Рассмотрите рисунок 154. Где находятся и чем определены области распространения живых существ на нашей планете?
Появление и развитие жизни на Земле привели к образованию ее биосферы (от греч. bios - жизнь и sphaire - шар) - геологической оболочки, состав, структура и энергетика которой связаны с деятельностью организмов. С экологической точки зрения биосфера - глобальная экосистема, объединяющая все гидроценозы, биогеоценозы и антропогенные экосистемы нашей планеты.
Развитие представлений о биосфере. Первые представления о биосфере как «области жизни» связаны с именем Ж.Б. Ламарка. Сам термин «биосфера» ввел в науку в 1875 г. австрийский ученый Э. Зюсс, определявший ее как «тонкую пленку жизни» на земной поверхности. Однако ни Ламарк, ни Зюсс не развили представлений о биосфере и не дали ее научного толкования. В начале XX в. отечественный ученый В.И. Вернадский (рис. 153) дал научное определение биосферы и создал учение о ней. Согласно ему, биосфера « ...представляет собой определенную геологическую оболочку, резко отличную от всех других оболочек нашей планеты». Она включает совокупность всех живых тел природы и их остатков, а также части атмосферы, гидросферы и литосферы, населенные организмами или несущие следы их жизнедеятельности.
Рис. 153. Владимир Иванович Вернадский (1863-1945)
Компоненты биосферы. Как земная оболочка, населенная организмами и несущая следы их жизнедеятельности, биосфера распределена в атмосфере, гидросфере и литосфере (рис. 154). Среди компонентов биосферы выделяют следующие вещества: живое, биогенное, косное, биокосное, радиоактивное, космогенное, а также рассеянные атомы элементов.
Рис. 154. Области биосферы
Живое вещество - совокупность всех организмов, существующих в данный момент на нашей планете. Биогенное вещество представлено полезными ископаемыми (известняк, нефть, газ, уголь, торф), имеющие органическое происхождение. Косное вещество (горные породы, минералы) - результат процессов, в которых организмы не участвовали. Сложное происхождение имеет биокосное вещество (почва, грунт водоемов), образованное организмами и абиогенными процессами. Радиоактивное вещество - радиоактивные руды и продукты их распада. Космогенное вещество - метеориты и космическая пыль, выпадающие на Землю. Кроме того, в биосфере есть рассеянные атомы элементов (С, H, О, N, P, S, Fe, Mg, Mn, Си, Zn, Са, Na, К и др.), непрерывно находящиеся в круговоротах веществ.
Функции живого вещества биосферы. Живое вещество - самый активный компонент биосферы. Количество его для современного нам геологического периода (антропогенового) составляет в сухой массе 2,4 • 1012 т. Живое вещество выполняет в биосфере ряд функций.
Энергетическая функция живого вещества состоит в связи биосферных процессов с космическими. Главный из этих процессов - вовлечение организмами в биосферу солнечного излучения (рис. 155). Накопленная фотосинтезирующими организмами энергия в виде органических веществ, затем перераспределяется между остальными компонентами биосферы.
Рис. 155. Поток энергии в биосфере
Газовая функция живого вещества проявляется в том, что потребляя и выделяя газообразные соединения, организмы поддерживают постоянство газового состава атмосферы. Так, кислород - продукт фотосинтеза, а углекислый газ - продукт дыхания. Подземный газ метан образуется при разложении органических веществ метанообразующими бактериями.
Концентрационная функция живого вещества обусловлена накоплением в телах организмов ряда химических элементов (углерода, кремния, фосфора и др.). Благодаря этой функции образовались полезные ископаемые: горючие сланцы, известняки, торф, каменный уголь и нефть. Они служат концентратом углеродсодержащих соединений, возникших благодаря деятельности организмов в прошлые геологические эпохи.
Окислительно-восстановительная функция живого вещества заключается в окислении и восстановлении организмами ряда химических соединений. Так, при фотосинтезе углекислый газ восстанавливается до углеводов, а при дыхании углеводы окисляются до углекислого газа и воды. В результате жизнедеятельности железобактерий изменяется степень окисления атомов железа.
Среди функций живого вещества в биосфере по мощности воздействия выделяют в настоящее время биогеохимическую деятельность человека. Она проявляется в использовании для нужд промышленности и сельского хозяйства веществ из земной коры. Благодаря биогеохимической деятельности человека в биосфере создан антропогенный круговорот. В нем скорость миграции атомов в два раза превышает темпы их перемещения при естественных процессах.
Особенности биосферы как глобальной экосистемы.
Как глобальная экосистема биосфера характеризуется рядом особенностей.
Во-первых, она является открытой системой, в которой на входе имеется солнечная энергия, а на выходе - вещества, образовавшиеся в процессе жизнедеятельности организмов и вынесенные из круговорота.
Во-вторых, биосфера - динамическая система. Энергетические потоки и круговорот элементов создают в биосфере неравномерность, зависящую от притока солнечной энергии и распределении живого вещества по планете. Динамическое равновесие биосферы проявляется в том, что изменение любого компонента вызывает дисбаланс, за которым следует изменение других компонентов. Эти изменения действуют по принципу отрицательной или положительной обратной связи (рис. 156). В случае отрицательной обратной связи, измененные компоненты стремятся вернуть биосферу в исходное состояние. При положительной связи компоненты биосферы стимулируют дальнейшее ее изменение в определенном направлении.
Рис. 156. Схемы действия обратной связи: 1 — отрицательной; 2 — положительной
Примером отрицательной обратной связи служат неоднократно происходившие в биосфере энергетические всплески, приводившие к расцвету автотрофных организмов. Их деятельность связывала избыток энергии в виде синтезированных органических соединений, что возвращало биосферу в исходное энергетическое состояние. Пример положительной обратной связи - образование в биосфере новых систематических групп организмов, вступивших на путь биологического прогресса. Так, появление в ходе эволюции современного человека привело к изменению растительного и животного мира, почвы, водоемов, запасов полезных ископаемых, что существенно преобразовало биосферу.
В-третьих, биосфера неразрывно связана с космосом и Вселенной. В настоящее время имеются геологические доказательства образования ряда структур земной коры от живого вещества биосферы. Не только известняк, уголь и нефть, но и сама атмосфера планеты - результаты жизнедеятельности организмов. Это позволяет называть жизнь не столько планетарным, сколько космическим явлением. Жизнь возникла в результате эволюции земной коры, а эволюция есть результат воздействия самой жизни на планету. Значит рассматривать жизнь на Земле надо как результат эволюции Вселенной, развивающейся по всеобщим космопланетарным законам.
Биосфера, вещества: живое, биогенное, косное, биокосное, радиоактивное, космогенное, рассеянные атомы элементов; функции живого вещества: энергетическая, газовая, концентрационная, окислительно-восстановительная, биогеохимическая деятельность человека, глобальная экосистема, динамическое равновесие, обратная связь.
1. Что такое биосфера? С именами каких ученых связано развитие представлений о биосфере? 2. Из каких компонентов состоит биосфера? 3. Каковы функции живого вещества биосферы? Почему среди них отдельно выделяют биогеохимическую деятельность человека? 4. Докажите, что биосфера - глобальная экосистема Земли.
Охарактеризуйте функции живого вещества биосферы. С какими группами организмов они связаны и в чем проявляются? Заполните таблицу (в тетради).
Живое вещество биосферы и его функции
