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в белки.
Круговорот фосфора это пример осадочного цикла с резервным фондом в земной коре, где, входя в состав различных минералов, фосфор содержится в виде неорганического фосфат-иона PO43-, который поглощают растения, включая фосфор в состав различных органических соединений, передаваемых по пищевым цепям всем прочим организмам экосистемы. В процессе клеточного дыхания фосфаты вновь поступают в окружающую среду, после чего могут снова поглощаться растениями и начинать новый цикл.
В отличие от углекислого газа, который свободно переносится воздушными потоками, у фосфора нет газовой фазы и, попадая в водоемы, он аккумулируется там, насыщая, а иногда и перенасыщая их экосистемы.
Фосфор и другие минеральные биогены циркулируют в экосистеме лишь в том случае, если содержащие их "отходы" жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента, как это и происходит в естественных экосистемах, но когда в их функционирование вмешивается человек, он нарушает естественный круговорот, перевозя например, удобрения или урожай вместе с аккумулированными биогенами на большие расстояния к потребителям.
Связующим и важнейшим составным элементом биосферы и всех других оболочек планеты является кислород:
Несмотря на то, что в состав живых организмов входят те же химические элементы, соединения которых образуют атмосферу, гидросферу и литосферу, организмы не повторяют полностью химического состава среды.
Химические процессы в биосфере
Для химических процессов в биосфере характерны следующие особенности:
– участие в химических и биохимических реакциях большого числа органических и неорганических веществ;
– протекание химических реакций смешанного типа, часто без непосредственного контакта взаимодействующих веществ (например, окислитель и восстановитель в живых организмах в большинстве случаев находятся в разных частях тела);
– неравновесность процессов;
– участие в химических реакциях живых организмов.
Примеры химических и фотохимических процессов в биосфере
Фотосинтез:
6CO2 + 6H2O  C6H12O6 + 6O2
Дыхание:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O
Превращение солей в организме человека на примере PbCO3:
PbCO3 + 2HCl = PbCl2 + H2CO3
(с кислотой желудочного сока)
PbCO3 + 2NaOH = [Pb(OH)]2CO3 + Na2CO3
(в щелочной среде кишечника)
PbCO3 + H2S = PbS + H2CO3
(в толстой кишке)
Образование «зубного камня»:
3Ca2+ + 2PO43- = Ca3(PO4)2
|
