Биосфера

Материал из «Знание.Вики»

Биосфе́ра (сфера жизни) — область существования живых организмов на Земле[1].

Биосфера (от греч. bios — жизнь и sphaira — сфера, шар) — область активной жизни оболочки Земли, которая включает в себя части атмосферы, гидросферы и литосферы, заселённые живыми организмами. К понятию биосфера близко подошёл французский биолог Ж.-Б. Ламарк (1802)[2], ему принадлежат первые представления о биосфере как «зоне жизни». Сам термин «биосфера» впервые предложил австрийский геолог Э. Зюсс (1875). Именно он выделил биосферу как отдельную оболочку Земли, наполненную жизнью, но не дал определения этому понятию.

Термин «биосфера» получил распространение после создания концепции биосферы Земли как «живой оболочки» выдающимся ученым-геохимиком, основателем и первым президентом Академии наук Украины, академиком В. И. Вернадским[3]. По его определению, биосфера — часть земного шара, в границах которого существовала и существует жизнь. Основы учения В. И. Вернадского про «живую оболочку» изложены в книге «Биосфера» (1926). В своём учении он доказал, что живые организмы играют очень важную роль в процессах, происходящих во всех сферах Земли, и оказывают решающее влияние на на все геологические процессы, которые формируют «лицо» Земли. Именно жизнедеятельностью живых организмов обусловлены: химический состав атмосферы, концентрация солей в гидросфере, образование и разрушение горных пород, состав почв и другие важные процессы[4].

Состав и свойства биосферы

В монографии «Химическое строение биосферы Земли и её окружения»[5] В. И. Вернадский выдвинул идею и доказал, что биосфера Земли состоит из нескольких групп глубоко разнородных, но геологически неслучайных веществ.

Живое вещество

Зеленая биомасса суши
Живые сообщества океана

Живое вещество — это совокупность и биомасса всех живых организмов биосферы (растения, животные и микроорганизмы)[6]. В соответствии с законом физико-химического единства живого вещества (сформулированного В. И. Вернадским), всё живое вещество имеет единую физико-химическую природу. Как основные характеристики живого вещества Вернадский В. И. рассматривал массу (биомассу), химический состав и энергию. Основную часть биомассы суши составляют зеленые растения (99,2 %), а океана — животные (93,7 %). Распределено живое вещество в биосфере достаточно неравномерно. Большая его часть находится в приповерхностных участках суши (особенно большой является биомасса тропических лесов) и гидросфере, где массово развиваются зелёные растения и гетеротрофные животные, питающиеся ими. Более 90 % всего живого вещества, образованного, в основном, углеродом, кислородом, азотом и водородом, приходится на наземную растительность (97 - 98 % биомассы суши). По современным данным общая масса живого вещества биосферы составляет ~ 4,9х1012 т.

В. И. Вернадский отмечал, что в биосфере проходит биогенная миграция атомов химических элементов, которая вызвана лучистой энергией Солнца и проявляется в процессе обмена веществ, росте и размножении организмов. К уникальным особенностям живого вещества, обуславливающего его высокую преобразующую деятельность, относятся такие[7]:

  1. Способность быстро осваивать всё свободное пространство. Это связано как с интенсивным размножением, так и способностью организмов интенсивно увеличивать поверхность своего тела или образуемых ими сообществ.
  2. Движение пассивное (рост и размножение) и активное (против течения воды, силы гравитации, воздушных потоков).
  3. Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти (включение в круговороты веществ на Земле).
  4. Многообразие биосферы
    Высокая способность приспосабливаться (адаптация) к различных условиям и освоение не только всех сред жизни (водной, наземной, воздушной, почвенной и организменной), но и условий, достаточно тяжёлых по физико-химическим параметрам.
  5. Чрезвычайно высокая скорость протекания реакций. Она на несколько порядков (в сотни и тысячи раз) больше, чем в неживом веществе. По представлениям В. И. Вернадского, практически все осадочные породы толщиной до 3 километров на 95-99 % переработаны живыми организмами. Даже колоссальные запасы воды, содержащиеся в биосфере, разлагаются в процессе фотосинтеза за 5-6 млн лет, а угольная кислота в процессе фотосинтеза проходит через живые организмы за 6-7 лет.
  6. Высокая скорость обновления живого вещества. Подсчитано, что в среднем для биосферы обновление живого вещества составляет 8 лет, тогда как для суши — 14 лет, а для океана, где преобладают организмы с коротким периодом жизни (планктон), — 33 дня, а фитомасса (масса растений) - ежедневно. В результате высокой скорости обновления живого вещества за всю историю существования жизни общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу, приблизительно в 12 раз превышает массу Земли. Только незначительная её часть законсервированы в виде органических остатков, остальная — включена в процессы круговорота.

Все перечисленные свойства живого вещества обусловлены концентрацией в нём значительных запасов энергии[8].

Биогенное вещество

Каменный уголь

Биогенное вещество — это вещество органического и органоминерального происхождения, которое создано живыми организмами в течение геологической истории, и которое является источником чрезвычайно мощной потенциальной энергии. Это каменный уголь, горючие сланцы, торф, нефть, природный газ, известняк, сапропель, подстилка леса, гумус почвы[9]. Биогенное вещество подразделяется на:

  1. Необиогенное вещество. Образовано живыми организмами современной геологической эпохи.
  2. Палеобиогенное вещество. Образовано организмами предыдущих геологических эпох и сформировалось под действием тех или иных условий среды.

Косное вещество

Гранит
Кварц

Косное вещество — это вещество неорганического происхождения, образованное процессами, в которых живое вещество не принимало участие. Это горные магматические и неорганические породы, образующие земную кору, глубинные горные породы (гранит и мрамор) или реликтовые ледники, минералы (алмазы, кварц, изумруд). Могут образовываться в результате выветривания горных пород и извержения вулканов. По массе косное вещество биосферы значительно превосходит массу живого вещества. Между живым и косным веществом существует неразрывная связь благодаря процессам дыхания, питания и размножения живых организмов. Происходит миграция атомов из косных тел биосферы в живые и обратно. Часть косного вещества усваивается и ассимилируется живым веществом[10].

Биокосное вещество

Биокосное вещество — это продукты распада и переработки косного вещества живыми организмами, то есть вещество образовано одновременно косными процессами и живыми организмами, причём оно имеет значительную биохимическую энергию в биосфере. Это почвы, природные воды, донный ил, грунт водоёмов, приземная атмосфера, осадочные породы, глинистые минералы[11].

Вещества излучений и космического происхождения

К менее распространенным составляющим биосферы относятся радиоактивные вещества (вещества радиоактивного распада — элементы тория, урана, радия); вещества рассеянных элементов (рассеянные атомы); вещество космического происхождения (метеориты, космическая пыль, осколки космических тел, метеоры)[12]. В некоторых источниках, в соответствии с концепцией биосферы Вернадского, эти вещества разделяют на отдельные 3 группы.

Эволюция биосферы продолжалась более 3 млрд лет и проходила под влиянием внешних и внутренних факторов. Химический состав современной атмосферы и гидросферы обусловлен жизнедеятельностью организмов. Большое значение имеют организмы и для формирования литосферы. Большинство пород связаны своим происхождением с биосферой. Минеральное инертное вещество перерабатывается живыми организмами, превращаясь в качественно новое. Таким образом, живое и неживое вещество на планете Земля составляют гармоничное целое. Химический состав внешней оболочки планеты, биосферы, полностью находится под влиянием жизни. Энергия, которая придает планете её обычный вид, имеет космическое происхождение, её излучает Солнце в форме лучистой энергии, но именно живые организмы перерабатывают эту космическую лучистую энергию в земную, химическую, и формируют бесконечное разнообразие мира[13].

Границы биосферы

В. И. Вернадский определял биосферу как термодинамическую оболочку с температурами +50…-500С и давлением приблизительно 10000 Па, что соответствует границам жизни для большинства организмов[14].

По В. И. Вернадскому, верхняя граница биосферы находится на высоте 15-22 километра, охватывая тропосферу и нижнюю часть стратосферы. Снизу биосфера ограничена отложениями на дне океанов (до глубины 11 километров) и глубиною проникновения в недра Земли организмов и воды в жидком состоянии (2-3 километра).

Биосферные заповедники — Центральносибирский заповедник, Красноярский край

Нижняя граница биосферы в рамках литосферы обусловлена тепловым барьером и не опускается ниже 5 километров. Общая протяженность биосферы — 40 км. От всех геосфер она отличается энергетическим течением химических преобразований. Горизонты биосферы, которые наиболее интенсивно заселены живыми организмами называются «плёнкой жизни» или плетобиосферой[15].

Функции и значение биосферы

Биосфера на планете выполняет ряд важных функций, которые обуславливают свойства и относительную стабильность природы Земли[16].

  • Закрепление движущихся элементов поверхности литосферы (песок, глина, гравий, мелкая галька, почвы различных типов).
  • Регуляция круговорота воды путем замедления поверхностного стока и перевода его в подземный, увлажнение воздуха, снижение испарения с поверхности вследствие затемнения и уменьшения скорости ветра.
  • Связывание углекислоты, выделяемой животными и в ходе химических превращений в неживой природе.
  • Выделение кислорода в процессе фотосинтеза наземными и водными растениями.
  • Перевод в простые химические вещества огромной массы отмерших организмов и их выделений.
  • Участие в образовании и восстановлении почв, в очистке атмосферы и воды от различных загрязнений, в образовании местного климата и погоды.
  • Перемещение по планете (суша, реки, моря и океаны) массы разнообразных химических элементов и веществ.
  • Участие в образовании многих горных пород, часть из которых являются полезными ископаемыми (каменный уголь, мел, известняки).
  • Аккумуляция и трансформация солнечной энергии, которая в трансформированном виде включается в круговорот энергии Земли.

Законы функционирования биосферы

Создавая концепцию про биосферу Земли, В.И. Вернадский раскрыл ряд законов функционирования биосферы, которые перенесены в законы экологии[17].

Закон биогенной миграции атомов. В соответствии с законом, миграция химических элементов на земной поверхности в биосфере, в основном, осуществляется под подавляющим влиянием живого вещества. Живое вещество либо непосредственно принимает участие в биохимических процессах, либо создает соответствующие условия среды. Поэтому живое вещество принято делить на активное и пассивное[18].

В соответствии с законом константности биосферы, количество живого вещества за определенный геологический период является величиной постоянной. По данному закону, любое изменение количества живого вещества в одном регионе биосферы неизменно приводит к такому же по объёму количественному изменению живого вещества в другом регионе, но с обратным знаком. Следствием этого закона является правило обязательного заполнения экологической ниши.

В соответствии с законом физико-химического единства живого вещества, всё живое вещество Земли имеет единую физико-химическую природу. Из этого следует, что вредное для одной части живого вещества наносит вред и другой части, только в разной мере. Из-за наличия в любых экосистемах стойких к физико-химическому воздействию видов или особей, скорость отбора по выносливости видов к вредным факторам прямо пропорциональна скорости размножения организмов и чередования поколений, что обусловлено адаптацией. Вследствие этого, продолжительное использование пестицидов одного вида, например, хлорорганических, экологически недопустимо, потому что вредители, имеющие высокие темпы размножения, приспосабливаются и выживают, а это требует увеличения объёмов использования пестицидов.

Закон максимума биогенной энергии (закон Вернадского-Бауэра). Любая биологически несовершенная система, находящаяся в состоянии устойчивого неравновесия (динамично подвижного равновесия с окружающей средой), увеличивает при своем развитии влияние на среду. То есть, развитие экосистем и биосферы в целом имеет определённую последовательность и это позволяет прогнозировать состояние окружающей природной среды. В процессе эволюции видов выживают те, которые при развитии увеличивают биогенную геохимическую энергию. Живые системы никогда не бывают в состоянии равновесия и выполняют за счет своей свободной энергии полезную работу против равновесия. Количество этой свободной энергии экосистем определяется законами термодинамики[19].

Примечания

  1. ↑ Максимов В.Н. Биосфера. Большая всероссийская энциклопедия. Дата обращения: 7 июня 2024.
  2. ↑ Ламарк Жан-Батист де. Большая российская энциклопедия. Дата обращения: 7 июня 2024.
  3. ↑ Вернадский В.И. Собрание сочинений : в 24 т. /Т. 8. Живое вещество и биосфера / под ред. академика Э.М. Галимова. — М.: Наука, 2013. — С. 316-368. — 526 с.
  4. ↑ Еремченко О. З. Учение о биосфере: Учеб. пособие. — Пермь: Перм. ун-т, 2004. — С. 21-26. — 251 с.
  5. ↑ Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. — М.: Наука, 1987. — С. 212-261. — 340 с.
  6. ↑ Завальцева О.А. Основы биогеохимии: Учебное пособие. — Ульяновск: УлГУ, 2012. — С. 18-40. — 71 с.
  7. ↑ Скоробогатова О.Н. Учение о биосфере: Учебно-методическое пособие. — Нижневартовск: Изд-во Нижневарт. гуманит. ун-та, 2008. — С. 12-20. — 263 с.
  8. ↑ Бусоргина Н.А. Экология. Курс лекций : учеб. пособие. — Ижевск: ФГБОУ ВО Ижевская ГСХА, 2017. — С. 79-97. — 214 с.
  9. ↑ Дерябин В.А., Фарафонтова Е.П. Экология : учебное пособие. — Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2016. — С. 17-27. — 136 с.
  10. ↑ Вернадский В.И. Собрание сочинений : в 24 т. / Т. 6. Очерки геохимии / под ред. академика Э.М. Галимова. — М.: Наука, 2013. — С. 435-469. — 699 с.
  11. ↑ Рассадина Е.В., Климентова Е.Г., Антонова Ж.А. Учение о биосфере: учебно-методическое пособие. — Ульяновск: УлГУ, 2018. — С. 19-38. — 380 с.
  12. ↑ Вернадский В.И. Собрание сочинений : в 24 т. /Т. 9. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. Биосфера и ноосфера / под ред. академика Э.М. Галимова. — М.: Наука, 2013. — С. 362-563. — 574 с.
  13. ↑ Харина Г. В., Анахов С.В. Экологическая безопасность человека в техносфере: учебное пособие. — Екатеринбург: Изд-во Рос. гос. проф.-пед. ун-та, 2023. — С. 14-20. — 186 с.
  14. ↑ Незнамова Е. Г. Экология : учебное пособие. — Томск: Эль Контент, 2021. — С. 60-67. — 182 с.
  15. ↑ Реймерс Н.Ф. Азбука природы (микроэнциклопедия биосферы). — М.: Знание, 1980. — С. 5-16, 124-126. — 208 с.
  16. ↑ Щур А.В., Скриган А.Ю. и др. Основы экологии. — Могилев: ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет», 2014. — С. 15-33. — 129 с.
  17. ↑ Анисимов В.И., Битюков Н. А., Дрейзис Ю.И. Основы экологии (учебное пособие по курсу общей экологии). — Сочи: Гос. Унив. туризма и курортного дела, 2005. — С. 62-79. — 404 с.
  18. ↑ Назимко Е.И. Геохимия окружающей среды: курс лекций. — Керчь: ФГБОУ ВО «Керченский государственный морской технологический университет», 2019. — С. 8-15. — 164 с.
  19. ↑ Куприяновская А.П. и др. Основы экологии: учебное пособие / под ред. А.В. Невского. — Иваново: Иван. гос. химико-технол. ун-т., 2013. — С. 95-98. — 162 с.
WLW Checked Off icon.svg Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!
Источник — https://znanierussia.ru/articles/index.php?title=Биосфера&oldid=436365